Способ контроля качества канала связи

Способ контроля качества канала связи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано в системах передачи дискретной информации для контроля качества каналов связи, в которых передаются сообщения, защищенные корректирующим кодом, в частности помехоустойчивым каскадным кодом.

Для доведения сообщений до получателя с заданной вероятностью в каналах связи, состояние которых изменяется со временем, необходим постоянный контроль (мониторинг) состояния каналов связи. Предлагаемый способ может применяться для контроля качества каналов связи в системах адаптивной коррекции параметров помехоустойчивого кода (информационной длины и избыточности кода) при изменении помеховой обстановки в каналах связи.

Наиболее эффективно предлагаемый способ контроля качества канала связи может использоваться при передаче сообщений, защищенных помехоустойчивым каскадным кодом. При этом качество канала связи определяется по результатам декодирования внутреннего кода каскадного кода.

Актуальной задачей является определение качества нестационарного канала связи за наименьшее время и с наибольшей точностью во всем диапазоне изменения помеховой обстановки в канале связи. Качество канала связи характеризуется рядом параметров. Изменение величины этих параметров влияет на вероятность доведения сообщения до получателя. Известно большое число моделей каналов связи, описываемых различным числом параметров качества канала связи. Например, каналы с независимыми ошибками (биномиальные каналы) полностью характеризуются одним единственным параметром - средней вероятностью ошибки на бит, каналы с группированием ошибок по модели Пуртова характеризуются двумя параметрами - средней вероятностью ошибки на бит и коэффициентом группирования. Более сложными моделями канала являются многопараметрические модели каналов связи с группированием ошибок, такие как марковские модели канала связи.

Во всех случаях независимо от модели канала основной характеристикой качества канала, как правило, является средняя вероятность ошибки на бит в канале связи p или коэффициент ошибок. Каналы связи можно разбить на каналы низкого, среднего и высокого качества, для которых соответственно выполняются следующие условия: p>0,01; 0,0001<p≤0,01; p≤0,0001. К каналам низкого качества относятся коротковолновые (KB) радиоканалы малой и средней мощности излучения. Каналами среднего качества являются некоммутируемые аналоговые телефонные каналы, ультракоротковолновые (УКВ) каналы, KB каналы большой мощности излучения. К каналам высокого качества относятся физические линии, цифровые телефонные каналы.

На доведение сообщения от его источника до получателя влияет также характер помех в канале связи. В зависимости от характера помех каналы связи могут быть с независимыми и с группирующимися ошибками. Большинство реальных каналов связи являются каналами с группированием ошибок. Группирование ошибок в канале можно характеризовать степенью группирования ошибок а или коэффициентом группирования [Морозов В.Г., Пуртов Л.П., Замрий А.С. Обобщение экспериментальных данных по вероятности и показателю группирования ошибок. Техника средств связи, сер. ТПС, 1981, вып.4(2), стр.53-60]. Коэффициент группирования может изменяться в диапазоне 0≤а≤1. Значение а=0 соответствует независимому распределению ошибок, при увеличении коэффициента группирования а ошибки собираются в пакеты, а при максимально возможном значении а=1 ошибки сгруппированы в одном пакете. По степени группирования ошибок выделяют каналы с малым, средним и большим группированием ошибок, для которых соответственно а≤0,3; 0,3<а≤0,5; а>0,5.

В рассматриваемом способе для определения параметров канала связи используется блочная статистика ошибок канала связи. Под блочной статистикой ошибок канала связи будем понимать величину P(i,n) - вероятность i ошибок в блоке длины n символов.

Известен способ контроля качества канала связи, при котором осуществляют передачу тестовой последовательности по каналу связи. На выходе канала из принятой тестовой последовательности вычитают передаваемую тестовую последовательность, и в результате получают последовательность ошибок, а затем вычисляют параметры канала связи, характеризующие его качество (Элементы теории передачи информации. Под ред. Л.П.Пуртова, М.: Связь, 1972, стр.39).

Недостатком этого способа является снижение скорости передачи полезной информации, обусловленное тем, что определение качества канала связи осуществляют при передаче по каналу тестовой последовательности, и канал связи в это время используется для проведения измерений.

Известен также способ контроля качества канала связи, при котором на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с исправлением t ошибок, по результатам декодирования определяют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода с t ошибками, далее вычисляют квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода для различного числа t ошибок в помехоустойчивом коде в пределах его корректирующей способности и затем определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода (Патент РФ №2214689, МПК 7 Н04В 17/00, опубл. 2004).

Недостатком этого способа является невысокая точность контроля качества канала связи, в частности каналов низкого качества, поскольку квадратичные отклонения экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода определяют только для правильно принятых слов помехоустойчивого кода, а стертые и трансформированные слова помехоустойчивого кода не учитывают. При снижении качества канала связи число стертых и трансформированных слов помехоустойчивого кода возрастает, что приводит к увеличению погрешности определения параметров качества канала связи.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), при котором на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне по результатам декодирования помехоустойчивого кода вычисляют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода, далее вычисляют среднее квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода и затем определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение среднего квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода [Патент РФ №2285345, МПК 7 Н04В 17/00 опубл. 10.08.2006].

Недостатком этого способа является невысокая точность контроля качества канала связи, поскольку число трансформированных слов помехоустойчивого кода и количество ошибок в стертых и трансформированных словах помехоустойчивого кода неизвестно и не может быть вычислено с достаточной точностью, что при низком качестве канала связи приводит к погрешностям в определении параметров канала связи.

Цель изобретения - повышение точности контроля качества канала связи за счет того, что в зависимости от качества канала связи выше или ниже определенного порогового значения параметры канала связи определяются либо по результатам декодирования помехоустойчивого кода, либо по результатам приема помехоустойчивого кода с заранее известной информацией.

Для достижения цели предложен способ, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне по результатам декодирования помехоустойчивого кода вычисляют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода, далее вычисляют среднее квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода и затем определяют параметры качества канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение среднего квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода. Новым является то, что параметры качества канала связи сравнивают с пороговым значением и в случае, если параметры качества канала связи больше порогового значения, то по сигналу, передаваемому по каналу обратной связи, на передающей стороне канала связи с определенной частотой формируют помехоустойчивый код с заранее известной информацией. На приемной стороне из принятого помехоустойчивого кода с заранее известной информацией вычитают переданный помехоустойчивый код и получают последовательность ошибок, а затем вычисляют параметры качества канала связи, причем частота передачи помехоустойчивого кода с заранее известной информацией определяется скоростью изменения параметров качества канала связи. При этом на передающей стороне канала связи формируют помехоустойчивый каскадный код, а на приемной стороне вычисляют экспериментальную блочную статистику декодированных слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода.

Предлагаемый способ контроля качества канала связи реализуется следующим образом.

На передающей стороне формируют каскадный код. Для этого на передающей стороне исходное сообщение объемом К m-ичных (m>1) символов вначале кодируют m-ичным помехоустойчивым кодом, например 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, например двоичным кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингема (кодом БЧХ). Код БЧХ является внутренним кодом, или кодом второй ступени помехоустойчивого каскадного кода. Код БЧХ имеет параметры: n - блоковая длина кода, k - информационная длина кода.

Исходной информацией для каждого слова кода БЧХ являются символы кода Рида-Соломона, рассматриваемые как последовательность двоичных символов. В результате кодирования кодом БЧХ получают N двоичных слов кода БЧХ (n,k) или двоичную последовательность c₁. Эта последовательность является каскадным помехоустойчивым кодом.

Далее двоичные символы каскадного кода, преобразованные в сигнал, поступают в канал связи. В канале связи возможно искажение передаваемого сигнала. Это может привести к тому, что на приемной стороне системы связи каскадный код будет принят с ошибками.

На приемной стороне сначала осуществляют прием каскадного кода.

Прием каскадного кода возможен лишь при наличии цикловой синхронизации каскадного кода. Поэтому для получения достоверной статистики ошибок канала связи немаловажное значение имеет надежная цикловая синхронизация каскадного кода, позволяющая с высокой достоверностью определить факт передачи каскадного кода и начало приема каскадного кода. При использовании каскадного кода возможно применение кодовой цикловой синхронизации (Бек Г.В., Богданович В.Н., Киреев О.П. Метод синхронизации сообщений. Сб.: Построение и анализ систем передачи информации. М.: Наука, 1980, стр.84.). Кодовая цикловая синхронизация обеспечивает высокую вероятность установления цикловой синхронизации помехоустойчивого каскадного кода.

Далее осуществляют декодирование помехоустойчивого каскадного кода. Каскадный код, поступающий на вход приемника, содержит N слов внутреннего кода каскадного кода. Декодирование каскадного кода начинают с декодирования слов внутреннего кода с обнаружением и исправлением ошибок. Предположим, что внутренний код каскадного кода гарантированно исправляет t_max и менее ошибок в кодовом слове. При количестве ошибок во внутреннем коде, большем t_max, но меньшем или равном s (s≥t_max) ошибок, ошибки гарантированно обнаруживают и кодовое слово стирают. При количестве ошибок во внутреннем коде больше величины s будут стирания и трансформации кодовых слов. В результате декодирования внутреннего кода каскадного кода получают символы внешнего кода каскадного кода, который затем также декодируют.

При декодировании внутреннего кода каскадного кода вычисляют экспериментальную блочную статистику Р_Э=Р_Э(i,n) ошибок канала связи. Экспериментальная блочная статистика ошибок канала связи есть частота приема внутреннего кода с i ошибками

,

где m(i) - количество слов внутреннего кода каскадного кода, в которых было исправлено i ошибок 0≤i≤t_max, m - общее количество принятых слов внутреннего кода.

Параметры канала связи, например средняя вероятность p ошибок на бит в канале связи, коэффициент группирования а и т.д., характеризующие качество канала связи, составляют вектор параметров качества канала связи Н=(p, а, …).

Теоретическая блочная статистика Р_Т=Р_Т(i,n,Н) ошибок канала связи зависит от вектора параметров качества канала связи Н.

Справедливо приближенное равенство

где β(i) - коэффициент трансформаций, определяющий, какую долю ошибок, которые гарантированно не обнаруживают (кратности >s), составляют трансформации кодовых слов, в которых было исправлено i ошибок.

Коэффициент β(i) приближенно оценивают по "объему сфер" по следующей формуле:

Экспериментальную блочную статистику Р_Э(i,n) вычисляют по результатам декодирования внутреннего кода каскадного кода и достоверность ее определяется объемом статистического материала и величиной Р_Э(i,n). В предлагаемом способе достоверность экспериментальной блочной статистики оценивают по информационному критерию - количеством информации J(i), которое содержится в событии декодирования внутреннего кода с исправлением i ошибок

.

Сумма квадратичных отклонений экспериментальной блочной статистики от теоретической блочной статистики с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики и трансформаций кодовых слов запишется в виде

Выражение (3), представляет собой целевую функцию, при минимизации которой вычисляют параметры качества канала связи

Равенства (1) и (2), на основе которых получена целевая функция (3), являются приближенными. Погрешность их возрастает при увеличении числа стираний и трансформаций помехоустойчивого кода. К тому же в выражении (3) учитывается только экспериментальная блочная статистика с числом ошибок в пределах корректирующей способности кода. Объем этой статистики уменьшается при увеличении числа стираний. Поэтому точность определения параметров качества канала связи снижается при ухудшении качества канала связи. Особенно заметно это проявляется в нестационарных каналах связи, в которых параметры качества канала могут изменяться в большом диапазоне значений.

Поэтому при ухудшении качества канала параметры качества канала связи определяют при передаче испытательной последовательности. При превышении величины параметров качества канала связи некоторого заранее определенного порогового значения Н>Н_пор на передающей стороне формируют испытательную последовательность, которая представляет собой помехоустойчивый код с заранее известной информацией. Поскольку последовательность символов кода составляет псевдослучайную последовательность, то фактически формируют некоторую испытательную последовательность c₁ с хорошими синхронизирующими свойствами.

Затем эту последовательность передают по каналу связи. Структура этой последовательности соответствует структуре помехоустойчивого кода, и для ее приема и синхронизации можно использовать те же методы, что и при приеме помехоустойчивого кода с неизвестной информацией. В результате искажений в канале связи будет принят помехоустойчивый код или последовательность с₂, которая в общем случае отличается от переданной последовательности c₁.

На приемной стороне из принятого помехоустойчивого кода вычитают переданный помехоустойчивый код, который известен и получают последовательность ошибок

Последовательность ошибок е будет содержать единицы на местах, где произошли ошибки в последовательности с₂, и будет состоять из нулей в остальных позициях. Затем подсчитывают число ошибок во внутренних словах каскадного кода и получают экспериментальную блочную статистику ошибок канала связи.

Поскольку при передаче испытательной последовательности трансформации отсутствуют (испытательная последовательность единственная), то ошибки значительно более высокой кратности, чем раньше, определяются точно, и справедливо точное равенство

Тогда целевая функция запишется в виде

При передаче помехоустойчивого кода с заранее известной информацией и минимизации целевой функции (7) получают более точные оценки параметров качества канала связи, чем при минимизации целевой функции (3).

При передаче помехоустойчивого кода, информация которого заранее известна, полезная информация в канале связи не передается. Поэтому для того чтобы иметь возможность передачи полезной информации, контроль качества канала связи в этом случае выполняется эпизодически. Частота такого контроля зависит от скорости изменения параметров качества канала связи, поскольку чем быстрее изменяется качество канала, тем чаще его следует контролировать.

Немаловажное значение для реализации предлагаемого способа имеет выбор порогового значения параметров качества канала связи и частоты передачи помехоустойчивого кода с заранее известной информацией.

Рассмотрим выбор указанных величин для канала связи с независимыми ошибками. Канал связи с независимыми ошибками полностью определяется одним параметром - средней вероятностью ошибки на бит в канале связи р. В этом канале теоретическая блочная статистика Р_Т(i,n,p) распределена по биномиальному закону

Целевая функция для канала связи с независимыми ошибками запишется в виде

Определяя минимальное значение последнего выражения, нелинейного относительно переменной p, получают значение параметра канала связи р. Для определения значения параметра канала p, при котором достигается экстремум целевой функции, используют, например, метод золотого сечения, градиентный метод или другие известные методы (Мудров А.Е. Численные методы для ЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП "РАСКО", 1991, стр.246).

При ухудшении качества нестационарного канала связи, то есть при увеличении средней вероятности ошибки на бит в канале связи p распределение экспериментальной блочной статистики смещается в сторону возрастания числа ошибок в кодовых блоках. Поэтому блочной статистики с небольшим числом ошибок, получаемой по результатам декодирования кода, для определения параметра p с достаточной точностью может быть уже недостаточно. В этом случае по каналу связи передают код с известной информацией, то есть на передающей и приемной сторонах канала связи происходит переход из режима передачи кода с рабочей информацией в режим передачи кода с заранее известной информацией. Допустим, что скорость изменения параметра качества канала связи такая, что параметр p находится в интервале Δp в течение передачи L кодовых слов. Число кодовых слов, которое требуется для оценки параметра p в интервале Δp с доверительной вероятностью α составляет М кодовых слов. Тогда условие для перехода в режим передачи кода с известной информацией запишется в виде

Частота перехода в режим передачи кода с известной информацией f определяется скоростью изменения параметров качества канала связи. Эта частота увеличивается, если разность двух соседних оценок параметра качества p₁ и p₂ выходит за пределы доверительного интервала Δp и уменьшается в противном случае. Поэтому выражение для вычисления частоты проведения контроля в режиме передачи кода с известной информацией запишется в форме

где f₀ - предыдущее значение частоты контроля,

Δf - коэффициент приращения частоты контроля.

Исходное значение f₀ определяется по скорости изменения параметра p в режиме передачи рабочей информации, а Δf=0.1·f₀.

Аналогичным образом возможно определение параметров канала для более сложных моделей канала связи, например для канала связи с группированием ошибок согласно модифицированной модели канала Пуртова. Для этой модели канала связи вероятность P_T(i,n) выражают через два параметра: p - среднюю вероятность ошибки на бит в канале, а - коэффициент группирования ошибок (0≤а≤1), а параметры канала связи получают при минимизации целевой функции (3) для двух параметров. Для моделей канала связи с большим числом параметров, например Марковской модели канала связи, определение параметров канала представляет собой довольно сложную задачу многомерной оптимизации целевой функции (3).

Качество канала связи определяется на приемной стороне канала связи либо по результатам декодирования помехоустойчивого кода, либо по результатам приема помехоустойчивого кода с известной информацией. В зависимости от величины качества канала и ее изменения в дальнейшем выбирается либо режим передачи помехоустойчивых кодов с рабочей информацией, либо режим передачи помехоустойчивого кода с заранее известной информацией. Эти режимы передачи определяются на приемной стороне, а реализуются на передающей стороне канала связи. Поэтому информация о выбранном режиме должна с приемной стороны доводиться до передающей стороны канала связи. Для этого используется канал обратной связи. Контроль качества канала чаще всего используется в адаптивной системе. В этой системе для осуществления адаптивного управления имеется канал обратной связи. Наличие канала обратной связи необходимо также и для реализации предлагаемого способа.

В предлагаемом способе качество канала связи оценивают по результатам декодирования (статистике декодирования) слов внутреннего кода каскадного кода. Поскольку для каскадного кода число внутренних кодов достаточно большое (обычно N>10), то это позволяет повысить точность вычисления экспериментальной блочной статистики канала, а значит, и вычисление параметров канала. Параметры качества канала связи оценивают либо в режиме передачи кода с рабочей информацией, либо в режиме передачи кода с заранее известной информацией в зависимости от качества канала связи. Это увеличивает точность определения параметров качества канала связи, поскольку в режиме передачи кода с заранее известной информацией учитывается экспериментальная блочная статистика ошибок значительно большей кратности.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа контроля качества канала связи является повышение точности контроля качества канала связи.

1. Способ контроля качества канала связи, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне по результатам декодирования помехоустойчивого кода вычисляют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода, далее вычисляют среднее квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода, и затем определяют параметры качества канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение среднего квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода, отличающийся тем, что параметры качества канала связи сравнивают с пороговым значением и в случае, если параметры качества канала связи больше порогового значения, то по сигналу, передаваемому по каналу обратной связи, на передающей стороне канала связи с определенной частотой формируют помехоустойчивый код с заранее известной информацией, на приемной стороне из принятого помехоустойчивого кода с заранее известной информацией вычитают переданный помехоустойчивый код и получают последовательность ошибок, а затем вычисляют параметры качества канала связи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота передачи помехоустойчивого кода с заранее известной информацией определяется скоростью изменения параметров качества канала связи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на передающей стороне канала связи формируют помехоустойчивый каскадный код, а на приемной стороне вычисляют экспериментальную блочную статистику декодированных слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода.