Введение к работе
Актуальность работы. Информационный обмен является необходимым условием развития социально-экономических процессов, что приводит к интенсивному росту его объемов. Существенное значение приобрел удаленный информационный обмен, который реализуется с помощью технических средств, включая компьютерные технологии (информационных коммуникаций).
Одна из основных проблем передачи информации на расстояние заключается в обеспечении достоверности её восприятия, что вступает в противоречие с требованием достижения высокой скорости информационного обмена.
Иными словами, можно либо минимизировать вероятность ошибок при декодировании информации и при обеспечении необходимой скорости информационного обмена, либо максимизировать скорость при обеспечении заданного уровня вероятности правильного декодирования.
На достоверность приема информации в основном влияют искажения в канале передачи из-за воздействия помех. В свою очередь помехи определяются наличием неустранимых внешних воздействий (флуктуационный шум аппаратуры, промышленные шумы и т.п.) и помех, которые обусловлены способом реализации передачи информации.
В настоящее время, с целью повышения эффективности использования каналов передачи, широко используется режим разделения частотно-временного ресурса информационных коммуникаций, когда каждому участнику информационного обмена в течение некоторого времени предоставляется вполне определенная полоса частот. Такой способ представляется естественным называть субполосной передачей информации. Одним из примеров применения таких информационных коммуникаций служит широко распространенная система GSM.
При субполосной передаче информации в информационных коммуникациях наряду с внешними помехами, возникают помехи, вызываемые так называемой межканальной интерференцией (межканальные помехи), обусловленной взаимным влиянием носителей информации смежных частотных каналов передачи при высокой скорости информационного обмена.
Таким образом, помехоустойчивость информационных коммуникаций, будет определяться способностью правильно декодировать передаваемые символы при воздействиях внешних помех и межканальной интерференции.
Следует отметить, что помехоустойчивость во многом определяется типом применяемых для кодирования информации канальных сигналов. В частности известно, что наибольшую помехоустойчивость по отношению к флуктуационным помехам обеспечивают кодирование на основе двоичной фазовой манипуляции несущего синусоидального колебания с постоянной огибающей (простой BPSK). Однако это дает высокий уровень межканальной интерференции.
Стремление повысить скорость передачи на основе фазоманипулированных сигналов с применением многоосновного модуляционного кодирования резко уменьшает устойчивость к воздействиям флуктуационных шумов.
С целью уменьшения межканальной интерференции применяют кодирование на основе специальной формы (гауссовой) сигналов, исключающее разрывы фаз несущих колебаний (GMSK). Однако этот метод приводит к падению помехоустойчивости к воздействию флуктуационных помех по сравнению с простым BPSK.
Таким образом, разработка методов обеспечения минимального уровня межканальной интерференции при субполосной передаче информации с сохранением высокой помехоустойчивости к воздействиям внешних помех является актуальной задачей для обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций.
Целью работы является обеспечение высокой помехоустойчивости субполосной цифровой передачи информации при минимальной межканальной интерференции на основе разработки метода кодирования и декодирования передаваемых данных с помощью нового класса канальных сигналов.
Для достижения цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Разработка и исследование метода кодирования/декодирования дискретной информации с помощью нового класса сигналов, обеспечивающих высокую устойчивость к воздействию флуктуационных помех и минимальную межканальную интерференцию при субполосной передаче с заданной скоростью и полосой частот;
Разработка алгоритмов помехоустойчивого кодирования/декодирования информации, передаваемой с минимальной межканальной интерференцией при заданной частотной полосе и скорости;
Проведение сравнительных исследований помехоустойчивости метода кодирования/декодирования дискретной информации в информационных коммуникациях при субполосной передаче с минимальной межканальной интерференцией;
Разработка предложений по технической реализации созданных оптимальных алгоритмов кодирования/декодирования дискретной информации в информационных коммуникациях при её субполосной передаче.
Методы исследований базируются на методах Фурье-анализа и синтеза, линейной алгебры, теории вероятности и математической статистики, теории принятия статистических решений, вычислительных экспериментах.
Научную новизну работы составляет следующее:
1. Метод кодирования дискретной информации на основе нового класса сигналов, обеспечивающих максимальную устойчивость к воздействию флуктуационных помех и минимальную межканальную
интерференцию при субполосной передаче с заданной скоростью и полосой частот;
Алгоритмы кодирования/декодирования информации в информационных коммуникациях, оптимальные в смысле минимальной межканальной интерференции при субполосной передаче и максимума апостериорной вероятности правильного декодирования в условиях флуктуационных гауссовых помех;
Метод аппроксимации базисных функций сигналов для оптимального кодирования и декодировании информации при субполосной передаче в информационных коммуникациях;
Предложения по технической реализации созданных оптимальных алгоритмов кодирования и декодирования дискретной информации при субполосной передаче в информационных коммуникациях;
Результаты вычислительных экспериментов по оценке влияния межканальной интерференции и флуктуационных шумов на помехоустойчивость разработанного метода кодирования и декодирования информации с помощью нового класса сигналов при субполосной передаче.
Практическая значимость работы определяется тем, что использование полученных в ней результатов позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость информационных коммуникаций при субполосной передаче информации с минимальной межканальной интерференцией канальных сигналов.
Результаты диссертации используются в учебном процессе подготовки инженеров и магистров направления «Телекоммуникации» НИУ БелГУ.
Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики» (технические науки) по следующим областям исследований:
п. 11. «Разработка методов обеспечения высоконадежной обработки информации и обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации; разработка основ теории надежности и безопасности использования информационных технологий»;
п. 15 «Исследование и разработка требований к программно-техническим средствам современных телекоммуникационных систем на базе вычислительной техники»;
Связь с научными и инновационными программами. Диссертационное исследование проводилось в рамках следующих программ фундаментальных, поисковых и инновационных исследований:
Федеральные целевые программы:
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы: ГК П2038 от 2 ноября 2009 (руководитель); ГК № 14.740.11.0390 от 20 сентября 2010 г.(исполнитель); ГК № П964 от 27 мая 2010 г. (исполнитель);
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК №02514114010 от 26.02.2007 г.) (исполнитель);
Программа "У.М.Н.И.К." 2010-12 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, проект «Информационная технология формирования канальных сигналов с максимальной концентрацией энергии в заданной полосе частот»;
Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», Проект № 2.1.2/656.
Положения, выносимые на защиту:
Метод обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций при субполосной передаче информации с заданной скоростью и частотной полосой, оптимальный в смысле минимальности межканальной интерференции при передаче и вероятности ошибок при декодировании в условиях гауссовых флуктуационных помех;
Алгоритмы кодирования и декодирования дискретной информации с обеспечением высокой помехоустойчивости информационных коммуникаций при субполосной передаче;
Предложения по технической реализации разработанного метода обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций при субполосной передаче дискретной информации.
Достоверность выводов и рекомендаций обусловлена корректностью применяемых математических преобразований, непротиворечивостью полученных результатов с известными теоретическими положениями и выводами. Теоретические выкладки подтверждаются результатами вычислительных экспериментов.
Личный вклад соискателя. Все изложенные в диссертации результаты исследования получены либо соискателем лично, либо при его непосредственном участии.
Апробация результатов диссертационного исследования. Результаты диссертационного исследования обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научно-технических семинарах: всероссийский научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» Воронеж, 2009; первая Международная научно-техническая конференция «Компьютерные науки и технологии», Белгород 2009; 12-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA-2010», Москва, 2010; XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23», Саратов, 2010; Всероссийский научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», Нижний Новгород 2010; научно-практическая конференция «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» Белгород, 2010; Вторая Международная научно-практическая Интернет-конференция «Инновационные подходы к применению информационных технологий в профессиональной деятельности», Белгород
2010; Научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», 2010; Вторая Международная научно-техническая конференция «Компьютерные науки и технологии», Белгород, 2011.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 18 печатных работ (из них 8 в журналах из списка ВАК РФ), в том числе два Свидетельства Роспатента РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения. Работа изложена на 140 страницах машинного текста, включая 52 рисунка, 17 таблиц и список литературных источников из 101 наименования.
