Was genau ist der Polar-Code in der 5G-Kommunikation?
Der Polarcode ist ein FEC-Schema (Forward Error Correction Coding), das 2008 vom türkischen Professor Erdal Arıkan vorgeschlagen wurde. Es handelt sich um einen linearen Blockcode, der als Methode zur Erzielung einer Kanalkapazität gilt, insbesondere im Fall eines hohen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). ). Polarcodes haben aufgrund ihrer mathematischen Eleganz und extremen Leistung unter bestimmten Bedingungen viel Aufmerksamkeit erregt und wurden als eines der Steuerkanal-Codierungsschemata für 5G-Kommunikationsstandards ausgewählt.
Grundprinzipien der Polarcodes
Die Kernidee von Polarcodes besteht darin, einen Satz unabhängiger und identisch verteilter (iid) Kanäle durch eine spezifische Transformation in einen neuen Satz virtueller Kanäle zu „polarisieren“. Einige dieser virtuellen Kanäle weisen sehr gute Kanaleigenschaften (nahezu rauschfrei) auf, während andere Teile sehr schlechte Kanaleigenschaften (nahezu reinem Rauschen) aufweisen. Durch diesen Polarisationseffekt können gute Kanäle zur Übertragung von Informationsbits ausgewählt werden, während schlechte Kanäle zur Übertragung fester redundanter Bits (z. B. Nullbits) verwendet werden können, wodurch eine effiziente Codierung erreicht wird.
Hauptmerkmale von Polarcodes
lKanalpolarisation: Polarcodes nutzen die Kanalpolarisationstechnologie, um Kanäle mit hoher Kanalkapazität unter einer großen Anzahl virtueller Kanäle zur Informationsübertragung zu identifizieren.
lSkalierbarkeit: Die Länge der Polar-Codes beträgt eine Potenz von 2, wodurch sie je nach Anwendungsanforderungen leicht erweiterbar sind.
lDekodierung mit geringer Komplexität: Polarcodes können mit einem Algorithmus namens Success Probability Decoding (SCD) dekodiert werden, der eine geringe Komplexität aufweist.
lNahe der Shannon-Grenze: Bei Blocklänge und hohem Signal-Rausch-Verhältnis können sich Polarcodes der Kanalkapazität nähern, also der Shannon-Grenze.
Anwendung des Polarcodes in 5G
Im 5G-Kommunikationsstandard wird Polarcode als Kodierungsschema für den Steuerkanal gewählt, der hauptsächlich für die Übertragung kleiner Pakete verwendet wird. Zusammen mit einem anderen Codierungsschema, dem LDPC-Code (Low Density Parity Check Code), wurde er verwendet, um den Turbo-Code zu ersetzen, der in frühen Kommunikationsstandards verwendet wurde.
Nachteile von Polarcodes in Anwendungen
Obwohl Polarcodes theoretisch viele Vorteile bieten, stehen sie in der praktischen Anwendung immer noch vor einigen Herausforderungen, wie zum Beispiel:
lBegrenzte Blocklänge: In tatsächlichen Systemen können aufgrund von Einschränkungen bei der Dekodierungskomplexität und Latenz keine sehr langen Codewörter verwendet werden, was die Fähigkeit von Polarcodes beeinträchtigen kann, sich der Shannon-Grenze zu nähern.
lKanalschätzung: Die Leistung von Polarcodes hängt in hohem Maße von der genauen Kenntnis der Kanalzustandsinformationen (CSI) ab, daher ist eine genaue Kanalschätzung erforderlich.
lDekodierungsalgorithmus: Obwohl der SCD-Algorithmus eine geringe Komplexität aufweist, sind zur weiteren Verbesserung der Leistung normalerweise komplexere Dekodierungsalgorithmen erforderlich, z. B. die Listendekodierung.
Zusammenfassen
Polarcodes weisen ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Komplexität auf und sind bei kurzen und mittleren Codelängen vorteilhafter. Kurz gesagt, die Polarcodierungstheorie kann breite Anwendungsaussichten in tatsächlichen Kommunikationssystemen haben, und es gibt eine große Anzahl von Anwendungsproblemen, die es wert sind, untersucht zu werden, wie z. B. Quellcodierung, Mehrbenutzerkommunikation, sichere Kommunikation auf der physikalischen Ebene usw. Einige dieser Probleme haben die Aufmerksamkeit einiger Wissenschaftler auf sich gezogen, aber selbst zu diesen Themen befindet sich der Großteil der Forschung zu ihnen noch im theoretischen Stadium. Um den tatsächlichen Einsatz und die Anwendung in zukünftigen Kommunikationssystemen durchzuführen, ist es immer noch schwierig, viel Forschungsarbeit zu leisten.