Underwater Acoustic Communications'a ve Hata Düzeltmesi İçin Gerekli

Dünya okyanusları, Dünya yüzeyinin% 70'inden fazlasını kapsıyor ve iklim düzenleme, kaynak çıkarma ve küresel güvenlikte kritik bir rol oynamaktadır.Su akustik iletişim (UAC) bu talep edilen ortamda kablosuz veri değişimin birincil araçları olarak hizmet ediyor; bu nedenle, akustik dalgalar - 100 kHz aralığındaki küçük sualtı bağlantıları için en pratik tabakayı takip ediyor.

Yararlı olmasına rağmen, sualtı akustik kanalı benzersiz bir şekilde bozulmalar kümesi sunar. Yüksek çevre gürültüsü nakliye, deniz hayatı ve yüzey havası; yüzeyden gelen şiddetli çoklu sempati yayılımı, alt ve termoklines; önemli Dopplerlar göreceli hareket ve su akımları nedeniyle yayılır; ve çok sınırlı bir bant genişliği (tipik olarak on ikiyüzlü) tüm bilgisayarların çoğu veri güvenilirliğine yol açar.

Düşük Boyut Parity-Check (LDPC) kodları, 1963 yılında Robert Gallager tarafından keşfedildi ve 1990'ların sonlarında, LDPC kodlarının temel teori, pratik uygulama adımlarını, avantajları, kalan engelleri ve gelecekteki araştırma yollarının tartışılması için ideal hale geldi.

Underwater Acoustic Channel'ı anlamak

Anahtar yayılımı Impairments

LDPC kodlarının neden bu kadar değerli olduğunu takdir etmek için, biri ilk önce korumak için tasarlanmış kanal anlamak gerekir. Sualtı akustik kanalı ile karakterize edilir:

  • [FONT:0)Multipath propagation[[[Döncükler)[[Döncükler)[Döncükler))[[Döncükler)) – Sound ışınları, yansımaları nedeniyle verici ve alıcı arasında birden fazla yol takip eder; ortaya çıkan gecikme 100 m'leri aşabilir, asi asibol müdahaleye neden olur (ISI).
  • [FONT:0]Doppler yayılabilir[[DFLT:1] – Kaynak ve alıcı arasındaki yeniden hareket, dalga hareketi, frekans değişimi ve yayılmaya neden olur.
  • [FONT:0]Frequency-bağlantılı intenuation[[DÜT:1) – Yüksek frekanslar daha hızlı absorbe edilir, sınırlı kullanılabilir bantlar. Tipik bir sığ su kanalı sadece 10 km boyunca kullanılabilir bant genişliği sunabilir.
  • [FONT:0) Zamanlı dürtü cevabı[Dönemli:0][Dönem: 1) Kanal saniyeler veya dakikalar üzerinde önemli ölçüde değişir, uyarlanabilir eşitleme ve kodlama gerektirir.
  • [FONT:0]Ambient gürültü[[Dönetici: 1) Gürültü kaynakları yaygın olarak değişir (röpürücüler, nakliye); gürültü spektral yoğunluğu düşük frekanslarda beyaz ve sık zirve değildir.

Bu faktörler düşük sinyal-to-noise oranı (SNR), yüksek patlama hataları oranları ve çevresel koşullara güçlü bir bağımlılık. Geleneksel blok kodları (örneğin, Reed-Solomon) veya konvolutional kodlar bazı koruma sunabilir, ancak performansları bu sert kanallar için teorik sınırların çok kısası.

Güçlü İleri Hata Düzeltmesi Neden Temelde

Otomatik tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar protokoller sualtı sistemlerinde verimsizdir, çünkü tur gecikmesi (ortadaki performansa göre, ~1500 m /s) verilen bir güç bütçesi için en üst düzeye kadar - batarya değerli enerji ve zaman için kritik bir avantaj sağlar. Forward hata düzeltmesi (FEC) alıcıda geri yükleme hataları düzeltmesi için gerekli olan ihtiyacı azaltır.

LDPC Kodları Nedir? Teknik Bir Genel Bakış

Tanım ve Tarihsel Context

Düşük Boyutlu Parity-Check kodları, sparse ikili parite-check matrixü ) tarafından tanımlanan lineer blok kodlarıdır (Döneticileri:2).×[FLT: 4 ).

LDPC Nasıl Hazırlanır ve İşbirlikleri

Sistemli bir LDPC kodun oluşturulması, ilk olarak jeneratörü oluşturmakla devam eder. [Dönetici:0)G)'den }H) ve sonra kod Kelimesi [Döndergi|Döndergi|Döneticileri) ile ilgili kod kelime formu oluşturur.[Dönder.

Decoding, değişken düğümlerle (sözlü kod kelime işaretli) ve kontrol düğümleri (örneğin, kontrasepsiyon denklemleri) kullanılarak yapılır.Decoding is performed using iterative opinion propagation (ayrıca sum-product algorithm) on a Tanner grafiğinde (veya log benzeri olmayan) - doğrulanan bir kod sözcüğü bulunan veya en fazla sayıdaki iteratif yapı ulaştı.Bu iterative structure LDPC kodlarına sahiptir.

Yakın Performans ve UAC için İmzalanması

ShannonHartley teorem, belirli bir kanal üzerinde, belirli bir kanal üzerinde, hakemli düşük hata olasılığı ile aktarılabilecek azami oranda bir oran verir, ifade edilen CFONT:0)C) = 0:2|D[D[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler

Underwater Acoustic Systems'de LDPC Kodlarını Uygulayın

Sistem Mimarisi ve Entegrasyon

Bir UAC sisteminde LDPC kodları uygulamak fiziksel katman ile dikkatli bir entegrasyon gerektirir. Tipik bir verici zincir oluşur:

  1. [FONT:0) Kaynak kodlama[[[Döncük, Seçmeli).
  2. [FONT=0)Channel encoding[[Dönetici:0) uygun bir oranın ve uzunluğun LDPC kodu ile.
  3. [FONT=0]Modulation[[Dönetici:0)[[Dönetici:0)[[Dönergeler, s.
  4. [FONT:0]Pulse şekillendirme[[Dönetici: 1 ) ve akustik transducer ile iletir.

Alıcıda, sinyal bir hidroelektrik, demodülasyon ve eşitleştirme yoluyla geçer, yumuşak bir günlük benzeri gelir oranı (LLR) hesaplayıcısı ve sonra LDPC decoder. kod oranı seçimi (örneğin, 1/2, 2/3, 3) genellikle mevcut kanal kalitesine adapte edilir: daha düşük bir oran daha fazla reddansiyon sağlar ve daha yüksek bir oran kanalda kullanılırken, daha yüksek bir oran iyi durumda kullanılır.

LDPC ile veriyi kodlamak: Pratik Adımlar

Modern LDPC kodlayıcı parite-check matriks kullanır - çift-diagonal veya yarısiklik yapımlarına dayananlar gibi - karmaşık bir şekilde programlanabilir kapı dizi (FPGA) veya dijital sinyal işlemcisi (DSP), encoder matrisi etkin bir şekilde gerçekleştirir.Birkaç kbps'nin on on on iki katına kadar su geçirmez gecikme süresine kıyasla ihmal edilebilir bir gecikme süresine kıyasla gecikme süresiz.

Underwater Channel ile geçiş

Daha sonra, modlu semboller iletilir. Kanal, kanaldaki uyarıları kanalla birlikte veya renkli gürültünün eklenmesiyle birlikte kapatılabilir.In sığ su, dürtü cevabı uzun süre yüzlerce sembol dönemleri üretebilir.To fight ISI, alıcılar genellikle oranally spaced decisionfeedback eşitizers (DFE) orthogonal frekansına sahip bir kanal çokluxing (OFDM)

Harsh Koşullarının Altında İnançlandırmak

LDPC decoder alıcının iteratif inanç yayılım algoritmasını çalıştırıyor.Her bir iterasyon oluşur:

  1. [FONT:0)Check-node update[[[Dönetici: 1 ) – Gelen mesajlara dayanan değişken düğümleri kontrol etmek için giden LLRs'leri kontrol etmek.
  2. [FONT:0)Variable-node update[[Dönem: 1) Kanaldan LLR'ler ve bağlantılı kontrol düğümlerinden.
  3. [FONT:0)Hard kararı – Tentatively, tüm parite denklemlerinin memnun olup olmadığını biraz değer karar verir.

Sualtı sistemlerinde, decoder, trans-Gaussian gürültü ve potansiyel patlama hataları ile başa çıkmamalıdır. Bazı uygulamalar karmaşıklığı azaltmak için min-sum yaklaşımını kullanır, kodlamanın küçük bir kısmını daha yakınlaştırmaya karşı çıkar. Ek olarak, erken sonlandırma teknikleri (örneğin, sıfır olduğunda durdurmak) güç tasarrufu sağlar - batarya destekli otonom platformları için kritik bir göz önünde bulundurun.

Sualtı Akustik İletişim için LDPC kodlarının Faydaları

Doğru olmayan hata düzeltmesi

LDPC kodları, ham bit hata oranının 10) altında 10) veya kanal kapasitesinin üzerinde sadece 2 dB'nin üzerindeki bir SNR'ye ait [DDDDDDD][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][4][4][/FONT=D][/FONT=3][3][/FONT=3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][3][/FONT=FONT=3][/FONT====3][/FONT=3][/FONT===FONT==3][/FONT=FONT=FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=3][/FONT=

Yakın zamanda

LDPC kodları Shannon limitine çok yakın çalışır, düşük akustik bant genişliğinin en verimli kullanımını yaparlar. Etkisinde, belirli bir bant genişliği için daha yüksek veri oranlarına izin verir ve enerji ile iletişim kurarlar - veya verilen bir oran için daha düşük güç.Uzun menzil UAC sistemleri için, bu verimlilik doğrudan genişletilmiş dağıtım süresine dönüşür.

Zamana Çok Farklılık ve Doppler

LDPC kodları ISI veya Doppler için doğal olarak bağışıklık olmasa da, uyarlayıcı modülasyon ve kodlama (AMC) ile birlikte ortaya çıkan güçlü hata hataları ele alabilir.Intraleaving coded bitleri çoklu bir şekilde çeşitli kanal koşullarından koruma sağlar.

Scalability and Flexability

LDPC kodları, herhangi bir blok uzunluğu ve kod oranı için tasarlanabilir, donanımda iyi ölçeklenmiş formlarla. Bu uyum, yüksek çözünürlükte her şeyi kısa ayarlı, yüksek çözünürlükte matris tanımlarından doğru şekilde destekleyebilir.

Underwater Deployment'de Meydanlar ve Sınırlar

C ⁇ Kompleksi ve Latency

Bu işlemsel dekoding algoritması, Tanner grafiği aracılığıyla birden fazla geçiş gerektirir. 50 iterations ile 10 000 uzunluğu için, decoder, performans ve enerji arasındaki milyonlarca kenar güncellemesini azaltabilirken, enerji dağılımı 1 W'yi aşabilir - bir miktar dengelemek için Donanım-tabiyi kullanarak verimli uygulamalar karmaşıklığı azaltılabilir.

Memory Constraints and Error Floor

LDPC decoders LLR değerleri ve orta mesajları depolamak için büyük hafıza blokları gerektirir. Düşük maliyetli mikro kontrolleyicileri tabanlı bir modemde, bu da yasaklanabilir. Ayrıca, bazı LDPC kod tasarımları yüksek SNRs'te bir hata zeminini doğrulamaktadır - son derece yüksek güvenilirlik gerektiren uygulamalar için aniden zararlıdır.

Kanal Estimation ve Full Decoder Utilization

Bir LDPC decoder degradlarının performansı, LLR hesaplamasına beklenebilir veya güç verimliliğine zarar verebilir.SNR, Doppler değişiminin kesin tahminlerini elde edin ve dürtü cevabı zordur.

Future Yol ve Araştırma Fırsatları

Birden Çok Input Multi-Output (M-IMO) ve OFDM ile entegrasyon

MIMO-OFDM ile LDPC kodlarını birleştirmek, UAC'deki spektral verimliliğini artırmak için umut verici bir yoldur. MIMO teknikleri, MIMO-OFDMPC sistemlerini birçok dar altkarriere bölerken, her biri uzaysal akışlar ve alt düzlemler arasında uygulamaktadır. Erken deneysel sonuçlar MIMO-OFDM-PC sistemleri, MIMO-OFDM-xbunu bölmek için geniş bant kanal kanallarını bir dizi faktörle elde edebilir.

Ortak Kanal Estimation ve Decoding

Bu sinerjik alıcılar, LDPC decoding ile kanal tahminlerini artırıyor – bazen turbo eşitleştirme veya iteratif eşitleştirme ve dekoding olarak adlandırılır – performans önemli ölçüde düşük sualtı ortamında, geleneksel eşitleştiricilerin mücadele ettiği yerdeki daha iyileştirici bilgiler.

Decoder Optimizasyon ve Kod Tasarımı için Makine Öğrenme

Son zamanlarda yapılan çalışmalar, bir dağıtım alanında gözlemlenen veya yönlendirme şemalarını seçmek için nöral-aided decoders'lar, bir dağıtım alanında gözlemlenen veya belirli kanal istatistiklerine adapte edilebilir. ek olarak, takviye öğrenme kod oranları ve modulation şemaları adapte edilebilir şekilde, hedef gecikme veya güvenilirlik kısıtlamasına saygı göstererek.

LowPower Hardware Uygulamaları

LDPC için düşük güç ASIC'leri adanmış olarak, düşük seviyeli sensör ağları için miliwatt aralığındaki güç tüketimine yönelik araştırmalar da LLR değerlerinin enerji tasarrufuna sahip olan ve statik gücü azaltabilecektir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük Boyut Parity-Check kodları, yüksek güvenilirlik ve verimlilik için en zorlu kanallardan bazıları için güvenilir bir dijital iletişimin temel taşı olarak değerini göstermiştir; sualtı akustik ortamdaki tahminler, iteratif alıcı tasarımı ve sağlam makine-öğrenme entegrasyonu, bu engelleri aşmak için hata kontrol tekniğini sağlar.Demek gerekirse, yüksek güvenilirlik ve verimlilik için talepler için talep eder ve doğrulayıcı veri bağlantıları, güvenli bir şekilde kodlanmış bir şekilde devam eder ve güvenli bir şekilde kodlanabilir.

Daha fazla okuma için, LDPC kodlarının sualtı iletişiminde uygulanması, [[GÜCÜSÜSÜyetim İçin Kanal kodlaması[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız)[Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.