Comunicazioni nello spazio profondo BER e FEC?

Che tipo di bit rate rate ottengono dalle comunicazioni nello spazio profondo (Pioneer, Voyager, et.al.) e che tipo di modulazione e FEC consente loro di recuperare messaggi con quel livello microscopico di potenza del segnale ricevuto?

Esistono metodi di modulazione e schemi di codifica più moderni per condizioni di canale simili?

Per molti anni lo stato dell'arte doveva usare un "codice interno" convoluzionale e un "codice esterno" di blocco. La terminologia "interna" e "esterna" provengono dal seguente diagramma a blocchi:

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

I codici convoluzionali sono stati usati come codice interno perché sono molto potenti e possono correggere un gran numero di errori di bit. Hanno un punto debole, però: quando ci sono molti errori vicini, possono rompersi e sputare errori in uno scoppio in quella posizione. Il codice esterno viene utilizzato per correggere quelle esplosioni di errori. I codici a blocchi non sono così potenti come i codici convoluzionali (non usano nemmeno altrettanti bit / simboli di parità), ma sono bravi a gestire esplosioni di errori. Inoltre, di solito c'era un deinterlacciatore tra i codici interno ed esterno che diffondeva le esplosioni di errori tra molti blocchi, rendendo ancora più semplice la correzione del codice di blocco.

Come dice la sezione di Deep Space Telecommunications di Wikipedia , all'inizio dei codici interno / esterno c'erano i codici Viterbi (convoluzionale) e Reed-Muller. Più tardi furono codici Viterbi e Reed-Solomon.

All'inizio degli anni '90 sono stati scoperti i codici Turbo che hanno preso d'assalto il mondo FEC. Nel 2000 i codici di controllo di parità a bassa densità sono cresciuti in popolarità. Sono stati scoperti nel 1960 da Gallagher, ma non sono stati attuabili fino a poco tempo fa a causa del carico computazionale richiesto. Entrambi i codici Turbo e LDPC sono quasi ottimali, nel senso che si avvicinano molto al limite di Shannon di ciò che è possibile ottenere con FEC. Attualmente la NASA utilizza sia i codici Turbo che LDPC, per quanto ne so.

Come la progettazione di qualsiasi sistema di comunicazione affidabile, la progettazione di comunicazioni affidabili nello spazio profondo richiede molto più che aggiungere semplicemente potenti FEC. Potenza del segnale, perdita del percorso dello spazio libero, rumore del ricevitore, ecc., Devono essere presi in considerazione. Le comunicazioni nello spazio profondo in realtà hanno molti vantaggi e due enormi svantaggi. Gli svantaggi sono l'enorme distanza e la potenza del trasmettitore limitata. I vantaggi sono le antenne direzionali ad alto guadagno, il basso rumore che i piatti terrestri ottengono guardando nello spazio vuoto, il rumore ancora più basso che ottengono raffreddando i loro ricevitori con azoto liquido, ecc. Possono anche rallentare la velocità dei dati mentre mantenendo costante la potenza trasmessa per dare ad ogni bit più energia.

La codifica a convoluzione interlacciata può essere utilizzata per ridurre l'overhead ECC e lo spreco / risparmio della larghezza di banda utilizzata per le informazioni di parità.

1. Dividi i dati in N flussi. Supponiamo che ci siano 8 flussi e quindi ogni bit di un byte va in un flusso separato.
2. Trasmette il bit contorto di ciascun flusso in sequenza.
3. Pertanto, se si verifica un errore burst di 5 bit, ciò influirà solo su un singolo bit di ciascun flusso.
4. La lunghezza massima dell'errore di burst recuperabile è il numero di flussi N x capacità di correzione sequenziale di ciascun flusso.

Ad esempio, se la codifica della convoluzione è in grado di correggere fino a 2 errori di bit conseguenti, quindi per una codifica interlacciata a 8 flussi è possibile correggere fino a 16 errori.