Методи декодування та оптимізації завадостійких кодових конструкцій для телекомунікаційних систем

Abstract

UA: Штомпель М.А. Методи декодування та оптимізації завадостійких кодових конструкцій для телекомунікаційних систем. – На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі. – Український державний університет залізничного транспорту Міністерства освіти і науки України, Харків, 2018. Дисертаційне дослідження присвячене підвищенню достовірності передачі інформації та збільшенню енергетичної ефективності від кодування у телекомунікаційних системах та мережах шляхом розробки удосконалених методів декодування завадостійких кодових конструкцій з прийнятною обчислювальною складністю, а також оптимізації параметрів окремих класів завадостійких кодових конструкцій для різних моделей каналів зв’язку. У роботі проведено аналіз стану проблеми підвищення достовірності передачі інформації у телекомунікаційних системах та мережах. Удосконалено методи декодування двійкових лінійних блокових кодів для моделі каналу зв’язку з адитивним білим гауссовим шумом. Забезпечено подальший розвиток методу оптимізації відносно коротких нерегулярних кодів з малою щільністю перевірок на парність. Удосконалено метод ітеративного декодування кодів з малою щільністю перевірок на парність. Розроблено комбінований метод декодування кодів з малою щільністю перевірок на парність. Забезпечено подальший розвиток методу оптимізації коефіцієнтів нормалізації при декодуванні мінімальної суми кодів з малою щільністю перевірок на парність. Запропоновано метод декодування алгебраїчних згорткових кодів для каналів зв’язку з випадковими помилками. Розроблено адаптивний метод декодування алгебраїчних згорткових кодів перемежування для каналів зв’язку з пам’яттю. Забезпечено подальший розвиток методу оптимізації кодів Лабі для телекомунікаційних мереж з комутацією пакетів. Розроблено алгоритми та псевдокоди для програмної реалізації даних методів декодування та оптимізації завадостійких кодів різних класів. Досліджено ефективність запропонованих методів декодування та оптимізації завадостійких кодових конструкцій для певних моделей каналу зв’язку та умов передачі інформації шляхом порівняння з існуючими методами. EN: Shtompel M.A. Methods of decoding and optimization of error-correcting code constructions for telecommunication systems. – On the rights of the manuscript. A thesis submitted in fulfilment of the doctor of technical sciences degree on specialty 05.12.02 – telecommunication systems and networks. – Ukrainian State University of Railway Transport of Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2018. The dissertation research is dedicated to increasing the reliability of information transmission and rising the energetic efficiency from encoding in telecommunication systems and networks by developing advanced methods of decoding error-correcting code structures with acceptable computational complexity and optimization the parameters of certain classes of error-correcting code constructions for various communication channel models. The thesis analyzes the state of the problem of increasing the reliability of information transmission in telecommunication systems and networks. The trends in the development of methods for error-correcting encoding of information are analyzed. The classification of error-correcting code structures and approaches to their decoding are presented. The ways of development of methods of soft decoding and optimization of error-correcting code structures are determined. The formal representation of basic errorcorrecting codes and basic mathematical models of communication channels is given and their characteristics are investigated. The generalized representation of the problem of decoding (optimization) of error-correcting code structures in the form of an optimization problem is proposed. The expediency of applying the bio-inspired approach to the solution of this problem is justified. The classification of bio-inspired methods (procedures) of optimization is showed, the generalized scheme of these procedures is presented and the features of realization of each stage are analyzed. The principles of construction and characteristics of linear block codes are presented, as well as an analysis of their decoding methods. The problems of soft decoding of linear block codes with different coding rates in the form of corresponding optimization problems are formulated. The methods for decoding binary linear block codes for the communication channel model with additive white Gaussian noise are improved. The proposed methods for decoding these codes are based on the bio-inspired approach and finding the most reliable (least) basis of the generator (parity-check) matrix of code. The principles of construction and features of low density parity-check codes are considered. The optimization problem of searching for "good" irregular low density paritycheck codes with given parameters for a certain communication channel model is formulated. The further development of the optimization method for relatively short irregular low density parity-check codes has been ensured. The approaches aimed at reducing the computational complexity of the methods for encoding and decoding low density parity-check codes are presented. The method of iterative decoding of low density parity-check codes has been improved, which takes into account the features of the corresponding optimization problem. To improve the decoding efficiency of relatively long low density parity-check codes, the combined decoding method was developed based on belief propagation procedures and generalized bio-inspired procedures using the reliability information of the received symbols. The further development of the method of optimization the normalization coefficients for minimum sum decoding by joint using the bio-inspired procedures of reduced complexity and the density evolution procedure for calculating the noise threshold for a given communication channel model is provided. The principles of construction of algebraic convolutional code constructions for various communication channels are given. The features of implementation and limitations of existing methods of hard decoding of these code structures are analyzed. The method for decoding algebraic convolutional codes for communication channels with random errors is proposed which based on finding the most reliable basis of the generator matrix, applying generalized bio-inspired procedures and using the random bias mechanism. The adaptive method of decoding algebraic interleaving convolutional codes for communication channels with memory is developed which based on the iterative procedure of adaptive belief propagation with a generalized bio-inspired search taking into account the reliability information of the received symbols. The area of application of rateless codes in packet-switched telecommunication networks is presented. The features of the encoding and decoding methods for Luby codes are analyzed. The features and constraints of the existing distributions of the degrees of code vertices of Tanner graphs corresponding to these codes are investigated. The optimization problems of searching for a "good" code vertices degree distribution of the Luby codes for a certain number of information symbols according to given criteria are formulated. The further development of the method of optimization of relatively long Luby codes for packet-switched telecommunication networks through the using of a generalized bio-inspired search and preliminary selection of a limited number of non-zero elements for the required distribution of the code vertices degrees of the Tanner graph. The algorithms and pseudocodes for software implementation of the proposed methods of decoding and optimization error-correcting codes of different classes are developed. The efficiency of the developed methods of decoding and optimization errorcorrecting code structures for certain communication channel models and information transmission conditions by comparing them with existing methods is investigated.