Forschung14. Juni 2024 | Niklas Bulk | 
Einstieg, 
Industrie
Coding Gain
Wie Vorwärtsfehlerkorrektur die drahtlose Kommunikation in der Werkhalle verbessern kann?
In der Welt der drahtlosen industriellen Kommunikation ist die Datenübertragung über Funkverbindungen entscheidend, um den reibungslosen Betrieb von (mobilen) Anlagen zu gewährleisten und Prozesse zu überwachen. Eine der größten Herausforderungen ist der drahtlose Kanal, der für die Dämpfung der Signalstärke, die Verringerung der Übertragungsreichweite und die Entstehung von Signalfehlern verantwortlich ist. Zur Überwindung dieser Probleme können Forward Error Correction (FEC) Codes oder auch Vorwärtsfehlerkorrekturen beitragen.
Hier zeigen wir, wie das Ganze funktioniert:
Wie kann Channel Coding helfen die Übertragung zu verbessern?
Ziel der FEC ist es, Bitfehlerbeim Empfänger zu erkennen und zu korrigieren, ohne dass die Daten teilweise oder vollständig erneut übertragen werden müssen. Die FEC-Technik basiert darauf, dass den Nutzdaten vor der Übertragung redundante Informationen, auch Paritätsbits genannt, hinzugefügt werden. Anhand dieser zusätzlichen Bits kann der Empfänger Bitfehler im Datenstrom erkennen und korrigieren. Bei den verschiedenen Technologien kommen unterschiedliche Arten von FEC-Codes zum Einsatz, wie z. B. Hamming-Codes, Polar-Codes, LDPC-Codes oder Turbo-Codes. Jeder dieser Codes hat seine eigenen Eigenschaften und Anwendungen, aber das Grundprinzip bleibt dasselbe: Fehlerkorrektur durch Hinzufügen von Redundanz.
Das Verhältnis von Informationsbits zur Länge des Codewords kann als Schätzung für den Coding Gain angenommen werden. Dieser Gain kann direkt in die Berechnung des Systems mit einbezogen werden und verbessert die Empfängerempfindlichkeit, wodurch das Link Budget steigt.
In einem WLAN-System kann ein Paket beispielsweise doppelt so viele Paritätsbits wie Informationsbits enthalten. Dies entspricht einem logarithmischen Verhältnis von -3dB. Im Vergleich zu einer uncodierten Übertragung hat das WLAN-System also einen Gewinn von 3 dB. Typische Coding Gains bewegen sich dabei zwischen 3 dB und 6 dB.
Zielkonflikt bei der Anwendung in der industriellen Kommunikation
Der Gain wird hauptsächlich durch die Länge des Codewords beeinflusst. Mit zunehmender Länge des Codewords steigt die Leistung des FEC-Codes, während die Coderate konstant bleibt. Dies lässt sich intuitiv folgendermaßen erklären: Bei einer Coderate von 0,5 verfügt ein 8192 Bit langes Codewort über 4096 Paritätsbits, während ein 128 Bit langes Codewort nur 64 Paritätsbits besitzt. Die größere Anzahl an Paritätsbits im längeren Codewort ermöglicht eine effizientere Fehlerkorrektur.
Die Forderung der Industrie nach geringer Latenzzeit führt jedoch zur Übertragung von vielen kleinen Paketen. Die Verwendung längerer Codewörter hingegen erhöht die Komplexität der Dekodierung und damit die Latenzzeit signifikant. Daher ist es unerlässlich, die Latenzzeit und FEC gegeneinander abzuwägen und in die Systembetrachtung einzubeziehen.
