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华为5G与数学

侯慧慧来源:互联网  文章点击数:

深圳南山区深圳人才公园做了题为《数学推动现代科技——从华为重视数学谈起》的公众演讲,一个月后,美国总统特朗普签署行政命令,将华为加入“出口禁运”实体清单(即美国企业需要获得特别许可才能向华为出口软硬件产品)。美国总统公开封杀华为,使华为更放异彩。华为掌舵人任正非先生 2012 年与实验室专家座谈时讲的名言 :“我认为用物理方法来解决问题已趋近饱和,要重视数学方法的突起”,重新被人们热议。他在另一个场合公开表示 :“其实我们真正的突破是数学,手机、系统设备是以数学为中心”,道出了华为成功的一个秘诀 :那就是重视数学的应用!

事实上华为多年来持续在数学上投资,从 1995 年起,华为就一直在招聘数学相关的博士和专家,每年都从各大院校招聘一批运筹学、控制论、数理统计、概率论、计算数学的博士,从事分布式计算、密码学、网络安全、数据库、通信协议算法、通讯网络优化等方向的高精尖工作,待遇也明显高于普通员工, 目前 50-70 万年薪是正常水平。1999 年,华为在俄罗斯建立了专门的算法研究所,招聘了数十名全球顶级的数学家,创造性地用非线性数学多维空间逆函数解决了GSM 多载波干扰问题,使华为在全球第一个实现了 GSM 多载波合并,进而实现了2G、3G、LTE 的单基站 Single RAN 设计。
2016 年,华为宣布其法国数学研究所成立,这是继俄罗斯之后华为在全球设立的第二个数学研究所,成员超 80 人,全部为拥有博士学位的中高级研究人员。
华为最出彩的一招就是和土耳其数学家埃达尔 • 阿勒坎(Erdal Arikan)的合作。在土耳其的毕尔肯大学(Bilkent University),阿勒坎十年磨一剑,终于在 2008 年发表了主要用于 5G 通信编码的极化码 (polar code) 技术方案。他2008 年发表在 IEEE 期刊上的文章一共二十多页,独立完成。这篇文章发表后, 就被华为的科学家们注意到了,他们评估了阿勒坎的论文,敏锐地意识到这篇论文至关重要,感觉其中的技术可以用于 5G 编码。
阿勒坎教授的论文发表两个月后,华为就开始以它为中心研究各种专利, 逐步分解,投入了数千人和大量科研资金促进研发。十年间,华为把土耳其数学家的数学论文变成技术和标准,积极和阿勒坎教授团队合作,出资支持他的实验室,助其扩大研究团队,拥有更多的博士生、博士后。这一切努力的结果是,华为拥有了世界上超过四分之一的 5G 专利,雄踞世界第一。
在过去的几个月,数学推动华为 5G 成为热点话题。谈谈华为 5G 与现代数学。数学重要是因它能解决产业和实际问题
对一个大国来说,必须拥有理论家,同时要有能文能武、能理论能应用的大数学家。后者多了,这个国家的科技、国防、经济才可以真正强大,才可以拥有像波音、华为、微软、空客这样的超级技术公司。
数学加固了华为这个伟大的公司,有位国企的老板问任正非,华为为什么二十多年就能成长为国际化企业?是不是靠的低价战略?任正非说你错了,我们是高价。对方又问,那你凭什么打进了欧洲?回答是靠技术领先和产品领先,重要因素之一就是数学研究在产品研发中起到的重要作用。
有人说数学能力是中兴与华为的唯一区别。1999 年,华为在俄罗斯建立了算法研究所,招聘了数十名顶级的数学家。2008 年,华为和土耳其数学家阿勒坎做出了富有成效的合作。2016 年,华为宣布在法国设立数学研究所。2017 年,华为与西安交大签约共建“数学与信息技术联合研究中心”。2019 年,任正非在接受法国《观点》周刊专访时透露,华为有五个数学研究所在法国。
2013 年,任正非接受法国媒体联合采访时说 :“我们在法国的发展,未来将新增三个研究所 :第一个是美学,研究所关注于色彩学,法国在色彩学上的积淀可以帮助华为的产品改变形象 ;第二个是数学研究所,未来的数字世界流的数据大的不可想象,我们不知道如何应对这样大的流量的。自来水在管道里面分子是一样的,从这个支路到那个支路流动的都是水。巴黎的自来水管网就非常复杂了。而在信息管道里面流的每一个分子都不一样,而且每个分子必须准确流到它想去的地方。如果,这个信息流比自来水大千亿倍,信息管道比太平洋还粗,如何办。我们就打算在数学领域加大投资,用数学的办法来解决这样一个大流量下的管理办法。”
华为和数学结合最精彩的一笔是和土耳其数学家埃达尔 • 阿勒坎的合作。阿勒坎 1958 年出生在土耳其首都安卡拉,1981 年获得加州理工学院本科学位, 1985 年获得麻省理工学院电子信息工程专业的博士学位。阿勒坎的博士生导师是美国人罗伯特 • 加拉格(Robert Gallager),而后的成长深受信息论之父香农的影响。博士毕业后,阿勒坎在美国短暂工作一两年后回到故乡土耳其的毕尔肯大学工作。在这里,阿勒坎十年磨一剑,终于在 2008 年大功告成,发表了极化码技术方案
1948 年,香农提出了通信领域非常重要的香农定理,揭示了信道信息传送速率的上限(比特每秒)和信道信噪比及带宽的关系,而且存在一个上限问题,还可以通过信道编码的方式来实现更可靠通信。随着我们对于网速要求越来越高,人们不断在探索更加接近香农极限的信道编码。而在极化码还没有进入 5G 标准之前,全球公认的编码标准只有 Turbo 码和 LDPC 码。Turbo 码是3G 和 4G 时代使用的标准,阵营代表是 Orange 和爱立信,由于 4G 最大速率不过 1Gbps,Turbo 码还能应付,但遇到更高速率 5G 时就遇到了瓶颈,所以在 5G 标准上,Turbo 码获得的支持很少,5G 基本就成了 LDPC 码和极化码的战争。而 LDPC 码的提出者,正是阿勒坎的导师加拉格。所以,在这场 5G 通信标准之争的背后,是一对师徒的技术之争。
直到华为在极化码的基础上开发出 5G 通信技术后,迎来了至关重要的 5G 标准投票——若能取胜,就能掌握 5G 通信网络的话语权。在去年的 5G 标准投票中,华为推崇的极化码,受到了美国高通公司的阻击,高通推崇的是低密度奇偶校验(LDPC)码。当然,表面上是技术之争,背后也有国家利益之争。
LDPC 利用校验矩阵的稀疏性,使得译码复杂度只与码长成线性关系,在长码长的情况下仍然可以有效的进行译码,因而具有更简单的译码算法。由于LDPC 可以使用高效的并行译码构架,其译码器在硬件实现复杂度和功耗方面均优于 Turbo 码,在利用计算机找到最优秀的 LDPC 码,其极限性能距香农理论限已经缩小到 0.0045dB 水平。
极化码构造的核心是当码长持续增加时,部分信道将趋向于容量近于 1 的完美信道(无误码),另一部分信道趋向于容量接近于 0 的纯噪声信道,选择在容量接近于 1 的信道上直接传输信息以逼近信道容量,是首个被证明能够达到香农极限的方法。编码过程是用矩阵来表示信道极化组合与分解的过程 , 编码过程最重要的是求得生成矩阵。
相比 LDPC 码和 Turbo 码等成熟编码技术,极化码虽有理论优势,但付诸实践需要冒很大风险。从 2010 年起,华为投入巨额资源研发极化码的落地应用, 终于在 2016 年 11 月使之成为 5G 控制信道编码方案,这也是中国厂商第一次在国际移动通信标准制定中掌握技术方面的话语权。
2018 年 7 月 26 日下午,极化码之父阿勒坎在深圳华为总部享受了隆重的欢迎场面,包括任正非在内的华为最高领导层和华为数百名员工肃立十余分钟等候他的到来。任正非向其颁发由巴黎造币厂设计制造的奖牌。奖牌正面雕刻胜利女神形象,嵌入巴卡拉红水晶,寓意新的通信技术引领时代发展。
华为觅到了一个不追求物质、不追求时髦的数学家,是一大幸事。华为和这位数学家相得益彰,精诚合作,也是人类技术史上的一段佳话。

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