קודים Ldpc עבור רשתות חיישן אלחוטיות תת-קרקעיות: הגבלת ערוצים

הקדמה: ההבטחה והפרס של רשתות חיישן אלחוטיות תת-קרקעיות

רשתות חיישן אלחוטיות (UWSN) מייצגות טכנולוגיה טרנספורמטיבית למגוון רחב של יישומים, מאוסף נתונים אוקיאנוסים ומעקב סביבתי לניהול שמן וגז, זיהוי צוללות ורובוטיקה תת-ימית של רשתות אלה מורכבים מנקודות חיישן אוטונומיות מבוזרות מרחבית, אשר משדרות באופן אלחוטי למגבלות אבטחה כגון טמפרטורה, לחץ, סליחות אקוסטיות, וריכוזים למשטח או תחנת דלק מרכזית, אך ורק על מגבלות אבטחה לטווח קצר.

ערוץ אקוסטי תת-קרקעי: סביבה עוינת להעברה של נתונים

בניגוד לרדיו- ⁇ תקשורת באוויר, תקשורת אלחוטית תת-ימית מסתמכת בעיקר על גלים אקוסטיים, כי גלים אלקטרומגנטיים חודרים במהירות רבה במי מלח. אותות אקוסטיים, עם זאת, מציגים שורה של ליקויים פיזיים-שכבתיים שיוצרים באופן קולקטיבי את אחד ערוצי התקשורת המאתגרים ביותר הידועים.

אובדן ותדירות - ירידה בעצירה

אותות אקוסטיים במים חווים תנופה משמעותית שעולה עם המרחק והתדירות.הספיגת הבקרה במי הים היא פונקציה לא ליניארית של תדירות, סליניות, טמפרטורה ועומק. לדוגמה, בתדירות של 10 kHz, אובדן הקליטה הוא בערך 1 dB / ספוט, אבל ב 100 kHz זה עולה בערך 30 dB / ק"מ.

Multipath Propagation ו Intersymbol Interference

גלי סאונד משקפים את פני השטח, התחתון, וכל חפצים מתערבבים, יצירת נתיבי הפצה מרובים בין משדר למקבל.ההתפשטות העיכוב המתקבלת עלולה להיות עשרות או אפילו מאות שניות, מה שגורם להפרעות בין-גזע חמורות (ISI) בשיעורי נתונים בינוניים. בעוד שטכניקות השוואתיות יכולות להפחית כמה ISI, את האופי המתמיד של ערוץ תת-ימי - עקב גלים על פני השטח, הנוכחי, ולא נהפך במהירות קודים כגון קודים של תיקון.

« רעש והפרעה

הסביבה אקוסטית התת-ימית רחוקה ממקורות רעש שקטים.שאפתנים כוללים צלילים ביולוגיים (סנפיד, לווייתנים, דגים), רעש משלוח, פעולת גל, גשם ופעילות תעשייתית.רעש זה הוא בדרך כלל צבעוני, כלומר צפיפות האנרגיה שלו אינה אחידה בתדירות. בסביבות מים רדודים, רמות רעש יכולות להשתנות באופן דרמטי על פני קשקשים קצרים.

Doppler להפיץ ו-Time Variability

תנועה חוזרת בין בלוטות החיישן לבין אמצעי המים גורמת ל-Doppler להתפשט, המציגה שינויים תדרים ולהרחיב את טווח האות המתקבל.אפילו סחף איטי של כמה קשרים יכול לגרום לאפקטים דופלר משמעותיים בתדרים אקוסטיים. בשילוב עם עיכובים ארוכי טווח הטמונים לשידור אקוסטי (כ-1,500 מ'/s), הערוץ הופך לסלקטיבי כפול - תוך זמן ותדירות גבוהה זו יכולה לפעול ביעילות קודים מדויקים של פגום.

קודים LDPC: יסודות תיאורטיים ונכסים מרכזיים

קודים LDPC הומצאו במקור על ידי רוברט גלגר ב-MIT עבודת הדוקטורט שלו, אך הם נותרו התעלמות רבה במשך עשרות שנים בשל העלות החישובית של חומרה מרתיעה באותה עת.גילוי שלהם באמצע שנות ה-90 על ידי MacKay, ניל ואחרים הציתו מהפכה בתאוריה של קידוד, וקודי LDPC משמשים כעת בסטנדרטים רבים כולל DVB-S2, 10ASE-T, Ethernet, 5G7, ו-R, 502.

בסביבה הקרובה של Parity-Check Matrix ו-Tner Graphs

(ה) LDPC (הקוד של LDPC) מוגדר על ידי מטריקס של מקוצר (n-k) × n, שבו n הוא אורך קוד ו k הוא מספר פיסות מידע "Sparse" כלומר מספר 1s in FLT:2HFLT 3 הוא קטן יחסית לגודל המטריקס - 1 (המספר של משוואה) אשר יכול להיות פחות מ- 1 עד 4.

גרף טנר מספק הדמיה אינטואיטיבית של מבנה הקוד.It is a bipartite גרפן עם שני סוגים של צמתים: נקודות משתנה (אחד לכל קודמה bit) ובדוק צות (אחד למשוואה) An edge מחבר משתנה node vreaph:0iFLT:1 כדי לבדוק שום קוד ריצוף:2jFLT 3 אם ורק אם HFlyratings) הוא מספר 1DIFlyrlier (מחדש)

קודים LDPC רגילים ו- Irregular LDPC

בקוד LDPC קבוע, לכל צומת משתנה יש אותו תואר (מספר הקצוות של אירועים) וכל בדיקת node יש אותו תואר. קודים Irregular להירגע זה מגביל, המאפשר משתנה ולבדוק מעלות על מנת להשתנות בהתאם להתפלגות תואר. קודים לא סדירים אופטימיזציה בזהירות יכול להופיע קרוב יותר למגבלת שאנון מאשר קודים רגילים של אותו אורך, מה שהופך אותם אטרקטיביים עבור ערוצי רוחב פס תת-ממים, אך ניתן גם להציג עיצובים יותר רגיש יותר.

הופעה קרובה-Shannon-Limit Performance

קודים LDPC הם קודים של קיבולת, כלומר עבור יחס אות מסוים (SNR), הם יכולים להשיג שיעורי מעט נמוך באופן שרירותי (BER) בשיעורים קרוב מאוד למקסימום התיאורטי (היכולת שאנון) עבור הערוץ האקוסיבי התת-ימי, אשר פועל בדרך כלל בחסרונות ספקטרליים (0.1-2 סיביות לשנייה לכל הרצה), ליד ביצועים אלה, קרוב לאפקטיביים מתקדמים יותר, ללא מגבלות מהירות גבוהה יותר, או חודשים קצרים יותר, ללא מגבלות מהירות גבוהה יותר, או קבועות, ללא מגבלות גבוהות יותר, או קבועות גבוהה יותר, או קבועות, ללא מגבלות מהירות גבוהה יותר, או גבוהה יותר, ללא מגבלות מהירות גבוהה יותר, או גבוהה יותר, בטווח זמן קצר יותר, ללא מגבלות מהירות גבוהה יותר, או קבוע, או קבועות גבוהה יותר, או קבועות גבוהה יותר, או קבועות גבוהה יותר, ללא מגבלות מהירות גבוהה יותר, בטווח זמן קצר.

החל קודים LDPC ל-Black Wireless Sensor Networks

שילוב קודים LDPC לתוך פרקטי UWSN דורש שיקול זהיר של אדריכלות פיזית שכבות, מגבלות משאבים של צמתים חיישן, ואת המאפיינים הדינמיים של הערוץ התת-ימי.הסעיפים הבאים לחקור את ההיבטים המרכזיים של פריסה מוצלחת.

קודקוד ו-block Long Selection

הבחירה של קוד קצב R = k /n משפיע ישירות הן יכולות תיקון שגיאות ויעילות ספקטרלית.עבור ערוצים תת-ימיים עם שיעורי שגיאה גבוהה, קודים נמוכים (R= 1/3, 1/2) מספקים הגנה חזקה אבל לצרוך יותר רוחב רוחב רוחב רוחב רוחב מידע מעט.עבור ערוצים עם שיעורי שגיאה מתונה, שיעורים גבוהים יותר (R= 3/4, 4/5) עשויים להיות מספיק להציע טוב יותר דרך לוח נתונים: יותר קודים יותר לקיבולת חסימת שאנון נמוכה יותר של פחות מ-1,000 שביתה, אך לעתים קרובות יותר של פחות או יותר של חיישן.

צו רציונאלי עם ספאאר Matrices

אלגוריתם BP מפענח קודים LDPC על ידי מסרים חולפים באופן יחסי בין משתנים לבדוק צמתים.כל אחד מהם כרוך עדכוני מחשוב בשני סוגים של צמתים באמצעות יחס הליהות של הערוץ וההתריעה הקודמת. כי כל אחד מהם כולל טבלאות:0HFLT:1 הוא ספאר, מספר ההודעות להיקף של הקצוות הקודמים, אשר אינם קבועים קודים עם קשקשים אחד קבועים.

עיוותים מעשיים בדרך כלל משתמשים במספר קבוע של טבלאות (10 עד 50) כדי לקשורות.הדמיה של המינוס-sum יכולה להפחית את העלות החישובית על ידי החלפת העדכון המורכב יותר של המוצר עם פעולה פשוטה יותר המבוססת על השוואה, עלות אובדן ביצועים קטן. עבור UWSNs שבו יעילות אנרגיה היא רבת ערך, הגרסאות של מינוס הוא לעתים קרובות מועדפים.

קידוד ושינוי

הערוץ התת-ימי הוא לא-סטרי עומק מים, תנאי פני השטח, ⁇ טמפרטורה עונתית, ופעילות ביולוגית כל השפעה על SNR ופרופיל רב-פתים.A LDPC-based UWSN יכול להשתמש בקידוד הסתגלות ומודולציה (ACM) כדי לעקוב אחר שינויים אלה.המקבל מעריך את איכות הערוץ הנוכחית (לדוגמה, באמצעות טייס מבוסס SNRestimator) ושולח הודעה ממקסימה את הגרסאות המתאימות להתאמה זו.com.

יתרונות קודי LDPC לתקשורת תת-קרקעית

טעות כמעט מושלמת ביצועים

היתרון העיקרי של קודים LDPC הוא היכולת שלהם לפעול קרוב מאוד ליכולת שאנון של שאנון. בפועל, זה אומר כי עבור שידור נתון כוח וקצב נתונים, LDPC-קודד UWSN יכול להשיג BER של 10FLT:0-60303FLT:1 או טוב יותר ב SNR כי יהיה בלתי ניתן לקודש או עם קודים חלשים יותר כמו Hamming או מתרגם ישירות לרשתות מתחת למים.

צו יעיל עבור אבני משאבים-מאומנים

בניגוד לתפיסה המוטעות כי LDPC decoding הוא אסרטיבי חישובי, את הספגות של מטריקס מרשם סלקטיבי עושה את אלגוריתם BP יעיל מאוד. a-optimized decoder המיושם על כוח נמוך ARM Cortex-M4 microcontroller יכול לפענח קודים LDPC של אורך 2,048 סיביות בשיעורי נתונים של כמה קילוביט לשנייה בעוד שלעתים קרובות הוא לא עובד על גבי סוללות מימית טיפוסית.

גמישות ו Scalability

קודים LDPC מציעים גמישות יוצאת דופן.אדריכלות קודר / קודר יכול לתמוך שערי קוד מרובים וחסימת אורכו על ידי פשוט שינוי מטריקס parity-check. זה מפשט חומרה ועיצוב תוכנה עבור UWSN אשר חייב לפעול בסביבות מגוונות - ממים החוף רדודים ועד אגן האוקיינוס העמוק.

רובוסטנס לשגיאות בורסט

לעתים קרובות ערוצים תת-ימיים מייצרים שגיאות מפוצצים עקב הפעוט העמוק ואירועי רעש אימפולסיביים האופייניים להפצת אקוסטית.בעוד שקודי LDPC נועדו באופן חד-משמעי לשגיאות אקראיות, הם יכולים להיות חזקים כדי לפרוץ שגיאות באמצעות אינטגרציה.על ידי הפצת ביטים של קודים מרובים על פני שידור ארוך יותר, בין היתר ממירים ארוכים לשגיאות מבודדות ש-DPC יכול להיות שילוב של מערכות תקשורת נורמטיביות רבות.

אתגרים ועיצוב סחר-offs

המונחים: growth

למרות LDPC decoding הוא יעיל, ⁇ יכול להיות יקר חישובי אם לא מטופל בזהירות. כללי LDPC ⁇ דורש ריבוי על ידי מריצה גנרטור צפוף, אשר יש O(n2) מורכבות. עם זאת, קודים QC-LDPC עם פחות triangular parity-check matrices לבדוק את ה- O(n) זמן באמצעות תמרורת משוב. עבור UWSs, QC-PC הם קודים המאפשרים נמוכים, ולכן אפשרות אפשרות אפשרות קידוד על חיישן קידוד נמוך.

דרישות זיכרון עבור מטריקס פארטי-צ'ק

בהנחיית המטריקס של ה- parity-check:0 [HoriFLT:0]Horiph:1 [בזיכרון של הצומת] יכול להיות בעייתי עבור קודים ארוכים מאוד.מטריקס בגודל 1000 × 2,000 עם צפיפות של 1% יהיו 20,000 ערכים לא אפסיים.לעבור את אלה כמו 16 סיביות אינדיקציות דורשות kPC, אשר מקובל על מיקרו-בקר מודרני רבים, אך יכול להיות אסור עבור מורשת או אולטרה-סגולה של כמה מאות מטרים, כמו CD, כמו אפסים, כמו אפסים, כלומר, על ידי אחסון קטן, על ידי כמה , 000.

אנרגיה של צו אנרגיה

האופי הרציני של LDPC decoding אומר כי צריכת האנרגיה עולה עם מספר ההאקרים.בקיצור אנרגיה של UWSN node, הcoder עשוי להיות צורך לסחור מחוץ לביצועים עבור חיי סוללה.טכניקות סיום מוקדם - כגון הפסקת פענוח ברגע שהבדיקות parity מסופקות - יכול להפחית את המספר הממוצע של הזיהומים, במיוחד ב SNR גבוה, את הקוד יכול להיות כבוי תקופות כוח לחלוטין.

בעיות מחקר פתוחות ופתיחות

ערוץ משותף אסטנסציה ושחרור

רוב המקלטים הנוכחי של UWSN מתייחסים לדלקת ולדהוק כמו שלבים נפרדים.עם זאת, קודים LDPC מתאימים היטב להתאמה משותפת וניתוק (השוואת טורו), שבו מידע רך מן הדלקוד הוא ניזון בחזרה כדי לחדד את ההערכה הערוץ. גישה זו יכולה להביא רווחים משמעותיים בערוצי תת-ימיים כפולים, אבל היא מגיעה עלות של נדיבות מוגברת ומורכבות פעילה.

Machine Learning for Adaptive Code Selection

טכניקות למידה ולמידה בפיקוח ניתן להשתמש כדי לחזות את שיעור הקוד האופטימלי LDPC וחסום אורך בהתבסס על תצפיות ערוץ קודמות, מודלים של הדבקה אקוסטית, ונתונים חיישן בזמן אמת כגון טמפרטורה ופרופילי עומק. תוצאות סימולציה מוקדמת להראות כי קידוד חיזוי כזה להפחית רנסנסטורים על ידי 30–50% בהשוואה לקידוד קבוע, עם חישוב צנוע מעל פני.

המונחים: suboustic Modems

(הופנה מהדף אירגוני) , כגון יצרנים כגון FLT:0EvoLogicsFLT:1,FLT:2SubconncioFLT 3, ו-FLT:4L3HarrisFLT:5 תומך יותר ויותר בשכבות פיזיות מוגדרות תוכנה, המאפשרות פריסת תוכניות קידוד LDPC מותאם אישית.

פעילות אנרגיה-ניטראלית עם LDPC Coding

כטכניקות של התחממות אנרגיה (למשל, מזרם האוקיינוס, ⁇ תרמיים או רטט) בוגר, צומת UWSN יכול לפעול תמידיות. LDPC עיצוב קוד עבור נושינג אנרגיה חייב להסביר עבור פיזור תקציבי אנרגיה, עשוי להתאים את שיעור קוד וספירה בזמן אמת כדי להתאים את החוקרים ב-FLT של מערכת ההפעלה התת-קרקעית של האוקיינוסים, לא הוכח כעת כוח מרכזי של ניהול האוקיינוסים של 1-הטבע.

מסקנה

קודים LDPC מציעים פתרון חזק ומעשי למגבלות הערוץ החמורות המגדירות רשתות חיישן אלחוטיות תת-ימיות.הביצועים של תיקון שגיאות-העצמיות של השגיאה, אלגוריתמים יעילים של אלגוריתמים, וגמישות מבנית הופכת אותם למותאמים ייחודית היטב ליישומים המשולבים, המוגבלים והמגבילים של רשתות תקשורת אקוסטיות, הנמשכות מתחת לפני השטח, בעוד שהאתגרים – בייחוד בטכניקות המתמידות והגמישות הגמישות הגמישות הגמישות, הגמישות ההולכת ומתאימתות, ימשיכו לכדי להתאים את הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות העוצמתית, את ההולכת ומתאמת של הגמישות, את הגמישות הגמישות, לשיטות המשולבת, הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות, הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות הגמישות ההולכת ומתאמת-C.