《電子技術應用》
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基于深度学习的神经归一化最小和LDPC长码译码
电子技术应用
贾迪1,严伟1,姚赛杰2,张权2,刘亚欢2
1.北京大学 软件与微电子学院,北京 102600;2.裕太微电子股份有限公司
摘要: LDPC码是一种应用广泛的高性能纠错码,近年来基于深度学习和神经网络的LDPC译码成为研究热点。基于CCSDS标准的(512,256)LDPC码,首先研究了传统的SP、MS、NMS、OMS的译码算法,为神经网络的构建奠定基础。然后研究基于数据驱动(DD)的译码方法,即采用大量信息及其经编码、调制、加噪的LDPC码作为训练数据在多层感知层(MLP)神经网络中进行训练。为解决数据驱动方法误码率高的问题,又提出了将NMS算法映射到神经网络结构的神经归一化最小和(NNMS)译码,取得了比NMS更优秀的误码性能,信道信噪比为3.5 dB时误码率下降85.19%。最后研究了提升NNMS网络的SNR泛化能力的改进训练方法。
中圖分類號:TN911.22 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245766
中文引用格式: 賈迪,嚴偉,姚賽杰,等. 基于深度學習的神經歸一化最小和LDPC長碼譯碼[J]. 電子技術應用,2024,50(12):7-12.
英文引用格式: Jia Di,Yan Wei,Yao Saijie,et al. LDPC long code decoding with neural normalized min-sum based on deep learning[J]. Application of Electronic Technique,2024,50(12):7-12.
LDPC long code decoding with neural normalized min-sum based on deep learning
Jia Di1,Yan Wei1,Yao Saijie2,Zhang Quan2,Liu Yahuan2
1.School of Software and Microelectronics, Peking University; 2.Motorcomm Co., Ltd.
Abstract: LDPC code is a widely-used high-performance error correction code. In recent years, LDPC decoding based on deep learning and neural networks becomes a research hotspot. Based on the (512,256) LDPC code of the CCSDS standard, this paper firstly studies the traditional decoding algorithms of SP, MS, NMS, and OMS, laying a foundation for the construction of neural networks. Then a data-driven (DD) decoding method is studied which adopts the information with its encoded, modulated and noise-added LDPC code as the training data within a Multi-layer Perceptron (MLP) neural network. In order to solve the problem of high bit error rate (BER) in data-driven method, the Neural Normalized Min-sum (NNMS) decoding in which the NMS algorithm is mapped to the neural network structure is proposed, achieving more excellent BER performance than that of NMS. The BER declines by 85.19% when channel SNR equals to 3.5 dB. Finally, improved training methods to enhance the SNR generalization ability of the NNMS network is studied.
Key words : LDPC;deep learning;neural networks

引言

低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check, LDPC)是一種性能逼近香農極限[1]和具有高譯碼吞吐量[2]的前向糾錯碼,被廣泛運用于有線、無線、衛星、以太網等通信系統中。編碼后的LDPC碼被附加上冗余信息,經調制和噪聲信道后再進行譯碼,力求盡可能地糾正其中的誤碼。傳統的LDPC譯碼算法包括和積譯碼(Sum Product, SP)、最小和譯碼(Min-sum, MS)、基于MS的改進算法有歸一化最小和譯碼(Normalized Min-sum, NMS)與帶偏置項的最小和譯碼(Offset Min-sum, OMS)。隨著近年來人工智能的快速發展,基于神經網絡深度學習越來越廣泛地應用于各領域的研究,將深度學習方法應用于信道譯碼的研究也成為了一大研究熱點。Nachmanid等已證明對Tanner圖的邊緣分配權重,可相比傳統置信傳播(Belief Propogation, BP)算法減少迭代次數,提高譯碼性能[3]。Wang等人提出的DNN譯碼數學復雜度高,僅適用于短碼,在長碼譯碼中展現性能不佳[4]。Lugosch 等提出可用于硬件實現的神經偏置項最小和譯碼(Neural Offset Min-sum, NOMS)[5], 但該方法也難以應用于長碼譯碼。本文研究基于深度學習的LDPC長碼譯碼方法。首先研究數據驅動譯碼算法,即預先設置適當結構的MLP網絡,然后直接采用大量信息與編碼數據進行訓練,從而構建譯碼神經網絡。由于沒有將傳統算法的迭代結構融入其中,此方法的譯碼效果不理想。而后提出神經歸一化最小和譯碼(Neural Normalized Min-sum, NNMS),它將傳統的NMS算法的迭代結構改造為神經網絡,再對神經網絡的參數進行訓練。NNMS將傳統NMS算法與神經網絡相結合,相比于MS和NMS算法均得到了性能的提升。


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作者信息:

賈迪1,嚴偉1,姚賽杰2,張權2,劉亞歡2

(1.北京大學 軟件與微電子學院,北京 102600;

2.裕太微電子股份有限公司,上海 201210)


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