江鵬剛，金德鵬

（清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

面向60 GHz系統(tǒng)的多碼率LDPC分層譯碼器的設(shè)計

江鵬剛，金德鵬

（清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

針對60 GHz通信系統(tǒng)中的IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種雙層同步迭代式多碼率LDPC分層譯碼器的結(jié)構(gòu)。利用碼率越低LDPC校驗(yàn)矩陣越為稀疏的特點(diǎn)，將所有碼率下的校驗(yàn)矩陣壓縮到單一檢驗(yàn)矩陣，以便支持LDPC多碼率譯碼。同時，使用分層譯碼算法，有效減少迭代次數(shù)。基于推薦結(jié)構(gòu)，在Vertex-6 FPGA上實(shí)現(xiàn)了支持IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的4種碼率的LDPC譯碼器，LUTs資源使用量為34%，最高凈吞吐率達(dá)到3.507 Gb/s。比較結(jié)果表明，推薦結(jié)構(gòu)有著低復(fù)雜度、高吞吐率的特點(diǎn)。

LDPC譯碼器；60 GHz；雙層同步迭代；高吞吐率

0 引言

60 GHz毫米波無線通信技術(shù)不僅擁有數(shù)吉比特的傳輸速率，也擁有著良好的抗干擾性以及高安全性的特點(diǎn)，在短距離無線通信系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。IEEE 802.11ad[1]標(biāo)準(zhǔn)是目前被 60 GHz毫米波通信領(lǐng)域廣泛采納的一種標(biāo)準(zhǔn)，其中使用的信道編碼是低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check Code，LDPC)[2]。LDPC碼是由Gallarge提出的一種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組碼，和 Turbo碼一樣擁有逼近香農(nóng)極限的良好性能[3]。相比于Turbo碼，LDPC碼有著結(jié)構(gòu)靈活、復(fù)雜度低以及適合多碼率實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得LDPC碼近些年來在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

本文基于傳統(tǒng)的部分并行結(jié)構(gòu)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種符合 IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的多碼率 LDPC分層譯碼器。通過對低碼率校驗(yàn)矩陣進(jìn)行雙層同步更新，推薦譯碼器僅需一個4層的分層譯碼結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)對于多碼率的支持。不僅減少了接近一半的譯碼迭代時間，也減少了儲存單元。

1 LDPC譯碼器算法

LDPC碼有多種譯碼算法，其中最常用的算法是基于軟判決的置信度傳播譯碼算法(Belief Propagation，BP)。BP算法有著良好的性能，但是困為浮點(diǎn)運(yùn)算的存在導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。為了減少實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，基于BP算法Fossorier對其中的雙曲雙切函數(shù)及反雙曲雙切函數(shù)進(jìn)行了簡化，提出了最小和算法(Min-Sum Algorithm，MSA)[4]。

為了解決 MSA算法收斂速度過慢的問題，Mansour等人提出了Turbo譯碼置信傳播(Turbo Decoding Messing Passing，TDMP)[5]算法。在 TDMP算法中，分層進(jìn)行節(jié)點(diǎn)更新，改進(jìn)了算法的收斂速度。TDMP中的最小和算法如下，用 V2C表示變量節(jié)點(diǎn)信息，用C2V表示檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)信息，VN表示后驗(yàn)概率信息，σ2表示噪聲方差，y表示接收到的信息序列：

(1)初始化

分層更新(第k層、第l次迭代)：

(2)判決譯碼

當(dāng) k為最后一個分層時，若 VNi＜0，則 ci=1；否則ci=0。

(3)如果譯碼結(jié)果滿足校驗(yàn)方程或者達(dá)到了最大迭代次數(shù)，則停止譯碼；否則繼續(xù)迭代。

2 多碼率LDPC譯碼器設(shè)計

IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)是目前 60 GHz無線通信中廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)使用的是編碼后碼長為672的LDPC碼。碼率有1/2、5/8、3/4以及13/16 4種。

推薦譯碼器采用輸入數(shù)據(jù)5 bit量化，采用部分并行結(jié)構(gòu)，按照矩陣的子塊進(jìn)行劃分，塊間并行塊內(nèi)串行處理。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LDPC譯碼器結(jié)構(gòu)

2.1 輸入緩存和輸出緩存

本文采用部分并行的結(jié)構(gòu)[6]，需要將順序輸入的對數(shù)似然比按照每個矩陣的塊內(nèi)順序并行地輸出給V2C儲存模塊。按照本文采用的LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，采用16路并行輸出。采用乒乓處理結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的吞吐率。為了減少每一次迭代的時間，每次將3路信息合成一路輸出給V2C儲存模塊，這樣可以在一個時鐘內(nèi)處理3路數(shù)據(jù)。輸入緩存的工作流程如圖2所示。輸出緩存則是做一個逆向調(diào)整。

圖2 輸入緩存工作示意圖

2.2 V2C存儲模塊和C2V存儲模塊

每個塊的校驗(yàn)矩陣為單位陣的位移陣，表明在同一個子塊內(nèi)只有一個V2C和C2V發(fā)生信息傳遞，所以使用RAM資源來進(jìn)行V2C和C2V的信息存儲。在分層譯碼器中，V2C存儲信息只用于當(dāng)前層的更新，所以V2C存儲模塊只需要存儲單層信息。而C2V信息需要用于下一次迭代的更新，所以C2V存儲模塊需要存儲全部層數(shù)的信息。在工作過程中，V2C存儲模塊和C2V存儲模塊順序存儲輸入的數(shù)據(jù)，然后按照偏移控制單元獲得的輸出地址輸出數(shù)據(jù)。

2.3 最小和模塊

最小和模塊需要求出16路輸入信號中的最小值和次小值?？紤]到多碼率情況下存在矩陣壓縮的情況，將計算過程分為兩部分，首先分別計算奇數(shù)8路以及偶數(shù)8路的最小值和次小值，然后再計算這4個數(shù)據(jù)中的最小值以及次小值。根據(jù)不同碼率中當(dāng)前層是否為壓縮層，選擇是分別輸出奇偶兩路的最小值和次小值還是輸出最終的最小值和次小值，如圖3所示。

圖3 最小和模塊結(jié)構(gòu)

2.4 偏移控制單元

在偏移控制單元主要是根據(jù)碼率和當(dāng)前的層數(shù)，計算出V2C以及C2V的讀取地址。假設(shè)當(dāng)前子塊偏移量為N，每個子塊的長度為S。對于V2C存儲模塊，輸出地址為從N開始，到S-1以后跳轉(zhuǎn)到0，到N-1結(jié)束。對于C2V存儲模塊，輸出地址為從S-1-N，到S以后跳到0，到S-N-2結(jié)束。在本文的實(shí)現(xiàn)情況中，子塊長度為42，但是實(shí)際上是3路數(shù)據(jù)合成一路輸出，所以S=14，N= N mod 14。地址計算單元可以使用一個循環(huán)累加器來實(shí)現(xiàn)，通過初始偏移值循環(huán)累加就可以得到輸出地址。

2.5 雙層同步更新結(jié)構(gòu)

在實(shí)現(xiàn)多碼率譯碼器的過程中，最大的問題在于硬件復(fù)雜度過高，可以看出R=1/2碼率的校驗(yàn)矩陣比R= 3/4碼率的校驗(yàn)矩陣大了一倍，需要多一倍的 C2V儲存空間以及迭代時間。

從校驗(yàn)矩陣可以看出，在碼率較大，行數(shù)較多的校驗(yàn)矩陣中，每一行存在的非0元素較少，比起低碼率矩陣更具有稀疏性。也就是說如果使用相同于低碼率校驗(yàn)矩陣的處理單元去處理高碼率校驗(yàn)矩陣，同一行中會有大部分處理單元處于空閑狀態(tài)。如在R=1/2的情況下第一行僅有5個處理單元處于工作狀態(tài)，這種空閑也極大地降低了硬件運(yùn)用效率。為了提高硬件利用率，在分層譯碼的基礎(chǔ)上，通過合并分層來降低分層數(shù)。

可以看出在R=1/2中，每一層有效的塊數(shù)少于一半，并且1、3層沒有重疊的塊，2、4層沒有重疊的塊，5-7、6-8亦然?？梢钥紤]將1、3層的數(shù)據(jù)放在同一層進(jìn)行更新，困為他們不存在重疊的位置，所以并不影響信息的傳遞，其余幾層亦然，這樣就可以把原本的8層數(shù)據(jù)變?yōu)?層。在802.11ad的其他碼率中，也存在同樣的稀疏性，也可以縮短為4層。這樣對于所有的碼率，使用不多于4層的分層就可以處理。為了可以同時處理一整層數(shù)據(jù)或者是分別處理兩層數(shù)據(jù)，將兩層數(shù)據(jù)分別移位到奇偶位上，然后根據(jù)控制信號選擇最小值的輸出。在R=1/2時，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 R=1/2下的雙層同步迭代

如果不對矩陣進(jìn)行壓縮調(diào)整，則需要分8層來進(jìn)行迭代，并且需要8層的C2V存儲資源。分析各個碼率的校驗(yàn)矩陣可以得到，經(jīng)過壓縮調(diào)整后，對于任何碼率都可以使用不大于4層的分層方式來實(shí)現(xiàn)，這樣最多可以減少一半的C2V存儲單元以及迭代時間。對于不同的碼率，通過控制信號控制數(shù)據(jù)塊的移動位置以及讀取地址的計算，就可以實(shí)現(xiàn)對多碼率的支持。

2.6 存儲器的流水線結(jié)構(gòu)

在部分并行的結(jié)構(gòu)中，整個迭代過程中耗時最長的部分是V2C存儲讀取耗時以及C2V存儲讀取耗時。由于V2C的C2V的讀取順序與存入順序并不相同，所以需要在存入完畢之后，再進(jìn)行讀取。V2C和C2V在存入時，讀取功能是空閑狀態(tài)；讀取時，存入功能也是空閑狀態(tài)。從這點(diǎn)下手，可以同時進(jìn)行兩幀數(shù)據(jù)的譯碼工作。將V2C存儲器和C2V存儲器的深度擴(kuò)大一倍，通過將地址分離，讓第一幀的讀取與第二幀的存儲同時進(jìn)行。這樣通過只擴(kuò)大C2V和V2C的深度，復(fù)用了其他的處理單元，使得整體的吞吐率提高了接近一倍，具體工作示意如圖5所示。

圖5 存儲器的流水線處理

3 實(shí)現(xiàn)與分析

基于Verilog HDL語言，本文完成了對以上結(jié)構(gòu)的LDPC譯碼器的實(shí)現(xiàn)，并且通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)對比，實(shí)現(xiàn)結(jié)果與MATLAB仿真結(jié)果完全一致。本文取5 bit量化，以3/4碼率為例，不同迭代次數(shù)下的分層譯碼器的誤碼性能如圖6所示?？梢钥闯觯?次迭代和10次迭代在BER為10-5時只有不到 0.5 dB的性能損失。綜合性能和吞吐率需求，本文選擇了3次迭代。

圖6 3/4碼率下不同次數(shù)迭代的BER性能

本文選取 Xilinx公司的 Virtex6芯片，ISE綜合結(jié)果如表1所示。

表1 多碼率LDPC譯碼器實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本文設(shè)計中，以碼率 R=1/2為例，輸入碼長為 672，最終能達(dá)到的工作頻率為 212 MHz。每個核總共需要396個時鐘周期完成譯碼，一次譯碼過程可以譯碼兩幀的數(shù)據(jù)。在6個核共同工作的情況下，對于不同碼率，最高靜吞吐率可達(dá)到 3.507 Gb/s，最低靜吞吐率為2.158 Gb/s。需要指出，如果系統(tǒng)需要更高的吞吐率，可以通過增加譯碼器核的并行度的方式來實(shí)現(xiàn)。

與文獻(xiàn)[7]中進(jìn)行對比，本文在實(shí)現(xiàn)多碼率的前提下，擁有著更高的吞吐率。而且，從歸一化資源角度來看，本文擁有著更為優(yōu)異的資源利用率。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種符合IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的多碼率LDPC分層譯碼器。在Vertex6 FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了本文的結(jié)構(gòu)，在 R=13/16時最高可以達(dá)到 3.507 Gb/s的凈吞吐率。與已有的LDPC譯碼器相比，通過雙層同步更新結(jié)構(gòu)，以非常少量的硬件資源，實(shí)現(xiàn)了從單碼率 LDPC譯碼器向多碼率的支持，不僅擁有吉比特吞吐率，而且在硬件資源花銷上也有大幅度節(jié)省。

[1]IEEE 802.11ad，Wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer(PHY)specifications-Amendment 3：enhancements for very high throughput in the 60 GHz band[S].Dec.2012.

[2]GALLAGER R G.Low-density parity-check codes[J].IRE Trans.Inform.Theory，1962，8(1)：21-28.

[3]MACKAY D J C，NEAL R M.Near Shannon limit performance of low density parity check codes[J].Electronic Lett.，1977，33(5)：457-458.

[4]FOSSORIER M P C，MIHALJEVIC M，IMAI H.Reduced complexity iterative decoding of low-density parity-check codes based on belief propagation[C].IEEE Transactions on Communication May，1999，47(5)：673-680.

[5]MANSOUR M M.A turbo-decoding message-passing algorithm for sparse parity-check matrix codes[C].IEEE Transaction on Signal Processing，2006，54(11)：4376-4392.

[6]MARJAN，JOSEPH R C.Semi-parallel reconfigurable architectures for real-time LDPC decoding[C].International Conference on Information Technology：Coding and Computing，2004：579-585.

[7]SHEVCHENKO A，MASLENNIKOV R，MALTSEV A.Comparative analysis of different hardware decoder architectures for IEEE 802.11ad LDPC code[C].Mediterranean Electrotechnical Conference，2014，17：415-420.

Multi-mode LDPC layered decoder architecture for 60 GHz system

Jiang Penggang，Jin Depeng
（Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Simultaneous two-layer iteration architecture for multi-mode LDPC layered decoder is proposed for the IEEE 802.11ad standard in 60 GHz communications systems.Via utilizing the property that the check matrix becomes more sparse as the code rate decreases，the check matrixes of all code rates have been compressed into the unique one for supporting multi-mode LDPC decoding.Meanwhile，layered iterative decoding are employed to reduce the number of iteration efficiently.Based on the proposed architecture，a four-code-rate LDPC decoder for the IEEE 802.11ad standard is implemented on Vertex-6 FPGA with 34% LUTs resources and the maximum throughput of 3.507 Gb/s.Comparison results show that the proposed decoding architecture has the advantage of low complexity and high throughput.

LDPC decoder；60 GHz；simultaneous two-layer iteration；high throughput

TN911

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.006

江鵬剛，金德鵬.面向60 GHz系統(tǒng)的多碼率 LDPC分層譯碼器的設(shè)計 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(7)：23-25，29.

英文引用格式：Jiang Penggang，Jin Depeng.Multi-mode LDPC layered decoder architecture for 60 GHz system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：23-25，29.

2015-03-25)

江鵬剛(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：毫米波通信、信道編碼，E-mail：jpg348413430@126.com。

金德鵬(1972-)，男，教授，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)以及通信專用集成電路及系統(tǒng)設(shè)計。