Аналіз ефективності використання монолітних ІКВ-кодів порівняно з кодами Ріда-Соломона
Анотація
У сучасних системах зв'язку та оброблення інформації надзвичайно важливо забезпечити ефективне та завадостійке кодування даних, особливо в умовах підвищеного рівня шуму та обмежених ресурсів. Досліджено ефективність кодів на підставі монолітних ідеальних кільцевих в'язанок порівняно з кодами Ріда-Соломона для кодування та передавання даних у зашумлених каналах зв'язку. Розроблено програмний застосунок для моделювання процедури передавання даних через канал зв'язку з контрольованими параметрами завад, яка дає змогу оцінити витрати на оброблення, ефективність виправлення помилок, рівень надлишковості та енергоспоживання різних методів кодування. Використано мову C# та технологію WPF (англ. Windows Presentation Foundation). Унаслідок проведеного експерименту встановлено, що коди на підставі в'язанок забезпечують значну ефективність виправлення помилок, особливо в умовах значних завад. Досліджено, що, порівняно з кодами Ріда-Соломона, в'язанки демонструють меншу надлишковість та покращену енергоефективність завдяки зниженню частоти зміни бітів у повідомленнях, що передаються (приблизно у 3,5 раза менша частота). Водночас, з'ясовано, одним із недоліків кодів на підставі монолітних ідеальних кільцевих в'язанок є значно більші обчислювальні витрати, що може обмежувати їх застосування у високошвидкісних мережах із жорсткими вимогами до затримки. Аналізом результатів підтверджено, що у середовищах із високим рівнем завад в'язанки мають значні переваги, оскільки дають можливість досягти більшої частки успішних передавань порівняно з традиційними методами. Також продемонстровано, що в'язанки, порівняно з кодами Ріда-Соломона, мають цікаву властивість – вони інколи можуть виправляти дуже велику кількість помилок, жертвуючи детермінованістю кількості виправлених помилок. Це також додає їм переваги у середовищах, де обсяги даних величезні, а завади істотні. Усе перераховане вище робить їх перспективними для використання в мобільних і супутникових комунікаційних системах, а також у пристроях Інтернету речей, де енергоефективність відіграє критично важливу роль. У перспективі подальші дослідження можна спрямувати на удосконалення алгоритмів кодування монолітних ідеальних кільцевих в'язанок для зменшення обчислювальної складності та підвищення швидкодії, а також на вивчення їхнього застосування в нових технологіях бездротового зв'язку та космічних комунікацій.
Завантаження
Посилання
Ahmed, M., Albashier, M., Aziz, A. A., Ghani., H. A., & Samingan, A. K. (2018). Performance comparison of energy efficiency and physical layer security for reed solomon and Bose-Chaudhuri-Hocquenghem codes in wireless sensor networks. 2018 7th International Conference on Computer and Communication Engineering (ICCCE), pp. 157–160. https://doi.org/10.1109/iccce.2018.8539284
Berrou, C., Glavieux, A., & Thitimajshima, P. (1993). Near shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes. Proceedings of ICC 93 – IEEE International Conference on Communications, 1064–1070. https://doi.org/10.1109/icc.1993.397441
Bittman, D., Gray, M., Raizes, J., Mukhopadhyay, S., Bryson, M., Alvaro, P., Long, D. D., & Miller., E. L. (2018). Designing Data Structures to Minimize Bit Flips on NVM. 2018 IEEE 7th Non-Volatile Memory Systems and Applications Symposium (NVMSA), 85–90. https://doi.org/10.1109/nvmsa.2018.00022
Boiko, J., & Pyatin, I. (2023). Features of code redundancy formation in information transmission channels. Infocommunication and Computer Technologies, 2(04), 12–25. https://doi.org/10.36994/2788-5518-2022-02-04-01
Bose, R. C., & Ray-Chaudhuri, D. K. (1960). On a class of error correcting binary group codes. Information and Control, 3(1), 68–79. https://doi.org/10.1016/s0019-9958(60)90287-4
Fallin, A., & Burtscher, M. (2023). Reducing Memory-Bus Energy Consumption of GPUs via Software-Based Bit-Flip Minimization. 2022 IEEE/ACM Workshop on Memory Centric High Performance Computing (MCHPC), 21–29. https://doi.org/10.1109/mchpc56545.2022.00008
Hamming, R. W. (1950). Error detecting and error correcting codes. Bell System Technical Journal, 29(2), 147–160. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1950.tb00463.x
Martin, R. C. (2018). Clean architecture: A craftsmans guide to software structure and Design. Prentice Hall. URL: https://books.google.com.ua/books/about/Clean_Architecture.html?id=8ngAkAEACAAJ&redir_esc=y
Martin, R. C., & Martin, M. (2006). Agile principles, patterns, and practices in C#. Pearson Education. URL: https://www.google.com.ua/books/edition/Agile_Principles_Patterns_and_Practices/hckt7v6g09oC?gbpv=0
Pasko, I., & Shchenyakin, O. (2014). Study of energy efficiency of linear block codes with improved properties. Information processing systems, 2, 134–136. [In Ukrainian]. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/soi_2014_2_29
Riznyk, V. (1989). Synthesis of optimal combinatorial systems. Vyshcha shkola. [In Ukrainian]. URL: https://scholar.google.com.ua/citations?view_op=view_citation&hl=uk&user=Lhjxr1MAAAAJ &citation_for_view=Lhjxr1MAAAAJ:lYAcb2jw7qUC
Riznyk, V. (2015). Optimal codes on vector combinatorial configurations. Journal of Lviv Polytechnic National University. Information systems and networks, 814(1), 130–138. [In Ukrainian]. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/VNULPICM_2015_814_15
Riznyk, V. (2022). Combinatorial optimization of systems of neural network cryptographic data protection. Ukrainian Journal of Information Technology, 4(2), 56–60. https://doi.org/10.23939/ujit2022.02.056
Riznyk, V., & Skrybaylo-Leskiv, D. (2011). Synthesis of interference-resistant codes based on multi-position ideal ring bundles. Computer sciences and information technologies, 694, 199–205. [In Ukrainian]. URL: https://science.lpnu.ua/scsit/all-volumes-and-issues/volume-694-2011/sintez-zavadostiykih-kodiv-na-osnovi-bagatopoziciynih
Riznyk, V., Pylyp, V., & Tymchenko, T. (2012). Investigation of noise-resistant cyclic codes on combinatorial configurations. Computer sciences and information technologies, 732, 339–342. [In Ukrainian]. URL: https://science.lpnu.ua/scsit/all-volumes-and-issues/volume-732-2012/doslidzhennya-zavadostiykih-ciklichnih-kodiv-na
Riznyk, V., Skrybajlo-Leskiv, D., Badz, B., Hlod, S., Liakh, V., Kulyk, Y., Romanjuk, N., Tkachuk, K., & Ukrajinets, V. (2021). Comparative analysis of monolithic and cyclic noise-protective codes effectiveness. Ukrainian Journal of Information Technology, 3(1), 99–105. https://doi.org/10.23939/ujit2021.03.099
Riznyk, V., Skrybaylo-Leskiv, D., & Lyakhovych, O. (2009). Structural analysis of methods for optimal construction of cyclic codes with improved characteristics. Computer sciences and information technologies, 650, 190–194. [In Ukrainian]. URL: https://science.lpnu.ua/uk/scsit/vsi-vypusky/vypusk-650-2009/strukturnyy-analiz-metodiv-optymalnoyi-pobudovy-cyklichnyh-kodiv-z
Riznyk, V., Skrybaylo-Leskiv, D., Lyakhovych, O., & Yurchak, I. (2010). Comparative analysis of noise immunity of multi-position cyclic codes. Computer-aided design systems. Theory and practice, 685, 147–151. [In Ukrainian]. URL: https://sciencetst.lpnu.ua/cds-archive/all-volumes-and-issues/number-685-2010/porivnyalniy-analiz-zavadostiykosti
Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory of communication. Bell System Technical Journal, 27(3), 379–423. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x
Tucker, R. S. (2012). Energy consumption in telecommunications. 2012 Optical Interconnects Conference, 1–2. https://doi.org/10.1109/oic.2012.6224478
Vavruk, E., Popovych, B., & Popovych, R. (2021). Program model of Reed-Solomon Codes. Computer Systems and Network, 3(1), 1–6. https://doi.org/10.23939/csn2021.01.001
Velyka, O. (2008). Synthesis of ring monolithic codes based on the method of graph transformations of cyclic groups of Galois fields. Computer sciences and information technologies, 616, 190–193. [In Ukrainian]. URL: https://science.lpnu.ua/scsit/all-volumes-and-issues/volume-616-2008/sintez-kilcevih-monolitnih-kodiv-na-osnovi-metodu
