Density Evolution and Functional Threshold for the Noisy Min-Sum Decoder

This paper investigates the behavior of the Min-Sum decoder running on noisy devices. The aim is to evaluate the robustness of the decoder in the presence of computation noise, e.g. due to faulty logic in the processing units, which represents a new source of errors that may occur during the decoding process. To this end, we first introduce probabilistic models for the arithmetic and logic units of the the finite-precision Min-Sum decoder, and then carry out the density evolution analysis of the noisy Min-Sum decoder. We show that in some particular cases, the noise introduced by the device can help the Min-Sum decoder to escape from fixed points attractors, and may actually result in an increased correction capacity with respect to the noiseless decoder. We also reveal the existence of a specific threshold phenomenon, referred to as functional threshold. The behavior of the noisy decoder is demonstrated in the asymptotic limit of the code-length -- by using "noisy" density evolution equations -- and it is also verified in the finite-length case by Monte-Carlo simulation.Comment: 46 pages (draft version); extended version of the paper with same title, submitted to IEEE Transactions on Communication

Analysis and Design of Finite Alphabet Iterative Decoders Robust to Faulty Hardware

This paper addresses the problem of designing LDPC decoders robust to transient errors introduced by a faulty hardware. We assume that the faulty hardware introduces errors during the message passing updates and we propose a general framework for the definition of the message update faulty functions. Within this framework, we define symmetry conditions for the faulty functions, and derive two simple error models used in the analysis. With this analysis, we propose a new interpretation of the functional Density Evolution threshold previously introduced, and show its limitations in case of highly unreliable hardware. However, we show that under restricted decoder noise conditions, the functional threshold can be used to predict the convergence behavior of FAIDs under faulty hardware. In particular, we reveal the existence of robust and non-robust FAIDs and propose a framework for the design of robust decoders. We finally illustrate robust and non-robust decoders behaviors of finite length codes using Monte Carlo simulations.Comment: 30 pages, submitted to IEEE Transactions on Communication

Architectures for soft-decision decoding of non-binary codes

En esta tesis se estudia el dise¿no de decodificadores no-binarios para la correcci'on de errores en sistemas de comunicaci'on modernos de alta velocidad. El objetivo es proponer soluciones de baja complejidad para los algoritmos de decodificaci'on basados en los c'odigos de comprobaci'on de paridad de baja densidad no-binarios (NB-LDPC) y en los c'odigos Reed-Solomon, con la finalidad de implementar arquitecturas hardware eficientes. En la primera parte de la tesis se analizan los cuellos de botella existentes en los algoritmos y en las arquitecturas de decodificadores NB-LDPC y se proponen soluciones de baja complejidad y de alta velocidad basadas en el volteo de s'¿mbolos. En primer lugar, se estudian las soluciones basadas en actualizaci'on por inundaci 'on con el objetivo de obtener la mayor velocidad posible sin tener en cuenta la ganancia de codificaci'on. Se proponen dos decodificadores diferentes basados en clipping y t'ecnicas de bloqueo, sin embargo, la frecuencia m'axima est'a limitada debido a un exceso de cableado. Por este motivo, se exploran algunos m'etodos para reducir los problemas de rutado en c'odigos NB-LDPC. Como soluci'on se propone una arquitectura basada en difusi'on parcial para algoritmos de volteo de s'¿mbolos que mitiga la congesti'on por rutado. Como las soluciones de actualizaci 'on por inundaci'on de mayor velocidad son sub-'optimas desde el punto de vista de capacidad de correci'on, decidimos dise¿nar soluciones para la actualizaci'on serie, con el objetivo de alcanzar una mayor velocidad manteniendo la ganancia de codificaci'on de los algoritmos originales de volteo de s'¿mbolo. Se presentan dos algoritmos y arquitecturas de actualizaci'on serie, reduciendo el 'area y aumentando de la velocidad m'axima alcanzable. Por 'ultimo, se generalizan los algoritmos de volteo de s'¿mbolo y se muestra como algunos casos particulares puede lograr una ganancia de codificaci'on cercana a los algoritmos Min-sum y Min-max con una menor complejidad. Tambi'en se propone una arquitectura eficiente, que muestra que el 'area se reduce a la mitad en comparaci'on con una soluci'on de mapeo directo. En la segunda parte de la tesis, se comparan algoritmos de decodificaci'on Reed- Solomon basados en decisi'on blanda, concluyendo que el algoritmo de baja complejidad Chase (LCC) es la soluci'on m'as eficiente si la alta velocidad es el objetivo principal. Sin embargo, los esquemas LCC se basan en la interpolaci'on, que introduce algunas limitaciones hardware debido a su complejidad. Con el fin de reducir la complejidad sin modificar la capacidad de correcci'on, se propone un esquema de decisi'on blanda para LCC basado en algoritmos de decisi'on dura. Por 'ultimo se dise¿na una arquitectura eficiente para este nuevo esquemaGarcía Herrero, FM. (2013). Architectures for soft-decision decoding of non-binary codes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33753TESISPremiad