用于5G LDPC码的相互约束最小-和检验-信念传播算法及其实现

《IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers》：Mutual Constrained Min-Sum Check-Belief Propagation for 5G LDPC Codes: Algorithm and Implementation

提出基于互斥约束最小和检查-信念传播（MCMS-CBP）的5G NR LDPC解码算法，解决低密度奇偶校验在5G NR应用中复杂度与性能的矛盾。通过互斥约束循环和补偿策略提升度1变量节点信息可靠性，固定点实现较浮点算法性能损失小于0.1dB且硬件复杂度低。采用符号位存储降低87.5%内存开销，分层调度消除流水线阻塞，优化元素排列减少循环移位成本。28nm工艺实现1.610mm2面积和58.63Gbps吞吐量，面积效率达36.42Gbps/mm2，较现有方案提升2.72倍。

　　

摘要：

针对5G新无线电（NR）低密度奇偶校验（LDPC）的先进架构（SOA）设计面临一个难题：要么忍受累积计算的高复杂性，要么接受由于度为1的可变节点（VN）的不可靠消息导致的性能下降。本文介绍了互斥约束最小和校验-信念传播（MCMS-CBP）解码算法来解决这一难题。通过精心设计的消息更新机制建立互斥约束循环，并结合约束补偿策略，非累积型的MCMS-CBP显著提高了度为1的可变节点消息的校验-信念可靠性。数值结果表明，与浮点 flooding 信念传播解码算法相比，固定点MCMS-CBP在各种5G NR LDPC码上的性能差距小于0.1 dB，并且具有较低的硬件实现复杂度。此外，本文还提出了一种基于固定点MCMS-CBP的5G NR LDPC解码器，该解码器支持所有5G NR LDPC码。优化解码器面积和延迟的关键技术包括：符号位存储（将内存开销降低了87.5%）；层内首个数据块调度（消除了流水线停滞）；部分对齐的元素排列（将循环移位器的成本减半，同时避免了内存预写回旋转）。在SMIC 28nm技术上的实现结果显示，所提出的解码器的单元面积为1.610平方毫米，峰值吞吐量为58.63 Gbps，最大面积效率达到2.72倍，比SOA LDPC解码器高出36.42 Gbps/平方毫米。