¿Se podría reducir el consumo de energía de transmisión de datos transmitiendo más ceros?

TL; DR: no, no existe tal esquema que no estemos usando. Hay razones, a continuación.

La teoría de la información nos dice que tenemos que transmitir la menor cantidad de bits (usando menos energía que transmitiendo más bits) si usamos código fuente para comprimir los datos de entrada, haciendo que 0 y 1 sean igualmente probables.

El trabajo de la codificación de canales es luego tomar estos bits igualmente probables y encontrar un esquema de transmisión que sea óptimo para el sistema de extremo a extremo, típicamente óptimo en cuanto a la tasa de error de bit mínima para una potencia de transmisión determinada, o la potencia mínima necesaria para un sistema. tasa de error de bits fija. Puede haber muchos otros parámetros a tener en cuenta, pero estos son los aspectos principales que normalmente observamos cuando optimizamos la codificación de canales para comunicaciones de larga distancia y alta velocidad, que utilizan la mayor cantidad de energía.

Entonces, lo que propones "ya está hecho", y hay 80 años de extensa teoría y práctica en ingeniería de comunicaciones.

Por ejemplo, sabemos que los esquemas que están desactivados para señalar un valor de bit y transmitir algo para el otro son, en realidad, en casi todos los casos, ineficientes desde el punto de vista energético. El medio de transmisión es una onda electromagnética, ya sea la interfaz de radio de su teléfono, ya sea el campo entre los cables en un par trenzado, o la fibra óptica para enlaces >= 100 Gbit/s. Y estos tienen una fase, que nos permite transmitir, digamos, amplitudes de -0.5/+0.5 en lugar de 0.0/1.0, y obtener la misma "distancia" entre los símbolos ruidosos recibidos en el receptor. Sin embargo, la potencia promedio utilizada por el primer esquema es$0.5^2=\frac14$, mientras que en el segundo caso es$\frac12\left(0^2+1^2\right)=\frac12$. Este ejemplo de BPSK (modulación por cambio de fase binaria) frente a OOK (modulación de encendido y apagado) sirve para ilustrar que hay belleza en hacer las cosas simétricas, y luego, se pierde por completo el argumento de "la parte que tiene menos energía".

Ahora bien, no solo hay conjuntos de símbolos que tienen una potencia constante; por el contrario, en comunicaciones de alta velocidad, sí utilizamos conjuntos que tienen rangos muy altos de diferentes potencias. Sin embargo, si comienza a "moldear" la distribución de probabilidad de estos símbolos, se encuentra con un problema:

Digamos que tenía una constelación con 1024 diferentes símbolos de transmisión posibles (1024-QAM, por ejemplo). Si simplemente toma 10 bits de entrada y elige el símbolo con ese número, ¡su único símbolo transporta 10 bits de información! Fácil. Eso también significa que cada símbolo es igualmente probable, ya que cada secuencia de bits de 10 bits es igualmente probable.

Ahora, viene y dice que desea optimizar la potencia, por lo que los símbolos de mayor amplitud deberían aparecer con menos frecuencia que los de menor amplitud. Resulta que bajo esa condición, cada símbolo ya no lleva 10 bits; 10 bits por símbolo es el máximo que puede obtener con 2 ¹⁰ = 1024 símbolos, y eso sucede cuando elige las probabilidades de todos los símbolos de manera idéntica. Entonces, para transmitir lo mismo, digamos, 1 millón de bits, donde en el esquema equidistribuido necesitabas 100 mil símbolos, ahora necesitas más. Cuánto más depende de cómo moldee exactamente la probabilidad¹.

Ahora, para ser más eficiente en energía por símbolo que transmite, ¡necesita transmitir más símbolos!

Se pone peor: en el receptor, se debe tomar una decisión sobre qué símbolo ha enviado. Esto se vuelve significativamente más complicado cuando los símbolos no están distribuidos equitativamente. El procesamiento de la señal del receptor y la decodificación del canal contribuyen significativamente a la demanda de potencia de comunicación. Con un significativo, quiero decir, fácilmente hasta la mitad del consumo total del sistema se gasta en el receptor, no en el transmisor, ¡que tiene que llevar los símbolos físicamente al canal de transmisión!

Entonces, este es un camino que generalmente no lleva a ninguna parte.

Conduce a alguna parte si su canal no es agradable y lineal, y las potencias de señal más altas conducen a una mayor distorsión. Esto es lo que vemos en los enlaces de fibra de mayor velocidad (piense en 400 Gbit/s hacia arriba), donde encontrará una configuración probabilística utilizada para maximizar la información mutua entre el transmisor y el receptor. Realmente no se aplica a los casos de uso más simples hoy en día, y la comunidad ha sido bastante buena en demostrar matemáticamente que las situaciones en las que sí genera una ganancia en realidad no son estos casos de uso con tasas de datos más bajas.

¹ De hecho, tenemos fórmulas para describir eso: lo máximo que podría obtener de una fuente$X$con tal probabilidad de conjunto de símbolos en forma$(P(x_i))_{i=1,\ldots,1024}$es la entropía de la fuente:

Con un poco de análisis encontrará que tiene un máximo global para$P(x_1)=P(x_2)=\ldots=\frac1{1024}$, ya que las probabilidades tienen que sumar siempre 1. El valor de la entropía en eso es$H(X) = -1024\cdot \frac1{1024}\log_2\left(\frac1{1024}\right) = -(-10)=10$(poco).

Depende completamente de qué interfaz y codificación se use para los datos, si hay alguna diferencia entre transmitir unos o ceros, por lo que no hay una respuesta general.

Para su caso extremadamente complejo de Ethernet, depende de qué Ethernet se refiera.

Por ejemplo, Ethernet de 10 Mbps usa codificación Manchester, por lo que no hay diferencia si envía un cuadro lleno de unos o ceros, la señal se ve idéntica excepto por la fase de la onda cuadrada.

Ethernet de 100 Mbps siempre transmitirá el símbolo IDLE cuando el enlace esté activo y no se transmitan tramas. Y además, los datos se codifican con un generador de ruido pseudoaleatorio para hacer que los datos reales transmitidos no afecten mucho la apariencia de los datos en los cables.

Gigabit Ethernet es bastante similar. Y esos son solo los tipos comunes de Ethernet sobre PHY de cobre, ya que también tiene Ethernet sobre interfaces ópticas.

Para el control remoto de su televisor, un protocolo como Sony SIRCS envía pulsos de luz más largos para bits lógicos 1, así que sí, ese es un ejemplo que usa más energía para transmitir unos que ceros. Pero no puede realizar cambios que sean compatibles con versiones anteriores.

Solo conozco un caso. Aquí transmitir más unos ahorra energía.

Las memorias GDDR4 y DDR4 tienen una característica llamada inversión de bus de datos. Las líneas de datos se elevan con resistencias (terminadas en alto) y se reducen con interruptores MOSFET. En este caso, conducir bajo requiere más potencia. Entonces, si el byte a transmitir tiene muchos ceros, el controlador invertirá todos los bits en los bytes junto con un marcador para impulsar más unos y ahorrar energía.

El bus RAM es especial porque es de alta velocidad, paralelo, no diferencial y multipunto. Los buses lentos no necesitan resistencias pullup que terminen las líneas y, por lo tanto, consumen poca energía para transmitir cualquier patrón de bits. Muchas interfaces que no son tan lentas terminan en el controlador y se abren en el receptor. Solo toman energía para alternar los bits. Las interfaces más rápidas suelen tener controladores de dirección de corriente diferencial. Toman la misma potencia para transmitir cualquier patrón de bits. Por lo tanto, no conozco ningún otro caso de uso de Data Bus Inversion.

¿Se podría reducir el consumo de energía invirtiendo tramas de Ethernet para optimizar más "unos" o "ceros"?

Prácticamente la mayoría de las transmisiones de datos de larga distancia son síncronas. Estos consumen la mayor parte de la energía total. Síncrono significa que el reloj y los datos están integrados. A su vez, esto significa que, en promedio, el conteo de bits alto es igual al conteo de bits bajo, por lo tanto, no hay ahorro.

Aparte de eso, la mayoría de los datos de larga distancia se transmiten de forma diferencial sobre cobre para obtener un nivel adecuado de protección contra el ruido y las sobretensiones. Cuando los datos se transmiten de forma diferencial, una línea estará alta mientras que la otra estará baja y este estado se invierte cada vez que los datos cambian, por lo que no hay una diferencia neta en la energía consumida.

Otras personas han señalado que en la mayoría de los casos la energía utilizada para transmitir un cero es la misma energía utilizada para transmitir un uno. Sin embargo, si ese no es el caso, entonces tiene razón en que es más eficiente energéticamente transmitir más de uno u otro.

Si la probabilidad de un 1símbolo es p y la probabilidad de un 0símbolo es 1 − p , entonces la cantidad promedio de información (entropía) comunicada por bit es −_p_ log p − (1 − p ) log(1 − p ). Esta función es cero en p = 0 y p = 1, y tiene un máximo de log 2 (un bit de información) en p = 1/2.

Sean E ₀ y E ₁ la cantidad de energía necesaria para transmitir a 0y 1, respectivamente; entonces sea r = E ₀ / ( E ₀ + E ₁ ). Por ejemplo, si la energía de los símbolos es igual, entonces r = 1/2, y si a 1requiere el doble de energía que a, 0entonces r = 1/3.

La cantidad promedio de energía necesaria para transmitir un símbolo es proporcional a r(1 − p ) + (1 − r )p, y la cantidad promedio de energía necesaria para transmitir un bit de información (en promedio) es [r(1 − p ) + (1 − r )p] / [−_p_ log p − (1 − p ) log(1 − p )]. Esta expresión tiene un mínimo cuando r / (1 − r ) = log( p − 1) / log p . La gráfica de r versus p se ve así:

Entonces, si 0s toman menos energía ( r → 0), entonces deberías transmitir menos 1s ( p → 0) y viceversa.

Por ejemplo, en el escenario donde a 1cuesta el doble que a 0( r = 1/3), entonces p = (3 − sqrt(5)) / 2 ≈ 0.3819…

Solo es cierto si considera la modulación OOK. En OOK, una emisión de señal corresponde a un 1 y ninguna señal a un 0. Sin embargo, no se usa mucho debido a complicaciones de hardware.

Con la modulación BPSK, un 0 se envía como un -1. Hace que el diseño de hardware sea más fácil ya que siempre tiene el mismo nivel de energía para administrar. => Para la emisión, puede hacer que su amplificador funcione cerca del punto de compresión. => Para la recepción, solo tiene que monitorear la potencia rms (-1×-1 = 1x1 = 1) para ajustar su ganancia.

Con una modulación de orden superior, la potencia rms volverá a variar, pero de mejor manera que OOK.

Es como siempre un equilibrio a encontrar.