[논문 리뷰] Decoder Error Propagation Mitigation for Spatially Coupled LDPC Codes

Min Zhu, David G. M. Mitchell외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 18.

Error Correcting Code Techniques참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 공간적으로 결합된 LDPC(SC-LDPC) 코드의 슬라이딩 윈도우 디코딩(SWD)에서 디코더 오류 전파를 완화하기 위해 변수 노드(VN) 도핑과 로그가능도비율-basd 윈도우 확장 알고리즘을 제안한다. VN 도핑은 특정 변수 노드를 알려진 값으로 고정시켜 윈도우 형상 변경 없이 오류 복구를 가능하게 하며, 낮은 신뢰도가 감지될 경우 윈도우 크기를 동적으로 증가시키는 윈도우 확장은 오류 전파를 효과적으로 억제한다. 두 방법 모두 BER 및 BLER 성능을 최대 두 계단 정도 향상시키며, 윈도우 확장은 성능 손실 없이 평균 디코딩 지연을 약 1/3 감소시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we introduce two new methods of mitigating decoder error propagation for low-latency sliding window decoding (SWD) of spatially coupled low density parity check (SC-LDPC) codes. Building on the recently introduced idea of \emph{check node (CN) doping} of regular SC-LDPC codes, here we employ variable node (VN) doping to fix (set to a known value) a subset of variable nodes in the coupling chain. Both of these doping methods have the effect of allowing SWD to recover from error propagation, at a cost of a slight rate loss. Experimental results show that, similar to CN doping, VN doping improves performance by up to two orders of magnitude compared to undoped SC-LDPC codes in the typical signal-to-noise ratio operating range. Further, compared to CN doping, VN doping has the advantage of not requiring any changes to the decoding process.In addition, a log-likelihood-ratio based window extension algorithm is proposed to reduce the effect of error propagation. Using this approach, we show that decoding latency can be reduced by up to a significant fraction without suffering any loss in performance.

연구 동기 및 목표

• 저지연 슬라이딩 윈도우 디코딩(SWD)에서 공간적으로 결합된 LDPC(SC-LDPC) 코드의 디코더 오류 전파 문제를 해결하기 위해.
• 디코딩 윈도우 형상 변경 없이도 오류 복구가 가능한 코드 설계 방법을 개발하기 위해.
• 디코딩 중 신뢰도 조건에 따라 적응하는 동적 윈도우 확장 알고리즘을 제안하기 위해.
• 디코딩 프로세스를 변경하지 않으면서도 체크 노드 도핑 수준의 성능 향상을 달성하기 위해.

제안 방법

• 결합 체인 내 일부 변수 노드를 알려진 값으로 고정시켜 변수 노드(VN) 도핑을 도입함으로써, SWD 중 오류 복구 성능을 향상시킴.
• 평균 로그가능도비율(LLR) 크기가 임계값 이하로 떨어지면 윈도우 크기를 증가시키는 로그가능도비율(LLR)-기반 윈도우 확장 알고리즘을 적용함.
• 동적 윈도우 크기 제어 메커니즘을 사용: 현재 윈도우에서 낮은 신뢰도가 감지되면 두 개의 새로운 블록을 추가하고 확장된 윈도우로 다시 디코딩을 시작함.
• 기존의 BP 플러딩 스케줄링 및 디코딩 윈도우 구조를 유지하여 표준 SWD와의 호환성을 확보함.
• 필요한 경우에만 윈도우 확장 알고리즘을 적용하여 지연 오버헤드를 최소화함.
• VN 도핑과 윈도우 확장을 조합하여 최소한의 시스템 수준 변경으로도 강력한 오류 전파 억제를 달성함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변수 노드 도핑이 디코딩 윈도우 형상 변경 없이도 SC-LDPC 코드의 SWD에서 오류 전파를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 신뢰도 및 구현 복잡도 측면에서 VN 도핑은 체크 노드 도핑과 비교해 어떻게 성능가능한가?
• RQ3 동적 윈도우 확장 알고리즘이 성능 유지를 또는 향상시키면서도 디코딩 지연을 줄일 수 있는가?
• RQ4 윈도우 크기와 동적 적응이 SC-LDPC 코드의 SWD에서 BER 및 BLER에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• VN 도핑은 일반적인 SNR 운영 포인트에서 도핑되지 않은 SC-LDPC 코드 대비 BER 및 BLER 성능을 최대 두 계단 향상시킨다.
• 윈도우 형상 변경이 필요 없음에도 불구하고 VN 도핑의 성능 향상은 체크 노드 도핑과 거의 동일한 수준이다.
• 초기 윈도우 크기 W=9인 경우 윈도우 확장을 통해 평균 디코딩 지연이 W=18인 경우에 비해 약 1/3 감소한다.
• W=9일 경우 윈도우 확장은 W=18인 경우와 동일한 BER 및 BLER 성능을 달성하며, 성능 손실 없이 지연을 크게 줄임을 보여준다.
• VN 도핑과 윈도우 확장을 조합함으로써 저지연 운영을 유지하면서도 강력한 오류 전파 억제가 가능하다.