СИСТЕМА ИСПРАВЛЕНИЯ СТИРАНИЙ С ЗАЩИТОЙ НОМЕРА КЛАСТЕРА
SYSTEM FOR CORRECTING DELETIONS WITH CLUSTER NUMBER PROTECTION

Изобретение относится к технике связи и может использоваться при проектировании новых и модернизации существующих систем передачи дискретной информации.
Известны устройства восстановления стираний и исправления ошибок, использующие индексы достоверности символов (ИДС) или мягкие решения для повышения достоверности приема информации (см. Р.Морелос-Сарагоса. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение. М., Техносфера, 2005, с.103,…, 105; а также устройства по патентам РФ на изобретения №№2166235; 2209519; 2209520; 2256294; 2344556).
Кроме того, известны методы выработки индексов достоверности принятых двоичных символов на основе стирающего канала связи и использования их в процедуре декодирования систематических кодов с применением метода кластерного анализа (см. Лычагин Н.И., Агеев С.А., Гладких А.А., Васильев А.В. «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», №1, 2, 2006, с.49-55; Гладких А.А., Тетерко В.В. Применение кластерного анализа при декодировании блоковых кодов // Труды: 61-й научной сессии Российского НТОРЭС им. А.С.Попова - М., 2006 - с.381-383), а также методы использования указанных оценок для получения логарифмического отношения правдоподобия при декодировании кодовых комбинаций (см. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 г., с.500-503; Основы теории мягкого декодирования избыточных кодов в стирающем канале связи. / А.А.Гладких. - Ульяновск: УлГТУ, 2010, с.241-280).
Наиболее близким устройством такого же назначения является декодер с исправлением стираний (см. патент РФ на изобретения №2344556), содержащий блок приема, один выход которого через анализатор сигналов подключен к накопителю, а другой подключен к входу накопителя кодовой комбинации, выход которого подключен к первому входу блока исправления стираний, отличающийся тем, что введены коммутатор проверок, блок определения кластера, блок коррекции кластера, блок прямых координат, блок инвариантных координат и блок сравнения, выход которого подключен ко второму входу блока исправления стираний, при этом первый вход коммутатора проверок подключен к выходу накопителя, второй вход коммутатора проверок подключен к выходу накопителя кодовой комбинации, а выход подключен к одному из входов блока определения кластера, а также к входу блока прямых координат, один выход которого через блок инвариантных координат подключен к третьему входу блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока прямых координат, при этом первый выход блока определения кластера подключен к входу блока коррекции кластера, выход которого подключен к другому входу блока определения кластера, второй выход которого подключен к первому входу блока сравнения.
К недостаткам работы аналогов, в том числе и прототипа предлагаемой системы, следует отнести: негативное влияние ложных стираний на значения индексов достоверности символов (ИДС) при их вычислении методом скользящих окон по кортежу стертых позиций; недостаточная защита от искажений номера кластера и старших разрядов координат; применение относительно сложной системы инвариантных координат и схемы коммутации проверочных соотношений. Это приводит к тому, что с увеличением длины кодового вектора и кратности исправляемых ошибок сложность декодера и время декодирования приобретают экспоненциальный характер.
Технический результат - повышение достоверности приема информации. Для достижения технического результата предлагается система исправления стираний с защитой номера кластера, содержащая блок приема, один выход которого подключен к анализатору сигналов, а также накопитель оценок, блок определения кластера, накопитель кодовой комбинации, выход которого подключен к первому входу блока исправления стираний, отличающаяся тем, что введен блок специальных оценок, блок специальных символов, блок старших разрядов координат, блок формирования списка кластера и блок приоритетов, выход которого подключен ко второму входу блока исправления стираний, при этом выход анализаторов сигналов через первый выход блока специальных оценок и накопитель оценок соединен с первым входом блока приоритетов, а его второй вход соединен с выходом накопителя кодовой комбинации, при этом объединенные первые входы блока определения кластера и блока старших разрядов координат подключены ко второму выходу блока специальных оценок, а объединенные вторые входы блока определения кластера и блока старших разрядов координат соединены со вторым выходом блока специальных символов, при этом один вход блока формирования списка кластера подключен к выходу блока определения кластера, в то время как выход блока старших разрядов координат через другой вход блока формирования списка кластера и выход этого блока подключен к третьему входу блока приоритетов, при этом другой выход блока приема подключен к входу блока специальных символов, первый выход которого подключен к входу накопителя кодовой комбинации.
На чертеже (фиг.1) приведена структурная электрическая схема предложенной системы исправления стираний с защитой номера кластера.
Система исправления стираний с защитой номера кластера содержит блок приема 1, один выход которого подключен к анализатору сигналов 2, а другой выход этого блока подключен к входу блока специальных символов 5. Выход анализатора сигналов 2 соединен с входом блока специальных оценок 3. Первый выход блока 3 через накопитель оценок 4 соединен с первым входом блока приоритетов 10. Накопитель кодовой комбинации 6, выход которого одновременно подключен к первому входу блока исправления стираний 11 и второму входу блока приоритетов 10, выход блока приоритетов 10 подключен ко второму входу блока исправления стираний 11. Объединенные первые входы блока определения кластера 7 и блока старших разрядов координат 8 подключены ко второму выходу блока специальных оценок 3, а объединенные вторые входы блока определения кластера 7 и блока старших разрядов координат 8 соединены со вторым выходом блока специальных символов 5, при этом первый выход этого блока подключен к входу накопителя кодовой комбинации 5, а вход блока специальных символов 5 подключен к другому выходу блока приема 6. Один вход блока формирования списка кластера 9 подключен к выходу блока определения кластера 7, в то время как выход блока старших разрядов координат 8 через другой вход блока формирования списка кластера 9 и выход этого блока подключен к третьему входу блока приоритетов 10.
10
8
5
4
2
Работа устройства рассматривается на примере систематического кода с порождающим полиномом g(x)=х+х+х+х+х+х+1, у которого n=15, k=5, d=7. В метрике Хэмминга данный код способен исправить три ошибки или восстановить шесть стираний. Порождающая матрица кода имеет вид
Вход блока приема 1 является информационным входом системы. Блок приема 1 регистрирует поступающие сигналы и передает их текущие значения ±z=|z| через один выход в анализатор сигналов 2. В последующем на основе этих сигналов в блоке 2 формируются мягкие решения о принятых двоичных символах. Через другой выход блока 1 и блок специальных символов 5 в накопитель кодовой комбинации 6 передаются жесткие решения.
Пусть с кодера передатчика была отправлена кодовая комбинация вида
Номера разрядов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Значения разрядов
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
В этой последовательности первые пять двоичных символов являются информационными разрядами. При этом первые три разряда - со значениями  относятся к номеру кластера, четвертый разряд - со значением 1 является старшим разрядом координаты X, а пятый разряд - со значением 0 является старшим разрядом координаты Y. Другие разряды координаты X в этом векторе занимают позиции с шестой по десятую, а другие разряды координаты Y с одиннадцатой по пятнадцатую. Для защиты номера кластера передатчик использует систему проверки на четность разрядов номера кластера и результат проверки размещает на позиции младшего разряда координаты X (результат проверки равен 0 и размещается на десятой позиции). Для совместной защиты старших разрядов координат X и Y передатчик использует аналогичную систему проверки на четность, но результат этой проверки размещает на позиции младшего разряда координаты Y (результат проверки равен 1 и он размещается на пятнадцатой позиции). Применение указанного правила к представленной кодовой комбинации преобразует передаваемый вектор к виду
Проверки, описанные выше, выделены жирным курсивом. Данные позиции известны декодеру и при приеме кодового вектора они фиксируются в нем как стирания.
Анализатор сигналов 2 предназначен для выработки ИДС. Правило их формирования иллюстрируется отдельно на фиг.2.
На фиг.2 в качестве аргумента используется случайное значение сигнала |z|, которое формируется в блоке приема 1. Для наглядности фиг.2 представляет совмещенную картину зависимости условных плотностей вероятности P(z|i) при различных дисперсиях σ и рабочую характеристику анализатора сигналов 2  для z>0. Для z<0 характеристика симметрична относительно порога принятия решения. Значение дисперсии σ определяет отношение сигнал-шум: при меньших значениях дисперсии это отношение становится больше и наоборот.
Пусть z>0. Анализатору сигналов 2 известны порог принятия жесткого решения (точка 0) и номинальный уровень сигналов , где E - энергия сигнала, приходящаяся на бит. Значение  определяет математическое ожидание случайной величины z. В окрестностях точки  с достаточно высокой вероятностью сигнал фиксируется достоверно. Для выделения подобной зоны в блоке 2 выбирается широкий интервал стирания, который оценивается параметром ρ. В общем случае 0≤ρ≤1 и его значение определяется как доля расстояния от порога 0 до значения . Принимая, например, ρ=0.9 и ρ′=1-ρ, можно получить правило формирования ИДС
i
где λ(z) - значение ИДС, округленное до ближайшего меньшего целого;
max
λ - максимальное значение ИДС, принятое в системе.
max
max
max
max
В этом выражении отношение  задает угловой коэффициент рабочей характеристики блока 2, которая при известном ρ определяется только значением λ. Этот параметр выбирается свободно, исходя из конструктивных особенностей приемника. Пусть λ=7. Если значение сигнала Z оказалось в точке 3 или 2 (см. фиг.2) - то ИДС присваивается значение λ=7. Если случайный сигнал Z оказался в точке 1, то формируется значение ИДС в соответствии с выражением (1). Таким образом, символы с ИДС, меньшими λ, трактуются как стирания, но в отличие от классического стирающего канала связи эти стертые позиции имеют вполне определенную градацию надежности, определяемую выражением (1). Чем ниже значение ИДС для стертой позиции, тем меньше вероятность регистрации ложного стирания. Рабочая характеристика а) на фиг.2 соответствует амплитудной или частотной модуляции, а характеристика б) соответствует фазовой модуляции.
Блок специальных оценок 3 выделяет из общего потока ИДС, индексы, относящиеся к номеру кластера и его проверочному разряду (10 позиция), а также индексы, соответствующие старшим разрядам координат и их проверочному разряду (15 позиция).
Накопитель оценок 4 предназначен для накопления всех оценок, относящихся к обрабатываемой декодером кодовой комбинации.
Блок специальных символов 5 выделяет из общего потока данных символы, определяющие номер кластера и его проверочный разряд, а также символы старших разрядов координат и значение их проверочного разряда.
Накопитель кодовой комбинации 6 накапливает все символы (жесткие решения) обрабатываемой декодером кодовой комбинации.
Блок определения кластера 7 проверяет выполнение условия четности для символов, определяющих номер кластера. В случае высоких ИДС для всех проверяемых символов и выполнении условия четности, номер кластера считается принятым достоверно. В случае получения среди ИДС одной или нескольких оценок с низкими значениями ИДС, по выполнении правила четности применяется принцип распространения доверия на основе соотношения:
apr
apos
где L(i) - оценка надежности информационного символа, L(c) - оценка надежности проверочного символа, s - число вычеркиваемых в последовательности битов единичных символов. Значение L(i) определяется по формуле , здесь p - априорная оценка надежности символа, а p - апостериорная оценка символа, оценка надежности после очередного шага итеративных преобразований.
Если ИДС проверочного символа не достаточно высокий блок 7 выполняет циклический сдвиг оценок с расчетом, чтобы на месте проверочного разряда была установлена оценка с наибольшим значением ИДС. При использовании подобной процедуры блок 7 выполняет обратные циклические сдвиги после завершения коррекции символов.
Блок старших разрядов координат 8 работает по такому же принципу, как и блок 7.
Блок формирования списка кластера 9 на основании данных блоков 7 и 8 формирует список информационных векторов, которые могли быть переданы передатчиком. При этом на первом месте в списке находится наиболее вероятный вектор.
Блок приоритетов 10 обеспечивает выбор из списка кластера наиболее вероятного вектора путем применения дополнительных проверок с использованием проверочных соотношений проверочной матрицы кода. Задачей этого блока является подтверждение того решения о принятом кодовом векторе, которое было выработано в блоке 9.
Блок исправления стираний 11 обеспечивает формирование выходного вектора за счет исправления всех стертых позиций.
Пусть в процессе передачи вектора  по каналу связи в нем возникли ошибки для удобства отмеченные символом *. В ходе приема вектора различные блоки системы принимают состояние, показанное в таблице 1.
Таблица 1
Состояние блоков системы
Номер позиции
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Состояние блока 6
0
1*
0
0*
0
0*
1*
1*
0*
0
0
0*
1
1
1
Состояние блока 4
5
4
6
3
6
3
2
3
5
7
6
3
4
5
7
Блок 3
5
4
6
3
6
7
7
Блок 5
0
1
0
0
0
0
1
На основе этих данных блок 7 формирует последовательность символов, относящихся к номеру кластера, заменяя значение 0 из блока 5 на знак «минус», а значение 1 на знак «плюс». В результате в блоке 7 образуется последовательность
-5+4-6|-7,
здесь вертикальная черта служит только для выделения проверочного разряда. В этой последовательности проверочный символ -7 остается неизменным, а символ -6 вычеркивается как наиболее надежный среди символов, определяющих номер кластера. Поэтому блок 7 выполняет вычисление на основе выражения (2) к новой последовательности вида
-5+4|-7,
при этом s=0, тогда для символа +4 будет получено: [+4+0]×(-7)=(-4)×(-1)=+4 - апостериорная оценка для символа -5;
для -5 будет получено: [-5+0]|-7=(+5)×(-1)=-5 - апостериорная оценка для символа +4.
Второй шаг итерации:
для +4 будет получено: [+4-5]-7=(+1)×(-1)=-1
для -5 будет получено: [-5-5]-7=(+5)×(-1)=-5
Значение -1 идет на коррекцию значения -5 и результатом этой коррекции служит выражение (-1)+(-5)=-6. Значение -5 идет на коррекцию значения +4 и результатом этих действий служит выражение (+4)+(-5)=-1. Таким образом, произошло восстановление искаженного символа, относящегося к номеру кластера.
После выполнения третьего шага итерации в блоке 7 будет получено:
для +4 [+4-5]-7=(+1)×(-1)=-1
для -5 [-5-1]-7=(+6)×(-1)=-6
После этого шага символы номера кластера принимаю вид
-6-2|-7.
Окончательно на выходе блока 7 с учетом восстановления ранее вычеркнутого символа -6 появляется последовательность
-6-2-6|-7.
Одновременно с действиями в блоке 7 выполняются аналогичные преобразования над второй последовательностью в блоке 8 и, поскольку в ней никакие символы не удаляются, s=0. Тогда
-3-6|+7.
Для -6 будет получено: [-6+0]+7=(-6)×(-1)=+6
Для -4 будет получено: [-3+0]+7=(-3)×(-1)=+3
Второй шаг итерации
[-6+3]+7=(-3)×(-1)=+3
[-3+6]+7=(+3)×(-1)=-3
Третий шаг итерации
[-6-3]+7=(-7)×(-1)=+7
[-3+3]+7=(-0)×(-1)=0
Окончательно на выходе блока 8 формируется последовательность:
+4-6|+7.
На основании данных из блоков 7 и 8 блок 9 формирует последовательность вида
В кластер с номером  входят четыре комбинации кода (15, 5, 7), представленные в таблице 2.
Таблица 2
Представители кластера с номером 000
Номер позиции
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Комбинация №1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Комбинация №2
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
Комбинация №3
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
Комбинация №4
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
В блоке приоритетов 10 из кодового вектора, полученного с выхода блока 9, удаляют последовательно те символы, которые имеют наименьший вес и вероятность ошибочной регистрации которых наиболее высокая.
Позиции таких символов, относящихся к проверочным, а также позиции символов с номерами 10 и 15 регистрируются в блоке 10 как стирания. Из-за низкого уровня ИДС второго символа, входящего в номера кластера (значение ИДС получено в ходе восстановления номера кластера), может возникнуть ситуация неопределенности. Для ее разрешения блок 10 среди оставшихся проверочных разрядов «выбирает» разряд с наибольшим значением ИДС. Таким разрядом в приведенном примере оказывается символ на позиции с номером 11, ИДС которого равен 6. Блок 10 в соответствии с проверочной матрицей кода выполняет проверку для этой позиции
1
2
5
x⊕x⊕x=O⊕0⊕0=0,
что соответствует позиции с номером 11. При необходимости блок 10 может выполнить несколько подобных проверок.
Таким образом, система исправления стираний с защитой номера кластера при восстановлении номера кластера и старших разрядов координат способна восстановить n-k стертых позиций.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».