Early detection using CRC precoding and polar codes for low latency communications

Rivadeneira Erazo, Alex Homero (2017). Early detection using CRC precoding and polar codes for low latency communications. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

One of the foreseen challenges of the fifth generation (5G) of wireless communications is to support ultra-low latencies for new real-time applications. Near future applications are based on machine-to-machine (M2M) communications that demand lower latencies than humancentric communications. The aim of this work is to reduce the detection latency of an orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) system while maintaining the error rate of its synchronous detection scheme. A scheme of sequential early detections or asynchronous detections, based on cyclic redundancy check (CRC) and polar codes, is used for this purpose. The sequential detection is carried out through a message-checking loop between the CRC decoder and a sampling buffer.

Considering a communication system without any feedback of the channel status, we make sure that the Bhattacharyya construction method generates the best possible polar codes over AWGN channels. This is achieved by determining the best design signal-to-noise (SNR) ratio parameter of the polar code construction. Based on Vangala’s search method, block-error rates (BLER) of possible design-SNRs are compared to determine the best design parameter. Under the best design-SNRs, the Bhattacharrya construction method obtains similar block-error rates as the Tal&Vardy construction method for specific ranges of SNR.

A multicarrier communication system is used considering that a block of symbols, constituting a message, can be transmitted in parallel and received simultaneously. Besides, the reception processing time of a short message in an OFDM system is much less than the duration of the OFDM symbol period. Taking advantage of this, the strategy of iterative early detections before the end of the symbol duration can reduce the detection latency of a message. However, a suitable setting of an early detection scheme based on concatenated CRC-polar codes is not yet known. We propose two selection processes to determine CRC polynomials and initial detection times (IDT) of the early detection scheme. Although the latency results do not achieve the optimal latency in the finite-blocklength regime, the CRC-based sequential early detection scheme using appropriate parameters achieves a detection latency improvement of 40% for a SNR of 4dB. The resulting error performance approaches to the BLER of a scheme without early detections as the block length of the polar code increases. Furthermore, three detection distributions are analyzed in terms of their statistical average latencies in the finite-blocklength regime and using CRC-polar codes. Results show that the average detection latency improves with short time intervals between asynchronous detections.

Titre traduit

Détection précoce à l'aide des codes CRC et des codes polaires pour les communications à faible latence

Résumé traduit

L’un des défis prévus de la cinquième génération (5G) des communications sans fil est de supporter des latences ultra-faibles pour de nouvelles applications en temps réel. Les applications à venir sont basées sur des communications machine à machine (M2M) qui exigent des latencies plus faibles que les communications centrées sur l’homme. Le but de ce travail est de réduire la latence de détection d’un système de multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) tout en maintenant le taux d’erreur de son système de détection synchrone. Un schéma de détection précoce séquentielle ou de détection asynchrone, basé sur la verification de redondance cyclique (CRC) et les codes polaires, est utilisé à cet effet. La detection séquentielle s’effectue par une boucle de vérification de message entre le décodeur CRC et un tampon d’échantillonnage.

Considérant un système de communication sans rétroaction de l’état du canal, nous nous assurons que la méthode de construction Bhattacharyya génère les meilleurs codes polaires possibles sur les chaînes AWGN. Ceci est obtenu en déterminant la conception meilleur du rapport signal sur bruit (SNR) de la construction du code polaire. Basés sur la méthode de recherche de Vangala, les taux d’erreur de blocs (BLER) des SNR de conceptions possibles sont compares pour déterminer le meilleur paramètre de conception. Dans des SNR de conception meilleur, la méthode de construction de Bhattacharrya obtient des taux d’erreur de blocs similaires à ceux de la méthode de construction Tal & Vardy pour des plages spécifiques de SNR.

Un système de communication à porteuses multiples est utilisé en considérant qu’un bloc de symboles, constituant un message, peut être transmis en parallèle et reçu simultanément. En outre, le temps de traitement de réception d’un message court dans un système OFDM est bien inférieur à la durée de la période de symbole OFDM. En profitant de cela, la stratégie de détection anticipée itérative avant la fin de la durée du symbole peut réduire la latence de détection d’un message. Cependant, le réglage approprié d’un schéma de détection précoce basé sur des codes CRC-polarisés concaténés n’est pas encore connu. Nous proposons deux processus de sélection pour déterminer les polynômes CRC et les temps de détection initiaux (IDT) du schéma de détection précoce. Bien que les résultats de latence n’atteignent pas la latence optimale dans le régime des blocs finis, le système de détection précoce sequential basé sur le CRC utilisant des paramètres appropriés réalise ne amélioration de la latence de détection de 40% pour une SNR de 4dB. La performance d’erreur résultante se rapproche du BLER d’un schéma sans détection précoce lorsque la longueur de bloc du code polaire augmente. De plus, trois distributions de détection sont analysées en fonction de leurs latencies statistiques moyennes dans le régime des blocs finis et des codes CRC-polaires. Les résultats montrent que la latence moyenne de détection s’améliore avec de courts intervalles de temps entre les détections asynchrones.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in engineering concentration in telecommunications networks". Bibliographie : pages 105-108.
Mots-clés libres:	Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence odèles mathématiques. Transmission sans fil. Logiciels de communication. Télécommunications. fréquence, schema, détection précoce, latence moyenne, taux d’erreur de blocage, contrôle de redondance cyclique, codes polaires
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	10 juill. 2017 14:38
Dernière modification:	10 juill. 2017 14:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1905

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