מבוא

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר, לנטיות נמוכות יותר, וקישוריות מסיבית הניעה את האבולוציה של תקני תקשורת אלחוטיים מ- 4G LTE ל- 5G רדיו חדש (NR) בלב הטרנספורמציה הזו, את המסגרת המתמטית שמתקנת שגיאות המוצגות במהלך שידור מעל ערוצי רדיו רועשים.הבחירה של תוכנית ההקידוד הנכונה היא קריטית להשגת הביצועים הכמעט-Shannon-limitים הנדרשים להרחבה של Mobile Broade (B-Mc-Creative Communications-la-R) ו-la-R.

ב-5G NR, פרויקט השותפות הדור השלישי בחר ב-FLT:0 (protograph מבוסס Low-Density Parity-Check (LDPC) קודים של הדור השלישי (LDPC) 1 עבור ערוץ הנתונים, החלפת קודים טורבו בשימוש ב-4G LTE. החלטה זו הייתה תוצאה של מחקר מקיף וסטנדרטיזציה, תוך שהיא משקפת את הבשלות של הטכנולוגיה ואת יכולתה לענות על ביצועי המולטימדיה וגמישות של 5G, אך מאפשרת שימוש מקיף של שימוש במקרים של עבודה טכנית, אך ורק אז, אך ורק אז, אך ורק אם כן, מדוע הם לאו.

רקע: האבולוציה של ערוץ Coding ב-WiFiual Standards

הקידוד של ערוץ היה אבן הפינה של כל דור של תקשורת סלולרית.מערכות מוקדמות (2G GSM) התבססו על קודים אבולוציוניים; 3G WCDMA ו-4G LTE אימצו קודים טורבו, שהיו פריצת דרך בשנות ה-90.קודים טורבו הציעו קידוד וביצועים החלים הדוקים למגבלת שאנון, אך הם סבלו ממורכבות ושקיפות גבוהה, מה שהפך אותם לבלתי מתאימים למטרות מרובות של 5G.

קודים LDPC, שגלו במקור על ידי רוברט גלגר בתזה שלו בשנת 1963, התעלמו בעיקר בשל האימפולסיבית החישובית שלהם באותה עת.הם התגלו מחדש בסוף שנות ה-90 ועד מהרה הוכיחו להיות מתחרים חזקים קודים טורבו.קודי LDPC יש כמה יתרונות תיאורטיים: s ⁇ s s sexit Check-matrix, אשר מאפשר אלגוריתמים פשוטים ומקבילים יותר; ביצועים גבוהים יותר; תוכנית הגנה אוטומטית;

ב-5G NR, קודים LDPC נבחרו לתעל הנתונים (ערוץ הדלפק הפיזי, PDSCH וערוץ משותף של PUSCH), בעוד FLT:0 קודים קוטביים 1 נבחרו עבור ערוצי בקרה.גישה דו-קולית זו משקפת אופטימיזציה לדרישות קישורים שונות -LDPC עבור גבוה באמצעות חישוב, שגיאות גמישות על נתונים, וקיצור של מידע, מדוע שימוש בנתוני מיקרו-קוגרף הפך ליתרונות יעילים יותר.

מה הם קודי LDPC המבוססים על פרוטוגרף?

מתוך Parity-Check Matrices to Protographs

קוד LDPC קונבנציונלי מוגדר על ידי גרף דו-פרטי (Cli-check matrixFLT:0HoriFLT:1 ; A Protograph הוא גרף דו-פרטטי קטן - באופן חד-משמעי עם רק כמה צמתים משתנים ובדוק צמתים - המשמש כ-FLT:2templateFLT 3 עבור בניית קוד גדול הרבה יותר.

(ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יתרונות מרכזיים מעל LDPC

בנייה מבוססת פרוטוגרף מציעה מספר יתרונות משכנעים על קודי LDPC שנבנו באופן אקראי:

  • (FLT:0) עיצוב Simplicity:FLT:1 ניתן להרים פרוטוגרף קטן אחד כדי לייצר קודים של אורכו ושיעורים שונים, המאפשר סטנדרטיזציה. ב 5G NR, תקן מגדיר שני גרפים בסיס (BG1 ו- BG2) שמשמשים כפרוטוגרף.
  • (FLT:0)controlled Error Floor:FLT:1 המבנה הדטרמיניסטי מאפשר למעצבים לחסל מבני גרף בעייתיים (למשל, מחזורי אורך 4) אשר מדגימים ביצועים באזור רצפת השגיאה.
  • (FLT:0)Linear Time Encoding:FLT:1 עם עיצוב נכון, את מטריקס קופה-check ניתן לעשות נמוך-triangular, המאפשר אופטימיזציה ישירה באמצעות המבנה של ממטריקס ללא רב-תכליתי גנרטור מפורש.
  • (FLT:0)Parallel Decoding:FreaLT:1) האופי החסום-המטמון של מזחלות הרים מקל על תפוקה גבוהה, קודים בעלי עוצמה נמוכה, אשר מינוף פעולות ורכיבי עיבוד מרובים.
  • (FLT:0) שיעור ה-Flexible Rate ואורך:FLT:1 , תאימות לקצב מושגת באמצעות puncturing, קיצור וההרחבה של הפרוטוגרף.זה חיוני לשיעורי הקוד המגוונים ולחסימת גדלים הנדרשים על ידי 5G NR.

Protograph-based LDPC ב 5G NR: מבט מפורט

מדוע LDPC היה צ'וסן מעל קודי טורבו

תהליך סטנדרטיזציה 5G דרש תוכנית קידוד ערוצים שיכולה לתמוך בנתוני שיא של 20 Gbps downlink ו 10 Gbps Uplink, עם עדשות בעלות מטוס מתחת 1 מ"מ עבור קודים של כתובת URL. Turbo, בעוד מצוין במשטרים בינוניים, להציג שני מכשולים יסודיים: (1) הקידוד שלהם הוא חד-משמעי בשל השימוש של שני קודים בין-מבולליכים, הגבלת מקבילה (com) עם מקבילה נמוכה, כאשר הם סובלים מ- mTC נמוך, כלומר, אם הוא מקבילה, אם הוא מורכב מ- mLCC, אם הוא מורכב מ- mTC, כלומר, אם הוא מורכב מ- מקבילה, אם הוא מורכב מ- מקבילה, אם הוא מורכב מ- mLCC, כלומר, אם הוא מורכב מ- מקבילה, אם הוא מורכב מ- mTC, אם הוא מקבילה-מקודמתיקברמה נמוכה, כלומר, אם הוא מורכב באופן מלא, אם הוא מורכב באופן מלא, אם הוא מורכב מ-מקודמתקברמה נמוכה, אם הוא מורכב מ-מקודמתקבמידת מורכבות גבוהה עם מורכבות, אם הוא מורכב מ-מקודמתקפה נמוכה, אם הוא מורכב באופן קבוע, אם הוא מורכב

שני ראשי התיבות של BG1 ו- BG2

5G NR מגדיר שני פרוטוגרפים (גרפים בסיס) כדי לכסות את טווח מלא של שערי קוד (מ 1/5 עד 8/9) וחסימת אורך (מ-40 עד 8448 סיביות עבור בלוקים של תעבורת נתונים):

  • (FLT:0)G1igFLT:1 (Base Graph 1): מיועד לגדלים בלוק גדולים יותר ושיעורי קוד גבוהים יותר (בשורה: 0.3) יש 46 שורות (בדוק nodes) ו-68 עמודות (עמודים קבועים), כולל 2 עמודות עבור ביטים מידע, 2 עבור נקודות משתנה מפונק, ואת השאר עבור עמודות BG1 מספק ביצועים מצוינים עבור קודים ארוכים.
  • (FLT:0)G2IRFLT:1 (Base Graph 2): אופטימיזציה עבור גדלים בלוק קטנים יותר ושיעורי קוד נמוכים יותר (בתוצאה ⁇ 0.3) יש 42 שורות ו-52 עמודות. BG2 מתאים יותר עבור בלוקים קצרים ויישומים של URLLC בשל הדבקות הנמוכה ביותר שלה וביצועים טובים יותר ביחסי אות גבוה יותר לרעש.

(הופנה מהדף ה[[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]] [[[[1924]],

דירוג התאמה ותמיכה של HARQ

התאמה לקצב היא חיונית להתאמה לתנאי ערוץ שונים ו-HarQ Retransmissions.The 5G NR LDPC encoder הראשון מייצר קודמה שיטתית, ואז, חיץ מעגלי מאחסן את הפיסות הקודיות.בהתאם לשיעור הקוד הרצוי, ביטים קוראים מן ה- bumatch עם נקודת התחלה מסוימת ואורך, ומאפשר הסתגלות חלקה ללא שינוי הקוד.

עבור HARQ, Redundancy incremental מושגת על ידי שליחת תת-קרקעיות שונות של פיסות ההסתברות בכל רנסנסרציה. כי הפרוטוגרף המקורי כבר מכיל סט חזק של בדיקות parity, כל אחת מההתרסה מוסיפה חדש אדמוניות שמשפר את הקידוד המשולב.הקוד יכול לשלב את הסבירות מכל השידורים, וכתוצאה מההרמת המובנה, שום אינטרלה בין השידורים הדרושים.

ביצועים ב 5G שימוש במקרים

הגמישות של קודים LDPC המבוססים על פרוטוגרפיה הודגמה ביכולתם לעמוד בדרישות המגוונות של 5G:

  • (FLT:0) (Enhanced Mobile Broadbandeur): FLT 1 עבור חבילות ארוכות (למשל, 10,000 ביטים או יותר) בשיעורי קוד גבוה (למשל, 5/6 או 8/9), BG1 פועל בתוך 0-0.2 dB של יכולת שאנון, המאפשר שיא באמצעות חישובים מעבר ל-10 Gbps.
  • (הופנה מהדף Low-Latency Communications): ⁇ FLT:1 עבור חבילות קצרות (למשל, 50-200 ביט) עם שערי קוד נמוך כמו 1/5, BG2 משמש.
  • (FLT:0)mTC (Massive Machine-Type Communications): 1FLT עבור חבילות קצרות ספירודיות ממכשירי IoT, הגמישות לשנות את גורמי הסרת ואימוץ גרגרי בסיס קטנים יותר מאפשר לאותה מנוע LDPC להתמודד עם עשרות אלפי קשרים במקביל עם מורכבות מתונה למשתמש.

יישום Aspects: Decoder Architectures and Hardware Efficiency

הקטנת אמונות

האלגוריתם הפופולרי ביותר עבור קודים LDPC בפועל הוא האלגוריתם (FLT:0) אלגוריתם קידוד (BP) אלגוריתם LDFLT:1, הידוע גם בשם אלגוריתם המוצר. ב 5G NR, שכבתי (או "horizontal") תזמון משמש: כל אחד מתהליכי ההמראה הבסיס (כלומר, סט של בדיקה לא ניתן להוריד את אותה דרישות מקבילות על ידי מהירויות לא ניתן להפחתה המקבילה (לא ניתן להפחתה) בהשוואה לכל מהירויות של לוח זמנים מקבילות).

באמצעות מטענים וסחר-שקיפות

טיפוסי מסחרי 5G NR LDPC קודקודנים להשיג באמצעות מספר 10-20 Gbps על הליבה של ASIC יחיד.לדוגמה, באמצעות Z= 384 (המקסימום) עם BG1, קוד יכול לעבד בלוק קוד בגודל 8448 סיביות בחלק המיקרו-שניים. כדי לתמוך ב- 20 Gbps, מספר קודים ניתן לספוג סיפוק מיידי במקביל, טיפול בכל קוד של קוד פתוח עבור מגבלות ארוכות (L) על בסיס שימוש ב-URL (L) (L) (L) (השימוש ב-URL) ב-URL) (הקודים (הקודים (L) (L) (L) על בסיס כפל כפל כפל כפל קידודים על בסיס כפל קיבולת (L) על בסיס כפל קידודים (L) על בסיס כפל כפל כפל כפל כפל קידודים).

Encoder and Rate-Matcher Implementation

המבנה מבוסס פרוטוגרף גם מפשט את הקידוד.מכיוון שהמטריקס של ה- parity-check נועד להיות triangular נמוך (עם מבנה כפול-דיגוני לחלק השוויון, כמו למשל עבור 5G NR ספציפי), ה-codeer יכול להיות computeity bits מוגדר באמצעות חזרה ליניארית.זה נמנע את הצורך עבור מאטריקסטורף צפוף.

השוואות עם קודי טורבו ב 4G LTE

כדי להעריך את השיפור, לשקול תחנת בסיס 4G LTE טיפוסית: טורבו דהקודר באמצעות מחשבים היו סביב 150 Mbps לכל הליבה, והשגת 1 Gbps דרשה ליבות מקבילות רבות עם מורכבות רבת משקל גבוהה.לעומת זאת, אחד 5G NR LDPC הליבה יכול לעלות על 10 Gbps תוך שימוש פחות שטח סיליקון עבור Mbps.הכוח הוא גם בולט - יש קודים 5GT יעיל יותר עבור iOS (D) עבור כל אלה יעיל יותר עבור שבבים יותר עבור שבבים (D) עבור כל פעולות יותר עבור שבבים יותר עבור כל אלה.

קישורים חיצוניים וקריאה נוספת

עבור הקוראים המבקשים לצלול עמוק יותר לתוך ההיבטים המתמטיים והמעשיים, המשאבים הסמכותיים הבאים מומלץ:

אתגרים וכיוונים עתידיים

רצפה וחיזוקים של אחריות

בעוד קודים LDPC המבוססים על פרוטוגרפיה יש התנהגות מעולה של פיקסלים עבור יישומים מעשיים, תנאים קיצוניים מסוימים (למשל, גבוה מאוד SNR, קוד נמוך מאוד) יכול לחשוף רצפות שגיאה מיושנות מתקדם ממשיך על FLT:0post-מעבד טכניקות (FLT) אך ניתן להוסיף סטטיסטיקות מפולות או בדיקת שיתוק) לרמה מתחת ל- 10:5GD) LTD (FD) כולל את האפשרות של 5DGD) LTD.

מעבר ל-5G: 6G שיקולים

(הופנה מהדף 6G (התרחבה סביב 2030) כבר שנוי במחלוקת.מועמדים כוללים:0spatially Coupled LDPCcodesFLT:1 (גרסה של קודים פרוטוגרף עם מבנה דמוי אבולוציה) ו-FLT:2 ללא-binary LDPCFLT 3, אשר יכול ללסחוט רווחים נוספים המבוססים על קידוד, כלומר, לדוגמה, הפונקציה של קידוד:

אתגרים בתאים קטנים ו-IoT

עבור מכשירים פיננסיים בשוק המוני, צריכת הכוח הקודר היא דאגה גדולה יותר מאשר טהור באמצעות חישוב.מחקר מתמקד על FLT:0 מאוד קטן הסרת גורמים מיפוי 1 (Z=2, 4) ו-FLT:2reduced דיוקFLT 3-6 סיביות) כדי למזער זיכרון ולוגיקה.

מסקנה

אימוץ של קודים LDPC מבוססי פרוטוגרף ב- 5G NR מייצג שיאה של עשרות שנים של מחקר בתאוריה שיתופית וביצוע מעשי. על ידי הצגת מסגרת מובנית, מצופה על בניית קודים בעלי ביצועים גבוהים, קהילת 3GPP סיפקה פתרון אשר עונה על הדרישות המגוונות של רשתות 5G - מ-Gbps eB ועד ל-URL בעל ביצועים גבוהים, ומאפשרת קוד כפול (R) ו-MLCDECT יעיל.

בעוד רשתות אלחוטיות מתפתחות לעבר 5G--- מתקדם ו- 6G, העקרונות שמאחורי קודים מבוססי LDPC מבוססי פרוטוגרף יישארו רלוונטיים.היכולת לעצב קודים עם מרחק מינימלי מובטח ומורכבות לינארית, בשילוב עם ארכיטקטורות מקבילות גבוהה, מבטיחה כי קודים LDPC לא בקרוב planted. עבור מהנדסים עובדים על 5G תחנות בסיס, ציוד משתמש, או IoT, הבנה מבוססת קודים עבור קודים בסיסיים כבר לא יהיה יותר עבור הדור הבא של קישוריות.