Введение к работе
Актуальность исследования
Развитие телекоммуникационных систем базируется на технологических изменениях, которые позволяют строить высокоскоростные сети связи с широким спектром услуг. Среди них все большее место занимают системы спутниковой связи (ССС), позволяющие обеспечить передачу информации в те регионы, которые не могут быть обеспечены другими средствами связи в ближайшей и среднесрочной перспективе.
Активное развитие мирового рынка ССС приводит к наращиванию группировки аппаратов в околоземном пространстве, что вызывает проблему электромагнитной совместимости и, как следствие, увеличение ошибок в каналах связи. На современном этапе решить проблему помехозащищенности частично удается за счет организационных мер, однако многие специалисты отмечают низкую эффективность такого подхода.
Среди технических направлений решения указанной проблемы является применение корректирующих кодов, позволяющее снизить требования по параметру отношения сигнал/шум в каналах ССС. Особый интерес представляет создание гибких адаптивных систем, позволяющих оценить и оперативно использовать имеющийся ресурс кодовых и алгоритмических методов по защите информации от мешающих факторов.
Наиболее приемлемыми в этом отношении следует считать методы каскадного кодирования, которые получили свое дальнейшее развитие в форме обобщенных каскадных кодов. Названные методы обеспечивают гибкую защиту от ошибок при приемлемой сложности декодеров, но их эффективность может быть повышена в случае применения мягких схем декодирования с использованием оценок в форме индексов достоверности символов (НДС). Получение таких оценок представляет самостоятельную научную задачу, при решении которой принятые символы представляются действительными величинами. Основным недостатком таких методов является необходимость работы процессора с иррациональными числами, что усложняет процедуру обработки сигналов в декодере.
В ряде работ предлагаются методы получения целочисленных НДС, в частности, на основе двоичного стирающего канала связи и последующего исправления кодовых векторов неалгебраическими методами. Однако, для этих способов отсутствует общий критерий оценки свойств формируемых ИДС, который позволял бы объективно оценить их преимущества и недостатки. Кроме того, сочетание стирающего канала связи, внутреннего и внешнего декодеров является одной из слабо изученных форм представления обобщенных каскадных кодов. Применение этого метода не изучалось для q-ичных каналов связи, которые широко используются в сигнально-кодовых конструкциях современных ССС.
В этой связи задача поиска надежных неалгебраических методов декодирования обобщенных каскадных кодов с использованием информации об
условиях процедуры демодуляции в форме целочисленных ИДС является актуальной.
Цель работы
Целью работы является повышение эффективности приема информации на основе разработки и моделирования алгоритмов декодирования обобщенных каскадных кодов (ОКК), учитывающих специфику спутниковых каналов связи и применяющих мягкие схемы декодирования с целочисленными ИДС, получаемых на основе потока стираний.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
1. Получение сравнительных характеристик существующих методов
формирования целочисленных ИДС и метода формирования подобных оценок
на основе кортежа стертых позиций.
2. Проведение сравнительного анализа существующих моделей
спутниковых каналов связи и методов цифровой обработки сигналов для
совершенствования механизма формирования целочисленных ИДС на основе
кортежа стираний, формируемых как в двоичном так и в g-ичном канале связи.
Создание алгоритма обработки комбинаций ОКК с целочисленными ИДС g-ичных символов, имеющих векторную метрику пути для реализации регулярной процедуры восстановления стертой позиции, исключающей переборный алгоритм поиска правильного решения.
Выявление закономерностей систематических кодов Рида-Соломона (PC) для получения верхней границы вероятности ошибочного декодирования каскадного кода на основе кода PC, применяемого в спутниковом канале связи со стиранием g-ичных символов. Оценка эффективности схем каскадного кодирования на основе аналитического моделирования.
Разработка адаптивного декодера ОКК способного обеспечить параметрическую адаптацию процедуры обработки кодовых комбинаций к условиям передачи сигнала и изменению уровню шумов в спутниковом канале связи.
Разработка и моделирование адаптивных алгоритмов каскадного кодирования по параметрам внутреннего кода, реализующего принцип списочного декодирования и использующего кластерный подход в процедуре поиска и восстановления стертых позиций двоичного систематического кода.
7. Осуществление программной реализации предложенных алгоритмов и
оценка их эффективности методом имитационного моделирования.
Методы исследования
Теоретические исследования, проведенные в диссертации, основаны на алгебраической теории групп, теории вероятностей и теории случайных процессов, теории меры и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с применением методов математического моделирования в лицензионной программной среде MATLAB.
Научная новизна исследований
Методом статистического моделирования стирающего канала связи доказано преимущество процедуры формирования целочисленных ИДС на основе кортежа стираний, позволяющей обеспечить высокую различимость индексов в отличие от других способов разбиения сигнального пространства.
Впервые введено и обосновано понятие векторной метрики пути для восстановления стираний любой кратности, позволяющее исключить переборные методы вычисления стертых позиций и ускорить процедуру декодирования кодового вектора при использовании итерационных подходов. Предложена модель g-ичного канала связи с таким типом стираний.
Разработана модель каскадного декодера с использованием стирающего канала связи и определена верхняя граница ошибочного декодирования комбинаций каскадного кода, построенного на основе кодов PC в g-ичном стирающем канале связи и учитывающая параметры как внутреннего, так и внешнего кодов.
Предложена и обоснована адаптивная процедура списочного декодирования кодовых векторов и исправления стертых позиций методом их кластеризации, позволяющая повысить достоверность принятой информации.
Разработан алгоритм, реализующий параметрическую адаптацию обобщенного каскадного кода и обеспечивающий приемлемую работу спутниковой линии связи в сложных условиях помеховой обстановки.
Практическая значимость исследования
Изложенный в работе новый метод обработки ОКК в каналах спутниковой связи обеспечивает повышение их корректирующих возможностей при низких отношениях сигнал/шум.
Структура разработанных алгоритмов формирования стираний на основе отображения спутникого канала связи с последующей процедурой образования потока ИДС кодовых комбинаций дает возможность простой программно-аппаратной реализации цифровых систем обработки информации.
Результаты диссертационной работы приняты для практического использования в разработках ФГУП «Московский научно - исследовательский радиотехнический институт», 29-ого Испытательного полигона МО РФ (войск связи), а также в учебном процессе Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (военного института), что подтверждено соответствующими актами, находящимися в приложении к диссертационной работе.
Достоверность результатов, представленных в диссертации подтверждается корректностью применения математического аппарата, непротиворечивостью фундаментальным положениям теории информации и общей теории связи, определяется близостью теоретических расчетов и экспериментальных данных, полученных на ЭВМ.
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
XII Международной НТК студентов и аспирантов, МЭИ(ТУ), Москва, 2006 г.;
42-ая НТК «Вузовская наука в современных условиях» УлГТУ, Ульяновск, 2008 г.
Межвузовская научно-практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», УВВИУС, Ульяновск, 2005 г.
XII Военная НТК «Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных и информационных технологий» - Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2006 г.
XIV Военная НТК «Совершенствование систем, комплексов, средств связи и АСУ» - Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2007 г.
Всероссийская НТК «Наукоемкие технологии в приборо - и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе», Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка литературы, включающего 119 работ отечественных и зарубежных авторов и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 142 страницы.
