Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическая модель цифровой системы радиосвязи, работающей в условиях информационного конфликта 15
1.1. Представление сигналов и помех в цифровых системах радиосвязи 15
1.2. Статистические характеристики стационарного канала связи 20
1.3. Разработка математической модели цифровой системы радиосвязи 25
1.4. Исследование предложенной модели цифровой системы радиосвязи 37
Выводы к Главе1 42
Глава 2. Разработка и сравнительный анализ алгоритмов обработки принимаемых сигналов 44
2.1. Разработка алгоритмов декодирования для стационарного канала без памяти 44
2.2. Исследование алгоритмов декодирования, разработанных для стационарного канала без памяти 53
2.3. Разработка алгоритмов декодирования с учётом нестационарности и памяти канала связи 63
2.4. Исследование алгоритмов декодирования для нестационарного канала с памятью 65
Выводы к Главе2 71
Глава 3. Формирование стратегии управления режимами работы в цифровых системах радиосвязи 75
3.1. Разработка алгоритма декодирования для адаптивных систем связи 75
3.2 Представление процесса передачи информации в виде конфликта между системой связи и источником помех 80
3.3 Анализ методов решения матричных игр и способов формирования матрицы выигрышей 86
3.4 Анализ эффективности использования теории игр при формировании стратегии управления режимами работы 91
Выводы к ГлавеЗ 106
Глава 4. Реализация разработанных алгоритмов и средств проверки ... 109
4.1. Разработка устройств обработки принимаемых сигналов 109
4.2. Реализация алгоритмов декодирования и синхронизации в KB корреспондентских радиостанциях 122
4.3 Программно-аппаратный комплекс для моделирования работы систем связи в условиях замираний и аддитивных помех 131
4.4 Разработка анализаторов качества канала связи 139
Выводы к Главе 4 145
Заключение 148
Список литературы
- Статистические характеристики стационарного канала связи
- Разработка алгоритмов декодирования с учётом нестационарности и памяти канала связи
- Представление процесса передачи информации в виде конфликта между системой связи и источником помех
- Реализация алгоритмов декодирования и синхронизации в KB корреспондентских радиостанциях
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной задачей системы радиосвязи является передача информации с высокой достоверностью и скоростью при снижении общего уровня затрат. Эффективность работы системы связи во многом определяется тем, какие используются алгоритмы обработки сигналов, как осуществляется выбор рабочих параметров системы. В современных системах радиосвязи преобладают цифровые методы формирования и обработки сигналов.
Передача информации по радиоканалу характеризуется достаточно высоким уровнем помех и шумов. При проектировании радиосистем необходимо учитывать наличие источников помех, как естественного происхождения, так и организованных. Помехоустойчивое кодирование и соответствующие алгоритмы обработки обеспечивают достоверность передачи информации.
Вопросы оптимального приема сигналов на фоне шумов и помех подробно изучены в классических работах К. Шеннона, В.А. Котельникова, Р.Л. Стра-тоновича, Л.М. Финка, М.И. Пелехатого и многих других отечественных и зарубежных авторов. Теории и практике помехоустойчивого кодирования посвящены работы А.Д. Витерби, Л.Ф. Бородина, Р. Хемминга, Т. Кассами, Р. Блей-хута и ряда других. Однако по-прежнему актуальной остаётся задача разработки оптимальных АОС и определения верхней достижимой границы для конкретных сигналов, кодов и структур сообщения.
Развитие микропроцессоров позволяет реализовать устройства обработки и формирования сигналов программным путём. Актуален поиск и обоснование решений, позволяющих осуществить такую реализацию наилучшим образом.
В современных цифровых системах радиосвязи (ЦСР) повышение помехоустойчивости и скрытности передачи информации во многом достигается за счёт применения сложных широкополосных сигналов (1ППС). Одним из таких сигналов является частотно-временной сигнал (ЧВС). Появляются все новые виды сигналов, каждый из которых имеет определённые достоинства. Методы
расширения спектра и использование сложных сигналов в ЦСР рассмотрены в работах Н.Т. Петровича, Л.Е. Варакина, В.И. Борисова, Дж.Д. Прокиса, Ю.С. Шинакова.
Ввиду сложных структур используемых сообщений и сигналов, алгоритмы обработки их элементов должны быть легко реализуемыми и экономичными, так как они используются многократно при обработке на более высоких структурных уровнях. Оптимальные алгоритмы обработки сигналов (АОС) экономичностью не отличаются. Кроме того, они требуют знания вероятностных характеристик источника сообщений и канала связи (КС). Актуален поиск квазиоптимальных алгоритмов, позволяющих решить отмеченные проблемы. Необходимо определить условия, при которых квазиоптимальные алгоритмы обеспечивают результаты, сравнимые с оптимальными алгоритмами.
Большое разнообразие сигналов, наличие старого парка аппаратуры, необходимость совместимости различных систем связи, а также возможность формирования сигналов программным путём привели к тому, что характерной особенностью многих радиостанций в современных ЦСР является многорежим-ность. Появляется задача эффективного выбора режима работы для конкретного сеанса связи. Более того, актуальна задача управления режимами работы в течение сеанса связи для адаптации к условиям работы и эффективного использования функциональных возможностей аппаратуры.
Задача управления рабочими параметрами и режимами актуальна, например, при пакетной передаче информации, когда желательно оперативно изменять частоту, мощность, скорость передачи, длину пакета, а возможно, вид модуляции и кодирования в зависимости от условий работы.
Для решения задачи управления требуется оценка качества КС и принимаемой информации. Задачи управления и оценивания решаются различными методами. В работах Э. Сейджа, Д. Снайдера, Дж. Медича для этих целей используется аппарат уравнений состояний. Оптимальному оцениванию сигналов в ЦСР с учетом комплекса различных факторов, в частности несовершенства
аппаратурной реализации, много внимания уделено в работах Е.А.. Голубева. и И.З. Климова, но в них не рассматриваются вопросы управления режимами.
В большинстве известных работ не уделяется внимание-конфликтным ситуациям, которые возникают при управлении процессом передачи. В явном виде не учитывается возможность смены режима работы ЦСР и источника помех в ходе сеанса связи. Формализовать описание конфликтов позволяет теория игр. Вопросы использования теории игр в экономике и технике изложены в работах Г.Н. Дюбина, В.Г. Суздаля, Н.Н. Воробьёва, Э. Мулена. Применительно к радиотехнике теория игр рассматривается в работах В.К. Маригодова, В.Ф. Крапивина, В.Г. Радзиевского, А.А. Сироты. Однако теория игр используется в основном для решения задачи борьбы с помехами за счёт их режекции, а не для управления режимами работы.
Практическая реализация предлагаемых решений делает необходимым разработку соответствующих программно-аппаратных средств. Необходимы также средства проверки, отладки разрабатываемых устройств и моделирования процессов в ЦСР.
Цель работы: разработка и научное обоснование технических и методических решений, направленных на эффективное использование ресурсов корреспондентских радиостанций, функционирующих в условиях сложной изменяющейся помеховоЙ обстановки.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
разработка и исследование математической модели ЦСР, которая учитывает наличие различного рода помех и шумов, нестационарность КС и управление режимами работы (УРР) ЦСР;
разработка на основе теоретико-игрового подхода методики формирования стратегии УРР ЦСР при наличии противодействующего ей ИП;
анализ эффективности использования теоретико-игрового подхода при формировании стратегии УРР ЦСР по сравнению со случайным их выбором;
разработка, исследование и сравнительный анализ оптимальных и квазиоптимальных АОС, в том числе исследование влияния на результаты их работы отклонения распределений вероятности, используемых при принятии решений, от реальных распределений;
определение условий, при которых квазиоптимальные АОС, обеспечивают результаты аналогичные или близкие оптимальным алгоритмам;
практическая реализация и внедрение предложенных решений в виде программно-аппаратных средств корреспондентских KB радиостанций;
разработка для проверки предложенных решений программно-аппаратных средств проверки и отладки разрабатываемых устройств и средств моделирования процессов в ЦСР.
Объектом исследования являются: ЦСР, работающая в сложной, быстро изменяющейся помеховой обстановке, возможно при наличии радиоэлектронного противодействия, входящие в её состав корреспондентские радиостанции, характеризующиеся относительной ограниченностью вычислительных, аппаратурных и энергетических ресурсов, устройства обработки сигналов, управление режимами работы, устройства для контроля качества КС, средства моделирования и отладки.
Предметом исследования являются: математическая модель ЦСР, оптимальные и квазиоптимальные по критерию максимума апостериорной вероятности (МАВ) АОС, методика формирования стратегии УРР ЦСР, алгоритмы моделирования сигналов и процессов в ЦСР, способы реализации предложенных алгоритмов и устройств в разрабатываемых средствах связи.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
При теоретических исследованиях использовались элементы теории вероятности, математический аппарат абстрактной алгебры и теории конечных матричных антагонистических игр, аппарат стохастических разностных урав-
нений в пространстве состояний, методы линейного программирования, теория кодирования, методы статистической радиотехники.
Экспериментальные исследования проводились путем имитационного
моделирования процесса обработки принимаемой информации и натурных испытаний макетов, опытных и серийных образцов изделий, в которых реализованы результаты диссертационной работы. При этом проводились лабораторные испытания, испытания в местном эфире и на трассах до нескольких тысяч километров. При обработке результатов использовались элементы теории вероятности и математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и сделанных выводов подтверждена сопоставлением разработанной математической модели с известными моделями при соответствующих допущениях, идентичностью результатов полученных расчётным путём и методами имитационного моделирования для разработанных АОС, экспериментальной проверкой и внедрением результатов исследований в серийные изделия.
Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях теории вероятности, теории игр, статистической радиотехники и информатики.
Работоспособность, техническая новизна и практическая полезность разработанных устройств обработки принимаемых сигналов и контроля качества КС подтверждена 4-я авторскими свидетельствами на изобретения. Достоверность полученных результатов подтверждена также государственными испытаниями и опытом эксплуатации серийно выпускаемых радиостанций «Р-353С», «Р-353СМ», «Р-353СП», «Р-353СПМ», «Маковка-1», в программном обеспечении которых реализованы результаты работы.
На защиту выносятся теоретические разработки и научно обоснованные технические решения, внедрение которых во многом определило построение тракта обработки ряда корреспондентских KB радиостанций и позволяет формировать их стратегию УРР, в том числе:
математическая модель ЦСР, которая учитывает наличие различного рода шумов и помех, нестационарность КС и УРР ЦСР;
решение на основе математического аппарата матричных антагонистических игр задачи формирования стратегии УРР ЦСР с целью получения максимального гарантированного выигрыша для случая, когда ЦСР и ИГТ имеют ограниченный набор режимов и можно определить количественную оценку выигрыша для всех их сочетаний;
исследование и сравнительный анализ оптимальных и квазиоптимальньгх по критерию МАВ АОС для кодов с постоянным весом, разработанных на основе предложенной модели;
структурные схемы оригинальных устройств цикловой синхронизации, декодирования, контроля качества КС, предназначенных для приёма ЧВС;
аппаратно-программный комплекс для моделирования сложных сигналов в условиях замираний и аддитивных помех, в том числе оригинальный алгоритм моделирования замирающего сигнала;
научно-обоснованные технические решения, обеспечившие программную реализацию разработанных устройств и алгоритмов в ряде корреспондентских KB радиостанций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана математическая модель ЦСР, которая учитывает множество различных ошибок и помех, нестационарность КС и управление режимами работы;
предложена методика формирования стратегии УРР ЦСР на основе математического аппарата матричных антагонистических игр;
разработан оптимальный по критерию МАВ алгоритм обработки сигнала, учитывающий нестационарность КС и УРР ЦСР;
проведено научное обоснование применения в корреспондентских радиостанциях квазиоптимальных АОС, учитывающих структурные особенности используемых сигналов;
- разработан оригинальный алгоритм моделирования замирающего сигна
ла, учитывающий как случайный характер распределения значений отсчётов
сигнала, так и корреляцию между соседними отсчётами.
Практическую ценность представляют:
предложенная математическая модель ЦСР;
результаты исследования предложенной модели, позволяющие сократить объём исходных данных и расчётов;
методика формирования стратегии УРР ЦСР;
разработанные АОС, а также выводы сравнительного анализа, показывающие преимущества и недостатки рассмотренных алгоритмов и условия, при которых оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обеспечивают равные результаты;
программные и аппаратные средства, позволяющие формировать стратегию УРР, синтезировать АОС и проверять их работоспособность на стадии проектирования и в составе изделия;
разработанные оригинальные структурные схемы устройств цикловой синхронизации и декодирования сообщений, передаваемых ЧВС, в которых реализованы предложенные квазиоптимальные АОС, при этом декодирование реализовано как декодирование в целом;
разработанные оригинальные структурные схемы устройств для контроля качества КС, которые для определения местоположения ошибок используют структурные особенности ЧВС;
технические решения, позволившие осуществить программную реализацию предложенных алгоритмов в корреспондентских KB радиостанциях.
Реализация и внедрение работы. Результаты работы использовались на ОАО «Сарапульский радиозавод» и в учебном процессе Ижевского государственного технического университета в лекционных курсах «Основы теории систем связи с подвижными объектами», «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС».
Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных по постановлению Правительства РФ, приказам министерства промышленности средств связи СССР, по планам НИОКР министерства образования РФ, научно-технической программе «Промышленные технологии» (раздел «Электроника», подраздел «Применение микропроцессорной техники»), научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма «Электроника», раздел «Радиоэлектронные компоненты и устройства»).
Подавляющее большинство результатов диссертационной работы получено в ходе разработки серийно выпускавшихся и выпускаемых в настоящее время радиостанций «Р-353С», «Р-353СМ», «Р353-СП», «Р353-СПМ», «Маков-ка-1». Серийный выпуск радиостанции «Маковка-1» последней из этого ряда начат в 2004 году. Результаты, представленные в работе, использовались при разработке программного обеспечения и алгоритмов работы перечисленных радиостанций: программных декодеров, кодеров, устройств синхронизации, интерфейсов оператора, алгоритмов управления и программного обеспечения автоматических сеансов.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на: Научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке» (Ижевск, ИжГТУ, 2004г.), Военно-научных конференциях (г.Москва, 2002 и 2004 г.г.); IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, ИжГТУ, 2003 г.), IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Москва, МИЭТ, 2002г.); XXXII и XXXI Научно-технических конференциях ИжГТУ (Ижевск, 1998 и 2000г.г.); 54 научной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 1999г.); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза,
ПГТУ, 1998 и 1997гг.); Международной научно-технической конференции «Проблемы системного обеспечения качества продукции промышленности» (Ижевск, ИжГТУ, 1997г.); Научно-технической конференции «Ученые ИжГТУ
— производству» (Ижевск, 1996г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Конструктивно-технологическое обеспечение качества микро- и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и в производстве» (Ижевск, 1988г.); Республиканской научно-практической конференции «Молодёжь Удмуртии-ускорению научно-технического прогресса» (Ижевск, 1987г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 39 научных работ, в том числе 2 статьи в научно-технических журналах, одна из них в центральной печати, 15 тезисов докладов на всесоюзных, российских и международных научно-технических конференциях и семинарах. Новизна технических решений, предложенных автором, защищена 4 авторскими свидетельствами СССР на изобретения.
Структура и объем диссертации. Объем и результаты проделанной работы отражаются в диссертации, состоящей из введения, четырех глав, заключения и приложений.
Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.
Первая глава посвящена разработке математической модели ЦСР. Проведён анализ процессов в ЦСР. Основываясь на выбранном представлении сигналов и помех, разработана математическая модель ЦСР в виде разностных уравнений в пространстве состояний. Проведено исследование предложенной модели. Определены условия, при которых она сводится к известным моделям, и возможности сокращения объёма исходных данных и вычислений.
Во второй главе проведено научное обоснование применения квазиоптимальных АОС, учитывающих структурные особенности используемых в корреспондентских радиостанциях сигналов. Синтезированы оптимальные и квази-
оптимальные АОС для стационарного и нестационарного канала при отсутствии управления. Правила получены для систем типа М и М+1. Выведены формулы для оценки вероятности правильного и ошибочного приёма и отказа от принятия решения. Определены условия, при которых оптимальный по критерию МАВ алгоритм сводится к более простым квазиоптимальным алгоритмам. Проведены исследование и сравнительный анализ алгоритмов.
В третьей главе решается задача формирования стратегии УРР ЦСР. Получены правило принятия решения и соответствующие формулы для вероятности правильного приёма, учитывающие возможность управления режимами работы ЦСР и нестационарность КС. Показано, что процесс передачи информации в ЦСР при наличии противодействующего ей источника помех можно представить как конфликт между ними. Для формализации описания конфликта использован аппарат конечных матричных антагонистических игр. Получено решение игры и определены смешанные стратегии ЦСР и источника помех для нескольких видов матриц выигрышей. Произведена оценка эффективности использования теоретико-игрового подхода при формировании стратегии УРР.
В четвертой главе рассматриваются практическая реализация предложенных решений в виде программно-аппаратных средств, а также средства их проверки и отладки. Приведены структурные схемы разработанных устройств. Описаны способы реализации полученных решений в виде программного обеспечения ряда корреспондентских KB радиостанций. Рассмотрен программно-аппаратный комплекс для моделирования процесса передачи в условиях замираний сигнала и аддитивных помех.
В заключение перечислены основные результаты работы. Работа выполнялась на кафедре «Радиотехника» в течение многих лет. Основные результаты получены в ходе выполнения ряда ОКР, направленных на создание корреспондентских КБ радиостанций. Работа выполнена под руководством заведующего кафедрой профессора ХворенковаВ.В., оказавшего огромное влияние на решение всех вопросов, затронутых в диссертации. Боль-
шую помощь в постановке задач и обсуждению полученных решений оказал профессор Климов И.З. Трудно переоценить роль Главного конструктора отмеченных выше ОКР Лихарева В.М. при практической реализации полученных решений. Выражаю сердечную благодарность всем этим людям за оказанную помощь и сотрудничество.
Статистические характеристики стационарного канала связи
В предыдущем разделе отмечено, что для описания случайных процессов в цифровых системах необходимо знать распределения вероятностей, определенные на конечной группе. Распределение вероятностей Р[Х()] характеризует источник сообщения. Оно определяется передаваемыми сообщениями и свойствами используемого кода. Распределение вероятностей вектора ошибок Р[Ё(к)] определяется свойствами канала связи. Оно может быть рассчитано на основании моделей, рассмотренных в Разделе 1.1.
Если считать, что вероятности появления векторов ошибок с одинаковым весом равны, то распределение вероятностей вектора ошибок / [(&)] может быть задано следующим образом: Фк-Ыг (1-4) где Р[ЕЛ - вероятность у-ой реализации вектора Ё, Ё- -j-ая реализация вектора Ё = Ej, является элементом группы G»; j - номер вектора Ej в группе G»; Р(т,п) - вероятность появления т ошибок в блоке длины п; С"1 - число сочетаний из п по ш; п - длина кодового вектора; m.j - вес вектора Ej. Тогда в случае двоичного симметричного канала вероятность появления /-го вектора ошибок определяется формулой (1.5) [43, 69]. P[Ej] = рт (і-Ру-ч , (1.5) где р - вероятность ошибки в символе.
Соответствующие формулы можно привести и для других моделей рассмотренных в Разделе 1.1. Распределение наблюдаемого вектора может быть определено на основании уравнения (1.3). При этом часто удобнее оперировать не множеством кодовых векторов, а множеством номеров векторов в группе [131, 137]. Для образования группы из номеров требуется задать групповую операцию с номерами. Такую групповую операцию можно задать с помощью таблицы Келли. В качестве примера (Таблица 1.1) приведена таблица Келли при п=4 (16 элементов в группе).
Последняя запись удобнее при анализе процесса обработки принятого сигнала. С учетом операции распределение вероятностей наблюдаемого вектора определяется сверткой распределений вероятностей входного вектора и вектора ошибки [137]. Р[?(к)] = Р[Х(к)] Р[Ё(к)} , (1.9) где - операция свёртки. Операция свёртки означает, что вероятность наблюдения у -ой реализации вектора Y равна Л?і ( )]= ( )]" p\E j ( )] . (1-Ю)
Обозначения Y{k),Xd(k), E/(k) показывают, что в &-ый момент-времени наблюдаются у -ая, й?-ая и 1-ая реализации векторов Y, Х,-Е соответственно.
Рассмотрим пример. Пусть в ЦСР применяется код с постоянным весом и длиной кодовой комбинации п=4. Разрешёнными являются комбинации Х;=0001, 2=0010, Х/=0100,Хя=1000. Заданы вероятности их передачи. Распределение вероятностей вектора ошибки описывается (1-5). Найдем распределения вероятностей Р\Ё] и P[Y]. Исходные данные и результаты расчетов представлены в Таблице 1.2 и на Рисунках 1.3, 1.4.
При построении цифровой системы радиосвязи необходимо выбрать правило, по которому декодер будет разбивать множество реализаций вектора 7 на подмножества, соответствующие разрешённым кодовым комбинациям.
На основании распределений вероятностей Р[Х(к)], P[Y(k)], Р[Ё(к)], полученных для различных состояний канала связи, определяются Качественные характеристики ЦСР, такие как вероятность правильного приёма и вероятность ошибки. Знание качественных характеристик позволяет построить обработку сигнала в ЦСР оптимальным образом.
Разработка алгоритмов декодирования с учётом нестационарности и памяти канала связи
Полученные в параграфе 2.1 алгоритмы не учитывают в явном виде нестационарность и память канала связи. При их разработке предполагалось, что выполняется условие (1.36). Модель, предложенная в Главе I, позволяет учесть нестационарность. Она также отображает изменения режима работы, как системы связи, так и источника помех. Однако пока будем считать, что смены режима работы не происходит. Это значит, что векторы U и V в любой момент времени принимают соответственно свои z -ую и У-ую реализации с вероятностью 1, а их матрицы переходных вероятностей равны единичным матрицам. U(k + t) = U(k) = const =0;, V(k+ t) = V(k) = const =Vj . (2.39)
Следовательно, матрица переходных вероятностей вектора ошибки IJD также неизменна с течением времени. nD(k + l,k) = nD(k + t+l,k + t) = nlliJ . (2.40)
Векторы X,W,Y, формат которых описан в разделе 1.3, однозначно опре деляются своими первыми m элементами. Остальные их элементы, определяе мые векторами U и V, неизменны. Хотя длина векторов 1и W п, они могут принимать только 2т значений, каждому из которых соответствуют реализации векторов Г и Е . При этом вероятности их появления на /ом шаге равны. P[Xg (к)] = Р[Ат[Xg (к)]] = Р[1;(к)] , если II = Ат [Xg ] P[Wq(k)] = P[Am[Wq(k)]] = Р[Ё)(к)] ,если E j = Am[Wq] , (2.41) / = 0..2 -1, y = 0..2w-l, g = 0..2n-l, з = 0..2л-1 здесь Л" - взятие первых m элементов вектора.
Всё вышесказанное позволяет упростить модель, исключив из модели векторы, U и V. При этом вместо векторов Хь W можно использовать векторы V, Е и матрицы П А и JJD размерности mxm вместо ПА и По- Практически мы пришли к случаю, рассматриваемому в [137]. Модель ЦСР при отсутствии управления будет выглядеть следующим образом I\k + \) = A\k + \,kyl {k) E\k \) = D\k + l,k)-E\k) . (2.42) ?(к + ]) = Г{к + \)Ё (к + \)
Чтобы определить вероятность правильного приёма и алгоритм декодирования, согласно формулам (2.12), (2.14) необходимо знать распределение вероятностей векторов I и Е в k+1-ый момент времени., Для этого можно использовать информацию полученную на предыдущих шагах анализа. Распределение вероятностей в к+1 -ый момент времени можно найти по распределению в к-ый момент в соответствии с (1.33). Распределения в к-ый момент считаем известными, так как они могут быть найдены по распределениям в к-1 -ый момент времени. Распределения при к=0 считаются заданными изначально.
Следовательно, можно преобразовать алгоритм декодирования (2.14) подставив значения вероятностей в k-ый момент времени. Тогда при наблюдении на к+1-ом шаге вектора Т{ следует принимать решение о передаче вектора
Формулы (2.43), (2.44) справедливы и для векторов 1 ,Е. Требуется только в обозначениях убрать апостроф и учесть при суммировании, что длина векторов п.
В качестве распределения вероятностей векторов Г, Ё на к-т-ом шаге могут быть взяты либо априорно известные распределения, либо оценки этих распределений на данном шаге. Оценки могут быть получены для вектора Г в результате декодирования, а для вектора Ё с помощью анализатора качества канала связи. Если возможно получить оценку распределения Ё на к+1-ом шаге, то нет необходимости вычислять это распределение по рекуррентной формуле. Однако, скорее всего оценить распределение вектора ошибки Ё можно только с некоторым запаздыванием, то есть на k-m - ом шаге.
Буферизация данных и декодирование с некоторым запаздыванием позволяют частично решить проблему. Но это, как впрочем, и весь анализатор качества канала требует определённых аппаратных и программных затрат. Необходимо также определить интервал анализа, так как возможно изменение параметров канала.
Параметры, определённые за большой интервал времени, могут не соответствовать параметрам на момент декодирования. Измениться могут и матрицы переходных вероятностей. Несоответствие параметров приведёт к ошибкам при приёме. Короткий интервал анализа также даст ошибочные оценки. Таким образом, имеются проблемы с достоверной оценкой качества канала.
В настоящем разделе исследуются алгоритмы декодирования для каналов с памятью, разработанные в разделе 2.3. Анализируется алгоритм, в котором решение принимается по правилу (2.43). Обозначим его как Алгоритм 6. Про изводится сравнение данного алгоритма с алгоритмами, рассмотренными в Разделе 2.2. Сравнение проводилось для кодов, указанных в Разделе 2.2.
Алгоритм 6 отличается от Алгоритма 1 тем, что распределения вероятностей входного вектора и вектора ошибки на текущем k-ом шаге определяются на основании распределений на к-1-м шаге, которые умножаются на матрицы переходных вероятностей. Алгоритм 1 строился при предположении, что указанные распределения неизменны в течение всего интервала анализа.
При проведении расчётов предполагалось, что векторы ошибок с одинаковым весом имеют равные вероятности, поэтому для их задания использовались распределения Р(т,п) количества ошибок т в блоке символов длиной п. Вероятность векторов ошибок определялась в соответствии с (1.4). Матрицу переходных вероятностей для распределения Р(т,п) обозначим П0т. Расчёты выполнялись с помощью программных средств, созданных в системе MathCad.
Представление процесса передачи информации в виде конфликта между системой связи и источником помех
В современных условиях функционирование технических систем характеризуется наличием различного рода конфликтных взаимодействий. Конфликтами называются явления, в которых участники имеют несовпадающие интересы и располагают различными путями для достижения своих целей. При этом имеется столкновение интересов сторон. Основной аспект этого столкновения заключается в том, что стороны преследуют различные цели, имея для их достижения некоторые наборы альтернатив, каждая из которых приводит к одному (или к одному из нескольких) возможных исходов. При этом результат любого мероприятия каждой из сторон зависит от того, какой образ действия выберут другие стороны [54].
Конфликт может возникнуть из различия целей, которые отражают не только несовпадающие интересы различных сторон, но и многосторонние интересы одного и того же лица. Например, конструктор обычно преследует многосторонние интересы, согласуй противоречивые технико-экономические требования, предъявляемые к конструируемому изделию.
Процесс передачи информации может быть представлен как конфликт между ЦСР и источником помех, так как он соответствует формальным признакам конфликта. Под источником помех, в первую очередь, понимаются среда распространения сигнала и постановщики организованных помех. Столкновение интересов ЦСР с последними сомнений не вызывает. При анализе работы системы связи часто удобно считать, что «среда распространения» также ведёт себя как разумный противник, стараясь создать наихудшие условия для связи.
Система связи и источник помех имеют набор альтернатив - режимов работы. Они могут повлиять на качество процесса передачи информации, выбрав соответствующий режим. Необходимо определить, как осуществлять этот выбор, то есть сформировать стратегию управления режимами работы.
Формализовать описание конфликта позволяет теория игр. Теория игр и ее применение при решении различных задач рассматривается в [1, 42, 54, 56, 74, 78, 86, 87, 92, 97, 105]. Поскольку интересы системы связи и источника помех прямо противоположны и нет причин для согласования их действий, применим аппарат конечных матричных антагонистических игр.
Использование аппарата теории игр для формирования стратегии управления режимами работы устройств ЦСР связано со следующими соображениями. Рассматриваемые в работе устройства должны работать в сложной помехо-вой обстановке. При этом требуется обеспечить доставку информации, представляющей последовательность цифровых символов, как можно в более широком спектре условий связи. При необходимости используются повторные передачи радиограмм и их совмещение. Допускается определённый процент веде-кодированных символов, который позволяет понять смысл переданного сообщения.
Для обеспечения гарантированной передачи информации как можно в худших условиях приемлемо далее снижение средних показателей качества передачи. Во всяком случае, требуется понимание, насколько можно гарантировать прохождение информации в определённых условиях и как нужно действовать, чтобы обеспечить это. Теория игр как раз ориентирована на формирование стратегии поведения обеспечивающей гарантированный выигрыш.
Реальный конфликт может моделироваться конечной антагонистической игрой, если он отвечает следующим условиям [54]: - конфликт определяется антагонистическим взаимодействием двух сторон, каждая из которых располагает лишь конечным числом возможных действий; - свои действия стороны предпринимают независимо друг от друга, т.е. каждая из них не имеет информации о действии, совершаемом другой стороной. Результат этих действий оценивается вещественным числом, которое определя ет полезность сложившейся ситуации для одной из сторон. В силу антагонистичности конфликта можно считать, что полезность такой ситуации для другой стороны равна этому числу, взятому с отрицательным знаком; - каждая из конфликтующих сторон оценивает как для себя, так и для противника полезность любой возможной ситуации, которая может сложиться в результате их взаимодействия; - действия конфликтующих сторон в силу своей природы являются нерас-члененяыми и однократными, т.е. структура каждого из них не имеет формаль-. ных отличительных свойств. Это позволяет интерпретировать действия сторон как элементы некоторых абстрактных множеств, отличая различные действия друг от друга лишь по степени полезности сложившейся ситуации.
Из этого следует, что аппарат конечных антагонистических игр может быть использован в тех случаях, когда система связи и источник помех имеют конечный набор режимов работы, например, несколько градаций мощности, ограниченный набор рабочих частот и так далее. Возможен выбор и смена режима работы. При этом необходимо иметь количественные оценки ситуаций, соответствующие всем сочетаниям режимов, выбираемых участниками кон- фликта.
Совершенно очевидно, что система связи и источник организованных помех оценивают полезность ситуаций, складывающихся в результате их действий, хотя бы на основании статистических данных. Также очевидно, что, пронумеровав все возможные режимы работы участников конфликта, их можно представить в виде абстрактных множеств.
Реализация алгоритмов декодирования и синхронизации в KB корреспондентских радиостанциях
Результаты, полученные в предыдущих главах, а также решения, описываемые в настоящей главе, были использованы при разработке корреспондентских KB радиостанций: «Р-353С», «Р-353СМ», «Р-353СП», «Р-353СПМ», «Маковка-1», которые внедрены в производство на ОАО «Сарапульский радиозавод». Причём серийный вьшуск радиостанции «Маковка 1» начат в конце 2004 года. Результаты работы во многом определили алгоритмы управления, структуру программного обеспечения, построение трактов обработки и формирования сигналов этих радиостанций.
Они использовались при разработке программных декодеров и кодеров, программного обеспечения автоматических режимов проведения сеансов связи, алгоритмов управления радиостанцией, алгоритмов работы оператора, а также при создании средств проверки и отладки. Вопросы, связанные с разработкой перечисленных радиостанций, рассматривались в [2, 19-23, 61, 66 131].
Отличительной особенностью указанных радиостанций является необходимость работы в реальном времени при ограниченных ресурсах в сложной, часто труднопрогнозируемой помеховой обстановке. Поэтому при построении устройств обработки сигналов использовались квазиоптимальные алгоритмы, предложенные в Главе 2. Вопросы выбора алгоритмов обработки сигналов для вышеперечисленных радиостанций отражены в [16-18,27, 28, 30,131].
При практической реализации устройств обработки необходимо решить проблему синхронизации, которая не рассмотрена в предыдущих главах. На Рисунке 4.1 представлена разработанная структурная схема устройства цикловой синхронизации, защищенная авторским свидетельством [145]. В этом устройстве на каждом такте производится декодирование в соответствии с Алгоритмом 3 или 4 Главы 2. Далее полученное количество признаков декодированных букв для каждого такта накапливается и сравнивается до тех пор, пока мак 1
Рассмотрим работу устройства. На вход дешифратора 1. поступают информационные символы, которые могут быть искажены помехами. Дешифратор 1 по N последним символам (N - длина кодовой комбинации) принимает решение о приёме разрешённой комбинации. Сигнал с дополнительного выхода дешифратора, который характеризует количество признаков, по которым была дешифрирована принятая комбинация, поступает на первые входы накопителей 3. Выбор накопителя производится с помощью счетчика 4 тактов и распределителя 2. Импульсы тактовой частоты поступают на вход счетчика 4, который отсчитывает период равный циклу. Сигнал с выхода счетчика 4 поступает на распределитель 2, который разбивает цикл на все возможные фазовые состояния.
Каждой фазе цикла соответствует свой выход распределителя 2. Сигналом с выхода распределителя 2 выбирается один из накопителей 3, в котором производится накопление признаков принятых комбинаций при определённой фазе цикла. Этот же сигнал поступает на вход элемента И 10. Снятие сигнала на выходе распределителя 2 производится одновременно с его появлением на следующем выходе и выборе следующего накопителя.
Накопленные в накопителях 3 суммы признаков поступают на входы блока 6 максимумов. Блок 6 максимумов выбирает максимальное и второе по величине число, которые поступают на вход блока 7 вычитания. С его выхода их разность поступает на вход порогового блока 5, где сравнивается с порогом. При превышении порога на выходе порогового блока 5 появляется сигнал, который, пройдя через элемент ИЛИ 9, сбрасывает накопители 3. Этот же сигнал поступает на первый вход элемента И 10. В этот момент на одном из элементов И 10 присутствует сигнал с распределителя 2. На выходе этого элемента появляется сигнал, который служит признаком, что синхронизация установлена или подтверждена ее установка. Фаза, соответствующая этому элементу И 10, принимается за истинную до тех пор пока снова не произойдёт превышение порога в пороговом блоке 5. Проверка цикловой синхронизации производится в течение всего сеанса связи.
Выбор порога решающего блока 5 определяется требуемой достоверностью синхронизации и допустимым временем её установления. Чем больше порог, тем выше достоверность, но тем дольше она устанавливается и проверяется. Время установления синхронизации зависит также от условий приёма. Чем выше интенсивность помех, тем больше время установления синхронизации.
В случае мощных помех, когда невозможно выделить полезный сигнал, разность максимального и второго по величине числа признаков в накопителях 3 может не превышать порога достаточно долго. Чтобы не произошло переполнения накопителей 3, сигнал, характеризующий максимальное число в накопителях 3, с первого выхода блока 6 максимумов поступает на вход блока 8 сравнения. Там он сравнивается с максимально допустимым числом. При превышении его сигналом с выхода блока 8, который проходит через элемент ИЛИ 9, производится сброс накопителей 3. Этим достигается ещё одна цель. Если разность количества признаков долго не может превысить порог, то информация в накопителях недостоверна, и вряд ли имеет смысл её использовать. Раскроем подробнее работу блока 6 максимумов. Структура его представлена на Рис. 4.2. Хронизатор 6.1 служит для задания временных соотношений. Сигнал по очереди появляется на его первых N выходах.
