Gradient Flow Decoding for LDPC Codes

The power consumption of the integrated circuit is becoming a significant burden, particularly for large-scale signal processing tasks requiring high throughput. The decoding process of LDPC codes is such a heavy signal processing task that demands power efficiency and higher decoding throughput. A promising approach to reducing both power and latency of a decoding process is to use an analog circuit instead of a digital circuit. This paper investigates a continuous-time gradient flow-based approach for decoding LDPC codes, which employs a potential energy function similar to the objective function used in the gradient descent bit flipping (GDBF) algorithm. We experimentally demonstrate that the decoding performance of the gradient flow decoding is comparable to that of the multi-bit mode GDBF algorithm. Since an analog circuit of the gradient flow decoding requires only analog arithmetic operations and an integrator, future advancements in programmable analog integrated circuits may make practical implementation feasible.Comment: 6 page

Fault-tolerant gates on hypergraph product codes

L’un des défis les plus passionnants auquel nous sommes confrontés aujourd’hui est la perspective de la construction d’un ordinateur quantique de grande échelle. L’information quantique est fragile et les implémentations de circuits quantiques sont imparfaites et su- jettes aux erreurs. Pour réaliser un tel ordinateur, nous devons construire des circuits quan- tiques tolérants aux fautes capables d’opérer dans le monde réel. Comme il sera expliqué plus loin, les circuits quantiques tolérant aux fautes nécessitent plus de ressources que leurs équivalents idéaux, sans bruit. De manière générale, le but de mes recherches est de minimiser les ressources nécessaires à la construction d’un circuit quantique fiable. Les codes de correction d’erreur quantiques protègent l’information des erreurs en l’encodant de manière redondante dans plusieurs qubits. Bien que la redondance requière un plus grand nombre de qubits, ces qubits supplé- mentaires jouent un rôle de protection: cette redondance sert de garantie. Si certains qubits sont endommagés en raison d’un circuit défectueux, nous pourrons toujours récupérer l’informations. Préparer et maintenir des qubits pendant des durées suffisamment longues pour effectuer un calcul s’est révélé être une tâche expérimentale difficile. Il existe un écart important entre le nombre de qubits que nous pouvons contrôler en laboratoire et le nombre requis pour implementer des algorithmes dans lesquels les ordinateurs quantiques ont le dessus sur ceux classiques. Par conséquent, si nous voulons contourner ce problème et réaliser des circuits quantiques à tolérance aux fautes, nous devons rendre nos constructions aussi efficaces que possible. Nous devons minimiser le surcoût, défini comme le nombre de qubits physiques nécessaires pour construire un qubit logique. Dans un article important, Gottesman a montré que, si certains types de codes de correction d’erreur quantique existaient, cela pourrait alors conduire à la construction de circuits quantiques tolérants aux fautes avec un surcoût favorable. Ces codes sont appelés codes éparses. La proposition de Gottesman décrivait des techniques pour exécuter des opérations logiques sur des codes éparses quantiques arbitraires. Cette proposition était limitée à certains égards, car elle ne permettait d’exécuter qu’un nombre constant de portes logiques par unité de temps. Dans cette thèse, nous travaillons avec une classe spécifique de codes éparses quantiques appelés codes de produits d’hypergraphes. Nous montrons comment effectuer des opérations sur ces codes en utilisant une technique appelée déformation du code. Notre technique généralise les codages basés sur les défauts topologiques dans les codes de surface aux codes de produits d’hypergraphes. Nous généralisons la notion de perforation et montrons qu’elle peut être exprimée naturellement dans les codes de produits d’hypergraphes. Comme cela sera expliqué en détail, les défauts de perforation ont eux-mêmes une portée limitée. Pour réaliser une classe de portes plus large, nous intro- duisons un nouveau défaut appelé trou de ver basé sur les perforations. À titre d’exemple, nous illustrons le fonctionnement de ce défaut dans le contexte du code de surface. Ce défaut a quelques caractéristiques clés. Premièrement, il préserve la propriété éparses du code au cours de la déformation, contrairement à une approche naïve qui ne garantie pas cette propriété. Deuxièmement, il généralise de manière simple les codes de produits d’hypergraphes. Il s’agit du premier cadre suffisamment riche pour décrire les portes tolérantes aux fautes de cette classe de codes. Enfin, nous contournons une limitation de l’approche de Gottesman qui ne permettait d’effectuer qu’un certain nombre de portes logiques à un moment donné. Notre proposition permet d’opérer sur tous les qubits encodés à tout moment.One of the most exciting challenges that faces us today is the prospect of building a scalable quantum computer. Implementations of quantum circuits are imperfect and prone to error. In order to realize a scalable quantum computer, we need to construct fault-tolerant quantum circuits capable of working in the real world. As will be explained further below, fault-tolerant quantum circuits require more resources than their ideal, noise-free counterparts. Broadly, the aim of my research is to minimize the resources required to construct a reliable quantum circuit. Quantum error correcting codes protect information from errors by encoding our information redundantly into qubits. Although the number of qubits that we require increases, this redundancy serves as a buffer – in the event that some qubits are damaged because of a faulty circuit, we will still be able to recover our information. Preparing and maintaining qubits for durations long enough to perform a computation has proved to be a challenging experimental task. There is a large gap between the number of qubits we can control in the lab and the number required to implement algorithms where quantum computers have the upper hand over classical ones. Therefore, if we want to circumvent this bottleneck, we need to make fault-tolerant quantum circuits as efficient as possible. To be precise, we need to minimize the overhead, defined as the number of physical qubits required to construct a logical qubit. In an important paper, Gottesman showed that if certain kinds of quantum error correcting codes were to exist, then this could lead to constructions of fault-tolerant quantum circuits with favorable overhead. These codes are called quantum Low-Density Parity-Check (LDPC) codes. Gottesman’s proposal described techniques to perform gates on generic quantum LDPC codes. This proposal limited the number of logical gates that could be performed at any given time. In this thesis, we work with a specific class of quantum LDPC codes called hypergraph product codes. We demonstrate how to perform gates on these codes using a technique called code deformation. Our technique generalizes defect-based encodings in the surface code to hypergraph product codes. We generalize puncture defects and show that they can be expressed naturally in hypergraph product codes. As will be explained in detail, puncture defects are themselves limited in scope; they only permit a limited set of gates. To perform a larger class of gates, we introduce a novel defect called a wormhole that is based on punctures. As an example, we illustrate how this defect works in the context of the surface code. This defect has a few key features. First, it preserves the LDPC property of the code over the course of code deformation. At the outset, this property was not guaranteed. Second, it generalizes in a straightforward way to hypergraph product codes. This is the first framework that is rich enough to describe fault-tolerant gates on this class of codes. Finally, we circumvent a limitation in Gottesman’s approach which only allowed a limited number of logical gates at any given time. Our proposal allows to access the entire code block at any given time

Gurafikaru moderujo no kakuritsu suiron to tsushinro fukugo mondai e no oyo ni kansuru kenkyu

制度:新 ; 報告番号:甲3279号 ; 学位の種類:博士(理学) ; 授与年月日:2011/2/25 ; 早大学位記番号:新558

Application of Multi-core and GPU Architectures on Signal Processing: Case Studies

In this article part of the techniques and developments we are carrying out within the INCO2 group are reported. Results follow the interdisciplinary approach with which we tackle signal processing applications. Chosen case studies show different stages of development: We present algorithms already completed which are being used in practical applications as well as new ideas that may represent a starting point, and which are expected to deliver good results in a short and medium term

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

Reception performance studies for the evaluation and improvement of the new generation terrestrial television systems

270 p.La industria de la TV ha experimentado grandes cambios en las últimas décadas. Las expectativas cada vez mayores de los espectadores y la reducción del espectro disponible para los servicios de TV han provocado la necesidad de sistemas más robustos de Televisión Digital Terrestre (TDT).El primer intento de cumplir estos requisitos es el estándar europeo DVB-T2 (2009). La publicación de un nuevo estándar significa el inicio de un proceso de evaluación del rendimiento del mismo mediante, por ejemplo, estudios de cobertura u obtención de valores de umbral de relación señal / ruido (SNR). Al inicio de esta tesis, este proceso estaba casi terminado para recepción fija y móvil. Sin embargo, la recepción en interiores no se había estudiado en detalle. Por esta razón, esta tesis completa la evaluación de DVB-T2 en interiores y define una nueva metodología de evaluación optimizada para este escenario.A pesar de que DVB-T2 emplea tecnologías muy avanzadas, el sistema se definió hace casi diez años y desde entonces han aparecido nuevas técnicas avanzadas, como por ejemplo nuevos códigos de corrección de errores o la nueva técnica de multiplexación por división en capas (LDM). Estas nuevas técnicas tampoco han sido evaluadas en entornos de interior, por lo que esta tesis incluye el análisis de las mismas evaluando su idoneidad para mejorar el rendimiento de DVB-T2. Además, se ha comprobado que los algoritmos tradicionales de los receptores TDT no están optimizados para los nuevos escenarios en los que se consideran las señales multicapa y recepción móvil. Por esta razón, se han propuesto nuevos algoritmos para mejorar la recepción en este tipo de situaciones.El último intento de hacer frente a los altos requisitos actuales de TDT es el estándar americano ATSC 3.0 (2016). Al igual que con DVB-T2, se necesita proceso completo de evaluación del sistema. Por ello, en esta tesis se han realizado simulaciones y pruebas de laboratorio para completar el estudio de rendimiento de ATSC 3.0 en diferentes escenarios