Введение к работе
Актуальность темы исследования
Из года в год возрастают требования к качеству доставки информации Обеспечение гарантированных скоростей передачи, задержек и показателей верности требует поиска новых решений, позволяющих наиболее полно использовать пропускную способность канала Для анализа эффективности принимаемых решений целесообразно использовать моделирование Моделирование предполагает выбор модели канала, разработку моделей, связывающих качественные показатели с внутренними параметрами систем и каналов, создание методик, позволяющих оптимизировать внутренние параметры, для достижения требуемых качественных показателей передачи
Группирование ошибок, свойственное прежде всего радиоканалам с замираниями, затрудняет обеспечение высокой эффективности с использованием только лишь средств корректирующего кодирования Необходимы дополнительные мероприятия, направленные на декорреляцию ошибок К таковым можно отнести различные виды перемежений и хоппинг, используемые в системах мобильной связи стандартов GSM, CDMA и в беспроводных системах передачи данных Wi-Fi, WiMAX Обоснованние выбора глубины перемежения и длины слога хоппинга требуют определения количественных оценок влияния данных операций на условия передачи Полученные в работах Е Эллиота, В И Коржика, ЛМ Финка результаты позволяют рассчитать модифицированные параметры дискретного канала только для поэлементного перемежения и при глубине порядка 10-20 Далее возникают трудности, связанные с увеличением объема вычислений, что затрудняет оперативное использование этих методик в адаптивных системах Необходимо разработать модели и методики, позволяющие оценивать влияния поэлементного и посимвольного перемежения, а также хоппинга на параметры дискретных каналов, не требующие значительных вычислительных затрат
Для эффективной передачи информации по нестационарным каналам необходимо вводить элементы адаптации Вопросами анализа адаптивных систем занимались М Н Арипов, Э Л Блох, Н Н Буга, Л Ф Жигулин, Л П Коричнев, О В Попов, Л А Растригин, Ю Г Ростовцев, Б Я Советов, А И Фалько, В А Шапцев, В П Шувалов, М Zorzi и другие Известны различные классы адаптивных систем, многие их которых широко используются в системах передачи Например, системы с классической решающей обратной связью
Растущие возможности элементной базы позволяют реализовывать более эффективные алгоритмы передачи данных В работах J Perez-Romero, R Agusti, О Salient, S Sesia, G Vivier, A Mehta, D Kagaris, R Viswanathan, Y Wu, Z Nm, J Zheng показана перспективность разработки систем с гибридной обратной связью, которые в ряде случаев позволяют добиться лучших качественных показателей по сравнению с классическими, что делает целесообразным их внедрение в системах передачи данных следующих поколений
Помимо коррекции поврежденных блоков целесообразно осуществлять регулировку внутренних параметров системы (длину блока, избыточность, глу-
бину перемежения, длину слота при хоппинге и т п ) исходя из условий передачи Оценка качества передачи может проводиться на разных уровнях Например, на уровне непрерывного канала это может быть измерение мощности сигнала, отношения сигнал-шум и т д Представляется интересным рассмотреть методы, использующие оценку качества дискретного канала (метод обучения системы по известной последовательности) или канала передачи данных На уровне канала передачи данных наименее затратной является оценка состояния канала путем анализа качества приема блоков Данная оценка проводится для каждого принятого блока, а ее результаты являются естественным источником информации о состоянии канала при использовании систем с решающей обратной связью Важным моментом является выбор алгоритма, на основе которого принимается решение об изменении состояния канала Время, затрачиваемое на определение состояния канала, и ошибки при определении состояния канала во многом будут определять производительность системы в целом В работах A Annamalai, V Bhargava, М Rice и S Cho описан ряд алгоритмов, основанных на использовании сигналов переспроса Предложены отдельные методики оценки эффективности алгоритмов, которые, однако, не учитывают ошибки определения состояния Представляет интерес разработка универсальных методик, позволяющих анализировать и сравнивать различные алгоритмы оценки состояния канала в одинаковых условиях, с приемлемой точностью и при сравнительно небольших затратах вычислительных ресурсов
Таким образом, исследования, направленные на повышение качественных показателей систем передачи данных в условиях группирования ошибок, является актуальными
Объект исследования: методы повышения эффективности систем передачи данных по радиоканалам с группирующимися ошибками
Предмет исследования: методы адаптации внутренних параметров системы передачи данных на уровне дискретного канала и канала передачи данных
Цель диссертационной работы: разработка комплекса методов, моделей, алгоритмов и методик, позволяющих проектировать системы передачи данных, эффективно работающие по дискретным каналам с группирующимися ошибками
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основные задачи
1 Выбрать рабочую модель дискретного канала, достаточно точно отражаю
щую процессы группирования ошибок и не требующую значительных затрат
на оценку ее параметров
-
Разработать методику оценки параметров модели канала по статистике ошибок в дискретном канале
-
Разработать методы оценки вероятности ошибок заданной кратности в блоке фиксированной длины, не требующие значительных затрат вычислительных ресурсов
-
Оценить эффективность различных методов передачи данных по каналам с группирующимися ошибками
5 Разработать математические модели, связывающие вероятностно-временные
характеристики (ВВХ) систем с их внутренними параметрами и параметрами
дискретного канала
-
Разработать методики оптимизации внутренних параметров систем передачи данных, позволяющие обеспечить заданные внешние качественные показатели при работе по каналу с известными параметрами
-
Разработать имитационные модели систем передачи данных, пригодные для оценки состоятельности полученных аналитических выражений
Методы исследований
В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, математической статистики, теории марковских цепей, имитационного и математического моделирования
Научная новизна полученных результатов
-
Разработаны метод расчета точных значений вероятности появления ошибок заданной кратности в блоке фиксированной длины для дискретного канала с двумя состояниями и приближенный метод, обеспечивающий существенное снижение затрат вычислительных ресурсов при сохранении приемлемой точности результатов
-
Получены аналитические выражения для расчета модифицированных параметров модели Гилберта, описывающей результирующий дискретный канал после применения хоппинга с заданной длиной слота, а также после совместного применения хоппинга и поэлементного перемежения
-
Разработаны методики, позволяющие определить области значений внутренних параметров системы (глубины перемежения, длин слотов хоппинг-процесса, исправляющей способности кода и длин передаваемых блоков), для которых применение операций перемежения и хоппинга обеспечивает повышение относительной скорости передачи информации
-
Разработан комплекс математических и имитационных моделей, позволяющих оценивать ВВХ и оптимизировать параметры как классических систем передачи данных с обратной связью, так и систем с гибридной обратной связью с блочным, сверточным и комбинированным корректирующим кодированием
-
Разработаны обобщенные методики анализа и оптимизации адаптивных систем передачи данных с изменением длины блока, учитывающие время, затрачиваемое на определение состояния дискретного канала, ошибки в определении состояния канала и исходные вероятностные характеристики дискретного канала, отражающие процесс изменения его состояний Методики позволяют анализировать производительность различных алгоритмов адаптации при работе по дискретному каналу с двумя и тремя состояниями В отличие от известных, в данных методиках использовано масштабирование дискретного шага системы, описываемой марковской цепью, позволяющее упростить имитационные модели и сократить время моделирования
-
Разработаны аналитические и имитационные модели алгоритмов адаптации с оценкой числа успешных и ошибочных приемов (ОУОП), со скользящим окном наблюдения (СОН), со скользящим окном наблюдения переменной
длины (СОН-ПД), с фиксированным периодом наблюдения (ФПН) и с переменным периодом наблюдения (ППН), позволяющие получать оценки производительности адаптивной системы в зависимости от параметров алгоритма и параметров дискретного канала с двумя и тремя состояниями
Практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы использованы в Уральском конструкторском бюро связи (УКБС) Екатеринбургского филиала электросвязи ОАО «Уралсвязьинформ» при разработке абонентских устройств в рамках реализации проектов «Организация широкополосного доступа к ресурсам сети Интернет для общеобразовательных учреждений» и «Организация связи к службе 112» в Свердловской области, в Объединенном Макро Региональном Центре по Уральскому федеральному округу в ООО «Эквант» при решении технических проблем и проектировании систем передачи данных, в СибГУТИ при разработке лекционных курсов по дисциплинам «Системы и сети передачи дискретных сообщений», «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей»
Предложенные методы и методики могут быть использованы при проектировании телекоммуникационных систем передачи данных следующих поколений
Основные результаты, выносимые на защиту
-
Методы расчета значений вероятности ошибок заданной кратности в блоке фиксированной длины для дискретного канала с двумя состояниями
-
Теорема о том, что значение модифицированного коэффициента группирования модели Гилберта равно значению исходного коэффициента группирования, возведенного в степень, равную глубине поэлементного перемежения
-
Аналитические выражения для расчета модифицированных параметров модели Гилберта после применения операций перемежения и хоппинга
-
Методики оценки относительной скорости передачи по каналам с группирующимися ошибками в системах, использующих перемежение и хоппинг
-
Математические и имитационные модели систем передачи данных, позволяющие получать оценки ВВХ систем передачи данных с классической и с гибридной обратной связью с блочным, сверточным и комбинированным корректирующим кодированием, а также результаты моделирования систем передачи данных с различными видами обратной связи
-
Обобщенные методики анализа и оптимизации адаптивной системы с изменением длины блока, позволяющие анализировать производительность различных алгоритмов адаптации при работе по дискретному каналу с двумя и тремя состояниями
-
Методика масштабирования дискретного шага системы, описываемой марковской цепью, позволяющая упростить модели систем с адаптивными алгоритмами и сократить время моделирования
-
Комплекс моделей систем с алгоритмами адаптации ОУОП, СОН, СОН-ПД, ФПН и ППН, позволяющий получать оценки производительности адаптивной системы в зависимости от параметров алгоритма и параметров дискретного канала с двумя и тремя состояниями
Достоверность полученных результатов обеспечена обоснованным применением методов теории вероятности, математической статистики, теории цепей Маркова, сравнением аналитических результатов с результатами имитационного моделирования, а также сравнением с результатами, полученными другими авторами
Апробация
Основные результаты диссертационной работы были доложены на
-
Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» - Новосибирск, 1996, 2005гг
-
Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» - Новосибирск, 2001, 2002, 2003, 2004гг
-
III Международной конференции «Современные информационные технологии - СИТ-98» - Новосибирск, 1998г
-
Международной научно-технической конференции «Microwave electronics Measurements, Identifications, Applications - MEMIA 2001» - Новосибирск, 2001 г
-
Международных научно-технических конференциях «Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials - EDM-2002, EDM-2003, EDM-2004, EDM-2005» - Эрлагол, 2002, 2003, 2004, 2005гг
-
Международной научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций» - Томск, 2003г
-
Международной научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций» - Одесса, 2003г
-
Международной научно-практической конференции «Информационные технологии нового поколения в индустриальном регионе» — Кемерово, 2004г
-
Международной научно-практической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций» — Екатеринбург, 2005г
10 IX Международной научно-технической конференции «Проблемы
функционирования информационных сетей» - Новосибирск, 2006г
Публикации. По результатам исследований опубликовано 44 работ, из них одна монография, 9 статей в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов, отражающих основные результаты докторских диссертаций, 7 работ, депонированных в ВИНИТИ, 2 свидетельства о регистрации в ОФАП и 25 докладов на международных и всероссийских конференциях
Личное участие. В совместных публикациях автору диссертации принадлежат постановки задач, разработка методов исследования, трактовка полученных результатов Программы для ПК и расчеты, представленные в главах 5 и 6, выполнены совместно с аспирантами диссертанта П А Коноваловым и С Н Мякишевым
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений Список литературы содержит 95 наименований Объем диссертации 305 страниц, включая 9 таблиц и 129 рисунков
