Conception du décodeur NB-LDPC à débit ultra-élevé

par Hassan Harb

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Emmanuel Boutillon, Laura Conde Canencia, Ali Chamas Al Ghouwayel et de Ali Alaedinne.

Soutenue le 08-11-2018

à Lorient en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (laboratoire) et de Laboratoire des sciences et techniques de l\'information, de la communication et de la connaissance (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Berder.

Le jury était composé de Ali Chamas Al Ghouwayel, Catherine Douillard.

Les rapporteurs étaient Zhang Zhengya, Peter Burg.

mots clés

• Codes NB-LDPC
• Noeuds de variable
• Codes de contrôle à parité de faible intensité

Résumé

Les codes correcteurs d’erreurs Non-Binaires Low Density Parity Check (NB-LDPC) sont connus pour avoir de meilleure performance que les codes LDPC binaires. Toutefois, la complexité de décodage des codes non-binaires est bien supérieure à celle des codes binaires. L’objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux algorithmes et de nouvelles architectures matérielles de code NB-LDPC pour le décodage des NBLDPC. La première contribution de cette thèse consiste à réduire la complexité du nœud de parité en triant en amont ses messages d’entrées. Ce tri initial permet de rendre certains états très improbables et le matériel requis pour les traiter peut tout simplement être supprimé. Cette suppression se traduit directement par une réduction de la complexité du décodeur NB-LDPC, et ce, sans affecter significativement les performances de décodage. Un modèle d’architecture, appelée "architecture hybride" qui combine deux algorithmes de l’état de l’art ("l’Extended Min Sum" et le "Syndrome Based") a été proposé afin d’exploiter au maximum le pré-tri. La thèse propose aussi de nouvelles méthodes pour traiter les nœuds de variable dans le contexte d’une architecture pré-tri. Différents exemples d’implémentations sont donnés pour des codes NB-LDPC sur GF(64) et GF(256). En particulier, une architecture très efficace de décodeur pour un code de rendement 5/6 sur GF(64) est présentée. Cette architecture se caractérise par une architecture de check node nœud de parité entièrement parallèle. Enfin, une problématique récurrente dans les architectures NB-LDPC, qui est la recherche des P minimums parmi une liste de taille Ns, est abordée. La thèse propose une architecture originale appelée first-then-second minimum pour une implantation efficace de cette tâche.

mots clés

• Non-Binary Low Density Parity Check
• H-CN
• First Then Second Extrema Selection
• Variable Node

Titre traduit

Design of ultra high throughput rate NB-LDPC decoder

Résumé

The Non-Binary Low Density Parity Check (NB-LDPC) codes constitutes an interesting category of error correction codes, and are well known to outperform their binary counterparts. However, their non-binary nature makes their decoding process of higher complexity. This PhD thesis aims at proposing new decoding algorithms for NB-LDPC codes that will be shaping the resultant hardware architectures expected to be of low complexity and high throughput rate. The first contribution of this thesis is to reduce the complexity of the Check Node (CN) by minimizing the number of messages being processed. This is done thanks to a pre-sorting process that sorts the messages intending to enter the CN based on their reliability values, where the less likely messages will be omitted and consequently their dedicated hardware part will be simply removed. This reliability-based sorting enabling the processing of only the highly reliable messages induces a high reduction of the hardware complexity of the NB-LDPC decoder. Clearly, this hardware reduction must come at no significant performance degradation. A new Hybrid architectural CN model (H-CN) combining two state-of-the-art algorithms - Forward-Backward CN (FB-CN) and Syndrome Based CN (SB-CN) - has been proposed. This hybrid model permits to effectively exploit the advantages of pre-sorting. This thesis proposes also new methods to perform the Variable Node (VN) processing in the context of pre-sorting-based architecture. Different examples of implementation of NB-LDPC codes defined over GF(64) and GF(256) are presented. For decoder to run faster, it must become parallel. From this perspective, we have proposed a new efficient parallel decoder architecture for a 5/6 rate NB-LDPC code defined over GF(64). This architecture is characterized by its fully parallel CN architecture receiving all the input messages in only one clock cycle. The proposed new methodology of parallel implementation of NB-LDPC decoders constitutes a new vein in the hardware conception of ultra-high throughput rate decoders. Finally, since the NB-LDPC decoders requires the implementation of a sorting function to extract P minimum values among a list of size Ns, a chapter is dedicated to this problematic where an original architecture called First-Then-Second-Extrema-Selection (FTSES) has been proposed.