對中國公眾來說，土耳其比爾肯大學是一所十分陌生的高校，可說是全無概念。但是來自這所高校的一位教授，卻註定與中國的通訊產業乃至公眾的日常生活發生難以割捨的聯絡。

在一定程度上，是他讓中國成為了真正意義上的通訊基礎規則“制定者”；未來，也將有更多中國消費者在使用 5G 服務時受惠於他發明的一項技術。

他就是 5G 極化碼（Polar Code）之父——埃爾達爾·阿里坎（Erdal Arikan）。

2018 年 7 月，是阿里坎在中國的一個高光時刻。在華為深圳總部，任正非、樑華、徐直軍、郭平、胡厚崑等核心高管悉數到場，迎接阿里坎併為之頒獎。在儀式開始之前，華為管理層們原地站立一二十分鐘等待他的到來，這樣的規格並不常見。

12 月 14 日，這位對中國 5G 影響深遠的學者，登上《麻省理工科技評論》EmTech China 全球新興科技峰會發表演講，介紹了 5G 在未來扮演的角色，以及我們面臨的各種挑戰。

圖 | 土耳其比爾肯大學教授埃爾達爾·阿里坎（來源：EmTech China）

阿里坎認為，雖然政府和公眾都對 5G 有很高的期待，很多運營商都有雄心，政府也投入了大量補貼，但 5G 部署速度可能會比較慢。他說，“5G 是很好的，但是需要更多公眾、政府的支援。”

對於每一個縱深行業來說，都需要以 5G 為基礎設施，它的發展規模可能會比現在大十倍、百倍。在阿里坎看來，5G 會像高速公路一樣，在經濟發展中扮演非常重要的角色。所有資料從業人員、應用開發人員，都是需要依賴 5G 發展的。

因此，光靠電信部門自己力量太小了，在全球經濟當中可能只有百分之幾是由電信部門貢獻。我們想要部署 5G 技術，一定要有政府支援，這樣才可以實現儘快部署的目標。

未來 10 年，5G 的部署將會非常忙碌。中國將在其中扮演重要角色，而阿里坎發明的極化碼，又對中國的 5G 戰略至關重要。

圖 | 土耳其比爾肯大學教授埃爾達爾·阿里坎（來源：EmTech China）

這就要從阿里坎的求學和研究經歷談起。

1958 年，阿里坎出生於土耳其首都安卡拉。1981 年，他在加州理工學院獲得本科學位，隨後赴麻省理工學院學習，並在 1985 年獲得電子資訊工程專業博士學位；2013 年，阿里坎因其對資訊理論的貢獻，尤其是極化碼的提出而獲得 IEEE WRG Baker 獎；2017 年 12 月，他獲得了 2018 年 Richard W.Hamming 勳章；2018 年獲得通訊理論領域最高獎“夏農獎”。

2016 年 11 月，在 3GPP 會議的 5G 短碼方案討論中，經過兩輪激戰，在 5G eMBB（增強型移動寬頻）場景上，華為等中國企業主推的極化碼和美國主推的 LDPC 碼二分天下，前者為信令通道編碼方案，後者為資料通道編碼方案。

極化碼歷史性地與 LDPC 碼一起走進蜂窩移動通訊系統。這是中國第一次實現從概念研發到標準、產品全鏈條參與的通訊標準。

LDPC 碼由夏農的學生羅伯特·加拉格爾（Robert Gallager）在 1962 年提出，此前被選為 5G 資料通道編碼方案。而阿里坎在麻省理工學院的博士導師就是加拉格爾。LDPC 碼是一種具有稀疏校驗矩陣的分組糾錯碼，幾乎適用於所有的通道。而極化碼是一種基於通道極化理論提出的一種線性通道編碼方法，在 5G 標準中採用。極化碼對 5G 場景的適用性非常高，主要是因為它通過簡單的刪除以及程式碼縮短機制，可以提供優異的效能。

由於誤位元速率接近於 0，極化碼的可靠性可以達到 99.9%，這對於 5G 的超高可靠性來說是一個必要條件。因為編碼簡單，解碼的複雜度也相對較低，所以極化碼也可以降低終端能耗。這非常適合需要超低功耗的物聯網應用。對於等效誤位元速率，極化碼比其他碼具有更低的信噪比要求，因此可提供更高的編碼增益和更高的頻譜效率。

因此，多路徑，靈活性和多功能性（對於多終端場景）等特點能更好地滿足 5G 應用場景。要知道，編碼和調製是無線通訊技術的核心部分，在某種程度上甚至能體現一個國家通訊科學基礎理論的綜合實力。這也就不難理解，為什麼極化碼入選之後會引起國內外這麼大的輿論反響。

中國通訊三十年，人們將此間演進概括為，“1G 空白、2G 跟隨、3G 突破、4G 並跑、5G 引領”。3G 時代，中國自主研發了 TD-SCDMA 技術，因為背離了國際主流的 CDMA 而以失敗告終；4G 時代，中國的 TD-LTE 技術有了一定突破，但其中的核心長碼編碼 Turbo 碼和短碼咬尾卷積碼，仍舊不是中國原創。

由此觀之，極化碼取得勝利，讓國外各大通訊裝置生產商在 5G 的通訊裝置中都會採用“華為的標準”，中國成了真正意義上的通訊基礎規則“制定者”。

追根溯源，極化碼也正是阿里坎與中國緣分的起點。以下為阿里坎在 EmTech China 全球新興科技峰會上的演講：

大家好，今天我想給大家介紹的是機器通訊挑戰，以及它在 5G 時代會出現哪些變化和發展。

從昨天到今天，我一直在聽大家的演講。很多人都提到了人工智慧、物聯網、機器學習、虛擬現實、增強現實等等，大家介紹的很多新興技術，還有技術趨同化的發展，這些其實都給我們帶來了很多新的應用，這些應用也從概念變成了現實。

當然，這些技術是需要依賴於通訊基礎設施的，很多人工智慧應用的研發人員都在期待 5G 時代的來臨。今天我想跟大家介紹一下 5G 是否能滿足大家的期待，5G 究竟是什麼，以及 5G 將在這些新的應用市場中扮演何種角色。

首先，我們可以關注一下機器通訊和它所應用的場景。比如說車與車之間的通訊，還有車路協同、車人協同、交通管理、智慧城市、智慧電網、工業自動化、環境監測以及安保、個性化醫療服務等等。這些多樣化的條目，覆蓋了不同的行業領域，而且也適用於不同的技術，其中也涉及了不同的通訊要求。

5G 的從業人員做了很多以任務為導向的開發專案，可以用三角形的框架來給大家展示一下 5G 扮演的角色。三角形的頂端是移動頻寬，如果頻寬不夠，很難去做真正高品質的通訊。在左下角是基於不同機器型別的通訊，包括物聯網的裝置，其中一個非常典型的使用場景是智慧城市。而右下角要求就是超低時延以及超高可靠性的通訊。

（來源：Erdal Arikan)

在三角形框架內還有一些其它的應用，有一些應用是可以歸為同一個集合的，比如說有一些是依賴於無線通訊，它可能覆蓋不同的應用。對於通訊工程來說，如果你沒有標準化的工作、沒有協議是不可行的。但是我們不可能單為某一個使用案例來打造出一個標準或者是協議，我們必須要把不同的使用案例結合在一起，為這一個合集開發出一個通訊協議。

在這個框架中，所有的機器通訊協議其實都是在資訊物理系統中，在這個系統中，資料是在物理世界中提取出的，然後被輸送到了數字世界中，比如說雲端。這是一個迴圈過程，可以使用不同的分析方法，人也在這個迴圈之中，人在其中會去做一些決策，決策也會被傳到現實世界。

那麼 5G 在什麼位置？實際上，5G 在這張圖中就是資訊物理系統的一個神經網路，它就像是我們資訊世界和物理世界的架構一樣。5G 是一個神經系統，它可以傳輸資料，同時它也可以把決策返回給現實世界。

現在我們還處在 5G 最開始的階段，包括 eMBB，但這種超高可靠性、超低時延的服務，在目前階段還沒有辦法完全實現，我認為還需要經過幾個版本的更新之後，才能真正實現所有的 5G 功能。

未來 10 年，5G 還會有更多不一樣的地方。很多國家都在打造下一代網際網路，很多公司、國家都在部署下一代機器互聯策略。

我認為中國也是一個有優勢的國家，中國有很多網際網路企業，在這個過程中可以搶佔先機，利用這個新網際網路的架構，打造出新一輪的應用。

現在的網際網路是為人所設計的，並不是為機器所設計。未來一些網際網路公司規模會比現在變得更大（可能 10 倍以上）。我認為到最後，我們會打造出一個針對機器設計的網際網路，到時候會有很多產業部門從新網路架構中獲益，包括車聯網，以及資料驅動的決策過程。

如果 5G 能給我們提供這樣一種網路基礎設施，未來肯定會有很多改變、很多突破。5G 並不只是 4G 的延伸版，更是一個機器的網路架構。

新的機器型別的通訊可以為我們帶來新的應用場景，從通訊的角度來講，我們也能看到一些 5G 的挑戰。

（來源：Erdal Arikan)

首先就是頻寬問題，頻寬所指的是在資料外圈和核心之間，會有很多的資料流動，尤其是在無線網路，在邊緣的無線端，只有有限的頻寬資源可以使用，所以這時就會出現頻寬瓶頸。我們可以讓蜂窩變得更小，這樣可以為我們帶來更多的頻寬，但這種做法也是有限制的。

還有低延遲挑戰，很多應用場景都需要超低延遲。工業自動化以及有決策流程的應用場景，都需要非常小的延遲。現在的 4G 網路是沒有辦法提供低延遲的，5G 在設計中就可以為我們帶來低延遲，基本上不到 1 毫秒。

（來源：Erdal Arikan)

還有可靠性挑戰，在一些應用場景中，是不允許出現錯誤的。如果網路出現了問題，導致資料包丟失，最糟的情況可能導致撞車，出現致命事故。所以，對於這種技術的應用，我們一定要確保網路可以提供非常穩定、可靠的通訊。

最後，AI 或新的機器通訊應用，在開發時很可能面臨不可避免的通訊限制，不過，5G 以及未來的通訊技術，可以為我們提供非常好的通訊基礎設施。

5G 如何應對這些挑戰？工程人員應當如何提供更好的頻寬？我認為，想要提供更好的頻寬，首先要更好地利用已有的頻譜，也就是夏農理論，我們要儘可能去使用還沒有被利用的資源，把它們充分利用起來。如果可以在無線頻譜中更好地使用已有的頻譜，就可以增加已有的頻寬。

（來源：Erdal Arikan)

還有多裝置訪問的問題，到時候會有幾十億物聯網裝置分佈在全世界，它們會同時使用網路，多裝置的執行速度可能會非常慢。所以我們需要去尋找一種新的多裝置接入網路的計劃。NoMa 是 5G 帶來的一個新技術，而且 5G 也會帶來新的頻譜。我們可以重新去設計幀長度，可以把延時縮到更短。對於需要低延時的應用，我們也可以將更短的資料包作為解決方案。另外，我們還可以使用邊緣計算，直接在邊緣裝置上進行資料處理，然後讓資料經過核心，把指令傳送出去，這樣就可以減少延時。

在可靠度方面，我們需要有更好的糾錯方法，由於蜂窩的體積更小，也為我們提供了更好的聯通性。

（來源：Erdal Arikan)

5G 是否可以解決問題呢？我們面臨著很大的挑戰，機器通訊的使用者案例非常多樣、非常廣泛，所以不存在一刀切的解決方案。5G 是不可能解決所有問題的。

5G 到來之後，我們將會有一些專用的解決方案，產業組織也需要建立起新的標準。所以，在未來肯定會有很多的競爭。

但是，5G 或者其他任何的未來系統，都沒有辦法為我們提供一個完美的解決方案。我們需要接受這個現實，而且還需要建造一個更加完好的資訊物理系統。

在未來，我們很有可能會面臨著資料氾濫、不同機器型別資料造成的通訊瓶頸、通訊限制，以及成本問題，這些問題在我們設計資訊物理系統的時候，都是需要予以考慮的。