Le principe de calcul stochastique appliqué au décodage des turbocodes

171 Pages·2017·1.68 MB·French

by  Quang Trung Dong

Le principe de calcul stochastique appliqué au décodage
des turbocodes: conception, implémentation et
prototypage sur circuit FPGA
Quang Trung Dong
To cite this version:
Quang Trung Dong. Le principe de calcul stochastique appliqué au décodage des turbocodes: concep-
tion, implémentation et prototypage sur circuit FPGA. Traitement du signal et de l’image [eess.SP].
Télécom Bretagne, Université de Bretagne-Sud, 2011. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00690981￿
HAL Id: tel-00690981
https://theses.hal.science/tel-00690981
Submitted on 25 Apr 2012
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N°d’ordre:2011telb0208
SSoouusslleesscceeaauuddeell’’UUnniivveerrssiittééeeuurrooppééeennnneeddeeBBrreettaaggnnee
Télécom Bretagne
En habilitation conjointe avec l’Université de Bretagne-Sud
Ecole Doctorale – SICMA
Le principe du calcul stochastique appliqué au décodage des
turbocodes : conception, implémentation et prototypage sur
circuit FPGA
Thèse de Doctorat
Mention : Sciences et Technologies de
l'Information et de la Communication
Présentée par Quang Trung DONG
Département: Electronique
Laboratoire : Lab-STICC Pôle:Brest
Directeur de thèse : Christophe JEGO
Soutenue le 20 Décembre 2011
Jury:
M. Jean-PhilippeDIGUET DirecteurdeRechercheCNRS,Lab-STICC/UBSLorient (Président)
M. EmmanuelCASSEAU ProfesseurdesUniversités, ENSSSATLannion(Rapporteur)
M. DominiqueDALLET ProfesseurdesUniversités,IPBBordeaux(Rapporteur)
M. ChristopheJEGO ProfesseurdesUniversités,IPBBordeaux(Directeurdethèse)
M. MatthieuARZEL Maîtrede conférences,Telecom BretagneBrest (Encadrant)

Le principe du calcul stochastique appliqué au décodage des
turbocodes : conception, implémentation et prototypage sur
circuit FPGA
Quang Trung DONG
LaboratoireenSciencesetTechniquesdel’Information,delaCommunication
etdelaConnaissance(Lab-STICC)
TélécomBretagne
Brest,Décembre2011
⃝c QuangTrungDONG2011
AllRightsReserved:::
Remerciements
Avanttout,jetiensàexprimermaprofonde reconnaissance etmonamitiéàMr.ChristopheJégo,
professeur des universités à l’IPB Enseirb - Matmeca Bordeaux et mon directeur de thèse, qui
m’a permis de développer mon goût pour la recherche et qui m’a guidé durant ces trois années.
Parsa disponibilité de tous les instants, son investissement personnel, ses critiques constructives
ainsi que par son enthousiasme et sa persévérance, il m’apermis de faire ressortir le meilleur de
moi-mêmetoutaulongdecesannées.
Je remercie Mr. Michel Jézéquel, directeur du laboratoire d’Electronique de Telecom Bretagne
et mon ancien directeur de thèse pour m’y avoir acceuilli et pour la qualité de son encadrement.
Sadisponibilité,sesremarquesjudicieusessontautantderaisonspourlesquellessonencadrement
fûtextrêmementprofitable.
Je tiens à exprimer tout ma gratitude à Mr. Matthieu Arzel, Maître de conférences à Télécom
Bretagne.Jetiensàleremercierpourm’avoirencadré,poursonsuivi,sesconseilsutiles,sonaide
technique et sa gentillesse. Mes remerciements particulièrement pour son soutien sans faille au
cours de cestrois années de thèse et pour la qualité deson expertise qui aéclairé nombre denos
discussions.
Je tiens àremercier MrDominique Dallet, professeur des universités àl’IPB Enseirb -Matmeca
Bordeaux,etMr.EmmanuelCasseau,professeurdesuniversitésENSSATLanniond’avoiraccep-
tés d’être rapporteurs de ces travaux de thèse. Leurs commentaires et leurs questions ont permis
declarifierlemanuscrit.JeremercieégalementMr.Jean-Philippe Diguet,directeurderecherche,
université deBretagne-Sud etquim’afaitl’honneur deprésider lejurydecettethèse.
Jetiens aussiàmentionner leplaisir quej’aieuàtravailler auseindulaboratoire Lab-STICC.Je
remercietouslesmembres(passéetprésent)duDépartementEletroniquedeTelecomBretagneet
du laboratoire Lab-STICC de l’université de Bretagne-Sud, tout spécialement mon meilleur ami
Camilo Arturo Londoño Fuentes. Par ailleurs, mes remerciements vont également au personnel
administratif etlesservicesinformatiques pourlesaidesquej’aireçues.
Je remercie chaleureusement mes amies Ngoc Dieu NGO et Thi Thu Huyen NGUYEN d’avoir
partagéavecmoilesmomentsdejoie,detristesse, etdebonheurdurantcestroisannéesdethèse.
Pour leurs encouragements et leur assistance aussi bien matérielle que morale qui m’ont permis
demenercetravaildethèsedansdebonnesconditions,jeremerciechaudementtouslesmembres
de ma famille. Ils ont été présents pour écarter les doutes, soigner les blessures et partager les
joies.Cettethèseestdoncunpeulaleur.

Auteur:QuangTrungDONG
Titre:Leprincipe ducalculstochastique appliqué audécodage desturbocodes :conception, im-
plémentation etprototypage surcircuitFPGA
Directeursdethèse:Christophe JEGOetMatthieuARZEL
RÉSUMÉ:
Depuis leur publication en 1993 et leur exploitation dans le domaine des communications
numériques, les turbocodes ont été adoptés dans de nombreux standards de télécommunications
(UMTS, CDMA2000, LTE). Avec le développement des services sans-fil, le besoin de turbo-
décodeurs à débit jusqu’au Gbits/s devient incontournable. Or, les techniques conventionnelles
d’exploitation du parallélisme et de réduction des chemins critiques atteignent leur limite. Une
approchealternativeaétéexploréedanscettethèse:ledécodagedecodescorrecteursd’erreursà
partird’unereprésentation stochastique del’information.
Lecalculstochastiquefutproposédanslesannées1960commeuneméthodetraitantdesopé-
rations arithmétiques complexes pour un faible coût matériel. Pour ce faire, les probabilités sont
converties endesfluxdebitsaléatoires danslesquels l’information estreprésentée pardesstatis-
tiques de bits. Des opérations arithmétiques complexes sur les probabilités sont transformées en
desopérationssurlesbitsutilisantdesporteslogiques. Ainsi,l’application ducalculstochastique
audécodageitératifdecodescorrecteursd’erreursfavorisedesstructuresmatériellessimplespour
lesnoeudsdecalcul.
L’objectif principal de cette thèse fut d’étendre l’approche stochastique au décodage de tur-
bocodes. Dans un premier temps, nous avons proposé une première architecture pour un turbo-
décodeur stochastique.
Le principal défi fut ensuite d’augmenter le débit. Pour ce faire, nous avons considéré deux
techniques:lepassagedansledomaineexponentieletl’exploitationduparallélisme.Lapremière
technique consiste à remplacer l’addition stochastique par des opérations plus simples dans le
domaine exponentiel. Cette technique a permis d’une part de réduire la complexité calculatoire,
et d’autre part, d’améliorer le débit de décodage. La deuxième technique est de représenter une
probabilité par plusieurs flux stochastiques en parallèle. Cette méthode permet en outre de pro-
poser une nouvelle approche pour compenser le problème de corrélation. L’exploitation de ces
deux techniques a permis d’aboutir à un décodage stochastique pour les codes convolutifs et les
turbocodes ayantdesperformances similairesàcellesdedécodeurs classiques.
Enfin, les architectures proposées ont été intégrées dans un circuit configurable FPGA. Le
prototype de turbo-décodeur stochastique n’a pas pu nous fournir un débit de l’ordre du Gbits/s
commesouhaité.Cependant,ilapermisdedémontrerlafaisabilitématérielled’unturbo-décodeur
stochastique en assurant de bonnes performances de décodage. Enoutre, ce démonstrateur afait
apparaître denombreuses perspectives pourcettesolution d’intégration alternative.
Motsclés:turbocodes, algorithme MAP,décodage stochastique, prototypage FPGA.

Author:QuangTrungDONG
Title : Principles of stochastic computation applied to turbo decoding : design, implementation
andprototyping onFPGAcircuits
Supervisors:ChristopheJEGOandMatthieuARZEL
ABSTRACT:
The publication of turbo codes in 1993 proved that there were error-correcting codes with
performance close to the theoretical limitand which can be used in industrial products. Quickly,
turbo codes have been adopted inseveral standards suchasDVB-RCS,UMTS,CDMA2000and
3GPP-LTE. The increasing demand for high throughput applications in broadband applications
until 1 Gb/s and beyond is strongly calling for high-speed turbo decoder implementations, thus
leading to new challenges. An alternative approach was explored in this thesis : the decoding of
error-correcting codesbasedonastochastic representation ofinformation.
Principles of stochastic computation were first presented in the 1960’s as a method to carry
out complex operations withalow hardware complexity. Themainfeature ofthis method isthat
the probabilities are converted into streams of random bits using Bernoulli sequences, in which
theinformation isgivenbythestatisticsofthebits.Asaresult,complexarithmeticoperations on
probabilities are transformed into operations on bits using elementary logic gates. The applica-
tion of stochastic calculation in iterative decoding of error-correcting codes leads to very simple
physicalstructures ofcomputation nodes.
The objective of this thesis is to apply the stochastic decoding approach to the turbo codes.
Our firstcontribution shows that astochastic turbo decoder architecture can be obtained with no
significant loss of performance. However, a major challenge in the implementation of stochastic
turbodecoders istoimprovethedecoding throughput.
In order to solve this challenge, we have proposed two efficient solutions : the transforma-
tion of stochastic additions into the exponential domain and the exploration of new parallelism
schemes. The first technique consists in replacing the stochastic additions by simple operations
afterexponential transformations. Thistechniqueallowstoreducethecomputational complexity,
and to improve the decoding throughput. The second technique is to represent a probability by
severalparallelstochasticstreams.Thismethodalsoallowsustocompensatethecorrelation pro-
blem.Thesetwotechniqueshaveresultedinstochasticconvolutionaldecodersandturbodecoders
withperformances similartotheonesofconventional decoders.
Finally, theproposed architectures forstochastic convolutional decoders andstochastic turbo
decoders were implemented on programmable devices (FPGAs). The stochastic turbo decoder
prototype demonstrates the feasibility of a stochastic turbo decoder in terms of performance and
complexity. Inaddition, itenablesmanyprospects forthisalternative integration solution.
Keywords:turbocodes, MAPalgorithm, stochastic decoding, FPGAprototyping.