Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка новых математических методов моделирования применительно к информационным каналам продиктована необходимостью диагностики искажений сигнала и его коррекции с целью повышения информационной надежности. Основная проблема диагностики связана с развитием методов выявления искажений и оценки их параметров, что невозможно без предварительного построения математической модели информационного сигнала.
Классический подход к диагностике состоит в анализе информационного сигнала на приемной стороне и определении частоты появления ошибочных символов и коэффициента ошибок модуляции (К. Шеннон, Г. Найквист и др.). Однако указанные параметры дают представление лишь о степени ухудшения качества сигнала, но не о возможных причинах его снижения, более того, для получения достоверной оценки необходимо длительное время наблюдения, т.е. ухудшение качества информационного сигнала регистрируется с большой задержкой.
Для уменьшения влияния перечисленных недостатков были разработаны некоторые методы диагностики, основанные на обработке модуляционных диаграмм нейронной сетью (P. Daponte, G. Mercurio, S. Rapuano и др.); на теории фильтрации с восстановлением исходного сигнала и поиском разности между ним и реальным сигналом на входе в виде функции искажений (N. Sollenberger, Y. Li, L. Cimini, J. M. N. Leitao, F. D. Nunes и др.); на параметрическом методе Прони и методах корреляции, базирующихся на свойствах сигнальной матрицы автокорреляции (Д.Э. Юл, Г. де Прони, А.Я. Хинчин, Р. Уокер и др.).
Общие недостатки всех упомянутых методов – существенные вычислительные затраты на их реализацию и, как следствие, большие временные задержки, что делает практически невозможным раннее обнаружение искажений по небольшим отклонениям принимаемого информационного сигнала относительно передаваемого. В этой связи тема диссертационной работы является крайне актуальной для теории и практики повышения эффективности и качества информационных каналов.
Одновременно актуальность диссертационного исследования определяется тем, что его тематика соответствует разделу «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации» утвержденного Президентом РФ 21.05.2006 г. перечня критических технологий и перспективных направлений науки и техники Российской Федерации.
Цель работы. Целью диссертационного исследования является создание эффективных математических моделей и методов диагностики искажений информационного сигнала, обеспечивающих возможность быстрой его коррекции в высокоскоростных информационных каналах.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Разработка математической модели информационного сигнала, основанного на кодировании методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков с учетом особенностей формирования информационного потока.
2. Разработка алгоритмов диагностики искажений информационного сигнала на базе его математической модели.
3. Разработка программного комплекса численного моделирования на основе алгоритмов диагностики искажений информационного сигнала.
4. Проведение моделирования и сравнительный анализ результатов.
Методы исследования. В работе используются общие методы математического анализа, линейной алгебры и теории функций комплексного переменного, математической статистики, а также методы теории приближений, вычислительной математики, теории сигналов, теории потенциальной помехоустойчивости.
Научная новизна результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, состоит в следующем:
1. Построена математическая модель информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, отличающаяся одновременным учетом наличия защитного интервала и распределения данных по передаваемым символам.
2. Предложен на основе трансформационной матрицы метод математического моделирования воздействия искажений на информационный сигнал, формируемый посредством кодирования методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, что позволило оценивать параметры типовых искажений с меньшими в вычислительном отношении затратами ресурсов.
3. Разработан эффективный численный алгоритм оперативной оценки параметров искажений информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, и реализующий его проблемно-ориентированный программный комплекс.
Научная ценность работы. Предложена и исследована обобщенная математическая модель информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков. Теоретический интерес представляет разработанный на основе этой модели математический метод оценки параметров искажений сигнала.
Практическая ценность работы. Предлагаемый алгоритм и синтезированный на его основе комплекс программ позволяют оценивать параметры искажений информационных сигналов, основанных на кодировании методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, с меньшими вычислительными затратами по сравнению с ранее известными алгоритмами, в частности в беспроводных сетях Wi-Fi, WiMax, LTE, сетях цифрового вещания стандартов DVB-T, DVB-T2 и прочих, характеризующихся передачей сжатых потоков информации. В отличие от других методов предложенный метод обеспечивает одновременное оценивание параметров всех типовых искажений. Разработанный на основе данного метода алгоритм позволяет динамически отслеживать параметры, что делает возможным проведение диагностики информационного канала с ранним обнаружением искажений по небольшим отклонениям сигнала с быстрой его коррекцией.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Разработанная математическая модель информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков, учитывающая как общее распределение данных, так и наличие защитного интервала в передаваемых символах.
2. Разработанные математическая модель и алгоритм на ее основе, реализующий метод оценки параметров типовых искажений информационного сигнала, кодированного методом ортогонального частотного разделения квадратурно-амплитудно модулированных сигнальных признаков. Принципиальное отличие предложенного алгоритма заключается в том, что появляется возможность оценивать параметры искажений по небольшим отклонениям сигнала.
3. Разработанный проблемно-ориентированный программный комплекс, позволяющий динамически отслеживать изменение параметров типовых искажений сигнала в информационном канале, а именно: фазовый сдвиг, несогласованность амплитуд, квадратурную ошибку, ослабление (затухание) сигнала, интерференционные искажения, дрожание фазы (джиттер) и гауссов шум.
4. Результаты проведенного численного анализа на основе разработанного метода оценки параметров искажений информационного сигнала, подтверждают эффективность предложенного метода при определении параметров типовых искажений сигнала в информационных каналах.
Реализация результатов. Результаты исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского ГТУ имени Гагарина Ю.А., а также в организации «Саратовский ОРТПЦ» ФГУП «РТРС», что подтверждено актом использования результатов исследования.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на Международных научно-технических конференциях «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009, 2011), «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010; Пенза, 2011; Волгоград 2012), Международной научной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (Саратов, 2012), научных семинарах кафедры «Техническая кибернетика и информатика» СГТУ имени Гагарина Ю.А. Во всероссийском проекте «IT ПРОРЫВ» (Москва, 2010) под эгидой партии «Единая Россия», совместно с государственной корпорацией «Ростехнологии» и компанией Softline, работе автора присуждено второе место в номинации «Технологии будущего». Автор является лауреатом конкурса по программе «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса» У.М.Н.И.К. (Саратов, 2011) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, где им получен и реализуется грант на проведение НИОКР.
Публикация результатов исследования. Полученные научные результаты изложены в 30 опубликованных работах, из них 6 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ, имеется заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка в алфавитном порядке и приложения.
