חוסר יכולת תקשורת אמין בחלל עמוק

חלל הפועל מעבר למסלול כדור הארץ מתמודד עם סביבת תקשורת עוינת ייחודית.כוח אותות מחלחל על פי חוק המשווה-היקום, כלומר משדר על מאדים, למשל, מספק אות מיליארדי פעמים חלש יותר מאשר מגדל תא ארצי.זה הפסד נתיב קיצוני, המורכב מרעש קוסמי, התערבות סולארית, משמרות דופלר, דוחף נתונים למשטח של מידע מעודן או מנטרל, מדי שנה, אפילו לא ניתן לשלוט על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, מדי שנה מושחת, או מעט, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, או מעט, או מעט, על פני כדור הארץ, או על פני כדור הארץ, מדידות מתכתי-ידי חומר דרמטי, על ידי ערפל, על ידי ערפל, מדי פעם, מדידת מידע על פני כדור-ידי חומר דרמטי, או מעט, או מעט, על פני כדור-ידי חומר דרמטי, או מעט, על-ידי חומר נפץ, על-ידי חומר נפץ, על-ידי חומר-ידי חומר-ידי חומר-ידי חומר-ידי חומר-ידי חומר-ידי

מהנדסים כבר מזמן מסתמכים על תיקון שגיאות קדימה (FEC) לגשר על הפער בין אותות חלשים לבין שחזור נתונים אמין. בין הכלים החזקים ביותר בארסנל זה הם קודים של נאמנות נמוכה-הצ'ק (LDPC) בפרט, קודים LDPC לא סדירים הופיעו כבחירה מעולה עבור קישורים חלל עמוקים כי הם יכולים להיות מותאמים בקפידה לטבע הסטטיסטי של ערוץ זה בוחן מדוע קודים לא סדירים של המערכת, אפילו, תואמים את התקני חלל, אפילו את משימותיהם, אשר מקבילים, אשר תואמים את משימותיהם, אשר יהיו קבועים, אשר תואמים את הביצועים שלהם, אשר נועדו באופן קבוע, אשר נועדו למשימות מחקר, אשר יהיו מקבילות יותר, אשר יהיו תואמים את הביצועים שלהם, באופן קבוע, אשר תואמים את הביצועים שלהם, אשר יהיו תואמים, אשר יהיו מקבילים, על ידי מערכת החלל, באופן קבוע, אשר יהיו מקבילות, על ידי מערכת החלל, אשר יהיו מקבילות, באופן קבוע, אשר יהיו מקבילות, על ידי מערכת יחסים בין משימותיהם, באופן קבוע, על ידי מערכת ההפעלה, באופן קבוע, על ידי משימותיהם, כי הם, על ידי משימותיהם, אשר ניתן להתאים בקפידה, על ידי משימותיהם, כי הם, כי הם יכולים להיות

יסודות קודי נאמנות נמוכה-צ'ק

מה הופך קוד LDPC ל"נאמנות"?

(הקודים של LDPC שייכים למשפחה של קודים ליניאריים בלוקים; התכונה המגדירה שלהם היא מטריקס קופה-בדוק:0HoriFLT:1 שהוא מאוד ספורד - בדרך כלל פחות מ-1% מהערכים שלה הם 1s.ספא זה הוא המפתח לקידוד יעיל של מידע מגובש.

הכוח של קודים LDPC הוכר על ידי רוברט גלגר בתזה שלו משנת 1960, אך הדרישות החישוביות של התקופה מנעו שימוש מעשי.הם נשכחו במידה רבה עד שנות ה-90 כאשר MacKay, ניל ואחרים גילו אותם וחשפו את ביצועי הכמעט-capacity שלהם כיום, קודים LDPC הם עמוד השדרה של התקנים רבים, כולל DVB-SLT2, 5G, NR, ו-FCC עבור חלל עמוק (Fulti) עבור מערכות נתונים עומק (DSmetry)

למה דברים לא שגרתיים

בקוד LDPC קבוע, לכל צומת משתנה (ייצוג קצת קודמה) וכל בדיקת צומת (ייצוג משוואה של משוואה בדיקת שוויון) יש אותה תואר (מספר חיבורים) לדוגמה, קוד (3,6)-regular Code פירושו שכל צומת משתנה מחובר לשלושת צ'ק נודות, וכל בדיקה אינה קשורה לשישה סטיות שונות.

קודים LDPC regular מאפשרים רמות משתנה להשתנות על פני הקוד. A כמה נקודות משתנה מדרגה גבוהה (קשורות לאדונים רבים) לקבל מידע בשפע במהלך הקידוד, בעוד שנקודות מדרגה נמוכה לתרום פחות.התוארות נבחרו על פי התפלגות תוספת אופטימיזציה בקפידה (Double-Perfects) זה לא אחידות מאפשר את הקוד להתאים להתפלגות הרעש הספציפית הערוץ.

Irregular לעומת קודים רגילים של LDPC: השוואה עמוקה יותר

התנהגות שגיאה-Floor

(ב) אחד מגלי המפתח הוא רצפת השגיאה - האזור ביחסי אות גבוהה לרעש (השורה התחתונה) מפסיק לרדת חדה.קודים רגילים של LDPC נוטים להציג קומה שגיאה גבוהה יותר, כי המבנה המדים שלהם יוצר סטים (מבנה קטן של 8) מצמצם את קוד ה-DLTF15: LT510 שעות ביממה, ללא יכולת למזער את השבר של קוד ה-DF104.

ירידה במורכבות ובקונצנזוס

ייתכן להניח כי קודים לא סדירים יגדילו מורכבות מרתיעה, אבל ההפך יכול להיות נכון.עם עיצוב הפצה זהירה, את הקידודים המרתיעים הממוצע צריך להתכנסות אל מילת קוד נכון יכול להיות נמוך יותר עבור קודים לא סדירים.עם מידע מדרגה גבוהה מדרגה גבוהה, צמצום מספר מחזורי העברת הודעות באופן קבוע.

תאימות

משימות חלל עמוקות דורשות לעתים קרובות שערי קוד גמישים להסתגל לשינויים בתנאי קישור.קודי Irregular LDPC מלווים את עצמם היטב לעיצובים לא תואמים. על ידי טיהור (העברה של) כמה מפיסות השוויון על פי דפוס המכבד את חלוקת התואר, שיעור הקוד היעיל לא תואמים יכול להיות גדל ללא תיקון הקוד כולו.

יתרונות קודי Irregular LDPC במשימת חלל עמוקה

הרשימה הבאה מסכמת את היתרונות העיקריים שהופכים את קודים LDPC לא סדירים לבחירה המועדפת למשימות חלל עמוקות.כל יתרון מתרחב מתחת.

  • (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ניתן לייעל את התפוצה:0) לערוץ: התפלגות תואר 1 (AWGN) עם או ללא התערבות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ביצוע שגיאה-פליטור: ⁇ 1 חיוני עבור פורומים נמוכים מאוד במשימות ארוכות טווח.
  • (FLT:0) תוכניות Redundancy:FIRLT:1 , Enables היברידית בקשה חוזרת אוטומטית חוזרת (H-ARQ) תוכניות ללא רנסנסציה מלאה.

תיקון שגיאות משופר ב- Low-to-Noise Ratios

התוספת העיקרית של קודים LDPC לא סדירה היא היכולת שלהם לפעול בתוך 0.2 עד0.5 dB של גבול שאנון עבור אורך בלוק מתון (למשל, 1024–4096 ביטים) בתקשורת חלל עמוקה, כל dB של רווח מתרגם ישירות לנתוני גבוה יותר באמצעות ערכת מידע עבור כוח שידור או צמצום צריכת חשמל עבור שיעור נתונים נתון.

צריכת חשמל נמוכה ועומס

Spacecraft FPGAs ו ASICs יש תקציבים נוקשים - לעתים קרובות נמדד בעשרות וואט סך הכל. Irregular LDPCcoders יכול להיות מיושם עם פחות שערי לוגיקה מאשר turbo decoders של ביצועים שווים. ארכיטקטורת קוד טיפוסי משתמשת בשכבת או מקבילה כדי לבדוק נקודות. כי קודים לא סדירות להתרכז מאמץ על גבהים גבוהים, את הקודים יכול להיות מקודמת פחות מקודמתים מוקדם יותר עם בדיקות אנרגיה.

שיפור אמינות המידע עבור Telemetry קריטי

בחלל עמוק, נתונים אבודים לעתים רחוקות ניתנים לשחזור.קודים LDPC Irregular מספקים הפחתה דרמטית בהסתברות שגיאה בלתי מצופה בהשוואה לקודים ישנים יותר כמו BCH או RS. יתר על כן, המבנה הסחוס מאפשר לקודד לייצר פלטי החלטות מדויקים (יחסי דמיון לחיסון) שיכולים להאכיל לקוד חיצוני או לשמש לאמינות estimation כאשר פקודה נשלחת לסיכון להקטנת תיקון ללא תיקון, הוא מסוגל לאמת את השגיאה גבוהה.

גמישות ל- Mission-Specific Parameters

אין שתי משימות חלל עמוקות זהות. A CubeSat במסלול הירח יש מגבלות שונות מאשר נתבטר צדק. קודים Irregular LDPC מאפשרים למעצבי מערכת להתאים את ההפצה, אורך בלוק וקצב קוד כדי להתאים את היתרונות האנטנה המדויקים, כוח משדר, וטמפרטורה רעש צפויה עבור קישור ספציפי זה.התאמה אישית זו היא סיבה עיקרית של ועדת תקני CCSDS מאומצת משפחה של קודים לא סדירים עבור קודים וקודים עמוק של פחמן-אדמה ניתן להגדיר קודים על ידי קודים.

הטמעת אתגרים של קודים Irregular LDPC בחללcraft

למרות היתרונות התיאורטיים שלהם, שילוב קודים LDPC לא סדירים למשימות חלל עמוקות כרוך על פני מספר מכשולים הנדסיים.הסעיפים הבאים מפורטים את החששות הדוחקים ביותר.

מורכבות קידוד ורכיבה על הסיפון

בעוד קודים לא סדירים יכולים להיות יעילים, הם עדיין דורשים אלפי פעולות קידוד על כל קידוד (הגרסה של LDPC) עבור קישורים מהירים (למשל, 100 Mbps או גבוה יותר), הדלפק חייב להיות מיושם בחומרה ייעודית (FPGA או ASIC mc) גם יכול להפחית את גודל ה- FPGAs, כגון מעבדי מיקרוסלם RTG4 או Xilinxtex, יש להתאים את המשאבים המשתנים באופן מלא של מקבילה.

בעיות זיכרון ואבטחת נתונים

המטריקס של קוד LDPC לא סדיר מכיל מספר משתנה של אלה לשורה ועמודה. מחיקת המטריקס הזה בפורמט צפוף יבזבז זיכרון; אחסון דחוס (למשל, באמצעות ערכי אינדקס) הוא חובה.עבור אורך בלוק של 4096 ביטים, הממטריקס עשוי לדרוש עשרות קילו-בייט של אחסון, בעוד שנראה קטן על ידי סטנדרטים ארציים, קרינה-סובלנית על ידי מעבד כפול, יש צורך גם על ידי שימוש ב-ידי מערכת הפעלה חלקית.

אופטימיזציה אלגוריתמית לשעת אמת

אלגוריתם האמונה הסטנדרטי של קודים LDPC לא סדיר משתמש בפונקציות טנגנטיות היפרבוליות עבור בדיקת עדכוני node, אשר יקרים חישוביות. Quantized approximations כמו אלגוריתם Min-sum רגיל משמשים בדרך כלל ביישום חלל. גורם הנורמליזציה ופרמטרים מתאריך הפלט חייב להיות נבחר בקפידה עבור ההפצה הספציפית כדי למנוע אובדן ביצועים משמעותי.בנוסף, תוכניות מוקדמות חייב להיות חזק: פענוח נמוך (Hid) בדרך כלל לא יכול להיות prescribed זה לא יכול להיות prescribed הדבקה קשה כדי להפחית את השגיאה בשלב זה (aected) אבל זה נוטה להפחית סיבוכים הדבקה קשה כדי להפחית את הפחתת סיבוכים הדבקה).

כוח אספקה ופירוק חום

ירידה בתפוקה מלאה מייצרת חום.בריק חלליות, קירור מוגבל לקרינה והתנהלות. LDPC decoder כי צורכת 10W על מסלול קטן עשוי לדרוש ניהול תרמי ייעודי, הוספת מסה ועלויות. מעצב הקישור חייב לסחור מפענוח באמצעות חתיכה עם צריכת חשמל.

תאימות עם סטנדרטים קיימים

ה-FLT:0.(CCSDS) המליצה את תקן קודים LDPCSIRLT ( 1:1) מגדיר קודים לא סדירים ספציפיים לשיעורים שונים ואורךי בלוקים.כדי להיות מקיפים עם רשת החלל העמוק, חללית חייבת ליישם בדיוק את הקודים האלה.כל סטייה תדרוש חומרה של תחנת קרקע שונה.זה מעצימה את החופש של המעצב לנקזזזז את ההתפלגות עבור ערוץ ספציפי.

שאלון: Pushing LDPC Codes

ניסויים מחקריים וטיסות מתקדמים מבטיחים להרחיב את היכולות של קודים LDPC לא סדירים עוד יותר.כמה כיוונים מרגשים נמצאים בחקירה.

קודים Protograph LDPC

קודים מבוססי פרוטוגרף הם תת-קבוצה מובנה של קודים לא סדירים המאפשרים יישום חומרה קל יותר.בפרוטוגרף, ממטריקס תבנית קטנה "מורד" כדי ליצור מאטריקס גדול יותר של parity-check.הההההההה משמרת את חלוקת התואר הלא סדירה ומוסיפה מבנה שניתן לנצל עבור קידוד מקביל. CCSDS אימצה קודים לא סדירים עבור חלל עמוק.

מקור משותף - Channel Coding

משימות חלל עמוקות לעתים קרובות דחוסות תמונות ונתונים מדעיים באמצעות דחיסה ללא אובדן או אובדן (למשל, CCSDS 123 עבור תמונות hyperspectral) שילוב קודים של קודים שונים עם קודים ערוץ LDPC לא סדיר יכול להוביל להתאמה מחדש.מחקר עדכני חוקר את הקידוד המשותף של קוד משותף משותף, עם זאת, שבו מידע רך ממקור קוד הוא ניזון חזרה ל-DPCDD-D לטווח ארוך יותר יכול להיות גישה נוספת.

קודים שאינם בינאריים

קודים LDPC מסורתיים פועלים על גבי GF(2). קודים שאינם בינאריים (Over GF(q) עבור q>2) מציעים ביצועים טובים יותר תיקון שגיאות, במיוחד עבור ערוצים עם שגיאות פורצות או עיוות עמוק.הקשקשים עם Q2, מה שהופך אותם מאתגרים עבור יישומי חלל.עם זאת, עם התקדמות בטכנולוגיה LDGA ושימוש במהירות של ארבעהier מבוסס decoding מבוסס, שאינו ניתן לקודים מסחריים סטנדרטיים (מערכת החלל האירופית) עבור קישורים אופטיים מסחריים זעירים (S) לקישורים מסחריים גמישים (Poly-DIS).

Machine Learning-Aided Decoding

רשתות עצביות עמוקות יכולות להיות מאומנים להחליף את האלגוריתם של העברת המסר, המציע התכנסות מהירה וביצועים ליד-אופטימיים. עבור קודים LDPC לא סדירים, מקוד עצבי יכול ללמוד את המשקל האופטימלי עבור כל קצה מבוסס על חלוקת התואר, ביעילות ביצוע Min-sum עם מאחזים מלומדים. בעוד שקודמי ה-ML הנוכחיים גדולים מדי עבור חלל, גרסאות קלות (<100k) הוכחו כ-Fretain-st-st-secter.

קישורים חלל עמוק

מערכת ההפעלה של נאס"א (LCRD) ומערכת האופטיקה של המשימה Psyche עמוק של מערכת DSOC) שמטרתה להשתמש בלייזרים אינפרא אדום עבור החזרת נתונים אולטרה-גבוהים.קישורים אופטיים יש מאוד סטטיסטיקות רעש שונה (ספירה תמונה, רעש רקע LDPC מותאם במיוחד עבור ערוצים אלה, עם התפלגות גבוהה של קוד זדוני (Fipn) אשר נועדו כעת ל-Dips-Daper (D) גבוה מאוד עבור קוד זדונית גבוהה מאוד (Dip) LDPC).

מסקנה

קודים LDPC regular שינו את הנוף של תקשורת חלל עמוקה.על ידי ניצול התפלגות לא אחידות של מידע תואר, קודים אלה להשיג ביצועים ליד-Shannon-limit, רצפות שגיאה נמוכה וגמישות יוצאת דופן - כל בתוך הכוח הקפדני ותקציבי חישוב של חללי חשמל תת-קרקעיים חיוניים.