יצירת קודים Ldpc כוח נמוך עבור רשתות חיישן ומכשירים לבישים

ב-IoT, רשתות החיישן והמכשירים לבישים יוצרים את עמוד השדרה של אינספור יישומים, החל מ ניטור סביבתי למעקב אחר בריאות מתמשך.מערכות אלה פועלות תחת תקציבי אנרגיה מחמירים, המופעלות לעתים קרובות על ידי סוללות קטנות או קצירת אנרגיה. שידור נתונים אמין הוא קריטי, אבל קודים מסורתיים לתיקון שגיאות יכולים לצרוך כוח משמעותי, צמצום תוחלת המכשיר.

קודים LDPC

קודים LDPC התגלו לראשונה על ידי רוברט גלגר ב-1963, אך המשמעות המעשית שלהם התפתחה עשרות שנים מאוחר יותר עם התקדמות במנגנוני מחשוב ואלגוריתמים של אלגוריתמים מרתיעים.הקודים האלה מוגדרים על ידי מטריקס של ספורד-בדיקה:0Horive:0HFLT:1, שבו מספר הערכים הלא אפסיים הוא קטן יחסית לממדים הממטריקס.

תהליך הקידוד פועל על גרף דו-פרטטי (Taner גרפן) המורכב מנקודות משתנה (ייצוג ביטים קודים) ובדוק נקודות (ייצוג משוואות של משוואות מבחן הסתברות) משולפות לאורך הקצוות, הערכות מהדהדות של כל bit. כי הגרף הוא ספאר, כל אחד מהם מחובר רק לכמה אחרים, שמירה על מורכבות נמוכה זה עושה בעיקר עבור פונקציות מיקרו-בקר או עיבוד מוגבלות.

בהשוואה לקודים אחרים לתיקון שגיאות כמו קודים טורבו, קודים LDPC יכולים להשיג ביצועים דומים או מעולים עם נטיות נמוכה יותר ואנרגיה לפחות. הם מאומצים באופן נרחב בסטנדרטים מודרניים כגון Wi-Fi (802.n/ac/ax), DVB-S2 ו-5G NR, אך יישום זה מותאם לעומס גבוה, לא בהכרח עבור חשמל אולטרה סגול, עבור רשתות גמישות, ולהפחית גישה להחלפה היא נדרשת.

יתרונות מרכזיים במערכות בעלות כוח נמוך

• (ב) ,0) ירידה משמעותית בצמצום היעילות: פיזור (FLT) 1:1 יכול לעצור לאחר מספר קבוע של התנגשויות או כאשר התכנסות מזוהה, המאפשרת פעילות אנרגטית-אדפטיבית.
• (ב) ⁇ :0) ,(Parallelization: FLT:1; מבנה הגרף הספגני מאפשר עיבוד מקביל, צמצום הסבלנות ומאפשר עיצוב מעגלים נמוך.
• (FLT:0) תקנים קודים LDPC: ניתן לתכנן קודים 1 LDPC במחירים שרירותיים, התאמה לתנאי הערוץ ומגבלות האנרגיה של היישום.

עקרונות עיצוב קודים של Low-Power LDPC

תכנון קודים LDPC עבור מכשירים מאומנים באנרגיה כרוך איזון יכולת תיקון שגיאות, מורכבות מרתיעה, דרישות זיכרון.העקרונות הבאים להנחות את יצירת משפחות קוד LDPC בעלות כוח נמוך.

עיצוב ספורדיות ושפל

העיקרון הבסיסי הוא לשמור על מטריקס parity-check כספאן ככל האפשר. .פחות יותר לא אפס ערכים להפחית את מספר הפעולות לקידוד קידוד קידוד.עבור רשתות חיישן, שבו חבילות קצרות (למשל, 100-500 ביטים), את מידות המטריצה הם צנועים, אבל ספיגמנטליות עדיין משנה את הצפיפות (פרי של ערכים שאינם אפסיים) לערכים הנמוכים ביותר של תפקודים, בעוד שמבוססים על ידי יישום תבניות זיכרון C-C).

התפלגות תואר

חלוקת התואר מתארת כמה קשרים כל משתנה ללא צומת לבדוק את node יש בגרף הטנר. עבור דל כוח קידוד, התפלגות תואר מאויש היטב מצמצם את מספר ההסרות הדרושות כדי להשיג שיעור שגיאה מטרה.בדרך כלל, צמתים משתנים עם מעט רמות סיום גבוהות יותר (למשל, 3 או שיפור ביצועי מפל, בעוד לבדוק צמתים עם רמות נמוכות יותר של Irregular, שבו לעתים קרובות צריך קידודים של 10 מעלות צלזיוס) באופן קבוע של מזהמים (לדוגמה, לעתים קרובות יותר של מזהמים) או מזהמים (לדוגמה, אך לעתים קרובות מזהמים קצרים יותר רגיל של סימולציות) או ירידה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציות) או ירידה של ⁇ סימולציה של ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קודים ממוצבים עבור Hardware Efficiency

יישום מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך, FPGAs, או הטבות ASICs מותאם אישית מן הרגיל.שני משפחות קוד LDPC בנוי שולטות:

• (FLT:0) קודים המבוססים על פרוטוגרפיה:FLT:1 גרף בסיס קטן (פרוטוגרף) מועתק ומורחב באמצעות גורם הרמתי.זה מייצר קודים גדולים עם מבנה צפוי, המאפשר עיבוד מקביל והחלפת זיכרון מופחתת. Protographs יכול להיות מיועד לאורכו של בלוקים קצרים (למשל, 128 ביטים) טיפוסיים ברשתות החיישן.
• (FLT:0)Quasi-Cyclic LDPC (QC-LDPC) קודים:FLT:1 מטריקס parity-check מורכב תת-מסובכות circulant (שינויים מעגליים של זהות matrices) זה מאפשר decoding באמצעות שינוי פשוט-registers, אשר צורכים הרבה פחות כוח מאשר רב-מריצה מלאה QCLD הם בסיסים עבור התקנים מעשיים רבים.

התאמה וקצב תאימות

תנאי ערוץ התקנים משתנים עם ניידות, הפרעה היברידית ומרחק.קידוד הסתגלות מתאים להתאים את קצב הקוד ואת אורך דינמי כדי לשמור על אמינות תוך שמירה על אנרגיה.קודים LDPC לא עולים על קוד האם על ידי puncturing או קיצור של ביטים.לדוגמה, קוד אם 1/2-rate יכול להיות מכווץ לקצב כאשר איכות משפרת, צמצום יתר על פני ומאמץ רפלקטיבי.

אסטרטגיות ליישום אנרגיה-Consated מכשירים

מעבר מהעיצוב התיאורטי לפריסה מעשית דורש תשומת לב זהירה ליישום חומרה ותוכנה.אסטרטגיות הבאות מסייעות להשיג LDPC כוח נמוך LDPC קידוד במערכות אמיתיות.

אופטימיזציה של Dcoders

ASIC ו- Custom Digital Design

עבור בעלי חיים גבוהים כמו שעונים חכמים או עוקבים כושר, מעגל משולב ספציפי יישומים (ASIC) מותאם לקידוד LDPC יכול להשיג את האנרגיה הנמוכה ביותר עבור טכניקות מפתח כוללים:

• (FLT:0)Min-Sum Algorithm:03) 1 Approximating את משוואות הקידום האמונה עם פעולות כורים פשוטים יותר מפחית מורכבות חישובית ומבטל את הצורך בטבלאות חיפוש.עם נורמליזציה נאותה, Min-sum מבצע קרוב אידיאלי.
• (FLT:0Layered Decoding:FLT:1 שורת עיבוד (בדוק צומת) באופן בלתי נמנע ועדכון אמונות צומת משתנה מיד מפחית גישה זיכרון ומהירויות התכנסות.
• (FLT:0) שעון ועוצמה Gating:03: ההרחבה 1 (FLT:1) לכבות בלוקים חסרי שימוש בפעמי קוד זדוני במהלך תקופות quiescent.עבור שידורים לסירוגין (המוגן ברשתות החיישן), הפעוט ישן בין חבילות.
• (FLT:0)Low-Voltage Act:03F1) ניתן לסנתז מעגלים דקודור עבור מתח ליד-הרס החזק (0.4-0.6V) כדי להפחית באופן דרסטי את הכוח הדינמי.הספא של קודים LDPC הופך אותם לסובכים לשגיאות מזדמן, אפשרויות פתיחה למתח אגרסיבי.

FPGA ותוכנות-Defined Implementations

עבור מוצרים פרוטוטיפינג או בינוני, FPGAs מציע גמישות. מודרני כוח נמוך FPGAs (למשל, Lattice iCE40, Microchip PolarFire) יכול ליישם הרחבה קוד עם כמה אלפי LUTs. Software Defcoders המוגדרים תוכנה פועל על מיקרובקר הראשי (למשל, ARMx-M4 עם DSPib) הם גם עבור דף נמוך (p 1:0.

פרוטוקולי תקשורת אנרגיה-מודעים

LDPC coding חייב להיות משולב עם שכבת הגישה התקשורתית (MAC) ורכיבה על אופניים חובה כדי למקסם את חיי הסוללה.

• (FLT:0) Duty Cycling with Coding:03: ⁇ 1) The transceiver ו-coder פועלים רק במהלך קבלת החבילה.לדוגמה, במחזור של 1% של חובה, הפעוט עשוי להיות פעיל עבור 10 מ"מ כל שנייה, תוך שימוש בערך 1/100 של כוח הפעולה המתמשך.
• (FLT:0) אופטימיזציה של גודל ה-Packet:FLT:1 חפיסות קצרות יותר להפחית את זמן הניתוק, אך עשוי לפגום ברווח הקידוד.שימוש אורך בלוק שמתאים לאורכו של החבילה נמנעים מ ⁇ , אשר מבזבז אנרגיה. Quasi-cyclic קודים עם אורך של 200-400 סיביות הם אופייניים ליישומים חיישן.
• (FLT:0) אספנס לקידוד הסתגלות: FLT ( 1:1 המקלט יכול להעריך יחס אות-לא-אין (SNR) ולבקש את שיעור הקוד המתאים.שימוש בקוד נמוך (למשל, 1/2) בתנאים עניים ומעבר ל-2/3 בתנאים טובים חוסך 33% אנרגיה מרתיעה בממוצע.

בחירת אורך קוד

(הקודים של לונג LDPC מספקים בדרך כלל תיקון שגיאה טוב יותר, אך הם גם מגבירים את הגמישות, דרישות הזיכרון, והופכים את האנרגיה לניתוק.עבור רשתות החיישן שבהן גדלים הם קטנים (למשל, 200-500 ביטים), קודים עם אורך בלוק (FLT:0nreaFLT:1=200-1000 ביטים מציעים קודים טובים (FLT:2nFIR3FIRDRE) ו-FIRFIRDERDER D2FREER1FREER: 0FIRSTFREER1FIRFIRFIRFIRSTFREFREFREFREEWER DER DIFREFERER: 0: 0101=0FER DEFER1=200-FERER) LT5FERER1FERER: 0FERER1=200-FERE1=200-FERFERFERFERFERFER LT5FERFEREWEER.

סימולציה ובדיקת שיטות

לפני הפריסה, סימולציות מקיפים חייבות לאמת את ביצועי הקוד תחת מודלים של ערוצים ריאליים (למשל, Rayleigh fading for wearables נעים ליד הגוף, או צלל רגיל עבור חיישנים מקורה).

• שיעור שגיאות (FER) לעומת SNR
• מספר ממוצע של פיצוצים
• אנרגיה על מנת להעביר מעט

כלים כמו MATLAB (Communication Toolbox) או קוד פתוח (FLT:0AFF3CTIRLT:1 מסגרת לאפשר הסתברות מהירה.Harware-in-the-the-loop Testing with חיקוי מסייע לחדד את הערכות הכוח ברמת שער.זה חיוני כדי לדמות מקרים של פינות, כגון SNR נמוך מאוד שבו הקוד עשוי להמשיך את זה ללא התכנסות - יש להפסיק מנגנונים מוקדמים של אנרגיה כדי למנוע מנגנונים מוקדמים.

יישומים ב-חיישנים רשתות ולבושות

קודים של LDPC בעלי כוח נמוך מאפשרים תקשורת אמינה בתרחישים מגוונים שבהם האנרגיה היא הגורם המגביל.

« « « «

צגים של גלוקוז רצופים, ECG , וסיוע שמיעה חכם דורשים זרימת נתונים בלתי מופרעת למרכז (למשל, סמארטפון) A Lost Pack יכול להחמיץ אירוע קריטי. LDPC עם אורך בלוק 256 וקצב 2 יכול להשיג שיעורי מזוודה מתחת 10-5 ב-0.5 dB SNR, בעוד צריכת פחות מ 50 מיקרו-W ב decoder.

המונחים: environmental Sensing

רשתות חיישן אלחוטיות ללחות אדמה, איכות אוויר, או מעקב חיות בר לעתים קרובות להשתמש ב- sub-GHz Transceivers (למשל, LoRa, 802.15.4) אלה פועלים בשיעורי נתונים נמוכים מאוד (0.3–50 kbps), שבו אנרגיה מרתיעה יכולה לשלוט במזג האוויר.A ייעודי LDPC decoder אשר ייושם ב-coder הבסיס יכול להפחית את האנרגיה על ידי גורם של 10 בהשוואה ל- MCcoding בתנאי ה- MCFo, כפי שמופעלים, החל מתנאי ה-FLT1, כלומר, בתנאי המשתנים, כלומר, כלומר, בתנאי ה-HDFVal, ללא שינוי של נתונים, החל מ-DL, ללא שינוי, החל מ-FLT1, החל מ-FVal, בתנאי המשתנים בתנאי המשתנים, ללא שינוי של נתונים, ללא שינוי של 1D.

כלכלה תעשייתית ו ניטור סטריקט

במפעלים או גשרים, חיישנים פועלים לעתים קרובות על סוללות תאי מטבע במשך שנים.כאן, אמינות היא חובה להימנע מאזהרות שקריות יקרות או אזהרות מפספסות. LDPC עם קידוד פיגור רציונטיבי יכול לתקן שגיאות התפרץ הנגרמות על ידי התערבות אלקטרומגנטית של קודים QC-LDPC, המאפשרת לקודד להיות מיושם ב-FPGA קטן שיושב לצד החיישן, צריכת פחות מ-1W במצב פעיל.

מכשירים ביתיים חכמים

גלאי תנועה, חיישנים דלת / מזג אוויר, וננעלים חכמים בדרך כלל משדרים התפרצויות קצרות. קודים LDPC כוח נמוך מאפשרים למכשירים אלה להשתמש באותו רדיו עבור הודעות רגילות וביקורתיות מבלי לדרוש תוכנית תיקון גבוהה יותר כוח קדימה.לדוגמה, מנעול דלת יכול לשלוח דיווח סטטוס בכל שעה עם קוד 128 סיביות קצר, אבל התראה תוך כוננות תוך כוננות תוך 512 סיביות עם קוד בעל משקל נמוך יותר - הן בעלות משקל נמוך יותר.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות היתרונות, פריסת קודים LDPC במכשירים אולטרה-נמוכים עומדים בפני כמה מכשולים.

מורכבות וזיכרון

אפילו דקודנים LDPC מלוחים דורשים אחסון למידע רך (יחסי דליות) עבור כל צומת משתנה. עבור קוד של אורך 200, באמצעות פייתות 5-bit, זה דורש 1000 סיביות של זיכרון על שבב - a ניהול יתר על פני השטח. עם זאת, קודים ארוכים יותר או דיוק גבוה יותר יכולים למתח את ה-SRAM המוגבל במיקרולרים בעלות נמוכה.

עצירה מוקדמת והסכמה

קביעת מתי להפסיק את הקידוד היא קריטית.התראות קבועות (למשל, 10) עלולות לבזבז אנרגיה אם ההתכנסות מתרחשת מוקדם יותר, או להיכשל אם נדרש יותר. תוכניות דינמיות המבוססות על שביעות רצון מבדיקה (CRC או משקל תסמונת) יכול לעצור מוקדם.אבל גישה מבטיחה זו היא להשתמש בחיזוי מכונה על ערוץ SNR ו decoderation כדי לספור כמות חישובית משמעותית של אנרגיה.

שילוב עם אנרגיה

מכשירים המסיקים אנרגיה מהשמש, התרמית או מקורות רטט יש זמינות בלתי צפויה.קודי LDPC יכולים להיות נועדו להיות FLT:0 Energy-scalableFLT:1: כאשר אנרגיה היא בקושי, הפעוט פועל פחות קידודים (ביצועים מרתיעים), אבל כאשר אנרגיה עודף זמין, הוא פועל יותר כדי לשפר את האמינות על "מטיקה" LDPC decoders כי הוא מתאמת וספירת זמן אמיתי הוא זמן הוא פעיל.

תקנים מעורבים

סטנדרטים מתעוררים כמו Bluetooth 5.2 ו-SEO שוקלים תיקון שגיאות משופר.המבוא של LDPC ב 5G רדיו חדש עבור תקשורת בעלות נמוכה (למשל, כתובת URLLC) עשוי להשיל את השימושים של הצרכנים.פולנס קרוס עם קודים קוטביים, אשר הם גם מורכבים נמוך, יכול להוביל לפעמוני היברידיים נבחרים את הקוד הטוב ביותר על בסיס מצב: 1.

מסקנה

תכנון קודי LDPC עבור רשתות חיישן ומכשירים לבישים דורש גישה הוליסטית כי מרחיבה את תורת המידע, עיצוב המעגל וניהול האנרגיה ברמת המערכת. על ידי הדגשת ספאריות, מזחלות בנויות, ותכניות הסתגלות, מהנדסים יכולים להשיג תקשורת אמינה עם כוח רשלני על פני כדור הארץ, אפילו שקרים המפתח בבחירת אורך הקוד הנכון, הפצה, ואדריכלות קודר עבור השימוש הספציפי - בין אם זה הוא זרם נתונים ארוך טווח לחץ דם, או קבוע של 10 שעות ביממה.