5G极化码译码算法理论与实现关键技术研究

According to the intrinsic demand for developing 5G mobile techniques and related industries, the network traffic will expect a thousand-fold increase within the coming 10 years. This core demand has derived five challenging requirements: continuously wide coverage, high hot-spot volume, low latency and high reliability, vast connection of user ends, and equipment low power. Those five requirements have also placed unprecedented difficulties in developing and implementing proper channel decoding algorithm for 5G. To this end, this research project plans to conduct thorough investigation on the key algorithm and implementation technologies of polar code, which ranks one of the promising candidates for 5G channel codes. We plan to: 1) uncover the hidden penalization of list SC algorithm, simplify the sorting operations, and finally refine the decoding timing; 2) avoid useless path extension, remove frozen bits related computation, lower the entire computational complexity; 3) reveal the relationship of the redundant loop within factor graph and BP decoding performance, optimize the soft message passing scheme and early stopping scheme, improve the decoding performance within limited number of iterations; 4) incorporate flexibility to polar decoding algorithm, which enables it to be fluently switched among different modes with respect to code-lengths, code rates, decoding algorithms, and so on; 5) establish HARQ-polar transmission scheme and polar concatenation decoding scheme. Based on those steps of research, we are optimistic to finally solve related scientific problems, and offer solid key theoretical and technical supports to present polar decoding algorithms and implementations to 5G communication.

业务量10年提升1000倍是5G通信发展的内在基本需求。由此派生出：连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠、终端大连接、设备低功耗等五个具有挑战性的需求，对信道译码算法和实现提出了前所未有的挑战。课题拟针对极化码，5G信道编码的优秀候选者之一，开展译码算法与实现的关键技术研究。课题拟：1）研究并发掘list SC译码算法潜在并行性，简化译码排序操作，最终优化译码算法时序；2）研究并规避list SC译码算法中的无效路径扩展，移除frozen bits相关运算，降低计算复杂度；3）探寻BP算法冗余环同译码性能的关系，优化软信息传递机制，建立合理终止机制，提高较低迭代次数下的译码性能；4）研究具有灵活性的译码算法，使其能在不同码长和码率、译码算法等之间合理切换；5）探索HARQ-极化码协同策略，和极化码级联译码策略。最终通过解决相关科学问题，给出适用于5G的极化码译码算法和实现的关键技术支撑。

本项目主要研究内容及创新点如下：.(1).在适用于下一代无线通信的极化码译码算法与实现领域取得若干重要结果。从理论上首次给出极化码译码算法的合理图论表达形式，并在此基础上给出对应的译码时延、吞吐率、复杂度、性能的理论分析，最终提出了形式化统一的实现上述理论极限的硬件设计方法学。促成了极化码的5G标准化；.(2).在适用于5G无线通信系统以及非易失性大规模存储系统的（二进制与非二进制）LDPC码/RS码译码算法与实现领域取得若干重要结果。研究者从探求LDPC码的内部代数、几何等特性入手，从理论上给出并证明了其适用于硬件实现的构造方法学。并在此基础上，给出了对应的硬件架构和设计方法学。促成了LDPC码的5G标准化；.(3).面向5G移动通信系统的现实需要，深入探求适用于大规模、稀疏性无线通信系统的高效检测和非正交多址译码算法与实现，并取得若干重要结果。研究者通过厘清大规模、稀疏性系统的数据特性，确定合适的数字信号处理算法。并通过分析此类算法的数据驱动特性，结合VLSI-DSP设计方法学，给出了（结合极化码等领域）一系列具有现实意义和国际前沿水平的工作；.(4).面向后摩尔时代的要求，结合研究者深厚的VLSI-DSP研究基础、以及相关生物学、化学背景，开展前沿性工作、深入研究基于化学反应网络的逻辑功能的表达与实现，把之前的（极化码等领域）硅基研究用后摩尔时代的新型材料再造。..项目执行过程中，共发表学术论文127篇（104篇被EI收录），其中SCI收录21篇。申请发明专利85项，授权发明专利11项（均为相关领域核心专利）；获国际奖项19项，国内奖项22项；培养硕士研究生6名，本科生25名，在读硕士研究生9名，在读博士研究生3名，在站博士后1名。..项目管理规范，经费使用合理。项目超额完成了合同规定的研究内容和考核指标。