一种用于解码通过网络发送的任何类型数据的通用系统

来源: 生物通 / 作者: 2021-09-13
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从电子邮件的段落到虚拟现实环境中的 3D 图形,在互联网上传播的每一段数据都可能被沿途遇到的噪音所改变,比如来自微波或蓝牙设备的电磁干扰。这些数据被编码,当它们到达目的地时,解码算法可以消除噪声的负面影响,并检索原始数

自 20 世纪 50 年代以来,大多数纠错码和解码算法是一起设计的。每个代码都有一个与特定的、高度复杂的解码算法相对应的结构,这通常需要使用专用的硬件。

麻省理工学院 (MIT)、波士顿大学 (Boston University) 和爱尔兰梅诺斯大学 (maynoth University) 的研究人员现在已经研制出了第一个能够解码任何代码的芯片,无论其结构如何,使用一种称为猜测随机加性噪声解码 (GRAND) 的通用解码算法,其精度达到最高。通过消除对多个计算复杂解码器的需求,GRAND 实现了更高的效率,可应用于增强现实和虚拟现实、游戏、5G 网络以及依赖于以最小延迟处理大量数据的连接设备。

麻省理工学院的这项研究由电气工程和计算机科学系的塞西尔 ·h· 格林和艾达 · 格林教授 Muriel Médard 领导,Amit Solomon 和 Wei Ann 是麻省理工学院的研究生; 波士顿大学电子与计算机工程助理教授 Rabia Tugce Yazicigil;Arslan Riaz 和 Vaibhav Bansal,都是波士顿大学的研究生; 梅努斯爱尔兰国立大学汉密尔顿研究所 (Hamilton Institute at the National University at Maynooth) 主任肯 ·r· 达菲 (Ken R. Duffy); 以及梅诺斯大学的研究生凯文 · 加利根。这项研究将在下周举行的欧洲固体器件研究和电路会议上公布。

专注于噪音

可以将这些代码看作是添加到原始数据末尾的冗余散列 (在本例中是一系列 1 和 0)。创建该散列的规则存储在特定的码本中。

当编码数据在网络中传输时,它们会受到干扰信号的噪声或能量的影响,而这些信号通常是由其他电子设备产生的。当编码数据和影响它们的噪声到达目的地时,解码算法查阅其码本,并使用哈希的结构来猜测存储的信息是什么。

相反,GRAND 通过猜测影响消息的噪声,并使用噪声模式推断原始信息。GRAND 按可能发生的顺序生成一系列噪声序列,从接收的数据中减去它们,并检查结果码字是否在码本中。

虽然噪声在本质上看起来是随机的,但它有一个概率结构,允许算法猜测它可能是什么。

在某种程度上,这类似于故障排除。如果有人把车开到店里,机械师不会一开始就把整辆车绘制到图纸上。相反,他们一开始就问:“最可能出错的是什么?”“也许它只是需要汽油。如果这还不行,下一步怎么办? 也许是电池没电了?”Medard 说。

新硬件

GRAND 芯片采用三层结构,在第一阶段从尽可能简单的解决方案开始,在随后的两个阶段逐步发展到更长的、更复杂的噪声模式。每个阶段独立运行,提高了系统的吞吐量,节省了电力。

该设备还可以在两个代码本之间无缝切换。它包含两个静态随机访问内存芯片,一个可以破解密码,而另一个加载一个新的密码本,然后切换到解码,而不需要任何停机时间。

研究人员测试了 GRAND 芯片,发现它可以有效解码长度不超过 128 位的适度冗余代码,而延迟时间仅为 1 微秒。

Médard 和她的合作者此前已经证明了该算法的成功,但这次的新工作首次在硬件上展示了 GRAND 的有效性和效率。

Médard 说,为这种新型解码算法开发硬件需要研究人员首先抛弃他们先入为出的观念。

“我们不能出去重复使用已经做过的东西。这就像一个完整的白板。我们必须从头开始考虑每一个组件。这是一段重新思考的旅程。我认为,当我们开发下一个芯片时,我们会意识到,这是出于习惯或假设,我们可以做得更好,” 她说。

未来的芯片

由于 GRAND 只使用码本进行验证,该芯片不仅可以使用遗留代码,还可以用于尚未引入的代码。

在 5G 实施之前,监管机构和通信公司难以就新网络应使用哪些代码达成共识。监管机构最终选择在不同情况下为 5G 基础设施使用两种传统代码。Médard 说,使用 GRAND 可以在未来消除对这种严格标准的需要。

GRAND 芯片甚至可能开启编码领域的一波创新浪潮。

“出于我不太确定的原因,人们怀着敬畏的心情对待编码,就像它是魔法一样。这个过程在数学上很麻烦,所以人们只能使用已经存在的代码。我希望这将重塑讨论,使其不那么以标准为导向,使人们能够使用已有的代码并创建新的代码,” 她说。

接下来,Médard 和她的合作者计划用 GRAND 芯片的改造版本来解决软检测问题。在软检测中,接收到的数据不太精确。

他们还计划测试 GRAND 破解更长更复杂代码的能力,并调整硅芯片的结构以提高其能源效率。

这项研究由巴特尔纪念研究所和爱尔兰科学基金会资助。

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