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¿Podría reducirse el consumo de energía en la transmisión de datos transmitiendo más ceros?

Según la AIE, en 2019 se consumieron 250 TWh de energía debido a la transmisión de datos a nivel mundial, alrededor del 1% del uso de energía eléctrica mundial.

Me gustaría plantear una pregunta muy sencilla sobre el consumo de energía en la transmisión de datos. ¿Consume más energía transmitir un cero o un uno? - ¿Hay alguna diferencia?

Si hay una diferencia, ¿podría reducirse el consumo de energía invirtiendo las tramas de Ethernet para optimizar más "unos" o "ceros", y añadiendo un bit para indicar si la trama se ha invertido o no?

Suponiendo que se pueda ahorrar energía, ¿hay alguna manera de que esto se pueda implementar de forma compatible con el pasado?

47voto

DmitrySandalov Puntos 129

TL;DR: No, no hay ningún esquema de este tipo que no estemos utilizando ya. Hay razones, a continuación.

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

El trabajo de codificación de canales es tomar estos bits igualmente probables y encontrar un esquema de transmisión que sea óptimo para el sistema de extremo a extremo - normalmente óptimo como la menor tasa de error de bits para una potencia de transmisión determinada, o la menor potencia necesaria para una tasa de error de bits fija. Puede haber muchos otros parámetros a tener en cuenta, pero estos son los principales aspectos que solemos tener en cuenta cuando optimizamos la codificación del canal para las comunicaciones de alta velocidad de larga distancia, que son las que más energía utilizan.

Por tanto, lo que propones "ya está hecho", y hay 80 años de amplia teoría y práctica en ingeniería de comunicaciones en ello.

Por ejemplo, sabemos que los esquemas que se apagan para señalar un valor de bit y transmitir algo para el otro son en casi todos los casos ineficientes desde el punto de vista energético, realmente. El medio de transmisión es una onda electromagnética, ya sea la interfaz de radio de su teléfono, el campo entre los cables de un par trenzado o la fibra óptica para los enlaces de >= 100 Gbit/s. Y éstas tienen una fase, lo que nos permite transmitir, digamos, amplitudes de -0,5/+0,5 en lugar de 0,0/1,0, y obtener la misma "distancia" entre símbolos ruidosos recibidos en el receptor. Sin embargo, la potencia media utilizada por el primer esquema es \$0.5^2=\frac14\$ mientras que en el segundo caso es \$\frac12(0^2+1^2)=\frac12\$ . Este ejemplo de BPSK (codificación binaria por desplazamiento de fase) frente a OOK (codificación de encendido y apagado) sirve para ilustrar que hay belleza en hacer las cosas simétricas - y entonces, se pierde por completo el argumento del "bit que tiene menor energía".

Ahora bien, no sólo hay conjuntos de símbolos que tengan una potencia constante; por el contrario, en las comunicaciones de alta velocidad, utilizamos conjuntos que tienen rangos muy altos de potencias diferentes. Sin embargo, si empiezas a "dar forma" a la distribución de probabilidad de estos símbolos, te encuentras con un problema:

Digamos que tienes una constelación con 1024 símbolos de transmisión diferentes (1024-QAM, por ejemplo). Si simplemente tomas 10 bits de entrada y eliges el símbolo con ese número, ¡tu único símbolo transporta 10 bits de información! Es fácil. Eso también significa que cada símbolo es igualmente probable, ya que cada secuencia de 10 bits es igualmente probable.

Ahora, vienes y dices que quieres optimizar la potencia, por lo que los símbolos de mayor amplitud deben 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 lo máximo que puedes conseguir con 2 10 \=1024 símbolos, y eso ocurre cuando eliges las probabilidades de todos los símbolos de forma idéntica. Así, para transmitir el mismo, digamos, 1 millón de bits, donde en el esquema equidistribuido necesitabas 100 mil símbolos, ahora necesitas más. Cuánto más depende de la forma exacta de la probabilidad¹.

Ahora bien, para que la energía sea más eficiente por cada símbolo que se transmita, hay que transmitir más símbolos.

Y lo que es peor: en el receptor hay que decidir qué símbolo has enviado. Esto hace que significativamente más involucrados cuando los símbolos son no distribuidos de forma equitativa. El procesamiento de la señal del receptor y la decodificación del canal contribuyen significativamente a la demanda de energía de las comunicaciones. Me refiero a que 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.

Por lo tanto, este es un camino que no suele llevar a ninguna parte.

Sí que lleva 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 o más), donde encontrará conformación probabilística utilizado para maximizar la información mutua entre el transmisor y el receptor. En realidad, no se aplica a los casos de uso más sencillos hoy en día, y la comunidad ha sido bastante buena a la hora de demostrar matemáticamente que las situaciones en las que sí produce una ganancia no son realmente estos casos de uso con velocidades de datos más bajas.


¹ En realidad tenemos fórmulas para describirlo: lo máximo que se puede obtener de una fuente \$X\$ con un conjunto de símbolos con esa forma de probabilidad \$(P(x_i))_{i=1,\ldots,1024}\$ es la entropía de la fuente:

$$H(X) = -\sum_{i=1}^{1024} P(x_i) \log_2(P(x_i))$$

Con un poco de análisis se 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 ese momento es \$H(X) = -1024\cdot \frac1{1024}\log_2\left(\frac1{1024}\right) = -(-10)=10\$ (bit).

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Justme Puntos 201

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

Para tu caso extremadamente complejo de Ethernet, depende de a qué Ethernet te refieras.

Por ejemplo, Ethernet a 10 Mbps utiliza la codificación Manchester, por lo que no hay diferencia si se envía una trama llena de unos o de ceros, la señal parece idéntica excepto por la fase de la onda cuadrada.

100Mbps Ethernet siempre transmitirá el símbolo de IDLE cuando el enlace esté activo y no haya tramas transmitidas. Además, los datos se codifican con un generador de ruido pseudoaleatorio para que los datos transmitidos no afecten mucho al aspecto de los datos en los cables.

Gigabit Ethernet es bastante similar. Y eso es sólo los tipos comunes de Ethernet sobre PHYs de cobre, ya que también hay Ethernet sobre interfaces ópticas.

En el caso del mando a distancia del televisor, un protocolo como el SIRCS de Sony envía pulsos de luz más largos para los bits lógicos 1, así que sí, es un ejemplo que utiliza más energía para transmitir unos que ceros. Pero no puedes hacer cambios que sean retrocompatibles con él.

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Ricardo Lopez Puntos 21

Sólo conozco un caso. En este caso, transmitir más ahorra energía.

Las memorias GDDR4 y DDR4 tienen una función llamada Inversión del Bus de Datos. Las líneas de datos se suben con resistencias (terminadas en alto) y se bajan con interruptores MOSFET. En este caso, la conducción a bajo consume más energía. Por lo tanto, si el byte que se va a transmitir tiene muchos ceros, el controlador invertirá todos los bits de los bytes junto con un marcador para conducir 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 tanto, necesitan poca energía para transmitir cualquier patrón de bits. Muchas interfaces que no son tan lentas están terminadas en el conductor y abiertas en el receptor. Sólo necesitan energía para alternar los bits. Las interfaces más rápidas suelen tener controladores diferenciales de corriente. Toman la misma energía para transmitir cualquier patrón de bits. Por lo tanto, no conozco ningún otro caso de uso de la inversión del bus de datos.

6voto

ianb Puntos 659

¿podría reducirse el consumo de energía invirtiendo las tramas Ethernet para para optimizar el número de "unos" o "ceros".

La mayoría de las transmisiones de datos de larga distancia son sincrónicas. Éstas consumen la mayor parte de la energía total. Sincrónico significa que el reloj y los datos están incrustados. A su vez, esto significa que, por término medio, el recuento de bits alto es igual al recuento de bits bajo, por lo que no hay ahorro.

Además, la mayoría de los datos de larga distancia se transmiten diferencialmente por 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 en alto y la otra en bajo, y este estado se invierte cada vez que los datos cambian, por lo que no hay una diferencia neta en el consumo de energía.

2voto

2012rcampion Puntos 302

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

Si la probabilidad de un 1 símbolo es p y la probabilidad de un 0 símbolo es 1 - p entonces la cantidad media 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.

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

La cantidad media de energía necesaria para transmitir un símbolo es proporcional a r(1 - p ) + (1 - r )p, y la cantidad media 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 . El gráfico de r frente a p parece:

Por lo tanto, si 0 s toman menos energía ( r → 0), entonces debe transmitir menos 1 s ( p → 0) y viceversa.

Por ejemplo, en el caso de que un 1 cuesta el doble que un 0 ( r \= 1/3), entonces p \= (3 - sqrt(5)) / 2 ≈ 0.3819

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