Comunicaciones en el espacio profundo BER y FEC?

¿Qué tipo de tasa de error de bit obtienen de las comunicaciones en el espacio profundo (Pioneer, Voyager, et.al.), y qué tipo de modulación y FEC les permite recuperar mensajes con ese nivel microscópico de potencia de señal recibida?

¿Existen métodos de modulación y esquemas de codificación más modernos para condiciones de canal similares?

Durante muchos años, el estado de la técnica consistió en utilizar un "código interno" convolucional y un "código externo" en bloque. La terminología "interna" y "externa" proviene del siguiente diagrama de bloques:

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

Los códigos convolucionales se usaron como código interno porque son muy potentes y pueden corregir una gran cantidad de errores de bits. Sin embargo, tienen una debilidad: cuando hay muchos errores que están muy juntos, pueden romperse y escupir errores en una explosión en esa ubicación. El código externo se usa para corregir esas ráfagas de errores. Los códigos de bloque no son tan potentes como los códigos convolucionales (tampoco use tantos bits / símbolos de paridad), pero son buenos para lidiar con ráfagas de errores. Además, generalmente había un desentrelazador entre los códigos interno y externo que distribuía los estallidos de errores entre muchos bloques, lo que hacía aún más fácil para el código de bloque corregirlos.

Como dice la sección de Telecomunicaciones del Espacio Profundo de Wikipedia , al principio los códigos internos / externos eran códigos Viterbi (convolucional) y Reed-Muller. Más tarde fueron los códigos Viterbi y Reed-Solomon.

A principios de los 90, los códigos Turbo fueron descubiertos y tomaron por asalto el mundo FEC. En el 2000, los códigos de verificación de paridad de baja densidad han crecido en popularidad. Fueron descubiertos en 1960 por Gallagher, pero no fueron factibles de implementar hasta hace poco debido a la carga computacional que requieren. Los códigos Turbo y LDPC son casi óptimos en el sentido de que se acercan mucho al límite de Shannon de lo que es posible lograr con FEC. Actualmente, la NASA usa los códigos Turbo y LDPC, hasta donde yo sé.

Al igual que el diseño de cualquier sistema de comunicaciones confiable, el diseño de comunicaciones confiables en el espacio profundo requiere más que solo agregar FEC de gran alcance. Se debe tener en cuenta la potencia de la señal, la pérdida de ruta de espacio libre, el ruido del receptor, etc. Las comunicaciones en el espacio profundo en realidad tienen muchas ventajas y dos enormes desventajas. Las desventajas son la enorme distancia y la limitada potencia del transmisor. Las ventajas son las antenas direccionales de alta ganancia, el bajo ruido que obtienen los platos de la tierra al mirar al espacio vacío, el ruido aún más bajo que obtienen al enfriar sus receptores con nitrógeno líquido, etc. También pueden disminuir su velocidad de datos mientras manteniendo constante la potencia transmitida para dar a cada bit más energía.

La codificación de convolución intercalada se puede utilizar para reducir la sobrecarga de ECC y el desperdicio / ahorro del ancho de banda utilizado para la información de paridad.

1. Divide los datos en N secuencias. Suponga que hay 8 flujos y, por lo tanto, cada bit de un byte va en un flujo separado.
2. Transmita el bit contorneado de cada flujo secuencialmente.
3. Por lo tanto, si hay un error de ráfaga de, digamos, 5 bits, solo afectará a un solo bit de cada flujo.
4. La longitud máxima del error de ráfaga recuperable es el número de flujos N x la capacidad de corrección secuencial de cada flujo.

Por ejemplo, si su codificación de convolución es capaz de corregir hasta 2 errores de bit consecuentes, entonces para una codificación intercalada de 8 secuencias puede corregir hasta 16 errores.