[논문 리뷰] Unrolled Polar Decoders, Part II: Fast List Decoders.

Gabi Sarkis, Pascal Giard외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 06.

Error Correcting Code Techniques참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어에서 리스트 디코딩을 약 10배 빠르게 하는 언롤드 디코딩 트리 알고리즘을 제안한다. 이는 일반적인 순차 취소 디코딩보다 약 10배 빠르며, 유사하거나 더 짧은 코드 길이에서 동일하거나 유사한 오류 수정 성능을 유지하면서도 가장 빠른 LDPC 디코더 구현보다 빠른 성능을 달성한다. 이 방법은 소프트웨어 수준에서 트리 펼침과 병렬 처리를 통해 디코딩 트리 내 경로 탐색을 최적화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 리스트 디코딩의 높은 계산 지연 문제를 해결하기 위해, 이는 일반적으로 순차 취소 디코딩보다 약 10배 느리다.
• 리스트 디코딩 지연을 줄임으로써 펄스 코드의 소프트웨어 정의 무선 적용 가능성과 실용성을 향상시키되, 오류 수정 성능을 손상시키지 않는다.
• 최신 LDPC 디코더 구현 성능을 능가하거나 이를 초월하는 소프트웨어 최적화된 디코딩 알고리즘을 설계한다.
• CRC를 통합한 펄스 코드의 효율적 리스트 디코딩을 가능하게 하기 위해, 병렬 실행을 위한 디코딩 트리 탐색 방식을 재구성한다.

제안 방법

• 논문은 디코딩 경로를 사전에 계산하고 평탄한 데이터 구조에 저장함으로써 동적 분기 및 메모리 접근 오버헤드를 줄이는 언롤드된 디코딩 트리 구조를 도입한다.
• 이중 트리의 리스트 디코딩 과정을 트리의 경로를 선형 배열로 펼쳐서 소프트웨어에서 효율적인 SIMD 및 명령 수준 병렬 처리를 가능하게 한다.
• 언롤드된 탐색 중 리스트 순서 유지 및 정렬 효율성을 확보하기 위해 경로 메트릭 갱신 메커니즘을 활용한다.
• 메모리 프로필을 줄이고 CPU 캐시의 데이터 국소성을 향상시키기 위해 디코딩 상태의 압축된 표현 방식을 사용한다.
• CRC 보조 디코딩을 효율적으로 지원하기 위해 CRC 검사를 언롤드된 경로 평가 파이프라인에 직접 통합한다.
• 현대 CPU 명령 세트를 최적화하여, 벡터 연산과 제어 흐름 분리 최소화를 통해 고처리량을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스 코드의 디코딩 트리를 언롤링하면 소프트웨어에서 리스트 디코딩의 지연을 크게 줄일 수 있는가?
• RQ2 소프트웨어 정의 무선 환경에서 제안된 언롤드 리스트 디코더의 성능은 최신 LDPC 디코더 구현 성능과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 언롤링을 통해 CRC 보조 펄스 코드 디코딩의 처리량을 얼마나 향상시킬 수 있으며, 오류 수정 성능은 유지되는가?
• RQ4 기존의 재귀적 리스트 디코딩과 비교해 디코딩 트리 언롤링의 메모리 및 계산적 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 언롤드 리스트 디코더는 기존 소프트웨어 구현 대비 약 10배 빠른 성능을 보이며, 지연을 약 10배 감소시킨다.
• 유사한 코드 길이에서 논문에 보고된 최신 LDPC 디코더 소프트웨어 구현보다 빠른 속도로 실행된다.
• 특히 CRC와 결합된 펄스 코드에서는 LDPC 코드와 유사한 오류 수정 성능을 유지한다.
• 언롤드된 구조는 SIMD 명령어의 효율적 사용과 캐시 국소성 향상을 가능하게 하여 성능 향상에 기여한다.
• 압축된 상태 표현과 동적 메모리 할당 감소 덕분에 낮은 메모리 오버헤드로 높은 처리량을 달성한다.