تقييم كفاءة الطاقة في أجهزة التحلل المتحركة

التعريف بمدونة سياسات التنمية المحلية وكفاءة الطاقة في الأجهزة المتنقلة

وقد أصبحت رموز التعادل في الدين المنخفض حجر الزاوية في معايير الاتصالات اللاسلكية الحديثة، بما في ذلك محطة الإذاعة الجديدة 5G، وشبكة وي - في 6/6E، وDVB-S2X، نظراً إلى الأداء التصحيحي للأخطاء شبه المحدودة، وفي الأجهزة النقالة، حيث تعد معدلات تقلص الطاقة وتفككها الحراري قيوداً حرجة، يمكن أن تمثل الطاقة التي تستهلكها أجهزة تجهيز البيانات ذات الشكل الأمثل لشبكة LDPC.

ويكمن التحدي الأساسي في المبادلات بين الدقة والجهد الحسابي، إذ أن وجود خوارزميات أكثر قوة مثل نظام " سوم - الإنتاج " (Sum-Product Algorithm) يؤدي إلى أداء ممتاز في مجال إنتاج الطاقة، ولكنه يتطلب عمليات مكثفة في نقاط العائمة، بينما يؤدي وجود متغيرات بسيطة مثل نظام التحكم في استخدام الطاقة المتحركة إلى انخفاض درجة تعقيدات في استخدام المواد المعمارية.

معلومات أساسية: مدونات برنامج العمل المحلي ودورها في الاتصالات المتنقلة

وقد قام روبرت غاليغر في أول الأمر بإدخال رموز لتجمعات الدكتوراة في عام ١٩٦٠، ولكن تم نسيانها إلى حد كبير حتى تجدد اكتشافها في منتصف التسعينات، وهي اليوم غير متماثلة في النظم اللاسلكية ذات النطاق العالي، وفي ٥ زاي، تستخدم رموز مركز الدراسات المحلية في قناة البيانات )شعبة تنسيق البيانات والسجلات العامة( لأنها تستطيع معالجة الوصلات الشفرة الكبيرة والأسعار العالية للموثوقية التي تتطلبها أجهزة الاتصال المحمولة(.

وتؤدّي الأجهزة المتنقلة هذه التكرارات على دوائر متكاملة ذات نطاق محدود من حيث الطاقة أو أجهزة تجهيز الإشارات الرقمية، وقد يؤثر كل ذلك تأثيراً مباشراً على استهلاك الطاقة، وبالتالي فإن جهازاً نموذجياً من أجهزة تصميم أجهزة التبريد العاملة في مجال الطاقة يمكن أن يستهلك خيام لمئات الألف من السائل المصممة أثناء استقبال البيانات النشطة، وتقنيات التداول الثقيلة.

LDPC Decoding Algorithms in Detail

Sum —Product Algorithm (SPA)

أما نظام " سوم - مين " فهو رمز انتشار العقيدة الكانتونية الكاملة، وهو يحسب نسب التشبه بالسجلات، سواء باستخدام وظائف ومضاعفات عوامل التحلل الفائقة الارتفاع، أو إجراء تحليل دقيق لمتغيرات عوامل الشفرة، وفي حين أن وكالة الفضاء الخاصة تحقق أفضل أداء ممكن لمرافقة المركبات في هيكل معين من المواد الكيميائية، فإن تحديث كل نطاق من نقاط التفتيش الحسابية يتطلب تقييماً عالياً:

Min —Sum Algorithm (MSA)

ويبسط نظام الحد الأدنى من الدخل، ويستبدل بذلك الرقم القياسي للخسائر في القيمة المضافة، ويقلل من الحد الأدنى من حجم المتغيرات القادمة التي تتجاوز حجمها، وينتج عن ذلك علامات على الرسائل الواردة.

(شافلد)

وبدلاً من تحديث جميع المتغيرات في وقت واحد (الجداول المهجورة)، تفحص عمليات الجدولة المطبقة التسلسلي للعقيدات باستخدام أحدث الرسائل فوراً، مما يعجل بالتقارب، ويتيح للقاضي الوصول إلى نفس وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، ولأن مستويات استهلاك الطاقة تكاد تكون متمشية مع عد التكرار أو جداول مطبقة أو مصففة توفر مكاسب مباشرة في الكفاءة.

النهج المختلفة والنُهج الهجينة الأخرى

كما استطلع الباحثون التشفير المتين حيث تمثل الرسائل كمجاري عشوائية، وزينة مائلة مائلة تعمل مباشرة على فولت مستمر، وفي حين أن هذه النُهج لا تصل بعد إلى مرحلة نضج الإنتاج المطلوبة للأجهزة المحمولة، فإن الهجين الأكثر عملية هو الخاسر التكييفي:

Factors that Influence Energy Consumption in Mobile LDPC Decoders

ويتأثر استهلاك الطاقة في أحد رموز المنتجات غير الزراعية بتركيب من الخوارزمية، والهيكلية، والدائرة، وفهم هذه العوامل يساعد المصممين على التنبؤ بأمثل تأثيرات هذه العوامل.

]]Iteration count and Early Termination:] The number of decoding iterations directly multiplies the energy per code block. Early termination techniques-stopping when a valid codeword (satisfying all parity checks) is detected -can reduce the average iteration count by up to 40% at moderate signaltoise ratios (SNRs).
(ب) يجب أن تختار عمليات التنفيذ الثابتة النقاط عدد القطع المستخدمة لتمثيل كل رسالة من رسائل LLR، بينما تقلّص أجزاء قليلة حجم الذاكرة والطاقة القراء/الكتابة ولكن يمكن أن تحط من مستوى BER.
Check Node Processing Complexity:] As described above, the min —approximation in MSA consumes less logical than the tanh —based operations of SPA. In a 28 nm CMOS implementation, one study found that the check node unit for SPA occupies approximately 3.5 the area and 4 the dynamic power.
(أ) إن أجهزة التشفير التابعة لمراكز إدارة الأراضي المحلية هي متوازية جداً؛ والشبكة المتقاطعة التي توجه رسائل بين المعالم المختلفة والمراكز المرجعية يمكن أن تسهم بنسبة تصل إلى 30 في المائة من مجموع الطاقة القائمة على التحلل، وتُعدُّ أعلىيات الاتصالات الفعالة، مثل تركيبات التصميم النقالة التي تُعدّ بشكل كامل أو جزئي.
]Clock Gating and Power Domains: Because data blasts in mobile networks are intermittent, the decoder is often idle. Advanced hours gating, power gating, and dynamic voltage —frequency scaling (DVFS) can reduce static (leakage) power during idle-prodes.

التحليل المقارن: الطاقة وتجارة الأداء

(ب) إن الدراسة الأكاديمية والصناعية العديدة يمكن أن تحدد كمياً للمقايضة، أما بالنسبة للمعدل 1/2، فإن طوله 1024 نظاماً عادياً (3.6) لرمز LDPC، فإن اتفاق السلام الشامل يتطلب نحو 15-18 مضاعفات كاملة لتحقيق الحد الأدنى من الطاقة وهو 10^-5] في مقياس Eb/N0 من بروميد الميثيل.

وفي شريحة اختبار متنقلة في العالم الحقيقي نشرت في مؤتمر الدائرة الدولية للدول الصلبة لعام 2020، حيث حقق جهاز تشفير تابع للشركة، يبلغ 12 مليون متراً، يدعم 5 جي، ر، 8.1 بيزو/بتر، بواقع 2.4 غيبس باستخدام خماسي من مادة مسطحة ذات طبقة عالية، مع تخفيض كمية المادة 6، وفي ظروف مماثلة، أبلغ عن وجود مقياس مقارن قائم على أساس نوعي (SPAJ) 14 في المائة.

External references:]
] IEE ISSCC 2020: A 12nm 2.4Gbps 8.1pJ/bit LDPC — for 5G NR[FisonLT:5] [ConFgom:6]

الاستراتيجيات الرامية إلى تحقيق أقصى قدر من الكفاءة في استخدام الطاقة في أجهزة التدفئة المتنقلة

التعظيمات على المستوى الأمثل

Selective use of scaling/offset:] Implementing a normalized or compensate minsum correction adds negligible computational overhead while recovering 0.2-0.3 dB of SNR. This often allows the decoder to operate with one fewer iteration, directlyving energy.
Early termination and adaptive iteration:] Use a stop rule based on the check — checknode parity sum. Once all rows are satisfied, the decoding halts immediately. For typical cellular channel channels conditions, this reduces the average iteration count by 25 - 40%.
Low —complexity check node structures:] Exploiting the fact that the min-sum update only needs the two smallest input magnitudes (and their indices) enables a very compact comparator tree, minimising shifting activity.

تقنيات الهندسة المعمارية

(أ) استخدام نظام وحيد للنقل دون الإقليمي بدلاً من ازدواجية المواصلات وتقاسم الذاكرة بين المعالم المتغيرة وقطع الطرق، والحد من المساحة والتسرب، والجدول الزمني المطبق يتطلب بالضرورة أقل من الذاكرة لأن الرسائل الوسيطة يمكن تخزينها في ملفات السجلات.
Processing element (PE) sharing:] A single PE can be time —multiplexed across multiple check nodes in a partially — partly —parallel structure. This reduces the silicon area and thus the static power, albeit at the expense of throughput. For mobile devices wheretom throughput is needed only for short blasts, such sharing is energyposit
]]Voltage scaling and adaptive clocking: When channel conditions are good (high SNR), the decoder can tolerate fewer iterations and looser precision. Dynamically lowering the voltage or frequency to match the SNR dependent workload can reduce energy beyond what a fixed —operating base is sometimes called “nearthre

التكامل على مستوى المنظومة

() Co-design with channel estimation:] Feeding a reliable metric (such as the modulation error ratio) forward to the decoder allows the decoder to pre-select an appropriate precision or algorithm variant. When the channel is clean, a fast minom with 4bitconty fall is sufficient;
Standard -specific optimizations:] 5G NR uses rate —matching that can be exploited. The decoder can fail processing of punctured or shortened bits, which are always zero-LR, reducing the effective code block size and thereby the number of operations.

دراسة حالة: كفاءة الطاقة في أسلوب حديث 5G

)أ( أن ينظر في نموذج رئيسي من طراز SG ذكي يعمل على ناقل متوسط النطاق )١٠٠ ميغاهيرتز، و ٤٦ كيلو مترا مربعا، ومعدل المقياس المرجعي ٠,٨( ويبلغ معدل الذروة في البيانات نحو ٢ كيلو مترا مربعا، ونسبة الارتفاع في الجسم من الطاقة غير المجهزة بالأشعة السينية نحو ٢٥ مترا مربعا، ونسبة التراكم في الجسم الواحد منها نحو ٨ر الواحد،

External reference:]
]A 5G NR LDPC Decoder with Adaptive Early Termination and Voltage Scaling in 7nm

الاتجاهات المستقبلية والمشاكل المفتوحة

ونظراً لأن 3GPP تعمل نحو 5G Advanced and 6G، فإن التحديات الجديدة ستنشأ، فالاتصالات المنخفضة القدرة التي يمكن الاعتماد عليها والتي تتطلب من جانبهم رفع مستويات الكفاءات التي تعمل بمعدلات منخفضة جداً من الأخطاء في الكتل، مع وجود ميزانيات دقيقة، مما قد يدفع المصممين إلى زيادة تعقيدات البرمجيات، وذلك لتحقيق أهداف الموثوقية، وفي الوقت نفسه، فإن إدماج محركات الدفع المتطورة -

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في استخدام قياس كمي دينامي حيث تتكيف المواظبة على الرسائل أثناء التزيين المكثف، وتظهر النتائج المبكرة أن الحد من الدقة في عمليات التكرار اللاحقة (عندما تكون عمليات الفرز ذات الحجم الكبير) يوفر 10-15 في المائة من طاقة الذاكرة دون فقدان الأداء.

وفي نهاية المطاف، سيكون أكثر أجهزة التزيين التي تعمل في مجال تطوير القدرة على الانتقال من الأجهزة المحمولة كفاءة في استخدام الطاقة، هو جهاز يُستخدم في جميع أنحاء الخوارزميات، والهيكل، والغم المركب من التكنولوجيا، مع التكتل الضار، والارتقاء الدقيق، وإدارة الطاقة العدوانية، وتسير الصناعة بشكل مطرد في هذا الاتجاه، ويمكننا أن نتوقع أن تُزيل البطاريات في المستقبل دون 5 ج/غ

خاتمة

أما كفاءة الطاقة في تشفير هذه المادة فهي مشكلة متعددة الأبعاد تتمثل في أن اختيار المنتجات غير المحتوية على أساس التناظر في استخدام الأسلاك، وأن تكون هذه البيانات ذات كفاءة في تصميم أجهزة التوليد، وأن تكون مواصفات الترميز ذات القدرة على استخدام الطاقة، وأن تكون هذه المعايير متوافقة مع معايير التصاميم الأساسية، وأن تكون أفضل المكاسب هي الجمع بين التبسيطات بين القيم القصوى للغاز وبين تقنيات البرمجيات مثل التوسع في الجدولة الفورية، والإنفادي، والتكييف المبكر، والتكييف.

External references:]
3GPP 5G System Overview]
] A Survey on LDPC Decoder Architectures for 5G and beyond