Intelligent information system for failure-resistant decoding of block turbo codes in distributed computer systems
DOI:
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2026-51-1-18-23Keywords:
block turbo code, iterative decoding, heuristic modification, distributed computing, intelligent information system, load balancingAbstract
The paper addresses the problem of reducing the computational complexity of iterative decoding of block turbo codes in distributed heterogeneous computing systems. A four-layer intelligent information system (IIS) architecture is proposed, combining a heuristic modification of the Chase–Pyndiah algorithm based on probabilistic Bernoulli sampling, an SNR-oriented weighted-least-loaded (WLL) scheduler, and a task-level fault-tolerance mechanism without data loss. The first system layer estimates the signal-to-noise ratio and forms a priority queue of SNR-annotated frames. The second layer implements the WLL scheduler, routing computationally expensive frames to more powerful nodes according to their weighted current load. The third layer contains a pool of stateless decoders, and the fourth layer reorders results by frame sequence numbers. The heuristic modification replaces deterministic enumeration of test vectors with a tau-sample drawn from the a posteriori channel distribution, which adaptively reduces the number of calls to the hard-decision decoder depending on the current noise level. Simulation on codes with rates R = 0.697 and R = 0.254 at Eb/N0 ranging from 4.0 to 5.0 dB demonstrated simultaneous reduction of the frame error rate by 15–83 % and of the average Berlekamp–Massey decoder call count by 15–26 % compared to the baseline. System throughput grows almost linearly with the number of nodes: the utilisation of a heterogeneous eight-node cluster exceeds 89 %. When one node fails, all tasks are recovered without data loss with an overhead not exceeding 1.3 of the average single-frame decoding time. The proposed architecture targets satellite ground stations, sensor network gateways, and cloud data centre’s. Future research directions include online parameter adaptation via reinforcement learning and integration with graph neural decoders to further reduce the frame error rate.
References
Mukhtar H., Al-Dweik A., Shami A. Turbo Product Codes: Applications, Challenges, and Future Directions. IEEE Commun. Surveys Tuts. 2016. Vol. 18, No. 4. pp. 3052–3068. DOI: 10.1109/COMST.2016.2587863.
Berrou C., Glavieux A., Thitimajshima P. Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes. Proc. IEEE ICC. Geneva, 1993. pp. 1064–1070. DOI: 10.1109/ICC.1993.397441.
Shannon C. E. A Mathematical Theory of Communication. Bell Syst. Tech. J. 1948. Vol. 27. pp. 379–423.
Chase D. Class of Algorithms for Decoding Block Codes with Channel Measurement Information. IEEE Trans. Inf. Theory. 1972. Vol. 18, No. 1. pp. 170–182. DOI: 10.1109/TIT.1972.1054746.
Pyndiah R. M. Near-Optimum Decoding of Product Codes: Block Turbo Codes. IEEE Trans. Commun. 1998. Vol. 46, No. 8. pp. 1003–1010. DOI: 10.1109/26.705396.
Lin S., Costello D. J. Error Control Coding. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2004. 1272 p.
Al-Dweik A., Le Goff S., Sharif B. A Hybrid Decoder for Block Turbo Codes. IEEE Trans. Commun. 2009. Vol. 57, No. 5. pp. 1229–1232. DOI: 10.1109/TCOMM.2009.05.070107.
Yoon S., Ahn B., Heo J. An Advanced Low-Complexity Decoding Algorithm for Turbo Product Codes Based on the Syndrome. EURASIP J. Wireless Commun. Netw. 2020. No. 131. DOI: 10.1186/s13638-020-01740-2.
Ivanov Yu. Yu., Bondarenko B. O., Zvuzdetsky E. O., Zditovetsky Yu. S. Estimating the complexity of decoding convolutional turbo codes and block codes of turbo products. Bulletin of the Institute of Informatics. 2024. No. 1. P. 51–55. DOI: 10.31649/1997-9266-2024-172-1-51-55.
Bisikalo, O.; Kharchenko, V.; Kovtun, V.; Krak, I.; Parameterization of the Stochastic Model for Evaluating Variable Small Data in the Shannon Entropy Basis. Entropy 2023, 25, 184.
Ivanov Yu. Yu., Maloshtan T. V., Zvuzdetsky E. O. Modified algorithm for decoding block codes of turbo products. Bulletin of the Institute of Informatics. 2025. No. 4. P. 90–94. DOI: 10.31649/1997-9266-2025-181-4-90-94.
Intellectual technologies in medical diagnostics, treatment and rehabilitation: monograph / [S.V. Pavlov, O.G. Avrunin, S.M. Zlepko, E.V. Bodianskyi and others]; edited by S. Pavlov, O. Avrunin. – Vinnytsia: PP “TD “Edelweiss and K”, 2019. – 260 p.
Downloads
-
pdf (Українська)
Downloads: 3
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).