Главная » Ошибки » Forward Error Correction ?

Forward Error Correction ?

Introduction

A wireless communication system gets the noise. To reduce this noise you increase the transmitter power but that will affect your Signal To Noise Ratio.

Alternatively,

if we goes for ARQ which means Automatic Request For Repeat. If our receiver found the error in the data then it request for data to send again. Which is called the re-transmission of data.

For larger distance, wireless medium re-transmission of data is not feasible. Then after we needs to go for FEC Technique.

Thus in Digital Headend System we gets in touch of various terms like MER, BER, CBR, VBR and MBR. Each of these terms we have explained briefly in our previous articles.

But today in this article we are going to explain the What Is FEC ? What BEC ? How it can be helpful for Data Communication ?

What Is FEC ?

what is forward error correction
what is forward error correction

FEC stands for Forward Error Correction. It is used to receive the correct data at receiving end for longer distance. It is also known as Channel Coding.

The FEC is used where Re-transmission of data for correction is not possible or very costly. Also this communication medium is noisy and wireless too.

These communication medium can be Satellite Communication, Telecommunication etc. In this case FEC is very helpful for proper delivery of data. FEC uses the Reed Solomon Coding.

Thus FEC is used for broadcasting of data from one source to multiple receiving devices. Where a handshaking didn’t take place between source and destination.

Explain Me – Difference Between Broadcasting , Multicasting & Unicating ?

How Does FEC Works ?


In a communication system we sends the data from source to destination with the help of transmitter and receiver. So at the transmitter side Error Correction Codes are added with data. Now this encoded data it is send to the receiver over noisy medium.

At the receiving end error correction codes are applied to data to recover it from errors. So that receiver can provide the efficient output.

Where these error correction codes remove the error bits from the data to recover it properly.

headend info store buy
headend info store buy

Порядок проведения экспериментов

В предыдущих статьях авторов [5, 6] было описано некоторое количество экспериментов по определению условий и качества радиосвязи с использованием трансиверов nanoNET. На основе программного обеспечения, использовавшегося ранее, для изучения условий применения коррекции ошибок FEC была создана новая версия программы. Она загружалась и исполнялась в микроконтроллерах ATmega32L и управляла работой двух радиомодулей nanoNET по интерфейсу SPI. Также с ее помощью результаты измерений отсылались по com-порту в персональный компьютер.

В начале цикла измерений узел-мастер в течение 10 секунд посылал узлу-слейву кадры длиной 128 байт на максимальной выходной мощности. В журнал работы заносилось как значение общего количества отосланных кадров, так и количество кадров, на которые удаленный узел прислал подтверждение о приеме. Каждый кадр передавался не более чем c тремя ретрансмиссиями, которые автоматически осуществлялись в случае неуспешного приема.

После 10-секундного периода узел-мастер последовательно посылал узлу-слейву кадры, постепенно уменьшая амплитуду сигнала со значения 63 до 0, и фиксировал количество ретрансмиссий. Если счетчик попыток передачи пакета для текущей мощности сигнала равнялся трем, это означало, что пакет так и не был доставлен адресату (узлу-слейву). Пакеты подтверждения о приеме посылались всегда на максимальной мощности (63).

Типичная запись в журнале эксперимента выглядела следующим образом.

FEC off и FEC on — выключение и включение режима коррекции ошибок соответственно.

SENT=3973 — количество отправленных за 10 секунд кадров по 128 байтов (на максимальной мощности сигнала).

OK=3973 — количество переданных пакетов, на которые было получено подтверждение о приеме.

RTC: 000004395914 — временная метка регистрации данных (аппаратная поддержка в трансиверах Nanonet).

Строчка, обозначенная синим цветом на рис. 3, содержит набор цифр, каждая из которых обозначает уровень мощности отправленного информационного кадра. Всего 19 градаций — от 18 (написана только восьмерка, а единица для компактности в записи в журнале опущена) до 0.

Пример записей в журнале о двух последовательных измерениях

Рис. 3. Пример записей в журнале о двух последовательных измерениях

Следующие три (для увеличения достоверности) строки соответствуют сериям отправки кадров с уменьшающейся силой сигнала.

Каждый символ в этих строчках обозначает количество ретрансмиссий, которое потребовалось для подтвержденной передачи. Если их не было, то есть кадр был передан с первой попытки, вставлялся пробел.

Например, в первой серии кадры с уровнем мощности 18, 17, 16 и т. д. до 9 отсылались с первой попытки. А вот при уровне сигнала в 9 условных единиц потребовалась одна дополнительная ретрансмиссия; далее на восьмом уровне мощности две ретрансмиссии, а затем вообще не было зарегистрировано безошибочных передач.

Другими словами, пока сигнал узла-мастера был достаточно сильным (соответствующие значения регистра RfTxOutputPower лежали в диапазоне от 63 до 39), узел-слейв подтверждал прием каждого пакета. Как только уровень мощности стал равным 9, начали появляться проблемы с приемом. А для уровней сигнала от 7 до 0 вообще не было зарегистрировано ни одной успешной передачи.

То есть чем хуже были условия приема-передачи, тем ближе к началу третьей строки возникали цифры 1, 2 и 3.

Пользуясь таким журналом, можно ввести некий новый параметр, характеризующий необходимую (минимальную) амплитуду выходного сигнала, достаточную для успешной передачи в конкретных условиях. Его можно назвать пороговой мощностью между безошибочным и ошибочным приемом. Для приведенного выше примера (первая серия) таким порогом было 9. Чем ниже порог, тем более стабильная была передача при неизменной мощности радиосигнала.

Таким образом, качество радиосвязи в проведенных экспериментах контролировалось двумя параметрами: процентом безошибочных передач для кадров, отосланных на максимальной мощности, и усредненной по трем значениям пороговой мощностью успешной передачи.

FEC For Satellite Communication ?

It is very helpful for satellite communication. Because in satellite communication re-transmission of data is not possible. Any how if re-transmission of data is possible then it is very much expensive with time delay. Which is inefficient.

So a satellite receiver can not communicate back with the transmitter for error correction. In this case FEC is useful for proper data delivery.

Thus FEC is not only used in Satellite Communication while it is also used in telecom and radio too for proper receiving of data.

headend info book download
headend info book download

What Is Role Of BER In FEC ?

BER is called the Bit Error Rate. It denotes the total number of error bit found in the given bit information. BER is used to measure the efficient of FEC.

If we found 1 bit error out of 100 bit, then we applied FEC on this which results 1 bit error out of 10,000 bit information.

Forward Error Correction & Backward Error Correction ?

FEC consume more bandwidth than BEC (Backward Error Correction). Also FEC recover the signal very quickly from errors.

In case of FEC it required to have good computational power at receiving end because the algorithm is applied to recover the data from unwanted information.

simultaneously FEC is good for longer distance transmission where re transmission of data is not possible. But in backward error correction it is not like that.

Because in BEC the information is send again and again.

Applications of Forward Error Correction

Reed-Solomon coding is notable for its use in CD, DVD, and hard disk drives. Although these drives are not transmitting data in the traditional sense, FEC coding allows for error correction on bits that become corrupted through damage to the physical medium of the drive.

Many types of multicast transmissions also make use of FEC.

Forward Error Correction is particularly well suited for satellite transmissions, both for consumer and space exploration applications, where bandwidth is reasonable but latency is significant.

What Are Advantages Of FEC ?

(1) It reduces the errors in the transmission system quickly.

(2) No need for re-transmission of data.

(2) It enable for long distance transmission with accuracy.

(4) Low communication power is needed for it.

The disadvantage with FEC is its Latency.

Регистры модулей nanoPAN, связанные с FEC

FEC, CRC2 type, Symbols and Modulation (адрес 0х39 — регистр, отвечающий за включение FEC, тип контрольной суммы CRC2, систему модуляции и длину символа):

TxRxMode — выбор режима (Auto или Transparent, по умолчанию TxRxMode=0=Auto).

TxRxFwdEc — включение или выключение FEC, по умолчанию TxRxFwdEc=0, FEC отключен.

TxRxCrcType — указание типа контрольной суммы данных.

TxRxData Rate – выбор битовой скорости передачи (500 или 1000 Ksps, по умолчанию TxRxDataRate=0, 1000 Ksps).

TxRxMod System — выбор способа модуляции (двоичная или четверичная, по умолчанию TxRxModSystem=0, двоичная).

Receive FEC Single Bit Error Count (адреса 0х57 и 0х58 — регистры, в которых содержится число единичных ошибок, исправленных в предыдущем принятом кадре).

0x57:

0x57:

RxFec1BitErr — 15-разрядное число единичных ошибок, встретившихся в предыдущем принятом кадре. Этот регистр содержит корректную информацию только в случае, если бит TxRxFwdEc в регистре 0х39 выставлен в значение 1).

Forward Error Correction vs. Backward Error Correction

Forward Error Correction protocols impose a greater bandwidth overhead than backward error correction protocols, but are able to recover from errors more quickly and with significantly fewer retransmissions.

Forward Error Correction also places a higher computational demand on the receiving device because the redundant information in the transmission must be interpreted according to a predetermined algorithm.

Overall, Forward Error Correction is more suitable for single, long-distance, and relatively high-noise transmissions, rather than situations where smaller batches of information can be sent repeatedly and easily. In these cases, Backward Error Correction is much more likely to be suitable.

Регулирование амплитуды выходного сигнала

Для сбора статистики по функционированию режима FEC использовалась возможность управления силой выходного сигнала в трансиверах nanoPAN. Для этого перед стартом передачи необходимо было занести число от 0 до 63 в младшие шесть байтов регистров RfTxOutputPower с адресами 0x2A и 0x2B (первый соответствует управлению силой сигнала для кадров с данными, второй предназначен для служебных кадров). В документации на NA1TR8 [4] приводится зависимость выходной мощности сигнала от значения, записанного в указанном регистре (рис. 2).

Зависимость мощности выходного сигнала от значения, записанного в регистр RfTxOutputPower

Рис. 2. Зависимость мощности выходного сигнала от значения, записанного в регистр RfTxOutputPower

Таким образом, трансиверы поддерживают 19 градаций мощности сигнала, которые соответствуют значениям (0, 1, 2, 3, 4, 5, 21, 22, 23, 39, 40, 41, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63) в регистре RfTxOutputPower.

Коррекция ошибок в nanoNET

В соответствии с описанием стандарта nanoNET [3] передаваемые данные подвергаются многоступенчатой побитовой обработке (рис. 1).

Битовые преобразования в трансмиттере и ресивере

Рис. 1. Битовые преобразования в трансмиттере и ресивере

После формирования кадра (составления заголовков и записи данных в трансивер) и получения команды начать передачу вычисляются контрольные суммы заголовков кадра CRC1 и поля данных CRC2. Затем (при включении соответствующей опции) поле данных и контрольная сумма CRC2 шифруются с помощью 128-битного ключа. После этого весь кадр подвергается так называемому скремблированию (перемешиванию битов) — это делается для минимизации вероятности появления длинных цепочек нулей и повышения надежности передачи. Далее битовая последовательность проходит через описанную ниже схему помехоустойчивого кодирования FEC и только потом преобразуется в чирп-сигналы (импульсы длительностью 1 мкс с наполнением возрастающей и (или) убывающей частотой).

На приемной стороне процесс происходит в обратном порядке, то есть сначала из помехоустойчивого кода получаются информационные биты, возможно, с исправлением ошибок, затем производится процедура, обратная перемешиванию, расшифровка и проверка контрольных сумм. При этом контрольное суммирование и перемешивание являются обязательными стадиями (скремблирование рекомендовано к применению), в то время как шифрование и помехоустойчивое кодирование таковыми не являются (помечены на рис. 1 серым фоном).

Отметим, что трансиверы nanoNET можно конфигурировать на прием или передачу как с использованием корректирующих кодов, так и без их использования. При этом в передаваемом кадре не содержится никаких сведений о том, подвергался ли он такому кодированию FEC или нет. Это означает, что для того чтобы передатчик и приемник, выражаясь образно, «разговаривали на одном языке», нужно, чтобы они были одинаковым образом сконфигурированы в плане использования или неиспользования FEC.

Для кодирования FEC с возможностью исправления ошибок передачи трансиверы nanoNET используют классический код Хэмминга (7,4), то есть к каждой четверке информационных битов добавляется 3 проверочных, общая длина кодового слова равна 7. Из теории корректирующих кодов известно, что такой код имеет минимальное кодовое расстояние 3, и, следовательно, приемник способен либо исправить одиночную ошибку, либо обнаружить двойную. Особенностью реализации помехоустойчивого кодирования в передатчиках рассматриваемого стандарта является совместное кодирование двух соседних полубайтов за счет перемежения битов кодовых слов, полученных при кодировании этих двух полубайтов: сначала кодируется один полубайт, то есть из комбинации битов (b0, b1, b2, b3) получается кодовое слово:

(символами bi обозначены информационные биты, а символами Pk – проверочные биты), затем кодируется другой полубайт, получается кодовое слово:

далее эти два кодовых слова перемежаются следующим образом:

Это позволяет исправлять двойные ошибки в результирующем 14-разрядном кодовом слове даже в том случае, если эти ошибки произошли в соседних битах. Данное свойство особенно важно при использовании четверичной системы счисления, которая используется в nanoNET для кодирования одного символа данных двумя битами и позволяет передавать данные на скорости 2 Мбит/с.

Conclusion

FEC is useful for proper data delivery on large distance in noisy wireless environment. Where receiver should be capable to compute the algorithm for proper data recovery.

The additional data bits which we add for error correction are also known as Error Correction Codes & Check Bits.

Suggested Articles

What Is BER MER For Digital Headend ?

What Is CBR VBR MBR For Digital Headend ?

What Is OTT Headend ?

reference : accerlcomm

headend info logo forum
headend info logo forum

Источники

  • https://headendinfo.com/forward-error-correction/
  • https://wireless-e.ru/wpan/zigbee/nanonet/ieee-802-15-4a/
  • https://www.tech-faq.com/forward-error-correction-fec.html
[свернуть]
Решите Вашу проблему!


×
Adblock
detector