СПОСОБ АДАПТИВНОГО ПЕРЕМЕЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛАХ СВЯЗИ С ГРУППИРОВАНИЕМ ОШИБОК
METHOD OF ADAPTIVE INTERLEAVING OF INFORMATION IN COMMUNICATION CHANNELS WITH GROUPING OF ERRORS

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для передачи дискретной информации, защищенной помехоустойчивым кодом.
Эффективным способом уменьшения группирования ошибок в каналах с памятью является перемежение символов передаваемых сообщений. Перемежение используют для разрушения пакетов ошибок, вызванных замираниями сигнала или импульсной помехой. Применение перемежения во многих случаях обеспечивает более равномерное распределение ошибок в словах помехоустойчивого кода, защищающего сообщение. При среднем количестве ошибок в словах помехоустойчивого кода, не превышающем корректирующей способности кода, перемежение увеличивает вероятность правильного декодирования кода, а значит повышает вероятность доведения сообщения. При этом аппаратные и программные затраты на реализацию перемежения и деперемежения символов существенно меньше аналогичных затрат на кодирование и декодирование помехоустойчивых кодов. Поэтому применение перемежения в некоторых случаях целесообразнее, чем использование более сложных в технической реализации мощных помехоустойчивых кодов.
При перемежении используют символы нескольких слов помехоустойчивого кода
a
a
a
a
a
a
a
a
a
11
12
1n
21
22
2n
h1
h2
hn
, , …, , , , …, , …, , , …, ,
a
ij
где -j-ый символ i-ого слова, n - блоковая длина помехоустойчивого кода.
Важной характеристикой является глубина перемежения h, которая определяется количеством слов помехоустойчивого кода, символы которых используют для перемежения. В результате перемежения получают информационный пакет из h·n символов, расположенных в следующем порядке
a
a
a
a
a
a
a
a
a
11
21
h1
12
22
h2
ln
2n
hn
, , …, , , , …, , …, , , …, ,
то есть сначала расположены первые символы всех слов помехоустойчивого кода информационного пакета, далее вторые символы и так далее. При возникновении пакета ошибок, длина которого не превосходит значения глубины перемежения, искажается всего лишь только один символ в каждом кодовом слове. На приемной стороне осуществляют деперемежение символов информационного пакета или выполняют операцию, обратную перемежению символов, и восстанавливают естественный порядок следования символов. Прием помехоустойчивого кода улучшается при согласовании значения глубины перемежения h с характером группирования ошибок в канале связи. Увеличение значения глубины премежения делает распределение ошибок более равномерным. Однако, с увеличением глубины перемежения h возрастает и время задержки в приеме сообщений. Это снижает оперативность системы связи и может ограничивать выбор значения глубины перемежения, поскольку в некоторых системах доведение сообщения должно осуществляться с минимальной временной задержкой. Предлагаемый способ позволяет определить необходимое минимальное значение глубины перемежения, обеспечивающее достаточное качество декорреляции ошибок. Выбор значения глубины перемежения осуществляют на приемной стороне канала связи, а на передающую сторону это значение может передаваться по каналу обратной связи.
Известен способ перемежения информации в каналах связи с группированием ошибок, в соответствии с которым сначала оценивают длину пакетов ошибок в канале связи и выбирают соответствующее этой длине значение глубины перемежения символов слов помехоустойчивого кода. Далее осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода с выбранным значением глубины перемежения и получают информационный пакет, составленный из символов нескольких слов помехоустойчивого кода, который передают в канал связи. На приемной стороне сначала осуществляют деперемежение символов принятого информационного пакета и получают слова помехоустойчивого кода, входящие в информационный пакет. (Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации. М.: Радио и связь, 2001, стр.119).
Недостатком этого способа является увеличение времени задержки передачи информации из-за того, что выбор значения глубины перемежения символов помехоустойчивого кода осуществляют исходя из средней или максимальной оценки длины пакета ошибок в канале связи, и при этом не учитывают возможное изменение длины пакета ошибок в нестационарном канале связи, соответствующее состоянию канала в текущий момент времени.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ перемежения информации в каналах связи с группированием ошибок, при котором на передающей стороне системы связи осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода с некоторым значением глубины перемежения и информационный пакет, составленный из символов нескольких слов помехоустойчивого кода передают в канал связи. На приемной стороне системы связи осуществляют деперемежение символов принятого информационного пакета и получают слова помехоустойчивого кода, которые декодируют с обнаружением и исправлением ошибок. По результатам декодирования слов помехоустойчивого кода осуществляют контроль качества канала связи и оценивают количество ошибок в словах помехоустойчивого кода принятого информационного пакета с учетом стираний и трансформаций слов помехоустойчивого кода. Затем сравнивают распределение вероятностей ошибок в словах помехоустойчивого кода с распределением вероятностей ошибок биномиального закона распределения и в зависимости от результатов сравнения выполняют коррекцию значения глубины перемежения, которое затем по каналу обратной связи доводят до передающей стороны системы связи (Патент РФ №2265960 МПК7 H04L 1/00, Н03М 13/27 Квашенников В.В., Слепухин Ф.В. Способ передачи информации с использованием адаптивного перемежения. Приор. 16.05.2003, опубл. 10.12.2005).
Недостаток известного способа заключается в невысокой точности установления значения глубины перемежения, особенно в начальный момент времени, поскольку точное значение глубины перемежения устанавливают в процессе ее многократной коррекции.
Цель изобретения - увеличение точности установления значения глубины перемежения за счет того, что после приема каждого информационного пакета, сначала приближенно оценивают значение глубины перемежения символов помехоустойчивого кода и только затем выполняют дополнительную коррекцию значения глубины перемежения.
Для достижения цели предложен способ перемежения информации в каналах связи с группированием ошибок, при котором на передающей стороне системы связи осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода с некоторым значением глубины перемежения, и информационный пакет, составленный из символов нескольких слов помехоустойчивого кода, передают в канал связи. На приемной стороне системы связи осуществляют деперемежение символов принятого информационного пакета и получают слова помехоустойчивого кода, которые декодируют с обнаружением и исправлением ошибок. По результатам декодирования слов помехоустойчивого кода осуществляют контроль качества канала связи и оценивают количество ошибок в словах помехоустойчивого кода принятого информационного пакета с учетом стираний и трансформаций слов помехоустойчивого кода. Затем сравнивают распределение вероятностей ошибок в словах помехоустойчивого кода с распределением вероятностей ошибок биномиального закона распределения и в зависимости от результатов сравнения выполняют коррекцию значения глубины перемежения, которое затем по каналу обратной связи доводят до передающей стороны системы связи. Новым является то, что по результатам декодирования слов помехоустойчивого кода оценивают также распределение вероятностей длины пакетов ошибок различной кратности, получают интегральное распределение вероятностей длины пакетов ошибок и определяют начальное значение глубины перемежения, равное длине пакета ошибок, интегральное распределение вероятностей длины которого превышает заданную вероятность доведения сообщения. При этом распределение вероятностей длины пакетов ошибок различной кратности определяют по распределению вероятностей длины неискаженных интервалов в словах помехоустойчивого кода, зависимость между распределением вероятностей длины неискаженных интервалов в словах помехоустойчивого кода и начальным значением глубины перемежения вычисляют заранее на стадии проектирования системы связи. Причем распределение вероятностей длины неискаженных интервалов в словах помехоустойчивого кода оценивается коэффициентом ошибок и коэффициентом группирования ошибок в канале связи, а заранее вычисленную зависимость между коэффициентом ошибок и коэффициентом группирования ошибок в канале связи и начальным значением глубины перемежения представляют в виде таблицы преобразования, записанной в запоминающем устройстве на приемной стороне системы связи.
Предлагаемый способ адаптивного перемежения информации в каналах связи с группированием ошибок реализуется следующим образом.
На передающей стороне системы связи сначала формируют слова помехоустойчивого кода. В результате кодирования информации получают слова помехоустойчивого кода (n, k), информационная длина которого равна k, а блоковая - n символов.
Далее с некоторым значением глубины перемежения осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода и получают информационный пакет из символов нескольких слов кода. В начале работы системы связи значение глубины перемежения выбирают, например, исходя из предыдущего опыта работы системы, а в дальнейшем значение глубины перемежения получают по обратному каналу связи.
Затем символы кода, входящие в информационный пакет, преобразуют в сигнал и передают в канал связи. В канале связи возможно искажение передаваемого сигнала, которые могут привести к тому, что на приемной стороне канала связи некоторые символы будут приняты с ошибками.
На приемной стороне сначала осуществляют прием символов информационного пакета. Далее осуществляют деперемежение символов информационного пакета. В результате получают слова помехоустойчивого кода, входящие в информационный пакет.
Выбор значения глубины перемежения символов помехоустойчивого кода существенно влияет на результаты приема сообщения. При излишне большом значении глубины перемежения временная задержка приема сообщения может превысить допустимую для системы связи величину, а при недостаточной величине значения глубины перемежения ошибки могут неравномерно распределиться между словами помехоустойчивого кода. Количество ошибок в некоторых словах помехоустойчивого кода может превысить его корректирующую способность, что приведет к неприему сообщения.
Выбор значения глубины перемежения выполняют на приемной стороне системы связи в два этапа. На первом этапе выбирают приближенное значение глубины перемежения символов помехоустойчивого кода. Для этого при декодировании слов помехоустойчивого кода подсчитывают количество неискаженных интервалов R(m,0) длины т в принятых словах помехоустойчивого кода для каждого m=1, 2, …, n. Распределение вероятности длины неискаженных интервалов в словах помехоустойчивого кода оценивают выражением
где n(m) - общее число интервалов длины m.
Вероятность неискаженного интервала длины m связана с коэффициентом ошибок р и коэффициентом группирования а в канале связи следующим соотношением
что позволяет определить коэффициент группирования а и коэффициента ошибок р канала связи
1
2
2
1
где m и m длины неискаженных интервалов (m>m).
Через длины неискаженных интервалов с помощью рекуррентных соотношений выражают распределение длины пакетов ошибок
…
а
Соотношения (2)…(5) задают соотношения, которые позволяют выразить в численном виде зависимость вероятностей пакетов ошибок длины m в канале связи от вероятностей неискаженных интервалов различной длины, а значит от коэффициента группирования  и коэффициента ошибок р.
а
Для сокращения вычислений на стадии эксплуатации системы связи целесообразно на стадии проектирования системы, заранее, рассчитать функциональную зависимость вероятности длины пакетов ошибок m от характеристик канала р и
m
где 1 - последовательность ошибок длины m.
а
m
На стадии эксплуатации системы связи эту зависимость в численном виде, например в виде таблицы, записанной в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) системы, используют для быстрого определения распределения вероятностей длин пакетов ошибок. При этом в качестве входных адресов таблицы используют значения m, р и , а на выходе таблицы получают вероятность пакета ошибок p(1). Начальное значение глубины перемежения h выбирают равным наименьшей длине пакета, интегральное распределение вероятностей длин которого превосходит заданную вероятность доведения сообщения
Последовательность операций этапа выбора начального приближенного значения глубины перемежения h будет следующей:
1. По результатам декодирования помехоустойчивого кода рассчитать распределение вероятностей длины неискаженных интервалов в словах помехоустойчивого кода по формуле (1).
2. Вычислить коэффициент ошибок и группирования в канале связи по формулам (3) и (4).
3. Определить распределение вероятностей длины пакетов ошибок по таблице, соответствующей соотношению (6).
4. Рассчитать значение глубины перемежения h по формуле (7).
Вычисления по пунктам 1-4 выполняют на основе ограниченной по объему статистики ошибок канала связи, а используемая при этом модель канала может отличаться от реального канала связи, поэтому полученное значение глубины перемежения может иметь погрешность. В связи с этим на втором этапе выбора значения глубины перемежения выполняют дополнительную коррекцию приближенного значения глубины перемежения h.
Для этого оценивают величину отклонения распределения вероятностей ошибок в словах кода от биномиального распределения вероятностей, соответствующего независимому распределению ошибок в словах кода. При декодировании слов помехоустойчивого кода определяют количество ошибок в каждом слове кода с учетом приближенной оценки числа ошибок в стертых и трансформированных словах помехоустойчивого кода. Суммарное количество z ошибок во всех h словах помехоустойчивого кода можно оценить выражением
где d - минимальное кодовое расстояние помехоустойчивого кода,
F(i) - количество правильно принятых слов кода с i ошибками,
S - количество стертых слов кода,
r(i) - количество трансформированных слов кода с i ошибками,
и d-i - приближенные оценки для количества ошибок соответственно в стертых и трансформированных словах кода.
Оценка для средней вероятности ошибок в словах помехоустойчивого кода запишется в виде
где N - количество символов в принятом информационном пакете из h - слов кода N=n·h.
Применение перемежения целесообразно, если среднее число ошибок е в словах кода не превышает корректирующую способность кода t (e≤t).
Дополнительная коррекция значения глубины перемежения необходима, если ошибки в словах помехоустойчивого кода отклоняются от независимого или биномиального распределения вероятностей. Это можно определить сравнением распределения ошибок в словах кода с биномиальным распределением вероятностей, которое соответствует независимому распределению ошибок. Мера отклонения количества ошибок в словах кода от среднего числа ошибок в словах кода (выборочная дисперсия числа ошибок в словах кода), выражается формулой
Оценка дисперсии биномиального распределения равна
При величине выборочной дисперсии, превышающей оценку дисперсии биномиального распределения φ≤δ, значение глубины перемежения следует увеличить, в противном случае - оставить без изменения или уменьшить.
Коррекцию значения глубины перемежения h осуществляют с помощью рекуррентной процедуры, при этом после приема очередного информационного пакета коррекцию прежнего значения глубины перемежения выполняют в зависимости от результатов приема слов помехоустойчивого кода данного информационного пакета. В результате коррекции глубины перемежения выбирают минимальное значение глубины перемежения, при котором выборочная дисперсия приближается с заданной погрешностью к дисперсии биномиального распределения. Для этого после приема каждого информационного пакета, состоящего из h слов помехоустойчивого кода, по формуле (10) вычисляют оценку выборочной дисперсии φ распределения ошибок в словах помехоустойчивого кода информационного пакета. После этого по формуле (11) оценивают дисперсию δ биномиального закона распределения, соответствующую средней вероятности ошибки на бит в словах последнего принятого информационного пакета.
При правильно выбранном значении глубины перемежения количество ошибок в словах помехоустойчивого кода последнего информационного пакета должно незначительно отклоняться от среднего числа е ошибок в канале связи, например, по сравнению с аналогичным отклонением для биномиального закона распределения.
Сравнивая выборочную дисперсию количества ошибок в словах помехоустойчивого кода последнего информационного пакета с дисперсией биномиального закона распределения, корректируем значение глубины перемежения. Правило коррекции значения глубины перемежения h запишется в виде
где ω - пороговое значение, с которого начинается регулирование значения глубины перемежения,
λ - коэффициент пропорциональности, определяющий скорость регулирования,
0
h - начальное значение глубины перемежения,
1
h - начальное значение глубины перемежения,
Выбор величины коэффициентов ω, λ имеет немаловажное значение при реализации метода. Эти коэффициенты определяют динамику регулирования значения глубины перемежения (соотношение между предисторией процесса и текущим состоянием). Величины коэффициентов ω, λ, в свою очередь, могут корректироваться в процессе сеанса связи в зависимости от результата декодирования слов помехоустойчивого кода принятого информационного пакета.
Пример. В нестационарном канале связи с группированием ошибок сообщения передают с помощью помехоустойчивого кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема (31, 16) (БЧХ-коды) с минимальным кодовым расстоянием, равным 7. Декодирование помехоустойчивого кода осуществляют с исправлением тройных ошибок, а ошибки большей кратности приводят к стиранию или трансформации слов кода. При передаче информационного пакета, состоящего из 26 слов двоичного помехоустойчивого кода БЧХ (31, 16), было получено 15 слов помехоустойчивого кода без исправления ошибок, 7 слов - с исправлением одиночных ошибок, 2 слова - с исправлением двойных ошибок, 1 - слово с исправлением тройных ошибок и 1 слово было стерто.
Сначала вычисляем приближенное значение глубины перемежения. Предположим, что значение h, при котором впервые начинает выполняться условие (7), равно 26.
Затем, для уточнения этого значения сравним распределение ошибок в словах принятого информационного пакета с распределением ошибок при биномиальном распределении. Оценка среднего числа ошибок в словах кода по результатам приема последнего информационного пакета по формуле (9) равна 0.692. Оценка средней вероятности ошибки на бит равна 0.022. Выборочная дисперсия количества ошибок в словах кода по формуле (10) будет равна 1.101, а дисперсия биномиального распределения по формуле (11) равна 0.667. Для значения коэффициентов ω=δ/10=0.0667, λ=3·δ=2, по формуле (12) получим новое значения глубины перемежения h=25.
Новое значение глубины перемежения доводят до передающей стороны системы связи, осуществляют перемежение символов слов кода, получают информационный пакет и передают его в канал связи.
В предлагаемом способе изменение значения глубины перемежения осуществляется в два этапа (двухконтурная схема адаптивного управления). Сначала определяют приближенное значение глубины перемежения, а затем оно уточняется. В отличие от прототипа выбор значения глубины перемежения осуществляется за существенно меньшее число сеансов передачи информационных пакетов, благодаря чему обеспечивается более точный и быстрый выбор минимального значения глубины перемежения, обеспечивающего равномерное распределение ошибок в словах помехоустойчивого кода.
Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа передачи информации с использованием адаптивного перемежения является повышение точности установления значения глубины перемежения, а значит более высокая вероятность доведения сообщений и сокращение времени задержки приема информации.