Herstelvermogen van Voorwaartse Foutcorrectiemethoden in Harde Elektromagnetische Omgevingen: Foutmechanismen en Technieken voor Fouteliminatie

Deze dissertatie gaat in op de uitdaging om te zorgen voor veerkrachtige communicatie in moderne veiligheidskritische systemen die werken in steeds meer vervuilde elektromagnetische omgevingen. Hoewel forward error corrections bescherming kunnen bieden op de fysieke laag van communicatie, blijft er een theoretische kwetsbaarheid voor niet opspoorbare verstoring bestaan, die mogelijk een ernstig risico vormt voor gebruikers, omstanders en het milieu. Deze kwetsbaarheid treedt op wanneer een codewoord wordt verstoord op een manier die het verandert in een ander geldig codewoord. Om dit probleem te onderzoeken, onderzoekt deze studie eerst of niet opspoorbare verstoringen kunnen optreden in elektromagnetisch vervuilde omgevingen in de echte wereld. Uit laboratoriummetingen blijkt dat een goed elektronische ontwerp en het gebruik van voorwaartse foutcorrectie de weerstand tegen verstoren van communicatiekanalen aanzienlijk kunnen verbeteren. De studie laat echter ook zien dat, communicatiekanalen kwetsbaar blijven voor niet detecteerbare verstoringen. Daarom stelt deze dissertatie foutcorrecties voor als een op software gebaseerde oplossing om deze kwetsbaarheden tot een aanvaardbaar niveau te reduceren.

In de tweede stap van dit onderzoek wordt de effectiviteit van Reed–Solomon codes tegen steady–state single–frequency elektromagnetische storingen geëvalueerd. Dit met behulp van een basis simulatie raamwerk, zonder enige modulatie, om zo de oorzaak van niet detecteerbaar beschadigde data te isoleren. Het onderzoek onthult dat repetitieve of afwisselende patronen in de codewoorden de voornaamste oorzaak zijn van deze verstoringen. Om dit probleem aan te pakken, worden een reeks fouteliminatietechnieken voorgesteld om het herstelvermogen van Reed-Solomon codes te verbeteren. Deze technieken omvatten een reeds beschikbare techniek op de markt, Over–Voltage Detectie, die alleen data binnen het normale werkspanningsbereik doorlaat. Daarnaast zijn er nieuwe voorgestelde technieken, waaronder Single Symbol Inversion, die één enkel symbool omkeert om de repetitiviteit van codewoorden te doorbreken; Encoder Tuning, die een specifieke wortel in de genererende veelterm selecteert om codeboeken te genereren die geen repetitieve of afwisselende patronen bevatten, behalve het codewoord met enkel nulwaarden; en de uitbreiding, Encoder Tuning Plus, die ook het codewoord van met enkel nulwaarden elimineert. Na een uitgebreide vergelijking tussen deze technieken blijkt dat Encoder Tuning Plus de beste balans biedt tussen beschikbaarheid en veiligheid en de meest optimale oplossing is voor het verbeteren van het herstelvermogen van Reed-Solomon codes.

Om voort te bouwen op de vorige bevindingen integreert het onderzoek een modemmodule in het simulatiekader om het herstelvermogen van verschillende gecodeerde en gemoduleerde voorwaartse foutcorrecties, waaronder Reed–Muller codes, Reed–Solomon codes en Convolutional codes, te analyseren tegen harde elektromagnetische storingen. Het onderzoek toont aan dat hogere ordes van Phase–Shift Keying-modulatie meer veerkracht bieden tegen elektromagnetische storingen op één enkele frequentie, door repetitieve patronen in codewoorden te doorbreken en de kans op niet-opgemerkte verstoringen te verminderen. Lagere modulatieordes behouden echter deze patronen, waardoor de ontwikkeling van een op inversie gebaseerde fouteliminatietechniek nodig is om deze patronen te detecteren. Het onderzoek onthult dat hogere willekeurigheid en grotere Hamming–afstand in de gegenereerde codewoorden meer veerkracht bieden tegen dit soort storingen. Verder laten de resultaten zien dat gecodeerde en gemoduleerde Reed–Solomon codes, samen met de voorgestelde fouteliminatietechniek, de beste balans bieden tussen veiligheid en beschikbaarheid in praktische toepassingen. Ten slotte concludeert het onderzoek door een valorisatieplan voor te stellen om de voorgestelde voorwaartse foutcorrecties op de markt te introduceren. Dit plan omvat strategische benaderingen zoals het aangaan van partnerschappen, het nastreven van licentiemogelijkheden en het aanbieden van adviesdiensten om effectief marktkansen te benutten.