《电子技术应用》
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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。
中图分类号:TN911.22 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245766
中文引用格式: 贾迪,严伟,姚赛杰,等. 基于深度学习的神经归一化最小和LDPC长码译码[J]. 电子技术应用,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

低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check, LDPC)是一种性能逼近香农极限[1]和具有高译码吞吐量[2]的前向纠错码,被广泛运用于有线、无线、卫星、以太网等通信系统中。编码后的LDPC码被附加上冗余信息,经调制和噪声信道后再进行译码,力求尽可能地纠正其中的误码。传统的LDPC译码算法包括和积译码(Sum Product, SP)、最小和译码(Min-sum, MS)、基于MS的改进算法有归一化最小和译码(Normalized Min-sum, NMS)与带偏置项的最小和译码(Offset Min-sum, OMS)。随着近年来人工智能的快速发展,基于神经网络深度学习越来越广泛地应用于各领域的研究,将深度学习方法应用于信道译码的研究也成为了一大研究热点。Nachmanid等已证明对Tanner图的边缘分配权重,可相比传统置信传播(Belief Propogation, BP)算法减少迭代次数,提高译码性能[3]。Wang等人提出的DNN译码数学复杂度高,仅适用于短码,在长码译码中展现性能不佳[4]。Lugosch 等提出可用于硬件实现的神经偏置项最小和译码(Neural Offset Min-sum, NOMS)[5], 但该方法也难以应用于长码译码。本文研究基于深度学习的LDPC长码译码方法。首先研究数据驱动译码算法,即预先设置适当结构的MLP网络,然后直接采用大量信息与编码数据进行训练,从而构建译码神经网络。由于没有将传统算法的迭代结构融入其中,此方法的译码效果不理想。而后提出神经归一化最小和译码(Neural Normalized Min-sum, NNMS),它将传统的NMS算法的迭代结构改造为神经网络,再对神经网络的参数进行训练。NNMS将传统NMS算法与神经网络相结合,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:

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,上海 201210)


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