СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MULTIPLEXING DATA TRANSMISSION CHANNELS AND COMPLEX OF MEANS FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к методам и системам уплотнения каналов передачи данных.
Повышение скорости передачи информации, а также улучшение технических показателей каналов передачи данных является важной задачей при проектировании современных каналов передачи данных [1-5].
Известны методы повышения скорости передачи информации, среди которых можно отметить методы с частотным, временным, кодовым и пространственным уплотнением каналов передачи данных [1-5].
Недостатками указанных выше методов повышения скорости передачи информации являются ухудшение энергетических показателей каналов передачи данных при увеличении объема передаваемой информации.
Наиболее близким по технической сущности является метод уплотнения управляющей информации (служебные команды, например, по управлению и контролю состояния бортовой аппаратуры и т.п.), который обеспечивает повышение скорости и оперативности передачи управляющей информации [3-5].
Для реализации метода уплотнения управляющей информации на передающей стороне канала передачи данных используются устройство кодовых номеров пакетов управляющей информации и последовательно соединенные модулятор, усилитель мощности и передающая антенна, а на приемной стороне - последовательно соединенные приемная антенна, СВЧ усилитель, демодулятор, выделяющий номер пакета управляющей информации.
Сущность метода уплотнения управляющей информации заключается в том, что на передающей стороне канала передачи данных уменьшается объем передаваемой информации за счет передачи кодовых номеров пакетов управляющей информации, а на приемной стороне обеспечивается выделение номеров пакетов управляющей информации для потребителя.
Достоинствами метода уплотнения управляющей информации являются обеспечение повышение скорости и оперативности передачи управляющей информации в части команд управления, контроля состояния бортовой аппаратуры и т.п.
Основным недостатком прототипа является возможность передачи лишь управляющей информации (например, стандартных служебных команд управления контроля и т.п.).
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала технических средств, предназначенных для передачи информации через каналы связи.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении скорости передачи информации, а также улучшении технических характеристик канала передачи данных за счет алгоритмов, обеспечивающих на передающей стороне формирование и преобразование пакетов сообщений, вычисление матрицы взаимного распределения информационных символов пакетов и суммы весовых коэффициентов ее элементов, формирование кодовых таблиц и кодирование номеров пакетов информационных символов на передающей стороне канала передачи данных, а также формирование обратных кодовых таблиц, декодирование номеров пакетов информационных символов и формирование пакетов сообщений на приемной стороне.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе уплотнения каналов передачи данных, включающем на передающей стороне операции модуляции сигналов, усиления мощности сигналов и излучения их передающей антенной, а на приемной стороне включающем операции приема, усиления и демодуляции радиосигналов, на передающей стороне канала дополнительно введены операции формирования и преобразования пакетов сообщений, вычисления матрицы взаимного распределения информационных символов пакетов и суммы весовых коэффициентов ее элементов, формирования кодовых таблиц и кодирования номеров пакетов информационных символов, а на приемной стороне дополнительно введены операции формирования обратных кодовых таблиц, декодирования номеров пакетов информационных символов и формирования пакетов сообщений.
Указанный технический результат достигается тем, что в комплекс средств уплотнения каналов передачи данных, включающий на передающей стороне последовательно соединенные модулятор, усилитель мощности и передающую антенну, а на приемной стороне включающий последовательно соединенные принимающую антенну, усилитель СВЧ и демодулятор, на передающей стороне канала дополнительно введены формирователь пакетов сообщений, вход которого является входом канала передачи данных, а выход формирователя пакетов сообщений через преобразователь пакетов подключен к входу вычислителя, выход которого подключен первому входу кодера номеров пакетов, ко второму входу которого подключен формирователь кодовых таблиц, а на приемной стороне дополнительно введены декодер номеров пакетов, к первому входу которого подключен демодулятор, а ко второму входу подключен формирователь обратных кодовых таблиц, выход декодера номеров пакетов подключен к входу формирователя полученных сообщений, выход которого является выходом канала передачи данных.
На фиг. 1 приведена структурная схема передающей стороны канала передачи данных с веденным модулем формирования номеров пакетов сообщений, а на фиг. 2 приведена схема приемной стороны канала с введенным модулем формирования принятых сообщений, где обозначены:
1 - формирователь пакетов сообщений;
2 - преобразователь пакетов;
3 - вычислитель;
4 - кодер номеров пакетов;
5 - формирователь кодовых таблиц;
6 - модулятор;
7 - усилитель мощности;
8 - передающая антенна;
9 - приемная антенна
10 - СВЧ усилитель;
11 - демодулятор;
12 - декодер номеров пакетов;
13 - формирователь обратных кодовых таблиц;
14 - формирователь принятых сообщений.
Предлагаемый комплекс средств уплотнения каналов передачи данных содержит на передающей стороне канала передачи данных модуль формирования номеров пакетов сообщений, выход которого подключен к входу модулятора 6, а на приемной стороне канала содержит модуль формирования принятых сообщений, вход которого подключен к первому выходу демодулятора 11.
Модуль формирования номеров пакетов сообщений содержит формирователь пакетов сообщений 1, вход которого является входом канала передачи данных, а выход подключен к входу преобразователя пакетов 2, который подключен к входу вычислителя 3, выход вычислителя 3 подключен к первому входу кодера номеров пакетов 4, ко второму входу которого подключен формирователь кодовых таблиц 5.
Модуль формирования полученных сообщений содержит формирователь обратных кодовых таблиц 13, выход которого подключен к второму входу декодера номеров пакетов 12, к выходу которого подключен вход формирователя принятых сообщений 14, выход которого является выходом канала передачи данных.
Формирование кодовых таблиц на передающей стороне канала передачи данных в значительной степени определяет эффективность предлагаемого способа уплотнения сигналов
n
Исходными данными для формирования кодовых таблиц является ансамбль сообщений, который группируется в пакеты одинаковой длительности из N сообщений и преобразуется в пакеты последовательностей из N двоичных информационных символов x(t), принимающих значения 0 или 1 в соответствии с передаваемыми сообщениями, которые можно представить в виде матрицы строки:
n
n
Ввиду распределения во времени информационных символов x(t) в пакетах в соответствии с текущими информационными сообщениями взаимное положение информационных символов x(t) в каждом пакете меняется.
Число сочетаний  из N элементов матрицы строки (1) по m элементов, которые отличаются хотя бы одним элементом, вычисляется по формуле
где  - число сочетаний;
N - число элементов матрицы строки (1);
m=2, 3, …, N.
Поэтому взаимное распределение информационных символов пакетов можно представить в виде квадратичной матрицы размером (N×N):
Квадратичную матрицу (2) при условии отсутствия учета порядка элементов и повторений можно преобразовать в треугольную матрицу [6, 7].
Для передачи пакетов информационных символов на приемную сторону канала связи необходимо учитывать информацию о всех элементах матрицы (4), поэтому задача уплотнения информационных символов заключается в том, чтобы найти параметр данной матрицы, обеспечивающий достоверную передачу данных на приемную сторону с минимальным объемом передаваемой информации.
Увеличение объема передаваемой информации вызывает необходимость увеличения М - порядка относительной многофазовой модуляции (ОМФМ) и, соответственно, ухудшения энергетических показателей и помехозащищенности каналов передачи данных.
С целью уменьшения объема передаваемой информации треугольная матрица (4) преобразуется следующим образом:
- элементы матрицы представляются через диагональные элементы матрицы в виде:
- вводятся весовые коэффициенты для элементов матрицы, величина которых определяется номером столбца матрицы (второй символ в основании):
где n, i=1,2, 3, …, N;
N - число столбцов матрицы (4).
Соотношение (5) в этом случае приводится к виду:
Как было сказано выше, технический результат предлагаемого изобретения достигается с помощью алгоритмов, обеспечивающих вычисление матрицы взаимного распределения информационных символов пакетов и суммы весовых коэффициентов ее элементов, формирование кодовых таблиц и кодирование номеров пакетов информационных символов на передающей стороне канала передачи данных, а на приемной стороне - формирование обратных кодовых таблиц, декодирование номеров пакетов информационных символов и формирование принятых сообщений.
Формирование кодовых таблиц и обратных кодовых таблиц для увеличения скорости передачи информации в η=3, 4, 5, 7 и 8 раз (что соответствует скорости передачи информации соответственно C=9, 12, 15, 21 и 24 кбит/с) в каналах передачи данных, например, с полосой пропускания одного канала Δf=300 Гц и общей полосой ΔF=3,1 кГц, осуществляется следующим образом.
При реализации указанных выше параметров увеличивается количество передаваемых символов сообщений соответственно в η раз, и, следовательно, увеличивается количество элементов и порядок матрицы взаимного распределения информационных символов пакетов (4) соответственно до N=3, 4, 5, 7 и 8.
В качестве примера рассмотрим формирование пакетов информационных символов, кодовых таблиц и обратных кодовых таблиц при увеличении скорости передачи информации в N=3 раза. При этом матрица взаимного положения (3) примет вид:
Число сочетаний из 3 элементов треугольной матрицы (8) по m=2 и 3 элементов, без учета порядка элементов и повторений вычисляется по формуле (3):
В основу алгоритма формирования кодовых таблиц и обратных кодовых таблиц положена оценка суммы весовых коэффициентов элементов матрицы (8) для каждого сочетания информационных символов пакета с учетом соотношения (6) и (7). При этом суммы весовых коэффициентов элементов матрицы взаимного положения (8) при числе сочетаний (9) имеют вид:
22
22
22
y=ax=2;
33
33
33
y=ax=4;
21
11
11
22
22
y=ax+ax=3;
31
11
11
33
33
y=ax+ax=5;
32
22
22
33
33
y=ax+ax=6;
123
11
11
22
22
33
33
y=ax+ax+ax=37.
В соответствии с числом сочетаний L=7 передача данных о взаимном положении информационных символов пакетов с помощью кодовых номеров пакетов определяется кодовой таблицей 1, сформированной на базе соотношений (10).
n
Из кодовой таблицы 1 видно, что каждому взаимному положению информационных символов пакетов соответствует определенная сумма весовых коэффициентов элементов матрицы (4), что позволяет формировать кодовые номера пакетов для передачи на приемную сторону канала передачи данных. При этом формирование значений фаз ϕ для ОМФМ зависит от кодового номера пакета информационных символов.
В рассматриваемом случае при увеличении скорости передачи информации в N=3 раза в канале передачи данных с полосой пропускания одного канала, например, Δf=300 Гц и общей полосой ΔF=3,1 кГц, скорость передачи информации составит C=9 кбит/с.
В качестве модулятора при N=3 рассматривается типовая конструкция на основе ОМФМ М=3-го порядка с числом сигнальных точек p=8, при которых сигнальные созвездия размещаются по кругу соответственно через 45°, что определяет помехозащищенность и энергетические показатели каналов передачи данных [2, 8, 10]. Устранение фазовой неопределенности радиосигналов, возникающей при распространении в пространственном канале, обеспечивается за счет того, что каждому информационному символу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения [9, 10].
Соответственно обратная кодовая таблица 2 сформирована на базе кодовой таблицы 1.
Из обратной кодовой таблицы 2 следует, что в соответствии с фазами принятых сигналов формируются номера пакетов сигналов сообщений и соответственно пакеты информационных символов.
Формирование и преобразование пакетов информационных символов, кодовых таблиц и обратных кодовых таблиц при количестве информационных символов в пакетах N=4, 5, 6, 7 и 8 проводится аналогично приведенному примеру при N=3.
Число сочетаний из N элементов треугольной матрицы (4) по m элементов при количестве информационных символов в пакетах N=4, 5, 7 и 8, определяется по формуле (3):
n
В качестве модулятора информационных символов в пакетах с числом символов сообщений N=4, 5, 6, 7 и 8 используется соответственно относительная многопозиционная фазовая модуляция с числом сигнальных точек p=16, 32, 64, 128 и 256. При этом формирование значения фазы ϕ зависит от кодового номера пакета информационных символов, а увеличение скорости передачи информации с полосой пропускания одного канала, например, Δf=300 Гц и общей полосой ΔF=3,1 кГц в рассматриваемых случаях составляет, соответственно, C=9, 12, 15, 21 и 24 кбит/с.
Возможно еще увеличение скорости передачи информации, например, при пакетах с числом символов сообщений N=9 до 27 кбит/с, но это приведет к увеличению числа сигнальных точек относительной многопозиционной фазовой модуляции до p=512, и, следовательно, к ухудшению помехозащищенности и энергетических показателей каналов передачи данных.
На фиг. 3 приведена диаграмма зависимости скорости передачи информации C(p) в каналах передачи данных в зависимости от числа сигнальных точек p относительной многопозиционной фазовой модуляции.
Комплекс средств уплотнения каналов передачи данных работает следующим образом.
На передающей стороне канала передачи данных в формирователе пакетов сообщений 1 осуществляется формирование пакетов из N сообщений, которые в преобразователе пакетов 2 преобразуются в пакеты последовательностей из N двоичных информационных символов, принимающих значения 0 или 1 в соответствии с передаваемыми сообщениями. В вычислителе 3 формируется матрица взаимного распределения информационных символов пакетов и определяются суммы весовых коэффициентов ее элементов. В формирователе кодовых таблиц 4 на основании приведенных выше алгоритмов формируются связи взаимного распределения информационных символов пакетов с суммами весовых коэффициентов элементов матрицы и номерами пакетов. В кодере номеров пакетов 5 проводится выдача номеров пакетов информационных символов.
Сформированные таким образом фазы сигналов подаются на вход модулятора 6, где преобразуются в радиосигналы, которые, в свою очередь, после усиления в усилителе мощности 7 излучаются в пространство с помощью передающей антенны 8.
На приемной стороне канала передачи данных радиосигналы через последовательно соединенные приемную антенну 9 и СВЧ усилитель 10 поступают на вход демодулятора 11, в качестве которого использованы типовые конструкции на основе ОМФМ [2, 8-10].
В формирователе обратных кодовых таблиц 13 на базе кодовой таблицы 1 формируются связи фаз принятых сигналов с номерами пакетов и, соответственно, с взаимным распределением информационных символов. Формирователь принятых сообщений 14 завершает формирование сообщений и выдает их потребителю.
Предложенное изобретение обеспечивает не только увеличение скорости передачи информации, а также улучшение технических характеристик каналов передачи данных в части помехозащищенности и энергетических показателей.
Предложенный комплекс средств защиты может быть реализован на современных аппаратно - программных и вычислительных средствах.
Литература.
1. Л.М. Финк. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1963. 576 с.
2. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. 1104 с.
3. А.В. Ратынский. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина - М.: Радио и связь, 1998. 248 с. (прототип).
4. В.А. Григорьев, О.И. Лагутенко, Ю.А. Распаев. Сети и системы радиодоступа. - М.: Эко-Трендз, 2005. 384 с.
5. В.Ф. Камнев, А.И. Аболиц, А.А. Акимов, А.С. Белов, В.Ю. Бобков, М.И. Целехатый. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами разнесением ветвей и адаптивной обработкой, М. - Глобсатком, 2008. 724 с.
6. В.П. Демидович, A.M. Марон. Основы вычислительной математики, 1966, Изд. Наука, Главная редакция Физико-математической литературы, 664 с.
7. И.В. Белоусов. Матрицы и определители: учебное пособие по линейной алгебре. / Кишинев: 2006 г, Институт прикладной физики академии наук республики Молдова. 101 с.
8. Проксис Джон. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М. Радио и связь, 2000. 800 с.
9. Ю.Б. Окунев. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991. 296 с.
10. К. Феер. Беспроводная связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. / Под. ред. В.И. Дуравлева. - М. Радио и связь, 2000. 519 с.