High throughput decoding methods and architectures for polar codes with high energy-efficiency and low latency
Kutupsal kodlar için yüksek enerji verimliliğine ve düşük gecikmeye sahip yüksek veri hızlı kod çözme metod ve mimarileri
- Tez No: 480034
- Danışmanlar: PROF. DR. ERDAL ARIKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Kutupsal kodlama, Shannon kanal kapasitesine ikili-girdi simetrik ayrık hafızasız kanallarda (B-DMC) ulaşabildiği analitik olarak kanıtlanmış düşük karmaşıklığa sahip bir kodlama metodudur. Konuya olan yoğun teorik ilginin yanı sıra, kutupsal kodlar olası uygulama alanları açısından da dikkat çekmiştir. Tezde, bunlarla limitli olmamakla beraber, optik haberleşme, Masif Makina-Tipi Haberleşme (mMTC) ve Terahertz haberleşme gibi gelecek nesil haberleşme servisleri için birleşimsel mantık kullanılarak polar kodlar için yüksek hızlı ve enerji-verimli kod çözücüler önerilmektedir. İlk olarak, polar kodlar için temel kod çözme metodu olan Ardışık Giderme (SC) kod çözmesi için tamamen birleşimsel mantıktan oluşan bir mimari öerilmiştir. Bu mimarinin avantajları yüksek kod çözme hızı, enerji verimliliği ve esnekliktir. Önerilen birleşimsel kod çözücü, senkron (sıralı mantık) kod çözücülere göre daha düşük saat frekanslarında çalışmakta, fakat yüksek paralelliği sayesinde yüksek kod çözme hızı ve enerji verimliliği sağlayabilmektedir. Önerilen mimarinin özelliklerini sunmak için ASIC ve FPGA gerçekleme sonuçları verilmiş ve kod çözücünün 90 nm 1.3 V teknoloji ve 1024 blok uzunluğu için 190 mW güç tüketimi ile yaklaşık 2.5 Gb/s kod çözme hızı sağladığı gösterilmiştir. Ayrıca bu kod çözücülerin karmaşıklık ve gecikme kestirimleri analitik olarak verilmiştir. Yüksek kod uzunlukları için, birleşimsel kod çözücünün avantajlı özelliklerini senkron kod çözücülerin düşük karmaşıklığa sahip yapısıyla birleştiren bir hibrit-mantıksal kod çözücü önerilmiştir. Bu kod çözücü tarafından elde edilen veri hızı kazancı analizi verilmiştir. Kod çözme hızını daha fazla arttırmak için, kutupsal kodlar için ağırlıklandırılmış çoğunluk-mantığı kod çözmesine dayanan düşük gecikmeli bir kod çözücü mimarisi önerilmiştir. SC kod çözmenin aksine, çoğunluk-mantığı kanal kapasitesine erişemez, fakat paralelleştirmeye uygunluğu sayesinde daha iyi veri hızı sağlar. Kutupsal kodlara yönelik ağırlıklandırılmış çoğunluk-mantığı kod çözmesi için yenilikçi bir özyinelemeli tanımlama verilmiş ve bu tanımlama, geleneksel çoğunluk-mantığı kod çözmesinde olduğu gibi, kontrol-toplamları ayrı ayrı belirlenmeden gerçekleme yapmak için kullanılmıştır. Analitik kestirimler ile önerilen mimarinin karmaşıklık ve gecikmelerinin sırasıyla O(Nlog2 3) ve O(log2 2 N) olduğu gösterilmiştir. Daha sonra, bu hesaplanan kestirimler ASIC üzerinde tamamen birleşimsel mantık gercceklemeler ile teyit edilmiştir. Gerçeklenen kod çözücüler 90 nm 1.3 V teknoloji ve 256 blok uzunluğu ile 17 Gb/s veri hızı sağlamıştır. Çoğunluk-mantığı kod çözmesinin hata performansı kaybını gidermek için, SC ve ağırlıklandırılmış çoğunluk-mantığı algoritmalarını birleştiren yenilikçi bir hibrid kod çözücü önerilmiştir. Bu kod çözücülerin, SC kod çözücüye göre az hata performansı kaybı ile oldukça yüksek gecikme kazançları sağladığı gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Polar coding is a low-complexity channel coding method that can provably achieve Shannon's channel capacity for any binary-input discrete memoryless channels (B-DMC). Apart from the theoretical interest in the subject, polar codes have attracted attention for their potential applications. We propose high throughput and energy-efficient decoders for polar codes using combinational logic targeting, but not limited to, next generation communication services such as optical communications, Massive Machine-Type Communications (mMTC) and Terahertz communications. First, we propose a fully combinational logic architecture for Successive-Cancellation (SC) decoding, which is the basic decoding method for polar codes. The advantages of this architecture are high throughput, high energy-efficiency and flexibility. The proposed combinational SC decoder operates at very low clock frequencies compared to synchronous (sequential logic) decoders, but takes advantage of the high degree of parallelism inherent in such architectures to provide a higher throughput and higher energy-efficiency compared to synchronous implementations. We provide ASIC and FPGA implementation results to present the characteristics of the proposed architecture and show that the decoder achieves approximately 2.5 Gb/s throughput with a power consumption of 190 mW with 90 nm 1.3 V technology and block length of 1024. We also provide analytical estimates for complexity and combinational delay of such decoders. We explain the use of pipelining with combinational decoders and introduce pipelined combinational SC decoders. At longer block lengths, we propose a hybrid-logic SC decoder that combines the advantageous aspects of the combinational and synchronous decoders. In order to improve the throughput further, we use weighted majority-logic decoding for polar codes. Unlike SC decoding, majority-logic decoding fails to achieve channel capacity, but offers better throughput due its parallelizable schedule. We give a novel recursive description for weighted majority-logic decoding for bit-reversed polar codes and use the proposed definition for implementations without determining the check-sums individually as done in conventional majoritylogic decoding. We demonstrate by analytical estimates that the complexity and latency of the proposed architecture are O(Nlog2 3) and O(log2 2 N), respectively. Then, we validate the calculated estimates by a fully combinational logic implementation on ASIC. For a block length of 256, the implemented decoders achieve 17 Gb/s throughput with 90 nm 1.3 V technology. In order to compensate the error performance penalty of the majority-logic decoding, we propose novel hybrid decoders that combine SC and weighted majority-logic decoding algorithms. We demonstrate that very high latency gains can be obtained by such decoders with small error performance degradation with respect to SC decoding.
Benzer Tezler
- Development of a cost effective lvds interface test system with ethernet communication
Düşük maliyetli, ethernet haberleşmeli bir lvds arayüz test sisteminin tasarlanması
MUSTAFA ÇALLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SALİH ZAFER DİCLE
- FPGA üzerinde 5G uyumlu düşük yoğunluklu eşlik denetim kod çözücü gerçeklenmesi
Implementation of 5G compatible low density parity check decoder on FPGA
BARIŞ BİLGİLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
PROF. DR. ALİ EMRE PUSANE
- Relaying opportunities for wireless networks by applying network coding
Kablosuz ağlar için ağ kodlamalı aktarma fırsatları
SEMİHA TEDİK BAŞARAN
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Multi-scale recursive context aggregation network for semantic segmentation
Anlamsal bölümleme için çok ölçekli özyinelemeli bağlam birleştirme ağı
ABDULLAH YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KESKİNÖZ
- Kıyı yapısı inşaatları için iş güvenliği risk yönetim sistemi
Occupational safety risk management system for coastal structure construction
DİNÇER İNANÇ YILMAZ
Doktora
Türkçe
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ ARTAN