[論文レビュー] Unrolled Polar Decoders, Part II: Fast List Decoders.

Gabi Sarkis, Pascal Giard+3 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Error Correcting Code Techniques参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ソフトウェア上で極性符号のリストデコードを10倍高速化するアンロールドデコードツリーのアルゴリズムを提案している。これにより、短いコード長でも、最も高速なLDPCデコーダ実装を上回る性能を達成しながら、同程度の誤り訂正性能を維持できる。この手法は、ソフトウェアレベルでのアンロールと並列化により、デコードツリー内のパス探索を最適化する。

ABSTRACT

Polar codes asymptotically achieve the symmetric capacity of memoryless channels, yet their error-correcting performance under successive-cancellation (SC) decoding for short and moderate length codes is worse than that of other modern codes such as low-density parity-check (LDPC) codes. Of the many methods to improve the error-correction performance of polar codes, list decoding yields the best results, especially when the polar code is concatenated with a cyclic redundancy check (CRC). List decoding involves exploring several decoding paths with SC decoding, and therefore tends to be slower than SC decoding itself, by an order of magnitude in practical implementations. This is the second in a two-part series of papers on unrolled polar decoders. Part I focuses on hardware SC polar decoders. In this paper (Part II), we present a new algorithm based on unrolling the decoding tree of the code that improves the speed of list decoding by an order of magnitude when implemented in software. Furthermore, we show that for software-defined radio applications, our proposed algorithm is faster than the fastest software implementations of LDPC decoders in the literature while offering comparable error-correction performance at similar or shorter code lengths.

研究の動機と目的

• 極性符号のリストデコードにおける高い計算遅延を解消すること。通常、逐次キャンセレーションデコードよりも10倍以上遅い。
• ソフトウェア定義無線における極性符号の実用性を高めるために、リストデコードの遅延を短縮し、誤り訂正性能を損なわないようにすること。
• 最先端のLDPCデコーダ実装の速度に匹敵またはそれを上回るソフトウェア最適化デコードアルゴリズムを設計すること。
• CRCを組み合わせた極性符号の効率的なリストデコードを可能にするために、デコードツリーの走査方法を見直し、並列実行を可能にすること。

提案手法

• 論文は、デコードパスを事前に計算し、フラットなデータ構造に格納するアンロールドデコードツリー構造を導入し、動的ブランチとメモリアクセスのオーバーヘッドを低減する。
• デコードパスの2分木を線形配列にアンロールすることで、ソフトウェアにおけるSIMDおよび命令レベル並列性を効率的に活用するリストデコードプロセスを再構築する。
• アンロールされた走査中にリストの順序維持とプルーニング効率を保つためのパスメトリック更新メカニズムを活用する。
• メモリフットプリントを削減し、CPUキャッシュにおけるデータ局所性を向上させる、コンパクトなデコード状態表現を採用する。
• CRCの統合を直接デコードパス評価パイプラインに組み込むことで、効率的なCRC補助デコードを可能にする。
• 現代のCPU命令セットに最適化されており、ベクトル演算と制御フローディビェージョンの低減により、高いスループットを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極性符号のデコードツリーをアンロールすることで、ソフトウェア上のリストデコードの遅延を顕著に低減できるか？
• RQ2 ソフトウェア定義無線の文脈において、提案されたアンロールドリストデコーダの性能は、最先端のLDPCデコーダ実装と比べてどの程度か？
• RQ3 アンロールによって、CRC補助極性符号デコードのスループットはどの程度向上できるか？ また、誤り訂正性能は保持されるか？
• RQ4 従来の再帰的リストデコードと比較して、デコードツリーのアンロールにはどのようなメモリと計算上のトレードオフがあるか？

主な発見

• 提案されたアンロールドリストデコーダは、従来のソフトウェア実装のリストデコードと比較して10倍の高速化を達成し、遅延を10倍短縮した。
• 類似したコード長において、文献に報告された最も高速なソフトウェア実装のLDPCデコーダよりも、このアルゴリズムは高速に動作する。
• CRCを組み合わせた極性符号においても、誤り訂正性能がLDPC符号と同等であることを維持している。
• アンロール構造により、SIMD命令の効果的な利用とキャッシュ局所性の向上が可能となり、性能向上に寄与している。
• コンパクトな状態表現と動的メモリ割り当ての削減により、最小限のメモリオーバーヘッドで高いスループットを達成している。