Способ выделения маркера цикловой синхронизации

Способ выделения маркера цикловой синхронизации

Реферат

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано для цикловой синхронизации сообщений в системах передачи дискретной информации.

В предлагаемом способе под маркером цикловой синхронизации будем понимать двоичную последовательность символов, определяющую начало или конец сообщения. Маркер цикловой синхронизации расположен в начале или в конце сообщения и его выделение в потоке всей информации, поступающей на вход приемного устройства, позволяет определить начало или конец сообщения. В качестве маркера цикловой синхронизации выбирают последовательность подходящей длины с хорошими синхронизирующими свойствами, например последовательность максимальной длины (код Рида - Маллера 1-го порядка). Как правило, длина F комбинации маркера для осуществления надежной синхронизации находится в пределах 20-50 двоичных символов.

Маркер цикловой синхронизации используется для осуществления синхронизации в каналах связи различного качества, в том числе и в каналах связи низкого качества с вероятностью ошибки на бит, равной 5·10^-2 и более. В каналах низкого качества, например в коротковолновых радиолиниях малой и средней мощности излучения, условия распространения радиоволн характеризуются явлением многолучевости, которое может приводить к интерференции лучей и замираниям сигнала. Причинами возникновения ошибок могут быть также индустриальные помехи и грозовые разряды. Кратковременные уменьшения относительного уровня сигнала на приемной стороне являются причиной группирования ошибок и возникновения пакетов ошибок. Для каналов связи низкого качества с группированием ошибок актуальной является задача увеличения помехоустойчивости выделения маркера цикловой синхронизации, а значит, повышения надежности цикловой синхронизации.

Известен способ выделения маркера цикловой синхронизации, при котором принятую входную последовательность, представляющую собой комбинацию двоичных символов, преобразуют из последовательного кода в параллельный код и сравнивают его с эталонной комбинацией маркера. При этом входную последовательность рассматривают как совокупность примыкающих друг к другу кодовых групп из К двоичных символов. Для каждой из этих групп формируют свой код совпадения с соответствующей группой символов эталонной комбинации маркера. В результате анализа кодов совпадения для каждой из групп символов вычисляют суммарный код совпадения входной последовательности и комбинации маркера, после чего определяют наличие маркера цикловой синхронизации в текущий момент времени [Патент Российской Федерации №2158483, МПК 7 Н04L 7/04, G06F 1/04, опубл. 2000].

Однако этот способ имеет недостаточную помехоустойчивость, обусловленную тем, что при группировании ошибок некоторые кодовые группы будут сильно искажены и суммарный код совпадения входной последовательности и комбинации маркера не сможет обнаружить наличие маркера цикловой синхронизации во входной последовательности.

Известен также способ выделения маркера цикловой синхронизации, при котором принятую входную последовательность, представляющую собой комбинацию двоичных символов, преобразуют из последовательного кода в параллельный код и сравнивают его с эталонной комбинацией символов маркера. При этом входную последовательность рассматривают как совокупность примыкающих друг к другу групп двоичных символов. Далее для выделенной группы символов входной последовательности формируют код совпадения с соответствующей группой символов эталонной комбинации маркера, представляющий собой фазу сдвига выделенной группы символов входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера. В результате анализа кодов совпадения для каждой из групп символов вычисляют суммарный код совпадения входной последовательности и комбинации маркера, после чего определяют наличие маркера цикловой синхронизации. При этом код совпадения выделенной группы символов входной последовательности определяют с учетом ошибок во входной последовательности [Патент РФ №2183911, МПК 7 Н04L 7/04, опубл. 2002].

Недостатком этого способа является невысокая помехоустойчивость выделения маркера цикловой синхронизации, поскольку в каналах связи с группированием ошибок возможно искажение одной или нескольких групп символов маркера выше допустимой величины, что приведет к невозможности выделения маркера цикловой синхронизации.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), при котором принятую входную последовательность, представляющую собой комбинацию двоичных символов, преобразуют из последовательного кода в параллельный код и сравнивают этот код с эталонной комбинацией символов маркера. При этом входную последовательность рассматривают как совокупность примыкающих друг к другу групп двоичных символов. Далее для выделенной группы символов входной последовательности вычисляют код совпадения с соответствующей группой символов эталонной комбинации маркера, представляющий собой фазу сдвига входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера. Затем в зависимости от величины фазы сдвига входной последовательности получают остальные символы маркера и вычисляют суммарный код совпадения входной последовательности и комбинации маркера, после чего определяют наличие маркера цикловой синхронизации во входной последовательности. При этом фазу сдвига выделенной группы символов входной последовательности определяют с учетом ошибок во входной последовательности [Патент РФ №2231929, МПК7 Н04L 1300 7/04, опубл. 27.06.2004].

Недостатком этого способа является невысокая помехоустойчивость, особенно при группировании ошибок в канале связи, поскольку при попадании пакета ошибок на выделенную группу символов входной последовательности и искажении выделенной группы символов выше допустимого уровня невозможно определить фазу сдвига входной последовательности, а значит, выделить маркер цикловой синхронизации.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости выделения маркера цикловой синхронизации за счет того, что маркер цикловой синхронизации выделяется по мажоритарному принципу с помощью нескольких выделенных групп символов входной последовательности, равномерно распределенных по длине входной последовательности. Равномерное распределение выделенных групп символов входной последовательности по всей длине входной последовательности уменьшает вероятность искажения выделенных групп при возникновении пакета ошибок.

Для достижения цели предложен способ, заключающийся в том, что принятую входную последовательность, представляющую собой комбинацию двоичных символов, преобразуют из последовательного кода в параллельный код и сравнивают этот код с эталонной комбинацией символов маркера. При этом входную последовательность рассматривают как совокупность примыкающих друг к другу групп двоичных символов. Далее для выделенной группы символов входной последовательности вычисляют код совпадения с соответствующей группой символов эталонной комбинации маркера, представляющий собой фазу сдвига входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера. Затем в зависимости от величины фазы сдвига входной последовательности получают остальные символы маркера и вычисляют суммарный код совпадения входной последовательности и комбинации маркера, после чего определяют наличие маркера цикловой синхронизации во входной последовательности. При этом фазу сдвига выделенной группы символов входной последовательности определяют с учетом ошибок во входной последовательности. Новым является то, что фазу сдвига входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера определяют для нескольких выделенных групп символов входной последовательности, равномерно расположенных по длине входной последовательности, далее по мажоритарному принципу принимают решение о результирующей фазе сдвига входной последовательности, а при неоднозначности решения по мажоритарному принципу в качестве результирующей фазы принимают фазу сдвига тех выделенных групп символов, где было обнаружено наименьшее количество ошибок. Затем по результирующей фазе сдвига определяют остальные символы маркера и суммарный код совпадения вычисляют путем сравнения полученных символов маркера с остальными символами входной последовательности. Причем количество групп символов входной последовательности, для которых определяется фаза сдвига по мажоритарному принципу, является нечетным числом.

Предлагаемый способ выделения маркера цикловой синхронизации реализуется следующим образом.

На передающей стороне формируют передаваемую последовательность. Например, при стартстопной цикловой синхронизации к исходному сообщению длиной n двоичных символов добавляют комбинацию маркера, то есть двоичную последовательность символов с хорошими синхронизирующими свойствами, состоящую из F двоичных символов. Далее последовательность, сформированная в виде следующих друг за другом комбинаций маркера и сообщения, преобразованная в сигнал, имеющий аналоговую форму, поступает в канал связи. В канале связи возможно искажение передаваемого сигнала. Это может привести к тому, что входная последовательность символов будет принята с ошибками.

На приемной стороне осуществляют прием из канала связи входной последовательности символов. В этой входной последовательности может находиться комбинация маркера.

Далее входную последовательность символов преобразуют из последовательного кода в параллельный код. Для этого анализируемый отрезок входной последовательности делят на N групп символов по K символов в каждой группе в соответствии с порядком поступления этих символов. Длину анализируемого отрезка входной последовательности, которую используют для выделения комбинации маркера, определяют как сумму числа символов F в комбинации маркера и числа символов K в группе (обычно K<<F). Поэтому при любом сдвиге комбинации маркера в пределах группы символов, состоящей из K символов, маркер полностью помещается в указанный отрезок входной последовательности символов.

Далее выделяют несколько, например, m (m>1) групп символов анализируемого отрезка входной последовательности. Эти выделенные группы символов равномерно расположены по длине входной последовательности, то есть выделенные группы символов разделены одинаковым числом других групп символов. При этом выделенные группы символов не являются первой и последней группами символов входной последовательности, При сдвиге входной последовательности не более чем на K символов ни одна из выделенных групп символов не выходит за пределы анализируемого отрезка входной последовательности символов. При таком расположении выделенных групп символов во входной последовательности пакеты ошибок ограниченной длины искажают меньшее число выделенных групп символов. Например, при возникновении пакета ошибок, длина которого не более длины K группы символов, будет искажаться не более чем одна выделенная группа символов.

Затем для каждой выделенной группы символов вычисляют фазу сдвига входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера. Фаза сдвига входной последовательности определяет, на сколько символов входная последовательность смещена относительно эталонной комбинации маркера.

Рассмотрим сначала формирование фазы сдвига входной последовательности для первой выделенной группы символов. Определение фазы сдвига выделенной группы символов входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера осуществляют по таблицам, записанным в запоминающее устройство (ЗУ), например в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Входом такой таблицы или ее адресом являются данные, составляющие входную последовательность символов, входящих в выделенную группу символов с учетом ошибок, наложившихся на входную последовательность в канале, выходом таблицы - величина сдвига (фаза) входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера.

Таблицу фаз сдвигов формируют заранее на приемной стороне в следующем порядке. Поскольку выделенная группа символов входной последовательности не является первой и последней группой символов, то она полностью состоит из символов маркера. Фаза сдвига входной последовательности определяется в зависимости от расположения комбинации маркера относительно второй группы символов. Во второй группе символов могут быть первые K символов маркера. В этом случае будем считать, что входная последовательность принята с фазой, равной 0. Если во второй группе символов K символов маркера начинаются со второго символа маркера, тогда входная последовательность принята с фазой, равной 1 и т.д. Всего существует K фаз положения входной последовательности в пределах одной группы.

Составим следующую таблицу ϕ₁=T₁(A₁). Входом этой таблицы являются комбинации A₁ из K символов выделенной группы маркера, принятые с различными сдвигами, начиная с 0 и до K-1, а выходом - указанные сдвиги от 0 до K-1 или фазы ϕ₁ выделенной группы символов длины К входной последовательности относительно комбинации маркера.

Поскольку комбинация маркера выбрана из числа последовательностей с хорошими синхронизирующими свойствами, сдвиги рассматриваемой группы символов маркера на K-1 символов и менее будут попарно отличаться друг от друга на некоторое число символов. Пусть минимальное расстояние по Хеммингу между рассматриваемыми комбинациями составляет величину d_min, тогда при наличии ошибок в группе символов маркера, кратность которых не превышает (d_min-1)/2, комбинация маркера будет определяться однозначно.

Внесем в рассматриваемую таблицу фаз ϕ₁=T₁(A₁) также комбинации маркера, отличающиеся от ранее записанных сдвигов маркера на вектор ошибок, вес которого не превышает величины (d_min-1)/2.

Входом таблицы являются К двоичных символов и объем таблицы будет составлять 2^K значений. Из них точно К значений будет соответствовать возможным сдвигам маркера, а значений для каждого из K сдвигов будет соответствовать сдвигам маркера с ошибками, где t=(d_min-1)/2 - количество ошибок в группе символов, которые исправляет комбинация маркера. Оставшееся количество значений в таблице, которым не будет соответствовать определенная фаза маркера, будет равно

Эти значения в таблице заполняются запрещенными комбинациями, например числом К. Поэтому разрядность выхода таблицы будет равна log₂(K).

Аналогичным образом строятся таблицы определения фазы сдвига входной последовательности для остальных выделенных групп символов. В результате получим множество таблиц ϕ₂=Т₂(А₂), ϕ₃=Т₃(А₃)..., то есть получим свою таблицу ϕ_i=T_i(A_i) для каждой i-й выделенной группы символов.

Немаловажное значение при реализации предлагаемого способа имеет выбор подходящего значения длины K группы символов. При увеличении длины К синхронизирующие свойства входной последовательности улучшаются, но при этом экспоненциально растет объем таблиц определения фаз и соответственно требуемый объем памяти ПЗУ, что вызывает необходимость ограничивать величину K.

Таким образом, на выходе каждой таблицы будут фазы сдвига входной последовательности, определенные для каждой выделенной группы символов. Далее по мажоритарному принципу принимается решение о результирующей фазе сдвига входной последовательности. Для этого каждая фаза сдвига по очереди сравнивается с остальными фазами, то есть фаза ϕ₁ сравнивается с фазами ϕ₂, ϕ₃,..., и при этом подсчитывается число совпадений фазы ϕ₁ с остальными фазами. Пусть оно равно L₁. Аналогичное число совпадений для фазы ϕ₂ - L₂, для фазы ϕ₃ - L₃ и т.д. В качестве результирующей фазы по мажоритарному принципу выбирается фаза, для которой выполняется условие

При неоднозначности решения по мажоритарному принципу, то есть при наличии нескольких фаз с одинаковым числом совпадений, в качестве результирующей фазы принимают фазу сдвига тех выделенных групп символов, где было обнаружено наименьшее количество ошибок при сравнении входной последовательности с комбинацией маркера. Причем количество выделенных групп символов входной последовательности, для которых по мажоритарному принципу определяется фаза сдвига, желательно выбирать нечетным числом. Это объясняется тем, что при четном числе групп символов входной последовательности возможна неоднозначность в принятии решения по мажоритарному принципу.

На основании величины результирующей фазы сдвига, которая наибольшее число раз встречается среди фаз ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃,..., можно получить остальные символы маркера. Вычисление остальных символов маркера по результирующей фазе сдвига выполняется по таблице Q₂(ϕ), входом которой является результирующая фаза сдвига входной последовательности, а выходом - остальные символы маркера, не входящие в выделенные группы символов. Адресное пространство памяти ПЗУ для хранения таблицы Q₂(ϕ) будет оцениваться величиной log₂(K), а разрядность выхода таблицы будет равна

где m - количество выделенных групп символов.

Поэтому объем памяти ПЗУ, необходимый для хранения таблицы Q₂(ϕ)

как правило, существенно меньше объема памяти для хранения таблиц T_i(A_i) i=1, 2,...

Далее полученные по таблице Q₂(ϕ) символы маркера поразрядно сравниваются с остальными символами входной последовательности (суммируются по модулю два). Решение о наличии комбинации маркера во входной последовательности символов и его фазе принимают в случае, если число несовпадений, то есть количество ошибок во входной последовательности символов, не превышает некоторого порогового значения числа ошибок d₀, определяемого синхронизирующими свойствами маркера и качеством используемого канала связи. Значение d₀ не должно превышать минимального расстояния маркера и его сдвигов в пределах одной группы символов. С другой стороны, для надежной синхронизации значение d₀ должно быть и не слишком малым, так чтобы вероятность превышения числа ошибок во входной последовательности значения d₀ для данного канала была достаточно близка к нулю.

Например, при общем числе групп символов в анализируемом отрезке входной последовательности, равном 7, и числе выделенных групп символов, равном 3, выделенные группы символов можно расположить на 2, 4 и 6 местах во входной последовательности, между выделенными группами символов будут располагаться 3 и 5 группы символов, а 1 и 7 группы символов будут находиться в начале и в конце входной последовательности. При этом количество выделенных групп символов выбрано нечетным, то есть 3, поскольку в этом случае реже будет возникать ситуация неоднозначности определения результирующей фазы сдвига по мажоритарному принципу. Допустим, минимальное расстояние маркера равно 7, что позволяет исправлять 3 и менее ошибок во входной последовательности. Если качество канала связи таково, что более трех ошибок во входной последовательности возникает с достаточно малой вероятностью (<10^-6), то целесообразно значение выбрать d₀=3.

В предлагаемом изобретении, в отличие от известного способа, фазу сдвига входной последовательности определяют не для одной, а для нескольких выделенных групп символов, равномерно распределенных по длине отрезка входной последовательности. Поэтому при возникновении пакета ошибок искажается только часть выделенных групп символов. Остальные выделенные группы символов позволяют правильно определить фазу сдвига входной последовательности, и, следовательно, повысить вероятность выделения маркера цикловой синхронизации по сравнению с известным способом.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа выделения маркера цикловой синхронизации является повышение его помехоустойчивости, а значит, и увеличение вероятности цикловой синхронизации.

1. Способ выделения маркера цикловой синхронизации, заключающийся в том, что принятую входную последовательность, представляющую собой комбинацию двоичных символов, преобразуют из последовательного кода в параллельный код и сравнивают этот код с эталонной комбинацией символов маркера, при этом входную последовательность рассматривают как совокупность примыкающих друг к другу групп двоичных символов, далее для выделенной группы символов входной последовательности вычисляют код совпадения с соответствующей группой символов эталонной комбинации маркера, представляющий собой фазу сдвига входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера, затем в зависимости от величины фазы сдвига входной последовательности получают остальные символы маркера и вычисляют суммарный код совпадения входной последовательности и комбинации маркера, после чего определяют наличие маркера цикловой синхронизации во входной последовательности, при этом фазу сдвига выделенной группы символов входной последовательности определяют с учетом ошибок во входной последовательности, отличающийся тем, что фазу сдвига входной последовательности относительно эталонной комбинации маркера определяют для нескольких выделенных групп символов входной последовательности, равномерно расположенных по длине входной последовательности, далее по мажоритарному принципу принимают решение о результирующей фазе сдвига входной последовательности, а при неоднозначности решения по мажоритарному принципу в качестве результирующей фазы принимают фазу сдвига тех выделенных групп символов, где было обнаружено наименьшее количество ошибок, затем по результирующей фазе сдвига определяют остальные символы маркера, и суммарный код совпадения вычисляют путем сравнения полученных символов маркера с остальными символами входной последовательности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество выделенных групп символов входной последовательности, для которых по мажоритарному принципу определяется фаза сдвига, является нечетным числом.