СПОСОБ АДАПТИВНОЙ КОРРЕКЦИИ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКЕ В КАНАЛЕ СВЯЗИ
METHOD FOR ADAPTIVE CORRECTION OF INFORMATION TRANSFER SPEED TO JAMMING ENVIRONMENT IN COMMUNICATION CHANNEL

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для адаптивной коррекции скорости передачи информации в зависимости от качества канала связи.
Многие реальные каналы связи являются нестационарными каналами, состояние которых изменяется со временем. При ухудшении помеховой обстановки вероятность доведения сообщения в таких каналах связи может уменьшиться ниже допустимой величины. В этом случае требуемую вероятность доведения сообщения можно обеспечить за счет изменения скорости передачи информации в зависимости от качества канала. При изменении скорости передачи информации меняется длительность элемента сигнала, передаваемого по каналу связи, а значит, при постоянной мощности излучения меняется его энергия и отношение сигнал-шум, определяющее вероятность безошибочного приема передаваемого элемента сигнала. Скорость передачи информации в канале связи может выбираться из заранее определенного для каналообразующей аппаратуры ряда значений скоростей, например, для канала связи диапазона ДКМВ значения скоростей передачи информации могут принимать величины 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с. Соседние значения скоростей передачи информации отличаются вдвое. Нерациональный выбор скорости передачи информации может привести к многократному (по крайней мере, к двукратному) увеличению времени доведения сообщения. В связи с этим актуальной задачей является выбор наиболее высокой скорости передачи информации, обеспечивающей заданную вероятность доведения сообщения. При этом выбор такой скорости должен выполняться за наименьшее время и с минимальным числом переключений скорости передачи информации.
Известен способ адаптивной коррекции скорости передачи информации в зависимости от качества канала связи, заключающийся в том, что сначала при установлении соединения передающая и принимающая стороны соответственно по каналам прямой и обратной связи передают служебную информацию о поддерживаемых скоростях передачи информации в канале связи. Затем передачу информации начинают с максимально возможной для передающей и приемной сторон скорости. При приеме переданного сообщения скорость передачи информации сохраняют, а при отсутствии приема переданного сообщения передающая сторона переключается на меньшую скорость. Если при меньшей скорости приемник принимает сообщение, то выбранную скорость передачи сохраняют. Если же при передаче с меньшей скоростью сообщение не принимают, то устанавливают еще более низкую скорость передачи информации. Снижение скорости передачи информации выполняют до тех пор, пока сообщение не будет принято. [Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя - Спб. "Лань", 1997, стр.205].
Недостатком этого способа является большое время установления необходимой скорости передачи в канале связи и увеличение времени доведения сообщения из-за того, что переход с большей скорости передачи информации на меньшую выполняют без пропуска промежуточных скоростей передачи.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ адаптивной коррекции скорости передачи информации к помеховой обстановке в канале связи, заключающийся в том, что на передающей стороне исходную информацию кодируют помехоустойчивым каскадным кодом и передачу информации начинают с наибольшей из возможных для передающей и приемной сторон скорости. В случае приема информации с приемной стороны на передающую сторону канала связи, передают квитанцию. На передающей стороне квитанцию принимают. При отсутствии квитанции о приеме переданной информации передающая сторона переключается на меньшую скорость передачи. Если при повторной передаче информации с меньшей скоростью квитанцию о приеме информации не принимают, передающая сторона опять переключается на меньшую скорость до получения квитанции о приеме информации. При этом на приемной стороне канала связи поступающие сигналы обрабатывают М параллельно работающих устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации. Обработку сигналов в каждом из М устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации проводят на тактовых частотах, соответствующих возможным М скоростям передачи информации в канале связи, и квитанцию на передающую сторону отправляют при установлении цикловой синхронизации в одном из М параллельно работающих устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации. [Филимонов Ю.Ф. Анализ вариантов реализации режима работы АПД адаптивной к помеховой обстановке в канале связи. Труды V Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления» 2006, Ч.1, Калуга, изд-во ЦНТИ, с.47-52].
Недостаток известного способа заключается в большом времени установления необходимой скорости передачи информации в канале связи из-за того, что скорость передачи информации последовательно уменьшают на одну ступень до момента приема сообщения, что может потребовать большое число переключений скорости передачи.
Цель изобретения - сокращение времени установления скорости передачи информации в канале связи, необходимой для приема сообщения.
Для достижения цели предложен способ адаптивной коррекции скорости передачи информации к помеховой обстановке в канале связи, заключающийся в том, что на передающей стороне исходную информацию кодируют помехоустойчивым каскадным кодом и передачу информации начинают с наибольшей из возможных для передающей и приемной сторон скорости. В случае приема информации с приемной стороны на передающую сторону канала связи передают квитанцию. На передающей стороне квитанцию принимают. При отсутствии квитанции о приеме переданной информации передающая сторона переключается на меньшую скорость передачи. Если при повторной передаче информации с меньшей скоростью квитанцию о приеме информации не принимают, передающая сторона опять переключается на меньшую скорость до получения квитанции о приеме информации. При этом на приемной стороне канала связи поступающие сигналы обрабатывают М параллельно работающих устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации. Обработка сигналов в каждом из М устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации проводится на тактовых частотах, соответствующих возможным М скоростям передачи информации в канале связи, и квитанцию на передающую сторону отправляют при установлении цикловой синхронизации в одном из М параллельно работающих устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации. Новым является то, что на приемной стороне в скользящем окне приема, длина которого равна блоковой длине каскадного кода, подсчитывают число принятых неискаженных слов внутреннего кода и по числу принятых неискаженных слов внутреннего кода оценивают качество канала связи, а затем вычисляют значение скорости передачи, которая обеспечивает требуемую вероятность доведения информации. Квитанцию передают при приеме хотя бы одного неискаженного слова внутреннего кода, и в квитанции указывают вычисленное значение скорости передачи информации. При получении квитанции передающая сторона переключается на вычисленное значение скорости передачи информации, а при неполучении квитанции на передающей стороне вычисляют скорость передачи, которая обеспечивает требуемую вероятность доведения информации, и осуществляют переключение на эту скорость. Причем зависимость между числом принятых неискаженных слов внутреннего кода и скоростью передачи информации в канале связи, обеспечивающей требуемую вероятность доведения информации, рассчитывают заранее и представляют в виде табличной функциональной зависимости. При этом цикловую синхронизацию помехоустойчивого каскадного кода устанавливают при превышении числа принятых неискаженных слов внутреннего кода каскадного кода порогового значения.
Предлагаемый способ адаптивной коррекции скорости передачи информации к помеховой обстановке в канале связи реализуют следующим образом.
На передающей стороне формируют помехоустойчивый каскадный код, например, каскадный код, внешним кодом которого является код Рида-Соломона, а внутренним - двоичный код Боуза-Чоудхури-Хоквинхема (БЧХ - код). Для этого на передающей стороне исходную информацию объемом k m-ичных (m>1) символов вначале кодируют m-ичным помехоустойчивым кодом Рида-Соломона. Код Рида-Соломона является внешним кодом или кодом первой ступени помехоустойчивого каскадного кода.
В результате кодирования информации получают кодовое слово кода Рида-Соломона (N, K), информационная длина которого равна К, а блоковая - N символов.
Далее информацию кодируют двоичным кодом БЧХ. Код БЧХ является внутренним кодом или кодом второй ступени помехоустойчивого каскадного кода. Код БЧХ имеет постоянные параметры: n - блоковая длина кода, k - информационная длина кода.
Исходной информацией для каждого слова двоичного кода БЧХ являются символы кода Рида-Соломона, рассматриваемые как последовательность двоичных символов. В результате кодирования кодом БЧХ будет N двоичных слов кода БЧХ (n, k).
Таким образом, на выходе передающей части будут получены N слов кода БЧХ, которые далее с определенной скоростью передают в канал связи.
В канале связи возможно искажение элементов передаваемого сигнала. Искажение элементов сигнала может привести к тому, что информация будет принята с ошибками.
На приемной стороне осуществляют фазовую и цикловую синхронизацию каскадного кода М параллельно работающими устройствами фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации. Обработку сигналов в каждом из М устройств фазовой коррекции, регистрации и цикловой синхронизации проводят тактовыми сигналами с частотами, соответствующими возможным М скоростям передачи информации в канале связи. При совпадении скорости передачи информации с тактовой частотой его работы устройство фазовой коррекции и регистрации восстанавливает цифровой сигнал, устраняя возможные дробления и краевые искажения элементов сигнала. Работа устройства фазовой коррекции и регистрации может осуществляться, как это описано в источнике «Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. - М.: радио и связь, 1987, стр.121».
7
Затем цифровые сигналы с М параллельно работающих устройств фазовой коррекции и регистрации поступают на соответствующие устройства цикловой синхронизации. Устройство цикловой синхронизации или фазирования (УЦФ) предназначено для определения местоположения помехоустойчивого каскадного кода, т.е. для определения его начала либо конца. Приемная сторона канала связи работает в дежурном режиме. Приемник постоянно подключен к каналу связи, и на него поступает информация, в которой может находиться помехоустойчивый каскадный код. УЦФ выполняет поиск и выделение каскадного кода в потоке информации, поступающем из соответствующего устройства фазовой коррекции и регистрации. Выделенный помехоустойчивый каскадный код затем передают в декодирующее устройство, где осуществляют его декодирование и восстановление передаваемой информации. Для поиска и выделения каскадного кода предлагают использовать кодовую цикловую синхронизацию, работа которой описана в источнике «Патент РФ №2214689 МПК Н04L 7/08 Кухарев А.Д., Квашенников В.В., Слепухин Ф.В. Способ кодовой цикловой синхронизации, приор. 28.05.2001, опубл. 20.10.2003». Для установления цикловой синхронизации в скользящем окне приема, длина которого равна блоковой длине каскадного кода, вычисляют синдром внутреннего кода каскадного кода. Нулевые синдромы соответствуют неискаженным словам внутреннего кода. Цикловую синхронизацию устанавливают, если число неискаженных слов внутреннего кода превысит пороговое значение, величину которого определяют из условия обеспечения требуемой вероятности правильной и ложной цикловой синхронизации и обычно выбирают равной 3-5 в зависимости от избыточности внутреннего кода. Каждое из М параллельно работающих устройств цикловой синхронизации обрабатывает поступающую информацию на своей рабочей тактовой частоте. При совпадении рабочей тактовой частоты со скоростью передачи с вероятностью, достаточно близкой к 1, устанавливают цикловую синхронизацию. При несовпадении рабочей тактовой частоты со скоростью передачи цикловую синхронизацию не устанавливают, а вероятность ложной синхронизации приближенно оценивают выражением
где w - пороговое значения числа принятых неискаженных слов внутреннего кода,
r - количество разрядов синдрома внутреннего кода.
лс
-12
Например, при значениях r=10, w=4 вероятность ложной синхронизации не будет превосходить величины Р=10 для каждой попытки установления цикловой синхронизации. Небольшая величина ложной синхронизации обеспечивает надежную работу цикловой синхронизации каскадного кода.
По числу принятых неискаженных слов внутреннего кода каскадного кода можно приближенно оценить качество канала связи. Допустим, что в каскадном коде содержится N слов внутреннего кода. При приеме f неискаженных слов внутреннего кода каскадного кода вероятность правильного приема слов внутреннего кода можно оценить частотой приема неискаженных слов внутреннего кода
С другой стороны, для канала связи с независимыми ошибками
где p - средняя вероятность ошибки на бит в канале связи. Из выражения (3) нетрудно получить в явном виде значение p
Средняя вероятность ошибки на бит p в канале связи или коэффициент ошибок характеризует качество используемого канала связи. По средней вероятности ошибки на бит можно оценить вероятность доведения информации или вероятность правильного приема сообщения.
i
Для канала с независимыми ошибками вероятность правильного приема p, кода при исправлении i ошибок распределена по биномиальному закону и будет равна
где n - блоковая длина внутреннего кода.
i
Для канала с независимыми ошибками вероятность трансформации q приема кода с необнаруженной ошибкой) при исправлении i ошибок рассчитывают на основе весовой структуры кода по формуле
где A(w) - спектр кода, т.е. количество слов в коде веса w;
d - минимальное кодовое расстояние внутреннего кода.
Спектры некоторых кодов приведены в литературе [Берликэмп Э.Р. Алгебраическая теория кодирования. Пер. с англ., - М.: «Мир», 1971]. Суммарная вероятность правильного приема кода запишется в виде
где t - количество ошибок, исправляемых внутренним кодом.
Аналогично, суммарная вероятность трансформации будет равна
События правильного приема, трансформации и стирания кода образуют полную группу событий, и вероятность стирания вычисляют по формуле
В качестве примера в таблице 1 представлены результаты расчета вероятностей правильного приема, стирания и трансформации двоичного кода БЧХ(31,16) с исправлением 3-х ошибок для различных вероятностей ошибки на бит. При расчетах используют спектр кода БЧХ(31,16): A(w)=(1,0,0,0,0,0,0,155,465,0,0,5208,8680,0,0,18259,18259,0,0,8680,5208,0,0,465,155,0,0,0,0,0,0,1).
Таблица 1
Вероятности приема кода БЧХ(31,16)
p
P<sub>n</sub>
P<sub>c</sub>
P<sub>m</sub>
0.01
0.99975
0.00021
0.00004
0.02
0.99673
0.00271
0.00056
0.03
0.98665
0.01106
0.00229
0.04
0.96595
0.02823
0.00581
0.05
0.93288
0.55731
0.01393
0.06
0.88748
0.09355
0.01897
0.07
0.83128
0.14049
0.02823
0.08
0.76670
0.19459
0.03870
0.09
0.69594
0.25353
0.04987
0.1
0.62383
0,31493
0.06124
Вероятность правильного приема каскадного кода есть вероятность приема внешнего кода. При i ошибках и минимальном кодовом расстоянии D внешнего кода внешний код исправляет не более D-1-2i стираний, и формула, связывающая вероятность правильного приема кода с вероятностями правильного приема, стирания и трансформации слов внутреннего кода для канала с независимыми ошибками, запишется в виде
где число ошибок t, исправляемых внешним кодом
,
INT - целая часть числа.
nn
Формулы (4)…(10) позволяют численными методами определить качество канала связи p, при котором обеспечивается требуемая вероятность правильного приема каскадного кода P, достаточно близкая к 1 (0,99).
1
nn
Знание качества канала p при данной скорости передачи информации позволяет определить отношение мощности бита к спектральной плотности помехи (отношение сигнал-шум), а значит и скорость передачи, необходимую для обеспечения качества канала связи p, при котором достигается требуемая вероятность правильного приема каскадного кода P.
Для канала связи с белым гауссовским шумом при когерентном приеме средняя вероятность ошибки на бит выражается формулой
c
c
с
с
2
где V=1/T - скорость передачи информации (скорость передачи одного бита), Т - длительность бита, Р - мощность бита, ν - спектральная плотность помехи,
Ф(х) - табулированная функция Крампа
γ=1 соответствует частотному телеграфированию,  - фазовой манипуляции,  - амплитудной манипуляции.
c
1
c1
Из соотношения (11) можно определить для известных p и V отношение сигнал-шум. Подставляя в (11) вместо p необходимое p нетрудно получить искомое значение скорости передачи информации V.
c1
1
c
Таким образом, искомое значение скорости передачи V связано некоторой функциональной зависимостью с величинами p, p и V
1
c
1
c
c1
Эту функциональную зависимость для различных значений аргументов p, p и V, используя описанную последовательность вычислений, можно определить заранее и представить в виде табличной функциональной зависимости. Эту таблицу, входом которой являются переменные p, p и V, а выходом - новое искомое значение скорости передачи информации V, можно записать в запоминающее устройство (ЗУ), например, в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и использовать для быстрого определения новой скорости передачи информации. Причем, если определение новой скорости передачи информации по приведенным выше формулам требует большого объема вычислений, то для получения скорости передачи информации по таблице требуются минимальные вычислительные ресурсы.
Табличным путем на приемной стороне вычисляют значение скорости передачи, которая обеспечивает требуемую вероятность доведения информации. Квитанцию на передающую сторону передают при приеме хотя бы одного неискаженного слова внутреннего кода и в квитанции указывают вычисленное значение скорости передачи информации. При получении квитанции передающая сторона переключается на вычисленное значение скорости передачи информации.
При неполучении квитанции, то есть отсутствии приема, вероятность неискаженного приема внутреннего кода меньше, чем величина
Описанный выше способ позволяет определить качество канала связи и по таблице на передающей стороне оценить скорость передачи, которая обеспечивает требуемую вероятность доведения информации, а затем переключиться на эту скорость передачи информации.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, за счет оценивания качества канала связи и выбора скорости передачи информации на основе этой оценки сокращается математическое ожидание времени установления скорости передачи информации, которая обеспечивает требуемую вероятность доведения информации до ее получателя. Действительно, при равномерном распределении скоростей передачи информации плотность вероятности которых равна
математическое ожидание времени установления скорости передачи информации для прототипа будет
С другой стороны, в предлагаемом способе при вычислении скорости передачи информации достаточно всего одной передачи информации.
Достигаемым техническим результатом способа адаптивной коррекции скорости передачи информации к помеховой обстановке в канале связи является сокращение времени установления скорости передачи информации в канале связи.