Deep Space Communications BER und FEC?

Welche Art von Bitfehlerrate erhalten sie durch Deep Space-Kommunikation (Pioneer, Voyager usw.) und welche Art von Modulation und FEC ermöglicht es ihnen, Nachrichten mit diesem mikroskopischen Pegel der empfangenen Signalleistung wiederherzustellen?

Gibt es modernere Modulationsmethoden und Codierungsschemata für ähnliche Kanalbedingungen?

Für viele Jahre bestand der Stand der Technik darin, einen Faltungs- "inneren Code" und einen Block "äußeren Code" zu verwenden. Die "innere" und "äußere" Terminologie stammen aus dem folgenden Blockdiagramm:

$$\boxed{\scriptstyle \rm Payload}{\longrightarrow}\boxed{\scriptstyle\textrm{Outer Encode}}{\longrightarrow}\boxed{\scriptstyle\textrm{Inner Encode}}{\longrightarrow}\boxed{\scriptstyle\rm Channel}{\longrightarrow}\boxed{\scriptstyle\textrm{Inner Decode}}{\longrightarrow}\boxed{\scriptstyle\textrm{Outer Decode}}{\longrightarrow}\boxed{\scriptstyle\rm Payload}$$

Faltungscodes wurden als innerer Code verwendet, da sie sehr leistungsfähig sind und eine große Anzahl von Bitfehlern korrigieren können. Sie haben jedoch eine Schwäche - wenn es viele Fehler gibt, die nahe beieinander liegen, können sie zusammenbrechen und Fehler in einem Burst an dieser Stelle ausspucken. Der äußere Code wird verwendet, um diese Fehlerbursts zu korrigieren. Blockcodes sind nicht so leistungsfähig wie Faltungscodes (verwenden Sie auch nicht so viele Paritätsbits / -symbole), aber sie können gut mit Fehlerbursts umgehen. Außerdem gab es normalerweise einen Deinterleaver zwischen dem inneren und dem äußeren Code, der die Fehlerbursts auf viele Blöcke verteilte, was es dem Blockcode noch einfacher machte, sie zu korrigieren.

Wie der Abschnitt Deep Space Telecommunications von Wikipedia sagt, waren die inneren / äußeren Codes schon früh Viterbi-Codes (Faltungscodes) und Reed-Muller-Codes. Später waren es Viterbi und Reed-Solomon Codes.

In den frühen 90er Jahren wurden Turbo-Codes entdeckt, die die FEC-Welt im Sturm eroberten. In den 2000er Jahren sind Paritätsprüfcodes mit niedriger Dichte immer beliebter geworden. Sie wurden 1960 von Gallagher entdeckt, waren jedoch aufgrund der erforderlichen Rechenlast bis vor kurzem nicht realisierbar. Sowohl Turbo- als auch LDPC-Codes sind nahezu optimal in dem Sinne, dass sie sehr nahe an der Shannon-Grenze dessen liegen, was mit FEC erreicht werden kann. Derzeit verwendet die NASA meines Wissens sowohl Turbo- als auch LDPC-Codes.

Wie beim Entwurf eines zuverlässigen Kommunikationssystems erfordert der Entwurf einer zuverlässigen Weltraumkommunikation mehr als nur das Hinzufügen einer leistungsstarken FEC. Signalleistung, Freiraumpfadverlust, Empfängerrauschen usw. müssen berücksichtigt werden. Deep Space-Kommunikation hat tatsächlich viele Vor- und zwei enorme Nachteile. Die Nachteile sind die enorme Entfernung und die begrenzte Sendeleistung. Die Vorteile sind die Richtantennen mit wirklich hoher Verstärkung, das geringe Rauschen, das die Erdschalen beim Blick in den leeren Raum erhalten, das noch geringere Rauschen, das sie durch Kühlen ihrer Empfänger mit flüssigem Stickstoff usw. erhalten. Sie können auch ihre Datenrate verlangsamen Halten Sie die übertragene Leistung konstant, um jedem Bit mehr Energie zu geben.

Interleaved Convolution Coding kann verwendet werden, um den ECC-Overhead und die Verschwendung / Einsparung von Bandbreite, die für Paritätsinformationen verwendet wird, zu reduzieren.

1. Teilen Sie die Daten in N Streams auf. Angenommen, es gibt 8 Streams und daher geht jedes Bit eines Bytes in einen separaten Stream.
2. Übertragen Sie das gewundene Bit jedes Streams nacheinander.
3. Wenn also ein Burst-Fehler von beispielsweise 5 Bit vorliegt, wirkt sich dies nur auf ein einzelnes Bit jedes Streams aus.
4. Die maximale Länge des wiederherstellbaren Burst-Fehlers ist die Anzahl der Ströme N x sequentielle Korrekturfähigkeit jedes Stroms.

Wenn Ihre Faltungscodierung beispielsweise bis zu 2 nachfolgende Bitfehler korrigieren kann, können Sie für eine verschachtelte Codierung mit 8 Streams bis zu 16 Fehler korrigieren.