Spatially Coupled Codes and Optical Fiber Communications: An Ideal Match?

In this paper, we highlight the class of spatially coupled codes and discuss their applicability to long-haul and submarine optical communication systems. We first demonstrate how to optimize irregular spatially coupled LDPC codes for their use in optical communications with limited decoding hardware complexity and then present simulation results with an FPGA-based decoder where we show that very low error rates can be achieved and that conventional block-based LDPC codes can be outperformed. In the second part of the paper, we focus on the combination of spatially coupled LDPC codes with different demodulators and detectors, important for future systems with adaptive modulation and for varying channel characteristics. We demonstrate that SC codes can be employed as universal, channel-agnostic coding schemes.Comment: Invited paper to be presented in the special session on "Signal Processing, Coding, and Information Theory for Optical Communications" at IEEE SPAWC 201

Low-Power 400-Gbps Soft-Decision LDPC FEC for Optical Transport Networks

We present forward error correction systems based on soft-decision low-density parity check (LDPC) codes for applications in 100–400-Gbps optical transport networks. These systems are based on the low-complexity “adaptive degeneration” decoding algorithm, which we introduce in this paper, along with randomly-structured LDPC codes with block lengths from 30 000 to 60 000 bits and overhead (OH) from 6.7% to 33%. We also construct a 3600-bit prototype LDPC code with 20% overhead, and experimentally show that it has no error floor above a bit error rate (BER) of 10−15 using a field-programmable gate array (FPGA)-based hardware emulator. The projected net coding gain at a BER of 10−15 ranges from 9.6 dB at 6.7% OH to 11.2 dB at 33% OH. We also present application-specific integrated circuit synthesis results for these decoders in 28 nm fully depleted silicon on insulator technology, which show that they are capable of 400-Gbps operation with energy consumption of under 3 pJ per information bit

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

Further Improvements in Decoding Performance for 5G LDPC Codes Based on Modified Check-Node Unit

One of the most important units of Low-Density Parity-Check (LDPC) decoders is the Check-Node Unit. Its main task is to find the first two minimum values among incoming variable-to-check messages and return check-to-variable messages. This block significantly affects the decoding performance, as well as the hardware implementation complexity. In this paper, we first propose a modification to the check-node update rule by introducing two optimal offset factors applied to the check-to-variable messages. Then, we present the Check-Node Unit hardware architecture which performs the proposed algorithm. The main objective of this work aims to improve further the decoding performance for 5th Generation (5G) LDPC codes. The simulation results show that the proposed algorithm achieves essential improvements in terms of error correction performance. More precisely, the error-floor does not appear within Bit-Error-Rate (BER) of 10^(-8), while the decoding gain increases up to 0.21 dB compared to the baseline Normalized Min-Sum, as well as several state-of-the-art LDPC-based Min-Sum decoders