Введение к работе
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 DF 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 – 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. Серпухов 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.
Личный 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.
