[논문]높은 throughput 성능을 갖는 DVB-S2 LDPC 부호의 복호기 구현

김성운; 박창수; 황선영

높은 throughput 성능을 갖는 DVB-S2 LDPC 부호의 복호기 구현
Implementation of High Throughput LDPC Code Decoder for DVB-S2 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.33 no.9A, 2008년, pp.924 - 933

김성운 (서강대학교 전자공학과 대학원 CAD & ES 연구실) , 박창수 (서강대학교 전자공학과 대학원 CAD & ES 연구실) , 황선영 (서강대학교 전자공학과 대학원 CAD & ES 연구실)

초록
AI-Helper

본 논문은 광대역 위성 서비스를 위한 유럽 전기통신 표준화기구의 2세대 표준인 DVB-S2에서 사용하는 LDPC 부호의 throughput을 증가시키기 위한 새로운 복호기 구조를 제안한다. 제안한 구조는 IRA 구조의 LDPC 부호가 가지는 특징을 이용해 360개의 비트노드와 체크노드를 각각 그룹핑한다. 노드 그룹을 구현한 연산모듈은 각각 로컬 메모리를 가지고 있고, 전달받은 메시지는 자신의 로컬 메모리에서만 읽는다. 제안한 구조는 메시지 라우팅 로직을 이용해 에지로 연결된 노드 그룹의 로컬 메모리에 메시지를 저장함으로써 메모리 충돌이 없고 순차적인 메모리 접근을 가능하게 하여 복호기의 throughput을 증가시킨다. 제안한 DVB-S2 LDPC 복호기 구조는 TSMC 90nm 공정으로 합성하였고 F Kienle과 J. Dielissen이 각각 제안한 기존의 구조보다 throughput이 각각 104%, 478%가 증가함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a novel LDPC code decoder architecture to improve throughput for DVB-S2, a second generation standard of ETSI for satellite broad-band applications. The proposed architecture clusters 360 bitnodes and checknodes into groups utilizing the property of IRA-LDPC code. Functional modules which perform calculations for bitnode groups and checknode groups have local memories and store the messages from the other type of functional modules connected by edges at their local memories. The proposed architecture can avoid memory conflicts by accessing stored messages sequentially, hence, increases throughput in the proposed DVB-S2 LDPC code decoder architecture. The proposed architecture was synthesized using the TSMC 90nm technology. Synthesis results show that throughput of the proposed architecture is improved by 104% and 478%, respectively, when compared with those of the architectures proposed by F. Kienle and J. Dielissen.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 DVB-S2 LDPC 부호의 복호기 구조를 제안하였다. DVB-S2 LDPC 부호는 IRA 구조를 가진다’ IRA 구조의 LDPC 부호가 가지는 특징을 이용해 Tanner 그래프 상의 비트노드와 체크노드를 비트노드 그룹■과 체크노드 그룹으로 ■그룹핑하였다.
본 논문에서는 IRA 구조를 가지는 DVB-S2 규격을 위한 LDPC 부호의 복호기 구조를 제안하였다. 제안한 구조의 핵심은 노드의 그룹핑과 로컬 메모리를 통한 메모리 접근 패턴의 단순화이다.
본 논문에서는 기존의 복호기 구조보다 높은 throu ghput을 갖는 DVB-S2 LDPC 복호기 구조를 제안한다. 제안한 복호기 구조는 Tanner 그래프 상에서 특정한 패턴을 가지는 360개의 비트노드와 체크 노드를 각각 비트노드 그룹과 체크 노드 그룹으로 그룹핑한다.
각 연산 모듈은 전달할 메시지를 메모리에 저장하고, 해당 연산 모듈의 상대 연산 모듈은 저장된 메시지를 읽어 메시지 연산 후 메모리에 저장한다. 본 논문에서는 모든 연산 모듈이 로컬 메모리를 가지는 구조를 제안한다. 연산 모듈은 로컬 메모리에서 순차적으로 메시지를 읽어 에지로 연결된 연산 모듈로 전달할 메시지를 계산한다.
본 절에서는 DVBS2에서 사용하는 LDPC 부호와 기존에 연구된 DVB-S2 LDPC 부호의 복호기 구조를 간단히 소개한다.

가설 설정

식 (4)는 ar = 1일 때「로부터 9如씩 증가한 인덱스의 체크 노드와 c로부터 1씩 증가한 인덱스의 정보 비트 노드 사이에는 에지가 존재함을 나타낸다. 이때, 정보 비트누드 인덱스는 1 증가 후에 모듈로(modulo) 3 60 연산을 수행하므로 항상 연속적인 360개의 비트 노드만을 가리킨다. 이 사실을 이용해 360개의 연속적인 정보 비트 노드를 하나의 정보 비트노드 그룹으로 그룹핑하고, 인덱스가 90씩 증가하는 360개의 체크 노드를 하나의 체크 노드 그룹으로 그■룹핑한다.

제안 방법

구현한 비트 노드 연산 모듈의 구조이다. 64, 800개의 비트노드를 총 180개의 비트 노드 연산모듈로 구현하였으며, 각각의 비트 노드 연산 모듈은 360개의 비트 노드에 대한 비트 노드 연산을 순차적으로 수행한다. 비트노드 연산 모듈은 체크 노드로부터 받은 메시지인 勺 와 채널 LLR인 LLR0) 을 모두 더하여 전송된 심볼을 판정한다.
제안하였다. DVB-S2 LDPC 부호는 IRA 구조를 가진다’ IRA 구조의 LDPC 부호가 가지는 특징을 이용해 Tanner 그래프 상의 비트노드와 체크노드를 비트노드 그룹■과 체크노드 그룹으로 ■그룹핑하였다. 그■ 룹핑 한 노드 그룹은 Tamer 그래프 상에서 그룹 내의 노드와 에지로 연결된 노드를 포함하는 노드 그룹과 연결되었다.
F. Kienle는 360개의 연산 모듈을 사용한 부분 병렬구조의 복호기 구조를 제안하였다 皿 제안된 복호기 구조는 Tamer 그래프상의 에지를 정보 비트노드 체크노드 에지와 패리티 비트 노드-체크 노드 에지로 나눈다. 모든 정보 비트 노드 체크 노드 에지는 부호화 테이블에 의해 정해진 婉 개의 정보 비트 노드-체크노드 에지를 사용하여 표현 가능하다.
많은 수의 연산 모듈을 사'용해 throughput] 비해 면적이 크다는 단점을 가진다. J. DieHssene 면적을 최소화 하기 위해 45개의 연산 모듈과 H 행렬을 재배치한 행렬을 사용하여 복호를 수행하는 복호기 구조를 제안하였다1'기. 그 결과 90Mbps의 비교적 낮은 throughput 을 갖는다.
J. Dielissene DVB-S2 LDPC 부호의 H 행렬이 360 X 360 크기의 블록들로 구성된 사실을 이용한 복호기 구조를 제안하였다든지 제안된 복호기 구조는 메시지 전달 알고리듬에 근접한 성능을 가지고 하드웨어 복잡도를 감소시킬 수 있는 UMP-BP 알고리듬과 staggered 복호 기법을 사용하였다. UMP-BP 알고리듬은 체크노드 연산 과정에서 LUT을 사용하지 않고, 전달받은 메시지의 최소값을 비트노드에 전달한다.
그■ 룹핑 한 노드 그룹은 Tamer 그래프 상에서 그룹 내의 노드와 에지로 연결된 노드를 포함하는 노드 그룹과 연결되었다. 노드그룹을 구현한 연산 모듈은 각각 로컬메모리를 가지며 전달받은 메시지는 로컬메모리에서 순차적으로 읽도록 하였다. 제안한 구조의 DVB-S2 LDPC 복호기는 로컬메모리의 사용으로 메모리 충돌의 가능성을 없애고 메모리 접근 패턴을 단순화할 수 있어 throughput 성능을 향상시켰지만, 전체적인 면적이 증가하였다.
메시지의 값을 계산하는 부분은 입력받은 메시지의 절대값만을 사용한다.따라서 제안한 구조의 체크 노드 연산모듈은 2의 보수로 표현된 메시지를 부호화된 크기 표현으로 변환하여 부호 부분을 제외한 값 부분만을 사용한다. 체크 노드 연산모듈 내부에서 사용하는 메시지의 길이를 1비트 줄여, 체크 노드 연산에 필요한 LUT의 면적을 반으로 줄일 수 있고 덧셈기 입력의 길이도 줄일 수 있다.
비트노드 연산 모듈은 체크 노드로부터 받은 메시지인 勺 와 채널 LLR인 LLR0) 을 모두 더하여 전송된 심볼을 판정한다. 또 모든 메시지를 더한 값으로부터 체크 노드에서 받은 메시지를 각각 빼주어 체크 노드로 전달할 메시지를 계산한다. 비트노드 연산 모듈은 16개의 덧셈 기로 구성된 5단계의 덧셈기 트리를 사용해 체크 노드로 전달하는 메시지를 계산한다.
본 논문에서는 비트 노드 그룹과 체크노드 그룹으각각 비트노드 연산 모듈과 체크 노드 연산 모듈로 구현한다.
본 논문의 丑 절에서는 DVB-S2 LDPC 부호와 기존의 LDPC 복호기 구조를 소개하고 이절에서는 DVB-82 LDPC 부호의 H 행렬의 특징을 이용한 DVB-S2 LDPC 복호기의 구조를 제안한다. IV절에서는 제안한 복호기 구조의 성능을 평하며, 마지막으로 V 절에서 결론을 맺는다.
또 모든 메시지를 더한 값으로부터 체크 노드에서 받은 메시지를 각각 빼주어 체크 노드로 전달할 메시지를 계산한다. 비트노드 연산 모듈은 16개의 덧셈 기로 구성된 5단계의 덧셈기 트리를 사용해 체크 노드로 전달하는 메시지를 계산한다. 덧셈기 트리는 각 단계마다 레지스터를 배치한 파이프라인 구조를 가지고 있어 높은 클럭 주파수에서도 동작 7] 능하다.
이때, 정보 비트누드 인덱스는 1 증가 후에 모듈로(modulo) 3 60 연산을 수행하므로 항상 연속적인 360개의 비트 노드만을 가리킨다. 이 사실을 이용해 360개의 연속적인 정보 비트 노드를 하나의 정보 비트노드 그룹으로 그룹핑하고, 인덱스가 90씩 증가하는 360개의 체크 노드를 하나의 체크 노드 그룹으로 그■룹핑한다. 식 (5)는 13, .
DPC 부호 한 프레임을 복호하는데 소요되는 클럭사이클이며 fc岫은 클럭 주파수이다. 제안된 복호기는 한 번의 반복 과정에서 비트 노드 연산과 체크 노드 연산을 위해 각각 365 클럭 사이클과 367 클럭사이클을 필요로 하며, 메모리 주소 초기화를 위해 1 클럭 사이클을 필요로 한다. 또 복호 시작 시 채널 LLR 값을 입력받는데 360 클럭 사이클이 필요하다.
13um 공정을 사용하여 합성하였으나, 90nm 공정에 맞게 스케일링 하였다[12]. 제안한 DVB-S2 LDPC 복호기 구조는 모든 연산 모듈이 로컬 메모리를 가지는 구조로서, 비트노드와 체크 노드 사이의 양방향 메시지 전달을 위한 메모리를 모두 가진다. 메모리 충돌을 고려할 필요가 없고 순차적인 메모리 접근이 가능하므로 tlroughput이 증가한다.
할 필요가 있다. 제안한 구조는 라우팅 로직을 사용하여 메시지가 정확한 위치에 저장되도록 한다. 메시지 라우팅 로직은 연산 모듈로부터 출력된 메시지가 Tanner 그래프상에서 에지로 연결된 연산 모듈의 로컬 메모리에 저장될 수 있도록 메시지의 경로를 정해준다 각 연산 모듈은 자신의 로컬 메모리에서 메시지를 읽고 Tamer 그래프상에서 에지로 연결된 연산 모듈의 로컬 메모리에 메시지를 저장하므로, 제안한 복호기 구조에는 메모리 충돌이 없다.
제안한 구조의 핵심은 노드의 그룹핑과 로컬 메모리를 통한 메모리 접근 패턴의 단순화이다. 본 논문에서는 DVB-S2 LDPC 부호의 복호기 구조를 제안하였지만, IRA 구조의 LDPC 부호를 사용하는 다른 응용에도 적용 가능하다.
제안한 복호기 구조는 Tanner 그래프 상에서 특정한 패턴을 가지는 360개의 비트노드와 체크 노드를 각각 비트노드 그룹과 체크 노드 그룹으로 그룹핑한다. 또 노드 그룹은 연산 모듈로 구현하고 연산 모듈은 로컬 메모리를 가지도록 하여 메모리 충돌이 없는 단순화 된 메모리 접근 패턴을 가진壬
보인다. 참고문헌 [11] 에서 제안한 복호기 구조는 ST microelectronics의 0.13um 공정을 사용하여 합성하였으나, 90nm 공정에 맞게 스케일링 하였다[12]. 제안한 DVB-S2 LDPC 복호기 구조는 모든 연산 모듈이 로컬 메모리를 가지는 구조로서, 비트노드와 체크 노드 사이의 양방향 메시지 전달을 위한 메모리를 모두 가진다.

대상 데이터

Kienle는 255Mbps의 throughput을 가지는 복호기 구조를 제안하였다 叫. F. Kienle가 제안한 구조는 DVB-S2 LDPC 부호의 특징인 360을 주기로 가지는 주기성을 이용해 360개의 연산모듈을 사용하였다. 많은 수의 연산 모듈을 사'용해 throughput] 비해 면적이 크다는 단점을 가진다.
제안한 구조의 복호기는 Synopsys 사의 Design Co nailer를 사용해 TSMC 90nm 공정으로 합성하였다. 복호기는 메모리, 연산 모듈, 메시지 라우팅 로직, 컨트롤러의 네 부분으로 나누어 각각의 면적을 표 1에 나타내었다.

데이터처리

그림 11. 기손 복호기 구조와 제안한 복호기 구조의 성능 비교. (a) 참고$헌 [11] 의 구조와 제안한 구조의 비교, (b) 참 :心’.

성능/효과

노드그룹을 구현한 연산 모듈은 각각 로컬메모리를 가지며 전달받은 메시지는 로컬메모리에서 순차적으로 읽도록 하였다. 제안한 구조의 DVB-S2 LDPC 복호기는 로컬메모리의 사용으로 메모리 충돌의 가능성을 없애고 메모리 접근 패턴을 단순화할 수 있어 throughput 성능을 향상시켰지만, 전체적인 면적이 증가하였다. 제안한 구조의 복호기는 참고문헌[11]의 구조에 비해 약 104%, 참고문헌 [12]의 구조에 비해 약 478%의 througleut 성능 향상이 있었다.
그림 11은 기존 복호기 구조와 제안한 복호기 구조의 성능을 비율로 나타낸다. 제안한 구조의 복호기는 기존 복호기 구조인 [11] 의구조에 비해 104% 증가된 throughput 가지고 [12] 의구조에 비해 478% 증가된 throughpirt을 가진다. 반면 [11]의 구조에 비해 65% 증가된 면적을 가지고 [12] 의 구조에 비해 345% 증가된 면적을 가진다.
제안한 구조의 DVB-S2 LDPC 복호기는 로컬메모리의 사용으로 메모리 충돌의 가능성을 없애고 메모리 접근 패턴을 단순화할 수 있어 throughput 성능을 향상시켰지만, 전체적인 면적이 증가하였다. 제안한 구조의 복호기는 참고문헌[11]의 구조에 비해 약 104%, 참고문헌 [12]의 구조에 비해 약 478%의 througleut 성능 향상이 있었다. 반면에 참고문헌[11]의 구조에 비해 약 65%, 참고문헌[12]의 구조에 비해 약 345% 증가한 면적을 가진다.

후속연구

제안한 구조의 핵심은 노드의 그룹핑과 로컬 메모리를 통한 메모리 접근 패턴의 단순화이다. 본 논문에서는 DVB-S2 LDPC 부호의 복호기 구조를 제안하였지만, IRA 구조의 LDPC 부호를 사용하는 다른 응용에도 적용 가능하다.

참고문헌 (15)

ETSI, Digital video broadcasting (DVB); Se cond generation framing structure, channel c oding and modulation systems for broadcasti ng, interactive services, news gathering and other broad-band satellite applications: EN 302 307 V1. 1.1, 2005
A. Morello and V. Mignone, "DVB-S2: The Second generation standard for satellite broa d-band services," Proceedings of the IEEE, Vol.94, No.1, pp.210-227, Jan. 2006

상세보기
R. Gallager, "Low-density parity-check codes," IEEE Transactions on Information Theory, Vol.8, No.1, pp.21-28, Jan. 1962

상세보기
R. Tanner, "A recursive approach to low complexity codes," IEEE Transactions on Information Theory, Vol.27, No.5, pp.533-547, Sep. 1981

상세보기
D. MacKay, "Good error-correcting codes based on very sparse matrices," IEEE Transactions on Information Theory, Vol.45, No.2, p p.399-431, Mar. 1999

상세보기
F. Kschischang and B. Frey, "Iterative decoding of compound codes by probability propagation in graphical models," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.16, No.2, pp.219-230, Feb. 1998

상세보기
T. Richardson and R. Urbanke, "Efficient encoding of low-density parity-check codes," IEEE Transactions on Information Theory, Vol.47, No.2, pp.638-656, Feb. 2001

상세보기
배슬기, 김준성, 송홍엽, "순환 행렬과 eIRA부호를 이용한 효율적인 LDPC 부호화기 설계", 한국통신학회 논문지, 제 31권, 2C호, pp.123-129, 2006년 2월
M. Gomes, G. Falcao, V. Silva, V. Ferreira, A. Sengo, and M. Falcao, "Flexible parallel architecture for DVB-S2 LDPC decoders," in Proc. GLOBECOM. IEEE, Washington DC, pp.3265-3269, Nov. 2007
H. Jin, A. Khandekar, and R. McEliece, "Irregular Repeat-Accumulate Codes," in Proc. 2nd Int. Symp. on Turbo Codes & Related Topics, Brest, France, pp.1-8, sep. 2000
F. Kienle, T. Brack, and N. Wehn, "A synthesizable IP core for DVB-S2 LDPC code decoding," in Proc. DATE, Munich, Germany, Vol.3, pp.100-105, Mar. 2005
J. Dielissen, A. Hekstra and V. Berg, "Lowcost LDPC decoder for DVB-S2," In Proc. DATE, Munich, Germany, Vol.2, pp.1-6, Mar. 2006
E. Yeo and V. Anantharam, "Iterative decoder architectures," IEEE Communications Magazine, Vol.41, No.8, pp.132-140, Aug. 2003
E. Yeo, P. Pakzad, B. Nikolic, and V. Anantharam, "High throughput low-density parity-check decoder architectures," in Proc. GLOBECOM. IEEE, San Antonio, TX, pp.3019-3 024, Nov. 2001
A. Blanksby and C. Howland, "A 690-mW 1-Gb/s 1024-b, rate-1/2 low-density parity-check code decoder," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.37, No.3, pp.404-412, Mar. 2002

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증