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，卻注定與中國的通信產業乃至公眾的日常生活發生難以割舍的聯系。
在一定程度上，是他讓中國成為了真正意義上的通信基礎規則“制定者”；未來，也將有更多中國消費者在使用 5G 服務時受惠于他發明的一項技術。
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、梁華、徐直軍、郭平、胡厚崑等核心高管悉數到場，迎接阿里坎并為之頒獎。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，這樣的規格并不常見。
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、政府的支持?！?/p>
對于每一個縱深行業來說，都需要以 5G 為基礎設施，它的發展規?？赡軙痊F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。所有數據從業人員、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，一定要有政府支持，這樣才可以實現盡快部署的目標。
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，阿里坎出生于土耳其首都安卡拉。1981 年，他在加州理工學院獲得本科學位，隨后赴麻省理工學院學習，并在 1985 年獲得電子信息工程專業博士學位；2013 年，阿里坎因其對信息論的貢獻，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 勛章；2018 年獲得通信理論領域最高獎“香農獎”。
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（增強型移動寬帶）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，前者為信令信道編碼方案，后者為數據信道編碼方案。
極化碼歷史性地與 LDPC 碼一起走進蜂窩移動通信系統。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信標準。
LDPC 碼由香農的學生羅伯特·加拉格爾（Robert Gallager）在 1962 年提出，此前被選為 5G 數據信道編碼方案。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，幾乎適用于所有的信道。而極化碼是一種基于信道極化理論提出的一種線性信道編碼方法，在 5G 標準中采用。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代碼縮短機制，可以提供優異的性能。
由于誤碼率接近于 0，極化碼的可靠性可以達到 99.9%，這對于 5G 的超高可靠性來說是一個必要條件。因為編碼簡單，解碼的復雜度也相對較低，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。對于等效誤碼率，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（對于多終端場景）等特點能更好地滿足 5G 應用場景。要知道，編碼和調制是無線通信技術的核心部分，在某種程度上甚至能體現一個國家通信科學基礎理論的綜合實力。這也就不難理解，為什么極化碼入選之后會引起國內外這么大的輿論反響。
中國通信三十年，人們將此間演進概括為，“1G 空白、2G 跟隨、3G 突破、4G 并跑、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，讓國外各大通信設備生產商在 5G 的通信設備中都會采用“華為的標準”，中國成了真正意義上的通信基礎規則“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信挑戰，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能、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于通信基礎設施的，很多人工智能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 究竟是什么，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信和它所應用的場景。比如說車與車之間的通信，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，而且也適用于不同的技術，其中也涉及了不同的通信要求。
5G 的從業人員做了很多以任務為導向的開發項目，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帶寬，如果帶寬不夠，很難去做真正高質量的通信。在左下角是基于不同機器類型的通信，包括物聯網的設備，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信。
（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于無線通信，它可能覆蓋不同的應用。對于通信工程來說，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信協議。
在這個框架中，所有的機器通信協議其實都是在信息物理系統中，在這個系統中，數據是在物理世界中提取出的，然后被輸送到了數字世界中，比如說云端。這是一個循環過程，可以使用不同的分析方法，人也在這個循環之中，人在其中會去做一些決策，決策也會被傳到現實世界。
那么 5G 在什么位置？實際上，5G 在這張圖中就是信息物理系統的一個神經網絡，它就像是我們信息世界和物理世界的架構一樣。5G 是一個神經系統，它可以傳輸數據，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后，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互聯網，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，中國有很多互聯網企業，在這個過程中可以搶占先機，利用這個新互聯網的架構，打造出新一輪的應用。
現在的互聯網是為人所設計的，并不是為機器所設計。未來一些互聯網公司規模會比現在變得更大（可能 10 倍以上）。我認為到最后，我們會打造出一個針對機器設計的互聯網，到時候會有很多產業部門從新網絡架構中獲益，包括車聯網，以及數據驅動的決策過程。
如果 5G 能給我們提供這樣一種網絡基礎設施，未來肯定會有很多改變、很多突破。5G 并不只是 4G 的延伸版，更是一個機器的網絡架構。
新的機器類型的通訊可以為我們帶來新的應用場景，從通信的角度來講，我們也能看到一些 5G 的挑戰。
（來源：Erdal Arikan)
首先就是帶寬問題，帶寬所指的是在數據外圈和核心之間，會有很多的數據流動，尤其是在無線網絡，在邊緣的無線端，只有有限的帶寬資源可以使用，所以這時就會出現帶寬瓶頸。我們可以讓蜂窩變得更小，這樣可以為我們帶來更多的帶寬，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 網絡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。如果網絡出現了問題，導致數據包丟失，最糟的情況可能導致撞車，出現致命事故。所以，對于這種技術的應用，我們一定要確保網絡可以提供非常穩定、可靠的通信。
最后，AI 或新的機器通信應用，在開發時很可能面臨不可避免的通訊限制，不過，5G 以及未來的通信技術，可以為我們提供非常好的通信基礎設施。
5G 如何應對這些挑戰？工程人員應當如何提供更好的帶寬？我認為，想要提供更好的帶寬，首先要更好地利用已有的頻譜，也就是香農理論，我們要盡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，就可以增加已有的帶寬。
（來源：Erdal Arikan)
還有多設備訪問的問題，到時候會有幾十億物聯網設備分布在全世界，它們會同時使用網絡，多設備的運行速度可能會非常慢。所以我們需要去尋找一種新的多設備接入網絡的計劃。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。對于需要低延時的應用，我們也可以將更短的數據包作為解決方案。另外，我們還可以使用邊緣計算，直接在邊緣設備上進行數據處理，然后讓數據經過核心，把指令發送出去，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，由于蜂窩的體積更小，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，機器通信的用戶案例非常多樣、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 到來之后，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信息物理系統。
在未來，我們很有可能會面臨著數據泛濫、不同機器類型數據造成的通信瓶頸、通信限制，以及成本問題，這些問題在我們設計信息物理系統的時候，都是需要予以考慮的。
謝謝大家的聆聽，謝謝！
