Дослідження енергетичної ефективності канального кодування даних користувача кодами LDPC для систем зв’язку 5G

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ КАНАЛЬНОГО КОДУВАННЯ ДАНИХ КОРИСТУВАЧА КОДАМИ LDPC ДЛЯ СИСТЕМ ЗВ’ЯЗКУ 5G

INVESTIGATION OF ENERGY EFFICIENCY OF CHANNEL CODING OF USER DATA BY LDPC CODES FOR 5G COMMUNICATION SYSTEMS

Сторінки: 174-185. Номер: №3, 2020 (285)
Автори:
І. С. Пятін, Ю. М. Бойко
Хмельницький національний університет
І. Pyatin, J. BOIKO
Khmelnytskyi National University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2020-285-3-10
Рецензія/Peer review : 11.05.2020 р.
Надрукована/Printed : 02.06.2020 р.

Анотація мовою оригіналу

В роботі представлено результати дослідження енергетичної ефективності канального кодування даних користувача кодами LDPC для систем зв’язку 5G. Розглянуті принципи узгодження швидкості і виконання гібридного автоматичного запиту на повторення (HARQ). Проведений аналіз структурної схеми і моделі каналу зв’язку з кодами LDPC. Дано основи кодів LDPC, що засновані на протографах, поняття розширення протографа і побудови графа Таннера. Розглянуті квазіциклічні коди QC-LDPC та базовий граф коду. Розглянутий алгоритм LDPC-кодування з гаусівським виключенням. Досліджена залежність коефіцієнту бітової помилки від виду декодера. Досліджена залежність кількості бітових помилок від відношення сигнал-шум для коду LDPC з різними видами модуляції, різними версіями надлишковості (RV), різними швидкостями кодування
Ключові слова: коди LDPC, коди QC-LDPC, енергетична ефективність, зв’язок стандарту 5G, транспортний канал.

Розширена анотація англійською мовою

LDPC codes are widely used in practice: they are used by DVB-T2, DVB-S2, DVB-C2, WiFi, WiMax, IEEE 802.15.3. It also provides for the transmission of user data of the transport channel using LDPC codes in 5G communication systems. The paper presents the results of the study of energy efficiency of channel coding of user data by LDPC codes for 5G communication systems. The principles of speed negotiation and execution of a hybrid automatic retry request (HARQ) are considered. The analysis of the structural scheme and model of the communication channel with LDPC codes is carried out. The basics of LDPC codes based on protographs, the concept of protograph extension and construction of the Tanner graph are given. The protograph (base graph) is a bipartite non-oriented multigraph consisting of a set of symbolic and test vertices. In order to obtain a Tanner graph, it is necessary to perform the extension procedure, which consists in the sequential execution of algorithms for copying and rearranging vertices. The quasicyclic QC-LDPC codes and the basic code graph are considered. QC-LDPC codes play an important role in 5G communication and have been adopted as a channel coding scheme for the 5M eMBB data channel. The binary code QC-LDPC can be characterized by the space of the array of rarefied circulators. the parity control matrix H of the QC-LDPC code can be determined by its base graph and shear coefficients. 5G uses two base graphs BG1 and BG2. BG1 is designed for longer block lengths and high speeds, while BG2 is designed for shorter block lengths and low speeds. The LDPC-coding algorithm with Gaussian exclusion is considered. The dependence of the bit error rate on the type of decoder is investigated. Decoders considered: belief dissemination; multilevel algorithm for spreading beliefs; Normalized algorithm for decoding the minimum amount; Algorithm for decoding the minimum amount with an offset. The dependence of the number of bit errors on the signal-to-noise ratio for the LDPC code with different types of modulation, different versions of redundancy (RV), different coding speeds, different length of the transport block is investigated.
Keywords: LDPC codes, QC-LDPC codes, energy efficiency, 5G communication, transport channel.

Referencse

1. J. Bae, A. Abotabl, H. Lin, K. Song, and J. Lee, “An overview of channel coding for 5G NR cellular communications,” APSIPA Trans. on Signal and Inform. Proces., 8, E17, June 2019. https://doi.org/10.1017/ATSIP.2019.10.
2. T.T.B. Nguyen, Tan, T. Nguyen and H. Lee, “Efficient QC-LDPC Encoder for 5G New Radio,” Electronics, 8, 668, June 2019. https://doi.org/10.3390/electronics8060668.
3. J. Boiko, I. Kovtun and S. Petrashchuk, “Productivity of telecommunication systems with modified signal-code constructions,” 2017 IEEE 4th Inter. Scientific-Practical Conf. Problems of Infocom. Science and Technology (PIC S&T), Kharkov, 2017, pp. 173-178, https://doi.org/10.1109/INFOCOMMST.2017.8246374.
4. J. Boiko, I. Pyatin, O. Eromenko and M. Stepanov, “Method of the adaptive decoding of self-orthogonal codes in telecommunication,” Indones. Journal of Electrical Engineering and Computer Science, vol. 19, no. 3, pp. 1287-1296, Sept. 2020, http://doi.org/10.11591/ijeecs.v19.i3.pp1287-1296.
5. Y. Fang, G. Bi, Y. L. Guan and F. C. M. Lau, “A Survey on Protograph LDPC Codes and Their Applications,” in IEEE Communic. Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 1989-2016, Fourthquarter 2015, https://doi.org/10.1109/COMST.2015.2436705.
6. J. Boiko, O. Eromenko, “Signal Processing in Telecommunications with Forward Correction of Errors,” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, vol.11, no. 3, pp. 868-877, Sept. 2018 DOI: http://doi.org/10.11591/ijeecs.v11.i3.pp868-877.
7. Bojko Ju. M. Teoretichnі aspekti pіdvishhennja zavadostіjkostі j efektivnostі obrobki signalіv v radіotehnіchnih pristrojah ta zasobah telekomunіkacіjnih sistem za najavnostі zavad: monografіja / Ju. M. Bojko, V. A. Druzhinіn, S. V. Toljupa. – Kiїv : Logos, 2018. – 227 s.
8. Bojko Ju. M. Doslіdzhennja efektivnostі algoritmіv kanal’nogo koduvannja v zahishhenih telekomunіkacіjnih sistemah peredavannja іnformacії / Ju. M. Bojko, D. A. Makarishkіn, O. І. Pasіchnik // Zv’jazok: zagal’nogaluz. nauk.-virob. zhurn. – Kiїv, 2016. – № 5. – S. 56-67.
9. A. D. Liveris, Z. Xiong and C. N. Georghiades “Compression of binary sources with side information at the decoder using LDPC codes,” IEEE communications letters, vol. 6, no. 10, pp. 440-442, 2002.
10. S. Myung, Y. Kyeongcheol, and K. Jaeyoel. “Quasi-cyclic LDPC codes for fast encoding.” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 51, no. 8, pp. 2894-2901, 2005.
11. D. E. Hocevar, “A reduced complexity decoder architecture via layered decoding of LDPC codes.” IEEE Workshop onSignal Processing Systems, 2004. SIPS 2004. IEEE, 2004.
12. M. Yang, W. E. Ryan, Y. Li, “Design of efficiently encodable moderate-length high-rate irregular LDPC codes,” IEEE Transactions on Communications, vol. 52, no. 4. pp. 564-571, 2004.
13. J. Boiko, I. Pyatin and O. Eromenko, “Farrow Interpolator Features in QPSK Telecommunication Devices.” 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). IEEE, 2020. DOI: 10.1109/TCSET49122.2020.235410.