מבוא לתקשורת אקוסטית תת-קרקעית וצורך לתיקון שגיאות

האוקיינוסים בעולם מכסים יותר מ-70% משטח כדור הארץ ומשחקים תפקיד קריטי בתקנה של אקלים, הפקת משאבים וביטחון עולמי. תקשורת אקוסטית תת-הרץ (UAC) משמש כאמצעי העיקרי של החלפת נתונים אלחוטית בסביבה תובענית זו, המאפשר יישומים כגון ניטור באוקיינוס בזמן אמת, ניטור תת-ימי אוטונומי (AUV) שליטה, שמן ופליט, ואווירי-אוויריים של תאים מהירים, ולכן סובלים מ- 100 ליטרים פיזיים, במהירות, מ-או-אופטיים, מ- 100 ליטרים, מ-אוויריים, במהירות, מ- 100 ליטרים, ו-אופטיים, במהירות, מ-אוויריים, מ- 100 ליטרים, כלומר, מ-אוויריים, מ-אוויריים, מ- 100 ליטרים, במהירות, במהירות, מ-אוויריים, מ- 100 ליטרים, מ- 100 ליטרים, במהירות, מ-אוויריים, ל-אוויריים, ל-אוויריים, מ-אוויריים, במהירות, מ-אוויריים, ל-אוויריים, ל-אוויריים, ל-אוויריים, ל- 100, ל-אווירהטווח אוויר- 100, ל-אווירהטווח אוויר-אוויר-אוויר-אוויר-אוויר- 1-אוויר-אוויר-אוויר

למרות התועלת שלה, הערוץ האקוסי התת-ימי מציג מערכת עוינת ייחודית של ליקויים.רעש גבוה ממשלוח, חיים ימיים ומזג אוויר על פני השטח; ריבוי רב-אופטימי שנגרם על ידי השתקפות של פני השטח, תחתית ותרמוקלים; דופלר משמעותי מתפשט בגלל תנועה יחסית זרמי מים; ורוחב פס מוגבל מאוד (בדרך כלל עשרות kHz) כל רעד לאמינות דה- 10: F2 גבוה יותר מאשר שגיאה דיגיטלית (F2) עד 10.

קודים נמוכים של נאמנות-Check (LDPC) הופיעו כפתרון רב עוצמה לאתגר האמינות הזה.הגילוי במקור על ידי רוברט גלגר בשנת 1963 וגילוי מחדש בסוף שנות ה-90, קודים LDPC ניגשים למגבלת שאנון על ערוצים רבים, מה שהופך אותם אידיאליים עבור הקישור האקוסיבי המיושב על ידי היכולת.

הבנת ערוץ אקוסטי תת-קרקעי

המונחים: key Propagation Impairments

כדי להעריך מדוע קודים LDPC הם כל כך יקרים, ראשית יש להבין את הערוץ שהם נועדו להגן עליו.הערוץ האקוסיבי התת-ימי מאופיין על ידי:

  • (FLT:0) מפריפטית propagationFLT:1 ; קרני סאונד עוקבות אחר נתיבים מרובים בין משדר למקבל בשל השתקפות; העיכוב המתקבל יכול לעלות על 100 מ"מ, מה שגורם להפרעות בין-חושול (ISI).
  • (FLT:0)Dopplerische להפיץ את FLT:1 - תנועה מילולית בין המקור למקבל, כמו גם תנועת הגל, גורמת להחלפת תדר ולהפצתו.
  • (FLT:0) , 000 תלויות עקביות אטמוספירה:1) - תדרים גבוהים נספגים מהר יותר, מגבילים רוחב פס ניתן להשגה. ערוץ מים רדודה טיפוסי יכול רק להציע כמה kHz של רוחב פס שניתן יהיה על פני טווח של 10 ק"מ.
  • (ב) [15] תגובת הדחף הנמשכת של הזמן: 1) הערוץ משתנה באופן משמעותי במשך שניות או דקות, הדורש שוויון הסתגלות וקידוד.
  • (FLT:0) רעשים נעים 1 (מספר מקורות שונים) משתנים באופן נרחב (wind, biologics, shipping); צפיפות ספקטרלית הרעש אינה לבנה ולעתים קרובות לשיאה בתדרים נמוכים.

גורמים אלה משלבים לייצר ערוץ עם יחס אות נמוך (SNR), שיעורי שגיאה מפוצצים גבוהים, והתלות חזקה בתנאי הסביבה.קודים חסום מסורתיים (למשל, ריד-פולמון) או קודים convolutional יכולים להציע הגנה מסוימת, אבל הביצועים שלהם נופלת הרבה מהגבולות התיאורטיים עבור ערוצים כה קשים.

מדוע תיקון שגיאות חזק הוא חיוני

פרוטוקולים אוטומטיים חוזרים (ARQ) יעילים במערכות תת-ימיות מכיוון שעיכוב הסבב (בשל מהירות סאונד נמוכה, -1500 מ'/s) יכול להיות שניות רבות.כל רנסרציה צורכת אנרגיה יקרה וזמן.תיקון שגיאות קדימה (FEC) מקטין את הצורך בהעברה על ידי תיקון שגיאות במקלט.

מה הם קודים של LDPC? סקירה טכנית

המונחים: Historical Context

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כיצד LDPC מתרבת ומבטל עבודה

(הופנה מהדף LDPC) ,(ההההה) של LDPLT (הההההה) ,2) ,2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ההחלטה מבוצעת באמצעות קידוד אמונה רציונטיבי (הידוע גם בשם אלגוריתם המוצר) על גרף טנר - גרף דו-פרטט עם נקודות משתנה (ייצוג ביטים קודים) ובדוק צמתים (ייצוג משוואות הסתברותיות שאנון) על אלגוריתם חילופי האלגוריתם (או יחסי ליבת דביקות) בין צומת, הערכה מתקדמת עד קוד תקפים מרובים יכול אפילו להגיע למספר גבוה של שגיאות (S) או מספר גבוה של תפקודים).

ביצועים קרובים של האןנון והחשיבות שלו עבור UAC

(ה) , שאנון-Hartley קובע את השיעור המקסימלי שבו ניתן להעביר נתונים על רוחב פס נתון עם הסתברות שגיאה נמוכה יותר, אשר באה לידי ביטוי כ-FLT:0.CIRFLT:1=FLT:2BIRDIRDIRD2 (BR) נמוך באופן שרירותי, קודים LDPC יכולים לפעול בקצב של 0.5D של גבול זה, תבוסה בלתי אפשרית על ידי קודים שימושיים לעתים קרובות, כאשר קודים אופטיים מסוימים הם יכולים לפעול באופן חמור על ידי קודים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, באופן משמעותי, כלומר, כלומר, כאשר קודים יעילים, בכל קיבולת תקשורת מוגבלת, אם כי אם כי אם כן, או יותר מאשר קודים, אם כי אם כן, או יותר מאשר קודים, או יותר מאשר קודים, או יותר מאשר קודים, לעתים קרובות, או יותר מאשר קודים של קודים של קודים של קודים של קודים של קודים אופייניים של קודים של קודים של קודים של קודים של קודים של קודים של קודים של קודים של קודים אופייניים של LDPC, לעתים קרובות, באופן משמעותי, אם הם לעתים קרובות, אם הם לעתים קרובות, אם כן, או יותר

שימוש בקודים LDPC במערכות תת-קרקעיות

אדריכלות ואינטגרציה

יישום קודים LDPC במערכת UAC דורש שילוב זהיר עם השכבה הפיזית.שרשרת משדר טיפוסית מורכבת:

  1. (ב) ,0) ,[[1924]]]]
  2. (ב) ,0) ,(ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  3. (ב) ויקרא י"ד: "בְּהַּדְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיא" (במדבר כ"ד, כ"ד).
  4. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ב המקלט, האות עובר דרך הידרופוני, דמודציה ושווה, יחס קל-כמוה של סלקציה (LLR) מחשבון, ולאחר מכן את LDPC decoder. בחירת שיעור קוד (למשל, 1/2, 1/2, 2, 3/4) מותאם בדרך כלל לאיכות הערוץ הנוכחית: שיעור נמוך יותר מספק יותר מגובה ומשמש בתנאים עניים, בעוד שקצב גבוה יותר באמצעות ערוצים.

מידע עם LDPC: צעדים מעשיים

מודרני LDPC encoders להשתמש מבניות מובנים-בדוק מtrices - כגון אלה המבוססים על מבנים כפול-דיגוניים או quasi-cyclic - כדי להפחית את המורכבות.במערך השער הניתן להשגה (FPGA) או מעבד אותות דיגיטלי (DSP), הקידוד מבצע ריבוי מטריצה-פרודקציה ביעילות.עבור מודם תת-ימי עם שיעור נתונים של כמה צלעות שניתן ליישם את תהליך הניקודדמן עם כוח אמיתי.

העברה דרך ערוץ תת-קרקעי

לאחר קידוד, הסמלים המוצבים מועברים.הערוץ מעוות את האות באמצעות convolution עם תגובת הדחף ערוץ ותוספת של רעש צבעוני. במים רדודים, התגובה האימפולסית יכולה להיות מאות תקופות סמל ארוך.כדי להילחם ISI, מקלטים בדרך כלל משתמשים ברזולוציה זעירה חללית של ניכוי החלטות חד-פעמי (DFE) אוט-divisionxing תדירות (ODM) עם גישות רכה לקודמות.

ירידה באמונות התומכות בתנאים החריפים

ה-LDPC מקודמת במקבל היא אלגוריתם האמונה הרצינית של האמונה ה-Aagation.כל אחד מהם מורכב:

  1. (ב) ,0) עדכון צ'אק-נודה (Check-node) 1 (FLT:1) - השלמת LLRs היוצאים מבדיקת נקודות לנקודות משתנה בהתבסס על הודעות נכנסות.
  2. (ב) ,0) עדכון בלתי ניתן לעדכון: (שם) , עיין ב'אל-ר' (שם) ב'אל-ר' (שם כ"ד)
  3. [01:0] החלטתו של הרבי 1 [ה] – בעקשנות, להחליט מעט ערכים ולבדוק אם כל משוואות השוויון שבע רצון.

במערכות תת-ימיות, הפעוט חייב להתמודד עם רעש לא-גאוסי וטעויות פורצות פוטנציאליות.יש מיושמים משתמשים בנספח של מינוס כדי להפחית את המורכבות, להקריב חלק קטן של רווח מקידוד עבור התכנסות מהירה יותר.בנוסף, טכניקות סיום מוקדם (למשל, עצירת כאשר התסמונת היא אפס) לחסוך כוח - שיקול קריטי עבור פלטפורמות אוטונומיות סוללות.

היתרונות של קודים LDPC לתקשורת תת-ימית

טעות תיקון תיקון

(הקודים של LDPC יכולים לתקן אחוז גבוה של שגיאות שידור אפילו בסביבות שבו שיעור השגיאה של מעט גולמי הוא 1006FLT:0) 203FLT 1 ל 10033033033033033033033033033G3; עבור קוד של אורך 10 000 ביטים וקצב 1/2, LDPCcoder מתוכנן היטב יכול לספק תפוקה מתחת 10LT5 -2 -2 של שליטה מדעית זו בלבד.

המונחים: shannon Limit Efficiency

מכיוון שקודי LDPC פועלים כל כך קרוב למגבלת שאנון, הם עושים את השימוש היעיל ביותר של רוחב הפס האקוסיבי הקטן.למעשה, הם מאפשרים שיעורי נתונים גבוהים יותר עבור רוחב פס נתון ומעבירים כוח – או שווה ערך, כוח נמוך יותר לשיעור נתון. במערכות UAC ארוכות טווח בהן חיי הסוללה נמדדים בחודשים, יעילות זו מתורגמת ישירות לתוך משך פריסה מורחב.

רובוסטנס ל-Time-Varying Multipath ו-Doppler

בעוד קודים LDPC אינם חסינים מטבעם ל- ISI או דופלר, היכולת השגויה החזקה שלהם יכולה לפצות על פגמים בהתאחדויות והסנכרון. על ידי שילוב של ביטים קודים על פני מספר רב של סמלים DM או חריצים זמן, הפעוט יכול להתמודד עם שגיאות מקודמות כי מתעוררות מתפוגגות עמוקות. בשילוב עם הסתגלות וקידוד (AMC), לאפשר קודים לשמירת טווח שגיאות רחב של שגיאות.

סקלאלה וגמישות

קודים LDPC יכולים להיות מיועדים לכל אורך בלוק וקצב קוד, עם צורות מובנה כי בקנה מידה טוב בחומרה.התאמה זו הופכת אותם מתאימים לכל דבר מקישורים לטווח קצר, גבוה (למשל, נתונים מעלים מצומת חיישן) לקישורים ארוכי טווח, נמוך-rate (למשל, שליטה ובקרה של רכב עמוק ים).

אתגרים ומגבלות ב Deployment תת-קרקעית

מורכבות הדדית ו Latency

האלגוריתם של הקידוד הרציני דורש מספר עוברים דרך הגרף של הטנר.לקוד של אורך 10 000 עם 50 טבלאות, הפעוט עשוי צריך לעבד מיליוני עדכונים קצה לשנייה. בעוד FPGAs מודרני יכול להתמודד עם זה, את הניתוק כוח יכול לעלות על 1 W - חלק משמעותי של תקציב כוח תת-ימי טיפוסי.

זיכרון קומפלקסינטס ורצפה שגיאה

LDPC decoders דורש בלוקים זיכרון גדולים לאחסון ערכי LLR והודעות ביניים.במצבם מבוסס מיקרו-בקר, זה עשוי להיות אסרטיבי.יתר על כך, כמה עיצובי קוד LDPC מציגים קומה שגיאה ב-SNRs גבוה - עלייה פתאומית שגיאות שאריות כי יכול להיות מזיק עבור יישומים הדורשים אמינות גבוהה מאוד.

ערוץ אסטנס ו-Decoder Utilization

הביצועים של LDPC decoder מחלחל אם הערוץ מעריך את חישוב LLR אינם מדויקים.בערוצים תת-ימיים שונים במהירות, השגת הערכות מדויקות של SNR, שינוי דופלר, ותגובה אימפולסית היא קשה. Mismatched LLRs יכול להוביל לפענוח קודר או ספירת היחלשות מוגברת, הן מזיקות באמצעות יעילות ועוצמה.

אפשרויות לעתיד ומחקר

שילוב עם מספר רב של פריטים (MIMO) ו-DM

שילוב קודים LDPC עם MIMO-OFDM הוא דרך מבטיחה להגדיל את היעילות ספקטרלית בטכניקות UAC. MIMO לנצל מגוון מרחבי כדי להילחם בקידוד, בעוד שלDM מחלק את הערוץ רחב לתוך הרבה תת-קרירים צרים, כל אחד מהם חווה בערך קידוד שטוח. LDPC יכול להיות מיושם על פני זרמים מרחביים ו subcarrierים כדי לספק הגנה רבת כפולה-ממדית הראו תוצאות גבוהות יותר של MILD-FD.

ערוץ משותף אסטנסציה ושחרור

מקלטים זהים זוג ערוץ estimation עם LDPC decoding - לפעמים נקרא turbo שווהיזציה או שווה ערך רציונטיבי ו decoding - יכול לשפר את הביצועים באופן משמעותי.בתוכניות אלה, הדלמזין מידע extrinsic בחזרה לשווי שווה, אשר מחדד את הערכת הערוץ ופלט רך עבור ההצתה הבאה.

Machine Learning for Decoder Optimization and Code Design

עבודה חדשה החלת למידה עמוקה לקידוד LDPC, באמצעות רשתות עצביות להחליף או להגדיל את אלגוריתם הקידום האמונה. Neural-aided decoders יכול להתאים להתפלגות רעש לא-Gaussian או לסטטיסטיקות ערוץ ספציפיות שנצפו באזור פריסה.בנוסף, ניתן להשתמש בחיזוק כדי לבחור את שערי הקוד ואת תוכניות המודולציה להסתגל באופן הסתגלותי, תוך שמירה על אמינות מטרה או עמידות לתחזוקה.

המונחים: low-Power Hardware Implementations

מחקר על בסיס כוח נמוך ייעודי ASICs עבור LDPC decoding מטרות צריכת חשמל בטווח מילימטר עבור קודים באורך קצר. בשילוב עם מודמים תת-קרקעיים אנרגיה, קודים כוח נמוך כזה יכול לאפשר לטווח ארוך, ללא השגחה רשתות חיישן מתפתחות טכנולוגיות זיכרון לא-אי-וול-לא-אי (למשל, RRAM) מציעים פוטנציאל לאחסון לא-מסוג של ערכים סטטיים של כוח LR, צמצום כוח סיכון ל-ל של כוח.

מסקנה

קודים נמוכים-רגישות של פאריטי-צ'ק הראו את הערך שלהם כאבן הפינה של תקשורת דיגיטלית אמינה בחלק מהערוצים המאתגרים ביותר על פני כדור הארץ – כולל הסביבה האקוסטית התת-ימית התת-ימית שלהם, ביצוע כמעט תיקון שגיאות חזק, וגמישות להפוך אותם לטכניקה של שליטה בשגיאות של מערכות UAC מודרניות שמטרתן להשיג אמינות גבוהה ויעילות. בעוד מכשולים כגון מורכבות חישובית, צריכת חשמל, וגמישות ערוץית, ממשיכים לשמור על פני ארכיטקטור, להמשיך את האינטגרציה בטוחה, שמירה על פני מערכת בקרה בטוחה, שמירה על מערכות בקרה בטוחה, שמירה על מערכות בקרה ומאובטחת, שמירה על בטיחותית, שמירה על בטיחותית, שמירה על מערכות בקרה, שמירה על מערכות בקרה והשגת אינטגרטיבית, שמירה על בטיחותית, שמירה על בטיחותית, שמירה על תפקוד יעיל, שמירה על תפקוד יעיל, כמו אינטגרטיבית, שמירה על איכות הסביבה, שמירה על איכות הסביבה, שמירה על מערכות מידע, שמירה על בטיחותית, שמירה על בטיחותית, כמו אינטגרטיבית, שמירה על מערכות מחשובית, שמירה על בטיחותית, שמירה על בטיחותית, שמירה על אבטחה, שמירה על תפקוד יעיל יותר, שמירה על תפקוד יעיל, שמירה על בטיחותית, שמירה על בטיחותית, שמירה

לקריאה נוספת על התיאוריה והפרקטיקה של קודים LDPC בתקשורת תת-ימית, ראה סקר ⁇ :0IEEE על ערוץ הקידוד UACIRFLT:1, AFLT:2tutorial on LDPC Code BasicsFLT 3: 3, ונייר מחקר המפרט את LDPCDptive LDPC, התואם לערוצי אוקיינוס שונים:5: