автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка алгоритмов помехоустойчивого канального кодирования данных в сетях связи информационно-управляющих систем

005013503

ПИРОГОВ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ В СЕТЯХ СВЯЗИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МАР жг

Воронеж - 2012

005013503

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Макаров Олег Юрьевич

Официальные оппоненты: Питолин Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ВГТУ», заведующий кафедрой;

Зибров Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент, Воронежский институт МВД РФ, доцент кафедры

Ведущая организация:

ОАО «Концерн «Созвездие» (г.Воронеж)

Защита состоится 12 апреля 2012 г. в 16 — часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан _£_ марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всех сферах деятельности человека актуальна задача создания недорогих распределенных информационно-управляющих систем. Подобные системы предназначены для сбора и обработки информации от различных объектов. Данные системы обычно состоят из контролируемых объектов, оборудования, формирующего или обрабатывающего информацию, и оборудования, объединяющего объекты в единую систему линиями связи. Однако для многих объектов создание таких систем часто оказывается невыгодным в связи с высокой стоимостью организации и обслуживания линий связи.

Наиболее оптимальным путем решения подобных вопросов является создание беспроводной сети на базе сотовых терминалов через существующие сети связи абонентского доступа. Обычные мобильные абонентские телефоны имеют невысокую надежность и не предназначены для эксплуатации в промышленных условиях. Для решения задачи создания информационно-управляющих систем, в которых данные передаются через систему сотовой радиосвязи, существуют промышленные модемы, которые отличаются от мобильных телефонов конструктивным исполнением, а также наличием дополнительных возможностей. Подобные модемы имеют расширенный набор АТ команд, что позволяет их программировать с использованием соответствующего программного обеспечения. Использование сетей связи абонентского доступа существенно упрощает и удешевляет создание промышленных информационно-управляющих систем.

Надежность сотовой связи и ее качество зависит от местности, погодных и электромагнитных условий. Для информационно-управляющих систем показатель надежности и помехоустойчивости канала связи является наиболее важным, так как при реализации задач, стоящих перед такими системами, основным фактором является минимальная потеря данных информационной последовательности от управляемого объекта. Основной задачей помехоустойчивого кодирования является обеспечение высокой достоверности передаваемых данных за счет применения специализированных устройств кодирования/декодирования (кодеков) в составе системы передачи цифровой информации.

В настоящее время в промышленных модемах используются кодеки на основе сверточных кодеров или турбо-кодеров и алгоритмов декодирования Витерби, которые являются достаточно сложными для аппаратной реализации. В управляющих системах в силу их работы с различными типами данных и выполняемых ими задач немаловажная роль отводится скорости и объему передаваемой информации. В сетях связи абонентского доступа это зависит от ширины канала связи, скорости передачи информации, а также от скорости кодирования информационной последовательности.

Актуальность задачи можно сформулировать как необходимость разработки универсальных алгоритмов, математических моделей, устройств канального кодирования и декодирования передаваемой информации по каналам связи для различных информационно-управляющих систем, позволяющих повысить помехоустойчивость их сетей, увеличить объем передаваемой полезной информации в единицу времени путем изменения скорости кодирования информационной последовательности. В данном случае в целях оптимизации структуры целесообразна разработка методов на основе алгоритмов каскадного кодирования данных.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации», а также в рамках ГБ НИР 2004.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем» и ГБ НИР 2007.17 «Исследование и разработка перспективных методов проектирования и технологии изготовления радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, универсальных алгоритмов канального кодирования/декодирования сигналов, применяемых для построения кодеков сетей связи абонентского доступа, разработка на логическом RTL уровне модели канального кодека для использования в информационно-управляющих системах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ существующих алгоритмов, моделей и методов канального кодирования сигналов;

разработать математические модели кодеков сверточных и недвоичных кодов, применяемых при каскадном кодировании;

разработать алгоритмы согласования скорости кодирования, перфорирования и деперфорирования кодированных сигналов канала связи;

разработать алгоритм каскадного кодирования и декодирования на основе полученных математических моделей и алгоритмов;

реализовать посредством предложенного алгоритма канального кодирования данных устройство кодека сети связи абонентского доступа информационно-управляющей системы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы элементы теории цифровой обработки сигналов, методы и алгоритмы теории помехоустойчивого кодирования и декодирования информационных потоков данных, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

алгоритм работы каскадной системы кодер-декодер, использующий в своей структуре элементы алгоритмов кодирования внутренним сверточным кодом, отличающимся увеличенным свободным расстоянием между последовательностями кодированных сигналов и внешним кодом Рида-Соломона, позволяющий повысить эффективность применения кодирования и помехозащищенности, формируемой устройством последовательности сигналов, снизив при этом вероятность битовой и блочной ошибки в канале связи;

алгоритм каскадного кодирования, отличающийся возможностью согласования скорости передачи данных, а именно задания скорости кодирования выходной информационной последовательности, что делает данный алгоритм универсальным, применимым для различных сетей связи;

алгоритм синдромного декодирования направлен на упрощение способа формирования кодовой комбинации декодирующего устройства для гарантированного исправления многократных ошибок, отличающийся применением несистематического сверточного кодера, имеющего в своей структуре дополнительные сумматоры по модулю 2;

модель кодека сети связи абонентского доступа, основанная на разработанном алгоритме каскадного кодирования, отличающаяся универсальностью применения в различных информационно-управляющих системах, позволяющая повысить помехоустойчивость и скорость кодирования информационной последовательности, тем самым увеличив объем передаваемой полезной информации в единицу времени для существующих сетей связи.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований предложен алгоритм работы помехоустойчивого канального кодека сети связи абонентского доступа, информационно-управляющей системы в форме модели, разработанной на логическом уровне. Данная модель является универсальной для различных систем, позволяет оценить и снизить вероятность блочной и битовой ошибки кода в канале связи, тем самым повысить помехоустойчивость передаваемых информационных последовательностей. Использование данной модели позволяет значительно снизить временные и аппаратные затраты при построении сетей связи.

Внедрение результатов работы. Основные положения диссертации в виде разработанной методики кодирования сети связи информационно-управляющей системы внедрены в филиал ЗАО «Иркос», ООО «Единый СЦ» (г. Воронеж) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий»

(Сочи, 2008 - 2011); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007); научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2007 - 2009 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [2,6, 7] - обзор алгоритмов проектирования цифровых устройств, [5] - алгоритм кодирования сверточным кодом, [9, 10] -алгоритмы кодирования и декодирования данных в сетях связи, [8, 12] - методы повышения помехоустойчивости канала связи, [11, 14] - модели элементов кодера сети абонентского доступа.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице, содержит 43 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены принципы построения сетей сотовой связи абонентского доступа. Отражены общие характеристики сетей сотовой связи, архитектура сети, протоколы передачи данных и их алгоритмы преобразования. Осуществлен анализ существующих алгоритмов канального кодирования/декодирования информации. Отражена общая структура передачи цифровой информации.

Основной задачей помехоустойчивого кодирования является решение проблемы обеспечения высокой достоверности передаваемых данных за счет применения устройств кодирования/декодирования в составе системы передачи цифровой информации. В стандарте GSM используется сверточный кодер с кодовым ограничением К=5. Каждый входной бит закодирован двумя битами выходного потока (г=1/2), базируясь на комбинации предыдущих 5 входных битов.

Предложен алгоритм для достижения поставленной цели, основанный на применении алгоритмов каскадного кодирования/декодирования, в основе построения которых лежит идея совместного использования нескольких составляющих кодов. Данный подход позволит существенно снизить вероятность битовой Рь и блочной Рв ошибки кода, тем самым повысив его помехоустойчивость. Это дает возможность применения алгоритмов перфорации

кода, которые позволят управлять скоростью кодирования информационной последовательности на выходе кодера путем введения известных битов в поток входных исходных данных и дальнейшего перфорирования полученной последовательности.

Наиболее подходящей в данном случае будет каскадная схема, в которой внешним кодом является код Рида-Соломона, а внутренним - сверточ-ный код, отличающийся увеличением свободного расстояния между последовательностями кодированных сигналов.

Рис. 1. Схема помехоустойчивого кодека сети абонентского доступа

В результате выходная последовательность позволяет передавать за единицу времени больший объем полезной информации по сравнению с существующими скоростями кодирования (г=1/2), что, в свою очередь, не требует аппаратных изменений в остальных узлах системы. Схема кодека сети абонентского доступа представлена на рис. 1.

Во второй главе осуществлен анализ математических моделей кодирования/декодирования информации в сетях сотовой связи, информационно-управляющих систем. Рассмотрены математические модели существующих каналов связи, основы построения дискретных каналов и расчет их основных характеристик, таких как пропускная способность и соотношения сигнал-шум. Получены математические описания помехоустойчивых кодов. Подробно рассмотрены сверточные коды и недвоичные коды Рида-Соломона.

Сформировано математическое описание алгоритма кодирования/декодирования информационной последовательности на основе каскад-

ной схемы кодирования с применением моделей перестановки данных и перфорирования кода, позволяющих снизить показатель вероятности ошибки в блоке кода. Структура математического обеспечения представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структура математического обеспечения Для оценки вероятностей ошибки в бите Рь и блоке Р„ кода в канале связи будем использовать следующие зависимости:

С- (1)

*

где к- количество информационных символов кода; N.. число кодовых слов веса];

- для ДСК при нечетном у;

*<>♦!)/2

(2)

- для канала типа ДСК при четном _/';

- для канала с А БГШ,

где р- вероятность битовой ошибки на входе декодера (т.е. в канале); Е^о - отношение сигнал-шум в канале.

Одной из основных характеристик канала является его пропускная способность С, которая определяется как максимальная средняя взаимная информация 1(Х;У) между входом X и выходом У канала.

Для дискретного канала связи пропускная способность вычисляется следующим образом:

С = тах/(*;Г) = таЛ'^/>(*,)/'(у, I*,)Ц/>(у, |*,)//>(>.,)]. (3)

Здесь максимизация осуществляется по всем возможным наборам вероятностей входных символов р(х,).

Для двоичного симметричного канала пропускная способность равна

С=1 + р1о&р + (1-р)1о&(1-р). (4)

Рассмотрим далее математическое описание сверточного кода. Для того чтобы задать структуру сверточного кодера, необходимо указать, какие разряды регистра сдвига связаны с каждым из сумматоров по модулю 2. Связи]-го сумматора по модулю 2 описываются путем задания^й порождающей последовательности.

В основе кода лежит последовательность символов, не разделяющихся на отдельные кодовые комбинации. Обозначая информационные символы через а„ а корректирующие через Ь„ получаем основное выражение последовательности символов сверточного кода:

а1Ь|а2Ь2а3Ь3.......а кЬ к а к+1Ь к+1 ... (5)

Информационные символы определяются передаваемым сообщением, входной информационной последовательностью, а корректирующие формируются по следующему правилу:

Ь, = ак 5 + а^, (то<12), (6)

где в - произвольное целое число, называемое шагом кода. Данное правило лежит в основе всех алгоритмов сверточного кодирования. Очевидно, что при ошибочном приеме некоторого корректирующего символа Ь, соотношение (6) в принятой последовательности не будет выполнено для 1 = к. В случае же ошибочного приема информационного символа а, соотношение (6) не будет выполняться при двух значениях к, а именно при к| = ! - б -1 и при к; = 1 + б. В принятой кодовой последовательности для каждого Ьк проверяется соотношение (6). Если оно оказалось не выполненным при двух значениях к (к = к] и к = к2), то при этом информативный элемент акI 1 должен быть заменен на противоположный.

к2-к, =2з+1. (7)

Очевидно, что избыточность такого кода равна 1/2. Он позволяет исправлять все ошибочно принятые символы, кроме некоторых неудачных сочетаний. Так, если в = 0, он обеспечивает правильное декодирование, когда между двумя ошибочно принятыми символами имеется не менее трех правильно принятых символов.

Для выполнения данного условия в представленном методе реализована схема кодирования внешним кодом Рида-Соломона. В уравнении (8) представлена наиболее распространенная форма кодов Рида-Соломона через параметры п, к, I и некоторое положительное число гп > 2.

(п, к) = (2т - 1, 2т - I - 21). (8)

Здесь п - к = 21 - число контрольных символов, I - количество ошибочных битов в символе, которые может исправить код. Генерирующий полином для кода Рида-Соломона имеет следующий вид:

ё(Х) = в, + Е,Х + g2X2 + ... + 821.1Х2-1 + X21. (9)

Хпкш(Х) = Ч(Х)8(Х) + р(Х). (10)

Здесь q(X) и р(Х) - это частное и остаток от полиномиального деления. Как и в случае двоичного кодирования, остаток будет четным. Уравнение (10) можно переписать следующим образом:

р(Х) = Хп-кт(Х) по модулю §(Х). (11)

Основной результирующий полином кодового слова 1Г(Х) можно переписать следующим образом:

и(Х = р(Х) + Хпкт(Х). (12)

Рассмотрим операции декодирования кода Рида-Соломона. В данном случае принятый полином поврежденного кодового слова г(Х) представляется в виде суммы полинома переданного кодового слова и полинома модели ошибки, как показано ниже:

г(Х) = и(Х) + е(Х). (13)

Вычисление синдрома. Если г является членом набора, то синдром Б имеет значение равное 0. Любое ненулевое значение Б означает наличие ошибок, синдром Б состоит из п - к символов, {Б,} (| = 1,..., п - к):

и(Х) = т(Х)ё(Х). (14)

Из этой структуры можно видеть, что каждый правильный полином кодового слова 1!(Х) является кратным полиномиальному генератору §(Х). Следовательно, корни £(Х) также должны быть корнями 1_1(Х). Вычисления символов синдрома можно записать следующим образом:

•5,=г(Х)[х=а, =г(о') » = 1.....п-к. (15)

Локализация ошибки. Допустим, в кодовом слове имеется V ошибок, расположенных на позициях Х^, Х-1". ..., Х'\ Тогда полином ошибок можно записать следующим образом:

е(Х) = е;1Х" + е,2Х)2 + ... + е;уХ,у. (16)

Если вычислен ненулевой вектор синдрома, это означает, что была принята ошибка. Далее нужно узнать расположение ошибки. Полином локатора ошибок можно определить следующим образом:

о(Х) = (1+р,Х)(1 +р2Х)... (1 + руХ)= 1 +а,Х + а2Х2 + ... +оуХ\ (17) Корнями а(Х) будут 1/р, 1/р2, ... , 1/ ру. Величины, обратные корням, будут представлять номера расположений моделей ошибки е(Х).

Перфорация кода состоит в систематическом удалении из процесса передачи в канал некоторых битов (символов) с выхода низкоскоростного кодера. Матрица перфорации Р задает правило удаления выходных символов. Матрица Р есть к х пр двоичная матрица, элементы которой рц указыва-

ют, что соответствующий выходном двоичный символ будет передан (р„ = I) или нет (ри = 0).

В третьей главе на основании рассмотренных математических моделей представлен алгоритм работы канального кодека сети абонентского доступа. Рассмотрим основные этапы работы алгоритма.

Г Нпию Л

Устааока форм! пи

Прц.ич пмртр «{к! 2г» в - к Ди мда (7^): цХ) • в* * «'* ♦ Лг14 Л* ♦

рсуяш^уыюц пми— ида-роо*

6

С Кояец ^

Рис. 3. Алгоритм работы кодера кода Рида-Соломона

^ Начало ^

Получопе ■вформатгооЯ

ооелсдсвагомося

3

Устжяош условж!

иодяроиаи

К = 5. 1 = 1 а

Б « 0,к = 119

3

Получепе

коррекгодеюорх сямволов

волпюма

Ь, = ч-а * * | (тос12}

Посгроешк последовагслиосп кода а)Ь( »)Ь} а>Ь>...

I

Полуосей с шходио! оослцшплоосп

иоо

I

^ Конец ^

Рис. 4. Алгоритм кодирования сверточного кода

1. Полученная входная последовательность вначале проходит этап кодирования кодом Рида-Соломона (рис. 3), далее следует алгоритм переме-жения (деперемежения), осуществляющий псевдослучайную перестановку символов внешнего кода и соответственно восстановление исходного порядка символов на этапе декодирования.

2. Преобразованная последовательность кодируется внутренним сверточным кодом, особенностью которого является включение в информационную последовательность проверочных символов (рис. 4).

3. Затем следует этап перфорирования информационной последовательности. Данная процедура определяет длину кода и соответственно уста-

9

навлнвает нужную скорость кодирования путем исключения из последовательности ряда элементов.

4. Деперфорация кода представляет собой восстановление исходной (до этапа перфорирования кода) последовательности путем анализа и сравнения информации с элементами матрицы перфорирования, определяющей порядок исключения элементов из кода.

Рис. 5. Алгоритм декодирования сверточного кода

5. Декодирование осуществляется в обратном порядке по отношению к процедуре кодирования. Декодирование сверточного кода основано на определении показателя синдрома ошибки путем анализа значений проверочных символов (рис. 5).

6. После соответсвующего этапа деперемежения и декодера Рида-Соломона получаем искомую информационную последовательность (рис. 6).

На основании указанных уравнений восстанавливаем принятый полином, выдавая в итоге предполагаемое переданное кодовое слово и в конечном счете декодированное сообщение.

0(Х) = г(Х) + ё(Х) = и(Х) + е(Х) + ё(Х). (19)

Рис. 6. Алгоритм декодирования кода Рида-Соломона

В четвертой главе осуществлена реализация функциональной модели кодека сети связи абонентского доступа информационно-управляющей системы в виде RTL кода. Модель реализована с использованием языка высокого уровня программирования и аппаратного описания VHDL. В качестве среды программирования использован программный комплекс Active-HDL.

На рис. 7 представлена схема взаимодействия отдельных модулей построенной системы кодер-декодер. Основными являются модули каскадного кодера и декодера, осуществляющие непосредственное преобразование сигнала. На основе алгоритма согласования скорости кодирования построены модули перфорации и деперфорации кода. Модель позволяет формировать

входную информационную последовательность, ошибки в имитированном канале связи, а также проводить сравнение исходной и полученной на выходе декодера последовательности.

Модуль

каскадного

кодера

Процедур

кодирован»**

кодом Рцд»-

Соломона

Процедура

СИрПМНОЛ)

кодирования

иодом Финка

II

Модуль перфорации

БЛОК КОДЕРА

4

Модуль де перфорации

«од»

зт

Модуль

каскадного

декодера

Процедура

сверг о*юго

декодировали«

иодрм Финка

Процедуре

декодирования

иодом Рида-

Соломона

КЛОК ДЕКОДЕРА

Рис. 7. Структурная схема канального кодека

Проведена оценка эффективности реализованной функциональной модели системы кодер/декодер.

1 : ' !

а • ; с ;

* * н I | 4 »„/к

а) б)

Рис. 8. Зависимость вероятности битовой (а) и блочной (б) ошибки в канале

связи от величины соотношения сигнал-шум: А - зависимость для каскадного кодера; В - зависимость для недвоичного кода; С - зависимость для сверточного кода

Анализ оценки эффективности разработанного устройства показал, что по сравнению со сверточными кодерами значения вероятностей битовой и блочной ошибки снижены (рис. 8). Поэтому полученное устройство может работать с более высокими скоростями кодирования, отличными от г=1/2, что позволяет сократить избыточность кода и увеличить информативность выходной последовательности, не снизив при этом помехоустойчивости системы. Применение ПЛИС в качестве радиомодулей модемов позволяет сократить временной цикл разработки устройств, исключает необходимость изготовления инженерных образцов, тем самым снижая затраты на проектирование. Изменение и перепроектирование структуры ПЛИС также несет в себе меньшие затраты, чем моделей СБИС.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Осуществлен анализ существующих алгоритмов канального кодирования/декодирования информации. Отражена общая структура передачи цифровой информации, рассмотрены алгоритмы кодирования речевой информации и пакетных данных, отмечены их основные отличия и недостатки.

2. Рассмотрены основные характеристики канального кодирования, определены основные математические модели и алгоритмы. А именно, применение алгоритмов каскадного кодирование информации и дальнейшего перфорирования полученного кода, осуществления многопорогового декодирования данных.

3. Рассмотрены математические модели каналов связи, основы построения дискретных каналов и расчет их основных характеристик. Осуществлен анализ зависимостей данных параметров и степень их влияния на помехоустойчивость кода, а именно на изменения вероятностей канальной блоковой и битовой ошибки кода. Получены математические описания помехоустойчивых каскадных кодеров с использованием внутреннего сверточ-ного и внешнего недвоичного кода.

4. Предложен алгоритм каскадного кодирования/декодирования на базе внутреннего сверточного кода, отличающегося увеличенным свободным расстоянием между последовательностями кодированных сигналов и внешнего кода Рида-Соломона, который позволяет повысить эффективность применения кодирования и помехозащищенности, формируемой устройством последовательности сигналов, снизив при этом вероятность битовой и блочной ошибки в канале связи. Использованный в системе алгоритм синдромно-го декодирования направлен на упрощение способа формирования кодовой комбинации декодирующего устройства для гарантированного исправления многократных ошибок, отличающийся применением несистематического

сверточного кодера, имеющего в своей структуре дополнительные сумматоры по модулю 2.

5. Сформирован алгоритм согласования скорости передачи данных, а именно задания скорости кодирования выходной информационной последовательности, что достигается посредством введения известных битов в информационный поток входных исходных данных, а затем перфорирования полученной последовательности. В результате выходная последовательность принадлежит перфорированному коду более высокой скорости, что позволяет сделать универсальной систему кодер-декодер с возможностью работы с разными скоростями кодирования.

6. Осуществлена разработка модели кодека сети связи информационно-управляющей системы в виде RTL кода. Модель реализована с использованием языка высокого уровня программирования и аппаратного описания VHDL. В качестве среды программирования использован программный комплекс Active-HDL. На основе данной модели разработан кодек сети связи абонентского доступа с более низкими значениями битовой и блочной ошибки кода, способный сократить избыточность кодовой последовательности, не снизив при этом помехоустойчивости системы. Благодаря этому увеличивается объем полезной информации, передаваемой в единицу времени в сети связи.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Пирогов A.A. Оперативное запоминающее устройство статического типа повышенного быстродействия / A.A. Пирогов И Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. Т. 5. № 4. С. 81 - 83.

2. Пирогов A.A. Основные этапы топологического проектирования и верификации при проектировании систем на кристалле / A.A. Пирогов, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. Т. 5. № 4. С. 166 - 168.

3. Пирогов A.A. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM / A.A. Пирогов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. Т. 6. № 5. С. 137 - 139.

4. Пирогов A.A. Методы повышения помехозащищенности и эффективности кодирования сетей связи абонентского доступа / A.A. Пирогов // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2011 Т. 7. № 1.С. 162- 163.

5. Пирогов A.A. Алгоритм работы сверточного канального кодека сети абонентского доступа / A.A. Пирогов, Н.В. Астахов, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011 Т 7. №2. С. 178-180.

Статьи и материалы конференций

6. Пирогов A.A. Маршрут проектирования систем на кристалле и его особенности / A.A. Пирогов, В.В. Сумин, A.B. Муратов // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - М.: Радио и связь, 2007. С. 475 - 477.

7. Пирогов A.A. Современные проблемы физической верификации систем на кристалле / A.A. Пирогов, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2008): материалы XIII Междунар. конф. и Российской научной школы - М.: Энергоатомиздат, 2008. Ч. 4. С. 115-120.

8. Применение дифракционной аналитической модели для расчета сетей Wimax в системе обеспечения безопасности дорожного движения / В.В. Сумин, О.Н. Чирков, A.A. Пирогов, И.А. Новикова, A.B. Анохин // Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2009): материалы XIV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат,

2009. Ч. 3. С. 354-358.

9. Пирогов A.A. Технологии и АТ-команды, используемые в GSM/GPRS модемах / A.A. Пирогов, A.B. Анохин, A.B. Муратов И Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: меж-вуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 9-12.

10. Существующие методы и средства кодирования сигналов. Канальное кодирование и модуляция в GSM сетях / A.A. Пирогов, О.Н. Чирков, П.В. Заенчковский, В.В. Сумин, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат,

2010. Ч. 2. С. 270-274.

11. Применение сверточных кодов в сотовых системах связи / A.A. Пирогов, О.Н. Чирков, П.В. Заенчковский, В.В. Сумин, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. -М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. С. 274-276.

12. Определение помехоустойчивости канального кодирования. Коррекция ошибок в сетях сотовой связи / A.A. Пирогов, В.В. Сумин, О.Н. Чирков, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. С. 277-278.

13. Пирогов A.A. Алгоритм каскадной схемы кодирования применительно к сетям абонентского доступа / A.A. Пирогов // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электрон-

ных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. 4.2. С. 300-301.

14. Пирогов A.A. Алгоритмы кодирования перфорированного свер-точного кода / A.A. Пирогов, О.Ю. Макаров, A.B. Муратов // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2011): материалы XVI Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 2. С. 277-278.

I

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ Кг ¿5" .

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

>

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

61 12-5/2257

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ В СЕТЯХ СВЯЗИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства

телекоммуникации

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Макаров Олег Юрьевич

Воронеж - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 АНАЛИЗ СИСТЕМ И СРЕДСТВ КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕТСКОГО ДОСТУПА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие характеристики сетей связи абонентского доступа.

Структура и состав оборудования промышленных сетей связи 13

1.2 Анализ существующих методов и средства кодирования сигналов 20

1.3 Методы повышения помехоустойчивости промышленных сетей

связи абонентского доступа 26

1.4 Метод аппаратной реализации кодека сети абонентского доступа 33

1.5 Цель и задачи исследования 39

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕТСКОГО ДОСТУПА

2.1 Математические модели каналов связи 41

2.2 Математическое описание существующих помехоустойчивых

кодов 46

2.3 Двоичные сверточные коды 49

2.4 Недвоичные коды Рида-Соломона 58

2.5 Основные выводы второй главы 65

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛЬНОГО КОДЕКА В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА

3.1 Алгоритм каскадной схемы кодирования 66

3.2 Алгоритм работы помехоустойчивого канального кодека сети абонентского доступа

3.2.1 Алгоритм кодирования сверточным кодом 69

3.2.2 Алгоритм декодирования сверточного кода 73

3.2.3 Алгоритм кодирования кода Рида-Соломона 79

3.2.4 Алгоритм декодирования кода Рида-Соломона 84

3.3 Алгоритмы кодирования и декодирования перфорированного сверточного кода 91

3.4 Метод помехоустойчивого канального кодирования в сетях связи абонентского доступа 96 3.7 Основные выводы третьей главы 99 4 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛЬНОГО КОДЕКА, СЕТЕЙ СВЯЗИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

4.1 Используемые технические средства 101

4.2 Построение модели кодека сети сотовой связи на логическом RTL уровне.

4.2.1 Общая структура кодека сети сотовой связи 103

4.2.2 Модель каскадного кодера сети связи абонентского доступа 107

4.2.3 Модель многопорогового декодера сети связи абонентского доступа 114

4.3 Результаты моделирования разработанного кодека сети абонентского доступа 117

4.4 Основные выводы четвертой главы 119 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 122 ПРИЛОЖЕНИЯ 132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время во всех сферах деятельности человека актуальна задача создания недорогих распределенных информационно-управляющих систем. Подобные системы предназначены для сбора и обработки информации от различных объектов. Данные системы обычно состоят из контролируемых объектов, оборудования, формирующего или обрабатывающего информацию, и оборудования, объединяющего объекты в единую систему линиями связи. Однако для многих объектов создание таких систем часто оказывается невыгодным в связи с высокой стоимостью организации и обслуживания линий связи.

Наиболее оптимальным путем решения подобных вопросов является создание беспроводной сети на базе сотовых терминалов через существующие сети связи абонентского доступа. Обычные мобильные абонентские телефоны имеют невысокую надежность и не предназначены для эксплуатации в промышленных условиях. Для решения задачи создания информационно-управляющих систем, в которых данные передаются через систему сотовой радиосвязи, существуют промышленные модемы, которые отличаются от мобильных телефонов конструктивным исполнением, а также наличием дополнительных возможностей. Подобные модемы имеют расширенный набор АТ команд, что позволяет их программировать с использованием соответствующего программного обеспечения. Использование сетей связи абонентского доступа существенно упрощает и удешевляет создание промышленных информационно-управляющих систем.

Надежность сотовой связи и ее качество зависит от местности, погодных и электромагнитных условий. Для информационно-управляющих систем показатель надежности и помехоустойчивости канала связи является наиболее важным, так как при реализации задач, стоящих перед такими системами, основным фактором является минимальная потеря данных информационной последовательности от управляемого объекта. Основной

задачей помехоустойчивого кодирования является обеспечение высокой достоверности передаваемых данных за счет применения специализированных устройств кодирования/декодирования (кодеков) в составе системы передачи цифровой информации.

В настоящее время в промышленных модемах используются кодеки на основе сверточных кодеров или турбо-кодеров и алгоритмов декодирования Витерби, которые являются достаточно сложными для аппаратной реализации. В управляющих системах в силу их работы с различными типами данных и выпол ых ими задач немаловажная роль отводится скорости и объему передаваемой информации. В сетях связи абонентского доступа это зависит от ширины канала связи, скорости передачи информации, а также от скорости кодирования информационной последовательности.

Актуальность задачи можно сформулировать как необходимость разработки универсальных алгоритмов, математических моделей, устройств канального кодирования и декодирования передаваемой информации по каналам связи для различных информационно-управляющих систем, позволяющих повысить помехоустойчивость их сетей, увеличить объем передаваемой полезной информации в единицу времени путем изменения скорости кодирования информационной последовательности. В данном случае в целях оптимизации структуры целесообразна разработка методов на основе алгоритмов каскадного кодирования данных.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации», а также в рамках ГБ НИР 2004.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем» и ГБ НИР 2007.17 «Исследование и разработка перспективных методов проектирования и технологии изготовления радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, универсальных алгоритмов канального кодирования/декодирования сигналов, применяемых для построения кодеков сетей связи абонентского доступа, разработка на логическом RTL уровне модели канального кодека для использования в информационно-управляющих системах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ существующих алгоритмов, моделей и методов канального кодирования сигналов;

разработать математические модели кодеков сверточных и недвоичных кодов, применяемых при каскадном кодировании;

разработать алгоритмы согласования скорости кодирования, перфорирования и деперфорирования кодированных сигналов канала связи;

разработать алгоритм каскадного кодирования и декодирования на основе полученных математических моделей и алгоритмов;

реализовать посредством предложенного алгоритма канального кодирования данных устройство кодека сети связи абонентского доступа информационно-управляющей системы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы элементы теории цифровой обработки сигналов, методы и алгоритмы теории помехоустойчивого кодирования и декодирования информационных потоков данных, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

алгоритм работы каскадной системы код ер-декодер, использующий в своей структуре элементы алгоритмов кодирования внутренним сверточным кодом, отличающимся увеличенным свободным расстоянием между последовательностями кодированных сигналов и внешним кодом Рида-

Соломона, позволяющий повысить эффективность применения кодирования и помехозащищенности, формируемой устройством последовательности сигналов, снизив при этом вероятность битовой и блочной ошибки в канале связи;

алгоритм каскадного кодирования, отличающийся возможностью согласования скорости передачи данных, а именно задания скорости кодирования выходной информационной последовательности, что делает данный алгоритм универсальным, применимым для различных сетей связи;

алгоритм синдромного декодирования направлен на упрощение способа формирования кодовой комбинации декодирующего устройства для гарантированного исправления многократных ошибок, отличающийся применением несистематического сверточного кодера, имеющего в своей структуре дополнительные сумматоры по модулю 2;

модель кодека сети связи абонентского доступа, основанная на разработанном алгоритме каскадного кодирования, отличающаяся универсальностью применения в различных информационно-управляющих системах, позволяющая повысить помехоустойчивость и скорость кодирования информационной последовательности, тем самым увеличив объем передаваемой полезной информации в единицу времени для существующих сетей связи.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований предложен алгоритм работы помехоустойчивого канального кодека сети связи абонентского доступа, информационно-управляющей системы в форме модели, разработанной на логическом уровне. Данная модель является универсальной для различных систем, позволяет оценить и снизить вероятность блочной и битовой ошибки кода в канале связи, тем самым повысить помехоустойчивость передаваемых информационных последовательностей. Использование данной модели позволяет значительно снизить временные и аппаратные затраты при построении сетей связи.

Внедрение результатов работы. Основные положения диссертации в виде разработанной методики кодирования сети связи информационно-управляющей системы внедрены в филиал ЗАО «Иркос», ООО «Единый СЦ» (г. Воронеж) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2008 - 2011); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007); научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2007 - 2009 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [37, 41, 42] - обзор алгоритмов проектирования цифровых устройств, [40] - алгоритм кодирования сверточным кодом, [44, 45] - алгоритмы кодирования и декодирования данных в сетях связи, [43, 47] - методы повышения помехоустойчивости канала связи, [46, 49] - модели элементов кодера сети абонентского доступа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице, содержит 43 рисунка и 3 таблицы.

В первой главе рассмотрены принципы построения сетей связи абонентского доступа. Отражены общие характеристики сетей сотовой связи, архитектура сети, протоколы передачи данных и их алгоритмы

преобразования. Осуществлен анализ существующих алгоритмов канального кодирования/декодирования информации. Отражена общая структурная передачи цифровой информации. Отмечено, что для организации промышленных сетей связи абонентского доступа, в настоящее время используются сверточные алгоритмы кодирования данных. Для существенного улучшения помехоустойчивости при использовании сверточных кодов необходимо увеличивать скорость передачи символов, но это достаточно сложная задача из-за сложной структуры таких алгоритмов.

Предложен метод для достижения поставленной цели, основанный на применении алгоритмов каскадного кодирования/декодирования. В основе построения, которых лежит идея совместного использования нескольких составляющих кодов. Данный подход позволяет существенно снизить вероятность битовой Рь и блочной Рв ошибки кода, тем самым повысив его помехоустойчивость. Это дает возможность применения алгоритмов перфорации кода, которые позволят управлять скоростью кодирования информационной последовательности на выходе кодера, путем систематического удаления битов данных избыточной кодированной последовательности. В результате, выходная последовательность позволяет передавать за единицу времени большей объем полезной информации по сравнению с существующими скоростями кодирования (г=1/2), что в свою очередь не требует аппаратных изменений в остальных узлах системы.

Во второй главе осуществлена разработка математических моделей кодирования/декодирования информации в сетях сотовой связи, информационно-управляющих систем.

Рассмотрены математические модели существующих каналов связи, основы построения дискретных каналов и расчет их основных характеристик.

Получены математические описания помехоустойчивых кодов. Подробно рассмотрены сверточные коды и недвоичные коды Рида-Соломона.

Сформировано математическое описание кодирования/декодирования информационной последовательности, на основе каскадной схемы кодирования, с применением моделей перестановки данных и перфорирования кода, позволяющих снизить показатель вероятности ошибки в блоке кода, а также предоставляет возможность получения различных скоростей кодирования на выходе кодера.

В третьей главе разработан метод канального кодирования и декодирования данных сетей сотовой связи абонентского доступа, информационно-управляющих систем.

Рассмотрен метод каскадного кодирования на безе внутреннего светрочного кода и внешнего кода Рида-Соломона. Этот алгоритм кроме преимущества по эффективности кодирования также снижает аппаратные затраты на проектирование. В структуре данного метода также реализован алгоритм перемежения и восстановления, осуществляющие псевдослучайную перестановку символов внешнего кода и восстановление исходного порядка символов соответственно в устройстве декодера. Разработанный алгоритм кодирования Рида-Соломона служит эффективным методом для устранения групповой ошибки в информационной последовательности, т.е. минимизации вероятности ошибки в кодовом блоке. Соответственно, внутренний алгоритм кодирования сверочным кодом отвечает в построенной модели за снижение вероятности битовой одиночной ошибки. В этом случае, сочетание данных алгоритмов являются наиболее оптимальными, и это приводит к снижению аппаратных затрат.

Метод каскадного декодирования на основе алгоритма декодирования сверточных кодов и Рида-Соломона. Данный метод позволяет производить декодирование информации представленной в каскадном коде, что в свою очередь значительно увеличивает скорость обработки данных. За счет того что, схема кодирования информационной последовательности разбита на два уровня (внешнее и внутреннее кодирование), в построенной модели использован синдромный декодер вместо более сложного декодера Витерби.

Алгоритмы работы по перфорированию и деперфорированию кода. Перфорация кода состоит в систематическом удалении из процесса передачи в канал некоторых битов данных с выхода низкоскоростного кодера. В результате, выходная последовательность принадлежит перфорированному коду более высокой скорости, что позволяет сделать универсальной систему кодер-декодер, с возможностью работы с разными скоростями кодирования. На основе данного метода, возможно, построить кодек позволяющий передавать больший объем полезной информации в единицу времени, за счет увеличения скорости кодирования информационного потока.

В четвертой главе осуществлена разработка модели кодека сети сотовой связи абонентского доступа, информационно-управляющей системы в виде RTL кода. Модель разработана с использованием языка высокого уровня программирования и аппаратного описания VHDL. В качестве среды программирования использован программный комплекс Active-HDL.

На сегодняшний день одним из лидеров по производству и реализации специализированных промышленных модемов я�