Содержание к диссертации
Введение 4
Описание системы. 13
2.1 Общая схема 13
Кодер 15
Список слов-ошибок 22
Декодер 26
Программная реализация 35
Результаты моделирования системы в канале с AWGN. 37
Выводы к главе 2 45
3 Метод обнаружения ошибочного декодирования. 46
3.1 Энергетические потери вызванные запросом дополни
тельных проверок 47
Система с однократным запросом 49
Система с многократным запросом 51
Описание метода 52
Построение списка слов-ошибок 57
Эксперементальное определение вероятности запроса. . 63
Влияние величины списка на вероятностные характеристики метода 69
Комбинирование метода с введением CRC проверки. . . 71
3.7 Выводы к главе 3 74
4 Выбор параметров. Исследование системы. 76
4.1 Построение системы 76
Турбо-код 76
Перемежитель 80
Декодер турбо-кода 89
Однократная передача бит наращиваемой избыточности для одного слова-ошибки 93
Способ передачи IR бит 98
4.2 Исследование системы 101
Выбор индекса 1е из множества слов-ошибок Ееи1Л01
Формирование IR посылки для слова-ошибки. . 104
Выбор порога Ар 105
Выбор значения надежности Lrei и Lunrei IR бит. 108
Влияние ошибок в битах наращиваемой избыточности 115
4.3 Выводы к главе 4 116
5 Модификация системы. 117
Предельные характеристики системы 117
Система с уменьшенным числом запросов 122
Запрос IR бит для всего слова 129
Сравнение с системой на основе CRC 132
Выводы к главе 5 135
6 Основные результаты и выводы. 137
Используемые сокращения:
Глава 1
Введение к работе
Основополагающей теоретической работой в области помехоустойчивого кодирования считается работа Шеннона [1]. В работе показано, что для дискретного канала без памяти существует предел скорости передачи информации. Этот предел не может быть превышен даже при наличии идеальной обратной связи.
Первые предложенные практические схемы существенно проигрывают теоретическим границам.
В настоящее время предложены параллельные каскадные свер-точные турбо-коды (ТС) [2]. Основными положениями ТС являются: параллельное объединение рекурсивных систематических сверточ-ных кодов с перемежением и итеративное декодирование с мягким входом и выходом. В силу большой памяти, турбо схема по своим характеристикам позволяет приблизиться к предельной скорости передачи, при этом алгоритмы кодирования и декодирования имеют умеренную сложность. Так в работе [2], для двоичного канала с AWGN и скорости ТС R — 1/2, длине информационного кадра 65536, при отношении сигнал-шум на информационный бит 0,7дБ значение BER составило ps 10~5, что лишь на 0,5дВ превышает предел Шеннона.
Изучение вопросов турбо-кодирования посвящено большое коли-
чество работ. В работах [4, 5, 6, 7, 8] авторами развиты идеи объединения простых кодов, с последующим итеративным декодированием, предложены вувен и вувен-турбо коды (от англ. "woven" - плести). ТС нашли применение в разработках консорциума Digital Video Broadcasting (DVB) и ряде спутниковых систем (например, Intelsat) [9, 10, 11], также ТС получили распространение в мобильной связи [12, 13],
Блочный характер ТС определяется операцией перестановки битов перемежителем, т.е. формированием блоков входных данных. Принципиальным моментом является значительная длина кодового слова, т.к. при увеличении размера кодового слова растет эффективность кода. Так в работе [2] длина информационной части слова составляет 65536 бит. Однако, сложность и стоимость реализации могут быть существенно снижены за счет использования обратной связи. В данной работе развивается этот подход.
Системы помехоустойчивого кодирования без использования обратной связи (FEC) строятся на основе кода фиксированной скорости, исходя из предположений о канале передачи данных и требований приемлемой вероятности ошибки передаваемых данных. В случае если условия в канале не постоянны или для того, чтобы наилучшим образом приблизиться к предельной скорости передачи по каналу, необходима различная защиты информационных символов, в зависимости от условий в канале. В этой связи возникает необходимость в наличии кодера и соответствующего декодера адаптирующихся под канал и канала обратной связи для передачи информации (ARQ) протокола.
Практические схемы помехоустойчивого кодирования с обратной связью (ARQ/FEC) предложены в [14, 15]. Принцип таких систем состоит в объединении данных неудачно декодированного кадра с повторно переданными данными и последующим совместным деко-
дированием.
Гибридные ARQ/FEC схемы используют как свойства FEC кода, так и возможность адаптации под условия в канале, благодаря наличию ARQ протокола. Основным преимуществом гибридной системы с использованием помехоустойчивого кода является то, что практически достаточно передавать не весь кадр, а только его часть.
В [16] авторы решали задачу построения семейства сверточных кодов с различными скоростями, для кодирования и декодирования которых можно использовать один и тот же кодер и декодер. Ими были предложены сверточные коды с наращиваемой избыточностью (IR) - RCPC коды, ориентированные на применение в системах с обратной связью. Особенностью данного способа является то, что при передаче из исходного кода производится выкалывание символов, а выколотые символы передаются в качестве повторной передачи. В работе [17] исследована система передачи данных на их основе, в которой в качестве критерия ошибочного декодирования использовалась циклическая контрольная сумма - CRC.
Систему с обратной связью, построенную с использованием RCPC кодов, далее будем называть системой с наращиваемой избыточностью. Например, в работах [18, 19] также рассмотрены системы с наращиваемой избыточностью на основе RCPC кодов.
Очевидно, что характеристики ARQ/FEC системы существенным образом зависят от корректирующей способности FEC кода. Принципы построения семейства кодов с наращиваемой избыточностью применительно к ТС рассмотрены в работе [20], в которой использован принцип наращивания избыточности за счет увеличения числа компонентных кодов (семейство кодов с Я < 1/2). В работах [21, 22], авторами использован метод выкалывания части проверочных символов из исходного турбо-кода, которые передаются в качестве ответа на запрос. В таких системах может быть получен
более широкий диапазон скоростей. Определение RCPT следует напрямую из определения RCPC кодов.
Рассмотренные системы ([16, 22]) предполагают широкий диапазон возможных отношений сигнал-шум в канале, при этом передача бит наращиваемой избыточности осуществляется непосредственно за кадром для которого потребовался запрос, и передача следующего кодового слова не происходит до тех пор, пока достоверно не будет декодировано предыдущее слово.
В синхронных системах напрямую применить данный подход нельзя, из-за неодинакового размера передаваемых блоков. В этой связи в синхронных системах нельзя рассчитывать на широкий диапазон скоростей кода, и задача должна быть сформулирована как достижение предельных характеристик в некотором диапазоне скоростей при умеренной сложности ТС (длине информационного кадра и памяти компонентных кодов).
В работах [16, 22, 23, 24], в качестве метода обнаружения ошибочного декодирования, используется циклическая контрольная сумма, а передача бит наращиваемой избыточности производится для всего слова. Однако, для повышения пропускной способности, вместо передачи уточняющих бит наращиваемой избыточности для всего слова, можно осуществить передачу только для тех фрагментов слова, которые содержат ошибки. Такая система должна уметь обнаруживать ошибочное декодирование и локализовывать участки слова с возможным содержанием ошибок.
В работе [25] автор рассмотрел возможность использования такого подхода на примере сверточного кода. Предложенный в работе способ основан на анализе результатов декодирования в список. Однако, для турбо-кода такое рассмотрение невозможно ввиду итеративного способа декодирования и отсутствия алгоритмов списочного декодирования применительно к ТС.
Следует заметить, что ошибки в кадре слова ТС при неверном декодировании для малых отношений сигнал-шум, как правило, имеют вид пакетов распределенных по всему слову. Поэтому весьма затруднительно предложить способ с проверкой циклических сумм, который позволил бы эффективно локализовать ошибки. В данной работе предложен метод локализации ошибок декодирования турбо-кода с использованием списков, который может быть обобщен и на случай других параллельных каскадных конструкций.
Актуальность исследований в этом направлении обуславливается растущим спросом на услуги мобильной, спутниковой и дальней космической систем связи, в которых турбо-коды находят широкое применение. Развитие технологий построения интегральных схем позволило существенно расширить круг реализуемых решений на базе ТС, и стимулирует интерес к исследованиям в данной области.
Цель и задачи исследования
предложить метод обнаружения ошибочного декодирования параллельного каскадного турбо-кода, позволяющего локализовать участки слова с возможным содержанием ошибок;
разработать стратегию наращивания избыточности, использующую результат обнаружения ошибочного декодирования и позволяющую минимизировать величину наращиваемой избыточности, обосновать выбор стратегии;
разработать систему передачи данных с обратной связью на основе турбо-кода, предложенного метода и стратегии, обосновать выбор способа передачи бит наращиваемой избыточности;
реализовать программную модель системы и канала передачи данных, исследовать влияние параметров на характеристики
системы.
Научная новизна работы
Разработана система передачи данных на основе параллельного каскадного турбо-кода с оригинальным методом определения ошибочного декодирования. Предлагаемая система является гибридной ARQ/FEC системой [26, 27]. Принципиальными особенностями системы являются:
Применение в качестве FEC параллельного каскадного свер-точного турбо-кода, с компонентными RCPC кодами.
Использование турбо-кода фиксированной длины, скорости и схемой перемежепия при передаче по каналу; наращивание избыточности производится путем передачи дополнительных проверочных бит в информационной части следующих слов.
Применение оригинального метода обнаружения ошибочного декодирования с локализацией ошибок в кадре принятого слова.
Наращивание избыточности производится последовательно для участков слова с возможным содержанием ошибок, что уменьшает энергетические потери при малых отношениях
си гнал-шум.
Методы исследования
Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, т.е. проводилось как исследование отдельных частей системы передачи данных с обратной связью, так и исследование всей системы в целом. Проведенные в работе исследования и разработка основана на использовании элементов теории вероятности, кодирования, методов обработки данных, системного и объектно-ориентированного программирования.
Основные положения выносимые на защиту
Система передачи данных с наращиваемой избыточностью на основе турбо-кода, оригинальным методом определения ошибочного декодирования с локализацией ошибок, и передачей пакетов бит наращиваемой избыточности, согласно полученной локализации, в информационной части следующего слова.
Метод определения ошибочного декодирования линейного параллельного каскадного кода с использованием списков слов-ошибок, позволяющий выявить участки слова с вероятным содержанием ошибок, и существенно уменьшить энергетические потери на передачу бит наращиваемой избыточности в системах с ARQ.
Оценки достижимой вероятности ошибки в гибридной ARQ/ FEC системе передачи данных на основе кодов с наращиваемой избыточностью.
Практическое значение и реализация результатов
Практическую ценность в методическом плане представляет:
способ построения систем и метод обнаружения ошибочного
декодирования в системах передачи данных на основе парал
лельного каскадного кода.
В прикладном плане практическую ценность представляет:
пакет средств для компьютерного моделирования и анализа
процесса передачи информации по каналу с шумом, оценки
спектра турбо и вувен-турбо кодов с различными перемежите-
лями (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ ин
вентарный номер ВНТИЦ N 50200400027);
подходы к построению системы, подтвержденные проведенными исследованиями, позволяющие строить системы передачи данных с оптимизированной пропускной способностью.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы были опубликованы:
Зяблов В.В., Цветков М.А. Дистанционные свойства турбо кодов с различными перемежителями. Информационные процессы, М., 2003, т. 3-2, 83-96, ().
Зяблов В.В., Цветков М.А. Метод обнаружения ошибочного декодирования с использованием списков. Информационные процессы, М., 2004, т. 4-2, 188-201, ().
Зяблов В.В., Скопинцев О.Д., Цветков М.А. Программный комплекс CODE. Код программы по ЕСПД 03524577.00001-01, инвентарный номер ВНТИЦ 50200400027, код ВНТИЦ 0102421530320. ИППИ. М., 2003.
Зяблов В.В. (руководитель проекта), Осипов Д., Цветков М.А. Модели и алгоритмы кодирования и сжатия информации. Раздел 1 - Каскадные конструкции сверточных кодов. Отчет ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», Блок 2 - «Поисково-прикладные разработки», раздел - «Информационные технологии», регистрационный номер 01.200.209081, гос. контракт №37.053.11.0062 от 1 февраля 2002 г. ИППИ. М., 2002, 8-46.
5. Зяблов В.В. (руководитель проекта), Трушкин А.В., Цветков
М.А. Модели и алгоритмы кодирования и сжатия информации.
