Diseño de decodificadores de altas prestaciones para código LDPC

Abstract

En esta tesis se han investigado los algoritmos de decodificación para códigos de comprobación de paridad de baja densidad (LDPC) y las arquitecturas para la implementación hardware de éstos. El trabajo realizado se centra en los algoritmos del tipo de intercambio de mensajes para códigos estructurados los cuales se incluyen en varios estándares de comunicaciones.

Inicialmente se han evaluado las prestaciones de los algoritmos existentes Sum-product, Min-Sum y las principales variantes de este último (Min-Sum con escalado y Min-Sum con offset). Además, se ha realizado un análisis de precisión finita utilizando los códigos LDPC de los estándares IEEE 802.3an, IEEE 802.11n e IEEE 802.16e. Posteriormente se han propuesto dos algoritmos basados en el algoritmo Min-Sum, denominados Min-Sum entero y Min-Sum modificado con corrección. La complejidad de éstos es menor que las de los algoritmos estudiados anteriormente y además permiten una implementación hardware eficiente. Por otra parte, se han estudiado diferentes métodos de actualización de los algoritmos de decodificación: por inundación, por capas horizontales (layered) y por capas verticales (shuffled), y se ha propuesto un nuevo método por capas verticales entrelazadas (x-shuffled) que consigue mejorar la tasa de decodificación.

Tras el estudio algorítmico, se han realizado implementaciones hardwar} con diferentes arquitecturas para los algoritmos y métodos de actualización evaluados y propuestos. En la mayoría de algoritmos implementados se requiere el cálculo de los dos primeros mínimos, por lo que inicialmente se realiza un estudio de las arquitecturas hardware para realizar este cálculo y se ha propuesto una nueva arquitectura de menor complejidad. En segundo lugar se ha realizado una comparación de las prestaciones hardware de los diferentes algoritmos con las arquitecturas de referencia: completamente paralela y parcialmente paralela basada en memorias. También se han propuesto dos arquitecturas enfocadas a la alta velocidad, la cuales se implementan con el algoritmo Sum-Product. La primera es una modificación de la arquitectura Sliced Message-Passing que consigue una reducción en el área de la implementación, y la segunda, es una arquitectura específica para el método de actualización propuesto x-shuffled que alcanza tasas de decodificación muy altas. Finalmente, se han implementado los algoritmos propuestos con la arquitectura layered obteniendo implementaciones hardware eficientes con baja área y muy alta tasa de decodificación. Estas últimas consiguen un ratio entre tasa de decodificación y área mejor que las implementaciones existentes en la literatura.

Por último, se ha evaluado el comportamiento de los algoritmos de decodificación estudiados en la zona de baja tasa de error, donde las prestaciones se suelen degradar debido a la aparición de un suelo de error. Para ello se ha implementado un simulador hardware usando dispositivos FPGA. La tasa de datos alcanzada con el simulador hardware diseñado es superior a la de otros simuladores documentados en la literatura. En la zona de baja tasa de error el algoritmo propuesto Min-Sum modificado con corrección presenta un mejor comportamiento que el resto de algoritmos evaluados, consiguiendo bajar el suelo de error varios órdenes de magnitud.