Design and implementation of decoders for error correction in high-speed communication systems

Abstract

This thesis is focused on the design and implementation of binary low-density parity-check (LDPC) code decoders for high-speed modern communication systems. The basic of LDPC codes and the performance and bottlenecks, in terms of complexity and hardware efficiency, of the main soft-decision and hard-decision decoding algorithms (such as Min-Sum, Optimized 2-bit Min-Sum and Reliability-based iterative Majority-Logic) are analyzed. The complexity and performance of those algorithms are improved to allow efficient hardware architectures.

A new decoding algorithm called One-Minimum Min-Sum is proposed. It reduces considerably the complexity of the check node update equations of the Min-Sum algorithm. The second minimum is estimated from the first minimum value by a means of a linear approximation that allows a dynamic adjustment. The Optimized 2-bit Min-Sum algorithm is modified to initialize it with the complete LLR values and to introduce the extrinsic information in the messages sent from the variable nodes. Its variable node equation is reformulated to reduce its complexity. Both algorithms were tested for the (2048,1723) RS-based LDPC code and (16129,15372) LDPC code using an FPGA-based hardware emulator. They exhibit BER performance very close to Min-Sum algorithm and do not introduce early error-floor.

In order to show the hardware advantages of the proposed algorithms, hardware decoders were implemented in a 90 nm CMOS process and FPGA devices based on two types of architectures: full-parallel and partial-parallel one with horizontal layered schedule. The results show that the decoders are more area-time efficient than other published decoders and that the low-complexity of the Modified Optimized 2-bit Min-Sum allows the implementation of 10 Gbps decoders in current FPGA devices.

Finally, a new hard-decision decoding algorithm, the Historical-Extrinsic Reliability-Based Iterative Decoder, is presented. This algorithm introduces the new idea of considering hard-decision votes as soft-decision to compute the extrinsic information of previous iterations. It is suitable for high-rate codes and improves the BER performance of the previous RBI-MLGD algorithms, with similar complexity.

Esta tesis se ha centrado en el diseño e implementación de decodificadores binarios basados en códigos de comprobación de paridad de baja densidad (LDPC) válidos para los sistemas de comunicación modernos de alta velocidad. Los conceptos básicos de códigos LDPC, sus prestaciones y cuellos de botella, en términos de complejidad y eficiencia hardware, fueron analizados para los principales algoritmos de decisión soft y decisión hard (como Min-Sum, Optimized 2-bit Min-Sum y Reliability-based iterative Majority-Logic). La complejidad y prestaciones de estos algoritmos se han mejorado para conseguir arquitecturas hardware eficientes.

Se ha propuesto un nuevo algoritmo de decodificación llamado One-Minimum Min-Sum. Éste reduce considerablemente la complejidad de las ecuaciones de actualización del nodo de comprobación del algoritmo Min-Sum. El segundo mínimo se ha estimado a partir del valor del primer mínimo por medio de una aproximación lineal, la cuál permite un ajuste dinámico. El algoritmo Optimized 2-bit Min-Sum se ha modificado para ser inicializado con los valores LLR e introducir la información extrínseca en los mensajes enviados desde los nodos variables. La ecuación del nodo variable de este algoritmo ha sido reformulada para reducir su complejidad. Ambos algoritmos fueron probados para el código (2048,1723) RS-based LDPC y para el código (16129,15372) LDPC utilizando un emulador hardware implementado en un dispositivo FPGA. Éstos han alcanzado unas prestaciones de BER muy cercanas a las del algoritmo Min-Sum evitando, además, la aparición temprana del fenómeno denominado suelo del error.

Con el objetivo de mostrar las ventajas hardware de los algoritmos propuestos, los decodificadores se implementaron en hardware utilizando tecnología CMOS de 90 nm y en dispositivos FPGA basados en dos tipos de arquitecturas: completamente paralela y parcialmente paralela utilizando el método de actualización por capas horizontales. Los resultados muestran que los decodificadores propuestos e implementados son más eficientes en área-tiempo que otros decodificadores publicados y que la baja complejidad del algoritmo Modified Optimized 2-bit Min-Sum permite la implementación de decodificadores en los dispositivos FPGA actuales consiguiendo una tasa de 10 Gbps.

Finalmente, se ha presentado un nuevo algoritmo de decodificación de decisión hard, el Historical-Extrinsic Reliability-Based Iterative Decoder. Este algoritmo introduce la nueva idea de considerar los votos de decisión hard como decisión soft para calcular la información extrínseca de iteracions anteriores. Este algoritmo es adecuado para códigos de alta velocidad y mejora el rendimiento BER de los algoritmos RBI-MLGD anteriores, con una complejidad similar.

Aquesta tesi s'ha centrat en el disseny i implementació de descodificadors binaris basats en codis de comprovació de paritat de baixa densitat (LDPC) vàlids per als sistemes de comunicació moderns d'alta velocitat. Els conceptes bàsics de codis LDPC, les seues prestacions i colls de botella, en termes de complexitat i eficiència hardware, van ser analitzats pels principals algoritmes de decisió soft i decisió hard (com el Min-Sum, Optimized 2-bit Min-Sum y Reliability-based iterative Majority-Logic). La complexitat i prestacions d'aquests algoritmes s'han millorat per aconseguir arquitectures hardware eficients.

S'ha proposat un nou algoritme de descodificació anomenat One-Minimum Min-Sum. Aquest redueix considerablement la complexitat de les equacions d'actualització del node de comprovació del algoritme Min-Sum. El segon mínim s'ha estimat a partir del valor del primer mínim per mitjà d'una aproximació lineal, la qual permet un ajust dinàmic. L'algoritme Optimized 2-bit Min-Sum s'ha modificat per ser inicialitzat amb els valors LLR i introduir la informació extrínseca en els missatges enviats des dels nodes variables. L'equació del node variable d'aquest algoritme ha sigut reformulada per reduir la seva complexitat. Tots dos algoritmes van ser provats per al codi (2048,1723) RS-based LDPC i per al codi (16129,15372) LDPC utilitzant un emulador hardware implementat en un dispositiu FPGA. Aquests han aconseguit unes prestacions BER molt properes a les del algoritme Min-Sum evitant, a més, l'aparició primerenca del fenomen denominat sòl de l'error.

Per tal de mostrar els avantatges hardware dels algoritmes proposats, els descodificadors es varen implementar en hardware utilitzan una tecnologia CMOS d'uns 90 nm i en dispositius FPGA basats en dos tipus d'arquitectures: completament paral·lela i parcialment paral·lela utilitzant el mètode d'actualització per capes horitzontals. Els resultats mostren que els descodificadors proposats i implementats són més eficients en àrea-temps que altres descodificadors publicats i que la baixa complexitat del algoritme Modified Optimized 2-bit Min-Sum permet la implementació de decodificadors en els dispositius FPGA actuals obtenint una taxa de 10 Gbps.

Finalment, s'ha presentat un nou algoritme de descodificació de decisió hard, el Historical-Extrinsic Reliability-Based Iterative Decoder. Aquest algoritme presenta la nova idea de considerar els vots de decisió hard com decisió soft per calcular la informació extrínseca d'iteracions anteriors. Aquest algoritme és adequat per als codis d'alta taxa i millora el rendiment BER dels algoritmes RBI-MLGD anteriors, amb una complexitat similar.