Giriş Giriş Giriş

Daha yüksek veri oranları için sürekli talep, daha düşük gecikme ve büyük bağlantı 4G LTE'den 5G Yeni Radyo'ya kadar kablosuz iletişim standartlarının evrimine yol açtı (NR) Bu dönüşümün kalbinde kanal kodlama - kanallama sırasında ortaya çıkan matematiksel çerçeve (LC) ve büyük makine-Type (mMTC)

5G NR'de, 3. Nesil Ortaklığı Projesi, 4G LTE'de kullanılan turbo kodların değiştirilmesini ve standartlaştırma çabalarının sonucu olarak, teknolojinin olgunluğunu ve 5G'in sıkı performansını ve esneklik koşullarını karşılama yeteneğini yansıtmaktadır.Bu makale, 4G LTE kodlarında kullanılan kapsamlı, teknik olarak erişilebilir bir keşif sunar.

Arka plan: Kanalın Evrimi Kablosuz Standartlar

Kanal kodlaması, her mobil iletişimin temel taşı olmuştur. Erken sistemler (2G GSM) konvolutional kodlara dayanıyor; 3G WCDMA ve 4G LTE, 1990'larda bir atılım olan Turbo kodlarıydı. Turbo kodları bunu, Shannon limitine yakın ve performans gösterdi, ancak yüksek dekoding karmaşıklığı ve sınırlı paralellik yaşadılar, 5G WCDMA ve 4Gbps'nin 5G’in hedeflerinden dolayı uygun olmayan bir şekilde sundular.

LDPC kodları, aslında Robert Gallager tarafından 1963 Doktora tezinde keşfedildi, muhtemelen hesaplama pratik algoritmaları nedeniyle görmezden geldi; 1990'ların sonlarında tekrarlanan ve turbo kodlarına güçlü rakipler olduğunu kanıtladılar.

5G NR'de, LDPC kodları kontrol kanalları için seçildi (Fiziksel Kanal, PDSCH ve Fiziksel Uplink Ortak Kanal, PUSCH), ancak 0:0)polar kodları[Dönetici kodları[Döneticileri) kontrol kanalları için seçildi. Bu çift kodlama yaklaşımı farklı bağlantı gereksinimleri için bir optimizasyon - yüksek kodlu, veriler üzerinde esnek hata düzeltme ve kısa, güvenilir kontrol mesajları için kutup.

Prototiplenmiş LDPC kodları nedir?

Parity-Check Matrices to Prototips

Geleneksel bir LDPC kodu, bir dizi değişken düğüm ve çek düğümleri tarafından tanımlanır - bu bir detemplate) çok daha büyük bir kod inşa etmek için.Protograf, her düğüm ve kenarda belirli sayıda kopya ile (özellikle de iki tane) ve permuting kenarları ile belirli bir süre boyunca "parçalı bir tablonun yerinin değiştirilmesi ile büyük bir kontrol edici özelliği ile "parçalı bir yapılama özelliğidir.

Daha resmi olarak, protograf küçük bir matrixtir.[Dönetici:0)[Düzdül:2)[Düzücükler, ×][/tr|Döneticileri)[Döneticileri değiştirmiş gibi)[Dönemlileri değiştirmişler (Dönemli) s.

Notsız LDPC üzerinde temel avantajlar

Prototip tabanlı inşaat, rastgele inşa edilmiş LDPC kodları üzerinde birkaç çekici avantaj sunar:

  • [FONT:0] Design Siky:[Dönetici:[Dönetici:0) Tek küçük bir protograf, çeşitli uzunluk ve oranların kodlarını üretmek için kaldırılabilir ve standartlaştırma. 5G NR'de standart iki temel grafiği tanımlar (BG1 ve BG2) protograf olarak hizmet eder.
  • [FONT:0) Kontrollü Hata Kat: [Döneticisel yapı, tasarımcıların sorunlu grafikler yapıları ortadan kaldırmalarına izin verir (örneğin, uzun süre döngüleri 4) bu, ultra-reliable bağlantılar için kritiktir.
  • [FONT:0)Linear Time Encoding:[Dönerli tasarımla, parity-check matrix daha düşük-triangular, matrixin yapısını açık jeneratörlü matrix multiplikasyon olmadan doğrudan kodlamaya olanak sağlar.
  • [FONT:0] Parallel Decoding: Kaldırılmış matriklerin blok-cirli doğası, vektörize operasyonları ve birden fazla işleme elementini kullanan yüksek kodlu, düşük çözünürlükte deşifreleri kolaylaştırır.
  • [FONT=0]Flexible Rate and Length:) Puan uyumluluğu, puncturing, kısalama ve protografı genişletin. Bu, 5G NR tarafından gerekli olan çeşitli kod oranları ve blok boyutları için gereklidir.

5G NR'de Prototiplenmiş LDPC: A detailed Look

LDPC neden Turbo kodları üzerinde Chosen

5G standartlaştırma süreci, 20 Gbps downlink ve 10 Gbps uplink'in üst düzey veri oranını destekleyecek bir kanal kodlama planı gerektiriyordu, kullanıcı düzlemi için 1 ms'in altındaki latencies, orta kod rejimlerde mükemmelken, iki temel engel mevcut: (1) dekoding iki interlokasyonlu konvolu kodlar, paralellik ile tamamen paralellik; (2) blok boyutu küçükken yüksek bir hata zeminden muzdariptir.

İki Base Graphs: BG1 ve BG2

5G NR, veri taşıma blokları için iki protograf (base grafikler) kod oranlarının tamamını (yaklaşık 1/5 ila 8/9) ve blok uzunlukları (toplamdaki 40 ila 8448 bit) kapsamak için tanımlamaktadır:

  • [FONT:0)BG1[DÜDÜT:1) (Base Graph 1): Büyük blok boyutları ve yüksek kod oranları için tasarlanmıştır (yaklaşık > 0.3) 46 satır (ekleme düğümleri) ve 68 sütunu (değişik düğümler), bilgi için 2 sütunlar, 2 punktured değişken düğümler için ve geri kalanı parity sütunları için mükemmel eşik performansı sağlar. BG1 uzun kodlar için kapasiteye yakın mükemmel bir eşleme performansı sağlar.
  • [FONT=0)BG2[Dönetici: Daha küçük blok boyutları ve daha düşük kod oranları için optimize edilmiştir (yaklaşık ≤ 0.3). 42 satır ve 52 sütunu vardır. BG2, daha düşük gecikme gecikme gecikme ve daha iyi performans nedeniyle kısa bloklar ve URLLC uygulamaları için daha uygun.

Tam kaldırma faktörü:0)Z), önceden tanımlanmış değerlerin bir setinden seçilir (2, 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24, 32, 48, 64, 96, 128, 192, 256, 384) her bir taşıma hattı için kullanılan bir döngüyü kaldırır. Standart aynı zamanda, aynı zamanda vektörlerin kümesini kullanan yüzlerce farklı performansa sahiptir.

Maç ve HARQ Destek

Puan eşleştirmesi, farklı kanal koşullarına ve HARQ retransmissions'a adapte olmak için gereklidir. 5G NR LDPC encoder ilk olarak sistematik bir kod kelime üretir. Ardından, bir dairesel bubell depolar kodlu bitleri içerir. İstenen kod oranına bağlı olarak, birazlar hiçbir zaman bubelli bir başlangıç noktası ve uzun süre ile geri dönüşümlü olarak geri dönüşümlü hataya ve düzeltme kurallarına uymaya izin verir.

HARQ için, artımlı kırmızıdanlık, her bir retransmission'daki farklı alt kümeleri göndererek elde edilir. Çünkü orijinal protograf zaten donanıma sahip değildir - her bir retransmisyon, birleşik kesintiye yol açan yeni reddant sunar.

5G'de performans Vakaları Kullanıyor

Protografya tabanlı LDPC kodlarının yanlışlığı, 5G'nin çeşitli gereklilikleriyle tanışma yeteneği tarafından gösterilmiştir:

  • [FONT:0) MBB (Enhanced Mobile Broadband): [DG1, 10 Gbps'nin ötesindeki paralel kesinti mimarisine izin veren 5G NR üssü istasyonunun bu oranları orta alana kadar koruyabileceği.
  • [FONT=0)URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications): kısa paketler için (örneğin, 50-200 bit) düşük kod oranları ile 1/5 olarak kullanılabilir. Tasarım, küçük bir sayı ile (BP) tarafından kullanılan bir hata zeminini sağlar.
  • [FONTD:0]mMTC (Massive Machine-Type Communications): [Dönetici cihazlardan sporadik kısa paketler için, faktörleri değiştirmek ve daha küçük temel grafiklere sahip olmak, aynı LDPC motorunun kullanıcı başına on binlerce eş zamanlı bağlantı kurmasını sağlar.

Uygulama Aspects: Decoder Architectures and Hardware Verimliliği

Katmanlı Belief Peragation Decoding

Uygulamadaki LDPC kodları için en popüler dekoding algoritması kullanılır:0) Büyüklük (BP) algoritması), ayrıca bellek gereksinimleri ve ürün algoritması olarak da bilinen 5G NR, bir tabakalı (veya "horizontal") zamanlama yaklaşımı kullanılır: her bir satır aynı grafik düğümleri kullanarak aynı satırları kullanarak aynı satırları kullanarak işlem yapan bir dizi kontrol düğümleri kullanır.

Forput and Latency Trade-offs

Tipik ticari 5G NR LDPC decoders, tek bir ASIC çekirdeği üzerinde 10-20 Gbps'nin kodlarını elde edebilir. Örneğin, Z = 384 (en yüksek) URL için bir kod bloku işlemine izin verebilir 8448 bitim) birkaç mikrosaniyede. 20 Gbps'yi desteklemek için, birden fazla dekoder çekirdeği paralel olarak her bir şekilde, her biri URL'yi farklı bir şekilde şarj edebilir.

Encoder ve Rate-Matcher Uygulama

Protografya tabanlı yapı da kodlamayı basitleştirir. Parity-check matrix daha düşük harfli bir jeneratör matrisi için tasarlanmıştır (parat parçası için iki köşeli yapı ile, 5G NR spesifikasyonu olarak), encoder, hem de lineer bir recurrence kullanarak paritesi hesaplar.Bu, yüksek çözünürlükte bir kanalda uygulanan bir kanalda kullanılan bir kanalda bir çift-diagonal yapı kullanır.

4G LTE'deki Turbo Kodlarla Karşılaştırma

Gelişimi takdir etmek için, tipik bir 4G LTE üssü istasyonunu göz önünde bulundurun: turbo dekoder throughputs are around 150 Mbps required many parallel cores with high Interleaving complex.In contrast, a single 5G NRPC LD base can over 10 Gbps while using less silikon area per Mbps. The reducePC codes have a better energy activity (bits per Joule) because their simple decoding operations.This is why all major chips chips chips chips.

Dış bağlantılar ve daha fazla okuma

Matematik ve pratik yönlerine daha derin atmayı arzulayan okuyucular için, aşağıdaki yazar kaynakları tavsiye edilir:

  • [0]3GPP Teknik Raporu 5G NR[DÜT:1) için Telgrafi Raporu - Resmi özellikler (TS 38.212).
  • [FONT:0)IEEE Access: "5G Yeni Radyo için LDPC Kodlarının Kapsamlı Bir İncelenmesi" ) - Kod tasarımını, performans ve uygulamaları kapsayan bir araştırma.
  • [FONT:0]NIST Public Paper: 5G NR) için Grafik İnşaat ve kaldırmanın ayrıntılı açıklaması.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Hata Zemin ve Güvenilirlik Geliştirilmiş

Protografya tabanlı LDPC kodları çoğu pratik uygulamalar için mükemmel bir hata alanı davranışına sahip olsa da, bazı aşırı koşullar (örneğin, yüksek SNR, çok düşük kod oranı) 10'un altındaki hata zeminini ortaya çıkarabilir[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD) BLER'nin standartı için seçenek olarak kabul edilir.

5G'nin Ötesinde: 6G Tahminleri

6G için kanal kodlaması seçimi zaten tartışılmaktadır. Adaylar [FONTD:0]Spatily çiftleştirilmiş LDPC kodları[Dönemli) (protograf kodlarının geçici olarak değişkeni) ve [[Döneticileri) yardımcı olmak için [Dönemli LDPC kodları[Döneticileri) ek kodlama kazanımlarını sıkıştırabilir.

Küçük hücrelerde ve IoT'de Uygulama Meydanları

Kitlesel piyasa IoT cihazları için, decoder güç tüketimi, hafıza ve mantığın daha büyük bir endişesidir. Araştırma, LDPC için bu düşük maliyetli değerleri zaten destekliyor (Z = 2, 4) ve [[D:2) ve devre tasarımı (örneğin, yakın zamanda) için (örneğin, batarya ömrünü uzatacak.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Protografya tabanlı LDPC kodlarının 5G NR standartlarında kabul edilmesi, kodlama teorisi ve pratik uygulamadaki on yıllar boyunca bir culminasyonunu temsil eder. Yüksek performanslı hata kaydı tasarımı (BG1 ve BG2) için yapılandırılabilir bir çözüm sunar, böylece 5G ağlarının ekstra kapsamını karşılayan bir çözüm sunar - çoklu-Gbps eMBB'den ultra ölçeklenebilir URLLC ve büyük ölçekli bir ölçeklendirme işlemine izin verir.

Kablosuz ağ 5G-Advanced ve 6G'ye göre geliştikçe, protograf tabanlı LDPC kodlarının arkasındaki ilkeler ilgili kalacaktır.Entelektograf tabanlı minimum mesafe ve lineer kodlama karmaşıklığı ile kodlar tasarlama yeteneği, yüksek seviyeli mimarilerle birlikte, LDPC kodlarının yakında şarj edilemeyeceğini garanti eder. 5G baz istasyonlarında çalışan mühendisler için, kullanıcı ekipmanı veya IoT modülleri, protografya tabanlı LDPC kodları ile birlikte değildir - daha kablosuz bağlantı kurmanın temel bir şartı değildir.