Содержание к диссертации
Введение
Г Л А В А I. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕШ И ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ
ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
1.1. Обзор работ по оптимизации СПД 8
1.2. Проблема совместной оптимизации модема и процедур защиты от ошибок в СПД . 17
1.3. Выбор критерия оценки эффективности СПД 26
1.4. Использование статистического моделирования на
ЭВМ для решения задачи оптимизации СПД 34
Г Л А В А II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОІЩУТ ФОРМИРОВАНИЯ, ПЕРЕДАЧИ, ИСКАЖЕНИЙ И ПРИЕМА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СИГНАЛОВ 39
2.1. Методика моделирования приема сигналов на ЭВМ
2.2. Моделирование помехи 49
2.3. Моделирование процесса взаимодействия сигнала и помехи и получение компрессированной записи потока ошибок 59
2.4. Использование записи реальных помех при оптимизации "сигнал-кода" методом моделирования на ЭВМ
Г Л А В А III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА СООБЩЕНИЙ И СОВМЕСТНАЯ
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
3.1. Алгоритмы и модели кодовых и процедурных методов повышения помехоустойчивости СПД 76
3.2. Пути сжатия времени поиска оптимальных параметров элементарного сигнала и кодовых комбинаций
3.3. Алгоритм совместной оптимизации параметров сигнала и кодовых методов защиты от ошибок
Г Л А В А ІV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕМА И
ПРОЦЕДУР ЗАЩИТЫ ОТ ОШИБОК ДЛЯ НЕКОТОРЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ
СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
4.1. Оценка влияния помех непрерывного канала на оптимальные характеристики СПД 100
4.2. Оптимальные характеристики модуляции и кодирования в условиях реального канала передачи данных 111
4.3. Определение объема выборки при экспериментальных измерениях помех 114
ЗАКЛШЕНИЕ 128
ЛИТЕРАТУРА 131
ПРИЛОЖЕНИЕ 139
- Обзор работ по оптимизации СПД
- Методика моделирования приема сигналов на ЭВМ
- Алгоритмы и модели кодовых и процедурных методов повышения помехоустойчивости СПД
- Оценка влияния помех непрерывного канала на оптимальные характеристики СПД
Введение к работе
Интенсивное развитие информационно-вычислительных сетей, без использования которых на современном этапе немыслимо эффективное функционирование народного хозяйства страны, вызывает необходимость поиска наиболее экономных методов и средств передачи данных. Существующие подходы к проблеме оптимизации систем передачи данных (СПД) основываются, как правило, на раздельной оптимизации модема и кодека, что не позволяет правильно сочетать их параметры и добиваться, при заданных ограничениях, наибольшей пропускной способности канала передачи данных. Здесь особо следует отметить, что при таком методе решения задачи оптимизации почти всегда из поля зрения выпадал факт объективной взаимосвязи непрерывного и дискретного канала.
Общеизвестно, что при реализации СПД дискретные сигналы в процессе передачи преобразуются в аналоговую форму и проходят через реальные непрерывные каналы, а затем принятые аналоговые сигналы вновь преобразуются в дискретную форму. На рис.1.1. показана общепринятая модель СПД. Дискретный канал включает в себя непрерывный канал свойства которого, естественно, существенно влияют на функционирование дискретного канала. В / 24 /, с целью подчеркнуть связь непрерывного канала с дискретным, последний называют дискретным отображением непрерывного, уточняя при этом, что его характеристики определяются не только самим непрерывным каналом, но и используемым модемом. В принципе, модель дискретного канала может быть определена по заданной модели непрерывного канала и модему, причем зачастую простой модели непрерывного канала будет соответствовать довольно сложная модель дискретного.
Недостаточный учет характера между дискретным и непрерывным каналами отрицательно сказывается при разработке модемов и кодеков. Игнорирование роли модема в формировании дискретного отобра- і жения непрерывного канала приводит к тому, что становится совершенно неясно, как изменяются результаты при замене модемов. С другой стороны, среди разработчиков СЦЦ широко распространена практика такого подхода, когда характеристики потока ошибок(средняя частость, степень группирования и т.п.) находятся под влиянием только скорости передачи энергии сигнала и не учитывается их зависимость от типа используемого модема. Все это приводит к разработке модемов и кодеков без учета их взаимосвязи и, следовательно, упускаются возможности повышения эффективности СЦЦ.
Очевидно, что при проектировании СПД наиболее правильная методика должна предусматривать совместный выбор модема и кодека,рассматривая их построения как единую оптимизационную задачу.Естест- г І і
Источник сообщения
Получатель сообщения
Рис. І.І. веяно, перед исследователями, занимающимися проблемой оптимизации СЦЦ, стоит также задача учета взаимосвязи дискретного и непрерывного каналов. Постановку задачи оптимизации в традиционной форме (отдельно для непрерывного сигнала и дискретного сообщения - кодовой комбинации) следует считать, нецелесообразной. Действительно, при разработке оптимальных методов приема сигнала чаще всего необходимо минимизировать вероятность ошибочного приема символа.
При оптимизации методов защиты информации от ошибок требуется максимизация информационной скорости передачи при обеспечении заданной достоверности, причем предполагается неизменность характеристик потока ошибок в дискретном канале. Бесспорно, значительно лучшие результаты достигаются при таком выборе параметров непрерывного сигнала (при заданном методе модуляции), чтобы дискретное отображение непрерывного канала (т.е. дискретный поток ошибок) позволило определить параметры метода повышения достоверности, максимизирующие эффективность СПД по некоторому объективному критерию.
Таким образом, постановка задачи определения оптимальных параметров СЦЦ, на современном этапе должна осуществляться с более общих системных позиций, а именно, выбор оптимальных параметров сигнала следует комлановать с выбором оптимальных параметров дискретных сообщений (кодовых комбинаций).
Попытки добиться аналитическим путем реализации системного подхода с комплексной оптимизацией параметров модема и кодека при сложной статистической структуре потока ошибок в канале наталкиваются на почти непреодолимые трудности и пока к успеху не привели. Поэтому разработка эффективного методологического и алгоритмического аппарата, позволяющего решить задачу совместной оптимизации модема и кодовых методов защиты от ошибок, является актуальной.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,заключения, списка использованной литературы и приложения.
В первой главе проведен анализ принципов и методов оптимизации сигналов и сообщений.
Обоснована необходимость совместной оптимизации параметров СЦЦ с единых позиций с учетом взаимосвязи непрерывного и дискретного каналов. Далее был рассмотрен вопрос о выборе критерия оценки эф- юктивности СПД при совместной оптимизации модема и кодека. Глава іавершается разработкой общей модели поиска оптимальных параметров Щ на ЭВМ.
Во второй главе разработаны группы моделей, реализующих имита-[ию процесса приема элементарных сигналов в непрерывном канале при юздбйствии на них сложной помехи. Сложную помеху предложено фор-іировать, как оушу помех трех типов (флуктуационная, импульсная [ прерывания). Разработана методика измерения помех трех типов с [впооредственным вводом в ЭВМ результатов измерений в дискретной іорм е.
В третьей главе рассмотрены особенности моделирования различиях процедурных методов помехоустойчивости СПД.
Для гауссовских каналов разработан аналитический метод поиска штимальной длительности элементарного сигнала ( Т ) и оптималь-юго ( /1, К )-кода при неизменных средних значениях излучающей ющности передатчика и мощности шума. Для каналов со сложной ст->уктурой алгоритм машинного поиска реализован в двух вариантах: на базе методов случайного шагового поиска; на базе деления отрезка методом чисел Фибоначчи, літимизационная модель СПД основана на комплексировании моделей іроцесса формирования и приема сигналов и процессов приема кодо-шх комбинаций в дискретном канале.
Четвертая глава посвящена апробации разработанных алгоритмов і программ применительно к системам с ОФМ о корреляционным, авто-;орреляционным и когерентным методами приема при имитации композити помех с различными статистическими параметрами. Методика апробирована для различных методов защиты от ошибок.
Проведена оценка влияния помех непрерывного канала на оптималь-Шб характеристики СПД.
class1 ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕШ И ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ
ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ class1
Обзор работ по оптимизации СПД
Весьма желательно располагать наилучшими (оптимальными) методами приема в данных конкретных уоловиях. Направление, связанное с отысканием таких методов, называется теорией оптимального приема.
В.А.Котельниковым / 26 / впервые определен оптимальный приемник в качестве способа обработки отрезка непрерывного сигнала,обеспечивающего наибольшую вероятность правильного приемника. Далее следует упомянуть исследования, посвященные различным аспектам теории оптимального приема, например, работу Леман Е./29 /, где рассматривается обобщение критериев оптимальности приема.
Расширение классов моделей каналов на случай коррелированных гауссовских и негауссовских помех отражено/ 14,31,42,53,54 /, а на случаи каналов со случайной структурой (параметрами), т.е. таких, как каналы со случайной фазой, амплитудой, частотой, с различными видами замираний, с межсимвольной интерференцией, с разнесенным приемом -/9,31,49,5 . Существенным вкладом в теорию потенциальной помехоустойчивости явилась разработка методов оптимального приема или моделей каналов / 41 / , описываемых стохастическими дифференциальными уравнениями, или так называемых методов нелинейной марковской фильтрации. В дальнейшем это направление развивалось в работах у46,49,55 /и других авторов, причем значительное внимание уделялось оптимальной фильтрации сигналов в смысле использования критериев, характеризующихся отношением сигнала к помехе. Оптимизация здесь сводитоя к определению оптимальных характеристик линейных фильтров (для выделения сигнала из аддитивной его смеси со случайной помехой). Характеристики оптимальных фильтров обычно находятся из уравнения Винера-Хопфа. Фильтрация принимаемого сигнала может осуществляться как до, так и после детектора. Практиочески же фильтрация сигналов обычно производится дважды. Операция интегрирования иногда эквивалентна фильтрации и рассматривается как процесс суммирования, либо определения среднего значения сигналов.
Таким образом, одно направление оптимизации проводится с точки зрения обработки сигналов в приемнике; другим направлением является оптимизация методов приема сигналов, основными из которых являются когерентный» некогерентный, корреляционный и автокорреляционный. В большинстве работ, посвященных этому вопросу/ 49,58 / процедура оводится к тому, что основываясь на критерии максимального правдоподобия, байесовского критерия среднего риска и т.п., синтезируются и анализируются оптимальные (в смысле выбранного критерия) алгоритмы обнаружения сигналов, минимизирующих, в конечном итоге, вероятность ошибочного приема сигнала.
В условиях априорной неопределенности эффективно пользуются правилом обобщенного правдоподобия / 29,58,65 /, согласно чему для каждой гипотезы выбирается максимально правдоподобное значение параметра (с неизвестным распределением), а затем апостериорные вероятности гипотез сравниваются между собой при выбранных значениях параметров и принимается гипотеза, соответствующая наибольшей вероятности.
title2 Методика моделирования приема сигналов на ЭВМ title2
По определению I 51 / помехой называется всякое стороннее возмущение, препятствующее правильному приему сигнала. Воздействие помехи на полезный сигнал проявляется в непредсказуемых искажениях формы сигнала, приводящих к ошибкам передаваемой информации. Непредсказуемость мгновенных значений помех является их характерным признаком и вынуждает часто рассматривать их как случайные процессы с различными вероятностными свойствами, как правило, отличными от свойств полезного сигнала.
Одним из общих способов вероятностного описания случайного процесса, приемлемым для описания любых помех в каналах связи, является задание вероятностной меры на множестве реализаций помехи / 56 /. Однако описание необходимых множеств реализаций помех требует весьма сложного математического аппарата. Вероятностное описание помех можно существенно упростить путем их дифференцирования по некоторым классам экономичным способом, позволяющим получить замкнутое решение конкретных задач. С этой точки зрения,имея в виду физическую природу происхождения, помехи в канале связи Целесообразно разделить на следующие классы: флуктуационные, импульсные и кратковременные перерывы. Это не ново для техники связи и традиционно использовалось рядом авторов / 5, 51 и т.д. /.
Воздействие помехи на сигнал произвольной формы SCO обычно записывается соотношением где помеха типа занижений уровня сигнала и прерываний; флуктуационная и импульсная помехи.
Причины возникновения флуктуащонных помех связаны с различного рода случайными отклонениями во времени тех или иных физических величин (отклонение значения тока в электрических сетях, дробовые эффекты в лампах, транзисторах и т.п.).
class3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА СООБЩЕНИЙ И СОВМЕСТНАЯ
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ class3
Алгоритмы и модели кодовых и процедурных методов повышения помехоустойчивости СПД
Сущность статистического моделирования СЦЦ сводится к имитации процессов кодирования, появления ошибок, декодирования и возможных процедур переспроса по определенному алгоритму при использовании искусственной последовательности ошибок или получаемого при экспериментальных измерениях потока ошибок реального канала. Следует отметить исследования/63,64,83 / в которых, согласно методике статистического моделирования на ЭВМ функционирования традиционных систем РОС-БЛ, РОС-БЛ в дуплексном режиме, РОС с частичным исправлением ошибок и РОС с адресным переспросом, оценивались эффективности их работы в конкретных ситуациях. Поэтому при разработке обобщенного алгоритма поиска оптимальных параметров элементарного сигнала и сообщения нет никакой необходимости разрабаты- вать уже известные алгоритмы, достаточно лишь использовать их в виде подпрограмм с соответствующими модификациями.
В данном разделе приводится краткое описание принципа работы упомянутых систем и в дополнение к ним разработанная модель комбинированной системы РОС в сочетании с методом посимвольного накопления / 8 / для каналов связи с высокой интенсивностью помех (а также в моменты времени, когда ввиду каких-либо причин качество канала резко снижается).
Алгоритм работы РОС-БЛ можно записать в следующем виде:
- непрерывно выдаваемые источником информации комбинации кодируются и передаются в канал связи с одновременной записью в накопитель передатчика; , - в приемнике, при поступлении комбинации с обнаруживаемой ошибкой, она стирается одновременно а следующими за " ней комбинациями;
- вырабатывается сигнал переспроса, и затем посылается по об ратному каналу;
- передатчик, приняв сигнал переспроса, выдает из накопителя
-записанных в нем комбинаций.
Процесс повторяется до тех пор, пока приемник не примет данную комбинацию.
Использованная в системе блокировка приемника на время приема (/-/) комбинаций при обнаружении ошибки и повторении группы комбинаций при приеме сигнала переспроса позволяет просто реализовать непрерывную передачу с сохранением порядка следования комбинаций.
class4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕМА И
ПРОЦЕДУР ЗАЩИТЫ ОТ ОШИБОК ДЛЯ НЕКОТОРЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ
СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ class4
title4 Оценка влияния помех непрерывного канала на оптимальные характеристики СПД title4
Описанные выше алгоритмы моделирования позволяют определить оптимальные параметры сигнала для передачи данных в непрерывном канале и кодовых комбинаций, применяемых для защиты данных от ошибок в дискретном канале. На фоне этой основной проблемы представляет интерес задача исследования и оценки влияния характеристик помех, действующих в непрерывном канале, на оптимальные параметры сигнала и кодовые комбинации. Очевидно, следует предполагать, что влияние основных видов помех (импульсных, флуктуационных и кратковременных перерывов) по различному будет сказываться на значениях оптимальных параметров СЇЇД.
В принятой нами методологии решение задачи совместной оптимизации базируется на анализе влияний характеристик непрерывного канала на характеристики дискретного, составляющие помехи в непрерывном канале, и их параметры определяют интенсивность и закономерности распределения ошибок дискретного канала. При оценке влияния параметров помех на факторы потока ошибок успешно выявляется стратегия эффективного и экономного поиска оптимальных параметров СОД в целом.
Часто на практике возникает необходимость подбора по имеющемуся каналу аппаратуры с оптимальными или близкими к ним характеристиками сигнала и кода. Однако,здесь, в первую очередь, исследования помех на параметры потока ошибок дискретного канала, дается от чего зависит правильное решение задачи. Алгоритмы формирования отдельных видов помех (и на их базе, суммарной помехи) с заданными характеристиками в дискретной форме при заданных параметрах передаваемых элементарными сигналами и алгоритмах работы I решающего устройства позволяют путем статистического моделирования получить случайную последовательность ошибок дискретного канала.
С целью определения закономерностей влияния параметров помех на поток ошибок реализованы алгоритмы моделирования (глава П) для случаев передачи элементарных сигналов с ОФМ, ДОФМ, ТОМ и ЧОФМ. Моделирование производилось при различных скоростях передачи и длительностях элементарных посылок. В моделях предусматривались три метода приема: автокорреляционный, корреляционный и когерентный. В качестве оценочных параметров (характеристик помех) использованы: для флуктуационной помехи - отношение "сигнал-шум" - ft -- j- » гДе 9 - энергия сигнала на входе приемника, і спектральная плотность помехи (энергетический спектр помехи); для импульсной помехи - средняя частость появления d и математическое ожидание амплитуды помехи V0 (связанное непосредственно с длительностью действия импульсной помехи); для кратковременного перерыва - математическое ожидание длительности перерыва Ф и частость появления перерывов во времени J/ Основными характеристиками потока ошибок дискретного канала явилась вероятность ошибки на символ и коэффициент группирования.
