Contexte et défis

Les systèmes de communication sans fil de troisième (3G) et quatrième (4G) génération ont donné naissance à l'Internet mobile qui a changé notre société. Les systèmes de communication sans fil de cinquième génération (5G) et "Beyond 5G" (B5G) apporteront également de technologies qui changent la société, comme la réalité mobile virtuelle et augmentée rendue possible grâce aux connexions très haut débit sans fil.

Cette (r-)évolution technologique s'accompagne d'une augmentation continue de la demande d'un débit plus élevé, d'une consommation d'énergie réduite et d'une plus grande évolutivité pour toutes les parties du système, y compris le traitement du signal en bande de base sur la couche physique (PHY). En termes de débit par exemple, des besoins allant bien au-delà des dizaines de Gb/s visés dans la standardisation 5G sont prévus. Une source majeure de complexité et de consommation d'énergie dans le traitement du signal en bande de base pour les systèmes de communication sans fil est la correction d'erreurs sans voie de retour (angl. Forward Error Correction, FEC). Une FEC efficace est donc cruciale pour des communications fiables.

Les systèmes de communication sans fil sont une force majeure pour connecter notre monde

Dans le 3G et 4G, les Turbo codes ont été adoptés comme FEC. En effet, pour des standards comme l'UMTS qui ne nécessitait qu'un débit de 1 Mb/s dans sa version 1999, jusqu'au LTE qui nécessitait 100 Mb/s dans la version 2008, les Turbo codes avec leurs excellentes performances de correction d'erreur pour les taux d'erreur visés, la flexibilité intégrée du taux de codage et la facilité d'encodage étaient en parfaite choix. Les Turbo codes sont également utilisés dans les versions actuelles et futures de LTE-A Pro (4G+), qui nécessitent un débit de plusieurs Gb/s et la prise en charge de près de 200 tailles de trame différentes et une large gamme de taux de codage. En termes de performances de correction d'erreurs, les contributions à la standardisation de le "5G New Radio" (NR) ont montré que les Turbo codes étaient au moins sur un pied d'égalité avec les familles de codes concurrentes des codes de Low-Density Parity-Check (LDPC) et des codes polaires à cet égard.

Tout candidat sérieux au code FEC pour les futures standards devrait être en mesure d'atteindre efficacement des débits élevés. Cependant, ce n'est pratiquement pas faisable avec les architectures matérielles de décodeur Turbo actuelles qui offrent simplement un débit maximal de quelques Gb/s ou qui nécessitent de grandes quantités de surface de puce. Pour résumer, un effort important est nécessaire pour obtenir des décodeurs Turbo efficaces à très haut débit tout en conservant les avantages inhérents en termes de flexibilité de cette famille de codes afin de continuer à concourir pour l'adoption dans les futures applications/normes.

Ainsi, revisiter des Turbo codes vieux de 27 ans, avec des connaissances et des techniques recents et avancées, en particulier les avancées récentes sur la conception des codes et des algorithmes de décodage ainsi que les architectures matérielles des décodeurs, peuvent avoir le potentiel de transformer cette famille de codes en candidats attrayants pour la future standardisation. Des résultats prometteurs ont été obtenus récemment pour les codes Turbo. Il s'agit notamment des avancées récentes réalisées dans le cadre du projet européen B5G EPIC (qui s'est terminé en août 2020) dans la conception des codes et d'algorithmes de décodage ainsi que dans l'architecture matérielle et montrent que les facteurs limitant le débit atteignable pour les Turbo décodeurs sont de nature différente ( en ce qui concerne la conception du code, l'algorithme de décodage et l'architecture matérielle), et ils ne peuvent être surmontés que s'ils sont étudiés et considérés conjointement pour franchir l'écart de débit.

TurboLEAP vise à aller au-delà de ce qui a été étudié dans le projet EPIC et à intégrer également de nouvelles techniques telles que le couplage spatial conjointement avec les avancées en matière de conception d'algorithmes de code et d'architecture matérielle.

Turbo-LEAP vise à décoder les codes Turbo à Tb/s avec les technologies actuelles et à combler l'écart de débit avec les codes LDPC et Polar

Objectifs

En s'appuyant sur ces avancées recentes et sur le savoir-faire récemment acquis, TurboLEAP vise à apporter des contributions substantielles au décodage des Turbo codes à Tb/s avec les technologies actuelles comblant le large écart de débit avec les codes LDPC et Polar. De plus, cet objectif doit être atteint tout en offrant une flexibilité de taille de trame considérable et tout en conservant la plupart des avantages majeurs des Turbo codes, comme la flexibilité de débit intégrée. Pour cela, trois défis principaux doivent être relevés en route vers des solutions viables à haut débit pour les applications B5G.

Tout d'abord, d'autres améliorations de la consommation de surface et de l'efficacité énergétique sont nécessaires. Les meilleures implémentations précédentes de décodeurs Turbo présentées dans l'état de l'art basé sur les architectures Parallel MAP (PMAP) et Fully Parallel MAP (FPMAP) atteignent une efficacité de surface inférieure à 3 Gb/s/mm² tandis que leurs homologues LDPC et Polar atteindre des dizaines de Gb/s/mm².

De plus, permettre la prise en charge de la flexibilité de taille de trame ainsi que la prise en charge de tailles de trame moyennes (500-1000 bits) à grandes (plusieurs milliers de bits) sont cruciaux pour préserver les gains de codage importants fournis par les codes Turbo. Apporter des solutions à ces trois défis est au cœur des cinq objectifs du projet TurboLEAP.

1. Améliorer l'efficacité de la utilisation de surface

L'objectif principal de TurboLEAP est de améliorrt l'efficacité de la utilisation de surface d'environ deux ordres de grandeur. Bien que cette amélioration ciblée puisse sembler trop ambitieuse à première vue, toutes les tâches de tous les modules de travail visent implicitement cet objectif et des décisions techniques seront prises en faveur d'une meilleure efficacité de la utilisation de surface. L'architecture matérielle de décodeur candidate pour atteindre les améliorations ciblées de l'efficacité et du débit est l'architecture de décodeur turbo à itération déroulée entièrement pipeline (UXMAP).

2. Amélioration de l'efficacité énergétique

Des investigations et des améliorations / raffinements ultérieurs de l'efficacité énergétique de l'architecture du décodeur UXMAP sont nécessaires afin de trouver des solutions compétitives par rapport aux décodeurs LDPC et Polar. Pour quantifier l'objectif 2 : TurboLEAP vise un rendement énergétique d'environ 1 pJ/bit décodé.

3. Atteindre des Tb/s pour des trames de moyenne taille tout en maintenant la flexibilité

Pour de nombreux cas d'utilisation, un certain degré de taille de trame et de flexibilité du débit de code est requis. Alors que les Turbo codes ont l'avantage d'une flexibilité de débit intégrée, obtenir une flexibilité de taille de trame pour les architectures matérielles de décodeurs à haut débit est généralement coûteux. S'appuyant sur des résultats récents obtenus pour de petites tailles de trame, TurboLEAP vise à fournir des solutions pour décoder de manière flexible des tailles de trame moyennes de plusieurs centaines de bits à un débit d'environ Tb/s.

4. Tb/s pour des trames de grande taille

Les turbocodes utilisés en 3G et 4G présentent des tailles d'informations allant jusqu'à plusieurs milliers de bits par trame et, pour les codes LDPC utilisés en 5G NR, jusqu'à 8448 bits sont utilisés. Des tailles de trame plus grandes réduisent la surcharge du protocole et fournissent une convergence plus précoce sous décodage itératif (c'est-à-dire moins d'itérations). Afin de fournir des solutions B5G viables, TurboLEAP cible le décodage Tb/s pour des tailles de trame supérieures à 1000 bits.

5. Couplage spatial pour les codes turbo

Le couplage spatial a suscité beaucoup d'intérêt scientifique pour les codes LDPC et le concept a également été étudié pour certains types de turbocodes. Cependant, à notre connaissance, aucune standard n'utilise encore le couplage spatial.
L'une des raisons est qu'il existe peu de publications démontrant des implémentations matérielles pratiques pour les codes LDPC ou Turbo. Par conséquent, TurboLEAP visera à démontrer pour la première fois une implémentation matérielle pour le décodage de codes Turbo couplés spatialement.

Présentations

An EPIC Leap: Revolutionizing Channel Coding to Support 6G Communications

Abstract: Séminaire pour 6G World, auquel Stefan Weithoffer participe avec Prof. Erdal Arikan (Polaran) et Onur Sahin (Inter Digital) et présente un aperçu des résultats obtenus dans le projet EPIC menant à TurboLEAP. Un enregistrement à la demande est disponible après inscription.

Présentateur de TurboLEAP : Stefan Weithoffer

Lien:  6G World/

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