Hızlı genişleyen Nesnelerin İnterneti (IoT), sensör ağları ve giyilebilir cihazlar, sürekli sağlık izlemesinden kaynaklanan omurgaları oluşturur. Bu sistemler sıkı enerji bütçeleri altında çalışır, genellikle küçük bataryalar veya enerji hasat yoluyla desteklenir. Güvenilir veri iletimi kritiktir, ancak geleneksel hata düzeltme kodları önemli bir güç kullanabilir, cihaz ömrünü azaltır. Low-Density Parity-Check (LDPC) kodları özellikle de uygulanabilir bir çözüm sunar: düşük maliyetli bir şekilde düzeltme sağlarlar.

LDPC Kodlarını Anlamak

LDPC kodları ilk 1963 yılında Robert Gallager tarafından keşfedildi, ancak pratik önemi on yıllar sonra bilgisayar gücündeki gelişmelerle ortaya çıktı ve bu tür algoritmaların yaygınlaştırılması (ayrıca, kanal-product algoritması olarak da bilinir).

Dekoding işlemi, değişken düğümlerden (birkaçını temsil eden) oluşan bir bipartite grafiği üzerinde çalışır ve düğümleri kontrol eder (özellikle de kontrol denklemleri ile birlikte çalışır). Mesajlar her bir grafikte mikrokontrolör tahminleri ile birlikte yapılır.Çünkü grafik sadece birkaç kişiye bağlıdır, düşük karmaşıklığı tutar.Bu, LDPC kodlarını özellikle sınırlı işleme yetenekleri ile donanım için çekici kılar.

Turbo kodları gibi diğer hata kodlarını kıyaslamak, LDPC kodları, yüksek seviyeli ve enerji ile düşük gecikmeli güç için uygun şekilde optimize edilebilir veya üstün performans elde edebilir.In sensör ağları ve giyilebilirler için, güvenilirliği korumak için uygun bir yaklaşım gereklidir.

Low-Power Systems için anahtar avantajları

  • [FONT:0)Buerative Decoding Verimliliği: Dekoding sabit sayıdaki sabit sayıdan sonra veya yakınlaşma tespit edildiğinde, enerji uyarlanabilir bir işlem sağlar.
  • [FONT:0) Parallelizasyon:[Dönetici:[Dönetici grafiği yapısı paralel işleme izin verir, gecikmeli ve düşük gerilim devre tasarımını azaltır.
  • [FONT=0]Flexible Code Fiyatları:[Dönem:[Dönem: 0,0)

Low-Power LDPC kodları için tasarım ilkeleri

LDPC kodlarını enerji kısıtlayıcı cihazlar için tasarlayın, hata düzeltme yeteneği, karmaşıklık ve hafıza gereksinimleri. Aşağıdaki ilkeler düşük güç LDPC kod ailelerin yaratılmasına rehberlik eder.

Sparse Matrices ve Low-Density Design

Temel ilke, kartal-check matrixini mümkün olduğunca sık tutmaktır. Daha az sayıda operasyon girişlerini kesintiye uğratmaz.For sensör ağları, which packages are short (e.g., 100-500 bit), matrix boyutları mütevazı, ancak sparsity (fraction of non-zero entries) notu performans devam ederken, birincil bir hedeftir.

Optimized Degree Dağıtımları

Üst düzey dağıtım, her değişkenin ne kadar bağlantı olduğunu ve Node'nin Tanner grafiğinde olmadığını açıklar. Düşük güçle uyumlu, iyi niyetli bir derece dağıtım, düzenli kodlar elde etmek için gereken en düşük maliyetlidir, ancak enerji kullanan erken sonlandırma tezgahlarını önlemek için dikkatli bir optimizasyon gerektirir.

Donanım Verimliliği için Yapılı Kodlar

Düşük güç mikrokontrolleri, FPGAs veya özel ASIC'ler normallikten gelen avantajları uygular: İki yapılandırılmış LDPC kodu ailesi hükmedmektedir:

  • [[Dönetici:0)Protograf-Based Kodlar: Küçük bir temel grafik (protograf) kopyalanır ve bir kaldırma faktörü kullanılarak genişletilir. Bu, paralel işleme ve azaltılabilir hafıza ayak izi ile büyük kodlar oluşturabilir. Prototiplemeler kısa bloklar için tasarlanabilir (örneğin, 128 bit) sensör ağlarında tipik.
  • [FONT=0)Quasi-Cyclic LDPC (QC-LDPC) kodları:[FONT-LDPCT:0) Parity-check matrix, birçok pratik standart için temeldir ve donanıma dayalı cihazlar için idealdir.

Adaptasyon Coding ve Rate Compatability

Cihaz kanalı koşulları, hareketlilik, müdahale ve mesafe ile değişir. Adaptif kodlama, kod oranını ve uzunluğu dinamik olarak enerji tasarrufu yaparken güvenilirlik sağlamak için ayarlanır. Rate-compatible LDPC kodları, bir anne koduna eklenerek veya kısa sürede uzatılabilir. Örneğin, 1/2-rate anne kodu, kanal kalitesini artırmak, yüksek çözünürlükte artırmak, yüksek çözünürlükte bir şekilde artırılabilir.

Enerji ile Kıtlamalı Cihazlar için Uygulama Stratejileri

Pratik dağıtım için teorik tasarımdan taşınmak, donanım ve yazılım uygulamalarına dikkat gerektirir. Aşağıdaki stratejiler gerçek sistemlerde düşük güç LDPC kodlamasına yardımcı olur.

Decoders için Donanım Optimizasyonu

ASIC ve Özel Dijital Tasarım

Akıllı gözlemler veya fitness pistleri gibi yüksek hacimli aşınmalar için, LDPC decoding'e uygun bir uygulama-özelleştirilmiş bir devre (ASIC) biraz enerji elde edebilir. Anahtar teknikler şunlardır:

  • [FONT=0)Min-Sum Algoritma:[Dönetici:0) İnanç yayılımı denklemlerini basit min-sum işlemleri ile hesaplama karmaşıklığı azaltır ve arama tabloları için gerekli olan ihtiyaçları ortadan kaldırır.
  • [FONT:0)Layered Decoding: İşleme satırları (kontrol düğümleri) tutarlı ve güncel olmayan değişken node inançlar hemen hafıza erişimini ve hızlarını azaltır. Katmanlı decoding, seling programına kıyasla% 30-50 oranında kesintiye uğrayabilir.
  • [FONT:0)Gated Saat ve Güç Gating:) quiescent dönemleri sırasında kullanılmayan decoder bloklar.In intertent iletimler (kommon in sensör ağları), decoder uykular arasında paketler.
  • [FONT:0) Düşük Voltage Operasyon: Decoder devreleri yakın zamanda gerilim (0.4-0.6V) için dinamik gücü büyük ölçüde azaltabilecektir.

FPGA ve Software-Defined Implementations

Prototyping veya orta hacimli ürünler için, FPGAs bir temel mikrokontrolcü (örneğin, DSP uzantıları ile Lattice iCE40, Microchip PolarFire) düşük veri oranları için de uygulanabilir (örneğin, 1-100 kbps).

Enerji-Aware İletişim protokolleri

LDPC kodlama, medya erişim kontrolü (MAC) katmanı ile entegre edilmelidir ve batarya hayatını en üst seviyeye çıkarmak için bisiklet görevinde bulunmalıdır.

  • [FONT:0]Duty Bisiklet Coding ile: Transceiver ve decoder sadece paket resepsiyon sırasında çalışır. Örneğin,% 1 görev döngüsünde, decoder her saniye 10 m için aktif olabilir, sürekli işlem gücü yaklaşık 1/100.
  • [FONT=0)Paket Boyut Optimizasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0)Pazarlama süresi azaltır, ancak paketin uzunluğuna göre uzun süre boyunca ⁇ , hangi atıklar enerji ile ısınır.
  • [FONT:0) Adaptive Coding için Channel Estimation:[Dönetici:[Dönetici: 0:0) Alıcı sinyal-noise oranını tahmin edebilir ve uygun kod oranını talep eder. Düşük kod kullanarak (örneğin, 1/2) kötü koşullardan ve iyi koşullardan 2/3'e kadar geçiş yapar.

Toplam Seçim Kodu

Uzun LDPC kodları genellikle daha iyi bir hata düzeltmesi sağlar, ancak aynı zamanda geç kalmışlık, hafıza gereksinimleri ve enerjileri de artırmaktadır.In sensör ağları where paket boyutları küçük (e.gFLT:4IEEE Transactions on Circuits and Systems))[200-1000 bitmemiş bir ticaret-off. kısa kodlar ().

Simülasyon ve Test Yöntemleri

Dağıtımdan önce, kapsamlı simülasyonlar, gerçek kanal modellerinin altında kod performansını doğrulamalıdır (örneğin, Rayleigh vücut yakınında hareket etmek için fading veya kapalı sensörler için log-normal gölgeleme). Key metrics şunları içerir:

  • Frame hata oranı (FER) vs. SNR
  • Ortalama diziler
  • Enerji başarıyla bulaşılabilir

MATLAB (iletişim Aracı kutusu) veya açık kaynaklanmış kanallar gibi araçlar, köşeli davaları simüle etmeye yardımcı olur, çünkü decoder yakınlaşma olmadan devam edebilir - enerji atıklarından kaçınmak için erken durdurma mekanizmaları doğrulanabilir.

Sensör Ağlarında Uygulamalar ve Giyilebilirler

Düşük Güç LDPC kodları, enerjinin sınır faktörü olduğu çeşitli senaryolarda güvenilir iletişim sağlar.

Tıbbi Giyilebilirler

Sürekli glukoz monitörleri, ECG yamaları ve akıllı işitme yardımı, bir merkeze kesintisiz veri akışı gerektirir (örneğin, akıllı telefon). Kaybedilen bir paket kritik bir olay kaçırabilir. IEEE 802.1 standart kullanarak 911 ve oranı 2/3 paket hata oranları 10-5'in altında 0,5'in altında 0,5'i dekolmanda 50 μW'ye kadar tüketebilir.

Çevre Sensing

Toprak nemi, hava kalitesi veya vahşi yaşam takipleri genellikle alt şeritli transceivers (örneğin, LoRa, 802.15.4) Bu çok düşük veri oranlarında (0.3-50 kbps) yer alan, Leeds[D)[değiştir | kaynağı değiştir], taban bandında uygulanan özel bir LDPC decoder, yüksek çözünürlükte bulunan yazılım kesintisi ile sınırlı olan miktar azaltılabilir.

Endüstriyel IoT ve Yapısal İzleme

Fabrikalarda veya köprülerde, sensörler genellikle yıllarca parasal bataryalarda çalışır. İşte, sensörle birlikte oturan küçük bir FPGA'da, aktif modda 1 mW'den daha az tüketmek için güvenilirlik önemlidir.

Akıllı Ev Cihazları

Hareket dedektörleri, kapı/window sensörleri ve akıllı kilitler genellikle kısa patlamalar ile dolu bir durum raporu gönderir. Low-power LDPC kodları bu cihazları daha fazla kırmızılık için aynı radyoyu kullanmak için kullanabilir - aynı düşük güç donanımı gerektiren durumlarda. Örneğin, bir kapı kilidi, bir statü raporu her saat kısa 128 bit kodu ile gönderebilir, ancak bir saldırı uyarı uyarı uyarıları daha fazla kırmızılık ile daha fazla şifre kullanır - her iki normal ve kritik mesajları da aynı düşük güç donanıma sahip olabilir.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Avantajlarına rağmen, ultra-düşük güç cihazlarında LDPC kodlarını dağıtma birkaç engelle karşı karşıyadır.

Decoder Kompleksi ve Hafıza

Yüzlerce makülalı LDPC decoders, her değişkende herhangi bir değişken için yumuşak bilgi için depolama gerektirir. 5bit ölçüm kullanarak, bu, 0.1 dB kaybını korurken hafızayı azaltabilir. ancak, daha uzun kodlar veya daha yüksek hassasiyet, düşük maliyetli mikro kontroller için sınırlı SRAM'ı azaltır.

Erken Durma ve Convergence

Dekoding'i durdurmanın kritik olduğunu belirtmek. Sabit iterasyonlar (örneğin, 10) Kanal SNR ve decoder durumu daha iyi bir şekilde tahmin edebilir veya daha iyi bir miktar kontrol memnuniyetine dayalı dinamik sistemler (CRC check veya sendrom ağırlığı) erken durdurabilir.

Enerji Hasat Edilmesi ile entegrasyon

Güneş, termal veya vibrasyon kaynaklarından enerji alan cihazlar öngörülemeyen güç kullanılabilirliğine sahiptir. LDPC kodları paralel olarak tasarlanmıştır:0) Enerjiye uygun olarak kullanılabilir[Dönemli)[Dönemli[Dönemli)[Dönetici: Enerji az olduğunda, decoder daha az iterasyon sağlar (ternasyon gerektirir), ancak fazla enerji kullanılabilir olduğunda, "elastic" LDPC decoders üzerinde paralellik ve iterasyon sayımını gerçek zamanlı olarak yapar.

Evolving Standards

Bluetooth 5.2 ve Thread gibi gelişen standartlar gelişmiş hata düzeltmesini düşünüyor. LDPC'nin 5G Yeni Radyo'nun düşük çözünürlükli iletişim için (örneğin, URLLC) bu tür karma mimarileri inceleyebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

LDPC kodları sensör ağları için tasarlayın ve giyilebilir cihazlar, doğru kod uzunluğu, derece dağıtım ve decoder mimarisini seçmenin gerekli olan 10 kbps veya bir sıcaklık sensöründe bir saat boyunca güvenilir iletişim sağlayabilir. Enerji hasat ve ultra-düşükümlü bir şekilde, yüksek çözünürlükte en yüksek seviyedeki hıza sahip olan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte en yüksek hıza sahip olan bir sistemli sistemli bir şekilde iletişim kurmasını sağlar.