Hardware architecture for a neural 5G polar decoder based on belief propagation

Χρήστος Ζαχιώτης

Published Oct 17, 2025• 0 citations

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο των σπουδών μου στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών και έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και βελτίωση της αποκωδικοποίησης πολικών κωδίκων στο πρότυπο 5G New Radio. Οι πολικοί κώδικες έχουν υιοθετηθεί από το 3GPP, χάρη στην υψηλή τους απόδοση με χαμηλούς ρυθμούς σφάλματος. Ωστόσο, οι παραδοσιακοί αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης, όπως ο Successive Cancellation (SC) και ο Belief Propagation (BP), παρουσιάζουν περιορισμούς τόσο ως προς την επίδοση. Στόχος της εργασίας είναι η μελέτη και η υλοποίηση σε υλικό (hardware) ενός αποκωδικοποιητή Belief Propagation με εισαγωγή βαρών (Neural BP), ώστε να καταστεί δυνατή η εκπαίδευσή του με μεθόδους μηχανικής μάθησης και να βελτιωθεί η απόδοσή του σε σχέση με τον κλασικό BP. Παράλληλα, εξετάζεται η ενσωμάτωση του αποκωδικοποιητή στο πλαίσιο της προδιαγραφής 5G NR, με στόχο την επίτευξη υψηλής αξιοπιστίας και αποδοτικότητας. Η εργασία περιλαμβάνει θεωρητική ανάλυση, παρουσίαση του βασικού BP αλγορίθμου και του Neural BP, ανάπτυξη του μοντέλου σε Python, καθώς και πειραματικά αποτελέσματα που αποδεικνύουν τη βελτίωση της επίδοσης του προτεινόμενου αποκωδικοποιητή μετά την εισαγωγή και εκπαίδευση των βαρών.

Related papers

Hardware architectures for iterative LDPC decoders in 5G systems

Σταύρος Τσικρικάς

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τους κώδικες διόρθωσης λαθών LDPC και την υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής αποκωδικοποιητή LDPC για ένα σύστημα 5G New Radio Reduced Capability (RedCap). Γίνεται εισαγωγή στην Quasi-Cyclic δομή των κωδίκων για το πρότυπο αυτό και στους αλγόριθμους αποκωδικοποίησης που χρησιμοποιούνται στο υλικό. Δημιουργείται μοντέλο σε MATLAB για την προσομοίωση της διορθωτικής συμπεριφοράς των κωδίκων LDPC του 5G NR σε ένα εύρος τιμών SNR και για διαφορετικά σχήματα διαμόρφωσης με σκοπό την εξαγωγή σχεδιαστικών παραμέτρων. Μελετάται πώς η μέθοδος κανονικοποίησης των LLR fixed-point αναπαράστασης με 5-bit ακρίβεια επηρεάζει τη διορθωτική ικανότητα του αποκωδικοποιητή. Αναπτύσσεται αρχιτεκτονική που υιοθετεί στοιχεία της βιβλιογραφίας, στηρίζεται σε αυτά, αλλά διαφοροποιείται επιδιώκοντας να επιτύχει καλύτερους συμβιβασμούς μεταξύ εμβαδού και απόδοσης.

Jul 7, 20230 citations

Hardware architectures for LDPC decoders in 5G NR

Νικόλαος Παπαγεωργίου

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την μελέτη κωδικών διόρθωσης λαθών LDPC και την κατασκευή ενός αποκωδικοποιητή LDPC για το πρότυπο 5G NR. Η εργασία δομείται σε οκτώ μέρη. Αρχικά παρουσιάζονται γενικές πληροφορίες για την ιστορία των δικτύων επικοινωνίας και για τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα κανάλι επικοινωνίας. Στο δεύτερο σκέλος γίνεται μια εισαγωγή στους LDPC κώδικες και στους διάφορους αλγορίθμους που υπάρχουν. Έπειτα ακολουθεί η ανάλυση του προτύπου 5G NR. Εν συνεχεία αναλύεται η υπάρχουσα βιβλιογραφία πάνω στο θέμα των LDPC, γεγονός βασικό για να μπορέσει να συγκριθεί η υπάρχουσα διπλωματική στο γενικό σύνολο. Στο κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται ένα βασικό μοντέλο του αποκωδικοποιητή σε Matlab, προσδιορίζονται ορισμένες βασικές παράμετροι του αποκωδικοποιητή, επιλέγεται ο κβαντισμός και παρουσιάζονται ορισμένες προσεγγίσεις για γρηγορότερη σύγκλιση μέσω πρόωρου τερματισμού και τεχνικών επαναπρογραμματισμού. Στις δύο επόμενες ενότητες, παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του αποκωδικοποιητή και το πειραματικό μέρος χρήσης ενός αναπτυξιακού συστήματος. Τέλος παραθέτονται τα συμπεράσματα.

Jul 10, 20240 citations

Hardware architectures for iterative decoders with application to error correction systems for wireless networks

Christina Archonta

Οι κώδικες LDPC είναι κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων που παρέχουν επιδόσεις ρυθμού μετάδοσης πληροφορίας κοντά στη χωρητικότητα του καναλιού και προτάθηκαν για πρώτη φορά από τον Gallager στις αρχές της δεκαετίας του 60. Ωστόσο, μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 90, παρέμειναν στο περιθώριο καθώς η υλοποίηση των αποκωδικοποιητών τους σε υλικό δεν ήταν δυνατή μέχρι τότε. Χαρακτηρίζονται από έναν αραιό πίνακα ελέγχου ισοτιμίας ο οποίος καθορίζει το κύκλωμα και κατά συνέπεια την πολυπλοκότητα του αποκωδικοποιητή. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι κυριότεροι LDPC αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Ακόμη, έγιναν συγκρίσεις μεταξύ τους για τους κώδικες του προτύπου IEEE 802.11ac σε απλές συνθήκες μετάδοσης και του προτύπου IEEE 802.11ah για όλες τις πιθανές συνθήκες μετάδοσης. Σκοπός αυτής της χαρτογράφησης ήταν η εύρεση της βέλτιστης επιλογής αλγορίθμου ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες. Μετά από μελέτη των αλγορίθμων, διαπιστώθηκε μια έντονη μείωση της απόδοσης ορισμένων αποκωδικοποιητών όταν υπόκεινται σε puncturing, μια διαδικασία επεξεργασίας που έχει ως σκοπό την αύξηση του πραγματικού ρυθμού του κώδικα. Στην συνέχεια έγινε διερεύνηση της συμπεριφοράς των συγκεκριμένων αλγορίθμων και προτάθηκαν προσεγγίσεις ώστε να βελτιωθούν οι επιδόσεις τους σε επίπεδο ρυθμού σφαλμάτων. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα από τα προτεινόμενα συστήματα αποκωδικοποίησης punctured κωδίκων σε γλώσσα υλικού και υλοποιήθηκε με την βοήθεια εργαλείων σχεδίασης. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι σχεδίασης με σκοπό να μειωθεί η συνολική απαιτούμενη επιφάνεια υλικού της αρχιτεκτονικής και να αυξηθεί το throughput της σχεδίασης.

Feb 15, 20160 citations

Algorithms and architectures for error correction in 5G networks

Νικόλαος Κοκκινάκης

Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάλυση και σχεδίαση αποκωδικοποιητών Low-Density Parity Check (LDPC) για δίκτυα πέμπτης γενιάς (5G). Οι LDPC κώδικες χαρακτηρίζονται από υψηλή διορθωτική ικανότητα. Ωστόσο, η αυξημένη πολυπλοκότητά τους συνεπάγεται σημαντικές απαιτήσεις σε πόρους. Συνεπώς η υλοποίηση αποδοτικών VLSI αποκωδικοποιητών ενέχει πολλές προκλήσεις.Σε αρχικό στάδιο πραγματοποιείται η προσομοίωση ενός ολοκληρωμένου συστήματος κωδικοποίησης καναλιού σύμφωνα με το πρότυπο 5G σε επίπεδο λογισμικού. Μέσω αυτού παρέχεται η δυνατότητα ανάλυσης και αξιολόγησης μεθόδων μείωσης της πολυπλοκότητας των LDPCαποκωδικοποιητών, όπως η επίδραση του κβαντισμού των δεδομένων εισόδου. Από το μοντέλο λογισμικού εξάγονται οι σχεδιαστικοί παράμετροι για τον σχεδιασμό του αποκωδικοποιητή σε επίπεδο υλικού.Ο αποκωδικοποιητής υλοποιήθηκε μέσω του εργαλείου Vitis High-Level Synthesis. Αξιοποιώντας την ευελιξία του, εφαρμόστηκαν τεχνικές σε επίπεδο υλικού με στόχο να επιτευχθεί μια αποδοτικότερη σχεδίαση.Τέλος ο αποκωδικοποιητής ενσωματώθηκε σε συσκευή FPGA και η ορθή λειτουργίας του επιβεβαιώθηκε πειραματικά.

Oct 17, 20250 citations

Hardware implementation of a post quantum cryptography algorithm

Γεώργιος Τζοβάρας

Στις μέρες μας, με την κατά κόρον χρήση υπολογιστικών συστημάτων σε διάφορες μορφές η κρυπτογραφία είναι απαραίτητη για να διασφαλίζει την ασφάλεια της επικοινωνίας και των δεδομένων μας. Παίζει καθοριστικό ρόλο για την ασφάλεια των πληροφοριών και βασίζεται σε αλγορίθμους κρυπτογραφίας που στηρίζονται σε δύσκολα μαθηματικά και υπολογιστικά ανέφικτα προβλήματα. Τα δύσκολα αυτά προβλήματα όμως θα επιλύονται εύκολα από τους κβαντικούς υπολογιστές όταν αυτοί διαδοθούν ευρέως. Συνεπώς, τότε πολλά από τα υπάρχοντα και ευρέως χρησιμοποιούμενα κρυπτοσυστήματα θα γίνουν ευάλωτα και εντελώς άχρηστα καθώς θα μπορούν πανεύκολα να «σπάσουν». Στην προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος και διαφύλαξης της ασφάλειας των δεδομένων, οι ερευνητές και οι επιστήμονες ξεκίνησαν να αναπτύσουν αλγορίθμους μετακβαντικής κρυπτογραφίας, αξιοποιώντας ακόμη δυσκολότερα προβλήματα που μπορούν να είναι άτρωτα από επιθέσεις κβαντικών υπολογιστών. Το 2015 το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των Η.Π.Α. (NIST) ξεκίνησε έναν δημόσιο διαγωνισμό αξιολόγησης και προτυποποίησης αλγορίθμων δημόσιου κλειδιού ανθεκτικών στην κβαντική τεχνολογία. Μετά από τρεις γύρους, το NIST κατέληξε σε τέσσερις αλγορίθμους ΚΕΜ και πλέον τους αξιολογεί βάσει του κόστους και της απόδοσης. Σύμφωνα με το Ινστιτούτο, οι αλγόριθμοι με βάση το πλέγμα είναι οι πιο υποσχόμενοι. Το 2022 ο αλγόριθμος CRYSTALS-Kyber επιλέχθηκε μεταξύ των τεσσάρων φιναλίστ και αναμένετε να προτυποποιηθεί τα προσεχή χρόνια. Τα κλειδιά του αλγορίθμου είναι μικρά και ανταλλάσσοντια εύκολα και είναι ιδιαίτερα γρήγορος. Ένα από τα θεμελιώδη στοιχεία ενός οποιουδήποτε αλγορίθμου μετά-κβαντικής κρυπτογραφίας είναι αυτό που αφορά τα πρωτόγονα PQC. Αυτά, εγγυώνται την ασφάλεια του αλγορίθμου εκτελώντας μια συγκεκριμένη διαδικασία με απίστευτη ακρίβεια και ορθότητα. Η υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής που υλοποιεί αυτά τα πρωτόγονα μπορεί να μειώσει σημαντικά την κατάληχη πόρων υλικού, επιτυγχάνοντας μια μονάδα με καλύτερη απόδοση που συνεπώς θα βελτιώσει τη συνολική απόδοση του αλγορίθμου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρουσιάζουμε μια ειδική υλοποίησης σε υλικό του υψηλότερου σε κατανάλωση στοιχείου του αλγορίθμου CRYSTALS-Kyber. Η αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε για την έκδοση Kyber-768 (Επίπεδο ασφαλείας ΙΙΙ) και υλοποιεί όλα τα πρωτόγονα SHA-3 που απαιτεί ο αλγόριθμος.

Jul 9, 20240 citations

Hardware architectures for convolutional LDPC codes

Παναγιώτης Γκότσης

Αυτή η εργασία αφορά έναν αλγόριθμο διόρθωσης λαθών, που χρησιμοποιείται όταν μια δυαδική είσοδος περνάει από κανάλι μαζί με εξωτερικό θόρυβο. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα αποτελούν το θεμέλιο λίθο του σύγχρονου πολιτισμού, άρα η αξιοπιστία τους είναι ύψιστης σημασίας. Συγκεκριμένα ασχολούμαστε με τους συνελικτικούς κώδικες ελέγχου ισοτιμίας με αραιούς πίνακες (convolutional LDPC). Αυτοί πρωτίστως κωδικοποιούν το περιεχόμενο του καναλιού μέσω συνέλιξης της εισόδου με μια αραιή μήτρα ισοτιμίας. Αφού το σήμα περάσει από ένα θορυβώδες κανάλι, τελούν μια ανάλογη αποκωδικοποίηση χρησιμοποιώντας την ίδια μήτρα με την κωδικοποίηση και το διάνυσμα που παράγεται από αυτή για να μαντέψουν την αρχική είσοδο. Όσον αφορά την υλοποίηση του αλγόριθμου , θα τον προσομοιώσουμε πρώτα στο περιβάλλον του Matlab για να πειραματιστούμε με διαφορετικές παραμέτρους και δεδομένα και να δούμε την ακρίβεια του αποτελέσματος. Ύστερα, θα προσομοιώσουμε τον αλγόριθμο και σε γλώσσα VHDL, μέσω της οποίας μπορούμε να το μετατρέψουμε σε ολοκληρωμένο κύκλωμα FPGA.

Mar 12, 20220 citations