[论文解读] Reduced-Complexity SCL Decoding of Multi-CRC-Aided Polar Codes

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

Error Correcting Code Techniques参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于多CRC辅助极化码的简化复杂度连续取消列表（R-SCL）译码方案，显著降低了空间和时间复杂度，同时保持了近乎最优的性能。通过自适应地减少每级译码的存储块数量，并采用子块CRC的多CRC编码方案，该方法在仅损失0.04dB性能的情况下，实现了高达85%的空间复杂度降低和20%的时间复杂度降低，相较于传统的SCL译码。

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.

研究动机与目标

• 为解决极化码中连续取消列表（SCL）译码的高空间和时间复杂度问题，特别是针对大块长的情况。
• 在不牺牲性能的前提下降低SCL译码的最坏情况复杂度，尤其适用于5G移动通信标准。
• 提出一种新型R-SCL译码方案，动态减少每级译码的存储块使用量。
• 设计一种多CRC辅助极化码结构，通过将CRC比特分布在子块中进一步降低复杂度。
• 优化每个子块的CRC比特数量，以避免因过度开销导致的性能下降。

提出的方法

• 提出一种R-SCL译码方案，使用可变列表大小向量 $\mathbf{L} = [L_1, L_2, \dots, L_n]$，其中 $L_m \leq L_m'$ 对于 $m \leq m'$ 成立，从而在后期阶段减少存储块数量。
• 采用分层译码结构，使极化码的子块独立译码并进行单独的CRC校验。
• 将多个CRC比特分布在 $M$ 个子块中，每个子块具有 $r_i$ 个CRC比特，以提高错误检测能力并减少对列表大小的需求。
• 通过将 $L_1 = L_2 = L_3 = 1$ 设置于早期阶段，采用混合SCL/SC译码策略，有效降低复杂度同时保持性能。
• 提出一种设计准则，以最小化短码的总CRC比特数，并增加长码的CRC比特数，以避免性能损失。
• 通过基于仿真的复杂度与性能评估，验证了复杂度降低与BLER性能之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在极化码中显著降低SCL译码的空间复杂度，而不会造成明显的性能下降？
• RQ2 将CRC比特分布在子块中，如何影响极化码的译码复杂度和误码性能？
• RQ3 如何最优地分配子块间的CRC比特，以在最小化性能损失的同时最大化复杂度降低？
• RQ4 在早期阶段采用混合SCL/SC译码策略是否能有效减少内存使用？
• RQ5 在多CRC辅助极化码中，实现最大复杂度降低的同时保持最小性能损失的极限是多少？

主要发现

• 对于 $(2048,1024)$ 单CRC辅助极化码，R-SCL译码器的空间复杂度降低25%，时间复杂度降低8%，性能几乎与完整SCL译码器相同。
• 对于 $(16384,8192)$ 多CRC辅助极化码，R-SCL译码器的空间复杂度降低85%，时间复杂度降低20%，与SCL译码相比仅损失0.04dB最坏情况性能。
• 对于 $(16384,8192)$ 码，R-SCL译码器使用 $\mathbf{L} = \mathbf{L}_9$ 时，实现了85%的空间复杂度降低和20%的时间复杂度降低，同时保持了近乎最优的BLER性能。
• 过多的总CRC比特（例如短码中40比特）会因正确码字被排除在候选列表之外而降低性能。
• 多CRC辅助极化码的设计必须仔细平衡总CRC比特数与子块分布，以避免性能损失。
• 仿真结果证实，所提出的R-SCL方案即使在激进的复杂度降低下仍保持强大性能，使其适用于5G系统。