Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Разработка имитатора канала связи с ЗВРС 12
1.1 Постановка задачи 12
1.2 Анализ статистических характеристик каналов связи со значительным временем распространения сигналов на примере гидроакустического канала связи 14
1.3 Особенности синхронизации аппаратуры связи в ГАКС 19
1.4 Выбор модели канала связи со значительным временем распространения сигналов 25
1.4.1 Математическое описание каналов связи 25
1.4.2 Модель дискретного канала связи 27
1.5 Моделирование дискретного канала связи со значительным временем распространения сигналов на ЭВМ 39
1.6 Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2 Анализ современных алгоритмов передачи дискретной информации 43
2.1 Постановка задачи 43
2.2 Особенности систем с обратной связью 49
2.3 Алгоритмы передачи информации с РОС 51
2.4 Определение условий исследования алгоритмов с РОС 57
2.5 Выбор критерия и методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с РОС в каналах связи со значительным временем распространения сигналов 58
2.6 Выводы по главе 2 62
ГЛАВА 3 Исследование алгоритмов РОС с безадресным переспросом 64
3.1 Постановка задачи 64
3.2 Алгоритм РОС с ожиданием подтверждения приема 64
3.3 Алгоритм РОС с частичным исправлением ошибок 73
3.4 Алгоритм РОС с накоплением принятых сообщений 86
3.5 Комбинированный алгоритм РОС с частичным исправлением ошибок и накоплением принимаемых слов 94
3.6 Выводы по главе 3 101
ГЛАВА 4 Исследование алгоритмов РОС с адресным переспросом 105
4.1 Постановка задачи 105
4.2 Стандартный алгоритм РОС-АП 105
4.3 Алгоритм РОС-ЧИ-АП ПО
4.4 Алгоритм РОС-ЧИ-АП-Н 112
4.5 Сравнительный анализ предложенных алгоритмов 113
4.6 Выводы по главе 4 123
ГЛАВА 5 Моделирование алгоритма РОС-ЧИ-АП на ЭВМ 124
5.1 Постановка задачи 124
5.2 Определение условий исследования программной модели алгоритма РОС-ЧИ-АП 125
5.3 Разработка программной модели алгоритма РОС-ЧИ-АП 126
5.4 Анализ экспериментальных данных исследования алгоритма РОС-ЧИ-АП 127
5.5 Рекомендации по применению исследованных алгоритмов передачи информации 130
5.6 Выводы по главе 5 131
Заключение 134
- Анализ статистических характеристик каналов связи со значительным временем распространения сигналов на примере гидроакустического канала связи
- Выбор критерия и методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с РОС в каналах связи со значительным временем распространения сигналов
- Комбинированный алгоритм РОС с частичным исправлением ошибок и накоплением принимаемых слов
- Анализ экспериментальных данных исследования алгоритма РОС-ЧИ-АП
Введение к работе
Актуальность работы.
Среди большого разнообразия каналов связи существуют каналы со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС). Термином ЗВРС будет обозначаться время распространения, много большее, чем длительность передаваемых сигналов, что может быть обусловлено, например, большой дальностью связи. При этом также полагается, что время распространения много больше времени обработки сообщений в передающем и приемном устройствах. Наиболее характерными примерами систем с ЗВРС являются системы дальней космической связи и гидроакустической связи, в которых время распространения может составлять единицы секунд и более [1]. Такое время распространения сигналов связи, влияет, прежде всего, на оперативность получения информации, что в ряде случаев является немаловажным фактором.
Известно, что в системах телеуправления для дистанционного контроля и изменения различных параметров объектов управления (автономная донная станция - АДС, космический аппарат и др.) используется, как правило, обратный канал связи, который может быть также использован и для повышения достоверности передачи сообщений.
Область применения современных гидроакустических средств связи широка: подводная телеметрия и телеуправление, навигационное обеспечение, обеспечение геологоразведочных и буровых работ на дне океана, экологический мониторинг состояния океана и многое др. Перспективным направлением в решении задач исследования морей и океанов также является создание информационно-измерительных комплексов на основе донных станций, оснащенных аппаратурой гидроакустического канала связи (ГАКС) для передачи информации с донных станций на судно (или ретрансляционный буй) и команд управления с него на станцию, измерение взаимной дистанции, решения навигационных задач [2, 3]. Натурные испытания макетов и образцов таких систем показали, что оснащение донных станций каналом связи и управления, системой измерения дистанции создает принципиально новые возможности для по-
вышения эффективности систем гидроакустической телеметрии [4] в морской сейсмологии, сейсмометрии, геофизике.
Отличительной особенностью ГАКС также является низкая скорость распространения акустического сигнала в водной среде - в среднем 1500 м/с. По этой причине время прохождения сигнала по линии связи составляет единицы, десятки секунд - в зависимости от дальности связи, что обусловливает значительную частотно-временную нестабильность параметров принимаемого сигнала из-за волнения поверхности водной среды и неизбежных при этом дрейфа и качки судна (буя), либо из-за движения судна [5]. При организации связи с подвижными объектами характерным является проявление эффекта Доплера. Однако при корректной разработке аппаратуры связи эффект Доплера компенсируется системой синхронизации аппаратуры.
В некоторых случаях одно надводное судно может работать с целой сетью донных станций, для чего предусматривается адресная система передачи команд управления и передачи информации.
Другим важным фактором в каналах со значительным временем распространения сигнала, помимо большой дальности связи и частотно-временной нестабильности характеристик каналов, является ограниченная энергоемкость автономных бортовых источников питания. Для таких систем повышение помехоустойчивости означает выигрыш в дальности действия и в габаритах источника питания, повышение достоверности передаваемых данных и экономический эффект от повышения срока автономной работы [6, 7].
Необходимо отметить и возможные методы повышения помехоустойчивости передачи информации в практических каналах связи. Так, для экономного расходования электроэнергии автономных бортовых источников питания, с целью увеличения срока службы средств связи, применяются устройства для их автоматического выключения или перевода в режим дежурного приема.
Следует также отметить, что энергетическую эффективность можно повысить путем использования корректирующих кодов, специальных сигналов и методов модуляции, согласования кодека с модемом [8].
Для борьбы с помехами, в том числе и с селективными, применяют современные методы обработки сигналов: интегрирование, накопление, цифровые фильтры, корреляторы с использованием микропроцессоров или микросхем, выполненные на современной элементной базе [9].
В результате анализа научно-технической литературы, отражающей современное состояние методов и систем передачи дискретной информации, выявлено, что основными направлениями технического прогресса при разработке аппаратуры связи следует считать: увеличение дальности связи, экономичности расходования энергии, повышение надежности передачи команд управления, достоверности передачи информации по каналу связи, скорости передачи информации по одному частотному каналу связи, обеспечения возможности определения координат удаленного терминала.
Обязательным этапом разработки любой системы передачи дискретной информации (СПДИ) является выбор эффективного алгоритма передачи информации, обеспечивающего необходимые скорость передачи информации и достоверность ее приема. При разработке алгоритмов передачи информации необходимо учитывать принципиальные особенности каналов связи. Так для однонаправленного канала единственным приемлемым условием повышения помехоустойчивости в условиях ограниченной полосы пропускания и наличия жестких требований к мощности излучаемого сигнала может оказаться использование методов передачи с избыточностью по времени: накопления с последующим принятием мажоритарного решения, а также использования корректирующих кодов в режиме исправления ошибок. Однако в этом случае принципиально отсутствует гарантия доставки сообщения потребителю.
Наиболее эффективным способом повышения достоверности передачи информации в двусторонних каналах связи с гарантированной передачей сообщения потребителю является использование систем с обратной связью с применением корректирующих кодов. Обобщающим критерием эффективности при этом является средняя относительная скорость передачи.
В соответствии с моделью взаимодействия открытых систем протоколы передачи данных, обеспечивающие требуемую достоверность передачи информации по каналам связи, относятся, как правило, ко второму уровню (канальному) модели. Известно, что применение протоколов передачи данных с использованием алгоритмов двусторонней связи, позволяет обеспечивать передачу информации по каналам связи различной физической природы с наибольшей достоверностью. Базовым принципом при этом является использование пакетной передачи данных с применением алгоритмов решающей обратной связи (РОС). Обобщающим критерием эффективности таких алгоритмов является средняя относительная скорость передачи.
В настоящее время известен ряд работ, касающихся систем с обратной связью. В частности, можно назвать работы отечественных авторов: Э.Л.Блоха, О.В.Попова, В.Я.Турина, З.М.Каневского, И.А.Мизина, Г.К.Храмешина, П.А.Котова, Л.Ф.Жигулина, а также работы коллектива сотрудников научно-исследовательской лаборатории №2 кафедры радиотехнических систем СибГУТИ, в частности: А.А.Макарова, Г.А.Чернецкого, Б.П.Щербакова и др. Среди зарубежных авторов стоит отметить работы: S.Lin, DJ.Costello, MJ.Miller, JA.Copeland, V.K.Bhargava, A.Annamalai и др. Вместе с тем, вопросы оценки эффективности систем с обратной связью в каналах связи с ЗВРС ранее не рассматривались.
Обобщающим критерием эффективности при выборе алгоритма передачи информации в дискретном канале связи (ДКС) принято считать среднюю относительную скорость передачи сообщений. Однако недостатком данного критерия является то, что основные параметры алгоритмов в этом случае выбираются по усредненным характеристикам канала, что в ряде случаев не является оправданным в силу наличия в некоторых каналах связи характерной частотно-временной нестабильности параметров.
Известно также, что для представления реальных каналов связи широко используется метод математического моделирования. При этом все основные методы, относящиеся к указанному классу методов моделирования, основаны
на использовании моделей каналов с к состояниями, с достаточной степенью точности описываемыми с помощью аппарата цепей Маркова.
Цель работы. Исследование и разработка алгоритмов передачи информации, повышающих эффективность систем передачи дискретной информации (СПДИ) в каналах связи со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС).
Основу диссертационной работы составляет исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС, ограниченных по энергетике, на примере гидроакустического канала связи, управления и навигации. Эффективность алгоритмов связи оценивается для режима передачи данных (трафик данных) при ограничениях на время обработки сообщений в приемном устройстве. Рассматривается использование циклических кодов.
Достижение указанной цели требует решения таких задач как:
Выбор и обоснование математической модели канала связи.
Разработка методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с обратной связью с учетом времени распространения сигналов.
Анализ эффективности известных алгоритмов передачи информации.
Разработка эффективных алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС.
Выбор и обоснование наилучшего алгоритма передачи данных.
Разработка программного имитатора предложенного алгоритма.
Исследование эффективности и оценка качественных показателей СПДИ при использовании предложенного алгоритма методом компьютерного моделирования. Сравнение результатов с данными аналитических расчетов.
Разработка рекомендаций по практическому применению исследованных алгоритмов передачи информации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы: теории вероятностей, теории графов, теории случайных процессов и математической статистики, теории передачи дискретных сообщений, а также методы математического и компьютерного моделирования.
Анализ статистических характеристик каналов связи со значительным временем распространения сигналов на примере гидроакустического канала связи
В некоторых случаях одно надводное судно может работать с целой сетью донных станций, для чего предусматривается адресная система передачи команд управления и передачи информации.
Другим важным фактором в каналах со значительным временем распространения сигнала, помимо большой дальности связи и частотно-временной нестабильности характеристик каналов, является ограниченная энергоемкость автономных бортовых источников питания. Для таких систем повышение помехоустойчивости означает выигрыш в дальности действия и в габаритах источника питания, повышение достоверности передаваемых данных и экономический эффект от повышения срока автономной работы [6, 7].
Необходимо отметить и возможные методы повышения помехоустойчивости передачи информации в практических каналах связи. Так, для экономного расходования электроэнергии автономных бортовых источников питания, с целью увеличения срока службы средств связи, применяются устройства для их автоматического выключения или перевода в режим дежурного приема.
Следует также отметить, что энергетическую эффективность можно повысить путем использования корректирующих кодов, специальных сигналов и методов модуляции, согласования кодека с модемом [8].
Для борьбы с помехами, в том числе и с селективными, применяют современные методы обработки сигналов: интегрирование, накопление, цифровые фильтры, корреляторы с использованием микропроцессоров или микросхем, выполненные на современной элементной базе [9].
В результате анализа научно-технической литературы, отражающей современное состояние методов и систем передачи дискретной информации, выявлено, что основными направлениями технического прогресса при разработке аппаратуры связи следует считать: увеличение дальности связи, экономичности расходования энергии, повышение надежности передачи команд управления, достоверности передачи информации по каналу связи, скорости передачи информации по одному частотному каналу связи, обеспечения возможности определения координат удаленного терминала.
Обязательным этапом разработки любой системы передачи дискретной информации (СПДИ) является выбор эффективного алгоритма передачи информации, обеспечивающего необходимые скорость передачи информации и достоверность ее приема. При разработке алгоритмов передачи информации необходимо учитывать принципиальные особенности каналов связи. Так для однонаправленного канала единственным приемлемым условием повышения помехоустойчивости в условиях ограниченной полосы пропускания и наличия жестких требований к мощности излучаемого сигнала может оказаться использование методов передачи с избыточностью по времени: накопления с последующим принятием мажоритарного решения, а также использования корректирующих кодов в режиме исправления ошибок. Однако в этом случае принципиально отсутствует гарантия доставки сообщения потребителю.
Наиболее эффективным способом повышения достоверности передачи информации в двусторонних каналах связи с гарантированной передачей сообщения потребителю является использование систем с обратной связью с применением корректирующих кодов. Обобщающим критерием эффективности при этом является средняя относительная скорость передачи.
В соответствии с моделью взаимодействия открытых систем протоколы передачи данных, обеспечивающие требуемую достоверность передачи информации по каналам связи, относятся, как правило, ко второму уровню (канальному) модели. Известно, что применение протоколов передачи данных с использованием алгоритмов двусторонней связи, позволяет обеспечивать передачу информации по каналам связи различной физической природы с наибольшей достоверностью. Базовым принципом при этом является использование пакетной передачи данных с применением алгоритмов решающей обратной связи (РОС). Обобщающим критерием эффективности таких алгоритмов является средняя относительная скорость передачи.
В настоящее время известен ряд работ, касающихся систем с обратной связью. В частности, можно назвать работы отечественных авторов: Э.Л.Блоха, О.В.Попова, В.Я.Турина, З.М.Каневского, И.А.Мизина, Г.К.Храмешина, П.А.Котова, Л.Ф.Жигулина, а также работы коллектива сотрудников научно-исследовательской лаборатории №2 кафедры радиотехнических систем СибГУТИ, в частности: А.А.Макарова, Г.А.Чернецкого, Б.П.Щербакова и др. Среди зарубежных авторов стоит отметить работы: S.Lin, DJ.Costello, MJ.Miller, JA.Copeland, V.K.Bhargava, A.Annamalai и др. Вместе с тем, вопросы оценки эффективности систем с обратной связью в каналах связи с ЗВРС ранее не рассматривались.
Обобщающим критерием эффективности при выборе алгоритма передачи информации в дискретном канале связи (ДКС) принято считать среднюю относительную скорость передачи сообщений. Однако недостатком данного критерия является то, что основные параметры алгоритмов в этом случае выбираются по усредненным характеристикам канала, что в ряде случаев не является оправданным в силу наличия в некоторых каналах связи характерной частотно-временной нестабильности параметров.
Известно также, что для представления реальных каналов связи широко используется метод математического моделирования. При этом все основные методы, относящиеся к указанному классу методов моделирования, основаны на использовании моделей каналов с к состояниями, с достаточной степенью точности описываемыми с помощью аппарата цепей Маркова. Цель работы. Исследование и разработка алгоритмов передачи информации, повышающих эффективность систем передачи дискретной информации (СПДИ) в каналах связи со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС). Основу диссертационной работы составляет исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС, ограниченных по энергетике, на примере гидроакустического канала связи, управления и навигации. Эффективность алгоритмов связи оценивается для режима передачи данных (трафик данных) при ограничениях на время обработки сообщений в приемном устройстве. Рассматривается использование циклических кодов. Достижение указанной цели требует решения таких задач как: 1 Выбор и обоснование математической модели канала связи. 2 Разработка методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с обратной связью с учетом времени распространения сигналов. 3 Анализ эффективности известных алгоритмов передачи информации. 4 Разработка эффективных алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС. 5 Выбор и обоснование наилучшего алгоритма передачи данных. 6 Разработка программного имитатора предложенного алгоритма. 7 Исследование эффективности и оценка качественных показателей СПДИ при использовании предложенного алгоритма методом компьютерного моделирования. Сравнение результатов с данными аналитических расчетов.
Выбор критерия и методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с РОС в каналах связи со значительным временем распространения сигналов
Возможны и другие варианты алгоритмов с РОС. Так, например, в работах [70-72] предлагаются модифицированные гибридные алгоритмы РОС с переменной скоростью кодирования. С использованием результатов моделирования показано, что этот метод позволяет повысить эффективность передачи по сравнению с использованием гибридного метода РОС с фиксированной скоростью кодирования и методом РОС-ОЖ. Оценки состояний канала связи осуществляются на основе расчета коэффициента ошибок в принятых кодовых последовательностях. Используется схема совмещения решетчатого кодирования с созвездием КАМ - сигнала, называемые в отечественной литературе сигнально-кодовыми конструкциями (СКК, [49]). Также отмечается, что использование такой схемы совмещения рекомендуется только для случая с медленными изменениями состояний канала связи.
В работе [73] описывается схема турбо-кодирования с решетчатой модуляцией в сочетании с РОС для систем радиосвязи, реализующая частотную эффективность решетчатой модуляции и энергетическую эффективность турбо-кодов. В указанной работе анализируется алгоритм РОС-АП с приемлемыми по объему памяти буферными устройствами на передающей и приемной сторонах. Для нахождения момента окончания итераций, т.е. для достижения безошибочной картины результирующего кодового кадра по истечении некоторого количества итераций над этим турбо-кодированным кадром (задавается некоторым временным ограничением), используется проверка на четность. Если же после этого определенного количества итераций декодер проверки на четность по-прежнему обнаруживает ошибки - производится переспрос на повторение.
В целом использование СКК на базе КАМ созвездий удобно тем, что можно достаточно простым способом изменять структуру предаваемого сигнала. Недостаток данного подхода заключается в необходимости получения оценок состояний канала по его выходным характеристикам, которые, в свою очередь, сами имеют случайный характер и, при относительно быстром изменении параметров канала связи, могут носить ошибочный характер.
В работах [59, 66, 75] оценку состояния канала связи предлагается осуществлять подсчетом положительных и отрицательных сигналов обратной связи. В качестве механизмов адаптации в работах [75, 76] предлагается использовать управляемое изменение длины пакетов данных.
Среди существующих стандартов и протоколов передачи данных, использующих рассмотренные алгоритмы передачи информации, следует отметить: ? С малой защитой - РОС-ОЖ с пределом по переспросам. Характерным примером являются локальные сети радиодоступа: IEEE 802.11, полудуплексный режим работы, количество проверочных символов 32 бита; стандарты специальной промышленной группы Bluetouth, количество проверочных символов 16 бит. ? С высокой защитой - РОС-ПП, полудуплексный режим передачи. Пример - стандарт инфракрасной связи IrDA. Размер окна равен семи кадрам. Время задержки больше времени распространения сигналов в среде. Количество повторных передач ограниченно. ? С наилучшей защитой - РОС-АП, дуплексный режим передачи данных. Пример: высокоуровневый протокол управления каналом передачи данных (HDLC), см., например, [77, 78]. Стандарты Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) и Международной организации по стандартизации (ISO), например, ISO 3309. Количество проверочных символов - до 32 битов, производящий полином равен Время задержки много больше времени круговой задержки. Для запроса повторной передачи используется кадры REJ или SREJ (запрашивается одно слово из кадра). В качестве синхронизирующей последовательности используется последовательность "01111110" ("7Eh"). Вследствие обеспечения уникальности данной последовательности аналогичное сочетание битов в информационной последовательности устраняется путем "бит-стаффинга", процедуры, заключающейся во введении дополнительного нуля после серии из пяти единиц. В результате изменяется длина всего кадра. Необходимая информация об окончании кадра содержится во флаге окончания кодового кадра. В качестве межкадрового заполнителя используется та же флаговая последовательность. Среди других методов защиты передаваемых данных от ошибок, получивших в последнее время наибольшее распространение, можно назвать: ? алгоритм с РОС, использующий итерационный метод декодирования так называемых "турбо-кодов", полученных путем параллельного каскадирования нескольких сверточных кодов, см., например, [79]; ? алгоритм, аналогичный предыдущему, но отличающийся тем, что в его составе используется подход к совместному использованию последовательного и параллельного каскадирования сверточных кодов со скоростью кода 1/3 с применением метода так называемого "выкалывания" до скорости 1/2 [80]. При первоначальной передаче информации производится передача информационных и первых избыточных битов. При обнаружении ошибки происходит переспрос, по которому и происходит передача дополнительных избыточных бит, ранее выколотых и хранящихся в специальном буферном устройстве. ? помимо кодового способа обнаружения ошибок может быть использован метод контроля за состоянием канала на примере детектора качества (ДК) [81, 82]. Применение детекторов качества в СПДИ позволяет получить выигрыш в верности передачи - эти методы обнаружения ошибок с целью повышения верности передачи получили название косвенных методов. Теория анализа и синтеза ДК с косвенным методом обнаружения ошибок также рассмотрена в работах В.П.Шувалова [83, 84], Э.П.Шпилевского [85] и др. Более сложные алгоритмы оценки качества канала связи могут включать кодовое и параметрическое распознавание ошибочных элементов в блоке с целью восстановления сообщений их исправлением, что позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики СПДИ, а именно: повысить верность передачи, снизить потери скорости передачи, диагностировать отказы элементов схем, уменьшить время задержки сообщений. Основной недостаток этих методов - существенное усложнение технической реализации. Для повышения скорости передачи информации возможно также использование систем, использующих для передачи информации несколько параллельных каналов.
Комбинированный алгоритм РОС с частичным исправлением ошибок и накоплением принимаемых слов
Предложен алгоритм РОС комбинированный с частичным исправлением ошибок (РОС-ЧИ), основанный на методе синдромно-матричного декодирования с разделением синдромов ошибок различной кратности. Исследование зависимости скорости передачи алгоритмов РОС-ОЖ и РОС-ЧИ в широком диапазоне изменения значений вероятности ошибки показало, что использование алгоритма передачи сообщений РОС-ЧИ позволяет реализовать большую скорость передачи и, соответственно, меньшее время задержки, поскольку исправление ошибок малой кратности приводит к снижению среднего количества передач. Так, для кода (2072, 2048) значение средней относительной скорости передачи составляет: 0,8 для РОС-ОЖ и 0,97 для РОС-ЧИ при р = 10 "4; 0,1 и 0,4 при р = 10" , соответственно. С увеличением дальности связи скорость передачи алгоритма РОС-ЧИ уменьшается, однако ее значения по-прежнему больше, чем соответствующие значения алгоритма РОС-ОЖ. При этом алгоритм РОС-ЧИ имеет меньшее значение вероятности ошибки декодирования, чем кодовый метод исправления ошибок, например, 2-10" и 0,34, соответственно, при одинаковых значениях кодового расстояния, d = 5, и значении вероятности ошибки,/? = 10" . Другими преимуществами алгоритма РОС-ЧИ по сравнению с кодовыми методами исправления ошибок являются: упрощение схемной реализации, уменьшение вычислительной сложности декодирования, возможность адаптации к изменению вероятности ошибки за счет изменения зоны исправления ошибок. Реализация алгоритма РОС-ЧИ незначительно отличается по сравнению с реализацией алгоритма РОС-ОЖ, главное отличие нению с реализацией алгоритма РОС-ОЖ, главное отличие заключается в наличии таблицы синдромов однократных ошибок, синдромы ошибок большей кратности могут быть вычислены при необходимости (когда ґи /и 1).
Исследования показали, что использование алгоритма РОС с сегментацией сообщения и частичным исправлением ошибок малой кратности в каждом сегменте (РОС-ЧИ-Б), при выборе оптимального размера сегментов, позволяет существенно увеличить скорость передачи по сравнению с алгоритмом РОС-ЧИ и, соответственно, обеспечить меньшее время задержки. Основным недостатком алгортма РОС-ЧИ-Б является то, что в канале связи с ЗВРС при вероятности ошибки/» 210 "3 алгоритм РОС-ЧИ-Б обеспечивает малую скорость передачи, а время задержки существенно даже в случае выбора оптимального количества сегментов. Так, значение времени задержки составляет Т чиб = 74,4 с при;? = 5-Ю"3 (ІУСОПТ=128, код (26, 16)) по сравнению с Гзчиб=25,2с (iVco,rr=2, код (1044, 1024)) при/ = 10"4. 4 Аналитический расчет показал, что использование алгоритма РОС с накоплением принимаемых слов и принятием мажоритарного решения (РОС-Н) при р 10 "3 позволяет значительно увеличить скорость передачи за счет снижения количества повторных передач. Так, для кода (2072, 2048, 5) значения средней скорости передачи алгоритма РОС-Н составляют 0,374 при/) = 10 "3 и 0,81 при р = 10 "4. При увеличении количества повторений S в алгоритме РОС-Н вероятность ошибки символа/ уменьшается, что приводит к уменьшению вероятности ошибки декодирования Рд. Так, в случае использования кода (2072, 2048, 5) и для вероятности ошибки в канале связи р = 10"2 при изменении количества передач от одного до трех вероятность ошибки декодирования изменяется на три порядка по сравнению со значением, полагаемым при однократной передаче Рд = 5,6-10 "8 (аналогично соответствующему значению Рд алгоритма РОС-ОЖ), и составляет Рд = 2,7-10 "п. Дальнейшее увеличение количества передач улучшает вероятностные характеристики алгоритма РОС-Н. В практических расчетах для нахождения количества передач т алгоритма РОС-Н при передаче сообщений, длина кодовых слов которых находится в диапазоне значений п є [10, 10000], а вероятность ошибки символа меньше р 10 " , можно использовать упрощенное выражение (3.19). При этом в указанном диапазоне длин слов п и для р 10 "2 практически отсутствует погрешность вычислений. 5 Анализ влияния изменения скорости передачи в канале связи RM на время задержки алгоритма РОС-Н при увеличении вероятности ошибки в канале свя зи показал, что средняя относительная скорость передачи алгоритма РОС-Н RH уменьшается, однако время задержки остается в пределах значений, допусти мых для передачи данных. Так, для кода (2072, 2048, 5) при р = 10 "5 время за держки данного алгоритма составляет: 25,39 с - одна несущая, скорость моду ляции 200 Бод, и 12,07 с - четыре несущие, скорость модуляции сигнала на ка ждой несущей составляет 400 Бод. При существенном ухудшении параметров канала связи, например, при р = 10 4 - значения времени задержки равны 30,39с и 15,27 с, соответственно. Сравнение данных алгоритмов РОС-Н и РОС ЧИ показало, что алгоритм РОС-Н практически не превосходит алгоритм РОС ЧИ по критерию средней скорости передачи при значениях вероятности ошиб -з ки р 10 " при существенном усложнении реализации алгоритма РОС-Н по сравнению с алгоритмом РОС-ЧИ. Так, для кода (2072, 2048, 5) при/» = 10 "3: Л„ = 0,374, а Лчи = 0,383. 6 Предложен комбинированный алгоритм РОС-ЧИ-Н. Анализ зависимости скорости передачи от длины кодового слова п алгоритма РОС-Н по сравнению с аналогичной зависимостью алгоритма РОС-ЧИ-Н позволяет сделать вывод об увеличении оптимальной длины кодового слова пшт в последнем случае, на пример, с 100 до 250 при/? = 10 3 и с 370 до 1240 при/? = 10"4. При этом увели чивается значение скорости передачи. Так, увеличение скорости передачи со ставляет около 16% и 6%, для/? = 10 3 и 10 "4, соответственно. Таким образом, использование алгоритма РОС-ЧИ-Н является целесообразным по сравнению с использованием алгоритма РОС-Н при значениях вероятности ошибки р 10 "4. 7 Аналитические расчеты показали, что применение алгоритма РОС-ЧИ-Н-Б позволяет увеличить скорость передачи данных для диапазона значений вероятности ошибки р є [10 А, 710 "3] по сравнению с алгоритмом РОС-ЧИ-Н, что говорит о большей эффективности использования алгоритма РОС-ЧИ-Н-Б в каналах связи с низкой энергетикой. Так, например, при вероятности ошибки в канале связи р = 5-10 "4 время задержки составляет: 33,7 с для РОС-ЧИ-Н и 26,9 с для РОС-ЧИ-Н-Б Nom = 16, код (144, 128, 5). Тем не менее, применение алгоритма РОС-ЧИ-Н-Б сопряжено с увеличением сложности технической (аппаратно-программной) реализации. 8 Расчет показал, что использование предложенной методики оценки средней скорости передачи информации, сущность которой состоит в использовании данных модели канала связи с к состояниями, позволяет существенно повысить точность расчетов по сравнению с используемой в настоящее время методикой оценки средней скорости передачи информации на основе средней вероятности ошибки. Увеличение точности связано с учетом изменчивости состояния канала связи. При этом, погрешность метода, используемого в настоящее время, может составлять вплоть до 10% по отношению к оценкам, получаемым при использовании предложеной методики.
Анализ экспериментальных данных исследования алгоритма РОС-ЧИ-АП
В результате проведенного исследования следует выделить следующие рекомендации по приминению исследованных алгоритмов передачи информации в системах педередачи информации в каналах со значительным временем распространения сигналов:
Показано, что при увеличении времени распространения для эффективной передачи информации необходимо увеличивать длину кодового слова (пакета кодовых слов) при одновременном увеличении отношения сигнал/шум.
В каналах связи с высоким отношением сигнал/шум (р 10 "3) целесообразно, с точки зрения достижения минимума времени задержки при минимальных технико-экономических затратах (сложность и стоимость технической реализации аппаратуры связи, использующей соответствующий алгоритм), использовать алгоритм с решающей обратной связью с частичным исправлением ошибок и адресным переспросом (РОС-ЧИ-АП) или алгоритм с решающей обратной связью с частичным исправлением ошибок и сегментацией передаваемого сообщения (РОС-ЧИ-Б). В каналах связи с низкой энергетикой, т.е. с большой вероятностью ошибки (р 10"), либо в каналах со значительным изменением параметров (значение вероятности ошибки меняется в широком диапазоне), наибольшую скорость передачи сообщений для указанных условий имеет алгоритм с решающей обратной связью с частичным исправлением ошибок, адресным переспросом и накоплением принимаемых слов (РОС-ЧИ-АП-Н). Однако, учитывая высокую сложность совместной реализации процедуры частичного исправления, накопления и адресного переспроса предлагается в таких случаях использовать либо алгоритм с решающей обратной связью с исправлением ошибок малой кратности с адресным переспросом (РОС-ЧИ-АП), либо алгоритм с решающей обратной связью с исправлением ошибок малой кратности с сегментацией передаваемого сообщения (РОС-ЧИ-Б), обладающий меньшей сложностью технической реализации, но, тем не менее, позволяющий реализовать значительную долю пропускной способности канала.
Исходными данными для разработки алгоритмов передачи информации являются: тип канала связи, вероятность ошибки символа передаваемого сообщения, тип данных, определяющий требования к задержке получения информации потребителем (передача в реальном времени либо передача данных, не ограничивающих задержку), требования к сложности технической реализации. 1 С учетом результатов предыдущих глав в качестве моделируемого алгоритма взят алгоритм РОС-ЧИ-АП. 2 Оценка эффективности алгоритма РОС-ЧИ-АП выполнена с помощью метода статистических испытаний. Для этого реализована на ЭВМ модель исследуемой СПДИ, состоящей из ряда блоков: модели канала, модели кодера и декодера, и модели логики системы (программного блока, моделирующего алгоритм работы системы). 3 В соответствии с результатами, полученными для алгоритма РОС-ЧИ-АП в главе 4, выбран формат окна, обеспечивающий максимальное значение скорости передачи для приведенных в главе 1 параметров модели ка нала связи с тремя состояниями. 4 Исходя из объема достаточной статистики количество блоков слов кода (272, 256, 5), необходимых для проведения статистических испытаний, равно 7VCTaT и 132400. При этом значение точностного коэффициента оценки результа тов статистических испытаний 8 выбрано равным 5% от значения средней ве роятности ошибки р. С учетом того, что количество кодовых кадров в окне рав но NK = 8 получаем, что количество окон равно N0 craT=N0 ста.г / 8=16550. Значение доверительного интервала равно D «1,58 Ю-5. 5 Разработана структурная схема СПДИ, реализующая алгоритм РОС-ЧИ-АП. Отличительной особенностью данной схемы является оптималь ное построение БЗУ передающего и приемного устройств, с учетом времени распространения сигналов в среде. Структура БЗУ организована так, что реализуется принцип представления передаваемого окна блоком кодовых кадров. Минимальное количество кадров равно четырем. Количество слов определяется значением вероятности ошибки в канале связи и его дальностью. В качестве кода, используемого для передачи сообщений, выбран код (272, 256, 5). 6 Разработана программная реализация имитатора алгоритма передачи информации РОС-ЧИ-АП в канале связи с ЗВРС, моделируемого простой цепью Маркова с тремя состояниями. 7 Согласно предварительным расчетам, выполненным в разделе 5.2, количество блоков, подвергаемых статистическим испытаниям, выбрано равным Nnar = 132400. Получены следующие результаты моделирования: количество принятых кадров, не содержащих ошибок (без ошибок - БО), равно N6o = 74626 (55,8%). Количество кадров, содержащих однократную ошибку, JV„cn = 52216 (39,05%). Количество переспрошенных кадров /Упер - 6886 (5,15%). 8 Сравнение информации, полученной на выходе системы связи с переданной информацией, показало, что ошибки при использовании разработанного алгоритма РОС-ЧИ-АП для заданного объема испытаний отсутствуют. 9 Имеющееся отличие вероятностных характеристик обусловлено использованием верхней оценки вероятности ошибки в аналитических расчетах. Однако это отличие можно считать незначительным. 10 Экспериментально установлено, что значение времени обработки пере даваемых сообщений в передающем и приемном устройствах имеет незначи тельный вклад по сравнению со временем распространения сигналов для иссле дованных алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов и может быть опущено при расчетах эф фективности передачи информации в таких каналах. Так время обработки од ного слова кода (272, 256, 5) на ЭВМ Pentium 2 с тактовой частотой 300 МГц составило Гобр і 1,5 мс. Следовательно, время обработки блока, состоящего из восьми слов, составляет Тобр g 12 мкс. Данное значение меньше длительности одного элемента сигнала тэ = 1 / 200 бит/с = 0,5 мс и много меньше значения времени распространения сигнала в среде Тр = 5000 м / 1500 м/с 3,3 с. 11 Экспериментально подтверждено, что алгоритм РОС-ЧИ-АП позволяет реализовать передачу дискретной информации в каналах связи с ЗВРС с высокой скоростью, и может быть рекомендован к использованию в практических СПДИ в каналах связи с ЗВРС. Средняя скорость передачи информации при использовании алгоритма РОС-ЧИ-АП для приведенных исходных данных составляет 95,5% от рассчитанного значения пропускной способности канала связи.
