High throughput decoding methods and architectures for polar codes with high energy-efficiency and low latency

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.