Polar codes for optical communications
Optik haberleşmeler için kutupsal kodlar
- Tez No: 426865
- Danışmanlar: PROF. DR. ERDAL ARIKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Optik haberleşme sistemleri sağladıkları yüksek hızlı veri iletim imkanı ile uzak mesafeli haberleşme altyapılarının omurgasını oluşturmaktadır. Günümüz için güncel olan bir optik haberleşme sisteminin erişebildiği veri iletim hızı 100 Gb/s veya üzerinde olması beklenir. Bu gibi yüksek iletim hızlarında gönderilmekte olan verinin bozulması durumunda verinin tekrar gönderimi uygun bir çözüm olmamaktadır. Haberleşme sistemlerinde güç verimliliği iyileştirilmiş daha güvenilir bir haberleşme için ileri yönde hata düzeltme (FEC) yöntemleri kullanılır. Optik kanallada FEC yöntemlerinin yüksek veri iletim hızları için düşük gecikmeye ve bit hata oranı (BER) $10E-15 veya daha düşük seviyelerde, oldukça yüksek bir hata başarımına sahip olmaları istenir. Ayrıca, optik erişim altyapısının donanım karmaşıklığına ilişkin kısıtları nedeniyle ilgili haberleşme cihazlarında sözü edilen FEC yöntemleri için donanımsal gerçeklemelerin basit olması gerekmektedir. Bu çalışmada, var olan ITU-T G.975.1 ile tavsiye edilen FEC yöntemleri ve optik ağlar için önerilmiş en güncel FEC kodları araştırılmıştır. Sonrasında güncel olarak önerilen ve hata başarımı, yapısal özellikleri, gecikmesi ve tasarım yöntemi gibi çeşitli açılardan avantajlara sahip bir hata düzeltme kodlaması sınıfı olan kutupsal kodlar bu amaç için araştırılmıştır. Araştırmamız doğrultusunda ele aldığımız optik kanalların toplamsal beyaz Gauss gürültülü (AWGN) kanallar ile modellenebileceği varsayılmıştır. Optik haberleşme için kutupsal kodlamanın sözü edilen FEC yöntemlerine rakip olup olmayacağı araştırılmıştır. Hata başarımı açısından aynı eklenti oranı için G.975.1 ile tavsiye edilen tüm FEC yöntemlerinin göreceli olarak daha kısa blok uzunluklu kutupsal kodlar tarafından geçildiği sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, hata başarımı açısından güncel olarak önerilen üçüncü nesil FEC kodları yakalamak (veya geçmek) için sonlu blok uzunluklarında kutupsal kodların hata başarımını iyileştirmek amacıyla gerekli olan veya sağlanması gereken kriterler belirlenmiştir. Yeni nesil optik ağlar için önerilen FEC kodların çoğu LDPC ve turbo kodlara dayanmaktadır. Bu kodlar maalesef çok düşük BER seviyelerinde hata tabanına sahiptirler. Bu kodlar için hata tabanı etkisini ortadan kaldırmak amacıyla literatürde sonradan-işleme algoritmalarıyla özel tasarım teknikleri önerilmiştir. Bu özel tasarımlar hata başarımlarını ek bir karmaşıklık bedeli karşılığında iyileştirmektedır. Kutupsal kodlar düşük BER seviyelerinde hata tabanı probleminden etkilenmemektedir. Dahası, kutupsal kodlar donanım gerçeklemelerini basitleştiren düzenli bir yapısal özelliğe sahiptir. Ayrıca, hata başarımı ve karmaşıklık açısından birçok farklı istenilen özelliklere sahip kutupsal kod çözücüler literatürde önerilmiştir. Bu gibi özellikler kutupsal kodları optik haberleşme uygulamalarında araştırılabilecek ilgi çekici bir aday yapmaktadır. Bu tezde kutupsal kodlara ilişkin yaptığımız araştırmalar karmaşıklık ve hata başarımı arasında bir denge sağlayan yinelemeli eksiltme (SC) kod çözme ile sınırlanmıştır. Monte Carlo benzetimi ile kutupsal kodların hata başarımlarını optik haberleşme sistemleri için belirlemek yüksek işaret gürültü oranında (SNR) aşırı uzun benzetim zamanı gerektirdiğinden mümkün değildir. Kutupsal kodların düşük BER seviyelerindeki başarımlarının iyiliğinden emin olabilmek için analitik yöntemler kullanarak hata oranlarına ilişkin sınırlar belirlenebilmektedir. Bu çalışmada kutupsal kodların kod tasarımı ve hata başarımı kestirimi için Gauss yaklaşımı (GA) altında yoğunluk evrimi (DE) yöntemini kullanıyoruz. Düşük SNR seviyesinde DE-GA ile benzetim sonuçlarının yeteri kadar yakın ve tutarlıdır. Bu nedenle, kutupsal kodların tasarımı ve hata başarımı kestirimi için kullandığımız DE-GA algoritmasının güvenilir sonuçlar ürettiği ve yüksek SNR seviyelerinde de elde edilen sonuçların çok büyük sapma göstermeyeceği değerlendirilmiştir. Optik haberleşmelerde bir kodun başarımı genellikle net kodlama kazancı (NCG) ile tanımlanır. Bir FEC yönteminin asimtotik olarak erişebileceği en büyük NCG değeri Shannon'un başarım limitleriyle hesaplanabilmektedir. Ancak sonlu blok uzunluklu bir kodun başarımının asimtotik bir FEC başarımıyla karşılaştırılması adil değildir. Bu nedenle, karşılaştırmaların daha anlamlı olabilmesi için bu tezde en büyük NCG değeri hesaplamaları sonlu blok uzunluklu FEC başarımları ile karşılaştırılmasına dayanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Optical communication systems have become the backbone of long distance communication networks due to their ability to transport data at high rates. A typical modern optical communication system should be capable to achieve data rates of 100 Gb/s or beyond. At such a high data rate, it is not feasible to retransmit the corrupted data. For reliable communication at improved power efficiency, communication systems use forward error correction (FEC) schemes. FEC schemes should have low latency to provide high throughput and good error performance to achieve an output bit error rate (BER) of $ 10E-15 $ or lower in optical channels. Moreover, implementation schemes of these FEC codes should be simple, as telecommunications equipments in optical access networks can only accommodate restricted hardware complexity. In this contribution, we study existing ITU-T G.975.1 recommended FEC schemes and recently proposed state-of-the-art FEC codes for optical networks. Next, we analyze polar codes, a recently proposed class of error-correcting codes with advantageous properties in terms of error performance, structure, latency and design method. Throughout our analysis we assume that optical channels can be modeled as additive white Gaussian noise (AWGN) channels. We investigate whether polar codes can compete with the above mentioned FEC schemes in the arena of optical communications. We conclude that polar codes outdo all G.975.1 recommended FEC codes in terms of error performance with the same overhead and relatively shorter block lengths. We also highlight some of the issues/aspects which need to be addressed to enhance the error performance of polar codes at finite block lengths so that they can catch up with (or surpass) recently proposed third generation FEC codes. Most of the proposed FEC codes for next generation optical networks are based on LDPC and turbo codes. Unfortunately, these codes have error floors at very low BER. Post-processing algorithms along with special construction techniques for these codes are proposed in literature to suppress their error floors. These special designs improve their error performance at the cost of extra complexity. Luckily, polar codes do not suffer from error floor problem in low BER regions. Moreover, polar codes have regular structure which makes its hardware implementation simple. There are various polar decoders proposed in literature with desirable properties in terms of error performance and complexity. These features make polar code an attractive candidate to be thoroughly analyzed for application in optical communications. Our analysis of polar codes in this thesis is restricted to its successive cancellation (SC) decoding as it provides a nice balance between complexity and error performance. Error performance of polar codes with larger and moderate block lengths cannot be determined explicitly by Monte Carlo (MC) simulations for optical communication systems operating at high signal to noise ratio (SNR) due to prohibitive simulations time. To make sure that polar codes perform well in low BER regions, we use analytical methods to find bounds on their error rate. We use density evolution (DE) with Gaussian approximation (GA) for the construction and error performance estimation of polar codes. We conclude that DE-GA is a reliable algorithm for construction and error performance evaluation of polar codes by observing that our results obtained with simulations and DE-GA algorithm in low SNR region agree close enough to expect that there will not be too much deviation in high SNR region. The performance of a code in optical communications is usually described by its net coding gain (NCG). Using Shannon's performance limits, maximum value of NCG that a FEC can achieve asymptotically can be calculated . But comparing the performance of a finite length code to the asymptotic performance of a FEC is not fair. Therefore in this thesis, we calculate the maximum NCG that can be achieved by a FEC with finite block length to make our performance comparisons more meaningful.
Benzer Tezler
- Polar reed-solomon concatenated codes for optical communications
Optik haberleşme için uç uca eklemeli kutupsal reed-solomon kodlar
YİĞİT ERTUĞRUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL ARIKAN
- High throughput decoding methods and architectures for polar codes with high energy-efficiency and low latency
Kutupsal kodlar için yüksek enerji verimliliğine ve düşük gecikmeye sahip yüksek veri hızlı kod çözme metod ve mimarileri
ONUR DİZDAR
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL ARIKAN
- Lageos I ve lageos II için doğruluk analizi
Başlık çevirisi yok
GAYE KIZILSU
Doktora
Türkçe
1998
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiÖlçme Tekniği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ŞAHİN
- Efficient maximum likelihood decoding: From space-time block codes to polar codes
Uzay-zaman blok kodlardan kutupsal kodlara verimli en büyük olabilirlikli kod çözme
SİNAN KAHRAMAN
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ