CODURI TURBO PENTRU DEEP -SPACE COMMUNICATIONS [613423]

CODURI TURBO PENTRU DEEP -SPACE COMMUNICATIONS

Rețeaua de comunicații în spațiu profund (DSN) constă în complexe de antenă în
trei locații din întreaga lume și formează segmentul de sol al sistemului de
comunicații pentru misiuni spațiale profunde. Aceste facilități, cu o distanță de
aproximativ 120 de grade de longitudine mai mare decât Pământul, asigură o
acoperire și o urmărire continuă pentru misiunile spațiale de mare adâncime.
Fiecare complex include o antenă de 70 metri și un număr de antene de 34 metri.
Aceste antene pot fi utilizate individual sau în combinație (antenă de ARRing)
pentru a îndeplini cerințele de comunicații ale fiecărei misiuni spațiale.
Antenele rețelei spațiale de adâncime sunt legătura indispensabilă cu exploratorii
care se aventurează dincolo de Pământ. Ele asigură legătura c rucială pentru a
comanda nava noastră spațială și pentru a primi imaginile și informațiile
științifice pe Pământ, a propulsa înțelegerea universului, a sistemului nostru solar
și, în cele din urmă, a locului nostru în ea.
O mare parte din cercetarea în dom eniul comunicațiilor spațiale se referă la
ingineria sistemelor de comunicații, radiouri, antene, transmițătoare, detectoare
de semnal, tehnici de modulație, teoria codificării canalelor, compresia datelor și
simulare. Această cercetare include, de asemene a, comunicațiile optice, precum
și expertiza asociată în domeniul instrumentelor optice, al proiectării sistemelor
optice, al detectoarelor optice, al laserelor și al sistemelor de indicare fină.
Instalațiile de cercetare în domeniul comunicațiilor spațial e aprofundate includ o
antenă de cercetare și dezvoltare de 34 metri în complexul DN din Goldstone,
California și laboratorul de comunicații optice prin telecomunicații cu un telescop
de 1 metru în cadrul Observatorului de masă de pe muntele din Wrigwood,
California.

Un cod de canal permite comunicații fiabile pe canale nesigure. Prin adăugarea
unor tipuri specifice de redundanță, mesajul transmis poate fi recuperat perfect cu
probabilitate ridicată, chiar și în fața zgomotului enorm al canalului ș i a corupției
datelor. Timp de cinci decenii, JPL și -a folosit expertiza în teoria informațiilor și
teoria codificării canalelor pentru a dezvolta coduri de canale practice, eficiente
din punct de vedere al puterii, care realizează o transmisie fiabilă din spațiul
profund pe Pământ. În ultimii 15 ani, codurile s -au îmbunătățit suficient pentru a
atinge rate de date apropiate de un maxim teoretic probabil cunoscut sub numele
de limită Shannon.
Pentru misiunile RF ale NASA, JPL a dezvoltat două familii de cod uri de
abordare a capacității. Pentru misiunile cu rată de date mai mare, o familie de
coduri de verificare a parității cu densitate joasă (LDPC), acum un standard
internațional, furnizează volumul maxim de date într -o bandă spectrală restrânsă.
Rata de da te care depășește 1 Gbps este posibilă cu tehnologia FPGA comercială
existentă. Pentru ratele de date mai mici ale misiunilor extrem de îndepărtate,
cum ar fi planetele exterioare sau nu, JPL a conceput coduri turbo, care pot
funcționa eficient pe canale î n care puterea de zgomot este de peste cinci ori mai
mare decât puterea semnalului.

Pentru misiunile de comunicații optice ale NASA, este necesară o abordare
fundamentală de codare a canalelor pentru a depăși caracteristicile decolorate și
corupte în faze ale unei atmosfere turbulente. Pentru a răspunde acestei provocări,
JPL a dezvoltat intercalări de canale și coduri de canale eficiente foton pentru a
fi utilizate cu sisteme de detectare directă. Codul canalului, numit Modulația de
poziție a pulsului codat în mod serial -concatenat (SCPPM), oferă o metodă de
abordare a capacității. SCPPM a fost utilizat pe Lunar Laser Communication
Demonstration (LLCD) pe Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer
(LADEE), care a demonstrat până la 622 Mbps de pe orbita lunară folosind un
fascicul de 0,5 W 15 μrad la 1550 nm.

Detectarea și corect area erorilor
În practică, fluxul de zerouri și cele primite după demodulare vor avea o serie de
erori, din cauza zgomotului preluat în timpul comunicării. De exemplu,
schimbările de fază nedorite introduse atunci când semnalul trece prin atmosfera
terestră. Erorile vor fi sub formă de zerouri interpretate ca cele din versetele
cunoscute sub numele de bit -flips. Pentru a obține o comunicare aproape fără
erori, în ultimele decenii au fost dezvoltate o serie de metode. Cea mai comună
formă de EDAC utilizată în misiunile spațiale este Forward Error -Correction
(FEC). Această metodă trimite biți suplimentari, care pot fi folosiți pentru a
verifica consistența datelor primite și apoi pentru a reconstrui părți ale fluxului de
date, dacă este necesa r .
NASA utilizează Reed Solomon și Turbo Coduri pentru detectarea și corectarea
erorilor. Reed Solomon a fost introdus ca parte a misiunii Voyager, înlocuind
metoda Golay anterioară.
Deci rata de date și lățimea de bandă sunt adesea schimbate pentru a în semna
acelați lucru, ele sunt de fapt destul de diferite. Rata sau debitul de date se referă,
în general, la capacitatea unei legături de rețea și este măsurată în numărul de biți
pe secundă care pot fi trimise, de exemplu, 2 Mbps. Lățimea de bandă se ref eră
în general la gama de frecvențe disponibile pentru a transmite datele și este
măsurată în Hz. În plus față de lățimea de bandă disponibilă, capacitatea totală a
unei legături de rețea este reglementată și de calitatea semnalului primit. Această
calita te este cel mai adesea denumită raport semnal / zgomot, S / N sau SNR

Tehnicile de codare a corectării erorilor sunt frecvent utilizate pentru a îmbunătăți
BER -ul comunicării de cercetare spațială link -uri, dar pentru că aceste tehnici
introduc redundanța în mesaj înainte de transmitere, acestea necesită o creștere a
lățimii de bandă a semnalului. Deoarece acest tip de codare permite corectarea
transmisiei erori, p uterea de transmisie a semnalului poate fi redusă. Pentru
navele spațiale cu putere redusă, există avantaje ale utilizării o cantitate modestă
de codificare a corectării erorilor pentru a asigura marje de sistem mai mari.

Codurile de corectare a erorilor pot fi utilizate pentru a corecta erorile de un singur
bit sau exploziile de eroare. Trebuie făcută o compensare între eficiența de
corectare a erorilor pentru un anumit efect de eroare și cheltuiala și / sau
întârzierea de timp necesară pentru implementar ea lor fizică. Codul de bază de
corecție a erorilor utilizat de serviciul de cercetare spațială este o rată 1/2,
lungimea de constrângere 7, cod de convoluție transparent adecvat pentru
canalele cu predominant gaussian zgomot. Se îmbunătățește codificarea
convoluției la nava spațială și decodarea secvențială la terminalul de la sol
performanța generală a sistemului independent de tehnica de modulare.

De obicei, codificarea Reed -Solomon este adăugată pentru a reduce
probabilitatea de eroare, mai degrabă dec ât pentru a reduce Eb / N0. Utilizat
pentru multe misiuni în spațiu profund, codul RS este un puternic cod de corectare
a erorilor de explozie care are o rată de eroare extrem de mică nedetectată. Acest
cod poate fi utilizat singur și, ca atare, oferă o ex celentă corecție înainte într -un
canal de zgomot sau poate fi codul concatenat cu coduri de convoluție, cu codul
de convoluție ca cod interior și codul RS exterior cod. Această configurație poate
fi, de asemenea, utilizată cu interleading. Interleaver plas at între RS (exterior)
codul și codul de convoluție (interior) despart orice explozie care apare în ieșirea
decodificată a convoluției

Proprietățile codurilor Reed -Solomon
Codurile Reed Solomon sunt un subset de coduri BCH și sunt coduri bloc liniare.
Un cod Reed -Solomon este specificat ca RS (n, k) cu simboluri s -bit.Acest lucru
înseamnă că codificatorul ia k date de simboluri ale s biți fiecare și adaugă
simboluri de paritate pentru a face un simbol cu cod n. Există simboluri de paritate
n-k ale fiecărui bit. Un decodificator Reed -Solomon poate corecta până la
simboluri t care conțin erori într -un cod de cod, unde 2t=n -k.Următoarea
diagramă prezintă un cod de cuvânt tipic Reed -Solomon , acesta este cunoscut sub
numele de cod sistematic, deoarece datele sunt lăsate neschimbate și simbolurile
parității sunt anexate.

n
K 2t
DATA PARITY

Exemplu: Un cod popular Reed -Solomon este RS (255,223) cu simboluri pe 8
biți.
Fiecare codeword conține 255 octeți de cuvinte de cod, din care 223 octeți sunt
date și 32 de octeți sunt parități. Pentru acest cod:
n = 255, k = 223, s = 8
2t = 32, t = 16
Decodificatorul poate corecta orice 16 erori simbol în cu vântul de cod: adică
erorile de până la 16 octeți oriunde în codul de ordine pot fi corectate
automat.Având în vedere dimensiunea simbolului s, lungimea maximă a codului
de ordine (n) pentru un cod Reed -Solomon este n = 2s – 1
De exemplu, lungimea maximă a unui cod cu simboluri pe 8 biți (s = 8) este de
255 octeț

Codurile Reed -Solomon pot fi scurtate prin realizarea (conceptual) a unui număr
de simboluri de date zero la codificator, fără a le transmite și apoi a le reinsera la
decoder.
Exemplu: Codul (255,223) descris mai sus poate fi scurtat la (200,168).
Codificatorul preia u n bloc de 168 octeți de date (conceptual) adaugă 55 de octeți
zero, creează un cod de ordine (255,223) și transmite doar 168 de octeți de date
și 32 de octeți de paritate.

Cantitatea de "putere" de procesare necesară pentru codificarea și decodarea
codurilor Reed -Solomon este legată de numărul de simboluri de paritate pe cod
de ordine. O valoare mare a t înseamnă că un număr mare de erori poate fi
corectat, dar necesită mai multă putere de calcul decât o valoare mică de t.

Erorile simboluluiO eroare de simbol apare atunci când un bit dintr -un simbol
este greșit sau când toți biții dintr -un simbol sunt greșiți. Exemplu: RS (255,223)
poate corecta 16 erori de simbol. În cel ma i rău caz, pot apărea erori de 16 biți,
fiecare într -un simbol (octet) separat, astfel încât decodificatorul să corecteze
erorile de 16 biți. În cel mai bun caz, apar erori complete de 16 octeți, astfel încât
decodificatorul să corecteze erori de 16 x 8 bi ți.Codurile Reed -Solomon sunt
deosebit de potrivite pentru corectarea erorilor de explozie (unde o serie de biți
în codul de ordine sunt primite în eroare).

Arhitecturi pentru codificarea și decodificarea codurilor Reed -Solomon

Codarea și decoda rea Reed -Solomon poate fi realizată în software sau în
hardware special. Aritmetică finită (Galois) Codurile Reed -Solomon se bazează
pe o zonă specializată de matematică cunoscută sub denumirea de câmpuri Galois
sau câmpuri finite. Un câmp finit are propri etatea că operațiunile aritmetice (+, –
, x, / etc.) pe elementele de câmp au întotdeauna un rezultat în câmp. Un
codificator sau decodificator Reed -Solomon trebuie să efectueze aceste operații
aritmetice. Aceste operații necesită implementarea unor funcții hardware sau
software speciale.
Generator polinomial
Un cuvânt de cod Reed -Solomon este generat folosind un polinomial special.
Toate cuvintele de cod valide sunt divizibile exact de către polinomul
generatorului. Forma generala a polinomialului generatorului este:
g(x) = (x – ai) (x – ai+1)…(x -ai+2t)
iar codul de ordine este construit folosind:
c(x) = g(x).i(x)
unde g (x) este polinomul generatorului, i (x) este blocul de informații, c (x) este
un cod de cod valabil și a este den umit element primitiv al câmpului.

Exemplu: Generator pentru RS (255.249)

g(x) = (x -a0)(x -a1)(x -a2)(x -a3)(x -a4)(x -a5)
g(x) = x6 + g5x5 + g4x4 + g3x3+ g2x2 + g1x1 + g0

Arhitectura codificatorului:

Simbolurile de paritate 2t într -un cod sistematic Reed -Solomon sunt date de:
p(x) = i(x) * xn -k mod g(x)

Următoarea diagramă prezintă o arhitectură pentru un codificator RS (255.249)
sistematic:

Fiecare dintre cele 6 registre conține un simbol (8 biți ). Operatorii aritmetici
realizează adăugarea sau înmulțirea câmpului finit pe un simbol complet

Arhitectura decodificatorului
O arhitectură generală pentru decodarea codurilor Reed -Solomon este prezentată
în diagrama următoare

r (x): Cod de ordine primit

SI : sindroame

L (x): Polinomul de localizare a erorilor

Xi : Locații de eroare

Yi: Mărimea erorii

c (x): Cuvânt cod recuperat

V: Numărul de erori
Codul de ordine primit (x) este codul de ordine original (transmis) c (x) plus
erorile:
r (x) = c (x) + e (x)

În ce cele ce urmează vom discuta despre concatenarea paralelă a codurilor
convoluționale
Codurile luate în considerare constau în concatenarea paralelă a mai multor
coduri cu interleavers aleatori i (permutări) la intrarea fiecărui codificator..De
asemenea, codificatorul conține trei codificatoare convoluționale binare
recursive, cu celule de memorie M1, M2 și M3. În general, este posibil ca cele
trei codificatoare de componente să nu fie identice ș i să nu aibă ratele de cod.
Codificatorul de componente de tip Rst funcționează direct (sau prin 1/41) pe
secvența de biți de informații u = (u1; ¢ ¢ ¢ ; uN) de lungime N, producând cele
două secvențe de ieșire x1i și x1p. A doua componentă codificator fun cționează
pe o secvență reordonată de biți de informații, u2, produs de un interleaver, 1/42,
de lungimea N, și ieșirile secvența x2p. În mod similar, codificatoarele de
componente ulterioare funcționează pe o secvența de biți de informații, uj ,
produse d e interleaver 1/4j , și de ieșire secvența xjp.