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

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.Català Pérez, JM. (2017). Design and implementation of decoders for error correction in high-speed communication systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86152TESI

Codificación para corrección de errores con aplicación en sistemas de transmisión y almacenamiento de información

Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2013Trata de una técnica de diseño de códigos de chequeo de paridad de baja densidad ( más conocidas por sigla en ingles como LDPC) y un nuevo algoritmo de post- procesamiento para la reducción del piso de erro

VLSI algorithms and architectures for non-binary-LDPC decoding

Tesis por compendio[EN] This thesis studies the design of low-complexity soft-decision Non-Binary Low-Density Parity-Check (NB-LDPC) decoding algorithms and their corresponding hardware architectures suitable for decoding high-rate codes at high throughput (hundreds of Mbps and Gbps). In the first part of the thesis the main aspects concerning to the NB-LDPC codes are analyzed, including a study of the main bottlenecks of conventional softdecision decoding algorithms (Q-ary Sum of Products (QSPA), Extended Min-Sum (EMS), Min-Max and Trellis-Extended Min-Sum (T-EMS)) and their corresponding hardware architectures. Despite the limitations of T-EMS algorithm (high complexity in the Check Node (CN) processor, wiring congestion due to the high number of exchanged messages between processors and the inability to implement decoders over high-order Galois fields due to the high decoder complexity), it was selected as starting point for this thesis due to its capability to reach high-throughput. Taking into account the identified limitations of the T-EMS algorithm, the second part of the thesis includes six papers with the results of the research made in order to mitigate the T-EMS disadvantages, offering solutions that reduce the area, the latency and increase the throughput compared to previous proposals from literature without sacrificing coding gain. Specifically, five low-complexity decoding algorithms are proposed, which introduce simplifications in different parts of the decoding process. Besides, five complete decoder architectures are designed and implemented on a 90nm Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology. The results show an achievement in throughput higher than 1Gbps and an area less than 10 mm2. The increase in throughput is 120% and the reduction in area is 53% compared to previous implementations of T-EMS, for the (837,726) NB-LDPC code over GF(32). The proposed decoders reduce the CN area, latency, wiring between CN and Variable Node (VN) processor and the number of storage elements required in the decoder. Considering that these proposals improve both area and speed, the efficiency parameter (Mbps / Million NAND gates) is increased in almost five times compared to other proposals from literature. The improvements in terms of area allow us to implement NB-LDPC decoders over high-order fields which had not been possible until now due to the highcomplexity of decoders previously proposed in literature. Therefore, we present the first post-place and route report for high-rate codes over high-order fields higher than Galois Field (GF)(32). For example, for the (1536,1344) NB-LDPC code over GF(64) the throughput is 1259Mbps occupying an area of 28.90 mm2. On the other hand, a decoder architecture is implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA) device achieving 630 Mbps for the high-rate (2304,2048) NB-LDPC code over GF(16). To the best knowledge of the author, these results constitute the highest ones presented in literature for similar codes and implemented on the same technologies.[ES] En esta tesis se aborda el estudio del diseño de algoritmos de baja complejidad para la decodificación de códigos de comprobación de paridad de baja densidad no binarios (NB-LDPC) y sus correspondientes arquitecturas apropiadas para decodificar códigos de alta tasa a altas velocidades (cientos de Mbps y Gbps). En la primera parte de la tesis los principales aspectos concernientes a los códigos NB-LDPC son analizados, incluyendo un estudio de los principales cuellos de botella presentes en los algoritmos de decodificación convencionales basados en decisión blanda (QSPA, EMS, Min-Max y T-EMS) y sus correspondientes arquitecturas hardware. A pesar de las limitaciones del algoritmo T-EMS (alta complejidad en el procesador del nodo de chequeo de paridad (CN), congestión en el rutado debido al intercambio de mensajes entre procesadores y la incapacidad de implementar decodificadores para campos de Galois de orden elevado debido a la elevada complejidad), éste fue seleccionado como punto de partida para esta tesis debido a su capacidad para alcanzar altas velocidades. Tomando en cuenta las limitaciones identificadas en el algoritmo T-EMS, la segunda parte de la tesis incluye seis artículos con los resultados de la investigación realizada con la finalidad de mitigar las desventajas del algoritmo T-EMS, ofreciendo soluciones que reducen el área, la latencia e incrementando la velocidad comparado con propuestas previas de la literatura sin sacrificar la ganancia de codificación. Especificamente, cinco algoritmos de decodificación de baja complejidad han sido propuestos, introduciendo simplificaciones en diferentes partes del proceso de decodificación. Además, arquitecturas completas de decodificadores han sido diseñadas e implementadas en una tecnologia CMOS de 90nm consiguiéndose una velocidad mayor a 1Gbps con un área menor a 10 mm2, aumentando la velocidad en 120% y reduciendo el área en 53% comparado con previas implementaciones del algoritmo T-EMS para el código (837,726) implementado sobre campo de Galois GF(32). Las arquitecturas propuestas reducen el área del CN, latencia, número de mensajes intercambiados entre el nodo de comprobación de paridad (CN) y el nodo variable (VN) y el número de elementos de almacenamiento en el decodificador. Considerando que estas propuestas mejoran tanto el área comola velocidad, el parámetro de eficiencia (Mbps / Millones de puertas NAND) se ha incrementado en casi cinco veces comparado con otras propuestas de la literatura. Las mejoras en términos de área nos ha permitido implementar decodificadores NBLDPC sobre campos de Galois de orden elevado, lo cual no habia sido posible hasta ahora debido a la alta complejidad de los decodificadores anteriormente propuestos en la literatura. Por lo tanto, en esta tesis se presentan los primeros resultados incluyendo el emplazamiento y rutado para códigos de alta tasa sobre campos finitos de orden mayor a GF(32). Por ejemplo, para el código (1536,1344) sobre GF(64) la velocidad es 1259 Mbps ocupando un área de 28.90 mm2. Por otro lado, una arquitectura de decodificador ha sido implementada en un dispositivo FPGA consiguiendo 660 Mbps de velocidad para el código de alta tasa (2304,2048) sobre GF(16). Estos resultados constituyen, según el mejor conocimiento del autor, los mayores presentados en la literatura para códigos similares implementados para las mismas tecnologías.[CA] En esta tesi s'aborda l'estudi del disseny d'algoritmes de baixa complexitat per a la descodificació de codis de comprovació de paritat de baixa densitat no binaris (NB-LDPC), i les seues corresponents arquitectures per a descodificar codis d'alta taxa a altes velocitats (centenars de Mbps i Gbps). En la primera part de la tesi els principals aspectes concernent als codis NBLDPC són analitzats, incloent un estudi dels principals colls de botella presents en els algoritmes de descodificació convencionals basats en decisió blana (QSPA, EMS, Min-Max i T-EMS) i les seues corresponents arquitectures. A pesar de les limitacions de l'algoritme T-EMS (alta complexitat en el processador del node de revisió de paritat (CN), congestió en el rutat a causa de l'intercanvi de missatges entre processadors i la incapacitat d'implementar descodificadors per a camps de Galois d'orde elevat a causa de l'elevada complexitat), este va ser seleccionat com a punt de partida per a esta tesi degut a la seua capacitat per a aconseguir altes velocitats. Tenint en compte les limitacions identificades en l'algoritme T-EMS, la segona part de la tesi inclou sis articles amb els resultats de la investigació realitzada amb la finalitat de mitigar els desavantatges de l'algoritme T-EMS, oferint solucions que redueixen l'àrea, la latència i incrementant la velocitat comparat amb propostes prèvies de la literatura sense sacrificar el guany de codificació. Específicament, s'han proposat cinc algoritmes de descodificació de baixa complexitat, introduint simplificacions en diferents parts del procés de descodificació. A més, s'han dissenyat arquitectures completes de descodificadors i s'han implementat en una tecnologia CMOS de 90nm aconseguint-se una velocitat major a 1Gbps amb una àrea menor a 10 mm2, augmentant la velocitat en 120% i reduint l'àrea en 53% comparat amb prèvies implementacions de l'algoritme T-EMS per al codi (837,726) implementat sobre camp de Galois GF(32). Les arquitectures proposades redueixen l'àrea del CN, la latència, el nombre de missatges intercanviats entre el node de comprovació de paritat (CN) i el node variable (VN) i el nombre d'elements d'emmagatzemament en el descodificador. Considerant que estes propostes milloren tant l'àrea com la velocitat, el paràmetre d'eficiència (Mbps / Milions deportes NAND) s'ha incrementat en quasi cinc vegades comparat amb altres propostes de la literatura. Les millores en termes d'àrea ens ha permès implementar descodificadors NBLDPC sobre camps de Galois d'orde elevat, la qual cosa no havia sigut possible fins ara a causa de l'alta complexitat dels descodificadors anteriorment proposats en la literatura. Per tant, nosaltres presentem els primers reports després de l'emplaçament i rutat per a codis d'alta taxa sobre camps finits d'orde major a GF(32). Per exemple, per al codi (1536,1344) sobre GF(64) la velocitat és 1259 Mbps ocupant una àrea de 28.90 mm2. D'altra banda, una arquitectura de descodificador ha sigut implementada en un dispositiu FPGA aconseguint 660 Mbps de velocitat per al codi d'alta taxa (2304,2048) sobre GF(16). Estos resultats constitueixen, per al millor coneixement de l'autor, els millors presentats en la literatura per a codis semblants implementats per a les mateixes tecnologies.Lacruz Jucht, JO. (2016). VLSI algorithms and architectures for non-binary-LDPC decoding [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73266TESISCompendi

Décodage de codes polaires sur des architectures programmables

RÉSUMÉ Les codes polaires constituent une classe de codes correcteurs d’erreurs inventés récemment qui suscite l’intérêt des chercheurs et des industriels, comme en atteste leur sélection pour le codage des canaux de contrôle dans la prochaine génération de téléphonie mobile (5G). Un des enjeux des futurs réseaux mobiles est la virtualisation des traitements numériques du signal, et en particulier les algorithmes de codage et de décodage. Afin d’améliorer la flexibilité du réseau, ces algorithmes doivent être décrits de manière logicielle et être déployés sur des architectures programmables. Une telle infrastructure de réseau permet de mieux répartir l’effort de calcul sur l’ensemble des noeuds et d’améliorer la coopération entre cellules. Ces techniques ont pour but de réduire la consommation d’énergie, d’augmenter le débit et de diminuer la latence des communications. Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’implémentation logicielle des algorithmes de décodage de codes polaires et la conception d’architectures programmables spécialisées pour leur exécution. Une des caractéristiques principales d’une chaîne de communication mobile est l’instabilité du canal de communication. Afin de remédier à cette instabilité, des techniques de modulations et de codages adaptatifs sont utilisées dans les normes de communication. Ces techniques impliquent que les décodeurs supportent une vaste gamme de codes : ils doivent être génériques. La première contribution de ces travaux est l’implémentation logicielle de décodeurs génériques des algorithmes de décodage "à Liste" sur des processeurs à usage général. En plus d’être génériques, les décodeurs proposés sont également flexibles. Ils permettent en effet des compromis entre pouvoir de correction, débit et latence de décodage par la paramétrisation fine des algorithmes. En outre, les débits des décodeurs proposés atteignent les performances de l’état de l’art et, dans certains cas, les dépassent. La deuxième contribution de ces travaux est la proposition d’une nouvelle architecture programmable performante spécialisée dans le décodage de codes polaires. Elle fait partie de la famille des processeurs à jeu d’instructions dédiés à l’application. Un processeur de type RISC à faible consommation en constitue la base. Cette base est ensuite configurée, son jeu d’instructions est étendu et des unités matérielles dédiées lui sont ajoutées. Les simulations montrent que cette architecture atteint des débits et des latences proches des implémentations logicielles de l’état de l’art sur des processeurs à usage général. La consommation énergétique est réduite d’un ordre de grandeur.----------ABSTRACT Polar codes are a recently invented class of error-correcting codes that are of interest to both researchers and industry, as evidenced by their selection for the coding of control channels in the next generation of cellular mobile communications (5G). One of the challenges of future mobile networks is the virtualization of digital signal processing, including channel encoding and decoding algorithms. In order to improve network flexibility, these algorithms must be written in software and deployed on programmable architectures. Such a network infrastructure allow dynamic balancing of the computational effort across the network, as well as inter-cell cooperation. These techniques are designed to reduce energy consumption, increase throughput and reduce communication latency. The work presented in this manuscript focuses on the software implementation of polar codes decoding algorithms and the design of programmable architectures specialized in their execution. One of the main characteristics of a mobile communication chain is that the state of communication channel changes over time. In order to address issue, adaptive modulation and coding techniques are used in communication standards. These techniques require the decoders to support a wide range of codes : they must be generic. The first contribution of this work is the software implementation of generic decoders for "List" polar decoding algorithms on general purpose processors. In addition to their genericity, the proposed decoders are also flexible. Trade-offs between correction power, throughput and decoding latency are enabled by fine-tuning the algorithms. In addition, the throughputs of the proposed decoders achieve state-of-the-art performance and, in some cases, exceed it. The second contribution of this work is the proposal of a new high-performance programmable architecture specialized in polar code decoding. It is part of the family of Application Specific Instruction-set Processors (ASIP). The base architecture is a RISC processor. This base architecture is then configured, its instruction set is extended and dedicated hardware units are added. Simulations show that this architecture achieves throughputs and latencies close to state-of-the-art software implementations on general purpose processors. Energy consumption is reduced by an order of magnitude. The energy required per decoded bit is about 10 nJ on general purpose processors compared to 1 nJ on proposed processors when considering the Successive Cancellation (SC) decoding algorithm of a polar code (1024,512). The third contribution of this work is also the design of an ASIP architecture

Recent Application in Biometrics

In the recent years, a number of recognition and authentication systems based on biometric measurements have been proposed. Algorithms and sensors have been developed to acquire and process many different biometric traits. Moreover, the biometric technology is being used in novel ways, with potential commercial and practical implications to our daily activities. The key objective of the book is to provide a collection of comprehensive references on some recent theoretical development as well as novel applications in biometrics. The topics covered in this book reflect well both aspects of development. They include biometric sample quality, privacy preserving and cancellable biometrics, contactless biometrics, novel and unconventional biometrics, and the technical challenges in implementing the technology in portable devices. The book consists of 15 chapters. It is divided into four sections, namely, biometric applications on mobile platforms, cancelable biometrics, biometric encryption, and other applications. The book was reviewed by editors Dr. Jucheng Yang and Dr. Norman Poh. We deeply appreciate the efforts of our guest editors: Dr. Girija Chetty, Dr. Loris Nanni, Dr. Jianjiang Feng, Dr. Dongsun Park and Dr. Sook Yoon, as well as a number of anonymous reviewers