Vidarebefordra felkorrigering: Ökar tydligheten i walkie-talkie-kommunikationen

Vet du hur information ibland förlorar autenticitet när den förs från mun till mun? En person kan vidarebefordra en bit information till någon annan, som kan lägga till eller ändra den. Sådana ändringar leder till korruption eller, mer exakt, fel. Och detta liknar vad som händer med data som skickas från en walkie-talkie till en annan. 

Data kan fånga upp fel när de lagras eller överförs. Som ett resultat kommer mottagaren att få otydliga, korrupta meddelanden istället för det ursprungliga meddelandet. Vissa walkie-talkies kan korrigera det genom att upprepade gånger skicka meddelandet tills det är felfritt. Men eftersom detta ökar latensen, är det effektivt eller finns det ett bättre sätt att rätta till fel? 

I den här artikeln kommer vi att diskutera framåtriktad felkorrigering och dess olika tekniker. Vi kommer också att avgöra om de är mer effektiva för att korrigera slumpmässiga kommunikationsfel. 

Grunderna för kommunikationsfel

När du lagrar eller skickar data kan data utsättas för fel och skadas. Sådana fel inkluderar bitflip, där en binär 1 blir en 0 eller vice versa. Felkorrigeringskoder försöker identifiera och upptäcka fel, vilket möjliggör tillförlitlig dataleverans. 

Kommunikationsfel uppstår när överförda data blir skadade eller förlorade under överföringen. Dessa fel delas in i två huvudkategorier: 

• Bitfel: Bitfel uppstår när enskilda bitar skadas när de lagras eller överförs. Till exempel skickar sändaren 0101, men mottagaren tar emot 1101. Det betyder att den första biten har ett fel. Vanligtvis orsakar brus, störningar eller signalfel bitfel. 
• Paketfel: Paket är mindre segment av större data som skickas från en enhet till en annan. Paketfel uppstår när ett helt paket med data skadas under överföringen. Det kan hända på grund av extrem signalförsämring eller störningar.

Inverkan av kommunikationsfel på Walkie-Talkie-prestanda 

Kommunikationsfel påverkar walkie-talkie-prestandan. De kan orsaka:

• Minskad ljudkvalitet: Du kan få förvrängt, otydligt ljud om ditt meddelande innehåller fel. Sådan dålig överföring kan göra det utmanande att kommunicera effektivt. 

• Ökad strömförbrukning: Återsändning av data gör att din tvåvägsradio förbrukar mer ström än den borde. Batteriet kan därför laddas ur snabbare, vilket minskar batteritiden. 

• Reducerat räckvidd: Signalförsämring och störningar kan orsaka fel. Därför begränsar de walkie-talkies kommunikationsräckvidd.

Förstå Forward Error Correction 

Forward Error Correction (FEC) är en felkontrollteknik där sändaren lägger till redundans (felkorrigeringskod) till data. Således kan mottagaren upptäcka och korrigera fel utan att begära omsändning. 

FEC ökar datastorleken men ökar kraftfullt chanserna för framgångsrik kommunikation. I sin mest enkla applikation skickar FEC varje tecken två till tre gånger. Mottagaren kontrollerar sedan alla (två till tre) instanser eller prover av tecknet för överensstämmelse med protokollet. 

Om båda proverna överensstämmer med protokollet kommer det att acceptera det. Men om bara ett prov gör det, accepterar det karaktären som överensstämmer med protokollet. 

Men om ingen instans motsvarar protokollet, avvisar den tecknet. Då visas ett tomt mellanslag eller ett understreck istället för tecknet.  

Bitfrekvens (BER)

BER är antalet bitfel dividerat med antalet överförda bitar, uttryckt i procent. Det är andelen skadade bitar i en överföring. 

BER bestämmer överföringskvaliteten och kan förutsäga framgången för meddelandeleverans. Vanligtvis innebär en högre bitfelsfrekvens fler fel. Och även FEC kommer inte att kunna korrigera mycket höga bitfelfrekvenser (för många misstag). I sådana fall kommer FEC att be sändaren att skicka om paketet. 

FEC kontra automatisk upprepad begäran 

FEC och Automatic Repeat Request (ARQ) är felkontrollmetoder vid dataöverföring. Men det som skiljer dem åt är hur de rättar till fel. FEC lägger till redundans till överförda data, vilket gör att mottagaren kan identifiera och korrigera fel. 

Omvänt begär ARQ automatisk återsändning av skadade eller förlorade datapaket. Om sändaren skickar en ram eller ett paket, bekräftar mottagaren det. Det vill säga om den tar emot det rätt. 

Om mottagaren inte får paketet korrekt före timeoutperioden, fortsätter den att begära omsändning av dataramen tills den tar emot den korrekta.  

Även om ARQ tillhandahåller tillförlitlig kommunikation över en opålitlig källa, har det vissa nackdelar. ARC ökar latensen och minskar effektiviteten på grund av upprepade sändningar. Däremot kan FEC korrigera fel utan omsändning. Därför ger det snabbare och mer tillförlitlig kommunikation i miljöer med höga felfrekvenser. 

Populära tekniker för felkorrigering 

Det finns många FEC-tekniker, men nedan är de vanligaste som används i walkie-talkies: 

Blockera koder 

Blockkoder är en fundamental forward error correction (FEC) teknik. De använder dem i digitala kommunikationssystem för att upptäcka och korrigera fel. 

I denna teknik delar avsändaren in data i block med fast storlek som kallas meddelanden. Den lägger till redundanta bitar till varje block för att skapa ett kodord. Sändaren skickar sedan alla block till mottagaren. Mottagaren avkodar i sin tur blocken för att återställa det ursprungliga meddelandet. 

Några populära blockkoder är Hamming-koder, Golay-koder, Reed-Muller-koder och BCH-koder.

Hamming-koder 

Richard Hamming introducerade Hamming Codes i början av 1950-talet. Hamming-koder är en familj av linjära blockkoder som kan upptäcka och korrigera enbitsfel. 

Hamming-koder kan upptäcka både enbitsfel och tvåbitsfel. Men de kan bara korrigera enbitsfel. De är ganska enkla att implementera. De används oftast i datorminne och andra felbenägna digitala system. Hamming-koder är ytterligare uppdelade i binära och icke-binära koder. 

Golay-koder 

Golay-koder är en imponerande familj av linjära blockkoder som används i digital kommunikation. De döpte dem efter Marcel JE Golay, som skrev en introduktionsartikel om koderna. 

De viktigaste Golay-koderna är de binära och ternära Golay-koderna, som är perfekta koder. Den binära Golay-koden korrigerar upp till trebitarsfel, medan den ternära korrigerar tvåbitarsfel. Det finns också den utökade binära Golay-koden och den utökade ternära Golay-koden. De är båda självdubbla koder härledda från att utöka de binära och ternära koderna.  

Reed-Muller-koder 

Reed-Muller-koder är en familj av blockkoder kända för sin flexibilitet vid felkorrigering. De är en av de äldsta och enklaste koderna. Två parametrar, r och m, definierar Reed-Muller-koderna. r är ordningen, medan m är längden på koderna. 

Reed-Muller kan korrigera många fel beroende på deras konfiguration. Men de högre ordningens Reed-Muller-koder har bättre felkorrigeringsmöjligheter. De använder dessa koder i trådlös kommunikation, satellitkommunikation och datorminnessystem.

BCH-koder

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)-koder är en familj av cykliska blockkoder. De har kraftfulla slumpmässiga felkorrigeringsmöjligheter. Två parametrar definierar dem: blocklängden (n) och felkorrigeringskapaciteten (t). 

BCH-koder löses enkelt genom en algebraisk metod som kallas syndromavkodning. De kan korrigera alla slumpmässiga mönster av t-fel i varje kodord. De använder BCH i digitala kommunikationssystem, datorminne och andra applikationer.

Redundansen i BCH-koder är högre än i vissa andra blockkoder. Men de erbjuder utmärkta felkorrigerande prestanda.

Konvolutionella koder

Konvolutionskoder är en populär FEC-teknik som används i digital kommunikation. De kodar data med hjälp av ett glidande fönster och lägger till redundans baserat på de tidigare bitarna i sekvensen. Två parametrar kännetecknar faltningskoder: begränsningslängd (K) och kodhastighet. 

Konvolutionskoder fungerar inte på datablock med fast storlek som blockkoder. De genererar dem genom att konvolvera databitarna med ett fördefinierat kodgeneratorpolynom som kallas den booleska polynomfunktionen.

De implementerar faltningskoder med hjälp av skiftregister och modulo-2-adderare. Denna metod gör dem relativt enkla att köra i hårdvara.

Reed-Solomon-koder 

Reed-Solomon (RS)-koder är en underklass till de icke-binära BCH-koderna. De är en kraftfull familj av icke-binära blockkoder som kan korrigera flera fel i ett block. Antalet och typen av misstag de kan fixa beror vanligtvis på egenskaperna hos Reed-Solomon-koden.  

RS-koder är baserade på matematiken för ändliga fält, specifikt Galoisfält . Två parametrar karaktäriserar dessa koder: blocklängden (n) och antalet datasymboler (k). Kodordet består oftast av koefficienterna för ett polynom.

De genererar RS-koder med hjälp av polynom över ett ändligt fält. Varje symbol i ett kodord representerar en koefficient för polynomet, och alla kodord är delbara med generatorpolynomet. De använder RS ​​i digitala och satellitkommunikationssystem på grund av deras utmärkta felkorrigeringsförmåga. 

Turbokoder

Turbokoder är en klass av framåtriktade felkorrigeringskoder. De kombinerar två eller flera faltningskoder unikt, vilket ger högpresterande felkorrigering.

Claude Berrou introducerade koden 1993, och den har förblivit ett populärt val för 3G, 4G och satellitkommunikation. Hans turbokoder bevisade Shannonteorin och gav honom Marconipriset 2005.

Shannon-gränsen är den teoretiska maxhastigheten för felfria data som du kan överföra över en kanal, givet en viss brusnivå. Turbokoder har en felkorrigering nära Shannon-gränsen. 

Turbokoder består av två eller flera parallella sammanlänkade faltningskoder. En interleaver separerar dessa koder. Interleavern omordnar databitarna på ett pseudoslumpmässigt sätt, och sprider effekterna av skurfel över kodorden. 

Under avkodning använder den en iterativ process som kallas "turbo-avkodning". Turboavkodning alternerar mellan de två faltningsavkodarna och utbyter mjuk information. Denna iterativa avkodningsprocess tillåter turbokoder att uppnå nästan optimal felkorrigerande prestanda.

Lågdensitetsparitetskontrollkoder 

Low-Density Parity-Check (LDPC)-koder är en typ av linjär blockkod som kännetecknas av deras glesa paritetskontrollmatris. Robert G. Gallager introducerade dem först 1963. De använder iterativ trospridningsavkodning och de konstruerar LPDC med hjälp av en gles Tanner-graf.

LDPC: er är nästan optimala felkorrigeringskoder med en bruströskel mycket nära Shannon-gränsen. Trots deras kraftfulla prestanda var de mestadels bortglömda i flera år. Men nyligen har de vunnit popularitet och konkurrerar nära med Turbo-koder. 

Men turbokoder fungerar bättre för måttliga till låga kodhastigheter. Och LDPC fungerar bättre och är mindre komplex för högre kodhastigheter. Den glesa paritetskontrollmatrisen (H), ofta slumpmässigt genererad, definierar LDPC-koderna. 

Den används för att skapa kodorden och utföra feldetektering och korrigering under avkodning. Det möjliggör effektiva avkodningsalgoritmer, såsom trosutbredning (BP) eller summaproduktalgoritmen (SPA). 

Fördelarna med Forward Error Correction 

Ökar den övergripande kommunikationssäkerheten 

En stor fördel med FEC är att förbättra kommunikationens tillförlitlighet, även över opålitliga källor. Det gör det möjligt att kommunicera tydligt och effektivt i olika miljöer. 

Förbättrar signalkvalitet och tydlighet 

FEC-tekniker kan avsevärt förbättra signalkvaliteten och klarheten. Genom att identifiera och korrigera fel hjälper FEC ljudsignaler att förbli begripliga, även i bullriga miljöer. 

Ökar räckvidd och täckning 

FEC är fördelaktigt vid långdistanskommunikation. Det tillåter walkie-talkies att upprätthålla tydlig kommunikation över längre avstånd. FEC kompenserar för felfrekvenser som orsakar signalförsämring. 

Eftersom det korrigerar fel utan omsändning, blir det mindre prestandapåverkan. Således kan walkie-talkies täcka mer omfattande räckvidder. 

Minskar behovet av återsändningar 

Genom att minska bitfelsfrekvensen minimerar FEC behovet av återsändning. Återsändning är tidskrävande och kan avsevärt öka latensen över större avstånd. 

Således minskar FEC latensen och förbättrar effektiviteten genom att korrigera fel utan återsändning. Den snabbare överföringskapaciteten hos FEC är mest användbar i områden där snabb, pålitlig kommunikation är avgörande. 

Förbättrad motståndskraft mot störningar och signalfading 

Forward Error Correction korrigerar fel orsakade av störningar och signaler som bleknar. Walkie-talkies med FEC är alltså mindre benägna att signalbleknar och avlyssnas, vilket kan påverka kommunikationskvaliteten.  

slutord

Vidarebefordra felkorrigeringstekniker korrigerar fel genom att lägga till redundans till det överförda meddelandet. Denna teknik gör det möjligt för den mottagande walkie-talkie att korrigera misstag utan återsändning. Medan andra felkorrigeringstekniker också fixar fel, gör FEC det mer effektivt. 

Det finns inget behov av omsändning. Därför minskar det latensen och förbättrar tydlig kommunikation över långa avstånd och i krävande miljöer som kryssningsfartyg.