[논문]DVB-S2 기반 고속 LDPC 부호기 설계

박군열; 이성로; 전성민; 정지원

doi:10.7840/kics.2013.38c.2.196

초록
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본 논문은 LDPC 부호화 과정에서 기존의 부호화 방식은 패리티를 구하는 과정에서 이전의 패리티 값을 알아야 다음 패리티 값을 알 수 있으므로, 항상 패리티 개수만큼의 클럭이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 기존의 직렬구조에서 360 개의 부분 병렬을 이용하여, 그리고 부호화 구조에서 메모리를 효율적으로 적용하여, 고속으로 부호화 알고리즘을 제안하였다. DVB-S2기반의 LDPC 부호화율 1/2 일 때, 기준 클럭 100MHz에서 최대 throughput이 10Gbps 가 가능함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed high speed LDPC encoder architecture for DVB-S2 standard. In conventional algorithm, the processes of parity calculations are serial fashion. Therefore conventional algorithm need clocks of number of parity. The proposed LDPC encoding architecture is based on a parallel 36...

In this paper, we proposed high speed LDPC encoder architecture for DVB-S2 standard. In conventional algorithm, the processes of parity calculations are serial fashion. Therefore conventional algorithm need clocks of number of parity. The proposed LDPC encoding architecture is based on a parallel 360 bits-wise operations. The key issues for realizing high speed are using the two kinds of index addresses and make use of memories efficiently. We implemented a half rate LDPC encoder on an FPGA, and confirmed its maximum throughput is up to 10 Gbps on 100MHz clock.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DVB-S2를 기반으로 고속 LDPC 부호화기 구조를 제안하였다. DVB-S2 기반의 LDPC의 H 매트릭스는 q개씩 360개씩 그룹으로 이루어져 있기 때문에 두 개의 인덱스를 사용하여 패리티를 사용 하게 되면 각각의 row에 포함되는 360개의 패리티가 동시에 생성되게 된다.
기존의 부호화 방식은 패리티를 구하는 과정에서 이전의 패리티 값을 알아야 다음 패리티 값을 알 수 있으므로, 항상 패리티 개수 만큼의 클럭이 필요하다. 본 논문에서는 메모리 구조를 활용하여 부분 병렬 구조로 부호화 하는 과정을 제안하였다. 두 개의 인덱스를 사용하여 기존의 직렬구조에서 360개의 부분 병렬을 이용하여 부호화 구조에서 메모리를 효율적으로 적용하였다.

가설 설정

초기치는 모두 0으로 가정한다.

제안 방법

그 결과, 부호화율이 1/2 일 때, 즉 패리티 개수가 32400일 때, 기존 방식 보다 약 15배 정도의 부호화 속도를 개선하였다. 결과, 기본 주파수 클럭 100 MHz에서 약 10Gbps급의 부호기 구조를 설계하였다.
따라서 이러한 복호기 고속화와 더불어 부호기에서의 고속화를 위한 알고리즘이 필요하다. 기존의 직렬 구조에서 360 개의 부분 병렬을 이용하여, 그리고 부호화 구조에서 메모리를 효율적으로 적용하여, 고속으로 부호화 알고리즘을 제안하였다. 기존의 부호화 방식은 패리티를 구하는 과정에서 이전의 패리티 값을 알아야 다음 패리티 값을 알 수 있으므로, 항상 패리티 개수 만큼의 클럭이 필요하다.
본 논문에서는 메모리 구조를 활용하여 부분 병렬 구조로 부호화 하는 과정을 제안하였다. 두 개의 인덱스를 사용하여 기존의 직렬구조에서 360개의 부분 병렬을 이용하여 부호화 구조에서 메모리를 효율적으로 적용하였다. 360개씩 q 그룹을 가지고 있는 메모리 구조에서 첫 번째 메모리의 값을 이용하여 q-1개의 메모리 값을 반전 혹은 비반전 하는 방식으로 부분 병렬의 구조로 되어 있어 클럭 수를 감소시킬 수 있으며, 구현 시 고속으로 처리가 가능하다.
본 논문에서는 제안한 구조를 통하여 속도를 비교해 보았다. 부호화율 1/2에서 기존 부호화기는 32400 클럭이 사용되는 반면 제안한 부호화기는 630 클럭이 사용 되므로 고속화가 되는 것을 확인할 수 있었으며 FPGA를 통해 인코더를 구현한 결과 36801개의 flip-flops, 360비트씩 90개의 레지스터 블록 2개의 인덱스 메모리 RAMs가 필요로 함을 볼 수 있었으며 기본 주파수 클럭 100MHz에서 약 10Gbps급의 throughput을 확인할 수 있었다.
K의 정보 비트에 의해 N-K의 패리티 비트가 다음 식(2),(3) 과 같이 생성된다. 부호화 과정을 하기 위해서는 메모리에서 값을 불러내기 위한 인덱스가 필요하며, 본 논문에서는 부호화 하고자하는 비트를 360개씩 그룹으로 나뉘어 R_index와 P_index 파라메타를 이용하였으며, R_index는 부호화 하고자하는 비트의 그룹 위치를 나타내며, P_index는 그 그룹 내의 비트 위치를 나타낸다^[6]. 정보 비트 K = [(K_0,359),(K_1,359),.

대상 데이터

총 1081개의 EXOR이 필요로 하며 360개씩 총 q+1개의 레지스터가 사용된다. Parity memory, R_index memory, P_index memory는 각각 q× 360, q× 35, q× 45 의 메모리가 필요하다.

성능/효과

360개씩 q 그룹을 가지고 있는 메모리 구조에서 첫 번째 메모리의 값을 이용하여 q-1개의 메모리 값을 반전 혹은 비반전 하는 방식으로 부분 병렬의 구조로 되어 있어 클럭 수를 감소시킬 수 있으며, 구현 시 고속으로 처리가 가능하다. 그 결과, 부호화율이 1/2 일 때, 즉 패리티 개수가 32400일 때, 기존 방식 보다 약 15배 정도의 부호화 속도를 개선하였다. 결과, 기본 주파수 클럭 100 MHz에서 약 10Gbps급의 부호기 구조를 설계하였다.
또한 제안한 구조는 마지막 주소의 값을 가지고 반전 혹은 비반전을 이용하며 마지막 주소에서 얻어진 값을 가지고 나머지 주소( 0 ∼ q-2 )의 패리티 값을 보다 쉽게 찾는 걸 알 수 있었 으며 360개의 부분 병렬을 이용하여 클럭 수가 줄어 드는 것을 확인할 수 있어서 고속화가 가능하게 되는 것이다.
본 논문에서는 제안한 구조를 통하여 속도를 비교해 보았다. 부호화율 1/2에서 기존 부호화기는 32400 클럭이 사용되는 반면 제안한 부호화기는 630 클럭이 사용 되므로 고속화가 되는 것을 확인할 수 있었으며 FPGA를 통해 인코더를 구현한 결과 36801개의 flip-flops, 360비트씩 90개의 레지스터 블록 2개의 인덱스 메모리 RAMs가 필요로 함을 볼 수 있었으며 기본 주파수 클럭 100MHz에서 약 10Gbps급의 throughput을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 논한 고속 LDPC 부호화기는 초고속 위성방송을 위한 부호의 고속화에 유용한 자료가 되리라 사료된다.
표4는 기존의 부호화 방식과 제안한 방식의 속도를 부호화율 1/2에서 비교한 표이다. 제안한 방식이 고속 부호화에 적합한 것을 알 수 있다.

후속연구

부호화율 1/2에서 기존 부호화기는 32400 클럭이 사용되는 반면 제안한 부호화기는 630 클럭이 사용 되므로 고속화가 되는 것을 확인할 수 있었으며 FPGA를 통해 인코더를 구현한 결과 36801개의 flip-flops, 360비트씩 90개의 레지스터 블록 2개의 인덱스 메모리 RAMs가 필요로 함을 볼 수 있었으며 기본 주파수 클럭 100MHz에서 약 10Gbps급의 throughput을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 논한 고속 LDPC 부호화기는 초고속 위성방송을 위한 부호의 고속화에 유용한 자료가 되리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LDPC 부호의 장점은 무엇인가?	DVB-S2에서 제시된 LDPC 부호화 방식이 초고화질 다채널 실감 방송 서비스를 전국 단위로 제공하기 위한 300Mbps급 이상의 초고속 위성 방송 전송 기술로 적합하다. 유럽식 위성 방송 표준안인 DVB-S2에 적용되는 샤논의 채널 용량 한계에 근접한 LDPC 부호는 터보 부호에 비해 복호화의 복잡도가 낮을 뿐 아니라 좋은 거리 특성으로 오류마루 현상이 나타나지 않고, 완전 병렬 처리로 고속 처리가 가능한 장점이 있다. 100Mbps급 이상의 LDPC 부호를 설계하기 위해서는 부호화 관점에서는 높은 복잡도가 LDPC 부호의 중요한 문제점이었으나 최근에 삼각행렬 분해법, Linear-congruence 방법을 사용하여 부호화기를 간단하게 하였다[1-3] .
	DVB-S2기반 부호화 알고리즘 구현의 문제점을 해결하기 위한 알고리즘은 무엇인가?	특히 DVB-S2기반 부호화 알고리즘은 높은 부호화기의 복잡도를 간단하게 구현하기 위해 검사행렬에서 “1”의 위치를 주소로 생성하여 주소를 이용하여 간단 하게 구현되고 있다. 구현의 문제점은 복호부에 있으며 이를 해결하기 위해 HSS(Horizontal Shuffle Scheduling), SP(Sum Product), MS(Min Sum),SC(Self-correction)등의 알고리즘이 있으며 이러한 방법은 복호기의 고속화를 위한 것이다. 따라서 이러한 복호기 고속화와 더불어 부호기에서의 고속화를 위한 알고리즘이 필요하다.
	100Mbps급 이상의 LDPC 부호를 설계하기 위해 부호화기를 간단하게 하는 방법은 무엇인가?	유럽식 위성 방송 표준안인 DVB-S2에 적용되는 샤논의 채널 용량 한계에 근접한 LDPC 부호는 터보 부호에 비해 복호화의 복잡도가 낮을 뿐 아니라 좋은 거리 특성으로 오류마루 현상이 나타나지 않고, 완전 병렬 처리로 고속 처리가 가능한 장점이 있다. 100Mbps급 이상의 LDPC 부호를 설계하기 위해서는 부호화 관점에서는 높은 복잡도가 LDPC 부호의 중요한 문제점이었으나 최근에 삼각행렬 분해법, Linear-congruence 방법을 사용하여 부호화기를 간단하게 하였다[1-3] . 특히 DVB-S2기반 부호화 알고리즘은 높은 부호화기의 복잡도를 간단하게 구현하기 위해 검사행렬에서 “1”의 위치를 주소로 생성하여 주소를 이용하여 간단 하게 구현되고 있다.

참고문헌 (6)

R. G. Gallager, "Low-Density Parity-Check Codes," IRE trans. Infom. Theory, vol. IT-8, pp. 21-28, Jan. 1962.
M. Eroz, F. W. sun, and L. N. Lee, "DVB-S2 low density parity check codes with near Shannon limit performance," Int. J. Satell. Commun. Network, vol. 22, no. 3, pp. 269-279, May-June 2004.

상세보기
P. Urad, E. yeo, L. Paumier, P. Georgelin, T. Michel, V. Lebars, E. Yeo, and B. Gupta, "A 135Mb/s DVB-S2 Compliant CODEC based on 64800b LDPC and BCH Codes," Proc. ISSCC 2005, San Francisco, USA, pp446-447, Feb. 2005.
F. Kienle, T. Brack, and N. Wehn, "A synthesizable IP core for DVB-S2 LDPC code decoding," Proc. Design, Automation and Test in Europe 2005, vol. 3, pp. 100 -105, Mar. 2005.
Takashi Yokokawa, Misa Nakane, and Makiko Kan, "A Low Complexity and Programmable Encoder Architecture of the LDPC codes for DVB-S2.", in 3rd turbo coding Conference, Munich, Germany, Apirl 2006.
Lim Byeong Su, Kim Min Hyuk, Park Tae Doo, Park Gun Yeol, Jung Ji Won, "A FPGA Design of High Speed LDPC Decoder for DVB-S2 Standard" The Korean Institute of Communications and Information Sciences, 2012 Summer Conference, pp. 166-167, June, 2012.

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