Способ передачи сообщений в системе с обратной связью

Способ передачи сообщений в системе с обратной связью

Реферат

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для передачи и приема сообщений, защищенных помехоустойчивым кодом.

Одним из основных свойств большинства реальных каналов связи является не стационарность или изменение состояния канала связи во времени. В каналах связи низкого качества целесообразно передавать меньшее количество информации в сообщении, поскольку в этом случае вероятность правильного приема сообщения увеличивается. При улучшении качества канала связи количество информации в сообщении следует увеличить, так как в этом случае суммарный объем передаваемой по каналу служебной информации уменьшается, что позволяет увеличить объем полезной информации, передаваемой по каналу связи в единицу времени.

Предлагаемый способ позволяет решить актуальную задачу выбора оптимальной длины информационной части помехоустойчивого кода (длины информационного пакета) в зависимости от качества канала связи, обеспечивающей наибольшую скорость передачи полезной информации по каналу связи. Причем помехоустойчивый код состоит из закодированного исходного информационного пакета и избыточных проверочных символов помехоустойчивого кода, а под полезной информацией, передаваемой по каналу связи, понимается информация исходного информационного пакета, которая доводится до получателя сообщения на приемной стороне системы связи.

Известен способ передачи информации по протоколу MNP4, предусматривающего исправление ошибок (или схожему по возможностям протоколу Международного Союза электросвязи ITU-Т V.42) в процедуре адаптивной сборки пакетов информации, при котором передают пакеты информации различной длины, защищенные помехоустойчивыми кодами. Пакет может содержать 32, 64, 128, 192 или 256 байт информации. При большом уровне шумов в канале связи информацию передают пакетами меньших размеров. В результате этого повышается вероятность правильного приема пакета информации. По каналам высокого качества пересылают пакеты информации больших размеров: при этом уменьшается количество служебной информации и увеличивается скорость передачи информации. Контроль ошибок в пакетах информации осуществляют с помощью помехоустойчивого кода, используемого в режиме обнаружения и исправления ошибок (Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя. Оформление А.Лурье. СПб.: Лань. 1997, стр. 184).

Недостатком этого способа является снижение скорости передачи информации по каналу связи за счет того, что длину пакета информации выбирают опытным путем. При этом длина пакета информации может не соответствовать состоянию канала связи в текущий момент времени.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) передачи сообщений в системе с обратной связью, заключающийся в том, что на передающей стороне системы связи информационный пакет кодируют помехоустойчивым кодом, затем к помехоустойчивому коду добавляют служебную информацию и полученную информационную последовательность передают в канал связи. На приемной стороне системы связи из полученной информационной последовательности выделяют помехоустойчивый код и выполняют его декодирование. По результатам декодирования помехоустойчивого кода оценивают количество ошибок в информационном пакете и среднюю вероятность ошибки на бит в канале связи, характеризующую качество канала связи. В зависимости от средней вероятности ошибки на бит в канале связи определяют оптимальную длину информационного пакета, которая обеспечивает максимальную скорость передачи полезной информации в канале связи и новое значение длины информационного пакета по каналу обратной связи доводят до передающей стороны системы связи. (Заявка №1120932 ЕПВ, МПК 7 Н 04 L 1/00, Н 04 L 1/20, опубл. 01. 08. 2001).

Недостатки известного способа заключаются в низкой скорости передачи информации в канале связи из-за невысокой точности определения параметров канала связи и погрешности в выборе значения длины информационного пакета, а также в сложности реализации способа.

Цель изобретения - упрощение способа и повышение скорости передачи полезной информации в канале связи за счет того, что канал связи описывают модифицированной моделью канала Пуртова с двумя параметрами, которые определяют качество канала связи, и выбор значения длины информационного пакета в зависимости от параметров канала связи осуществляют с помощью функциональной зависимости, оптимизирующей скорость передачи полезной информации в канале связи.

Для достижения цели предложен способ, заключающийся в том, что на передающей стороне системы связи информационный пакет кодируют помехоустойчивым кодом, затем к помехоустойчивому коду добавляют служебную информацию и полученную информационную последовательность передают в канал связи. На приемной стороне системы связи из полученной информационной последовательности выделяют помехоустойчивый код и выполняют его декодирование. По результатам декодирования помехоустойчивого кода оценивают количество ошибок в информационном пакете и среднюю вероятность ошибки на бит в канале связи, характеризующую качество канала связи. В зависимости от средней вероятности ошибки на бит в канале связи определяют оптимальную длину информационного пакета, которая обеспечивает максимальную скорость передачи полезной информации в канале связи, и новое значение длины информационного пакета по каналу обратной связи доводят до передающей стороны системы связи. Отличием предложенного способа является то, что качество канала связи оценивают средней вероятностью ошибки на бит в канале связи и коэффициентом группирования ошибок, среднюю вероятность ошибки на бит в канале связи и коэффициент группирования ошибок определяют по частоте приема слов помехоустойчивого кода, при декодировании которых не были обнаружены ошибки, и новое значение длины информационного пакета выбирают из условия оптимизации функциональной зависимости между скоростью передачи полезной информации в канале связи и длиной информационного пакета, средней вероятностью ошибки на бит в канале связи и коэффициентом группирования ошибок, причем новое значение длины информационного пакета определяют с помощью функциональной зависимости, заданной таблично.

Предлагаемый способ передачи сообщений в системах связи реализуют следующим образом.

На передающей стороне сначала исходный информационный пакет объемом k двоичных символов кодируют помехоустойчивым кодом, например, помехоустойчивым циклическим кодом.

Для описания процедуры кодирования представим исходную информацию в виде информационного полинома f(x), коэффициентами которого являются двоичные информационные символы.

Проверочную часть r(х) слова помехоустойчивого кода в полиномиальной форме записывают в виде

где g(x) порождающий полином помехоустойчивого кода, n - блоковая длина, а k - информационная длина кода (длина информационного пакета).

При выборе порождающего полинома g(x) помехоустойчивого кода руководствуются желаемой разрядностью остатка r(х) в уравнении (1) и способностью кода обнаруживать и исправлять ошибки. Выбор порождающего полинома помехоустойчивого кода имеет значение с точки зрения сложности реализации кодирования и декодирования кода. Процедуры кодирования и декодирования кода могут быть упрощены, если выбранный порождающий полином образует помехоустойчивый циклический код. Ряд порождающих полиномов принят международными организациями в качестве стандартов. Рекомендацией ITU-Т (Международного Союза электросвязи) V.41 стандартизуется порождающий полином g(x)=х¹⁶+х¹²+х⁵+1, для которого разрядность проверочной части кода равна 16.

Увеличение числа разрядов проверочной части кода повышает надежность передаваемых данных. Порождающий полином 32-й степени дает 32-разрядный остаток и стандартизован в рекомендации ITU-Т V.42 в виде g(x)=x³²+х²⁶+х²³+х²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1.

Помехоустойчивый код, состоящий из информационной и проверочной частей, в полиномиальной форме после вычисления проверочной части записывают в виде

а(х)=f(x)x^r+r(х),

где r=n-k - избыточность помехоустойчивого кода.

Далее к слову помехоустойчивого кода добавляют служебную информацию, например синхронизирующую последовательность (маркер цикловой синхронизации) с(х) длины h символов. В качестве синхронизирующей последовательности выбирают двоичную последовательность подходящей длины (обычно h=8...50) с хорошими синхронизирующими свойствами, например, последовательность Баркера или последовательность максимальной длины (код Рида-Маллера 1-го порядка).

Выходной информационной последовательностью передающей части системы связи будет последовательность, которую в полиномиальной форме записывают в виде

Далее символы выходной информационной последовательности b(х), преобразованные в сигнал, поступают в канал связи. В канале связи из-за помех возможно искажение передаваемого сигнала. Это может привести к тому, что передаваемая информационная последовательность будет принята с ошибками.

На приемной стороне системы связи сначала осуществляют цикловую синхронизацию помехоустойчивого кода. Для этого в информационной последовательности символов, поступающей на вход приемной части, обнаруживают синхронизирующую последовательность с(х).

После установления цикловой синхронизации осуществляют выделение в принятой информационной последовательности помехоустойчивого кода а(х). Далее выполняют декодирование помехоустойчивого кода с обнаружением и исправлением ошибок. В процессе декодирования помехоустойчивого кода возможны либо правильный прием сообщения, либо трансформация (ложный прием) сообщения, либо стирание (отказ от декодирования) сообщения. Помехоустойчивый код с обнаружением и исправлением ошибок исправляет t и менее ошибок в кодовом слове, при наличии s (s≥t) и менее ошибок - ошибки только обнаруживают и помехоустойчивый код стирают. При декодировании помехоустойчивого кода оценивают вероятность безошибочного приема исходного информационного пакета, то есть подсчитывают частоту λ приема кодовых слов, при декодировании которых не были обнаружены ошибки.

Для канала с группированием ошибок, согласно модифицированной модели канала Пуртова, вероятность безошибочного приема кодового слова выражается формулой (Самойлов В.М. Обобщенная аналитическая модель канала с групповым распределением ошибок. Вопросы радиоэлектроники, сер. ОВР, вып.6, 1990)

где р - средняя вероятность ошибки на бит в канале, а - коэффициент группирования ошибок (0≤а≤1).

Из последней формулы, при наличии статистики приема безошибочных кодовых слов, для двух различных длин блоков символов n₁ и n₂ (например, для блоков символов с длиной, равной длине слова помехоустойчивого кода n₁=n, и с длиной, равной двойной длине этих слов n₂=2×n), запишем систему из двух нелинейных уравнений, позволяющую определить оба параметра канала связи с группированием ошибок p и а

где λ₁ и λ₂ - соответственно частоты безошибочного приема блоков длины n₁ и n₂ символов.

Отсюда параметры канала связи запишутся в виде

Эти параметры определяют состояние канала связи, то есть его качество.

В зависимости от качества канала связи определим новое значение k длины исходного информационного пакета, обеспечивающее оптимальную величину скорости передачи полезной информации в канале связи.

Для системы с защитой информации помехоустойчивым кодом и повторениями не принятых сообщений (при наличии канала обратной связи) коэффициент скорости передачи полезной информации с выражают формулой

где R=k/(k+r+h) - скорость помехоустойчивого кода с учетом избыточности, затрачиваемой на синхронизацию помехоустойчивого кода, причем обратная величина R^-1 показывает, во сколько раз снижается скорость передачи информации за счет помехоустойчивого кодирования, μ - коэффициент, показывающий, во сколько раз снижается скорость передачи информации за счет повторений сообщений в случае их неприема.

Вероятность правильного приема кода при m-кратном повторении, считая, что события приема кода при каждом повторении независимы друг от друга, выражают уравнением

где Р_nn - вероятность правильного приема кода, Р_oo - вероятность обнаружения ошибок кодом или вероятность стирания

P_oo=1-P_nn-P_но,

где Р_но - вероятность трансформации кодового слова.

Коэффициент снижения скорости передачи за счет повторений μ определяется следующим образом. Если τ₁ - время однократной передачи кодового слова, тогда среднее время передачи, при условии, что в системе допускается m-кратное повторение, запишем в виде

и коэффициент снижения скорости передачи за счет повторений будет равен

Отсюда уравнение для коэффициента скорости передачи полезной информации с в канале связи запишем в форме

Вероятность стирания Р_oo помехоустойчивого кода зависит от параметров кода и качества канала связи

где ν - количество ошибок в кодовом слове, β - коэффициент трансформации, равный отношению числа трансформированных кодовых слов к числу стертых кодовых слов с числом ошибок ν>s.

Коэффициент трансформации β приближенно оценивают по формуле

Согласно модифицированной модели канала Пуртова вероятность t и более ошибок (t≥2) в блоке длины n бит выражают формулой

где

и вероятности, входящие в формулу (7), запишем в виде

Формулы (6)...(11) устанавливают явную функциональную зависимость между скоростью передачи полезной информации μ, значением длины информационного пакета k и параметрами, характеризующими качество канала связи р и а. Решая задачу оптимизации, можно получить значение длины информационного пакета k, при которой скорость передачи полезной информации μ достигает максимального значения. Решение такой оптимизационной задачи требует существенных вычислительных ресурсов и не всегда возможно в режиме реального времени. Задачу быстрого нахождения экстремума величины μ можно упростить, если заранее подсчитать для каждого набора параметров канала связи р и а соответствующие значения оптимальной длины информационного пакета k и свести эти значения в таблицу, входом которой являются значения параметров канала р и а, а выходом оптимальные значения длин информационного пакета k. Такая таблица задает функциональную зависимость оптимального значения величины k от параметров канала связи р и а, то есть дает табличное определение функции.

В качестве примера рассмотрим систему, в которой сообщения защищают помехоустойчивым кодом, порождающим многочленом которого является многочлен 32-й степени. Декодирование помехоустойчивого кода осуществляют только с обнаружением ошибок, без их исправления. При этом минимальное кодовое расстояние рассматриваемого помехоустойчивого кода, равное 3, позволяет коду обнаруживать все ошибки двойной кратности и меньше. В качестве синхронизирующей последовательности используется 32-разрядная последовательность, представляющая собой последовательность максимальной длины, дополненная одним битом проверки на четность. Таким образом, длина проверочной части помехоустойчивого кода r=32, длина синхронизирующей последовательности также составляет h=32. Используя формулы (6)...(11), можно вычислить оптимальные значения длины информационного пакета k для различных наборов параметров канала связи р и а. Эти значения величины k, а также соответствующие величины скорости передачи полезной информации в канале связи с были вычислены заранее и приведены соответственно в таблицах 1 и 2. При этом, поскольку всю избыточность помехоустойчивого кода используют только для обнаружения ошибок, коэффициент трансформации β по формуле (8) примерно оценивается величиной 1/2^-32, и при расчетах трансформациями кодовых слов можно было пренебречь.

При передаче сообщений по каналу связи информационными пакетами длиной k=64 бит были определены частота приема кодовых слов без ошибок λ₁=0,992, частота приема двух кодовых слов подряд без ошибок λ₂=0,986. Коэффициент скорости передачи полезной информации в канале связи, вычисленный по формуле (6), составит в этом случае величину с=0,496. В соответствии с формулами (5) параметры канала связи по модифицированной модели Пуртова будут р=0,0003, а=0,2. По таблице 1 для этих параметров канала связи оптимальная длина информационного пакета будет составлять k=992, при этом коэффициент скорости передачи полезной информации по таблице 2 будет с=0,871. Таким образом, при оптимальном выборе длины информационного пакета по таблице 1 скорость передачи полезной информации в рассматриваемом примере можно увеличить примерно в 1,76 раза.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую скорость передачи полезной информации в канале связи за счет оптимального выбора длины исходного информационного пакета, в зависимости от качества канала связи. Канал связи описывают модифицированной моделью канала Пуртова с двумя параметрами. Это позволяет установить явную функциональную зависимость между скоростью передачи полезной информации, длиной исходного информационного пакета и параметрами канала связи. Выбор оптимальной длины исходного информационного пакета, в зависимости от качества канала связи, осуществляют с помощью функциональной зависимости, заданной таблично, что упрощает реализацию предлагаемого способа.

Достигаемым техническим результатом является упрощение способа передачи сообщений в системе с обратной связью и повышение скорости передачи полезной информации в канале связи.

Таблица 1Способ передачи сообщений в системе с обратной связью
р	а
0	0.1	0.2
0.0001	832	1024	>1024
0.0002	576	800	>1024
0.0003	512	704	992
0.0004	448	608	832
0.0005	416	544	768
Таблица 2
Р	а
0	0.1	0.2
0.0001	0.854	0.893	0.917
0.0002	0.801	0.852	0.893
0.0003	0.764	0.822	0.871
0.0004	0.736	0.797	0.857
0.0005	0.712	0.776	0.834

1. Способ передачи сообщений в системе с обратной связью, заключающийся в том, что на передающей стороне системы связи информационный пакет кодируют помехоустойчивым кодом, затем к помехоустойчивому коду добавляют служебную информацию и полученную информационную последовательность передают в канал связи, на приемной стороне системы связи из полученной информационной последовательности выделяют помехоустойчивый код и выполняют его декодирование, по результатам декодирования помехоустойчивого кода оценивают количество ошибок в информационном пакете и среднюю вероятность ошибки на бит в канале связи, характеризующую качество канала связи, в зависимости от средней вероятности ошибки на бит в канале связи определяют оптимальную длину информационного пакета, которая обеспечивает максимальную скорость передачи полезной информации в канале связи, и новое значение длины информационного пакета по каналу обратной связи доводят до передающей стороны системы связи, отличающийся тем, что качество канала связи оценивают средней вероятностью ошибки на бит в канале связи и коэффициентом группирования ошибок, среднюю вероятность ошибки на бит в канале связи и коэффициент группирования ошибок определяют по частоте приема слов помехоустойчивого кода, при декодировании которых не были обнаружены ошибки, и новое значение длины информационного пакета выбирают из условия оптимизации функциональной зависимости между скоростью передачи полезной информации в канале связи и длиной информационного пакета, средней вероятностью ошибки на бит в канале связи и коэффициентом группирования ошибок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что новое значение длины информационного пакета в зависимости от средней вероятности ошибки на бит в канале связи и коэффициента группирования ошибок определяют с помощью функциональной зависимости, заданной таблично.