автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Анализ и разработка моделей систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью

На правах рукописи

Ь'!/ ¿к

Шапин Алексей Геннадьевич

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ГИБРИДНОЙ РЕШАЮЩЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 6 июн 2011

НОВОСИБИРСК-2011

4850216

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» на кафедре передачи дискретных сообщений и метрологии

Научный руководитель Официальные оппоненты:

- д.т.н., проф. Мелентьев О.Г.

- д.т.н., проф. Ярославцев А.Ф.

- к.т.н., проф. Астрецов Д.В.

Ведущая организация

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН

Защита состоится «1» июля 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 630102, Новосибирск, Октябрьский район, ул. Кирова, 86, ауд. 625. ,

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Автореферат разослан «26» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.005.01 доктор технических наук, профессор ----- Г.В. Мамчев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Популярность услуг передачи данных за последние годы привела к увеличению требований к скоростям. Рост объёмов передаваемой информации в сетях передачи обуславливает необходимость разработки систем, наиболее эффективно использующих пропускную способность каналов. Интерес в данном случае представляют именно беспроводные каналы связи, имеющие нестационарный характер. В этих условиях использование гибридной решающей обратной связи (ГРОС) позволяет в значительной степени повысить качественные показатели систем передачи данных (СПД).

Системы передачи данных с ГРОС занимают промежуточное положение между системами с переспросом и системами с прямым исправлением ошибок, сочетая лучшее из этих двух подходов. Идея заключается в переспросе не только информационной последовательности, как это делается в классических системах, а ещё и последовательности проверочных элементов кода с высокой исправляющей способностью, что в ряде случаев позволяет снизить затраты на передачу одного бита информации и повысить производительность системы.

Впервые в 1965 году A.A. Харкевич в своей монографии обозначил перспективность использования обратной связи совместно с различными корректирующими кодами. Позже вопросами анализа систем с гибридной решающей обратной связью занимались Е. Высоцкий, О.Г. Мелентьев, Shu Lin, Michael Miller, Fulvio Babich, Robert Deng, Masao Kasahara, Samir Kallel и другие. Сегодня СПД с ГРОС уже используются в стандарте UMTS и активно внедряются в другие стандарты мобильной связи, такие как 3GPP Long Term Evolution (LTE) и IEEE 802.16 (WiMAX).

В работах Shu Lin, Michael Miller, Philip Yu проанализированны системы с ГРОС и блочным корректирующим кодом (БКК). Недостатком работ авторов является отсутствие методик, позволяющих оценивать вероятностно-временные характеристики (ВВХ) этих систем в случаях с ограниченным количеством попыток переспроса, так как в работах приведены математические выражения лишь для оценки границ вероятности остаточной ошибки только при бесконечно большом числе переспросов.

Maan Kousa и Mushfiqur Rahman в своей работе предложили использовать гибридную систему с каскадированием двух блочных кодов, но ни в одной из работ о системах с ГРОС не было предложено совместное использование блочных и свёрточных корректирующих кодов в одной системе.

Joachim Hagenauer, Robert Deng и Samir Kallel занимались анализом гибридных систем с использованием свёрточных корректирующих кодов (СКК). Изучены методики адаптации скорости свёрточного кода к качеству канала за счёт «выкалывания» и методики переспроса наименее «надёжных» бит, определяемых с помощью алгоритма апостериорной вероятности при декодировании. В работах этих авторов рассматривается снижение скорости свёрточного кода минимально до 1/2, но не предусмотрено снижение скорости свёрточного кода до 1 /3 и ниже, что будет уместно для сильнозашумлённых каналов.

Цель работы: проведение анализа существующих систем с ГРОС, разработка новых систем с ГРОС, а также разработка математических и имитационных моделей систем передачи данных с ГРОС, позволяющих оценивать их ВВХ при работе по дискретному каналу связи.

Методы исследования: В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, имитационного и математического моделирования сложных систем.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны математические модели для оценки ВВХ систем ГРОС-БКК для дискретного канала при заданном числе переспросов.

2. Предложен метод повышения верности доставки в системах с ГРОС и свёрточным корректирующим кодированием (ГРОС-СКК) путём адаптивного снижения скорости свёрточного кодирования от 1 до 1/3.

3. Предложена архитектура системы передачи с ГРОС, использующая свёрточное и блочное корректирующее кодирование (ГРОС-ККК), что позволяет до 50 % повысить верность доставки по сравнению с системами ГРОС-БКК.

4. Разработаны имитационные модели систем ГРОС-БКК, ГРОС-СКК и ГРОС-ККК для дискретного канала, позволяющие получать ВВХ.

Практическая ценность работы и внедрение её результатов:

1. Разработанные в диссертации имитационные и математические модели СПД с ГРОС для оценки качественных характеристик этих систем использовались при разработке системных решений по стандарту беспроводного широкополосного доступа NG1 в ЗАО «Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий» (Акт внедрения от 6.12.2010 №77).

2. Разработанные в среде Simulink имитационные модели систем с ГРОС используются в лабораторно-практических занятиях посвященных моделированию СПД курса «Системы и сети передачи информации», а теоретический материал используется в лекциях о современных беспроводных системах в рамках курсов «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей», «Основы передачи дискретных сообщений» (Акт внедрения от 4.05.2011 №33333).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:

- Международная школа-семинар по электронным приборам и материалам «EDM» - Эрлагол, 2007,2008;

- Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникации» - Новосибирск, 2008, 2009, 2010;

- Международная конференция «INTERNANO» - Новосибирск, 2009.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 работ. В число указанных публикаций входят 2 статьи из перечня ВАК ведущих научных журналов и изданий.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит та введения, четырёх глав, заключения и трёх приложений. Содержит сто шесть страниц, четыре таблицы, восемьдесят три рисунка. Список литературы состоит из 57 наименований.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели оценки ВВХ систем ГРОС-БКК для дискретного канала.

2. Метод повышения верности доставки в системах ГРОС-СКК путём адаптивного снижения скорости свёрточного кодирования от 1 до 1/3 в нестационарных каналах связи.

3. Архитектура системы передачи с ГРОС-ККК.

4. Имитационные модели систем ГРОС-БКК, ГРОС-СКК и ГРОС-ККК для дискретного канала.

5. Результаты сравнения ВВХ рассмотренных в диссертации систем с ГРОС. Достоверность полученных результатов обеспечена корректным применением методов теории вероятности, математической статистики, сравнением аналитических результатов с результатами имитационного моделирования и с результатами, полученными другими авторами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследований, методы, научная новизна и практическая ценность результатов диссертации.

В первой главе рассматривается СПД с ГРОС и блочным корректирующим кодированием (БКК). Схема такой системы приведена на рис. 1.

УУ I"

ОК

УУ к-

ис

сяс

БК

сл е-

о

чз

ПК

►еЛ

тЗ Г,

БД

Рис. 1. Структура системы ГРОС-БКК

От источника сообщений (ИС) в СЯС-кодер поступает последовательность длиной к, где к сообщению добавляется г/ проверочных элементов, после чего п элементов (и=£+г/) поступают в буфер и блочный кодер (БК). Последний вычисляет корректирующую группу — г2 проверочных элементов блочного кода с исправляющей способностью tu, которые также записываются в буфер. Первоначально в прямой канал передаётся «-элементный блок. Если на приёмной стороне СЯС-декодер обнаруживает ошибку в блоке, то устройство управления (УУ) через обратный канал (ОК) запрашивает передачу ^-элементной корректирующей группы. На приёмной стороне после исправления ошибок в блочном декодере (БД) информационный блок повторно проверяется на наличие ошибок. Если ошибки остаются, то в следующей попытке повторяется «-элементный блок, т.е. при обнаружении ошибки СЫС-декодером передача и-элементного информационного блока и г_7-элементной корректирующей группы чередуются.

При приёме любого блока на приёмной стороне происходит его запись в буфер. В зависимости от ёмкости буферной памяти предлагаются три стратегии декодирования.

В стратегии ГРОС-БКК-1 при приёме «-элементного информационного блока результаты прежних попыток для декодирования не используются, т.е. информационный блок, принятый с ошибкой в нечётной попытке, всегда исправляется корректирующей группой из следующей попытки. На рис. 2 приведён пример исправления информационных блоков за счёт принятых корректирующих групп (в скобках обозначены номера попыток передачи). Из рисунка видно, что принятые в чётных попытках ^-элементные корректирующие группы используются только для исправления принятых в предыдущей попытке «-элементных информационных блоков.

В стратегии ГРОС-БКК-2, при обнаружении ошибок в случае повторного приёма «-элементного информационного блока, делается попытка исправления с помощью ггэлементной корректирующей группы, полученной ранее, а в случае неудачи - попытка исправить этот информационный блок корректирующей группой из следующей передачи (рис. 3).

В стратегии ГРОС-БКК-3 при получении «-элементного информационного блока с ошибками для их исправления используются все полученные ранее /¿-элементные корректирующие группы. Аналогично, при получении корректирующей группы делается попытка исправить все полученные ранее информационные блоки (рис. 4).

(1)1 п Ь-НГТГП(2) (1)1 п '\—тГЗП(2) (1)1 п к-^ГТ1(2) (3)| п Ь—Г ~Г1 I(4) (3)1 п (3)1 п |||гтГ~1(4)

(5)1 п У-ПГ~1(6) (5)| Н £УЛЛ(6) Рис. 2. Пример для Рис. 3. Пример для Рис. 4. Пример для

ГРОС-БКК-1 ГРОС-БКК-2 ГРОС-БКК-3

В стратегии ГРОС-БКК-1 вероятность успешной доставки Р) а информационного блока в зависимости от номера переспроса Ь,„ определяется следующими выражениями:

Руд(ь^-р^Гт\ьт) + р^"'\1т -1) (1)

при нечётном Ьт и

(2)

при чётном Ьт, где

, .. . 1 - (р р Л Г,(нечет) _ г, 1 \ГеГии) __/"п

Чд ~ "о ГГр~Б ' ( )

1 гегни р(чёт) _ р р 1 ~ (Ре^ни ) '"

Гуо ~ Геги 1 _ р р ' ^

1 гегни

Здесь Ре - вероятность приёма блока с одной и более ошибками, Ро - вероятность приёма блока без ошибок, Ри - вероятность исправления ошибок,; Рни - вероятность того, что после исправления ошибки останутся.

В стратегии ГРОС-БКК-2 для расчёта вероятности успешной доставки информационного блока необходимо формировать матрицу «хороших» исходов G и «плохих» исходов В. Элементы матрицы G представляют собой вероятности правильного декодирования, если в попытке, соответствующей номеру строки, произошло х ошибок. Элементами матрицы В являются вероятности ошибочного декодирования, если в попытке, соответствующей номеру строки, произошло х ошибок. При этом вероятность возникновения х ошибок в информационном блоке длиной п обозначим а„ а вероятность возникновения х ошибок в корректирующей группе длиной Г2~ЬХ. Запишем общие выражения для элементов матриц.

Для нулевой строки G0,0 = а0, соответственно ß0,o= 0.

При / е[1...и]: В0л=а,\ G0.r0.

г2

Нулевой элемент чётной ненулевой строки (/>0) G; 0 = ^о X^Mj > со°твет-

J=o

ственно В0.

'„ г2 При i е[1..Л]: G,j = а,- Y,BJ-\,j '■> Bl,i = ai HBl-\J ■ j=0 j=tu- i+l

Все элементы чётных строк матрицы G с индексами, больше 4, равны нулю.

г2

Элементы матрицы В при i e[t,,+1 ...п] равны В/, = а,- } j.

j=0

Подобным образом формируются элементы нечетных строк матриц. Следует отметить, что в данном случае отличными от нуля могут быть только первые (гз+1) элементов каждой матрицы.

Для г e[0...f,-l]: G/,/=bI-^B/_w; Ви = b, tBl-lj ■

j=1 Mu-M

n

Для i et4-rJ: G/;( = 0; Bu = b^i-xj ■

7=1

Сумма элементов строки матрицы G является вероятностью правильного декодирования точно в текущей попытке. Сумма элементов строк с 0 по L,„ есть вероятность успешной доставки за Lm попыток:

£<?/,/• (5)

/=0/=0

Для стратегии ГРОС-БКК-3 формирование матриц происходит более сложным способом, но для расчёта вероятности успешной доставки также используется выражение 5. Формирование первых двух строк матриц В и G происходит способом, аналогичным ГРОС-БКК-2, т.к. в первой и второй попытках

системы функционируют одинаково. Приведём общие выражения для элементов

л(к-2г-\)12\

нечетных строк матриц:

г /

(А-з)/:

Сп ; = Си ; + У.

А,;'

г=0

I

/=1

(й-3)/2 г=0

В-

2г,1 "

П

I ь

л(И-2г-\)/2

2>/

У

I

В

2 '

г->

(й-2г-1)/2

1«;

>,(й-2г-1)/2

(б)

(7)

где к - номер попытки передачи от трёх и выше. Для чётных строк матриц:

= + Е

г=0

(М/2 = вм - X,

г=0

'и-'"

I

;=о

I

/=о

2г+1,/ '

2>4

\(А-2г-2)/2

Кг

2Л

В

'2г+Ц

к=1„-Ы

(И-2г~2}/2

г-г

ъь

\Ни~М )

\(й-2г-2)/2

(в)

(9)

где /з - номер попытки передачи от четырёх и выше. Одним из показателей эффективности использования канала связи являются затраты двоичных элементов на передачу одной информационной последовательности длиной к элементов. В системе с гибридной ОС при вычислении затрат необходимо учитывать две длины блока п, г2, а также вероятности обнаружения ошибок в блоке и их исправления. В зависимости от максимального числа переспросов Ьт, разрешённых в системе, средние затраты в прямом канале могут быть вычислены по следующим рекурсивным формулам:

- при одной попытке 2„р{ 1 )=и; (10)

- при чётном значении Ьш

гпр{Ь^ = 2пр{Ьт- 1) + г2{\-Руд{Ьт- 1)); (11)

- при нечётном 1,„ > 3

г^и = 2пр{Ьт~ 1) + п (1 -Руд{Ьт- 1)). (12)

Затраты в обратном канале вычисляются аналогично, но вместо длин п и г2 подставляется длина квитанции в обратном канале

При одной попытке 20К ~ пок. (13)

При остальных значениях Ьт > 2,

2ск{1^^2ок{Ьт-\) + пок^ -Руд(Ьт- 1)). (14)

Суммарные затраты на передачу одного блока можно определить как сумму затрат в прямом и обратном каналах:

г&^г^ + гм. (15)

Относительная скорость определится выражением:

Е(1т)=Т^Руд(1т). (16)

Имитационное моделирование

Кроме математических моделей для систем передачи данных ГРОС-БКК-1, 2 и 3 в первой главе были разработаны алгоритмы имитационного моделирования в среде МаШСАВ. Алгоритмы используют границы Хемминга для определения исправляющей и обнаруживающей способностей кодов, что является их недостатком. В связи с этим в среде 8шш1тк были разработаны имитационные модели систем ГРОС-БКК-1 и ГРОС-БКК-2, использующие БЧХ и СКС-кодеки. Создание модели ГРОС-БКК-3 в БтиИпк невозможно, так как с четвёртой попытки переспроса начинает возрастать число одновременно использующихся декодеров, что недопустимо в данной среде моделирования.

Для сравнения эффективности стратегий декодирования и дополнительной проверки корректности математических моделей было проведено математическое и имитационное моделирование в среде МаШСАБ и БшшНпк при следующих параметрах систем: «=223, г2=32, 4=4, /-¡=36, пок=64. В Бшийтк для исправления ошибок использовался циклический код БЧХ (223, 255), а для обнаружения - СЖМб. Были исследованы ВВХ для вероятности ошибки в дискретном канале от 0 до 0.05, но для наглядности графика (рис. 5) сравнение проведём с вероятностью ошибки р=0.018.

— ММ ГРОС-БКК-3

0 4. / X ИМ ГРОС-БКК-1 (Ма№САО)

/ X ИМ ГРОС-БКК-2 (Ма№САй)

о.з- / X ИМ ГРОС-БКК-3 (Ма^САР)

/ 1» ИМ ГРОС-БКК-1 (БтиИпк)

°'2" / ч ИМ ГРОС-БКК-2 (БтиИпк)

0.1- / ---

"1 2 3 4 5 6

Рис. 5. Зависимости вероятности успешной доставки от допустимого числа попыток. ММ — математическая модель, ИМ — имитационная модель

На рис. 5 приведены зависимости вероятности успешной доставки блока за Ьт попыток для разных стратегий декодирования, полученные аналитически, а также результаты имитационного моделирования. Результаты имитационного моделирования совпали с результатами, полученными по выражениям 1 — 9, что подтверждает их корректность. Относительная разшща вероятности успешной доставки, полученной путём аналитического расчёта и имитационного моделирования, не превысила 1 % при объёме выборки 1 млн. блоков.

Как видно из рис. 5, начиная со второй попытки передачи, системы ГРОС-БКК позволяют повысить вероятность успешной доставки блока в 14 и бо-

лее раз по сравнению с классической системой, использующей решающую обратную связь (РОС). Стоит также отметить, что с ростом коэффициента ошибки в канале выигрыш ГРОС-БКК по сравнению с классическими системами с РОС может достигать нескольких порядков.

Во второй главе рассматривается система с гибридной решающей обратной связью и свёрточным корректирующим кодированием (ГРОС-СКК, рис. 6). После кодирования в СЯС-кодере информационная последовательность вместе с г/ проверочными разрядами кода, обнаруживающего ошибки, образуют блок длиной п элементов. Перед свёрточным кодированием к блоку добавляется г «нулевых» элементов для возврата свёрточного кодера к нулевому состоянию. Затем блок поступает в свёрточный кодер (СК), скорость которого 1/3. Каждый входной элемент порождает три элемента на выходе кодера. Выходные элементы с каждого сумматора кодера записываются в три регистра буфера так, что первый регистр содержит первые элементы С¡, второй - вторые С^, и, соответственно, третий -третьи Сз. Длина каждого блока по п+г элементов.

В соответствии с номером попытки передачи (1= 1,2, 3), в перемежитель (ПМ) из буфера поступает блок С/. После перемежения блок длиной п+х элементов передаётся по прямому каналу (ПК).

УУ

ис

сяс -

п+г м

п+г

СК •е- о •о

п+г

Щср-Щс]

Рис. 6. Структура системы передачи данных ГРОС-СКК

На приёмной стороне блок поступает в деперемежитель (ДПМ), где восстанавливается исходный порядок следования элементов. Принятую и депереме-жённую последовательность обозначим С/*, где / - номер сумматора, с которого пришла последовательность. С/* записывается в буфер. В зависимости от номера попытки передачи буфер выдает один блок в первый свёрточный декодер (СДО (/ = 1) либо выдаёт сразу два или три блока (/ =2, 3) в декодеры СДц и СД:2з соответственно. Все СД декодируют полученную последовательность со скоростью 1/1 и усекают блок до п элементов. С11С-декодер проверяет блок на наличие ошибок и принимает решение о качестве декодирования.

Обнаружение ошибок в блоке инициирует передачу по обратному каналу (ОК) отрицательной квитанции. При получении первой отрицательной квитанции по ПК передаётся перемежённый блок С2, а на приёме производится исправление ошибок СД,2 со скоростью 1/2. В случае повторного обнаружения ошибок перемежается и передается Сз, а ошибки исправляются СДш со скоростью 1/3. Если третья попытка оказывается неудачной, система возвращается к первой попытке или переходит к передаче следующего информационного блока.

Для описанной выше системы передачи ГРОС-СКК можно предложить три основных способа декодирования. Все они будут различаться количеством СД.

Первый способ — самый простой в реализации. Он основан на использовании трёх СД. В первой попытке приёма блок декодируется СД) со скоростью 1, используя принятую последовательность С,*, во второй попытке последовательности С/* и С2* декодируются со скоростью 1/2 в СД12, в третьей попытке последовательности С;*, С2* и Сз* декодируются со скоростью 1/3 в СД123. Схема такой СПД приведена на рис. 9. Назовем такую систему ГРОС-СКК-1.

Второй способ требует для реализации пять СД. Декодеры СДЬ СДп и СДШ работают так же, как в ГРОС-СКК-1. СД2 включается в работу только во второй попытке, декодируя принятую последовательность С2* со скоростью 1, СД>з - только в третьей попытке, обрабатывая принятые С2* и С3* последовательности, декодируя их со скоростью 1/2. Такой подход позволит повысить вероятность успешного приёма блока для случая, когда в принятой С/* последовательности содержится большое количество ошибок. Назовём такую стратегию ГРОС-СКК-2. Система передачи при использовании такого способа отличается от рис. 6 лишь схемой декодирования, которая приведена отдельно на рис. 7. Стоит также отметить, что, начиная со второй попытки, в стратегии ГРОС-СКК-2 необходимо параллельно проверять на ошибки результаты декодирования двух СД. Это требует наличия в системе двух CRC-декодеров.

Третий способ - самый сложный в построении. В схеме используется семь СД (рис. И). СДь СД2, СД12, СД23 и СД123 работают идентично пяти декодерам предыдущей схемы. СД3 и СД13 включаются в работу только при третьей попытке переспроса. СДз декодирует принятую С3* последовательность со скоростью 1, СД13 - со скоростью 1/2 (последовательности С;* и С3*). Таким образом, в предложенной схеме осуществляются все варианты декодирования принятых последовательностей. Назовём такую стратегию ГРОС-СКК-3. Такая система отличается от системы, представленной на рис. б, только схемой декодирования, которая приведена отдельно на рис. 8. В третьей попытке в стратегии ГРОС-СКК-3 целесообразно параллельно проверять на ошибки результаты декодирования четырёх СД, что требует наличия в системе четырёх CRC-декодеров.

СД, (С,*)

сд2 (С,*)

сд12 (С,* А*)

СД„(С2*А*)

(С,*А*А*)

Рис. 7. Схема декодирования в ГРОС-СКК-2

n+z^r СД, (С,*)

С* с* с* Буфер СД2 (С,*)

сд12 (с,* А*)

СДз (С,*)

сд„(с2*а*)

сд,3 (С,* А*)

СДиз (СДС,*А*)

Рис. 8. Схема декодирования в ГРОС-СКК-3

Поиск параметров свёрточного кодирования

После анализа вышеописанного принципа работы системы, ставилась задача поиска тройки полиномов, которые обеспечили бы максимальную помехо-

устойчивость системы. Для решения такой задачи необходимо было подобрать такие три полинома, парные сочетания которых давали бы максимальный выигрыш помехоустойчивости. Поиск лучших параметров свёрточного кодирования со скоростями 1/2 и 1/3 осуществлялся способом математического моделирования в системе Simulink. Для этого были созданы две модели: для скорости 1/2 и для скорости 1/3. Обе модели представляют собой упрощённую систему передачи без обратного канала, состоящую из источника сообщений, генератора CRC-последовательности для проверки на ошибки, свёрточного кодера, канала с независимыми ошибками, свёрточного декодера и детектора CRC. Стоит отдельно отметить, что перемежение в этом случае не применялось, т.к. группирование ошибок отсутствует. Основываясь на результатах имитационного моделирования, предложены три конфигурации свёрточного кодека для системы передачи с ГРОС-СКК (табл. 1).

Таблица 1. Лучшие конфигурации полиномов для системы ГРОС-СКК

Число ячеек регистра 1 -ая попытка 2-ая попытка 3-яя попытка

5 (35) (35, 23) (35,23,27)

5 (37) (37, 25) (37,33,25)

7 (171) (171, 133) (171, 133, 165)

Имитационное моделирование. Для разработки имитационных моделей трёх стратегий системы ГРОС-СКК в среде MATLAB&Simulink создан свёрточ-ный кодер и декодер Витерби, способный декодировать последовательности со скоростью 1, так как имеющиеся в Simulink готовые решения не позволяют производить такие операции. Блоки свёрточного кодека написаны на языке MATLAB в форме S-функций второго уровня.

С помощью разработанных моделей проведено имитационное моделирование для стратегий декодирования системы ГРОС-СКК. Для моделирования были выбраны следующие параметры:

- дискретный канал Гилберта Pgg = 0.995, Рьь = 0.93, вероятность ошибки в плохом состоянии р=1, средняя вероятность ошибки в канале Р = 0.067;

- свёрточный кодек: 5 ячеек регистра, полиномы (35, 23, 27), глубина декодирования - 15, включено дополнение нулями - «tail biting»;

- длина информационной последовательности к = 300 бит;

- проверка на ошибки: CRC-16;

- объём выборки имитационного моделирования подбирался таким образом, чтобы доверительная вероятность была не менее 0.99.

ГРОС-СКК-1 -Н- ГРОС-СКК-2 1

-Х- ГРОС-СКК-3 д.«'**' ............

- .....—.........-......—........................................- -

Г -----------------------------------------------— *

Рис. 9. Относительная скорость передачи после Ьт попыток. Сравнение стратегий декодирования ГРОС-СКК.

По результатам имитационного моделирования получены зависимости относительной скорости передачи после Х,„ попыток для трёх стратегий декодирования ГРОС-СКК. Как видно из полученного графика (рис. 9), стратегия ГРОС-СКК-3 является наиболее выигрышной, но она является самой сложной по реализации и вычислительным затратам, так как использует больше свёрточных декодеров. Простейшая по реализации стратегия ГРОС-СКК-1 показывает худшие результаты. Стоит заметить, что различие показателей вероятности успешной доставки систем ГРОС-СКК-3 и ГРОС-СКК-2 наблюдается только лишь в третьей попытке и для выбранных параметров системы составляет всего 1 %, поэтому в большинстве случаев достаточно применять ГРОС-СКК-2, так как эта система проще и требует меньше затрат элементной базы.

В третьей главе рассматриваются системы с гибридной решающей обратной связью и комбинированным корректирующим кодированием (ГРОС-ККК). На рис. 10 представлена структурная схема одной из таких систем. Название системы обусловлено совмещением свёрточного и блочного кодирований.

Рис. 10. Структура системы передачи данных ГРОС-ККК-1

Из ИС информационная последовательность поступает в СИС-кодер, где кодируется кодом с высокой обнаруживающей способностью. Далее информационная последовательность вместе с проверочными элементами поступает на СК. В СК и-элементная последовательность кодируется со скоростью 1/2, а последовательности длиной п+г элементов с выхода каждого сумматора перемежаются в ПМ, формируя последовательности С/ и С2 , которые записываются в буфер. Кроме того, последовательность из п+г с первого сумматора поступает в блочный кодер (БК), где кодируется блочным кодом с высокой исправляющей способностью (например, кодом БЧХ или Рида - Соломона), а получившиеся проверочные элементы г2 записываются в буфер..

Сначала в ПК передаётся последовательность С/ с первого сумматора свёрточного кодера. На приёмной стороне последовательность поступает на ДПМ и записывается в буфер. В СД] последовательность декодируется со скоростью свёрточного кода 1 и поступает в СЯС-декодер, где проверятся на ошибки.

Если в декодированной информационной последовательности были обнаружены ошибки, УУ приёма отсылает отрицательную квитанцию. УУ передачи, приняв отрицательную квитанцию, подаёт команду буферу, который отсылает последовательность г2, содержащую проверочные элементы блочного кода. Стоит заметить, что эта последовательность не перемежается. На приёмной стороне результат объединения последовательности С; * с г2 декодируется в БД, а результат декодирования декодируется со скоростью 1 в СДЬ после чего проверяется на ошибки.

При неудаче во второй попытке инициируется третья, в которой происходит передача последовательности С2, которая проходит через ДПМ на приёмной стороне. Принятые последовательности С]* и С2* декодируются в СДп со скоростью 1/2, декодированная последовательность проверяется на ошибки в СИС-де-кодере. Кроме того, последовательность С2* декодируется отдельно в СДг со скоростью 1, после чего проверяется на ошибки. После этой попытки система переходит к обработке следующей информационной последовательности независимо от успеха либо неудачи. Назовём такую систему ГРОС-ККК-1.

Анализ взаиморасположения блочного и свёрточного кодов в системе ГРОС-ККК-1 позволяет сделать следующие выводы. При приёме последовательности Су* с числом ошибок, превышающим исправляющую способность кода (?„)> передача /-¿-элементной корректирующей группы в следующей попытке нецелесообразна, так как блочный код в этом случае только размножит ошибки. Наоборот, применение свёрточного кодирования во второй попытке позволит если не

исправить, то уменьшить число ошибок в и-элементной последовательности, которую впоследствии можно будет попытаться исправить блочным кодом. Исходя из этого предлагается система передачи ГРОС-ККК-2.

ГРОС-ККК-2 (рис. 11) отличается от предыдущей тем, что «-элементная последовательность кодируется параллельно в СК со скоростью 1/2 и в БК. Последовательности с выхода каждого сумматора СК перемежаются и записываются в буфер вместе с вычисленной в БК /^-элементной корректирующей группой. В первой попытке передаётся перемежённая последовательность С;, во второй -перемежённая последовательность С2, в третьей - корректирующая группа г2. На приёмной стороне в первой попытке принятая и деперемежённая последовательность С/* декодируется со скоростью 1 в СДь Во второй - последовательности С{* и С2* декодируются со скоростью 1/2 в СДп, а С* со скоростью 1 в СД?. В третьей - результат декодирования СД]2 и ггэлементная корректирующая группа декодируются в БД.

Рис. 11. Структура системы передачи данных ГРОС-ККК-2

Для того чтобы оценить ВВХ предложенных систем ГРОС-ККК, были созданы имитационные модели в среде БшиНпк.

В четвёртой главе производится сравнение всех рассмотренных систем передачи данных методом имитационного моделирования с помощью разработанных моделей в среде ЗтиПпк. Параметры моделируемых систем (табл. 2) подобраны таким образом, что г2 ~ п, что позволяет сравнивать системы по показателям вероятности успешной доставки. Кроме того, объём выборки имитационного моделирования подбирался таким образом, чтобы доверительная вероятность была не менее 0.99.

В качестве модели канала выбран дискретный канал с группирующимися ошибками, описываемый моделью Гилберта. Данный дискретный канал соответствует каналу с релеевскими замираниями, что типично для радиоканалов.

Имитационное моделирование СПД проводилось для двух случаев: типичного радиоканала и сильно зашумлённого радиоканала. Параметры канала Гилберта для типичного радиоканала: Р^=0.995; Рьь=0.93; вероятность ошибки в плохом состояниир= 0.5, что соответствует средней вероятности ошибки 0.0333. Параметры канала Гилберта для сильно зашумлённого радиоканала: 0.99; Рьь=0.93; вероятность ошибки в плохом состоянии р=0.8, что соответствует средней вероятности ошибки 0.1.

Объём выборки при моделировании составлял 1 миллион блоков.

Таблица 2. Параметры моделируемых систем

Система передачи Длина ИП к, элементов Параметры кодов

Свёрточного Блочного сяс

ГРОС-БКК 243 - БЧХ [259,511], г = 30 СЯС-16

ГРОС-СКК (5) 243 Полиномы (35,23,27), 2=4, глубина декодирования -20г кодовых слов еж:-16

ГРОС-СКК (7) 243 Полиномы (171, 133, 165), г=6, глубина декодирования -20г кодовых слов - СЯС-16

ГРОС-ККК-1 (5) 239 Полиномы (35,23), г=4, глубина декодирования -20г кодовых слов БЧХ [259,511] СЯС-16

ГРОС-ККК-2 (5) 243 Полиномы (35, 23), г=4, глубина декодирования -20г кодовых слов БЧХ [259,511] СЯС-16

ГРОС-ККК-1 (7) 237 Полиномы (171, 133), г=6, глубина декодирования -20г кодовых слов БЧХ [259,511] СЯС-16

ГРОС-ККК-2 (7) 243 Полиномы (171,133), т-6, глубина декодирования -20г кодовых слов БЧХ [259,511] СЯС-16

РОС | 243 — — ОЮ-16

На рис. 12 и 13 показаны результаты моделирования описанных в диссертации систем передачи данных с ГРОС и результаты теоретического расчёта для классической системы с решающей обратной связью (РОС). Гистограммы отображают зависимость вероятности успешной доставки информационной последовательности (РУд) от количества попыток передачи (/,„,).

□ БКК

а БКК-Оскк-

□ скк-

□ СКК-

□ скк-

□ скк-аскк-

□ ккк

□ ккк

□ ккк

□ ккк

■ РОС

1

2-3

1 (171,153,165)

2 (171,133,165)

3 (171,133,165)

1 (35,23,27)

2 (35,23,27)

3 (35,23,27)

1 (171,133)

2 (171,133)

1 (35,23)

2 (35,23) ОЖ

Рис. 12. Результаты моделирования для типичного радиоканала

в БКК о БКК

□ скк-

□ скк-

□ скк

□ скк-

□ скк-аскк-

□ ккк-

□ ккк-а ккк-

□ ккк-

■ РОС-

■1 2-3

1 (171.133,165)

2 (171,133,165)

3 (171,133,165)

1 (35,23,27)

2 (35,23,27)

3 (35,23,27) ■1 (171,133) ■2 (171,133) ■1 (35,23)

2 (35,23) ОЖ

Рис. 13. Результаты моделирования для сильно зашумлённого радиоканала

Анализ гистограмм (рис. 12 и 13) позволяет сделать следующие выводы.

В первой попытке все вероятности успешной доставки примерно равны, так как длины последовательностей в первой попытке практически для всех систем одинаковы, а исправление ошибок не производится.

По результатам второй попытки системы ГРОС-СКК-1 и ГРОС-ККК-1 имеют одинаковые показатели, так как в первых двух попытках их принцип работы одинаков. Однако во второй и третьей попытке лучшие показатели имеют системы ГРОС-СКК (171, 133, 165). Их средний выигрыш по сравнению с другими системами в сильно зашумлённом радиоканале составляет 26 % после второй и 52 % после третьей попытки.

Выигрыш ГРОС-ККК-2 по сравнению со средними показателями систем ПРОС-БКК составляет 8 % во второй и 5 % в третьей попытке для типичного радиоканала, 50 % во второй и 32 % в третьей попытке для сильно зашумлённого.

Средний выигрыш гибридных систем в сильно зашумлённом радиоканале после третьей попытки по сравнению с классической системой с РОС составляет 57 % для ГРОС-БКК, 196 % для ГРОС-СКК (35, 23, 27), 228 % для ГРОС-СКК (171, 133, 165), 86 % для ГРОС-ККК (171, 133) и 84 % для ГРОС-ККК (35, 23).

Таким образом, системы с ГРОС позволяют в разы повысить верность доставки и эффективность использования канала в сравнении с классической системой с решающей обратной связью.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Предложены три схемы декодирования для ГРОС-БКК.

2. Разработаны математические модели для оценки ВВХ систем ГРОС-БКК.

3. Разработаны алгоритмы имитационного моделирования систем ГРОС-БКК в среде MathCAD, позволяющие производить оценку ВВХ систем, используя границы Хемминга.

4. Разработаны модели систем передачи ГРОС-БКК-1 и ГРОС-БКК-2 в среде Simulink, использующие корректирующий код БЧХ и обнаруживающий ошибки CRC-код.

5. Предложены альтернативные варианты систем ГРОС-БКК и произведено сравнение их ВВХ с классическими стратегиями.

6. Предложены три схемы декодирования для систем ГРОС-СКК.

7. Для систем ГРОС-СКК с кодовым ограничением 4 и 6 произведён подбор трёх полиномов, парные сочетания которых дают максимальный выигрыш помехоустойчивости.

8. В среде Simulink разработаны кодер и декодер Витерби, поддерживающие скорость кода 1, необходимую для систем ГРОС-СКК.

9. Предложена архитектура систем передачи данных с ГРОС, в которой используется комбинирование свёрточного и блочного кодирований, ГРОС-ККК.

10. В среде Simulink разработаны имитационные модели систем ГРОС-ККК и ГРОС-СКК для дискретного канала, позволяющие получать ВВХ систем.

11. Проведено моделирование и сравнение ВВХ рассмотренных систем с ГРОС на различных уровнях зашумлённости канала. Приведены оценки выигрышей одних систем относительно других.

В приложении приведены листинги программ, разработанных в средах MATLAB&Simulink и MathCAD.

Список работ автора по теме диссертации:

1. Мелентьев О.Г., Шапин А.Г., Оценка эффективности модифицированных алгоритмов декодирования в системах передачи данных с гибридной обратной связью. «Электросвязь», № 8, Москва: 2008, стр. 51-53.

2. Krasheninnikov P., Karpilev М., Shapin A. Sharing Hopping and Interleaving Processes in Channels, Described by Simplified Fritchman Model. International Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials, Novosibirsk, 2007, pp. 199-200.

3. Shapin A. Model building data transmission system HARQ-CCC in environment Simulink. International Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials,

. Novosibirsk, 2008, pp. 170-172.

4. Шапин А.Г. Разработка универсального свёрточного кодека для скорости 1/п в среде моделирования Simulink. Информатика и проблемы телекоммуникаций, Материалы конференции РНТК, Том 1, Новосибирск 2008, стр. 271-274.

5. Шапин А.Г. Поиск лучших параметров свёрточного кодирования для систем ГРОС-СКК // Информатика и проблемы телекоммуникаций: Материалы конференции РНТК, Том 1. - Новосибирск, 2009. - стр. 220-222.

6. Мелентьев О.Г, Шапин А.Г. Универсальный свёрточный кодек для моделирования гибридных систем передачи данных // Надёжность функционирования и проблемы информационной безопасности телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. ОГУПС. -Омск, 2009. - стр. 36-40.

7. Шапин А.Г. Результаты моделирования систем передачи данных с гибридной обратной связью и различными типами корректирующего кодирования, «Электросвязь», № 2, Москва: 2010, стр. 44-47

8. Shapin A., Modeling HARQ System with convolution and block codes // Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies, INTERNANO 2009, pp. 65-66.

9. Клейко Д.В., Лямин H.B., Шапин А.Г., «Математическая модель широковещательной системы с гибридной обратной связью и адаптивным исправлением ошибок» // Современные проблемы технических наук: Сборник тезисов докладов Новосибирской межвузовской конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири». - Новосибирск, 2010.

Подписано в печать 06.05.2011, Формат бумага 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10, идз. л. 1,0 заказ №28, тираж 100. СибГУТИ 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86

Введение.

1. Система передачи данных с гибридной решающей обратной связью и блочным корректирующим кодированием (ГРОС-БКК).

1.1 .Описание системы.

1.2.Стратегии декодирования.

1.3.Расчет ВВХ для стратегий декодирования системы ГРОС-БКК

1.3.1. ГРОС-БКК-1.

1.3.2. ГРОС-БКК-2.

1.3.3. ГРОС-БКК-3.

1.3.4. Вычисления затрат и относительной скорости.

1.4.Имитационное моделирование системы ГРОС-БКК.

1.4.1. В среде МаШСАЕ).

1.4.2. Моделирование в среде МАТЬАВ&81шиНпк.

1.5.Альтернативные варианты построения системы ГРОС-БКК.

1.6.Численное сравнение трех стратегий декодирования и проверка результатов.

1.7.Основные результаты, полученные в главе.

2. Система передачи данных с гибридной решающей обратной связью и свёрточным корректирующим кодированием (ГРОС-СКК).

2.1 .Описание системы.

2.2.Стратегии декодирования.

2.3.Разработка свёрточного кодека для ГРОС-СКК в среде 8тш1тк.

2.3.1. Особенности синтаксиса функций ЗигшНпк.

2.3.2. Вычисление структурированной переменной Ро1уТоТгеШз.

2.3.3. Алгоритм кодера.

2.3.4. Алгоритм декодера.

2.4.Проблема выбора полиномов.

2.5.Имитационное Моделирование ГРОС-СКК.

2.5.1. ГРОС-СКК-1.

2.5.2. ГРОС-СКК-2 и ГРОС-СКК-3.

2.6.Численное сравнение трех стратегий декодирования ГРОС-СКК.

2.7.Основные результаты, полученные в главе.

3. Система передачи данных с гибридной решающей обратной связью и комбинированным корректирующим кодированием (ГРОС-ККК).

3.1. Описание системы.

3.2.Имитационное моделирование систем ГРОС-ККК.

3.3.Основные результаты, полученные в главе.

4. Сравнение ВВХ предложенных систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью.

4.1 .Выбор параметров моделирования.

4.2.Результаты моделирования СПД с ГРОС на сильно зашумленных радиоканалах.

4.3.Результаты моделирования СПД с ГРОС на умеренно зашумленных радиоканалах.

4.4.Сравнение предложенных систем с известными ГРОС.

4.5.Основные результаты, полученные в главе.

Актуальность работы: Популярность услуг передачи данных за последние годы привела к увеличению требований к скоростям. Рост объемов передаваемой информации в сетях передачи обуславливает необходимость разработки систем, наиболее эффективно использующих пропускную способность каналов. Интерес в данном случае представляют именно беспроводные каналы связи, имеющие нестационарный характер. В этих условиях использование гибридной решающей обратной связи (ГРОС) позволяет в значительной степени повысить качественные показатели систем передачи данных (СПД).

Системы передачи данных с ГРОС [1-27,44,50,54] занимают промежуточное положение между системами с переспросом и системами с прямым исправлением ошибок, сочетая лучшее из этих двух подходов. Идея заключается в переспросе не только информационной последовательности, как это делается в классических системах, а еще и последовательности проверочных элементов кода с высокой исправляющей способностью, что в ряде случаев позволяет снизить затраты на передачу одного бита информации и повысить производительность системы.

Впервые в 1965 году A.A. Харкевич в своей монографии [1] обозначил перспективность использования обратной связи совместно с различными корректирующими кодами. Позже вопросами анализа систем с гибридной решающей обратной связью занимались Е. Высоцкий [21], О.Г. Мелентьев[2], Shu Lin[3-5], Michael Miller[5], Fulvio Babich[22], Robert Deng[10,20], Masao Kasahara[9], Samir Kallel[l 1,12,15] и другие. Сегодня СПД с ГРОС уже используются в стандарте UMTS и активно внедряются в другие стандарты мобильной связи, такие как 3GPP Long Term Evolution (LTE) и IEEE 802.16 (Wi-MAX).

Работы F.Babich [22] и Shu Lin [3-5] посвящены анализу вероятностно-временных характеристик (ВВХ) гибридных систем в спутниковых каналах. Результаты работ показывают перспективность систем с гибридной обратной связью и дают оценку выигрыша в сравнении с системами, использующими прямое исправление ошибок, и с системами, использующими переспрос, т.е. без корректирующих кодов.

В работах Shu Lin, Michael Miller, Philip Yu [3-5] проанализированны системы с ГРОС и блочным корректирующим кодом (БКК). Недостатком работ авторов является отсутствие методик, позволяющих оценивать ВВХ этих систем в случаях с ограниченым количеством попыток переспроса, так как в работах приведены математические выражения лишь для оценки границ вероятности остаточной ошибки только при бесконечно большом числе переспросов.

Maan Kousa и Mushfiqur Rahman в своей работе [6] предложили использовать гибридную систему с каскадированием двух блочных кодов, однако, ни в одной из работ о системах с ГРОС небыло предложено совместное использование блочных и свёрточных корректирующих кодов в одной системе.

Joachim Hagenauer, Robert Deng и Samir Kallel и другие занимались анализом гибридных систем с использованием свёрточных корректирующих кодов (СКК) [10-21]. Изучены методики адаптации скорости свёрточного кода к качеству канала за счет «выкалывания» и методики переспроса наименее «надежных» бит, определяемых с помощью алгоритма апостериорной вероятности при декодировании. В работах этих авторов рассматривается снижение скорости свёрточного кода минимально до 1/2, однако не предусмотрено снижение скорости свёрточного кода до 1/3 и ниже, что будет уместно для сильнозашумленных каналов.

Кроме того, существуют системы с ГРОС использующие «турбо» кодирование. Их изучением занимались Babich [22] и Rowitch [23]. Такие системы считаются одними из самых перспективных, так как используют более мощный корректирующий код, позволяющий наиболее близко подойти к границе Шеннона.

Цель работы: проведение анализа существующих систем с ГРОС, разработка новых систем с ГРОС, а так же разработка математических и имитационных моделей систем передачи данных с ГРОС, позволяющих оценивать их вероятностно-временные характеристики при работе по дискретному каналу связи.

Методы исследования: В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, имитационного и математического моделирования сложных систем.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны математические модели для оценки ВВХ систем ГРОС-БКК для дискретного канала при заданном числе переспросов.

2. Предложен метод повышения верности доставки в системах с ГРОС и свёрточным корректирующим кодированием (ГРОС-СКК) путём адаптивного снижения скорости свёрточного кодирования от 1 до 1 /3.

3. Предложена архитектура системы передачи с ГРОС, использующая свёрточное и блочное корректирующее кодирование (ГРОС-ККК), что позволяет до 50 % повысить верность доставки по сравнению с системами ГРОС-БКК.

4. Разработаны имитационные модели систем ГРОС-БКК, ГРОС-СКК и ГРОС-ККК для дискретного канала, позволяющие получать ВВХ.

Практическая ценность работы и внедрение её результатов:

1. Разработанные в диссертации имитационные и математические модели СПД с ГРОС для оценки качественных характеристик этих систем, использовались при разработке системных решений по стандарту беспроводного широкополосного доступа N01 в ЗАО «Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий» (Акт внедрения от 6.12.2010 №77).

2. Разработанные в среде БтиНпк имитационные модели систем с ГРОС используются в лабораторно-практических занятиях посвященных моделированию СПД курса «Системы и сети передачи информации», а теоретический материал используется в лекциях о современных беспроводных системах в рамках курсов «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей», «Основы передачи дискретных сообщений» (Акт внедрения от 4.05.2011 №499/11).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:

- Международная школа-семинар по электронным приборам и материалам «EDM» - Эрлагол, 2007, 2008

- Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникации» - Новосибирск, 2008,2009,2010

- Международная конференция «INTERNANO» - Новосибирск, 2009 Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 работ. В число указанных публикаций входят 2 статьи из перечня ВАК ведущих научных журналов и изданий.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Содержит сто шестнадцать страниц, четыре таблицы, шестьдесят пять рисунков. Список литературы состоит из 57 наименований.

Основные результаты, полученные в работе:

Для системы ГРОС-БКК предложены три стратегии декодирования информационных блоков, разработаны математические модели, позволяющие оценить вероятностно временные характеристики системы при использовании этих стратегий. Разработаны имитационные модели системы ГРОС-БКК с различными стратегиями декодирования в среде MathCAD (с использованием границ Хеммин-га) и в среде MATLAB&Simulink (с использованием корректирующих кодов БЧХ и кодов CRC, обнаруживающих ошибки). На основе разработанных моделей получены результаты имитационного моделирования, которые полностью совпадают с результатами предложенных математических расчетов. Результаты моделирования стратегий ГРОС-БКК показали, что данная система в ряде случаев позволяет увеличить относительную скорость передачи до 100 раз относительно систем передачи данных с классической обратной связью. Кроме того, рассмотрен альтернативный порядок чередования передаваемых комбинаций в системах ГРОС-БКК, созданы имитационные модели таких систем и произведено сравнение ВВХ этих систем с классическими.

Для системы ГРОС-СКК так же предложены три стратегии декодирования принятых последовательностей, разработан универсальный свёрточный кодек, использующий алгоритм Витерби, решена задача выбора полиномов для кодовых ограничений 4 и 6. Для предложенных стратегий разработаны имитационные модели в среде MATLAB&Simulink, с помощью которых было проведено сравнение стратегий между собой.

В третьей главе были предложены СПД использующие и свёрточный и блочный код - ГРОС-ККК. Рассмотрены две конструктивно различные схемы

СПД с ГРОС-ККК с последовательным и параллельным кодированием. Для таких

114 систем так же были разработаны имитационные модели в среде МАТ-LAB&Simulink.

В четвертой главе было проведено сравнение ВВХ всех рассмотренных в диссертации СПД между собой и с системой РОС-ОЖ. При моделировании использовалась различная степень зашумленности канала, что позволило более конструктивно сравнить гибридные СПД. По итогам сравнения после третьей попытки системы ГРОС-СКК позволяют получить средний выигрыш в относительной скорости передачи 4% относительно других систем с ГРОС в типичных радиоканалах и 66-79% в сильно зашумленных радиоканалах. Необходимо отметить, что относительная скорость передачи для всех систем с ГРОС в среднем в 1,5-4 раза выше относительной скорости передачи обычных систем с РОС, в зависимости от степени зашумленности канала. Кроме того, было проведено сравнение системы ГРОС-СКК-3 с системой ГРОС, использующейся в стандарте IEEE 802.16. Сравнение показало, что в ряде случаев предложенная система ГРОС-СКК-3 выигрывает.

В рамках представленной диссертации опубликовано 9 работ:

1. Мелентьев О.Г., Шапин А.Г., Оценка эффективности модифицированных алгоритмов декодирования в системах передачи данных с гибридной обратной связью. «Электросвязь», №8, Москва: 2008, стр. 51-53.

2. Krasheninnikov P., Karpilev М., Shapin A. Sharing Hopping and Interleaving Processes in Channels, Described by Simplified Fritchman Model. International Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials, Novosibirsk, 2007, pp. 199-200.

3. Shapin A. Model building data transmission system HARQ-CCC in environment Simulink. International Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials, Novosibirsk, 2008, pp. 170-172.

4. Шапин А.Г. Разработка универсального свёрточного кодека для скорости 1 /п в среде моделирования Simulink. Информатика и проблемы телекоммуникаций, Материалы конференции РНТК, Том 1, Новосибирск 2008, стр. 271-274.

5. Шапин А.Г. Поиск лучших параметров свёрточного кодирования для систем ГРОС-СКК // Информатика и проблемы телекоммуникаций: Материалы конференции РНТК, Том 1. - Новосибирск, 2009. - стр. 220-222.

6. Мелентьев О.Г, Шапин А.Г. Универсальный свёрточный кодек для моделирования гибридных систем передачи данных // Надежность функционирования и проблемы информационной безопасности телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта: Межвуз. тематич. сб. науч. тр, ОГУПС. -Омск, 2009. -стр. 36-40.

7. Шапин А.Г. Результаты моделирования систем передачи данных с гибридной обратной связью и различными типами корректирующего кодирования, «Электросвязь», №2, Москва: 2010, стр. 44-47

8. Shapin A., Modeling HARQ System with convolution and block codes // Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies, INTERNANO 2009, pp.65-66.

9. Клейко Д.В., Лямин H.B., Шапин А.Г., «Математическая модель широковещательной системы с гибридной обратной связью и адаптивным исправлением ошибок» // Современные проблемы технических наук: Сборник тезисов докладов Новосибирской межвузовской конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири». - Новосибирск, 2010.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе был проведен анализ систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью и различными типами корректирующего кодирования. Были разработаны математические и имитационные модели систем с ГРОС.

1. Харкевич А.А. Борьба с помехами. Изд.2. - М.: Наука, 1965. - 276с.

2. Мелентьев О.Г. Теоретические аспекты передачи данных по каналам с группирующимися ошибками. М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 232с.

3. Shu Lin, Philip s. Yu A Hybrid ARQ Scheme with Parity Retransmission for Error Control of Satellite Channels// IEEE Transactions on communications, vol. com-30, No. 7. 1982. - p.1701-1719.

4. Yu-MingWang, Shu Lin A modified Selective-Repeat Type-II Hybrid ARQ system and its performance analysis// IEEE Transactions on communications, Vol.com-31, N0.5, May 1983, p.593-608.

5. S. Lin, D. J. Costello, Jr., and M. J. Miller Automatic-repeat-request error-control schemes// IEEE Commun. Mag., vol. 22, pp. 5-17, Dec. 1984.

6. Maan A. Kousa, Mushfiqur Rahman An Adaptive Error Control System Using Hybrid ARQ Schemes// IEEE Transaction on communication, Vol.39, No.7. -1991. p.1049-1057.

7. Perez-Romero J., Agusti R., Salient O. Analysis of TYPE II Hybrid ARQ Strategy in a DS-CDMA Packet Transmission Environment// IEEE Transactions on Communications, Vol.5, No 8 2003. - p. 1249-1253

8. E. F. Charles LaBerge and Joel M. Morris Expressions for the Mean Transfer Delay of Generalized M-Stage Hybrid ARQ Protocols// IEEE Transactions on Communications, Vol. 52, No. 6. 2004. - p. 999-1009.

9. Masao Kasahara and Toshihiko Namekawa, Separable Codes on Type-II Hybrid ARQ Systems, IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, No. 10. -1988. -p.1089-1097.

10. Jean X. Yu, Yuan Li, Hidekazu Murata, Susumu Yoshida Hybrid-ARQ Scheme Using Different TCM for Retransmission// IEEE Transactions on Communications, Vol. 48, No. 10. 2000. - p. 1609-1613.

11. Bruce A. Harvey and Stephen B. Wicker Packet Combining Systems Based on the Viterbi Decoder// IEEE Transactions on Communications, Vol. 42, No. 2/3/4.- 1994. -p.1544-1557.

12. Joachim Hagenauer Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and their Applications// IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, NO. 4.- 1988.-p.389-400.

13. Robert H. Deng Hybrid ARQ Schemes Employing Coded Modulation and Sequence Combining// IEEE Transactions on Communications, Vol. 42, No. 6. -1994. p.2239-2245.

14. Eugene Visotsky, Yakun Sun, Vinayak Tripathi, Michael L. Honig, and Roger Peterson Reliability-Based Incremental Redundancy With Convolutional Codes// IEEE Transactions on Communications, Vol. 53, No. 6. 2005. - p.987-997.

15. Fulvio Babich Performance of Hybrid ARQ Schemes for the Fading Channel// IEEE Transactions on Communications, Vol. 50, No. 12. 2002. - p.1882-1885.i118

16. Avi Steiner, Shlomo Shimai Multi-Layer Broadcasting Hybrid-ARQ Strategies for Block Fading Channels// IEEE Transactions on wireless communications, Vol.7, No.7. 2008. - p.2640-2650.

17. Мелентьев О.Г. Оценка эффективности систем передачи данных с гибридной обратной связью// Электросвязь.-2005.-№7.-С. 29-31.

18. Мелентьев О.Г., Шапин А.Г. Оценка эффективности модифицированных алгоритмов декодирования в системах передачи данных с гибридной обратной связью// Электросвязь.-2008.-№8.-С.51-53.

19. Дьяконов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика.- М.: Нолидж,2001.-1296с.

20. Дьяконов В. П. Mathcad 2001: Специальный справочник. СПб.: ПИТЕР,2002. 480с.

21. Дьяконов В. П. MATLAB: Учебный курс. -СПб.: ПИТЕР, 2001.-592с.

22. Дьяконов В. П. Simulink 4: Специальный справочник. -СПб.: ПИТЕР, 2002.-528с.

23. Дьяконов В. П., Круглов В. В. Математические пакеты расширения MAT-LAB: Специальный справочник. СПб.: ПИТЕР, 2001.- 480с.

24. Дьяконов В. П., Круглов В. В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник. -СПб.: ПИТЕР, 2002. 448с.

25. Потемкин В. Г. Система MATLAB: Справочное пособие. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997. -350с.

26. Потемкин В. Г. Вычисления в среде MATLAB. -M.: Диалог-МИФИ, 2004.-720с.

27. Черных И. В. SIMULINK. Среда создания инженерных приложений.-М.: Диалог-МИФИ, 2003.- 496с.

28. Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. Изд.2-е, испр.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. -1104 с.

29. Нейфах А.Э. Свёрточные коды для передачи дискретной информации.- М.: Наука, 1979.- 222с.

30. Forney G. D. Jr. Convolutional Codes: I. Algebraic Structure// IEEE Trans. Inf. Theory, Vol. 16, No. 6.- 1970.-p.720-738.

31. Шапин А.Г. Разработка универсального свёрточного кодека для скорости 1/п в среде моделирования Simulink// Информатика и проблемы телекоммуникаций: Материалы конференции РНТК, Том 1. Новосибирск, 2008. -С.271-274.

32. Беляк А.Н., Крашенинников П.В. Разработка универсальной функции для построения решетчатых диаграмм свёрточных кодов// Информатика и проблемы телекоммуникаций: Материалы конференции РНТК, Том 1. Новосибирск, 2008. - С.250-252.

33. Шапин А.Г. Поиск лучших параметров свёрточного кодирования для систем ГРОС-СКК // Информатика и проблемы телекоммуникаций: Материалы конференции РНТК, Том 1. — Новосибирск, 2009. С.220-222.

34. Shapin A. Model building data transmission system HARQ-CCC in environment Simulink// International Workshop and Tutorial on Electron Device and Materials. Novosibirsk, 2008. - p. 170-172.

35. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи.- М.: Эко-Трендз, 2000. -240с.

36. Передача информации в системах подвижной связи / Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Петраков В.А. и др. СПб: СПбГУТ, 1999.-120с.

37. Коржик В.И., Финк JI.M. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой. М.: Связь, 1975. -271с.

38. Емельянов Г. А., Шварцман В. О. Передача дискретной информации: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1982. — 240 с.

39. Кларк Дж. мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи: Пер. с англ. — М: Радио и связь, 1987. — 392с.

40. Бояринов И.М. Помехоустойчивое кодирование числовой информации. — М.: Наука, 1983. -196с.

41. Передача дискретных сообщений: Учебник для вузов / ред. Шувалова В. П. М.: Радио и связь, 1990. - 464 с.

42. Шапин А.Г. Результаты моделирования систем передачи данных с гибридной обратной связью и различными типами корректирующего кодирования// Электросвязь. -№2.- 2010.-С.44-47.

43. Babich F., Lombardi G., Valentinuzzi E. Measurement and analysis of the digital DECT propagation channel// IEEE International Conference on Universal Personal Communications: ICUPC '98. Florence, 1998. -p.593-597.

44. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems // IEEE Std 802.16TM-2009 New York, NY 10016-5997, USA, 2009.

45. Jun Wu, Wenzhong Zhang Modified chase combining for hybrid automatic repeat request // United States Patent 7409630 Iselin, NJ, US, 2008.i121