Қатынастардағы қабаттас қате табу және түзету коді

Кіріспе

Байланыстағы гибридті қателерді анықтау және түзету коды. Гибридті автоматты қайталау сұранысы (гибридті ARQ немесе HARQ) – жоғары жылдамдықты алға қателерді түзету (FEC) және автоматты қайталау сұранысы (ARQ) қателерді бақылаудың үйлесімі. Стандартты ARQ-да, жіберілетін деректерге циклдық артық тексеру (CRC) сияқты қателерді анықтау (ED) кодын қолдану арқылы артық биттер қосылады. Бұзылған хабарламаны алған қабылдағыш жіберушіден жаңа хабарлама сұрайды. Гибридті ARQ-да бастапқы деректер FEC кодымен кодталады, ал паритеттік биттер хабарламамен бірге бірден жіберіледі немесе қабылдағыш қате хабарламаны анықтағанда ғана сұрау бойынша жіберіледі. Егер Reed–Solomon коды сияқты қателерді анықтаумен қатар алға қателерді түзетуді (FEC) де орындай алатын код қолданылса, ED кодын қолданудан бас тартуға болады. FEC коды барлық мүмкін болатын қателердің күтілетін бір бөлігін түзетуге арналған, ал ARQ әдісі бастапқы берілісте жіберілген артық ақпаратты ғана пайдаланып түзетілмейтін қателерді түзету үшін резервтік нұсқа ретінде қолданылады. Нәтижесінде, гибридті ARQ нашар сигнал жағдайында қарапайым ARQ-дан жақсы нәтиже береді, бірақ ең қарапайым түрінде жақсы сигнал жағдайында өнімділіктің айтарлықтай төмендеуіне әкеледі. Әдетте, гибридті ARQ қарапайым ARQ-дан жақсы болатын сигнал сапасының белгілі бір шегі болады, ал одан жоғары сигнал сапасында негізгі ARQ жақсырақ болады.

Қарапайым гибридтік АРҚ

HARQ-тың ең қарапайым түрі, I типті HARQ, әрбір хабарламаны жібермес бұрын ED және FEC ақпаратын қосады. Кодталған дерек блогы қабылданғанда, қабылдағыш алдымен қателерді түзету кодын декодтайды. Егер арна сапасы жеткілікті болса, барлық берілу қателері түзетілуі керек, және қабылдағыш дұрыс дерек блогын ала алады. Егер арна сапасы нашар болса және барлық берілу қателерін түзету мүмкін болмаса, қабылдағыш қателерді анықтау кодын пайдаланып, бұл жағдайды анықтайды, содан кейін алынған кодталған дерек блогы қабылданбайды және ARQ сияқты қайта берілу сұралады. Күрделірек түрі, II типті HARQ, хабарды жіберуші хабарлама биттерін қателерді анықтау үшін parity биттерімен және тек FEC parity биттерімен алмастырады. Бірінші берілім қатесіз қабылданса, FEC parity биттері жіберілмейді. Сондай-ақ, егер екі берілім де қатесіз болмаса, оларды біріктіріп қателерді түзетуге болады. I және II типті гибридтік ARQ арасындағы айырмашылықты түсіну үшін ED және FEC қосылған ақпараттың көлемін қарастырайық: қателерді анықтау әдетте хабарламаға бірнеше байт қана қосады, бұл ұзындықтың шамалы ұлғаюы. Ал FEC, керісінше, қателерді түзету parity біттерімен хабарлама ұзындығын екі немесе үш есеге арттыруы мүмкін. Өтімділік тұрғысынан, стандартты ARQ қателерден сенімді қорғау үшін арна сыйымдылығының бірнеше пайызын жұмсайды, ал FEC әдетте арнаны жақсарту үшін арна сыйымдылығының жартысынан астамын жұмсайды. Стандартты ARQ-да, қателерді анықтау үшін берілімнің кез келген сәтте қатесіз болуы керек. II типті гибридтік ARQ-да, бірінші берілімде тек деректер мен қателерді анықтау болады (стандартты ARQ-тан ешқандай айырмашылығы жоқ). Егер қатесіз қабылданса, жұмыс аяқталды. Егер деректер қатемен қабылданса, екінші берілімде FEC parity біттері мен қателерді анықтау болады. Егер қатесіз қабылданса, жұмыс аяқталды. Егер қатемен қабылданса, екі берілімнен алынған ақпаратты біріктіру арқылы қателерді түзетуге болады. Тек I типті гибридтік ARQ ғана күшті сигнал жағдайында сыйымдылықты жоғалтады. II типті гибридтік ARQ жоқ, өйткені FEC биттері тек қажет болған жағдайда, кейінгі қайта берілімдерде ғана жіберіледі. Күшті сигнал жағдайында II типті гибридтік ARQ стандартты ARQ сияқты жақсы өтімділікпен жұмыс істейді. Әлсіз сигнал жағдайында II типті гибридтік ARQ стандартты FEC сияқты жақсы сезімталдықпен жұмыс істейді.

The simplest version of HARQ, Type I HARQ, adds both ED and FEC information to each message prior to transmission. When the coded data block is received, the receiver first decodes the error correction code. If the channel quality is good enough, all transmission errors should be correctable, and the receiver can obtain the correct data block. If the channel quality is bad, and not all transmission errors can be corrected, the receiver will detect this situation using the error detection code, then the received coded data block is rejected and a re transmission is requested by the receiver, similar to ARQ. In a more sophisticated form, Type II HARQ, the message originator alternates between message bits along with error detecting parity bits and only FEC parity bits. When the first transmission is received error free, the FEC parity bits are never sent. Also, two consecutive transmissions can be combined for error correction if neither is error free. To understand the difference between Type I and Type II Hybrid ARQ, consider the size of ED and FEC added information: error detection typically only adds a couple of bytes to a message, which is only an incremental increase in length. FEC, on the other hand, can often double or triple the message length with error correction parities. In terms of throughput, standard ARQ typically expends a few percent of channel capacity for reliable protection against error, while FEC ordinarily expends half or more of all channel capacity for channel improvement. In standard ARQ a transmission must be received error free on any given transmission for the error detection to pass. In Type II Hybrid ARQ, the first transmission contains only data and error detection (no different from standard ARQ). If received error free, it's done. If data is received in error, the second transmission will contain FEC parities and error detection. If received error free, it's done. If received in error, error correction can be attempted by combining the information received from both transmissions. Only Type I Hybrid ARQ suffers capacity loss in strong signal conditions. Type II Hybrid ARQ does not because FEC bits are only transmitted on subsequent re transmissions as needed. In strong signal conditions, Type II Hybrid ARQ performs with as good capacity as standard ARQ. In poor signal conditions, Type II Hybrid ARQ performs with as good sensitivity as standard FEC.

Гибридтік ARQ жұмсақ біріктірумен

Іс жүзінде, дұрыс қабылданбаған кодталған дерек блоктары көбінесе қабылдағышта жойылмай, сақталады, ал қайта жіберілген блок келгенде екі блок біріктіріледі. Бұл жұмсақ біріктіруі бар гибридті ARQ деп аталады (Dahlman және басқалар, 120-бет). Екі берілген хабарды қатесіз жеке-жеке декодтау мүмкін болмаса да, бұрын қатемен қабылданған хабарлардың үйлесімділігі дұрыс декодтау үшін жеткілікті ақпарат бере алады. HARQ-да екі негізгі жұмсақ біріктіру әдісі бар:

Чейз біріктіруі: әрбір қайта жіберуде бірдей ақпарат (деректер және паритет биттері) болады. Қабылдағыш алған биттерді алдыңғы жіберулерден алынған биттермен біріктіру үшін максималды қатынас біріктіруін пайдаланады. Барлық жіберулер бірдей болғандықтан, Чейз біріктіруін қосымша қайталау кодтамасы ретінде қарастыруға болады. Әрбір қайта жіберуді қабылданған сигналға күштірек Eb/N0 арқылы қосымша энергия қосу ретінде қарастыруға болады. Инкременттік артықшылық: әрбір қайта жіберуде алдыңғысынан өзгеше ақпарат болады. Бірдей ақпарат биттерінің жиынтығын көрсететін кодталған биттердің бірнеше жиынтығы жасалады. Қайта жіберуде әдетте бұрынғы жіберуге қарағанда кодталған биттердің басқа жиынтығы қолданылады, кодтаушы шығысын тесу арқылы әртүрлі артықшылық нұсқалары жасалады. Осылайша, әрбір қайта жіберуде қабылдағыш қосымша ақпарат алады. Екі негізгі әдістің бірнеше нұсқалары бар. Мысалы, жартылай Чейз біріктіруінде бастапқы жіберудегі биттердің тек бір бөлігі қайта жіберіледі. Жартылай инкременттік артықшылықта жүйелі биттер әрқашан қосылады, сондықтан әрбір қайта жіберу өзін-өзі декодтауға қабілетті болады. Инкременттік артықшылықты HARQ-тың мысалы – HSDPA: дерек блогы алдымен тесілген 1/3 Turbo кодымен кодталады, содан кейін әрбір (қайта) жіберуде кодталған блок әдетте одан әрі тесіледі (яғни кодталған биттердің тек бір бөлігі таңдалады) және жіберіледі. Әрбір (қайта) жіберуде қолданылатын тесу үлгісі әртүрлі, сондықтан әр уақытта әртүрлі кодталған биттер жіберіледі. HSDPA стандарты Чейз біріктіруін де, инкременттік артықшылықты да қолдайды, бірақ инкременттік артықшылықтың Чейз біріктіруінен гөрі жақсы жұмыс істейтіні, бірақ күрделілігі жоғары екені көрсетілген. HARQ тоқтату және күту режимінде немесе таңдамалы қайталау режимінде пайдаланылуы мүмкін. Тоқтату және күту қарапайым, бірақ қабылдағыштан растау күту тиімділікті төмендетеді. Сондықтан, тәжірибеде бірнеше HARQ процестері тоқтату және күту режимінде параллель түрде орындалады: бір HARQ процесі растауды күтіп тұрғанда, екінші процесс арнаны қосымша деректерді жіберу үшін пайдалана алады. HARQ схемасында Turbo кодтарынан басқа да қателерді түзету кодтары қолданылуы мүмкін, мысалы, кеңейтілген ретсіз қайталану жинақтағыш (eIRA) коды және тиімді кодталатын жылдамдыққа сәйкес (E2RC) коды, екеуі де төмен тығыздықпен тепе-теңдік тексеру кодтары.

Chase combining: every re transmission contains the same information (data and parity bits). The receiver uses maximum ratio combining to combine the received bits with the same bits from previous transmissions. Because all transmissions are identical, Chase combining can be seen as additional repetition coding. One could think of every re transmission as adding extra energy to the received transmission through an increased Eb/N0. Incremental redundancy: every re transmission contains different information than the previous one. Multiple sets of coded bits are generated, each representing the same set of information bits. The re transmission typically uses a different set of coded bits than the previous transmission, with different redundancy versions generated by puncturing the encoder output. Thus, at every re transmission the receiver gains extra information. Several variants of the two main methods exist. For example, in partial Chase combining only a subset of the bits in the original transmission are re transmitted. In partial incremental redundancy, the systematic bits are always included so that each re transmission is self decodable. An example of incremental redundancy HARQ is HSDPA: the data block is first coded with a punctured 1/3 Turbo code, then during each (re)transmission the coded block is usually punctured further (i. e. only a fraction of the coded bits are chosen) and sent. The puncturing pattern used during each (re)transmission is different, so different coded bits are sent at each time. Although the HSDPA standard supports both Chase combining and incremental redundancy, it has been shown that incremental redundancy almost always performs better than Chase combining, at the cost of increased complexity. HARQ can be used in stop and wait mode or in selective repeat mode. Stop and wait is simpler, but waiting for the receiver's acknowledgment reduces efficiency. Thus multiple stop and wait HARQ processes are often done in parallel in practice: when one HARQ process is waiting for an acknowledgment, another process can use the channel to send some more data. There are other forward error correction codes that can be used in an HARQ scheme besides Turbo codes, e. g. extended irregular repeat accumulate (eIRA) code and Efficiently Encodable Rate Compatible (E2RC) code, both of which are low density parity check codes.

Қолданбалар

HARQ UMTS сияқты ұялы телефон желілері үшін жоғары жылдамдықты деректерді беруді (төменгі және жоғарғы байланыста) қамтамасыз ететін HSDPA және HSUPA-да, сондай-ақ "ұялы WiMAX" деп белгілі ұялы кеңжолақты сымсыз қолжетімділік үшін IEEE 802.16 2005 стандартында қолданылады. Ол сондай-ақ Evolution Data Optimized және LTE сымсыз желілерінде де қолданылады. I типті гибридті ARQ ITU T G. hn стандартында қолданылады, ол қолданыстағы үй сымдары (электр желілері, телефон желілері және коаксиалдық кабельдер) арқылы 1 Гбит/с-қа дейін деректерді беру жылдамдығымен жұмыс істей алатын жоғары жылдамдықты жергілікті желі стандарты. G. hn қателерді анықтау үшін CRC 32C, алға түзету үшін LDPC және ARQ үшін таңдамалы қайталауды пайдаланады.