Прямая коррекция ошибок (FEC) и технология VersaFEC® от Comtech EF Data

Прямая коррекция ошибок (FEC)

Прямая коррекция ошибок (англ. Forward Error Correction, или сокр.: FEC) – мощный метод для улучшения производительности подверженных ошибкам каналов, используемый в системах связи. Производительность FEC может быть оценена на основе их расстояния от предела Шеннона.

VersaFEC®

VersaFEC – короткоблочная система с низкой задержкой на основе Low Density Parity Check (LDPC) кода, разработанная для поддержки чувствительных к скорости отклика приложений, таких, как сотовый обратный сигнал к спутнику, и обеспечения кодирования при минимальной сквозной задержке. VersaFEC обеспечивает превосходную альтернативу существующим LDPC и DVB-S2 система.

Технология VersaFEC разработана:

• Для обеспечения широкого выбора модуляции и кодовых комбинаций (ModCods). Эти новые комбинации обеспечивают кодирование, эквивалентное уже существующим LDPC и при этом значительно уменьшают задержку. Существующие LDPC коды (также как DVB-S2 коротко-блочные коды) используют блоки в 16 кбит, тогда как VersaFEC использует блоки в пределах от 2 кбит до 8.2 кбит.
• Для поддержки систем адаптивной модуляции и кодирования (ACM). ModCods были выбраны, для обеспечения непрерывной прогрессии с точки зрения графика функций Eb/No (отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит принимаемого сообщения (Eb), к энергетической спектральной плотности шума (N0)) и спектральной эффективности, и сокращения задержек почти до теоретических минимумов.

Показатели кодирования VersaFEC

VersaFEC включает 12 настроек модуляции и кодирования (ModCods):

Производительность кодов VersaFEC по отношению к пределу Шеннона показана на графике ниже. Для всех ModCods, VersaFEC находится в интервале от 0.7 до 1.0 дБ предела Шеннона. Производительность VersaFEC соответствует производительности DVB-S2 с блоками на 16 кбит.

По сравнению с Turbo Product кодами (TPC) VersaFEC обеспечивает более 1.0 дБ сокращения Eb/No. А как следствие приводит к увеличению пропускной способности и уменьшению размеров BUC/HPA.

Низкая степень задержки

VersaFEC специально предназначен для приложений c низкой задержкой. Для сравнения, уровень LDPC 2/3 8-QAM и Уровень VersaFEC 0.642 8-QAM обеспечивают практически идентичную спектральную эффективность и производительность Eb/No. Однако при 64 Кбит/с, задержка была уменьшена с 350 миллисекунд до 89 миллисекунд.

По сравнению с короткоблочным DVB-S2, VersaFEC обеспечивает значительное сокращение задержки в широком диапазоне. Например, у QPSK DVB-S2 уровня 2/3 и VersaFEC QPSK 0.631 имеют близкую по значению спектральную эффективность и производительность Eb/No. Однако при 64 Кбит/с, задержка VersaFEC составляет 59 мс, по сравнению с более 500 мс для DVB-S2.

В дополнение к тому, что используются блоки меньших размеров VersaFEC использует не чередующиеся систематические коды LDPC. В сравнении с чередующимися кодами DVB-S2, достигается значительного сокращения задержки. Общая сквозная задержка для высокого уровня кодирования систематическим кодом (таким как VersaFEC) асимптотически приближается к половине задержки чередованного кода (такого как DVB-S2).

VersaFEC® зарегистрированный товарный знак Comtech EF Data

VersaFEC-2

Обзор технологии VersaFEC-2

Comtech EF Data спроектировали и выпустили первое поколение систем VersaFEC весной 2007, которая использовалась в усовершенствованном спутниковом модеме CDM-625. Начальная форма сигнала была разработана для обеспечения высокой производительности и уменьшения скорости отклика операций постоянного кодирования и модуляции (CCM) и адаптивного кодирования и модуляции (ACM) на основе LDPC кодирования/декодирования для 5 Msps субканалов. Первое поколение VersaFEC очень быстро получило признание во многих отраслях и стало интегрироваться в решения с каналами передачи данных низкого и среднего уровней, которые требовали разложения сигнала в спектр с низкой задержкой. VersaFEC используется в настоящее время в трёх продуктах Comtech EF Data:  модемы CDM-625 / CDM-625A / CDMER-625A, модемы CDM-570A / CDM-570AL и усовершенствованные VSAT платформы.

В то время как уровни производительности VersaFEC устанавливают высокую планку эффективности для каналов низких и средних уровней, рынок требует еще более высокой производительности и лучших результатов с точки зрения экономики. В связи с этим Comtech EF Data разрабатывает форму сигнала VersaFEC-2 и включает эту новую технологию в свой комплект продуктов, чтобы позволить мобильным сетевым операторам и поставщикам услуг продолжать контролировать затраты и постоянно увеличивать уровень обслуживания в соответствии с требованиями конечных пользователей. Цель этой статьи, описать следующее поколение разработки - системы расширенной формы сигнала VersaFEC-2 (VWS) и сравнить её со стандартами DVB-S2 и DVB-S2x вместе с её предшественником, VersaFEC, и выделить преимущества, замеченные при использовании новой технологии.

VersaFEC-2 (LDPC)

Высокоэффективная форма сигнала VersaFEC-2 была разработана для обеспечения оптимальных показателей производительности от 100 Ksps до 12.5 Msps в приложениях. Форма сигнала VersaFEC-2 состоит из 74 новых версий ModCod с новыми вариантами настроек модуляции и кодирования. VersaFEC-2, подобно промышленным стандартам DVB-S2 и DVB-S2x, обеспечивает два операционных режима, длинный блок и короткий блок. Длинноблочный режим предоставляет 38 вариантов ModCod с различными степенями кодирования и спектральной эффективности, большим, чем у DVB-S2 и равным DVB-S2x, а также степень задержки, составляющую до 1/8 от того же показателя, при использовании стандартов DVB-S2 и DVB-S2x. Короткоблочный режим VersaFEC-2 предоставляет 36 вариантов ModCod с лучшей производительностью, чем у зарекомендовавшей себя технологии VersaFEC с подобными или лучшими показателями задержки. Все совокупности высшего порядка в VersaFEC-2 являются цикличными для оптимальной производительности соотношения максимального к среднему значению и, как следствие, делает их менее подверженными падению производительности в нелинейных спутниковых каналах. Кроме того, новая 32-разрядная модуляция была введена для поддержки спектральной эффективности до 4.4 бит/с/Гц. Оба алгоритма CCM и ACM поддерживаются в обоих режимах Long-Block и Short-Block.

VersaFEC-2 (LDPC) vs. DVB-S2

Высокоэффективная форма сигнала VersaFEC-2 обеспечивает значительное преимущество производительности перед промышленным стандартом DVB-S2, а также перед его предшественником, VersaFEC. На рисунке 1 представлено сравнение длинно-блочного режима VersaFEC-2 и длинно-блочного DVB-S2.

Как изображено на рисунке 1, спектральная эффективность VersaFEC-2 выше, чем у стандарта DVB-S2 в наиболее распространенных сценариях (5 дБ-11 дБ сигнал/шум) приложений с низкими и средними скоростями передачи данных и на одном уровне со стандартом DVB-S2 при более высоких значениях показателя сигнал/шум. Увеличенные уровни производительности VersaFEC-2 непосредственно влияют на нижний график вследствие того, что:

• Дополнительная пропускная способность (Мбит/с) может быть задействована без расширения ширины канала.
• Минимальная ширина канала требуется для выбранного уровня пропускной способности (Мбит/с), что приводит к уменьшению потерь и снижению затрат ресурсов в операционной структуре для данной ширины потока.

Для мобильных операторов или поставщиков услуг связи, использование данной технологии даёт значительные преимущества. Для уже существующих сервисов - увеличение производительности в наиболее распространенных режимах работы непосредственно коррелирует увеличение прибыли, предполагая, что прайс-лист для конечного пользователя останется прежним. С другой стороны, измененная экономическая модель, следующая из уменьшения базовой стоимости, открывает новые рынки и области работы для мобильных операторов или поставщика услуг. Комбинация этих двух важных особенностей позволит предоставлять высококлассный уровень сервиса для конечных пользователей.

VersaFEC-2 vs. VersaFEC

На Рис. 2 представлено сравнение VersaFEC-2 с его предшественником, VersaFEC. Как показано на графике, Versa-FEC2 обеспечивает преимущество на 1.7 дБ больше в сравнении с VersaFEC.

Минимизация степени задержки

Ставка компании Comtech EF Data на то, что метод кодирования, который использует постоянное число символов в блоке, превзойдёт программный алгоритм, используемый в стандарте DVB, в котором за блочную единицу взят постоянный бит, была оправдана. Впоследствии, разработанный механизм был успешно интегрирован в VersaFEC, показав превосходные результаты относительно уровня задержки при передаче. Аналогично, VersaFEC-2, используя постоянный символ за блочную единицу, обладает значительными преимуществами в сравнении со стандартами DVB-S2 и DVB-S2x в минимизации степени задержки. Чтобы отметить это различие, в Табл. 1 продемонстрировано сравнение производительности VersaFEC-2 и DVB-S2 или DVB-S2x с точки зрения степени задержки канала на скорости 512 Кбит/с.

Таблица 1: таблица сравнения степени задержки VersaFEC-2 и DVB-S2/DVB-S2x

Как видно из Таблицы 1, вне зависимости от используемой вариации ModCod, показатель степени задержки VersaFEC-2 меньше чем при использовании стандарта DVB. Высокая степень задержки негативно влияет на показатели системы следующим образом:

• Снижение скорости установления соединения с интерактивными приложениями;
• Сильное сокращение скорости и качества работы приложений
• Возможность неработоспособности приложения.

Кодирующие устройства с технологией VersaFEC, были разработаны с нуля, в соответствии с требованиями базовых приложений. Для мобильных операторов чрезвычайно важно гарантировать, что базовые протоколы передачи для 2G, 3G и 4G сетей будут корректно и быстро функционировать. Допустимые значения степени задержки и джиттера этих протоколов очень низкие, и важно выбрать такое устройство передачи, которое позволило бы этим системам работать должным образом. Citrix и подобные бизнес-приложения чрезвычайно чувствительны к высокой степени задержки. Соединения, обладающие высоким уровень задержки, могут вызвать ненужные повторные передачи, деформацию сигнала в сети и, время от времени, сбои соединения.

Уменьшение времени восстановления полезного сигнала

Подобно преимуществам, обозначенным выше, использование алгоритма, где блочная единица - постоянное число символов, обеспечивает уменьшение времени восстановления полезного сигнала. В Табл. 2 продемонстрированы средние значения времени восстановления полезного сигнала в 1Msps для стандартов DVB-S2/DVB-S2x и VersaFEC-2.

Таблица 2: типичное время восстановления полезного сигнала VersaFEC-2 по сравнению с DVB-S2/DVB-S2x

Время восстановления сигнала очень важно, когда каналы динамично расстраиваются и повторно настраиваются, как бывает при работе с динамическим операциями SCPC (dSCPC). С dSCPC операциями, время восстановления сигнала динамично изменяется для поддержки корректного распределения трафика в сети. Использования VersaFEC в новом проекте – гарант того, что время восстановления будет минимизировано и не ухудшит стабильность работы соединений, для которых существуют строгие требования к степени задержки и джиттеру.

Алгоритм адаптивного кодирования и модуляции (ACM)

Адаптивное Кодирование и Модуляция (ACM) являются методом передачи, в котором модуляция и прямая коррекция ошибок (FEC) происходят на лету, чтобы компенсировать ухудшение передачи на линии связи со спутником. В случае ухудшения связи, выбранная модуляция и кодирование “смещаются вниз”, чтобы позволить данным быть полученными на надлежащем уровне, чтобы гарантировать связь. Демодулятор ACM измеряет мощность полученного сигнала и использует эти данные, чтобы определить, произошло ли изменение в модуляции и гарантированно скорректировать ошибки. Когда в полученном сигнале регистрируются изменения C/N или Es/No, модуляция и кодирование изменяются снова, чтобы максимально удовлетворить требованиям к линии связи. Если уровень полезного сигнала увеличивается – модуляция и кодирование “возрастают” к более агрессивной (и более спектрально эффективный) комбинации. С другой стороны, если происходит дальнейшее ухудшение связи – модуляция и кодирование продолжают “уменьшаться” (вместе со спектральными полезными действиями), пока не достигнут уровня, гарантирующего стабильную связь.

Если технология ACM не используется, как это происходит с Постоянным Кодированием и Модуляцией (CCM), передаваемый блок данных должен быть сформирован для наихудших условий, чтобы гарантировать надлежащую связь. Другими словами, должны использоваться модуляция и кодирование, которые гарантировали бы работу при наиболее неблагоприятных условиях. Это огромный минус метода CCM, приводящий к большим затратам ресурсов.

Неблагоприятные условия окружающей среды, обусловленные природными явлениями, не являются постоянными, и подавляющее количество времени линия использует избыточная пропускная способность, которая в данный момент не является необходимой.

Те линии связи, которые используют ACM, получают следующие преимущества:

• Дополнительная пропускная способность (Мбит/с). Данные могут передаваться по каналу меньшей ширины в течение значительной части времени работы системы, так как ухудшения связи происходят нечасто.
• Уменьшение требуемой ширины канала. Для обеспечения законтрактованной пропускной способности (Мбит/с) требуется более узкий канал, поскольку работа в условиях плохого прохождения сигнала, и, соответственно, использование наименее «агрессивных» алгоритмов модуляции и кодирования будет происходить лишь в небольшие отрезки времени.

По сути, VersaFEC-2 разработан так, чтобы поддерживать различные алгоритмы демодуляции на принимающей стороне, исключив тем самым любые дополнительные издержки, которые могут возникнуть при реализации поддержки алгоритма ACM, являющегося ключевым в максимизации полезного действия линии связи.

Линейка продуктов, предлагаемых Comtech EF Data позволяет произвести многомерную оптимизацию, адаптированную к условиям потребителя. VersaFEC-2 – высокоэффективный метод модуляции и кодирования с низкой степенью задержки, преимущества которого дополнительно увеличиваются благодаря использованию алгоритма ACM. Основанный на большом опыте использования и преимуществах алгоритма VersaFEC, VersaFEC-2 добавляет много новых методов модуляции и кодирования, инновационных новых совокупностей и новых операционных режимов, которые позволяют ему лучше всего поддерживать сотовый сигнал и беспроводные каналы связи для IP-систем. Подобно своему предшественнику, алгоритм VersaFEC-2 может быть использован в обоих направлениях передачи и может быть объединен со сжатием DoubleTalk Carrier-in-Carrier, как например в усовершенствованном спутниковом модеме CDM-625A, чтобы достигнуть беспрецедентного спектрального полезного действия.