LDPC Decoding performance improvement through fine-tuning of implementation parameters

5G networks are enabling exciting new applications such as cloud-enabled 5G gaming, immersive event, venue and broadcasting experiences, smart industrial operations enabled by digital twins, and real-time analytics and AR/VR-based learning, work instruction and knowledge sharing. With the deployment of 5G in full swing and the expectation that 6G will be deployed around 2030, mobile transport networks need to evolve to support latency requirements, throughput and reliability to deliver on these enhanced mobile broadband, ultra low-latency cases. To cope with this demands, the use of Forward Error Correction (FEC) and the careful design of a powerful Error Correcting Codes (ECC) becomes fundamental in order to achieve extremely low Bit-Error Rate (BER) performance.\\ Low-density parity check (LDPC) codes represent a promising candidate and an essential component for efficient and reliable multi-gigabit-per-second transmission. After providing an explanation of microwave technology for backhaul and outlining the targets, limits, and constraints of operating in microwave frequencies, a comprehensive study on LDPC will be conducted focusing on crucial implementation parameters and explaining how fine-tuning these parameters can significantly improve system performance. A detailed explanation of the Min-Sum Algorithm (MSA) and its variations will be provided, along with a thorough analysis of the factors that must be considered when designing an LDPC encoding/decoding system. This work, developed during an internship period in the applied R&D at NOKIA, aims to highlight, describe and provide guidelines to face issues that arise from the real implementation of LDPC Error Correction Code on products that will be commercialized.

Le reti 5G stanno consentendo nuove ed entusiasmanti applicazioni come i giochi 5G abilitati al cloud, le esperienze immersive di eventi, luoghi e trasmissioni, le operazioni industriali intelligenti abilitate dai gemelli digitali, l'analisi in tempo reale e l'apprendimento basato su AR/VR, le istruzioni di lavoro e la condivisione delle conoscenze. Con la diffusione del 5G in pieno svolgimento e la previsione di una diffusione del sistema 6G intorno al 2030, le reti di trasporto mobile devono evolvere per supportare le richieste relative a latenza, throughput e affidabilità per soddisfare questi casi di banda larga mobile potenziata e a bassissima latenza. Per far fronte a queste esigenze, l'uso della correzione degli errori (Forward Error Correction) e l'attenta progettazione di potenti codici di correzione degli errori (Error Correcting Codes) diventano fondamentali per ottenere prestazioni con un tasso di errore (Bit-Error Rate) estremamente basso. I codici di controllo di parità a bassa densità (LDPC) rappresentano un candidato promettente e un componente essenziale per una trasmissione efficiente e affidabile a più gigabit al secondo. Dopo aver fornito una spiegazione della tecnologia che utilizza microonde per il backhaul e aver delineato gli obiettivi, i limiti e i vincoli del funzionamento in tali frequenze, verrà condotto uno studio completo sui codici LDPC , concentrandosi sui parametri di implementazione cruciali e spiegando come la messa a punto di questi parametri possa migliorare significativamente le prestazioni del sistema. Verrà inoltre fornita una spiegazione dettagliata dell'algoritmo Min-Sum (MSA) e delle sue varianti, oltre a un'analisi approfondita dei fattori che devono essere considerati quando si progetta un sistema di codifica/decodifica LDPC. Questo lavoro è stato sviluppato con la collaborazione e il supporto di NOKIA e dimostra gli effetti della quantizzazione e della saturazione sui decodificatori LDPC attraverso l'uso di grafici e diagrammi significativi, nonché l'impatto delle forme della matrice sull'algoritmo di decodifica.