Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ известных мегодов и устройств определения параметров аддитивных ошибок и обнаружения ошибок синхронизации в каналах со вставками и выпадениями бит 11
1.1 Основные характеристики ошибок в цифровых каналах. I ]
1.2 Методы определения характеристик ошибок 13
L2.1 Определение коэффициента битовых ошибок 13
L2.2 Известные методы обнаружения ошибок синхронизации 15
1.3 Устройства вычисления характеристик аддитивных ошибок 23
1.4 Актуальность задачи создания методов и устройств вычисления параметров ошибок синхронизации (УВПОС) на фоне аддитивных помех 27
1.5 Выводы 29
2 Методы и алпаратно-ориеншрованные алгоритмы определения параметров ошибок синхронизации в каналах со вставками и выпадениями бит 31
2.1 Метод и алгоритм обнаружения ошибок синхронизации на фоне аддитивных помех с помощью псевдослучайных последовательностей 31
2.2 Корреляционный метоп определения параметров ошибок синхронизации 34
2.3 Локаторный метод определения параметров ошибок синхронизации на основе синхропоследовательности с особыми свойствами 38
2.4 Алгоритм ранжирования относительных локаторов синхросимволов по частоте их появления 46
2.5 Предварительное исследование разрешающей способности корреляционного и локаторного методов 49
2.6 Принципы организации вычислительной системы оценки параметров и характеристик ошибок синхронизации 56
2.7 Алгоритмы оперативной сгатистической обрабоїки выходных данных УВПОС 57
2.8 Выводы 60
3 Разработка быстродействующих устройств вычислении параметров ошибок
синхронизации в канале ... ...62
3.1 Сіруктурная и функциональная организация УВПОС 62
3.1.1 УВПОС на основе корреляционного метода 62
3.1.2 УВПОС на основе локаторного метода 68
3.2 Блок нахождения существенного относительного локатора синхросимвола 73
3.3 Елок принятия решения о наличии ошибок 79
3.4 Блок формирования потока состояний канала... „,83
3.5 Блок формирования входного битового потока 86
3.6 Опенки сложности и быстродействия корреляционного и локаторного УВПОС 87
3.7 Выводы 91
4 Исследование стабильности и погрешности определения параметров ошибок синхронизации предлагаемыми методами и устройствами 93
4.1 Организация программной модели 93
4.1 Л Принципы моделирования источника ошибок и алгоритмов функционирования УВПОС 93
4,1.2 Структурная схема модели для исследования алгоритмов УВПОС -95
4.2 Методика определения параметров и характеристик ошибок синхронизации на модели 97
4.3 Результаты проверки погрешности вычисления параметров ошибок синхронизации на выходе УВПОС 99
4.4 Результаты проверки погрешности оценки вероятностных характеристик ошибок синхронизации 106
4.5 Выводы ПО
Заключение 112
Список литературы
- Методы определения характеристик ошибок
- Актуальность задачи создания методов и устройств вычисления параметров ошибок синхронизации (УВПОС) на фоне аддитивных помех
- Предварительное исследование разрешающей способности корреляционного и локаторного методов
- Структурная схема модели для исследования алгоритмов УВПОС
Введение к работе
Актуальность работы, В современном обществе все большее значение приобретают сети ЭВМ. Их надежность и производительность во многом определяется качеством цифровых каналов, используемых в первичных сетях, а также качеством каналов воспроизведения данных во внешних запоминающих устройствах (ВЗУ) [1-12].
Качество цифрового канала определяется скоростью передачи данных и характеристиками ошибок в канапе [13-20]. Знание характеристик ошибок в каналах требуется при разработке и вводе в эксплуатацию контроллеров ВЗУ и аппаратуры передачи данных сетей ЭВМ, содержащих в своем составе систему FEC (Forward Error Correction), предусматривающую применение помехоустойчивых кодов для исправления ошибок. Целесообразность применения того или иного способа защиты зависит от характера и параметров ошибок в каналах. Распространенные помехоустойчивые коды ориентированы на исправление аддитивных ошибок, а не ошибок синхронизации, приводящих к возникновению вставок и выпадений бит [21-24].
Ошибки синхронизации возникают на выходах демодуляторов в трактах воспроизведения внешних запоминающих устройств ЭВМ и модемах каналов связи сетей ЭВМ [25-34]. Они проявляются в виде вставок и выпадений бит в демодулированной двоичной информационной последовательности, приводят к ее сдвигам и образованию протяженных пакетов ошибок, превышающих корректирующую способность самых мощных помехоустойчивых кодов [13]. Для оценки качества работы канала и проектирования устройства, исправляющего ошибки синхронизации, необходимо знание диапазона изменения их параметров: длин вставок (выпадений) и их локаторов (позиций) в считываемом секторе или передаваемом пакете данных. Названные параметры ошибок синхронизации могут быть найдены в результате статистических исследований каналов с помощью быстродействующих специализированных вычислительных устройств, работающих в реальном масштабе времени на тактовой частоте демодулированной последовательности. Специализированное устройство должно обнаруживать появление вставок (выпадений), точно вычислять их длины и локализовывать их местоположение. Известные устройства таких фирм, как Anritsu, Hewlett Packard, International Data Sciences Inc., SyntheSys Research Inc., Tektronix Inc., Finisar Systems и др. позволяют получать достаточную информацию об аддитивных ошибках в различных цифровых каналах передачи информации. Однако ни в одном из известных устройств не реализованы алгоритмы вычисления параметров вставок и выпадений. Сложность создания названных алгоритмов заключается в том, что ошибки синхронизации проявляются на фоне аддитивных помех, всегда присутствующих в реальных каналах. Последние могут приводить к увеличению погрешности вычислений длин вставок (выпадений) и их локаторов. Степень влияния аддитивных помех на погрешность вычисления параметров ошибок синхронизации практически не исследована.
В связи с этим актуальной является научно-техническая задача создания методов и разработки технических средств определения характеристик ошибок в каналах со вставками и выпадениями бит.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой П.Т.614 «Многопроцессорные ЭВМ с параллельной структурой и системы виртуальной реальности», приказ Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации №572 от 2.03.98 г.
Целью диссертационной работы является создание аппаратно-ориентированных алгоритмов и разработка быстродействующих специализированных устройств вычисления параметров ошибок синхронизации, позволяющих снизить степень влияния аддитивных помех на точность вычисления параметров.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
1. Анализ существующих методов и аппаратуры для исследования характеристик ошибок в каналах с ошибками синхронизации, определение их недостатков и ограничений.
2. Разработка методов вычисления параметров ошибок синхронизации.
3. Создание аппаратно-ориентированных алгоритмов обнаружения ошибок синхронизации в каналах передачи и воспроизведения данных и вычисления длин вставок (выпадений) и их локаторов.
4. Исследование на имитационной модели погрешности вычисления параметров вставок и выпадений в широких диапазонах изменения вероятностей аддитивных помех и ошибок синхронизации.
5. Синтез структурных и функциональных схем, разработка алгоритмов работы быстродействующих специализированных устройств вычисления параметров ошибок синхронизации (УВПОС) и оценка их аппаратной сложности.
6. Разработка алгоритмов и программ ПЭВМ для статистической обработки выходных данных УВПОС.
Методы исследования базируются на аппарате теории чисел, теории конечных полей, теории помехоустойчивого кодирования, имитационного моделирования, теории проектирования автоматов и дискретных схем, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы:
1. Разработан алгоритм обнаружения вставок и выпадений бит на фоне аддитивных помех, основанный на нахождении разности наиболее вероятных фаз сигнала в двух смежных отрезках битовой последовательности.
2. Создан локаторный метод определения длин и позиций вставок и выпадений бит, основанный на вычислении разности двух локаторов синхросимволов (значения относительного локатора синхросимвола) в эталонной и принятой из канала псевдослучайных последовательностях.
3. Создан алгоритм ранжирования относительных локаторов синхросимволов по частоте их появления, позволяющий на основе последовательной реализации вычислительных процессов достичь быстродействия первого устройства, достаточного для нахождения параметров ошибок при скоростях передачи данных в исследуемых каналах до 10 Мбит/с.
4. Разработан метод параллельной обработки значений коэффициентов взаимной корреляции, основанный на применении пирамидальной свертки их значений, позволяющий достичь быстродействия второго устройства, достаточного для нахождения параметров ошибок в реальном масштабе времени.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработанный алгоритм вычисления параметров вставок и выпадений бит позволяет обнаруживать ошибки синхронизации на фоне аддитивных помех и отделять друг от друга ошибки разных типов: вставки, выпадения, фоновые аддитивные ошибки.
2. Разработаны два варианта быстродействующих устройств (с последовательной и параллельной организацией вычислительных процессов) вычисления параметров ошибок в каналах со вставками и выпадениями бит и показаны области их применимости на основании оценок погрешности и стабильности вычисления параметров ошибок синхронизации при различных уровнях ошибок в канале» затрат времени на обработку одного принятого из канала бита и аппаратной сложности устройств.
3. На основе разработанной методики многопараметрических статистических исследований стабильности и погрешности определения параметров ошибок синхронизации в результате имитационного моделирования созданных алгоритмов функционирования устройств найдены и проверены следующие рабочие диапазоны их применимости:
- вероятность возникновения недопустимой (фатальной) погрешности определения параметров ошибок синхронизации не превышает 0,01...0,1 в диапазоне изменения вероятностей фоновых аддитивных помех [10"2,10"6] и ошибок синхронизации в диапазоне [0,225-10"2, 0,225-10"5] на бит;
- среднее значение абсолютной погрешности определения локаторов вставок и выпадений не превышает 1-3 бит в диапазоне изменения вероятностей фоновых аддитивных помех [10"2,10 6] и ошибок синхронизации [0,225-Ю-2, 0,225-Ю"5] набит.
4. Разработанные алгоритмы и программы специализированной вычислительной системы на базе ПЭВМ и синтезированного устройства УВПОС позволяют выполнять оперативную статистическую обработку потока ошибок в исследуемом канале и находить вероятностные характеристики ошибок синхронизации.
Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы были использованы в ООО Компания ДЕМОС (г. Москва), в компании Acuvision (Великобритания) при разработке встроенного модуля измерения характеристик ошибок спутникового демодулятора по стандарту DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Satellite 2), внедрены в учебном процессе Курского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международных и Российских научно-технических конференциях: МНТК «Распознавание - 99» (г. Курск, 1999 г.); МНТК «Распознавание - 2001» (г. Курск, 2001 г.); МНТК «Распознавание - 2003» (г. Курск, 2003 г.); МНТК «Медико-экологические информационные технологии» (г. Курск, 2000 г.); РНТК «Интеллектуальные и информационные системы» (г. Тула, 2000 г.); РНТК «Новые информационные технологии» (г. Москва, 2001, 2002 гг.); МНТК «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2001 г.); на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Курского государственного технического университета с 1999 по 2004 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи и патент РФ.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично автором в [48] разработан алгоритм обнаружения вставок и выпадений бит на фоне аддитивных помех; в [46,50,55] создан метод вычисления параметров ошибок синхронизации, основанный на вычислении разности двух локаторов m-разрядных символов в эталонной и принятой из канала псевдослучайных последовательностях (локаторный метод); в [54,63] создан алгоритм ранжирования относительных локаторов синхросимволов по частоте их появления; в [55,56] разработан корреляционный метод вычисления параметров ошибок синхронизации, в [52,54] разработаны алгоритмы и схемы устройства вычисления параметров ошибок синхронизации.
На защиту выносятся:
1. Алгоритм обнаружения вставок и выпадений бит на фоне аддитивных помех.
2. Метод и последовательное устройство вычисления параметров ошибок в каналах со вставками и выпадениями бит с использованием псевдослучайной последовательности и ранжированием относительных локаторов синхросимволов по частоте их появления.
3. Метод параллельной обработки коэффициентов взаимной корреляции и устройство параллельного вычисления параметров ошибок в каналах со вставками и выпадениями бит.
4. Результаты многопараметрических статистических исследований стабильности и погрешности определения параметров ошибок синхронизации на программной модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 8 приложений. Работа содержит 122 страницы текста, поясняется 44 рисунками и 16 таблицами; список литературы включает 84 наименования.
Области возможного использовании. Результаты работы могут быть использованы при создании новых специализированных устройств для измерения характеристик ошибок синхронизации. Предложенные технические решения также могут найти применение при разработке и вводе в эксплуатацию новых систем FEC, ориентированных на каналы со вставками и выпадениями бит.
Методы определения характеристик ошибок
Перед началом генерации в регистр должно быть занесено любое значение, кроме нулевого - 0000 . Псевдослучайные последовательности максимальной длины (М-последовательности), получаемые с помощью подобных регистров сдвига, обладают рядом свойств, присущих истинным случайным последовательностям [25,34,39,40] (т - число ступеней регистра сдвига):
1. Баланс нулей и единиц обеспечивается тем, что М-последовательность содержит 2т" -1 нулей и 2м"1 единиц.
2. Идеальная автокорреляционная функция достигается благодаря тому, что М-последовательность отличается от циклически сдвинутой такой же последовательности ровно в 2т 1 позициях [25,39,40].
3. Максимальная длина М-последовательности имеет период 2т-1, поэтому все m-битные комбинации кроме нулевой на одном периоде последовательности встречаются по одному разу.
Начальная синхронизация регистра сдвига на приемной стороне может быть выполнена путем заполнения т ступеней регистра сдвига первыми т битами, поступившими из канала после начала тестирования [38].
Возникновение хотя бы одной ошибки синхронизации в процессе определения характеристик битовых ошибок BER приводит к тому, что на следующих за ошибкой синхронизации участках принимаемой из канала тестовой последовательности будут обнаруживаться практически сплошные
последовательности аддитивных ошибок и, следовательно, статистическая информация об этих ошибках будет неверной.
Для уменьшения влияния ошибок синхронизации на коэффициент битовых ошибок используются различные методы ресинхронизации, заключающиеся в обнаружении ошибок синхронизации с последующей повторной синхронизацией. Самый простой из этих методов предусматривает инициализацию регистра сдвига на приемной стороне (как при начальной синхронизации) после того как уровень ошибок превысит определенный заданный порог [34,38].
В [41] предлагается устройство, предназначенное для тестирования каналов связи с использованием ПСП, приемная часть которого содержит два генератора ПСП, две схемы сравнения последовательностей, счетчик, подсчитывающий число совпадающих бит, три триггера, индикатор ресинхронизации и логические элементы И, ИЛИ, НЕ (рис. 1.3). Устройство использует М-последовательность с периодом 63 в качестве тестовой последовательности, передаваемой через канал. Метод обнаружения ошибок синхронизации, реализованный в данном устройстве, использует следующее свойство М-последовательности. Если некоторую М-последовательность сложить по модулю два с такой же М-последовательностью, смещенной относительно первой на любое количество бит, в результате получится идентичная им, но сдвинутая по фазе М-последовательность.
Этот метод предполагает формирование потока ошибочных бит обычным образом (путем сравнения последовательности бит тестового сигнала с битами М-последовательности, генерируемой на приемной стороне). Определение нарушения синхронизации осуществляется с помощью второго генератора ПСП путем опознания в потоке ошибочных бит сдвинутой по фазе М-последовательности с помощью регистра с обратными связями, соответствующего этой последовательности.
В [42] предлагается устройство для определения нарушения синхронизации между последовательностью бит тестового сигнала и восстановленной в приемном устройстве ПСП, предусматривающее восстановление синхронизации для предотвращения неверного формирования потока ошибочных бит (рис. 1.4). Устройство содержит следующие блоки, реализующие метод обнаружения ошибок синхронизации: генератор ПСП, і корреляторов (на рисунке предполагается і=3), і пороговых детекторов (компаратор с установленным значением порога на одном из входов), сумматор, анализатор проскальзываний бит, состоящий из коммутатора, двух регистров, устройства вычитания и схемы сравнения.
Для определения нарушения синхронизации используются і корреляторов, каждый из которых вычисляет взаимнокорреляционную функцию между одним из і сегментов эталонной ПСП, генерируемой на приемной стороне, и принятой из канала тестовой последовательностью. Выходные сигналы корреляторов обрабатываются пороговыми детекторами и суммируются. Пороговые детекторы необходимы для отсеивания ложных максимумов, которые могут возникнуть при поражении участка передаваемой последовательности битовыми ошибками. В случае отсутствия ошибок синхронизации суммарная функция будет иметь ярко выраженные максимумы, следующие друг за другом подряд через определенные интервалы времени, соответствующие длинам сегментов. Смещение максимумов (изменение расстояний между соседними максимумами) в полученной сумме взаимнокорреляционных функций говорит о нарушении синхронизации. Интервалы между максимумами контролируются с помощью цепочки, состоящей из счетчика, двух регистров, схемы вычитания и схемы сравнения текущего расстояния между двумя последними максимумами и эталонным расстоянием текущего сегмента. Для ограничения неверного формирования потока ошибочных бит генератор эталонной ПСП синхронизируется по каждому выделенному максимуму.
В [43] предлагается устройство (рис. 1.5), предназначенное для обнаружения небольших проскальзываний при измерении уровня ошибок в канале, содержащее: два генератора ПСП, две схемы сравнения последовательностей бит, четыре сдвиговых регистра для задержки кадров, четыре детектора проскальзываний (вставок или выпадений) кадров, счетчик ошибочных бит, счетчик проскальзываний, контроллер, различную логику.
Актуальность задачи создания методов и устройств вычисления параметров ошибок синхронизации (УВПОС) на фоне аддитивных помех
Высокую надежность передачи данных по цифровым каналам, имеющим относительно высокий уровень ошибок, можно обеспечить используя технологию FEC (Forward Error Correction), которая предусматривает исправление ошибок с помощью помехоустойчивых кодов [1,2,5]. Распространенные помехоустойчивые коды и построенные на их основе системы FEC не дают требуемого эффекта в каналах с ошибками синхронизации без применения специальных средств ее восстановления [21 -24]. Для разработки систем FEC, ориентированных на каналы с ошибками синхронизации, необходимо знать характеристики этих ошибок.
Предлагаемое в настоящее время фирменное измерительное оборудование для цифровых каналов (п. 1.3) не позволяет оценивать необходимые характеристики ошибок синхронизации.
Рассмотренные выше методы обнаружения ошибок синхронизации могут быть использованы для определения некоторых параметров этих ошибок, например количества вставленных или выпавших бит (длины вставок или выпадений). Однако у рассмотренных методов низкая точность локализации ошибок синхронизации при наличии фоновых битовых ошибок, так как они не ориентированы на анализ расположения вставок и выпадений в потоке данных и не могут быть использованы для определения характеристик группирования вставок и выпадений.
Таким образом, известные методы и устройства, позволяющие обнаруживать ошибки синхронизации, не подходят для оперативной и достоверной обработки вставок и выпадений и не могут быть положены в основу устройств, вычисляющих характеристики ошибок синхронизации.
Основная проблема, возникающая при обнаружении ошибок синхронизации и вызывающая принципиальные трудности, заключается в том, что ошибки синхронизации (вставки и выпадения бит) непосредственно не наблюдаются. В отличие от аддитивных ошибок достижение достаточной точности локализации ошибок синхронизации представляет собой трудную задачу. Ситуация еще более усложняется при наличии в анализируемом потоке фоновых аддитивных ошибок в окрестностях ошибок синхронизации.
Приведем следующий пример. Рассмотрим q-ный канал при q=5. Возьмем в качестве тестовой последовательности последовательность вида:
0, 1, 2, 3, 4, 0, 1, 2... Пусть в канале в результате сбоев синхронизации произошла вставка 2 символов (2,3) следующим образом: 0, 1,2, 3, 2, 3, 4, О,
1, 2... Очевидно, что при анализе принятой из канала последовательности возникает некоторая неоднозначность (интервал неопределенности), а именно, невозможно точно сказать какая из двух биграмм (2,3 или 2,3) являются вставкой, т.е. другими словами трудно локализовать ошибку синхронизации.
Для двоичных каналов ситуация еще более ухудшается. Приведем еще один пример. Пусть в следующей двоичной последовательности произошло выпадение двух бит (1,0): 1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,0,1,0, 0... Как видно, в этом случае по виду принятой из канала последовательности также нельзя сказать где именно произошло выпадения двух бит, т.е. определить точное местоположение ошибки синхронизации в потоке: 1,1,1,0,0,1,9,1,0,7,0,1,0,0...
Таким образом, ни о каком гарантированном обнаружении всех ошибок синхронизации нельзя говорить. Ошибку синхронизации можно локализовать лишь с определенной погрешностью, определяемую как местом возникновения ошибки синхронизации в тестовой последовательности, так и параметрами самой ошибки. Общая погрешность и максимальные размеры обнаруживаемых ошибок синхронизации зависят от типа применяемой тестовой последовательности, а также от уровня битовых ошибок в канале. В качестве примера можно привести последовательность, совершенно непригодную для обнаружения ошибок синхронизации: 0, 0, 0, 0... Это последовательность, состоящая из одних и тех же символов, с помощью которой нельзя обнаружить ни одной ошибки синхронизации (вырожденный случай). Поэтому для обнаружения ошибок синхронизации необходимо, чтобы участки тестовой последовательности содержали информацию о положении каждой информационной единицы в этом потоке. Наиболее подходящими последовательностями для использования их в качестве тестовых для обнаружения ошибок синхронизации являются псевдослучайные последовательности (ПСП), в связи с тем, что их автокорреляционные функции, близки к дельта-функции [25,34]. Именно последнее свойство делает возможным обнаружение сдвигов последовательности (проскальзываний) на фоне наложенных аддитивных ошибок.
Предварительное исследование разрешающей способности корреляционного и локаторного методов
Для получения предварительных оценок разрешающей способности определения фазы при наличии фоновых аддитивных ошибок было проведено исследование чувствительности корреляционного и локаторного методов к этим ошибкам. В качестве оценки достоверности была взята вероятность неправильного обнаружения фазы рт отрезка принятой из канала последовательности (окна) в зависимости от уровня аддитивных ошибок (BER) в исследуемом канале передачи или воспроизведения данных (без учета ошибок синхронизации). В результате полного перебора всех возможных комбинаций ошибок для небольших значений т-Ъ.,. 5 с помощью программной модели получены зависимости количества случаев неправильного определения фазы от количества ошибок в окне- Длина окна выбиралась равной периоду псевдослучайной последовательности (для т=3, /77=4, т-5 соответственно 7, 15, 31), Таблицы названных зависимостей приведены в приложении 1. Зависимости вероятностей неправильного обнаружения фазы в окне от вероятности ошибки в канале приведены на рис. 2.9-2.11, где графики черного цвета относятся к локаторному методу, а серого - к корреляционному. Вероятность неправильного обнаружения фазы рассчитывается следующим образом [68,69]: /w=2 ,V-(i-P)r- , где ЄІ - количество случаев неправильного обнаружения фазы при наличии / битовых ошибок в окне; р - вероятность фоновой аддитивной ошибки в канале (BF.R); Г- период псевдослучайной последовательности (Т= 2т - 1).
Из графиков на рис. 2.9-2Л1 следует, что корреляционный метод обладает большей разрешающей способностью (большей устойчивостью к аддитивным ошибкам), поскольку кривые, соответствующие корреляционному методу, всегда располагаются ниже при всех т. Например, для т=5 при вероятности фоновой аддитивной ошибки р = 0,1 вероятность неправильного обнаружения фазы регг составляет 3,73103 и 1,4610" для локаторного и корреляционного методов соответственно.
Рассмотрим возможные эффекты на выходе устройства, реализующего метод обнаружения ошибок синхронизации на основе метода вычисления оценок, описанного выше (п.п. 2.1-2.4) Один из эффектов заключается в том, что предлагаемый метод, особенно при наличии битовых ошибок, не может разделить две и более рядом стоящие ошибки синхронизации (рис, 2Л 2). Таким образом, имеет место объединение ошибок синхронизации при обнаружении и, впоследсгвии, регистрация на выходе устройства одной ошибки синхронизации с другими параметрами. Л/ч - параметр (количество вставленных или выпавших бит) и тип /-ой ошибки синхронизации в локальной области (выпадение - со знаком минус , вставка - со знаком плюс ); ALS - параметр и тип обнаруженной ошибки синхронизации.
Следовательно, в случае группирования ошибок синхронизации при правильной работе устройства обнаружения ошибок синхронизации на его выходе в потоке состояний канала будет соблюдаться следующее соотношение: pins-pdei » Р -Рм гДе Pim - вероятность вставки бита в канале, pdei - вероятность выпадения бита в канале, pins - вероятность вставки бита, вычисленная на выходе устройства, pdei - вероятность выпадения бита, вычисленная на выходе устройства.
Объединение рядом стоящих ошибок синхронизации в первую очередь объясняется ограниченными возможностями тестовой последовательности. Данный эффект, очевидно, будет усиливаться при наличии фоновых аддитивных ошибок. Необходимость принятия решения о наличии ошибок синхронизации в пределах участка конечной длины (два окна) принятой из канала тестовой последовательности является второй причиной, вызывающей эффект объединения ошибок синхронизации. Уменьшение длин окон приведет к увеличению вероятности неправильного определения фазы в случае высокого уровня битовых ошибок.
Второй эффект связан с неточной локализацией ошибок синхронизации и, как следствие, возникновением погрешности вычисления локаторов ошибок синхронизации ЛабС, что приводит к появлению ложных (остаточных) пакетов аддитивных ошибок при регистрации. На рис. 2.13 проиллюстрировано возникновение ложного пакета аддитивных ошибок (случай 1) вследствие неточной локализации ошибки синхронизации. В случае точной локализации (случай 2) ошибки синхронизации дополнительные аддитивные ошибки не регистрируются.
Структурная схема модели для исследования алгоритмов УВПОС
В связи с принципиальной невозможностью экспериментального исследования (ввиду отсутствия эталонных данных о потоке ошибок в реальных каналах) стабильности и погрешности определения параметров ошибок предлагаемыми методами и устройствами была создана программная имитационная модель, позволившая найти оценки названных характеристик в широком диапазоне вариации параметров ошибок. Предусматривается генерация тестовой псевдослучайной последовательности, моделирование источника ошибок для канала передачи информации и моделирование двух вариантов УВПОС по алгоритмам, рассмотренными в главе 2.
В качестве модели источника ошибок использовалось обобщение модели Гилберта-Эллиотта [80-83]. Данная модель является простой однородной цепью Маркова, т.е. цепью Маркова, в которой матрица переходных вероятностей Р не зависит от номера шага. Цепь содержит одно хорошее состояние (G - good) и 3 плохих (S - substitution, D -deletion, I - insertion) (рис. 4.1). В состоянии G ошибок не происходит, а каждое из 3 плохих состояний генерирует особый тип ошибок, В состоянии I случайный бит вставляется в поток, в состоянии D бит удаляется. В состоянии S происходят аддитивные ошибки. Вероятность перехода из состояния А в состояние В обозначается Рдв- Исходные параметры марковской модели приведены в таблице 1 [81]. переходных вероятностей, то, полагая j — ос и учитывая условия нормяровки, можно найти финальные вероятности эргодической цепи из системы уравнений: с _ Р; =1, где К - размерность матрицы переходных вероятностей [80].
При моделировании исходные параметры марковской модели изменялись таким образом, чтобы обеспечить изменение финальных вероятностей в заданных пределах согласно методике, описанной ниже (см. п.4.2).
Поскольку распределения длин интервалов серий одинаковых состояний для модели Гилберта-Эллиотта является геометрическим, т.е. длина интервала iV=l появляется с вероятностью р, N-2 - с вероятностью (1-/?)-/Л ..., N=n - с вероятностью (1-рУ 1р9 гдер- вероятность перехода в любое другое состояние. Метод генерирования случайной величины с таким распределением состоит в вычислении: N = 1пС/71п(1 - /?)"], где / — равномерно распредленная случайная величина [80,84]. В программной модели данный метод используется для генерации параметров следующего элемента потока состояний канала,
Имитационное моделирование проводилось с использованием разработанной программной модели на языке C++. Программная модель состоит из семи основных модулей, листинги которых приведены в приложениях 3-6. Модули и связи между ними показаны на рис, 4.2.
Имитационные модели корреляционного и локаторного УВПОС реализованы в строгом соответствии с алгоритмами, рассмотренными во второй главе. Рассмотрим кратко работу основных модулей имитационной модели.
Модуль для получения потока состояний канала при заданных параметрах устройства и источника ошибок осуществляет генерацию эталонной тестовой последовательности и внесение в нее ошибок на основе потока состояний канала, генерируемого источником ошибок и реализует последующую обработку полученой последовательности модулем, использующего корреляционное УВПОС, или локаторное УВПОС. Модуль обеспечивает запись входного потока состояний канала, получаемого от источника ошибок и потока состояний канала, получаемого с выхода УВПОС.
Модуль для получения оценок погрешности вычисления локаторов ошибок синхронизации работает аналогично модулю для получения потока состояний канала, но обеспечивает проведение серии испытаний, после каждого из которых инициализирует УВПОС. При этом запись исходного и полученного с выхода УВПОС потоков состояний канала в файл не производится. Каждое испытание продолжается до появления первой ошибки синхронизации в потоке. Если тип (вставка или выпадение) и длина ошибки синхронизации определены устройством правильно, то после этого определяется абсолютная погрешность вычисления локатора ошибки синхронизации в битах, иначе фиксируется случай возникновения фатальной погрешности.
Методика определения параметров и характеристик ошибок синхронизации на модели
Для определения параметров и характеристик ошибок синхронизации на программной имитационной модели использовалась следующая методика.
1, Изменяя значение т (определяющее период тестовой последовательности Т= 2т - 1) в диапазоне от 5 до 10, при фиксированных значениях прочих параметров, найти такое его значение, при котором погрешность вычисления параметров ошибок синхронизации минимальна.
2- Изменяя длину окна WINSIZE устройства при фиксированном найденном раннее значении т, найти значение WINSIZE, минимизирующее погрешность вычисления параметров ошибок синхронизации.
3. При фиксированных значениях m и WINSIZE найти зависимость погрешности вычисления параметров ошибок синхронизации и ее среднеквадратичного отклонения от уровня ошибок синхронизации в канале в пределах от 0,22510 s до 0,225-10-1 на бит при нескольких
