Polar codes in the 5G new radio

The deployment of different new services with more stringent requirements and different each other, i.e. low latency time and high throughput, has been requiring the development of a new communication standard, defined by 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and called New Radio. With the New Radio deployment, new services can be implemented and, among these, we can mention the new Machine Type Communication (MTC) with its two versions: massive MTC (massive Machine Type Communication (mMTC)) and Ultra Reliable Low Latency Communications (Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC)). New codes for encoding and decoding of these channels have been implemented and the Polar Codes, defined in 2009 by professor E. Arikan, are one of the emerging encoding techniques in this context. The thesis has the purpose to analyse these codes in a URLLC application scenario, evaluating the performance of different types of decoding, starting from the simplest Successive Cancellation based schemes (Successive Cancellation (SC) and Successive Cancellation List (SCL)) till to more sophisticated ones, line those based on Belief Propagation (Belief Propagation (BP)). In addition we will introduce a further BP Non Binary (NB) decoder, with the aim of improving decoding speed while maintaining a satisfactory performance. The first part of this thesis is focused on the implementation of SC and SCL decoders. I Successively, in the second part, we have implemented the BP and Non Binary Belief Propagation (NB BP) in order to compare the performance and decoding latency times among SC/SCL decoders and BP/NB BP. The Polar codes will be evaluated and studied with this innovative decoder NB BP. We can summarize the main original contributions of the thesis in the following list: Decoder characterization and performance comparison in different scenario and different decoder architectures; Investigation of the decoder complexity in terms of the number of iterations needed for completing the decodind; Implementation and testing of a non-binary BP decoder to short polar codes.

Lo sviluppo di servizi con requisiti sempre piú stringenti e diversi tra loro, per esempio bassa latenza ed alto throughput, ha richiesto lo sviluppo di un nuovo standard di comunicazione, definito dalla 3rd Generation Partnership Project (3GPP) come New Radio. Con lo sviluppo della New Radio, si potranno implementare nuovi servizi e tra questi saranno implementate due nuove tipologie di comunicazione da macchina a macchina: comunicazioni Massive Machine Type (mMTC) e Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). In questo standard sono stati introdotti nuovi codici per la codifica e decodifica del canale e tra questi i Polar code, definiti nel 2009 dal prof. E. Arikan, sono tra quelli di maggiore interesse. Lo scopo della tesi é quello di analizzare questi codici in uno scenario URLLC reale, studiando le prestazioni dei diversi tipi di decodifica, dai piú noti, Successive Cancellation (SC) e Successive Cancellation List (SCL) al decodificatore Belief Propagation (BP), introducendo un ulteriore decodificatore BP Non Binario il quale puó essere visto come una generalizzazione dei BP. La prima parte della tesi si é focalizzata sull’implementazione delle tipologie di decodificatore tradizionale SC e SCL. Successivamente, nella seconda parte del lavoro, per poter fare un confronto di prestazioni e tempi di decodifica sono stati introdotti i decodificatori BP e NB BP. III Questo innovativo decodificatore NB BP verrá applicato ai codici Polar e studiato per diversi parameteri. In conclusione, i principali contributi innovativi della tesi sono i seguenti: Caratterizzazione del decodificatore e confronto delle prestazioni in diversi contesti e per diverse architetture. Analisi della complessitá del decodificatore in termini di numero di iterazioni necessarie per la decodifica. Implementazione di un decodificatore non-binario per i codici polar.