华中科技大学江涛科研团队：5G标准中PCC极化码技术及演进

华中科技大学江涛科研团队十余年磨一剑，提出了校验级联(PCC)极化码，通过引入一定数量的分散校验比特，实时校验译码信息，有效提升了中短码长下的纠错性能，成为5G 信道编码标准。

江涛，华中科技大学二级教授，IEEE Fellow，国家重点研发计划项目首席科学家，国家第六代移动通信（6G）技术研发总体专家组成员。长期致力于无线通信领域中信道编码、信号调制以及频谱聚合等空口链路传输理论方法、技术研究与工程实践，提出的PCC极化码技术成为5G控制信道标准。现已发表学术论文500余篇，连续入选爱思唯尔“中国高被引学者”和全球前2%顶尖科学家的榜单；以第一作者出版专著6部；申请国家发明专利130余项（其中授权90余项），PCT专利10余项，美国专利4项。受邀担任China Communications副主编和IEEE Communications Surveys and Tutorials、IEEE Network等学术期刊编委。以第一完成人先后获国家技术发明奖二等奖、中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖和科技进步一等奖、湖北省自然科学奖一等奖和技术发明奖一等奖等。

信道编码是所有现代通信系统的基石。自香农1948年创立信息论以来，探索纠错性能可达香农限且具有低复杂度的编码方案成为信道编码领域“皇冠上的明珠”。70多年来，各种信道编码方案被提出，其中，涡轮（Turbo）码和低密度奇偶校验（LDPC）码均以逼近香农限的纠错性能而引起学术界和工业界广泛关注。Turbo码更是入选为第三代/第四代移动通信（3G/4G）系统信道编码的技术标准。尽管如此，学术界在对Turbo码、LDPC码长达几十年的研究中，并不能严格证明这两类编码具有理论上逼近香农限的性能。直到2009年，Erdal Arikan教授提出的极化码给信道编码领域带来历史性突破——极化码是目前唯一可理论证明达到香农限的结构化编码方法，且编码、译码均具有较低的实现复杂度。得益于纠错性能和复杂度方面的独特优势，极化码从一开始就被学术界广泛接纳。极化码构造编码的基本思想是利用信道的两极分化现象，把承载信息的比特放在“高质量/理想”信道中传输，而把已知/冻结比特放在“低质量非理想”信道中传输。然而，信道极化现象随着码长的缩短而削弱，无法保证理想纠错性能，直接限制了极化码的实际应用。因此，如何在中短码长的情况下，依然能够保证移动通信可靠性，是极化码理论实现工程化面临的最主要挑战。

▲ 信道编码技术演进

针对这一重大需求，华中科技大学江涛科研团队十余年磨一剑，提出了校验级联(PCC)极化码。该方案采用校验码为外码、极化码为内码的级联编码结构，在信息比特之外引入一定数量的分散校验比特，使得译码器能够根据校验比特提供的额外信息及时检测和删除错误路径，从而有效提升极化码在中短码长下的纠错性能。该方案是在极化码中短码长下高效利用未被充分极化的信道资源的普适性方法，其有效性在理论和实验上均得到论证。2015年12月作者团队申请了国际首个PCC极化码专利：一种极化码和多比特奇偶校验码级联的纠错编码方法（ZL201510995761.X）。对应的论文“Parity-Check-Concatenated Polar Codes. IEEE Communications Letters，2016，20 (12)：2342-2345”在2017年4月被3GPP提案 Polar Codes for Control Channels (Nokia, RAN1 #88，Spokane USA) 所引用。2017年12月发布的3GPP TS 38.212 V1.2.1 (2017-12)（3GPP“复用与信道编码标准文档”）正式采纳团队的研究成果，即PCC极化码，作为第五代移动通信（5G）系统新空中接口标准的组成部分。

▲ PCC极化码编码架构设计

此后，作者团队在PCC极化码的编码构造、快速译码、技术演进及硬件实现等方面的工作都获得了一定进展。历经十余年，成功地将PCC极化码应用到Beyond-5G测试平台和极弱链接环境的通信系统中，并和中国电子科技集团公司第三十八研究所、第五十四研究所等单位进行了具体技术对接，为PCC极化码在高轨、低轨卫星通信等系统中的应用奠定基础。

▲ PCC极化码译码器硬件顶层架构设计

当今世界正处于百年未有的大变局之中，移动通信行业也面临着加速迭代需要不断地让人类关于未来的想象都变成真切现实。作为移动通信的核心，基于极化码的信道编码技术正在迅速发展，方方面面的学术论文散见于诸多的学术期刊和国际会议。《5G标准中PCC极化码技术及演进》（江涛著. 北京：科学出版社）是极化码理论与方法的全面梳理总结，期待其能为我国移动通信行业的进一步发展贡献力量。

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本书详细介绍了PCC 极化码原理及关键技术，主要包括极化码原理、PCC 极化码编码、PCC 极化码译码、PCC 极化码硬件实现、PCC 极化码技术演进及PCC 极化码应用与展望。

本书主要内容是在国家863计划（2015AA01A710）、国家杰出青年科学基金（61325004）和国家重点研发计划（2019YFB1803400）等项目的资助下完成。

本文摘编自《5G标准中PCC极化码技术及演进》（江涛著. 北京：科学出版社）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

责任编辑：朱英彪 赵微微

本书可作为高等院校通信等专业的本科生、研究生教材，也可供移动通信等相关领域的科研人员和工程技术人员参考学习。

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