Deep Space'de Güvenilir İletişimin İmperative

Dünya yörüngesinin ötesinde çalışan uzay aracı eşsiz bir düşmana karşı bir iletişim ortamıyla karşı karşıyadır. Signal power attenuatese göre veri oranları Mars'ta bir verici veya her bir karasal kule için milyarlarca kez daha zayıf olan bir sinyal sunar. Bu aşırı yol kaybı, kozmik gürültü, güneş müdahalesi ve bıçak geçişleri, yanlış bir bilgi teorisine göre çarpık bir şekilde sabitlenebilir.

Mühendisler, zayıf sinyaller ve güvenilir veri kurtarma arasındaki boşlukları köprülemek için uzun zamandır ileri sürülen hataları düzeltmeye (FEC) sahiptir. Bu makalede, normal meslektaşlarının uzay misyonlarında düşük ücretli (PC) kodlarını inceler. Özellikle, düzensiz LDPC kodları, uzay bağlantıları için daha yüksek bir seçim olarak ortaya çıktı, çünkü kanaldaki daha yüksek performansa dikkatle uyarılabilir.

Low-Density Parity-Check Kodlarının Vakıfları

LDPC Kod "Low-Density" ne yapar?

LDPC kodları lineer blok kodlarının ailesine ait. Tanımlama özelliği bir parite-check matrixü:0)H) son derece sparse - tipik olarak girişlerinin% 1'inden daha azı 1'dir.Bu sparsity, orijinal verileri geri almak için anahtardır.Bir kod sözcüğü iletilirken, alıcı, biparti grafiğinde bir miktar veya dakika algoritması kullanır.

LDPC kodlarının gücü, 1960'lı doktora tezlerinde Robert Gallager tarafından kabul edildi, ancak çağın hesaplama talepleri pratik kullanım engelledi.Pr, Neal ve diğerleri onları yeniden keşfetti ve yakın kapasite performansı için öneriler).

Neden Irregularity Matters

Normal bir LDPC kodunda, her değişken düğümü temsil eder (bir kod kelime biraz) ve her çek düğümü temsil eder (bir parite-check denklemi) aynı derecede (bağışlama sayısı) vardır. Örneğin, bir (3,6)-regular kodu, her değişken düğümü üç kontrol düğümüne bağlıdır ve her çek düğümü altı değişken düğüme bağlı değildir.

Irregular LDPC kodları, kodda değişiklik için değişken bir dereceye izin verir. Birkaç yüksek derece değişken düğüme (birkaç çek düğümlere bağlı) normal düğümler sırasında çok daha fazla bilgi alırken, düşük derece düğümler aynı uzunlukta ve hızlara göre seçilir.Bu, beyaz katkı Gaussian gürültü (kırık) ile karakterize edilen kodlar, doğrusal olmayan bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenir.

Irregular vs. Regular LDPC kodları: A Deeper Karşılaştırma

Hata-Floor Davranış

Anahtar farklılaştırıcılardan biri hata zemini - yüksek sinyal-to-noise oranlarının biraz hata oranı (BER) keskin bir şekilde azaltılır.Normal LDPC kodları, yüksek derece değişken düğümleri ortaya çıkarmak için daha fazla yol gösterir (parçalı yapı)[değiştir | kaynağı değiştir]

Karmaşıklık ve Convergence

Kontrolsüz kodlar düzensiz kodlar için daha düşük olabileceği varsayılabilir, ancak tam tersi doğru olabilir. Dikkatli derecede dağıtım tasarımı ile, ortalama kodlamalar, doğru kod kelimeye yakınlaştırmalar genellikle, yüksek derece değişken düğümler propagate bilgileri hızla azaltır, mesaj geçiş döngüsündeki hız döngülerinin sayısını azaltır. Ancak, per-iterasyon karmaşıklığı biraz daha yüksektir, çünkü kontrol node güncellemelerin farklı derecelerle başlanması gerekir. Genel olarak, tüm enerji per dekod başına alındığında, normal olmayan kodlar için kritik bir avantajdır.

Hızlandırma Oranı

Derin uzay görevleri genellikle bağlantı koşullarını değiştirmek için esnek kod oranları gerektirir. Irregular LDPC kodları kendilerini uygun olmayan tasarımları elde etmek için ödünç verir.To puncturing (oating Transmission of the) some of the parity bits according to a pattern that respects the degree distribution, the effective code rate can be improve without redesigning the entire codec. Bu, Dünya'nın yakınındaki performansları daha ağırlamak için çok daha zor.

Derin Uzay Misyonlarında Irregular LDPC Kodlarının Avantajları

Aşağıdaki liste, düzensiz LDPC kodlarını oluşturan başlıca avantajları derin uzay görevleri için tercih edilen seçimi özetliyor.Her avantaj aşağıda genişletiliyor.

  • [FONT=0][Dönemli bir şekilde) [Dönemli) {0|0|0|0|0|0|[Dönemli) [Dönemli) {0|0|0|[D)[D)[Dönemli) · 9|0|0|0|0|0|0|))) [D=))))[D=[D)))))
  • [FONT:0] Kanal Koşullarına Uygunluk: Derece dağıtımları, SABN için müdahale olmadan optimize edilebilir.
  • [FONT:0) Düşük Uygulama Kompleksi Turbo Kodlarına Yeniden Açıklama:[Dönetici:0))[Dönetici:[Dönetici:0) Düşük Uygulama Kompleksi Turbo Kodlara Yeniden Yeniden Yapılandırma:[Dönetici:).
  • [FONT=0)Excellent Hata-Floor Performansı: Uzun süredir çok düşük hedef için BERs için Temel.
  • [FONT:0)Incremental Redplacecy:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Tüm retransmission olmadan hibrit otomatik tekrar istek (H-ARQ) programları.

Low Signal-to-Noise Oranlarında İyileştirilmiş Hata Düzeltmeleri

İlk düzensiz LDPC kodları, belirli bir veri oranı için izin verilen bir güç tüketiminde doğrudan veya azaltılabilme yeteneğidir. Örneğin, Mars Reconnaissa Orbiter (MRO) bir araya gelen Reed-Solomon ve kodlama kazancı elde etmek, aynı orandaki LDPC kodu ile doğrudan doğruya doğru bir şekilde veri toplama yeteneği verir.For example, the Mars Reconnaissa Orbiter (MRO) Dünyadaki bir Deep Spacesiyonel ve kontenjantlı kod.

Düşük Güç Tüketimi ve C ⁇ Overhead

Uzaylı FPGAs ve ASICs, zor güç bütçeleri vardır - genellikle on dört watt değerinde sabit kodlar konsantre edilebilir, nükleerleri ilk kez parite kontrolleri için tasarlanabilir, tasarruf enerji. Araştırmalar, normal bir dekoder mimarisinin aynı BER'i 30 derece düğümlere konsantre edebilir, daha az miktarda tasarruf sağlar.

Kritik Telemetri için geliştirilmiş Data Reliability for critical Telemetry

Derin alanda, kayıp veriler nadiren geri kazanılabilir. Irregular LDPC kodları, BCH veya RS gibi eski kodlara kıyasla dramatik bir azalma sağlar. Ayrıca, sparse yapısı, dekoder'nin doğru yumuşak karar çıktılarını üretmesine izin verir (log benzeri olmayan oranlara) dışsal bir hata tahminine göre kullanılabilir.Bir komut bir yükleyiciye gönderilirken, alıcının bir hata düzeltme yapmasına izin verir.

Misyon-Specific Parametreleri için esneklik

İki derin uzay görevi aynı değildir. Ay yörüngesindeki A CubeSat, Jüpiter yörüngeden farklı kısıtlamalara sahiptir. Irregular LDPC kodları, sistem tasarımcılarının diploma dağıtımını, blok uzunlu kazançlarını ve kod oranını, verici gücü ile eşleştirmesine izin verir ve bu özellik için gürültü ısısını beklenen CCSDS standartları komitesinin hem yakın Dünya hem de derin uzay uygulamaları için bir şifreleme ailesi kabul etmesine izin verir.

Uzayda Irregular LDPC Kodlarının Uygulama Zorlukları

Teorik avantajlarına rağmen, düzensiz LDPC kodlarını derin uzay görevlerine entegre etmek, birkaç mühendislik engellerini aşmak içerir. Aşağıdaki bölümler en acil endişeleri detaylandırır.

Decoder Kompleksi ve Onboard Processing

Normal LDPC decoders verimli olsa da, hala her iterasyonda kodlanmış olan binlerce aritik operasyon gerektirir. yüksek hızlı bağlantı için (örneğin, 100 Mbps veya daha yüksek), decoder tamamen paralel bir LDPC decoder, bu tür bir dizi görüntü oluşturabilir (Tsims veya Xilinif)

Memory and Data Storage Issues

Sabit bir LDPC kodunun parite kontrol matrisi, sıra başına ve sütunda değişken sayıdaki öğe içeriyor.Bu matrix yoğun bir formatta saklanacak; sıkıştırılmış depolama (örneğin, indeks dizileri kullanarak) zorunlu olarak 4096 bitleri için kullanılan herhangi bir bellek, matrisin uzunluğuna göre, bu üç kilo depolama gerektirir.Bu da, bu tür bir alt sistemle ilgili olarak, uzay aracı işlemciler için de sınırlı ve pahalıya kadar.

Gerçek Zamanlı Dekoding için Algorithmic Optimizasyon

Normalleştirilmiş min-sum algoritması gibi standart inanç, normalleştirme faktörü ve dengeleme parametrelerinin önemli performans kaybından kaçınmak için hiperbolik tanjant fonksiyonlarını kullanır.Ayrıca, erken sonlandırma programları sağlam olmalıdır: Bu düşük hataya bağlı olarak, sabit bir şekilde sabitlenebilir.

Güç Supply ve Heat Dissipation

Tam bir transkript ısıyı oluşturur. Bir uzay aracı vakumda, soğutma radyasyon ve iletim ile sınırlıdır. Küçük bir yörüngede 10W tüketiyor, kütle ve maliyet ekleyerek, bağlantı tasarımcısının güç tüketimi ile kesintiye uğraması gerekir.Daha düşük veriler için (örneğin, derin bir uzay soruşturmasından 10 kbps), decoderin saatlerini azaltabilir ve gerilim ölçeklenebilir, dinamik gücü azaltır. Ancak, yüksek çözünürlükteki bağlantılar için Mars veya yakın bir şekilde ticaret yapması gerekir.

Mevcut Standartlarla Uyumluluk

2.Ş.SDS, LDPC kodları için önerilen standarttır.[DÜT:1) Farklı fiyatlar ve blok uzunluklar için belirli düzensiz kodları tanımlar. Derin Uzay Ağı ile birlikte, bir uzay aracının tam olarak bu kodları kullanarak bir hata yapması gerekir. Herhangi bir şekilde tasarlanabilir bir alan donanım.Bu kısıtlama, tasarımcının belirli bir kanal için dağılımını iyi bir şekilde tanımlamak için bir serbest bırakmak.

Future Perspectives: Pushing LDPC kodları

Devam eden araştırma ve uçuş deneyleri, düzensiz LDPC kodlarının yeteneklerini daha da genişletmek için söz veriyor. Birkaç heyecan verici yol soruşturma altında.

Prototipleme LDPC Kodları

Prototipleme yöntemi, daha kolay donanım uygulamaları için kullanılan bir alt sınıf düzensiz kodlardır. Protografda küçük bir şablon matrisi, yüksek kontrol matrisini içeren daha büyük bir parite-check matris oluşturmak için "uygunlu"dur.SDS paralel decoding için kullanabileceğiniz bir yapıdır.

Ortak Kaynak-Channel Coding

Derin uzay görevleri genellikle kayıp veya kayıp sıkıştırma kullanarak görüntü ve bilimsel verilerle sıkıştırılır (örneğin, BDS 123 hiperspectral görüntüler için). Değişken uzunlukta kaynak kodlarının yanı sıra, farklı bir kaynak-tabant yanlış eşleştirmelere yol açabilir. ancak, son araştırma yakın vadeli bir donanıma sahip çok yüksek olabilir.

Non-Binary LDPC kodları

Geleneksel LDPC kodları GF(2) üzerinde çalışır. Non-binary LDPC kodları (over GF(q) for q>2) daha iyi bir hata kaydettirme performansı, özellikle patlama hataları veya derin fading ile kanallar için.The decoding complex scales with q^2, make them challenging for space applications. ancak, FPGA teknolojisindeki gelişmeler ve hızlı Fourier dönüştürmeye dayalı decoding kullanımı ile, özellikle de küçük non-binary LDPC kodları, orta-linen derin uzay bağlantıları için uygulanabilir olabilir.

Makine Öğrenme-Aided Decoding

Deep sinir ağları, her kenar için en iyi ağırlıkları, öğrenilen dengeleri ve uzay için daha hızlı bir yakınlık ve yakın optimizasyon performansı sunmak için eğitilebilir.Sörtleştirilmiş LDPC kodları için, bir sinir decoder, her kenar için en iyi ağırlıkları, gelecekteki CubeSats ve Interplanetary probes'leri etkili bir şekilde gerçekleştirebilir.

NASA'nın Lazer İletişimi (LCRD) ve önümüzdeki Psyche misyonunun Derin Uzay Optik İletişim (DSOC) sistemi, ultra yüksek veri geri dönüş için kızılötesi lazerleri kullanmayı hedefliyor. Optik bağlantılar çok farklı gürültü istatistiklerine sahiptir (fotoğraflar, güneş gürültülerine dikkat edin).Irregular LDPC kodları bu kanallar için optimize edilmiştir, derece dağıtımları skemetrik gürültü için telafi etmek için.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Irregular LDPC kodları derin uzay iletişim alanını değiştirdi.Shannon-limit performans, düşük hata katları ve olağanüstü esnekliği - tüm katı güç ve hesaplama bütçeleri içinde, donanımın zorlukları önemli kalır, ancak FPGA yeteneklerinde ilerlemeler, algoritma tasarımı ve standardizasyonlar sürekli olarak engelleri azaltır. İnsanlığın güneş sistemine daha fazla ittiği gibi, Mars'a, dış gezegenlere ve ötesinde, düzensiz PC kodların geri kalanının geri kalanının önemli bir parçası haline getireceği önemli ölçüde daha büyük bir iletişim sistemleri olacaktır.