Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
МОУ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНОЙ ФИЗИКИ
| На правах рукописи |
НАКОНЕЧНЫЙ Борис Михайлович
ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ АЛГОРИТМЫ И ПРОЦЕДУРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ И ЧАСТОТНЫМИ РЕСУРСАМИ
Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Серпухов - 2012
Работа выполнена в Межрегиональном общественном учреждении Институт инженерной физики (МОУ ИИФ)
Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Зеленевский Владимир Владимирович |
Официальные оппоненты: | Кукушкин Сергей Сергеевич Заслуженный изобретатель, ведущий научный сотрудник 7 управления |
Кухарев Александр Дмитриевич Заслуженный машиностроитель РФ, директор по научной работе Калужского НИИ телемеханических устройств |
Ведущая организация: | ЗАО Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем, г.аМосква. |
Защита состоится л19 декабря 2012 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 520.033.01 в Межрегиональном общественном учреждении Институт инженерной физики по адресу: 142210, г. Серпухов, Б. Ударный пер., д. 1а.
Отзывы на автореферат в 2-х экз. просьба направлять по адресу: 142210, г.аСерпухов, Б. Ударный пер., д. 1а, Межрегиональное общественное учреждение Институт инженерной физики, учёному секретарю диссертационного совета Д 520.033.01.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Межрегионального общественного учреждения Институт инженерной физики по адресу: 142210, г.аСерпухов, Б. Ударный пер., д. 1а и на сайте
Автореферат разослан л15 ноября 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент Коровин О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации.
Современные достижения в области оснащения систем и сетей связи компьютерной техникой и создание на базе новых телекоммуникационных технологий (ТТ) глобальных сетей передачи данных (ГСПД) существенно обострили зависимости характеристик качества обслуживания (достоверность, своевременность и безопасность) от появившейся широкой гаммы возможных преднамеренных воздействий нарушителя (ВН) на информацию и используемые виды сигналов связи, обеспечивающие требуемые показатели характеристик качества информационного обмена. В связи с этим появились принципиально новые аспекты, связанные с необходимостью создания в ГСПД надежного канала передачи достоверной информации (данных) для определенной группы пользователей в условиях преднамеренных помеховых воздействий.
Направление исследования в сторону ГСПД связано со стремлением ограничить круг недостаточно исследованных процессов в ТТ на физическом и канальном уровнях (уровне сетевых интерфейсов), на которых обеспечиваются:
- надежность доведения полученного от отправителя сообщения до получателя (вероятность ошибки в приеме бита данных , где - требуемая вероятность ошибки), в условиях возможных ВН;
- скорость передачи , которая определяется имеющейся полосой пропускания ΔF канала передачи данных.
Существующие ТТ задачу обеспечения надежности доведения сообщения до получателя решают за счет использования двоичных полиномиальных корректирующих кодов, построенных по образующему полиному 16-й степени. В таком алгоритме информационного обмена при обнаружении ошибки в сообщении делается запрос на повторную передачу (дополнительные затраты энергии сигнала) и возможна блокировка передачи при пакетах ошибок.
Ставится задача создать такие алгоритмы информационного обмена, которые сводили бы к минимуму запросы на повторную передачу и обеспечивали бы надёжное доведение сообщений до получателя при помеховых воздействиях, вызывающих пакеты ошибок. И такая задача определяет актуальность темы диссертации.
Объект исследования - средства (аппаратура) передачи данных (кодеки и модемы) физического и канального уровней (уровня сетевых интерфейсов), использующие кодированные радиосигналы с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ), не испытывающие ионосферных замираний.
Предмет исследования Ц алгоритмы и процедуры отображения и передачи цифровой информации, их параметры и статистические характеристики декодирования в условиях помеховых воздействий.
Научной задачей является разработка научно-методического аппарата, позволяющего для заданных: энергии сигнала на передачу байта; производительности источника цифровой информации; требованиях по надежности (достоверности) информационного обмена в системе передачи данных; моделях наиболее опасных внешних помех определить: параметры сигналов и кодов; алгоритмы их обработки в условиях помеховых воздействий, обеспечивающих требуемую достоверность информационного обмена () и требуемую полосу рабочих частот для передачи.
Цель работы - повышение помехоустойчивости средств передачи данных в телекоммуникационных системах с ограниченными энергетическими и частотными ресурсами.
Основные научные результаты, представляемые к защите:
1. Процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных корректирующих кодов с переменным порядком полей Галуа .
2. Помехоустойчивые алгоритмы передачи цифровой информации с мягким декодированием принимаемых сигналов с относительной фазовой манипуляцией.
Достоверность научных результатов подтверждается корректным использованием апробированного математического аппарата теории энергетического обнаружения радиосигналов, статистической теории связи и передачи данных, сходимостью аналитических результатов с результатами имитационного моделирования и экспериментальными оценками, полученными и опубликованными в центральной печати зарубежными авторами.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.
Разработанные процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных корректирующих кодов с переменным порядком поля Галуа являются методической основой для нового и мало исследованного направления синтеза недвоичных кодов по апробированным компьютерным технологиям, успешно применяемым для синтеза двоичных кодов. В ходе исследования доказано:
- корректирующие способности недвоичных кодов, полученных преобразованием двоичных кодов в элементы поля Галуа , значительно превосходят корректирующие способности исходных двоичных кодов;
- двоичные коды с корректирующими способностями недвоичных кодов на фиксированной эквивалентной длине не существуют и построить их невозможно;
- применение разработанных процедур взаимного отображения для преобразования известных двоичных последовательностей Рида-Маллера позволило получить новые недвоичные коды в , отличающиеся от известных большим ансамблем разрешенных комбинаций, большей длиной исправляемого пакета ошибок.
Помехоустойчивые алгоритмы передачи цифровой информации с мягким декодированием принимаемых сигналов с ОФМ, в отличие от известных, используют математический аппарат теории энергетического обнаружения радиосигналов на фоне помех, разработанные процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных кодов и имеют новое научное содержание:
- доказано, что, если мощность преднамеренных помех превышает мощность полезного сигнала, то независимо от числа итераций мягкого декодирования возможна трансформация переданного байта, предложено для компенсации воздействия таких помех использовать их режекцию;
- получены новые аналитические выражения для статистических характеристик мягкого декодирования композиционных двоичных кодов при воздействии флуктуационных шумов, узкополосных (гармонических и псевдошумовых) и импульсных помех;
- установлены оптимальные пороговые уровни напряжения, обеспечивающие наименьшее значения вероятности , их зависимости от отношения сигнал/шум, позволившие предложить структурную схему адаптивного измерителя канальных напряжений мягкого декодера.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что разработана новая доказательная основа достоверности результатов в виде утверждений, следствий, замечаний, позволяющая:
- обосновать существование оптимальных пороговых уровней напряжения измерителя канальных отсчетов принимаемого сигнала, которые минимизируют вероятность ошибки в приеме бита сообщения;
- оценить выигрыш мягкого декодирования и системы каскадного кодирования с мягким декодированием по помехоустойчивости в сравнении с известными системами кодирования;
- доказать непротиворечивость полученных результатов в частных случаях с известными результатами фундаментальных работ К. Шеннона и В.А. Котельникова.
Практическая значимость научных результатов заключается в том, что они доведены до инженерных методик, позволяющих оценить характеристики и параметры как существующих, так и перспективных СПД телекоммуникационных систем, а выигрыш мягкого декодирования по уменьшению вероятности битовой ошибки составляет 33,8 дБ при по отношению к некодированному сигналу с ОФМ, выигрыш мягкого декодирования по энергии сигнала при составляет 4,77 дБ по отношению к некодированному сигналу, при энергетический выигрыш доходит до 8 дБ, а требуемая полоса рабочих частот увеличивается только лишь в 2 раза. Выигрыш в помехоустойчивости каскадного кодирования, использующего мягкое декодирование, по отношению к известным системам кодирования значительный - исправляется пакет ошибок, равный по длине 80 двоичным символам (для двоичных систем с жестким кодированием 63 двоичных символа), а при вероятность уменьшается на 8 порядков. Требуемое расширение полосы рабочих частот для такого эффекта 32 раза, что намного меньше, чем у известных систем передачи с расширенным спектром (значение базы составляет сотни и тысячи).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах МОУ ИИФ:
- XXXI Всероссийская НТК. Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем (филиал ВА РВСН им. Петра Великого, г.аСерпухов Московской области, 28-29.06.2012 г.).
- Всероссийская НТК Новые информационные технологии в системах связи и управления (г. Калуга: НИИ ТМУ, 6-7.06.2012 г.).
- Всероссийская НТК Военно-воздушные силы - 100 лет на страже неба России (г. Воронеж: Военный авиационный университет,
24-25.05.2012 г.). - II Всероссийская НПК Современное образование и инновационное развитие (г. Серпухов: МОУ ИИФ, 2012 г.).
- Научно-технические семинары МОУ ИИФ. Информационные технологии в телекоммуникационных системах (г. Серпухов: МОУ ИИФ, 2011, 2012 гг.)
Публикации
Научные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата, в том числе 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. По результатам работы защищен патент на полезную модель.
ичный вклад соискателя
Все исследования, содержание которых изложено в диссертации, проведены лично соискателем. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.
Внедрение результатов исследования
Научные результаты диссертационного исследования реализованы в образовательном процессе Учебного центра Интеграция Московского авиационного института (национального исследовательского университета); в ОКР Сапфир - 221 М ЗАО Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем, г. Москва; в ОКР Заполье - ИИФ МОУ ИИФ, г. Серпухов.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы из 108 наименований. Общий объем работы составляет 142 страницы, включающих 28 рисунков и 23 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определено место исследований в телекоммуникационных технологиях глобальных сетей передачи данных, выявлены особенности технических решений, положенных в основу обеспечения требуемой достоверности (надежности) информационного обмена, обоснована актуальность темы диссертации.
Исходя из темы диссертации, определены объект и предмет исследования, сформулированы научная задача и цель исследования.
Показаны новые научные результаты, которые получены в ходе исследования и предъявляются к защите, дана оценка научной новизны результатов, теоретической и практической значимости работы.
Первый раздел диссертации посвящен статистическому анализу помехоустойчивого кодирования в ГСПД, где определены модель ГСПД и особенности телекоммуникационных технологий. Установлено, что существующие протоколы информационного обмена при помеховых воздействиях, вызывающих пакетирование ошибок, не могут противостоять блокированию передачи.
Статистический анализ способов обеспечения достоверности принимаемой информации в телекоммуникационных системах показал, что существуют и должны использоваться более помехоустойчивые алгоритмы кодирования. Доказательством такой возможности является проведенный в работе анализ фундаментальной формулы К.Шеннона для пропускной способности канала радиосвязи и его следствие - между полосой частот, используемой для передачи данных, и отношением сигнал/шум в канале возможен взаимообмен.
В разделе произведен статистический анализ характеристик декодирования корректирующих кодов. Для этого использован метод имитационного моделирования, где установлено:
- пользоваться известными аналитическими выражениями для оценки вероятности ошибочного декодирования кода следует весьма осторожно;
- для оценки указанной вероятности ошибки при оптимальном декодировании необходимо получить новые аналитические выражения.
Выявлены противоречия при выборе параметров кодирования, а именно:
Противоречие 1. С одной стороны, для , где Рс - мощность сигнала, , Ru - производительность источника цифровой информации, расширение спектра сигнала , где - длительность элемента расширяющей функции, позволяет уменьшить вероятность ошибок в приёме сообщения при воздействии наиболее опасных помех (, где - мощность помех), а с другой стороны - приводит к расширению в раз требуемой полосы частот.
Противоречие 2. С одной стороны для введение избыточности в передаваемую цифровую информацию при двоичном помехоустойчивом кодировании приводит к снижению энергии двоичного символа , где - скорость кода, и увеличению вероятности , а с другой стороны, высокая избыточность позволяет успешно бороться с пакетами ошибок и повышает помехоустойчивость СПД за счёт корректирующих свойств кода.
Указанные противоречия позволили сформулировать актуальную научную задачу.
Для заданных: энергии сигнала ; требованиях по надёжности информационного обмена в телекоммуникационной системе (вероятности ); моделях наиболее опасных внешних помех определить:
- параметры сигналов и кодов, алгоритмы их формирования и обработки в условиях помеховых воздействий, обеспечивающих
при (1)
где n - длина, k - число информационных символов, q - основание сигнала и помехоустойчивого кода;
- требуемую полосу рабочих частот .
Решение такой задачи в известной научной литературе отсутствует.
Для решения поставленной научной задачи в диссертационной работе решены вспомогательные частные подзадачи:
- разработка и исследование процедур взаимного отображения двоичных и недвоичных корректирующих кодов с переменным порядком полей Галуа , оценка их параметров и статистических характеристик декодирования;
- разработка и исследование помехоустойчивых алгоритмов передачи цифровой информации с мягким декодированием принимаемых сигналов с ОФМ при воздействии преднамеренных помех.
Во втором разделе разработаны процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных корректирующих кодов с переменным порядком полей Галуа, которые в дальнейшем использованы для построения системы каскадного кодирования.
Теоретической основой для построения новых недвоичных кодов перспективных ТТ являются процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных кодов, которые позволили получить результаты, выгодно отличающиеся от известных.
Доказано: Утверждение 1. - Любой двоичный код (), у которого - целое число, может быть преобразован в недвоичный код с параметрами () над полем . Следствием таких преобразований является:
- новые недвоичные коды, отличающиеся по расположению элементов от известных расширенных кодов Рида-Соломона;
- полученные новые недвоичные коды по корректирующим способностям превосходят исходные двоичные коды.
Утверждение 2. - Любой двоичный циклический код (), у которого отношение - целое число, большее единицы, может быть преобразован в недвоичный код () с параметрами ().
Для доказательства утверждения 2 выбран образующий полином двоичного кода (15,5,7); по выражению , где - информационный вектор, построены кодовые комбинации . Применив процедуры преобразования для перехода от элементов поля к элементам поля , получили новые недвоичные коды: (5,,4,); (4,,3,); (3,1,3,), параметры которых удовлетворяют утверждению 2.2. Из доказательства вытекают ряд важных замечаний и следствий:
- укороченный код (4,,3,) гарантированно исправляет один ошибочно принятый -ный () символ, или ошибку в три двоичных символа при эквивалентной длине кода двоичных символов, что соответствует гипотетическому двоичному коду (12,5,7);
- двоичный код (12,5,7) не существует и построить его невозможно, что означает более высокую эффективность недвоичных кодов (меньшая длина кодовой комбинации) по сравнению с исходными двоичными;
- анализ кодовых комбинаций кода (3,1,3,) показывает, что , при этом любая пара кодовых комбинаций имеет , то есть получен новый равноудаленный (эквидистантный) код, у которого ;
- число разрешенных кодовых комбинаций , что значительно превышает аналогичный параметр двоичных кодов (32>>2) для условия ;
- полученный новый эквидистантный код () позволяет гарантированно исправлять ошибочно принятый 32-ный символ кода, или 5 двоичных символов; он эквивалентен двоичному коду с параметрами (15,5,11), но такие двоичные коды не существуют.
Доказанные утверждения свидетельствуют о том, что переход к недвоичному кодированию передаваемой информации позволяет либо уменьшать эквивалентную длину двоичных кодов, либо увеличивать корректирующую способность кодов.
В разделе решена задача синтеза помехоустойчивых кодов с переменным порядком полей Галуа преобразованиями двоичных последовательностей Рида-Маллера (РМ).
Сформулирована новая задача синтеза эффективных помехоустойчивых кодов: код должен обладать свойством равновесности; длина кода , число разрешенных кодовых комбинаций при , и код должен обладать свойством ортогональности; АКФ новых кодовых комбинаций должна обеспечивать решение задачи временной синхронизации в приемнике СПД (быть близкой к АКФ исходных кодов РМ).
Решение задачи осуществлено с использованием процедур математического аппарата вычислений в конечном поле . Исходные данные: порядок расширенного поля ; неприводимый полином степени , по которому строятся элементы поля . В результате решения задачи определены и построены новые коды с переменным порядком поля , параметры которых представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры кодов для цифровых СПД
128, 8, 64; q=2, tИ=31 | 256, 8, 128; q=2, tИ=63 |
64, 4, 35; q=4, tИ=34 | 128, 4, 69; q=4, tИ=64 |
32, 2, 20; q=16, tИ=36 | 64, 2, 36; q=16, tИ=68 |
16, 1, 12; q=256, tИ=40 | 32, 1, 20; q=256, tИ=72 |
Анализ таблицы 1 показывает, что увеличение основания кода способствует увеличению длины пакета ошибок (двоичных символов), гарантированно исправляемых кодом при жестком декодировании.
Это свойство, выявленное в ходе исследования, будет в дальнейшем использовано при построении каскадных кодовых конструкций для телекоммуникационных систем.
В третьем разделе диссертации разработаны помехоустойчивые алгоритмы передачи цифровой информации с мягким декодированием сигналов с ОФМ.
Применительно к байтовой структуре пакетов данных телекоммуникационных систем, когда k=8, запишем ,,,,,,, как информационную часть и по ней получены проверочные символы композиционного кода (п = 16, k = 8):
(2)
Исследован процесс мягкого декодирования композиционных кодов при приеме сигналов с ОФМ автокорреляционным приемником. Установлено, что отношение сигнал/шум на входе схемы измерения канальных уровней (отсчетов) напряжений мягкого декодера в 4 раза выше, чем входное. Предполагая, что плотности вероятностей квадратов амплитуд огибающей флуктуационного шума и сигнала известны, рассчитаны значения выходного логарифмического отношения правдоподобия (ЛОП):
, (3)
где - ЛОП, определяемое по уровню канального напряжения и мощности шума ; - априорное значение ЛОП; - добавочное ЛОП, вытекающее из процесса мягкого декодирования,
. (4)
При передаче байта сообщения , передаваемая кодовая комбинация имеет вид ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; и на первой итерации мягкого декодирования добавочное ЛОП определяется как
(5)
где .
На второй итерации мягкого декодирования добавочное ЛОП учитывает
(6)
После двух итерации мягкого декодирования выражение для ЛОП, по которым уже можно выносить решение о принятом двоичном символе, следующее
(7)
Предложено, что число итераций (N) для коротких кодов достаточно приравнять к условию , либо ограничить величиной приращения - если , то мягкое декодирование останавливается на NЦой итерации, рассчитывается финальное значение и выносится решение о принятом сообщении.
Установлено, что при мягкое декодирование сигналов с ОФМ может дать отрицательный результат (трансформацию сообщения).
Для компенсации воздействия преднамеренных помех с целесообразно использовать режекцию помех.
Статистические характеристики мягкого декодирования получены, исходя из следующих соображений:
- правильное декодирование принятого сообщения (k-символов) возможно только при правильном приеме всех k символов, т.е. вероятность правильного декодирования может оцениваться выражением
, (8)
где - вероятность ошибочного обнаружения сигнала в канале измерения уровня , которая зависит от значений и ;
- вероятность ошибочного декодирования бита сообщения равна
.
Так как при измерении амплитуд решается задача не демодуляции, а энергетического обнаружения сигнала на фоне шума (или помех), то требования к выбору порогового напряжения противоречивы. С одной стороны, увеличение способствует уменьшению ложного обнаружения (ложной тревоги), а с другой стороны, при увеличении растет риск пропуска полезного сигнала.
Предложено при для выбора оптимального уровня целесообразно использовать критерий В.А. Котельникова (идеального наблюдателя).
Утверждение 3. Существует =, при котором, согласно критерию В.А. Котельникова, обеспечивается
,
где , - вероятность пропуска сигнала, - вероятность ложной тревоги, - энергия сигнала, затрачиваемая на передачу сообщения, которая определяет значение , и
.
Для доказательства сформулированного утверждения определим:
- вероятность пропуска сигнала в приемнике
, (9)
где ; ; ; - функция Бесселя первого рода нулевого порядка;
- вероятность ложной тревоги
, (10)
где .
По полученному выражению
(11)
в программной среде Matchad построены графические зависимости при , представленные на рисунке 1. Анализ полученных графиков позволяет утверждать: с увеличением значение вероятности уменьшается, что не противоречит известным выводам теории энергетического обнаружения сигналов и статистической теории связи в части демодуляции ОФМ сигналов; существует , для которого при значение вероятности имеет точку экстремума (минимального значения), и тем самым доказывается справедливость первой части сформулированного утверждения 3; значение оптимального порогового уровня напряжения зависит от , с увеличением уровень смещается в сторону увеличения и это важный результат исследования (значение вероятности Рлт зависит от через Uп).
Определен закон изменения , при котором всегда обеспечивается :
(12)
Предложена схема измерения уровня канального напряжения с измерителем отношения сигнал/шум, который позволяет управлять пороговым напряжением Uп.
Рисунок 1 - Зависимости при
По полученному выражению (11) с использованием правила адаптации (12) рассчитаны значения (таблица 2).
Таблица 2 - Значения вероятности при Ес = const
1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | |
Некодированный сигнал | 6,8⋅10-2 | 5⋅10-2 | 9,6⋅10-3 | 3,37⋅10-3 | 1,24⋅10-3 | 4,55⋅10-4 | 1,7⋅10-4 |
Кодированный сигнал | 10-3 | 6⋅10-3 | 4⋅10-6 | 2⋅10-7 | 10-8 | 1,12⋅10-9 | 10-10 |
Анализ таблицы 2 позволяет утверждать:
- выигрыш мягкого декодирования по уменьшению вероятности значительный и он увеличивается по мере роста значений (при вероятность уменьшается на 33,8 дБ);
- выигрыш мягкого декодирования достигнут за счет всего лишь двукратного увеличения требуемой полосы рабочих частот;
- при получено значение , что на 1,6 дБ превышает по энергии теоретический предел К.Шеннона, но на 4,77 дБ меньше, чем у исходного некодированного сигнала;
- так как увеличение числа итераций мягкого декодирования выше, чем , не дает реального приращения ЛОП, то доказана вторая часть утверждения 3;
- представленные оценки для мягкого декодирования совпадают с экспериментальными, опубликованными в зарубежной печати.
Исследовано воздействие сосредоточенных по спектру помех и гауссовского шума на ОФМ сигнал с мягким декодированием и предложены способы защиты от помех. Для борьбы с мощными узкополосными помехами приемные устройства ОФМ сигналов должны иметь устройства защиты от сосредоточенных по спектру помех, основанных на режекции узкополосных помех в частотной области по уровню напряжения .
В качестве помехи используется псевдошумовой сигнал вида , или гармонической , где Pj - мощность помехи; g(t) - независимая двоичная случайная последовательность; ωj - частота помехи, находящаяся в пределах полосы приемника ОФМ сигнала; - фаза помехи, равномерно распределенная случайная величина, .
Выражение для вероятности ошибки имеет вид
при , (13)
где ; ι - коэффициент зависящий от расстройки по частоте между сигналом и помехой и отношения ширины полосы частот помехи к расширенной полосе частот сигнала; В - база сигнала.
Для оценки эффективности псевдошумовой помехи установлена зависимость коэффициента ι от расстройки относительно , а также от отношения .
Исходя из известных значений коэффициентов ι, рассчитаны зависимости при , , (рисунок 2) и при , , (рисунок 3) для: 1) гармонической помехи (); 2) псевдошумовой помехи (); 3) заградительной помехи ().
Анализ графиков показывает:
- при уменьшении отношения требуется меньшее значение В - при Ва=а31, значение для заградительной помехи и для гармонической;
- при ограничении уровня помехи до уровня сигнала эффективность расширения спектра сигнала увеличивается (кривые зависимости для Ва=а31 и Ва=а1023 практически не различаются); однако, сигнал без расширения сигнала (Ва=а1) не позволяет обеспечивать требуемое значение даже при увеличении (для гармонической помехи предельное значение );
- при режекции всех указанных помех увеличение отношения позволяет значительно уменьшать вероятность , однако и в этом случае гармоническая помеха наиболее опасная;
- при фиксированных значениях (, что характерно для мягкого декодирования) для заградительной помехи () при увеличении отношения вероятность увеличивается и достигает своего предельного значения 0,5;
- при значение приближается к своему минимальному значению (для минимальное значение ) для всех указанных помех;
- увеличение () способствует уменьшению вероятности для исследуемых помех при .
Рассчитана вероятность ошибки на бит информации при воздействии импульсных помех.
Рисунок 2 - Зависимости при
Рисунок 3 - Зависимости при
Выражение для оценки вероятности следующее
при , (14)
где ρ - скважность помехи.
В таблице 3 представлены оценки вероятности при , В=1; 31; 1023; (что является характерным для входа мягкого декодера) и ρ = 1; 0,5; 0,1.
Таблица 3 - Значения для
10-2 | 10-1 | 1 | 10 | 102 | 103 | 104 | ||
ρ = 1 | В=1 | |||||||
В=31 | ||||||||
В=1023 | ||||||||
ρ = 0,5 | В=1 | |||||||
В=31 | ||||||||
В=1023 | ||||||||
ρ = 0,1 | В=1 | |||||||
В=31 | ||||||||
В=1023 | ||||||||
Анализ таблицы 3 показывает:
- мощная импульсная помеха (ИП) чрезвычайно опасна при ρа=а1 и Ва=а1 (сигнал без расширения спектра), она может парализовать работу системы передачи, т.е. ;
- системы передачи с ОФМ сигналами и могут обеспечить приемлемое значение вероятности для мягкого декодера только до ;
- при любых ρа и с ростом вероятность увеличивается, для существует возможность обеспечивать требуемые значения вероятности для мягкого декодера.
Предложено для борьбы с наиболее опасными ИП, т.е. при , использовать их режекцию по амплитуде , определяемой по выражению (12).
Зная значения и параметры композиционного кода (n, k), можно определить вероятность при для случая воздействия ИП.
Пусть , . Выберем вариант воздействия ИП: ; ; . Для этих условий , а значение , что плохо. Введем операцию режекции ИП, т.е. на выходе режектора. Тогда , а вероятность . И такой выигрыш в уменьшение получен только за счет удвоенной полосы рабочих частот.
Значение при воздействии ИП можно получить и расширением спектра ОФМ сигнала (при , , ), не прибегая и режекции ИП. Однако в этом случае полоса частот, необходимая для работы системы передачи, расширяется в раз.
Результатом диссертационного исследования являются технические предложения по защите телекоммуникационных систем от пакетов ошибок. Доказана объективная возможность построения каскадного кода, где в качестве внешнего кода (первой ступени) будет использоваться недвоичный код, а в качестве внутреннего (второй ступени) - двоичный композиционный, допускающий мягкое декодирование в условиях воздействия преднамеренных помех, порождающих пакеты ошибок.
Структурная схема такой системы каскадного кодирования имеет вид (рисунок 4).
Рисунок 4 - Структурная схема системы передачи с каскадным кодированием
Учитывая, что , из таблицы 1 выбран в качестве внешнего кода недвоичный код (16, 1, 12, q = 256, tu = 40). По известному принципу каскадного кодирования каждому недвоичному символу кода (16, 1, 12, qа=а256) необходимо поставить в однозначное соответствие двоичную комбинацию внутреннего кода. Так как в этом случае внутренний двоичный код должен иметь qа=а256 разрешенных кодовых комбинаций, то для этого удачно подходит исследованный композиционный код (16, 8, qа=а2), допускающий мягкое декодирование. Поэтому на приемной стороне в качестве внутреннего декодера будем использовать исследованный мягкий декодер (МДК). Для оценки статистических характеристик декодирования такой системы будем использовать: входное отношение ; вероятность ошибочного декодирования кодовой комбинации кода (16, 8, qа=а2), равной ; вероятность ошибочного декодирования недвоичной кодовой комбинации (16, 1, 12).
В ходе исследования установлено, что выбранные параметры недвоичного кода (16, 1, 12) допускают оптимальное декодирование, и получено аналитическое выражение для оценки вероятности .
(15)
где ; ; ; .
Исходя их полученной вероятности, выходная вероятность ошибки в приеме бита .
Сравним помехоустойчивость предложенной системы каскадного кодирования, мягкого декодирования и двоичного кодирования на эквивалентной длине n = 256, при k=8 и жестким декодированием.
В качестве показателя помехоустойчивости будем использовать при .
Тогда получим:
- для двоичного кода (256, 8, 128, tuа=а63) при значение вероятности ошибочного декодирования кодовой комбинации , а вероятность ; при соответственно и ;
- для мягкого декодирования кода (16, 8), который не может исправлять пакеты ошибок, значения при , при ;
- для предложенного каскадного кода
при значение и ;
при соответственно и ,
а длина пакета ошибок, гарантированно исправляемых каскадным кодом, равна , где - минимальное кодовое расстояние внешнего кода (), п - длина внутреннего двоичного кода (п=16).
В нашем случае при каскадном кодировании и двоичном кодировании требуемая полоса расширяется в раза, а при композиционном кодировании в раза. Однако композиционное кодирование не выполняет свои функции в условиях помех, порождающих пакеты ошибок. Предложенное каскадное кодирование имеет преимущества перед двоичным кодированием:
- длина пакета ошибок (т.е. допускается искажение блока из10 байтов), что больше чем для двоичного кода;
- выигрыш в уменьшении вероятности ошибки составляет больше
8 порядков.
Таким образом, совместное использование композиционных двоичных и недвоичных кодов позволило построить систему передачи цифрового сообщения (байта) с каскадным кодированием, выгодно отличающуюся от известных как выигрышем в уменьшении вероятности ошибочного приема бита информации, так и увеличением длины пакета ошибок, гарантированно исправляемых таким каскадным кодом.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Разработанные процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных корректирующих кодов с переменным порядком поля Галуа являются новой методической основой для синтеза недвоичных кодов с требуемыми корректирующими свойствами.
- Получены новые недвоичные помехоустойчивые коды, которые пригодны для использования в телекоммуникационных системах, работающих в условиях пакетирования ошибок.
- Предложены новые помехоустойчивые алгоритмы передачи цифровой информации с мягким декодированием принимаемых сигналов с ОФМ, которые используют процедуры взаимного отображения двоичных и недвоичных кодов в системе каскадного кодирования передаваемых сообщений.
- Установлено, что при каскадном кодировании допустимая длина пакета исправляемых ошибок составляет 10 байт (при использовании жестких алгоритмов декодирования - 6 байт), выигрыш в уменьшении ошибочного приема сообщения бита сообщения составляет не менее 4 порядков при воздействии преднамеренных помех, экономия энергии на передачу составляет не менее 4,77 дБ при , а требуемая рабочая полоса частот увеличивается в 2 раза при флуктуационных шумах и в 32 раза при мощных преднамеренных помехах.
СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В рецензируемых научных журналах и изданиях
- Наконечный Б.М. Статистический анализ двоичных циклических кодов при мягком декодировании их недвоичных представлений/ А.В. Зеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Известия Института инженерной физики. - 2012 г. - №2. - С. 2-7.
- Наконечный Б.М. Метод отображения и его применение для оценки статистических характеристик оптимального декодирования корректирующих двоичных блочных кодов / А.В. Зеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Известия Института инженерной физики. - 2012 г. - №1. - С.а31-36.
- Наконечный Б.М. Статистический анализ воздействия импульсных помех на мягкое декодирование двоичных ФМ-сигналов / В.В. Зеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Известия Института инженерной физики. - 2012 г. - №4.
- Наконечный Б.М. Статистические характеристики мягкого декодирования избыточных ЧМ-сигналов / В.В. Зеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Известия Института инженерной физики. - 2012 г. - №4.
Статьи
- Наконечный Б.М. Оценка статистических характеристик мягкого декодирования итеративных композиционных кодов /В.В.аЗеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем. Труды XXXI Всероссийской НТК. Часть 2. - Серпухов: ФГКВОУ ВПО Военная академия РВСН им. Петра Великого МО РФ (филиал г. Серпухов Московская область), 2012 г. - С. 55-57.
- Наконечный Б.М. Программная реализация мягкого итеративного декодирования блочных композиционных корректирующих кодов / В.В. Зеленевский // Всероссийская НТК Новые информационные технологии в системах связи и управления. - Калуга.: Калужский НИИ ТМУ, 2012аг. С. 31-33.
- Наконечный Б.М. Синтез помехоустойчивых кодов с переменным порядком полей Галуа преобразованиями двоичных последовательностей Рида-Маллера / В.В. Зеленевский // Всероссийская НТК Новые информационные технологии в системах связи и управления. - Калуга.: Калужский НИИ ТМУ, 2012аг. С. 40-42.
- Наконечный Б.М. Статистический анализ воздействия узкополосных (гармонических и псевдошумовых) и заградительных помех на мягкое декодирование ФМ сигналов/ В.В. Зеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Сборник научных трудов ФГКВОУ ВПО Военная академия РВСН им. Петра Великого МО РФ (филиал г. Серпухов Московская область). - 2012 г. С.13-17.
- Наконечный Б.М. Статистические характеристики мягкого декодирования в условиях воздействия мощных преднамеренных помех / В.В.аЗеленевский, Ю.В. Зеленевский // Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем. Труды XXXI Всероссийской НТК. Часть 2. - Серпухов: ФГКВОУ ВПО Военная академия РВСН им. Петра Великого МО РФ (филиал г. Серпухов Московская область), 2012 г. - С. 58-61.
- Наконечный Б.М. Статистические характеристики мягкого декодирования двоичных ФМ сигналов / В.В. Зеленевский, Ю.В.аЗеленевский // Сборник научных трудов ФГКВОУ ВПО Военная академия РВСН им. Петра Великого МО РФ (филиал г. Серпухов Московская область). - 2012 г. С. 41-43.
- Наконечный Б.М. Автокорреляционная функция преобразованных двоичных кодов Рида-Маллера/ Б.М. Наконечный, // Воронежский военный авиационный университет - Всероссийская НПК Военно-воздушные силы - 100 лет на страже неба России, 2012аг. С. 17 - 19.
- Наконечный Б.М. Методы оценки статистических характеристик мягкого декодирования турбокодов / Б.М. Наконечный // Сборник трудов участников II Всероссийской научно-практической конференции Современное непрерывное образование и инновационное развитие // Под ред. профессора А.Н.аЦарькова и профессора И.А. Бугакова. - Серпухов.: МОУ ИИФ, 2012 г. - С. 144-147.
- Наконечный Б.М. Мягкое декодирование недвоичных представлений циклических кодов / Б.М. Наконечный // Всероссийская НТК Новые информационные технологии в системах связи и управления. - Калуга.: Калужский НИИ ТМУ, 2012аг. С. 34-36.
- Наконечный Б.М. Отображение двоичных циклических кодов в недвоичные коды над полем GF(2m) / Б.М. Наконечный // Воронежский военный авиационный университет - Всероссийская НПК Военно-воздушные силы - 100 лет на страже неба России, 2012 г. С. 20-22
- Наконечный Б.М. Программная реализация декодирования турбокодова/ Б.М. Наконечный // Сборник трудов участников II Всероссийской научно-практической конференции Современное непрерывное образование и инновационное развитие // Под ред. профессора А.Н.аЦарькова и профессора И.А. Бугакова. - Серпухов.: МОУ ИИФ, 2012 г. - С. 147-148.
Патент на полезную модель
- Патент на полезную модель. Регистрационный № 2012146462
Устройство для защиты радиосигналов от узкополосных помех / Б.М. Наконечный // Заявитель и патентообладатель МОУ ИИФ, заявл. 01.11.12.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям