5G LDPC – Kody Parzystości o Niskiej Gęstości
Dziś opowiem Ci o jednym z kluczowych elementów kodowania kanałowego w 5G – LDPC (Low-Density Parity-Check). To zaawansowany mechanizm korekcji błędów, który zastąpił Turbo Codes znane z LTE, ale nie dlatego, że tamte były złe. Po prostu LDPC są lepiej dostosowane do potrzeb 5G, które stawia na ogromną przepustowość, niskie opóźnienia i elastyczność transmisji. Żeby to dobrze zrozumieć, przyjrzyjmy się, czym dokładnie są LDPC i dlaczego mają tak duże znaczenie.
Co to jest LDPC?
LDPC to rodzaj kodu korekcyjnego, który wykorzystuje specjalnie skonstruowaną macierz o niskiej gęstości (czyli zawierającą dużo zer), aby umożliwić wykrywanie i korekcję błędów w transmisji danych. Zostały one opracowane już w latach 60., ale dopiero rozwój mocy obliczeniowej pozwolił je praktycznie wdrożyć w systemach komunikacji bezprzewodowej, takich jak Wi-Fi, DVB-S2 czy właśnie 5G.
Dlaczego LDPC w 5G?
W 5G LDPC zostały wybrane jako główny mechanizm kodowania kanałowego dla danych użytkownika (PDSCH i PUSCH). Zastąpiły one Turbo Codes znane z LTE, ponieważ:
- Oferują lepszą wydajność przy dużych przepływnościach danych.
- Lepiej skalują się przy różnej długości bloków.
- Mają mniejszą złożoność dekodowania w przypadku wysokich przepustowości.
- Idealnie współgrają z transmisją typu HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest).
Dzięki tym właściwościom LDPC pozwalają utrzymać wysoką jakość połączenia nawet w warunkach zakłóceń, co w sieci 5G ma ogromne znaczenie – szczególnie w zastosowaniach takich jak streaming w 4K, VR/AR, czy komunikacja maszynowa (mMTC).
Struktura kodu LDPC
Kod LDPC opiera się na macierzy parzystości, która opisuje relacje między bitami informacyjnymi i bitami kontrolnymi. Ta macierz jest zwykle bardzo rzadka (czyli zawiera dużo zer i niewiele jedynek), co pozwala na efektywne dekodowanie z wykorzystaniem algorytmu sumy iloczynów (SPA – Sum-Product Algorithm) lub jego wariantów.
W 5G używa się struktur zwanych Base Graphs, które określają wzorzec połączeń w macierzy LDPC. Są dwa podstawowe typy:
- Base Graph 1 – używany dla dużych bloków danych (więcej niż 3840 bitów)
- Base Graph 2 – używany dla mniejszych bloków (poniżej 3840 bitów), typowych np. w IoT
Proces kodowania i dekodowania LDPC
W skrócie wygląda to tak:
- Dane wejściowe są dzielone na bloki o określonej długości.
- Dla każdego bloku tworzony jest kod LDPC poprzez dodanie bitów parzystości zgodnie z wybraną macierzą.
- Po stronie odbiorcy, algorytm dekodujący porównuje odebrane bity z macierzą i próbuje poprawić ewentualne błędy iteracyjnie.
Cały proces odbywa się szybko i wydajnie, co jest kluczowe przy niskich opóźnieniach i dużych prędkościach transmisji 5G.
LDPC a inne kody w 5G
LDPC nie jest jedynym kodem w 5G. Warto też wspomnieć o kodach Polar, które są używane do kodowania kanałów kontrolnych (PDCCH, PBCH). Polar Codes są bardziej efektywne dla krótkich wiadomości, gdzie LDPC nie sprawdza się aż tak dobrze. Dlatego w 5G mamy podział:
HARQ – współpraca LDPC z retransmisją
LDPC świetnie współdziała z mechanizmem HARQ. Kiedy odbiornik wykryje błędy, nie musi odrzucać całej ramki – może poczekać na retransmisję i połączyć dane z kilku ramek w procesie dekodowania. To tzw. incremental redundancy, które znacząco poprawia niezawodność transmisji.
Elastyczność długości kodów
Jedną z największych zalet LDPC jest ich zdolność do pracy z różną długością danych – od krótkich bloków w systemach IoT, aż po ogromne ilości danych w transmisji multimedialnej. To oznacza, że jeden algorytm dekodowania może być używany w wielu scenariuszach.
LDPC w praktyce – zastosowania w 5G
- Streaming wideo 4K i 8K
- VR/AR z niskim opóźnieniem
- Komunikacja pojazdów V2X
- IoT – małe pakiety, duża liczba urządzeń
- Masowa komunikacja (mMTC)
W każdej z tych sytuacji liczy się niezawodność, szybkość i możliwość korekcji błędów bez utraty jakości – i właśnie tutaj LDPC błyszczą.
Co przyniesie przyszłość?
W kolejnych ewolucjach 5G (np. Release 18 i 19) LDPC pozostaną głównym mechanizmem kodowania. Ale w miarę jak rozwija się 6G, naukowcy już badają nowe podejścia – w tym adaptacyjne kody LDPC, które automatycznie zmieniają strukturę w zależności od warunków kanału. Ale to temat na inny dzień.