[논문 리뷰] Reduced-Complexity SCL Decoding of Multi-CRC-Aided Polar Codes

Mao‐Ching Chiu, Wei-De Wu|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 28.

Error Correcting Code Techniques참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중_CRC_보조 펄스 코드에 대한 감소된 복잡도를 가진 연속 취소 리스트(R-SCL) 복호화 기법을 제안하여 공간 복잡도와 시간 복잡도를 크게 감소시키면서도 near-optimal 성능을 유지한다. 복호화 단계당 메모리 블록 수를 적응적으로 줄이고, 하위 블록 CRC를 포함한 다중_CRC_코딩 기법을 적용함으로써, 기존의 SCL 복호화에 비해 공간 복잡도를 최대 85% 감소시키고 시간 복잡도를 20% 감소시키며, 성능 손실는 단지 0.04dB에 그친다.

ABSTRACT

Cyclic redundancy check (CRC) aided polar codes are capable of achieving better performance than low-density parity-check (LDPC) codes under the successive cancelation list (SCL) decoding scheme. However, the SCL decoding scheme suffers from very high space and time complexities. Especially, the high space complexity is a major concern for adopting polar codes in modern mobile communication standards. In this paper, we propose a novel reduced-complexity successive cancelation list (R-SCL) decoding scheme which is effective to reduce the space complexity. Simulation results show that, with a (2048, 1024) CRC-aided polar code, the R-SCL decoders with 25% reduction of space complexity and 8% reduction of time complexity can still achieve almost the same performance levels as those decoded by SCL decoders. To further reduce the complexity, we propose a multi-CRC coding scheme for polar codes. Simulation results show that, with a (16384, 8192) multi-CRC-aided polar code, a R-SCL decoder with about 85% reduction of space complexity and 20% reduction of time complexity results in a worst performance loss of only 0.04dB.

연구 동기 및 목표

• 큰 블록 길이에서 특히 펄스 코드의 연속 취소 리스트(SCL) 복호화의 높은 공간 복잡도와 시간 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 특히 5G 이동통신 표준을 위해 성능을 희생시키지 않고 SCL 복호화의 최악의 경우 복잡도를 감소시키기 위해.
• 각 복호화 단계에서 메모리 블록 사용을 동적으로 줄이는 새로운 R-SCL 복호화 기법을 제안하기 위해.
• 하위 블록에 분산된 CRC 비트를 통해 복잡도를 추가로 감소시키는 다중_CRC_보조 펄스 코드 구조를 설계하기 위해.
• 과도한 오버헤드로 인한 성능 저하를 방지하기 위해 각 하위 블록당 CRC 비트 수를 최적화하기 위해.

제안 방법

• 복호화 단계별로 리스트 크기 벡터 $\mathbf{L} = [L_1, L_2, \dots, L_n]$ 를 사용하는 R-SCL 복호화 기법을 제안하며, $L_m \leq L_m'$ 이며 $m \leq m'$ 인 조건을 만족함으로써 후속 단계에서 메모리 블록 수를 줄인다.
• 하위 블록이 개별적으로 복호화되고 개별 CRC 검사를 수행하는 계층적 복호화 구조를 적용한다.
• 다양한 CRC 비트를 $M$ 개의 하위 블록에 분산 배치함으로써 오류 탐지 능력을 향상시키고 리스트 크기 요구 사항을 감소시킨다.
• 초기 단계에서 $L_1 = L_2 = L_3 = 1$ 으로 설정하여 하이브리드 SCL/SC 복호화를 적용함으로써, 성능를 유지하면서도 복잡도를 감소시킨다.
• 단순한 코드에서는 총 CRC 비트 수를 최소화하고, 긴 코드에서는 이를 늘려 성능 손실를 방지하기 위한 설계 지침을 제안한다.
• 시뮬레이션 기반의 복잡도 및 성능 평가를 통해 복잡도 감소와 BLER 성능 간의 트레이드오프를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스 코드에서 SCL 복호화의 공간 복잡도를 성능 저하 없이 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 하위 블록에 분산된 CRC 비트는 펄스 코드의 복호화 복잡도와 오류 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 성능 손실를 최소화하면서 복잡도 감소를 극대화하기 위해 CRC 비트를 하위 블록에 어떻게 분배할 것인가?
• RQ4 초기 단계에서 하이브리드 SCL/SC 복호화 전략을 적용하면 메모리 사용을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ5 다중_CRC_보조 펄스 코드에서 최대한의 복잡도 감소를 달성하면서도 성능 손실를 최소화할 수 있는가?

주요 결과

• 단일_CRC_보조 펄스 코드 $(2048,1024)$ 에서, 공간 복잡도가 25% 낮고 시간 복잡도가 8% 낮은 R-SCL 복호화기는 전체 SCL 복호화기와 거의 동일한 성능을 달성한다.
• 다중_CRC_보조 펄스 코드 $(16384,8192)$ 에서, 공간 복잡도가 85% 낮고 시간 복잡도가 20% 낮은 R-SCL 복호화기는 SCL 복호화에 비해 오직 0.04dB의 최악의 성능 손실만을 보인다.
• $(16384,8192)$ 코드에서 $\mathbf{L} = \mathbf{L}_9$ 를 사용하는 R-SCL 복호화기는 공간 복잡도를 85% 감소시키고 시간 복잡도를 20% 감소시키며, near-optimal BLER 성능을 유지한다.
• 과도한 총 CRC 비트 수(예: 짧은 코드에서 40비트)는 올바른 코드워드가 후보 리스트에서 제외될 가능성을 높여 성능을 저하시킨다.
• 다중_CRC_보조 펄스 코드의 설계는 총 CRC 비트 수와 하위 블록 분포를 신중하게 균형 잡아 성능 손실를 방지해야 한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 R-SCL 기법이 극단적인 복잡도 감소 조건에서도 강력한 성능를 유지함을 확인하였으며, 이는 5G 시스템에 실용적으로 적용 가능하다.