автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов

!

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

На правах рукописи

УДК 621.391

ПРИБЫЛОВ Василий Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛАХ СВЯЗИ СО ЗНАЧИТЕЛЬНЫМ ВРЕМЕНЕМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2003

Работа выполнена на кафедре радиотехнических систем ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Чернецкий Г. А.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Травин Г. А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Хайретдинов М.С.

- кандидат технических наук, доцент Мелентьев О.Г.

Ведущая организация - ФГУП «Омский НИИ приборостроения»,

644009, г. Омск, ул. Масленникова, 231.

Защита состоится " 23 " октября 2003 г. в 40 00 часов на заседании Диссертационного совета Д 219.005.01 в ГОУ ВПО «СибГУТИ» по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ». Автореферат разослан "_"_2003 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 219.005.01

кандидат технических наук, профессор

Б.И.Крук

ДЗоО&вт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди большого разнообразия каналов связи существуют каналы со значительным, по сравнению с длительностью элементарной посылки, временем распространения сигналов, например: каналы дальней космической и спутниковой связи, гидроакустические каналы связи (ГАКС) и др. Вместе с тем в системах связи, использующих такие каналы, необходимо обеспечивать высокую достоверность передачи информации, что предъявляет жесткие требования к выбору способов ее обработки в передающем и приемном устройствах.

Для повышения достоверности передаваемой информации широкое распространение получили системы передачи информации в виде дискретных сообщений (СПДИ), которые получили название данных. При этом правила обработки данных определяются протоколами передачи данных.

В соответствии с моделью взаимодействия открытых систем протоколы передачи данных, обеспечивающие требуемую достоверность передачи, относятся ко второму (канальному) уровню модели. Известно, что применение протоколов передачи данных с использованием алгоритмов двусторонней связи, позволяет обеспечивать передачу информации по каналам связи различной физической природы с наибольшей достоверностью. Базовым принципом при этом является использование пакетной передачи данных с применением алгоритмов решающей обратной связи (РОС). Обобщающим критерием эффективности таких алгоритмов является средняя относительная скорость передачи информации.

В настоящее время известен ряд работ, касающихся систем с обратной связью. В частности, можно назвать работы отечественных авторов: Э.Л.Блоха, О.В.Попова, З.М.Каневского, И.А.Мизина, П.А.Котова, Л.Ф.Жигулина, А.А.Макарова и др. Среди зарубежных авторов стоит отметить работы: БИп, М.МШег, В.СоШеНо, J.Copeland, У.Вка^та, ААппатаШ и др. Вместе с тем вопросы оценки эффективности систем с обратной связью в каналах связи со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС) ранее практически не рассматривались, что позволяет считать тему исследования актуальной.

Цель диссертационной работы: исследование и разработка алгоритмов передачи информации, повышающих эффективность СПДИ в каналах связи с ЗВРС.

Направление исследований: исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС, ограниченных по энергетике, осуществляются на примере гидроакустического канала связи, управления и навигации. Эффективность алгоритмов связи оценивается для режима передачи данных (трафик данных) при ограничениях на время обработки сообщений в приемном устройстве. Рассматривается использование циклических кодов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы: теории вероятностей, теории графов, теории случайных процессов и математической статистики, теории передачи дискретных сообщений, а также методы математического и имитационного моделирования.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИВЛИОТРК* С Петербург

■т&рь

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью применяемого математического аппарата и результатами имитационного моделирования, а также положительными результатами апробации и внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1 Методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС на основе предложенного критерия, учитывающего скорость передачи и энергетику частотно-ограниченного канала связи, позволяющая определить оптимальные параметры используемых протоколов передачи данных с учетом времени распространения сигналов.

2 Алгоритмы передачи цифровой информации с частичным исправлением ошибок кодовыми методами и переспросом обнаруживаемых ошибок (РОС-ЧИ / ЧИ-Б, ЧИ-АП, ЧИ-Н, ЧИ-АП-Н), использующие оценку дальности связи, что позволяет реализовать высокую скорость передачи данных и, следовательно, улучшить технико-экономические показатели СПДИ. Результаты сравнения эффективности алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС.

3 Рекомендации по использованию предложенных алгоритмов для повышения эффективности разрабатываемых СПДИ в каналах связи с ЗВРС.

4 Программный имитатор алгоритмов передачи информации с РОС

5 Результаты компьютерного моделирования алгоритма РОС-ЧИ-АП.

Научная новизна.

1 Разработана методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации с РОС в каналах связи с ЗВРС, позволяющая определить наилучшие параметры используемых протоколов передачи данных с точки зрения оптимизации скорости передачи и потребления энергии передающими терминалами СПДИ с учетом времени распространения сигналов.

2 Разработаны алгоритмы передачи цифровой информации, использующие оценку дальности связи, что позволяет реализовать скорость передачи данных, близкую к пропускной способности каналов связи. Это алгоритм с частичным исправлением ошибок кодовыми методами и переспросом обнаруживаемых ошибок (РОС-ЧИ) и его модификации: с сегментацией передаваемых данных (РОС-ЧИ-Б); с адресным переспросом искаженных кадров (РОС-ЧИ-АП); с накоплением данных с последующим вынесением мажоритарного решения (РОС-ЧИ-Н); с адресным переспросом и накоплением (РОС-ЧИ-АП-Н).

3 С использованием предложенного критерия оценки эффективности выполнен сравнительный анализ разработанных и существующих алгоритмов передачи информации с решающей обратной связью: с ожиданием (РОС-ОЖ); с накоплением (РОС-Н); с адресным переспросом (РОС-АП). Результаты сравнения показали, что применение протоколов, использующих разработанные алгоритмы, позволяет: существенно сократить энергетические затраты на передачу данных в каналах связи с ЗВРС, при сохранении той же

скорости и обеспечении высокой достоверности передачи; реализовать при прочих равных условиях передачу данных на большие расстояния.

Практическая значимость.

1 Разработанные алгоритмы передачи сообщений с РОС позволяют повысить эффективность СПДИ в каналах с ЗВРС, при снижении потребления энергии передающими устройствами. Улучшаются и технико-экономические показатели системы связи в целом.

2 Разработаны рекомендации по использованию этих алгоритмов в системах связи, работающих в каналах с ЗВРС.

3 Разработанный и испытанный на ЭВМ программный имитатор алгоритмов передачи информации с РОС в канале связи с ЗВРС (на примере ГАКС) позволяет сократить материальные затраты на проведение натурных испытаний и время на обработку их результатов.

4 Экспериментально проверена эффективность наиболее перспективного алгоритма передачи информации с решающей обратной связью с частичным исправлением ошибок и адресным переспросом (РОС-ЧИ-АП). Показано, что предложенный алгоритм обеспечивает скорость передачи данных, близкую к пропускной способности канала связи.

Степень внедрения. Разработанный алгоритм передачи информации РОС-ЧИ и его модификации, в том числе РОС-ЧИ-АП, а также предложенная методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации РОС в каналах с ЗВРС используются в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) при разработке аппаратуры гидроакустического канала связи, управления и навигации, а также в учебном процессе в лекционных курсах: "Теория электрической связи", "Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций", "Основы радиотехнических систем". Акты о внедрении приведены в приложениях.

Личное участие. Основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично в ходе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), проводимых в научно-техническом центре специализированных информационных систем СибГУТИ. Совместные работы выполнены на равных правах с соавторами.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на многочисленных научно-технических конференциях и семинарах: Международных [5-10, 16-20, 22, 23], Российских [1, 2-4] и Региональных [12, 13].Огдельные результаты были опубликованы в виде научных статей в различных изданиях [11, 14, 15] и в отчетах по НИОКР, в которых автор диссертации принимал непосредственное участие. Получен патент на изобретение [21].

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы с 1999 по 2003 гг. в 23 печатных работах в виде: 1 патента; 3 статей; 13 материалов Международных, Российских и Региональных научно-технических конференций; 6 материалов Международных семинаров. Ряд публикаций и докладов выполнен на английском языке.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 155 страниц, и включает' 72 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 112 наименований и 2 приложения, в которых приведены текст программного имитатора алгоритма передачи информации РОС-ЧИ-АП и акты внедрения результатов диссертационной работы.

Во введении показана актуальность диссертационной работы и недостаточность исследования систем передачи информации в каналах связи с ЗВРС. Определены задачи диссертационной работы.

В первой главе, см. работы [1-5, 11, 21], произведен выбор модели канала связи с ЗВРС на примере гидроакустического канала связи вертикальной ориентации, в частности:

Выполнен анализ статистических характеристик сигналов и помех в каналах связи с ЗВРС на примере ГАКС. Наряду с большим временем распространения сигналов в ГАКС необходимо учитывать и низкий уровень сигнала в точке приема. Существуют способы и устройства, позволяющие в зависимости от глубины постановки автономной донной станции (АДС) и дальности связи адаптивно изменять мощность передаваемого сигнала, обеспечивая значение отношения сигнал/шум на достаточном уровне (см [1,21]). Рассмотрены особенности синхронизации аппаратуры ГАКС [5].

Осуществлен выбор модели непрерывного канала связи со значительным временем распространения сигналов на примере ГАКС вертикальной ориентации. Получена аппроксимирующая зависимость нормированной функции корреляции значений уровня гидроакустического сигнала в канале вертикальной ориентации, описываемая выражением вида

где г о - интервал корреляции, для ГАКС вертикальной ориентации т о = 1 с;

к3 - коэффициент пропорциональности, обеспечивающий наибольшее согласие аппроксимирующей и реальной функций корреляции (по критерию минимального среднеквадратического отклонения получено, что кл = 5,5).

Известно, что распределение значений отношения сигнал/шум для ГАКС вертикальной ориентации подчиняется обобщенному закону Релея

где Яр и Яс- регулярная и случайная составляющие отношения сигнал/шум.

Предложена модель дискретного канала связи (ДКС) на основе модели простой цепи Маркова с тремя состояниями, см. рисунок 1. Рассчитаны параметры модели ДКС: вероятности состояний Р1, вероятности ошибок в данных состояниях е, (е0 < е1 < £2) и вероятности переходов между состояниями Р„.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

R(r) = e т»

(1)

(2)

Рисунок 1 - Граф простой цепи Маркова с тремя состояниями

Разработан программный имитатор характеристик ДКС.

Использование аппарата цепей Маркова при моделировании каналов связи позволяет с общих позиций рассматривать вопросы оптимальной передачи информации по каналам связи различной физической природы

Во второй главе выполнен анализ алгоритмов передачи информации, см. работы [6-8, 13, 17]. Для исследования выбран трафик данных с учетом ограничений времени обработки сигналов в приемном устройстве, что особенно характерно для систем телеуправления.

Рассмотрены особенности систем с обратной связью на основе протоколов передачи дискретных сообщений, использующихся в настоящее время. Показано, что наилучшими являются алгоритмы передачи информации с решающей обратной связью (РОС), позволяющие реализовать среднюю скорость передачи в пределах 0,9 Ииахс < Я < Лмакс (где Лмакс = 1). Определены условия исследования алгоритмов с РОС в каналах связи с ЗВРС на примере аппаратуры ГАКС. Отмечается, что каналы связи с ЗВРС могут быть классифицированы как каналы связи с переменными параметрами.

В качестве целевой функции оптимизации параметров протоколов передачи данных, построенных на основе исследуемых алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС предложено использовать удельное значение скорости передачи информации, приведенной к энергетическим затратам, в виде отношения сигнал/шум А2 (А)

е[гр,1с)£/(рно),и,лгпн,л/(к,л]=^-( (3)

где 7"р - время распространения сигналов в среде; п - длины кадра; £/ - кодовое расстояние (определяет вероятность ошибки декодирования Рл, а, следовательно, и конечную эквивалентную вероятность ошибки символа); 1С - длина заголовка информационного кадра (служебная часть); М - основание кода; Ит - количество частотных подканалов, используемых для передачи дискретных сообщений при параллельной передаче сообщений; V - скорость модуляции в каждом подканале; А2 (А) - отношение сигнал/шум, определяющего значение вероятности ошибки символа в соответствии с видом модуляции и методом приема; Кявф - объем информации, предназначенной для

однократной передачи (в случае полудуплексной связи и поочередной передачи сообщений и сигналов обратной связи), или для передачи в течение времени, равном удвоенному значению времени распространения (в случае полнодуплексной связи и непрерывной передачи сообщений); Т3 - время задержки получения подтверждения приема сообщения передающим устройством.

Приведенная целевая функция позволяет определить оптимальные значения параметров протоколов передачи данных, обеспечивающие высокую скорость передачи сообщений при оптимальных энергетических затратах

Предложена методика оценки эффективности протоколов передачи данных, основанных на использовании алгоритмов с РОС, сущность которой заключается в следующем:

1) Определяется объем передаваемой информации. Рассчитывается максимально реализуемая скорость передачи информации. В зависимости от используемого метода передачи информации (параллельный или последовательный) определяется необходимая скорость модуляции. В соответствии с требуемой достоверностью передачи производится выбор вида модуляции и метода приема.

2) Определяется структура окна передачи данных- выбирается количество пакетов (для обеспечения непрерывной передачи данных); определяется количество символов синхронизирующей последовательности ("флаг") для каждого пакета (для обеспечения синхронности приема данных); рассчитывается оптимальная длина кадра (для обеспечения максимума средней скорости передачи информации); выбирается количество адресных разрядов кадра в пакете (для алгоритмов с адресным переспросом).

3) Рассчитывается удельная скорость передачи (средняя относительная скорость передачи, приведенная к энергетическим затратам), выражение (4) (на примере алгоритма с адресным переспросом).

б = (4)

А-Г,

где - количество кадров в пакете; кк и ак - длины информационной и адресной частей кадров, соответственно; А - отношение сигнал/шум; Тъ{Т^,т,с1,1г,Лгк) - значение времени задержки (т - среднее количество

повторных передач).

Предложено данную удельную скорость обозначить термином "Л-производительность".

4) В соответствии с максимумом /¡-производительности определяются оптимальные параметры протокола передачи данных для каждого алгоритма.

5) В качестве обобщающего критерия оценки эффективности протокола передачи данных с учетом нестабильности параметров канала предложено использовать интегральную функцию (обобщенную целевую функцию)

А.

где А, и И2 - граничные значения отношения сигнал/шум А; - плотность распределения значений отношения сигнал/шум.

Наиболее целесообразным представляется производить нахождение Qh в пределах ±Зо от значения математического ожидания отношения сигнал/шум тк, следовательно к21 =тк ± 3а.

6) По критерию максимума целевой функции выбирается наилучший алгоритм передачи информации. Реализуемое при этом значение средней скорости передачи должно быть не меньше 0,9 от Лмакс.

Разработанные критерий и методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС с учетом скорости передачи и энергетики частотно ограниченного канала связи, являются обобщающими для широкого класса каналов связи, и могут быть рекомендованы к применению для оценки эффективности как используемых, так и разрабатываемых алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС. Использование модели канала связи с к состояниями позволяет упростить аналитические расчеты эффективности алгоритмов передачи информации при сохранении достаточной точности. Тем не менее, в случае известного распределения значений отношения сигнал/шум критерий оценки эффективности рекомендуется выражать в виде интегральной функции (5), что позволяет повысить точность оценивания.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки и исследования эффективных алгоритмов передачи информации с РОС с безадресным переспросом для каналов связи с ЗВРС [6-8, 13, 16, 18]. Предложена обобщенная формула (6) для расчета времени задержки получения подтверждения приема сообщения передающим устройством при использовании алгоритмов с РОС в таких каналах

Т=т

2Тр + V • ЛГН • 1о§2 М + Го<!р прд + 7°бр прм

ч

(6)

где Грбр„рд- время, затрачиваемое передающим устройством на обработку принятого сигнала "подтверждение/переспрос", кодирование сообщения с учетом предшествующего состояния канала связи и формирование сигнала-переносчика сообщения (на стороне АДС);

^обрпрм- время, затрачиваемое приемным устройством на декодирование и обработку принятого сообщения, а также выработку сообщения "подтверждение/переспрос" и формирование сигнала-переносчика (на судне).

Рассмотрены алгоритмы передачи информации РОС с ожиданием подтверждения приема и блокировкой передающего устройства на время ожидания сигнала обратной связи (РОС-ОЖ), РОС и частичным исправлением ошибок (РОС-ЧИ) - данный алгоритм и его модификации предложены автором, рассмотрены основные особенности этого алгоритма. Выявлено, что использование модели канала связи с к состояниями позволяет существенно повысить точность расчетов средней скорости передачи информации. Так, при использовании модели ДКС с тремя состояниями совместно с предложенным

критерием, уточнена оценка параметров СПДИ (до 10%) в исследуемом канале связи, по сравнению с оценкой, полученной при использовании критерия, используемого в настоящее время (расчет по усредненным характеристикам канала связи) Увеличение точности связано с учетом изменчивости состояния канала связи Дальнейшее усложнение математической модели канала связи не приводит к заметному увеличению точности оценки. Следует отметить, что характер уточнения является функцией длины кадра.

Известно, что с использованием свойств циклических кодов и метода стандартной расстановки можно уменьшить объем таблицы синдромного декодера и ускорить сравнение синдрома, вычисленного для принимаемого кадра, с табличными синдромами С помощью описанного подхода реализован алгоритм РОС-ЧИ. Достигаемая при этом средняя скорость передачи информации Ят больше, чем для алгоритма РОС-ОЖ (Яож), см. рисунок 2

1?чи(п 5,1 10 4) 08

Яож(п З.Ю"4) 07 "йп.5,1.10-3) 06

"'/ \ 05 Яо*(л,5, Ю'1} --------04

11чи(п,5,1,10" 2) 03 Яож(п,5,10"2)

0 1

10 100 МО5 1 104

п *

Рисунок 2 - Зависимость Лож и Ячи (?и* = 1) от и, с/= 5,р ~ {10"4,10"3,10

Исследование зависимости скорости алгоритмов РОС-ОЖ и РОС-ЧИ в широком диапазоне изменения значений вероятности ошибки показало, что использование алгоритма РОС-ЧИ позволяет реализовать большую скорость передачи и, соответственно, меньшее время задержки в передаче сообщений, поскольку исправление ошибок малой кратности приводит к снижению среднего количества передач. Так, для кода (п, к,с1) = (2072, 2048, 5), скорость кода /?о = 0,988, значение средней относительной скорости передачи составляет 0,8 для РОС-ОЖ и 0,97 для РОС-ЧИ при р = 10 0,1 и 0,4 при р = 10 "3, соответственно. С увеличением дальности скорость передачи алгоритма РОС-ЧИ уменьшается, однако ее значения по-прежнему больше, чем для алгоритма РОС-ОЖ При этом алгоритм РОС-ЧИ имеет существенно меньшее значение вероятности ошибки декодирования, чем кодовый метод исправления ошибок, например, 2-10 8 и 0,34, соответственно (при одинаковых значениях кодового расстояния, с1 = 5, и значении вероятности ошибки в канале связи, р = 10 "3). Для устранения такого недостатка в кодовом методе исправления

ошибок необходимо увеличить кодовое расстояние - так, для обеспечения вероятности ошибки декодирования не хуже чем 4,3-10 "8 необходимо использовать код (2072, 1962, 27), Л0 = 0,947 Другими преимуществами алгоритма РОС-ЧИ по сравнению с кодовыми методами исправления ошибок являются: упрощение схемной реализации; уменьшение вычислительной сложности декодирования; возможность адаптации к изменению вероятности ошибки за счет изменения зоны исправления ошибок. Главное отличие алгоритма РОС-ЧИ от алгоритма РОС-ОЖ заключается в наличии таблицы синдромов однократных ошибок, синдромы ошибок большей кратности ('и > 'и* > 1) могут быть при необходимости вычислены.

Исследования показали, что использование алгоритма РОС с сегментацией сообщения и частичным исправлением ошибок малой кратности в каждом сегменте (РОС-ЧИ-Б) позволяет существенно увеличить скорость передачи информации по сравнению с алгоритмом РОС-ЧИ и, соответственно, обеспечить меньшее время задержки передаваемых сообщений.

Основным недостатком алгоритма РОС-ЧИ-Б является то, что при вероятности ошибки р > 2-10 "3 алгоритм РОС-ЧИ-Б обеспечивает малую скорость передачи (время задержки велико даже в случае выбора оптимального количества сегментов). Так, значение времени задержки составляет Г, чи б = 74,4 с при р = 5-10 "3 (Л^ опт = 128, код (26, 16, 5)) по сравнению с Гзчи6= 25,2 с при^=10"4(Л^КОПТ= 2, код (1044,1024, 5)).

С использованием предложенного критерия оценки эффективности алгоритмов с РОС в каналах связи с ЗВРС произведена оценка средней скорости передачи алгоритмов РОС- ОЖ, ЧИ и ЧИ-Б для соответствующих

— 1 = 2000 м 1 = 5000 м 1= 10000 м

Рисунок 3 - Зависимость Яц алгоритма РОС-ЧИ ((„ = 1) от п

Анализ зависимостей показывает, что с увеличением дальности связи и, соответственно, времени распространения сигналов, оптимальный размер кадра

смещается в сторону больших значений. При этом происходит уменьшение средней скорости передачи информации.

Расчет показал, что использование алгоритма РОС с накоплением принимаемых кадров и принятием мажоритарного решения (РОС-Н) при р > 10 3 позволяет значительно увеличить скорость передачи за счет снижения количества повторных передач. Так, для кода (2072, 2048, 5) значения средней скорости передачи алгоритма РОС-Н составляют 0,374 при р = 10 "3 и 0,81 при р = 10 "4. При увеличении количества повторений 5 в алгоритме РОС-Н вероятность ошибки символа ps уменьшается, следовательно уменьшается и вероятность ошибки декодирования Рл. Так, например, для этого же кода при р = 10 "2 при изменении количества передач от одного до трех вероятность ошибки декодирования изменяется на три порядка по сравнению со значением при однократной передаче и составляет Рд = 2,710'" и Рд=5,6-10'8 (аналогично значению Рд алгоритма РОС-ОЖ), соответственно. Дальнейшее увеличение количества передач также улучшает вероятностные характеристики алгоритма РОС-Н. В практических расчетах для нахождения среднего количества передач (т) алгоритма РОС-Н при передаче сообщений, длина кодовых кадров которых находится в диапазоне значений и е [10,10000], а вероятность ошибки символа меньше р < 10 "2, можно использовать упрощенное выражение

7 $-1

•о-ад-гк*

(7)

При этом в указанном диапазоне п и для р < 10 "2 практически отсутствует погрешность вычислений - оценивание производилось методом сравнения результатов расчета по обшей (верхний предел суммы стремиться к <») и упрощенной (7) формулам в верхней точке диапазона (я = 10000).

Анализ влияния изменения скорости передачи в канале связи Л„ на время задержки алгоритма РОС-Н при увеличении вероятности ошибки в канале связи показал, что средняя скорость передачи алгоритма РОС-Н /?„ уменьшается, однако время задержки остается в пределах значений, допустимых для передачи данных. Так, для кода (2072, 2048, 5) при р = 10 '5 время задержки данного алгоритма составляет: 25,39 с - одна несущая, скорость модуляции 200 Бод, и 12,07 с - четыре несущие, скорость модуляции сигнала на каждой несущей составляет 400 Бод. При ухудшении параметров канала связи, например, при р = 10"4 - время задержки увеличивается и равно 30,39 с и 15,27 с, соответственно. При этом сравнение показало, что алгоритм РОС-Н практически не превосходит алгоритм РОС-ЧИ по критерию средней скорости передачи при р < 10 "3, при существенном усложнении технической реализации: код (2072,2048, 5),р =10'3 - Л„ = 0,374, Лч„ = 0,383.

Предложен комбинированный алгоритм РОС-ЧИ-Н. Показано, что использование алгоритма РОС-ЧИ-Н позволяет увеличить длину кадра яопт по сравнению с алгоритмом РОС-Н, например, с 100 до 250 при р = 10 '3 и с 370 до 1240 при р = 10 л. При этом увеличивается значение скорости передачи, которая составляет около 16% и 6%, для р = 10 "3 и 10 "4,

соответственно. Таким образом, использование алгоритма РОС-ЧИ-Н является более целесообразным при значениях вероятности ошибки р > 10"4.

Показано, что применение алгоритма РОС-ЧИ-Н-Б позволяет уменьшить время задержки для диапазона значений вероятности ошибкир е [10"4, 7-Ю'3], что может являться определяющим для каналов связи с низкой энергетикой. Так, например, при вероятности ошибки в канале связи р = 5-10 А1* 0Пт = 16, код (144, 128, 5), время задержки составляет 33,7 с для РОС-ЧИ-Н и 26,9 с для РОС-ЧИ-Н-Б. Однако применение последнего сопряжено с увеличением сложности технической (аппаратно-программной) реализации.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и исследования эффективных алгоритмов передачи информации с РОС и адресным переспросом искаженных кадров для исследуемых каналов [6-10,12-16,18-23].

Отмечается, что процедура адресного переспроса (АП) существенно увеличивает пропускную способность СПДЙ, однако при этом для передачи и приема кадров требуется реализация буферного запоминающего устройства (БЗУ) с произвольным доступом Очевидно, что с увеличением времени распространения необходимо увеличивать память БЗУ.

В работе показано, что для обеспечения непрерывной работы СПДИ в канале связи с ЗВРС в передаваемом окне (блоке пакетов кодовых кадров) должно находиться не менее двух пакетов кадров. Длина кадра и его номер задаются в заголовке кадра. При этом выбор размера окна, пакетов и входящих в них кадров следует осуществлять таким образом:

■ длина кадра определяется согласно оптимальному значению длины, для требуемой достоверности передачи при заданной вероятности ошибки символа в канале связи (см. результаты глав 2 и 3);

• отношение длины передаваемого пакета кадров сообщения к скорости модуляции должно быть больше, чем удвоенное значение времени распространения сигналов в соответствующей среде.

■ размер окна определяет требуемое значение объема БЗУ передающей и приемной сторон и больше либо равен двум пакетам (если в пакете больше одного кадра), либо двум кадрам, если отношение оптимальной длины кадра к скорости модуляции больше удвоенного значения времени распространения.

Осуществлен анализ алгоритмов РОС с адресным переспросом (РОС-АП)' стандартный РОС-АП и его модификации (РОС-ЧИ-АП, РОС-ЧИ-АП-Н), получена зависимость ^-производительности протоколов с РОС-АП от отношения сигнал/шум, см. рисунок 4, для следующих характеристик: объем передаваемой информации (длина формулярного сообщения) Кпрд = 2048 бит; вид модуляции - ОФМ; метод передачи - последовательный; метод приема - сравнение фаз; скорость модуляции V = 200 Бод; код - двоичный; тип помехоустойчивого кода - циклический; кодовое расстояние d = 5. Показано, что оптимальным для достижения максимума /¡-производительности в рабочем диапазоне отношений сигнал/шум в ГАКС является применение кода (142, 128, 5) с представлением информации в пакете передачи шестнадцатью кадрами - протокол "а.".

--Граничное значение удельной скорости

■••• РОС-АП, код (2072,2048, 5),N-1 --РОС-АЛ, код (1044,1024, 5), N=5

- • POC-АП, хм (530, 512, J), N-4

— POC-АП, код (272,256,5), N-8 ее РОС-АЛ, код (142, 128, 5), N-16 ■t-M- РОС-АЛ, код (76,64, 5), N-32 -о РОС-АЛ,код(42,32, 5),N=64

Рисунок 4

Для исследуемых протоколов рассчитаны значения целевой функции Qh, см. выражение (5). Отмечается, что при увеличении времени распространения сигналов для сохранения высокой эффективности используемых протоколов необходимо увеличивать длину кадра при одновременном увеличении отношения сигнал/шум.

Произведена оценка эффективности предложенных автором алгоритмов по сравнению с известными алгоритмами. Показано, что наибольшую эффективность имеют алгоритмы (в порядке убывания эффективности): РОС- ЧИ-АП-Н, ЧИ-АП, ЧИ-Н-Б, АП и ЧИ-Б.

С целью повышения скорости передачи информации предлагается в каналах связи с ЗВРС применять алгоритм РОС-ЧИ-АП с непрерывной передачей данных, позволяющий реализовать наиболее высокую скорость передачи информации среди исследованных алгоритмов.

Предложено адаптацию системы связи к изменяющимся условиям распространения сигналов осуществлять за счет подсчета количества переспросов и изменения формата кадров. Возможно дополнительное комбинирование описанного алгоритма с устройством оценки уровня сигнала и дальности связи для экономии энергии автономного источника питания.

Предложены выражения для оценки оптимального объема БЗУ передающей и приемной сторон.

Пятая глава посвящена вопросам моделирования предложенных автором алгоритмов передачи информации с использованием разработанного программного имитатора канала связи. С учетом результатов предыдущих глав моделирование выполнено для алгоритма РОС-ЧИ-АП [10, 12, 19, 20]. Оценка эффективности данного алгоритма производилась с помощью метода статистических испытаний на ЭВМ для модели исследуемой СПДИ, состоящей из блоков: модели канала; модели кодера и декодера; модели логики системы (программного блока, моделирующего алгоритм работы системы).

В соответствии со значением целевой функции (5), полученным для алгоритма РОС-ЧИ-АП и модели ДКС, выбран оптимальный формат кадра -код (272, 256, 5), в пакете передачи - 8 кадров. Исходя из объема достаточной статистики определено количество блоков слов кода (272,256, 5), необходимых для проведения статистических испытаний. Значение точностного коэффициента оценки результатов статистических испытаний 5 равно 5% от значения средней вероятности ошибки р.

Разработана программная реализация имитатора алгоритма передачи информации РОС-ЧИ-АП в канале связи с ЗВРС, моделируемого простой цепью Маркова с тремя состояниями.

В ходе моделирования получены следующие результаты: количество кадров, принятых без ошибок, 55,8%; количество кадров, содержащих однократную ошибку 39,05%; количество переспрошенных кадров 5,15% (содержали ошибки большей кратности). Сравнение информации, полученной на выходе системы связи с переданной, показало, что ошибки отсутствуют.

Экспериментально установлено, что в каналах связи с ЗВРС для исследованных алгоритмов передачи информации значение времени обработки передаваемых сообщений в передающем и приемном устройствах незначительно по сравнению со временем распространения сигналов и может быть опущено при расчетах эффективности передачи информации в таких каналах. Так время обработки одного слова кода (272, 256,5) на ЭВМ Pentium 2 с тактовой частотой 300 МГц составило Ты^ i ~ 1,5 мкс. Для блока, состоящего из восьми слов Гобр 8 ~ 12 мкс, что меньше длительности одного элемента сигнала т3 = 1 / 200 бит/с = 0,5 мс и много меньше значения времени распространения сигнала в среде Граспр = 5000 м / 1500 м/с = 3,3 с.

Экспериментально подтверждено, что алгоритм РОС-ЧИ-АП позволяет реализовать передачу информации в каналах связи с ЗВРС с высокой скоростью, и может быть рекомендован к использованию в практических СПДИ в каналах связи с ЗВРС. Средняя скорость передачи информации при использовании алгоритма РОС-ЧИ-АП составила 95,5% от рассчитанного значения пропускной способности канала связи.

Отмечается, что полученные экспериментальные данные имеют высокую степень согласия с результатами теоретических исследований, см. рисунок 5 Имеющееся отличие вероятностных характеристик, обусловленное использованием верхней оценки вероятности ошибки в аналитических расчетах, можно считать незначительным.

т'

О 1

-Е 001 8

1 ю"4

' 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Шср *

ОО Расчетные данные, р=10Е-3 XX Экспериментальное данные, р«10Е-Э Рисунок 5 - Зависимость вероятности приема окна кодовых кадров с переспросом ?пср кадров, алгоритм РОС-ЧИ-АП

Сформулированы рекомендации по применению предложенных автором алгоритмов в практических системах связи:

• в каналах связи с вероятностью ошибки меньшей, чем р< 10 'ъ целесообразно использовать алгоритм РОС-ЧИ-АП;

• в каналах связи с низкой энергетикой (р > 10 "3) наибольшую скорость передачи информации для указанных условий имеет алгоритм РОС-ЧИ-АП-Н.

Заключение содержит основные результаты, полученные в диссертационной работе, показана их научная новизна и практическая значимость.

В приложениях приведены- текст программного имитатора алгоритма передачи информации РОС-ЧИ-АП (на языке программирования "С++"); акты, подтверждающие внедрение отдельных результатов работы в научных разработках и в учебном процессе СибГУТИ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В РАБОТАХ:

1 Прибылов В.П. Устройство формирования сигнала ОФМ с широким диапазоном изменения мощности на основе ШИМ // Рос. науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 22-23 апр. 1999' Материалы конф.- Новосибирск, 1999 - С. 158-159.

2 Прибылов В.П. Особенности каналов связи со значительным временем распространения сигналов // Рос. науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 20-22 апр. 2000: Материалы конф.-Новосибирск, 2000,- С.47-48.

2_

"в.

и

О

3 Прибылов В.П Акустический канал связи со значительным временем распространения сигналов // Рос. науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 20-22 апр. 2000: Материалы конф-Новосибирск, 2000,- С.48-49.

4 Прибылов В.П. Анализ статистических характеристик сигналов и помех в каналах связи со значительным временем распространения сигналов // Рос. науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 20-22 апр. 2000: Материалы конф - Новосибирск, 2000 - С.49-50.

5 Чернецкий Г.А., Прибылов В.П. Особенности синхронизации аппаратуры связи в системах гидроакустической телеметрии // Международная науч -техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 26-29 сент. 2000: Материалы конф - Т.6.- Новосибирск, 2000-С.58-60.

6 Прибылов В.П. О выборе алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов // Международная науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 26-27 апр. 2001- Материалы конф-Новосибирск, 2001,-С.39-40

7 Прибылов В.П О выборе кодов, используемых в составе алгоритмов с решающей обратной связью в каналах связи со значительным временем распространения сигналов // Международный науч.-техн. семинар по повышению квалификации «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Омск, 1-5 авг. 2001: Материалы семинара.-Новосибирск, 2001.- С.60-62.

8 Прибылов В.П. Методика выбора параметров алгоритмов передачи информации с решающей обратной связью с ожиданием в каналах связи со значительным временем распространения сигналов // Международный науч.-техн семинар по повышению квалификации «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Омск, 1-5 авг. 2001: Материалы семинара.- Новосибирск, 2001,- С.62-65.

9 Pribylov V.P., Chernetsky G A. Throughput Efficiency of Automatic Repeat Request Algorithm with Selective Reject in Communication Links with Great Signal Propagation Delay // 3-rd IEEE Russia Conference "Microwave Electronics -Measurements, Identification, Applications", Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia, 18-20 September 2001.-P.202-205.

10 Pribylov V.P. Throughput Efficiency of the Modified SR Algorithm // 3-rd IEEE Russia Conference "Microwave Electronics - Measurements, Identification, Applications", Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia, 18-20 September 2001.- P.206-208.

11 Особенности учета помех в гидроакустических каналах связи вертикальной ориентации со значительным временем распространения сигналов /В.П.Прибылов/ СибГУТИ,- Новосибирск, 2001 - 11 с - Библиогр. 8 назв.- Рус,- Дел. в ВИНИТИ. 17.10.2001, №2I81-B2001.

12 Прибылов В.П. Об алгоритме передачи информации с решающей обратной связью с исправлением ошибок малой кратности и адресным переспросом // Региональная научно-техническая школа-семинар студентов,

аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники», Новосибирск, 26-30 ноября 2001 г.: Материалы школы-семинара.-Новосибирск, 2001- С.99-100.

13 Прибылов В.П. Выбор способа повышения достоверности передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов // Региональная научно-техническая школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники», Новосибирск, 26-30 ноября 2001 г.: Материалы школы-семинара,-Новосибирск, 2001 - С. 101-102.

14 Прибылов В.П. О выборе оптимальной длины корректирующего кода в алгоритме решающей обратной связи с адресным переспросом // Телекоммуникации.- Вып.2, февраль 2002.- С. 10-14.

15 Прибылов В.П. Оценка эффективности применения накопления в системах с решающей обратной связью с адресным переспросом и частичным исправлением ошибок // Телекоммуникации - Вып.З, март 2002 - С.8-12.

16 Прибылов В.П., Петрова Е.А. О возможных подходах к реализации алгоритма передачи информации с комбинированной обратной связью в ТАКС // Международная науч.-техн. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 24-26 апр. 2002: Материалы конф,-Новосибирск, 2002,- С.57-58.

17 Травин Г.А., Прибылов В.П. К вопросу о выборе методов реализации фазовой модуляции в гидроакустических каналах связи // Международная науч.-техн. конф «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 24-26 апр. 2002: Материалы конф - Новосибирск, 2002 - С.109-110.

18 Прибылов В.П. Минимизация времени задержки получения информации в системах гидроакустической связи при передаче формулярных сообщений малой длины // Международный науч.-техн. семинар по повышению квалификации «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», С.-Пб., 30 июня - 4 июля 2002: Материалы семинара,- Новосибирск, 2002 - С. 93-95.

19 Pribylov V.P. On Simplifying the MARQ-SR Data Transmission Scheme // 3-rd International Workshop "Electron Devices and Materials", Erlagol, Altai, 1-5 July 2002,- Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia-Vol.2.-P.4-5.

20 Pnbylov V.P. Data Transmission Protocol Based on Modified ARQ-SR Algorithm with Partial Error Correction // VI International Conference "Actual Problems of Electronic Instrument Engineering", Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia, 23-26 September 2002 - Vol. 1.- P.190-192.

21 Криволапое Г.И., Чернецкий Г.А., Криволапов Т.Г., Прибылов В.П. Способ приема параллельного многочастотного составного сигнала и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2207732 по заявке №2000105139, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 27.06.03, приоритет от 01.03.00.

22 Pribylov V.P. Estimation of Efficiency of ARQ Data Transmission Protocols in Energy-Constrained Long Signal Propagation Delay Channels // 4-rd International Workshop "Electron Devices and Materials", Erlagol, Altai, 1-4 July 2002-Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia - P.135-136.

23 Прибылов В.П. Разработка эффективного протокола передачи данных с РОС-АП в каналах связи с переменными параметрами, ограниченных по энергетике // Международная науч.-техн. конф. "Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций", Томск, 30 июля - 2 августа 2003: Материалы конф,- Новосибирск, 2003- С.88-92.

Соискатель

В.П.Прибылов

РНБ Русский фонд

2006-4

27475

ПРИБЫЛОВ Василий Петрович

Исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 11.06.03

Формат бумаги 62x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, изд. л. 1,4, заказ № 83 , тираж - 100 экз., ГОУ ВПО «СибГУТИ». 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.

' 9 СЕН т

Реферат.

Список сокращений и условных обозначений.

Введение.

ГЛАВА 1 РАЗРАБОТКА ИМИТАТОРА КАНАЛА СВЯЗИ С ЗВРС.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Анализ статистических характеристик каналов связи со значительным временем распространения сигналов на примере гидроакустического канала связи.

1.3 Особенности синхронизации аппаратуры связи в ГАКС.

1.4 Выбор модели канала связи со значительным временем распространения сигналов.

1.4.1 Математическое описание каналов связи.

1.4.2 Модель дискретного канала связи.

1.5 Моделирование дискретного канала связи со значительным временем распространения сигналов на ЭВМ.

1.6 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ АЛГОРИТМОВ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Особенности систем с обратной связью.

2.3 Алгоритмы передачи информации с РОС.

2.4 Определение условий исследования алгоритмов с РОС.

2.5 Выбор критерия и методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с РОС в каналах связи со значительным временем распространения сигналов.

2.6 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ РОС С БЕЗАДРЕСНЫМ ПЕРЕСПРОСОМ.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Алгоритм РОС с ожиданием подтверждения приема.

3.3 Алгоритм РОС с частичным исправлением ошибок.

3.4 Алгоритм РОС с накоплением принятых сообщений.

3.5 Комбинированный алгоритм РОС с частичным исправлением ошибок и накоплением принимаемых слов.

3.6 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ РОС С АДРЕСНЫМ

ПЕРЕСПРОСОМ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Стандартный алгоритм РОС-АП.

4.3 Алгоритм РОС-ЧИ-АП.

4.4 Алгоритм РОС-ЧИ-АП-Н.

4.5 Сравнительный анализ предложенных алгоритмов.

4.6 Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА РОС-ЧИ-АП НА ЭВМ.

5.1 Постановка задачи.

Ф 5.2 Определение условий исследования программной модели алгоритма РОС-ЧИ-АП.

5.3 Разработка программной модели алгоритма РОС-ЧИ-АП.

5.4 Анализ экспериментальных данных исследования алгоритма РОС-ЧИ-АП.

5.5 Рекомендации по применению исследованных алгоритмов передачи информации.

5.6 Выводы по главе 5.

Актуальность работы.

Среди большого разнообразия каналов связи существуют каналы со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС). Термином ЗВРС будет обозначаться время распространения, много большее, чем длительность передаваемых сигналов, что может быть обусловлено, например, большой дальностью связи. При этом также полагается, что время распространения много больше времени обработки сообщений в передающем и приемном устройствах. Наиболее характерными примерами систем с ЗВРС являются системы дальней космической связи и гидроакустической связи, в которых время распространения может составлять единицы секунд и более [1]. Такое время распространения сигналов связи, влияет, прежде всего, на оперативность получения информации, что в ряде случаев является немаловажным фактором.

Известно, что в системах телеуправления для дистанционного контроля и изменения различных параметров объектов управления (автономная донная станция - АДС, космический аппарат и др.) используется, как правило, обратный канал связи, который может быть также использован и для повышения достоверности передачи сообщений.

Область применения современных гидроакустических средств связи широка: подводная телеметрия и телеуправление, навигационное обеспечение, обеспечение геологоразведочных и буровых работ на дне океана, экологический мониторинг состояния океана и многое др. Перспективным направлением в решении задач исследования морей и океанов также является создание информационно-измерительных комплексов на основе донных станций, оснащенных аппаратурой гидроакустического канала связи (ГАКС) для передачи информации с донных станций на судно (или ретрансляционный буй) и команд управления с него на станцию, измерение взаимной дистанции, решения навигационных задач [2, 3]. Натурные испытания макетов и образцов таких систем показали, что оснащение донных станций каналом связи и управления, системой измерения дистанции создает принципиально новые возможности для повышения эффективности систем гидроакустической телеметрии [4] в морской сейсмологии, сейсмометрии, геофизике.

Отличительной особенностью ГАКС также является низкая скорость распространения акустического сигнала в водной среде - в среднем 1500 м/с. По этой причине время прохождения сигнала по линии связи составляет единицы, десятки секунд - в зависимости от дальности связи, что обусловливает значительную частотно-временную нестабильность параметров принимаемого сигнала из-за волнения поверхности водной среды и неизбежных при этом дрейфа и качки судна (буя), либо из-за движения судна [5]. При организации связи с подвижными объектами характерным является проявление эффекта Доплера. Однако при корректной разработке аппаратуры связи эффект Доплера компенсируется системой синхронизации аппаратуры.

В некоторых случаях одно надводное судно может работать с целой сетью донных станций, для чего предусматривается адресная система передачи команд управления и передачи информации.

Другим важным фактором в каналах со значительным временем распространения сигнала, помимо большой дальности связи и частотно-временной нестабильности характеристик каналов, является ограниченная энергоемкость автономных бортовых источников питания. Для таких систем повышение помехоустойчивости означает выигрыш в дальности действия и в габаритах источника питания, повышение достоверности передаваемых данных и экономический эффект от повышения срока автономной работы [6, 7].

Необходимо отметить и возможные методы повышения помехоустойчивости передачи информации в практических каналах связи. Так, для экономного расходования электроэнергии автономных бортовых источников питания, с целью увеличения срока службы средств связи, применяются устройства для их автоматического выключения или перевода в режим дежурного приема.

Следует также отметить, что энергетическую эффективность можно повысить путем использования корректирующих кодов, специальных сигналов и методов модуляции, согласования кодека с модемом [8].

Для борьбы с помехами, в том числе и с селективными, применяют современные методы обработки сигналов: интегрирование, накопление, цифровые фильтры, корреляторы с использованием микропроцессоров или микросхем, выполненные на современной элементной базе [9].

В результате анализа научно-технической литературы, отражающей современное состояние методов и систем передачи дискретной информации, выявлено, что основными направлениями технического прогресса при разработке аппаратуры связи следует считать: увеличение дальности связи, экономичности расходования энергии, повышение надежности передачи команд управления, достоверности передачи информации по каналу связи, скорости передачи информации по одному частотному каналу связи, обеспечения возможности определения координат удаленного терминала.

Обязательным этапом разработки любой системы передачи дискретной информации (СПДИ) является выбор эффективного алгоритма передачи информации, обеспечивающего необходимые скорость передачи информации и достоверность ее приема. При разработке алгоритмов передачи информации необходимо учитывать принципиальные особенности каналов связи. Так для однонаправленного канала единственным приемлемым условием повышения помехоустойчивости в условиях ограниченной полосы пропускания и наличия жестких требований к мощности излучаемого сигнала может оказаться использование методов передачи с избыточностью по времени: накопления с последующим принятием мажоритарного решения, а также использования корректирующих кодов в режиме исправления ошибок. Однако в этом случае принципиально отсутствует гарантия доставки сообщения потребителю.

Наиболее эффективным способом повышения достоверности передачи информации в двусторонних каналах связи с гарантированной передачей сообщения потребителю является использование систем с обратной связью с применением корректирующих кодов. Обобщающим критерием эффективности при этом является средняя относительная скорость передачи.

В соответствии с моделью взаимодействия открытых систем протоколы передачи данных, обеспечивающие требуемую достоверность передачи информации по каналам связи, относятся, как правило, ко второму уровню (канальному) модели. Известно, что применение протоколов передачи данных с использованием алгоритмов двусторонней связи, позволяет обеспечивать передачу информации по каналам связи различной физической природы с наибольшей достоверностью. Базовым принципом при этом является использование пакетной передачи данных с применением алгоритмов решающей обратной связи (РОС). Обобщающим критерием эффективности таких алгоритмов является средняя относительная скорость передачи.

В настоящее время известен ряд работ, касающихся систем с обратной связью. В частности, можно назвать работы отечественных авторов: Э.Л.Блоха, О.В.Попова, В.Я.Турина, З.М.Каневского, И.А.Мизина, Г.К.Храмешина, П.А.Котова, Л.Ф.Жигулина, а также работы коллектива сотрудников научно-исследовательской лаборатории №2 кафедры радиотехнических систем СибГУТИ, в частности: А.А.Макарова, Г.А.Чернецкого, Б.П.Щербакова и др. Среди зарубежных авторов стоит отметить работы: S.Lin, DJ.Costello, M.J.Miller, JA.Copeland, V.K.Bhargava, A.Annamalai и др. Вместе с тем, вопросы оценки эффективности систем с обратной связью в каналах связи с ЗВРС ранее не рассматривались.

Обобщающим критерием эффективности при выборе алгоритма передачи информации в дискретном канале связи (ДКС) принято считать среднюю относительную скорость передачи сообщений. Однако недостатком данного критерия является то, что основные параметры алгоритмов в этом случае выбираются по усредненным характеристикам канала, что в ряде случаев не является оправданным в силу наличия в некоторых каналах связи характерной частотно-временной нестабильности параметров.

Известно также, что для представления реальных каналов связи широко используется метод математического моделирования. При этом все основные методы, относящиеся к указанному классу методов моделирования, основаны на использовании моделей каналов с к состояниями, с достаточной степенью точности описываемыми с помощью аппарата цепей Маркова.

Цель работы. Исследование и разработка алгоритмов передачи информации, повышающих эффективность систем передачи дискретной информации (СПДИ) в каналах связи со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС).

Основу диссертационной работы составляет исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС, ограниченных по энергетике, на примере гидроакустического канала связи, управления и навигации. Эффективность алгоритмов связи оценивается для режима передачи данных (трафик данных) при ограничениях на время обработки сообщений в приемном устройстве. Рассматривается использование циклических кодов.

Достижение указанной цели требует решения таких задач как:

1 Выбор и обоснование математической модели канала связи.

2 Разработка методики оценки эффективности алгоритмов передачи информации с обратной связью с учетом времени распространения сигналов.

3 Анализ эффективности известных алгоритмов передачи информации.

4 Разработка эффективных алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС.

5 Выбор и обоснование наилучшего алгоритма передачи данных.

6 Разработка программного имитатора предложенного алгоритма.

7 Исследование эффективности и оценка качественных показателей СПДИ при использовании предложенного алгоритма методом компьютерного моделирования. Сравнение результатов с данными аналитических расчетов.

8 Разработка рекомендаций по практическому применению исследованных алгоритмов передачи информации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы: теории вероятностей, теории графов, теории случайных процессов и математической статистики, теории передачи дискретных сообщений, а также методы математического и компьютерного моделирования.

Основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично в ходе выполнения НИОКР, проводимых в научно-техническом центре специализированных информационных систем СибГУТИ. Совместные работы выполнены на равных правах с соавторами.

Всего по материалам диссертации имеется 23 публикации.

6 Степень внедрения.

Разработанный алгоритм передачи информации РОС-ЧИ и его модификации, в том числе РОС-ЧИ-АП, а также предложенная методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации РОС в каналах с ЗВРС используются в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) при разработке аппаратуры гидроакустического канала связи, управления и навигации, а также в учебном процессе в лекционных курсах: "Теория электрической связи", "Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций", "Основы радиотехнических систем".

Акты о внедрении приведены в приложениях.

Заключение

1.П. Особенности каналов связи со значительным временем распространения сигналов // Рос. науч.-техн. конф. "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 20-22 апр. 2000: Материалы конф-Новосибирск, 2000,- С. 47-48.

2. Frye D.E., Qwens В. Recent developments in ocean data telemetry at Woods Hole Oceanographic Institution // IEEE J. Ocean. Eng.- 1991, Vol.16, №4-P.350-359.

3. Криволапое Г.И., Макаров A.A., Финогенов B.M., Чернецкий Г.А. Принципы построения сети гидроакустической телеметрии на основе АДС // Морская сейсмология и сейсмометрия М., 1989 - С.65-74.

4. Чернецкий Г.А., Прибылов В.П. Особенности синхронизации аппаратуры связи в системах гидроакустической телеметрии // Междунар. науч.-техн. конф. "АПЭП-2000", Новосибирск, 26-29 сент. 2000: Материалы конф,-Новосибирск, 2000,- Т.6, с.58-60.

5. Ольховский Ю.Б., Новоселов О.Н., Мановцев А.П. Сжатие данных при телеизмерениях М.: Сов. радио, 1971.

6. Зюко А.Г. Методы повышения эффективности систем космической радиосвязи // Всесоюз. науч.-техн. конф. "Проблемы космической радиосвязи": Тез. докл.- М., 1979.- С.З.

7. Адаптивные телеизмерительные системы / Б.Я. Авдеев, Е.М. Анто-нюк, С.Н. Домнов и др.; Под ред. А.В. Фремке Л.: Энергоиздат, 1981 - 248 с.

8. Галкин А.П., Лапин А.Н., Самойлов А.Г. Моделирование каналов систем связи М.: Связь, 1979 - 96 с.

9. Тарасюк Ю.Ф. Гидроакустическое телеуправление- Л.: Судостроение, 1985,- 200 с.

10. Статистические характеристики гидроакустических каналов для АДС / Ковязин В.И., Криволапов Г.И., Макаров А.А., Чернецкий Г.А. // Морская сейсмология и сейсмометрия М., 1989 - С.74-80.

11. Разработка принципов и устройств передачи геофизической информации по гидроакустическому каналу связи: Отчет / НЭИС им. Н.Д. Псурцева. Науч. руководители А. А. Макаров, JI.A. Чиненков. № ГР 81019632, Инв. № 02830079562,- Новосибирск, 1983,- 55 с.

12. Анализатор характеристик гидроакустических каналов связи: Отчет / Новосибирский электротехн. ин-т связи. Науч. руководители: А.А.Макаров, Г.А.Чернецкий, № ГР 0184000588, Инв. № 02860021414,- Новосибирск, 1985.-77с.

13. Аппаратура управления автономными донными сейсмическими станциями: Отчет / Новосибирский электротехн. ин-т связи им. Н.Д.Псурцева. Науч. руководители: А.А.Макаров, Г.А.Чернецкий. № ГР 01840005880, Инв. № 020880016084.- Новосибирск, 1987,- 75 с.

14. Макаров А.А. Вопросы фазирования систем прерывистой радиотелеграфной связи: Дисс. . /МЭИС.-М., 1967.

15. Мизин И.А. и др. Передача информации в сетях с коммутацией сообщений- М.: Связь, 1972 320 с.

16. Аппаратура передачи информации по метеорным каналам радиотелеграфной связи / Демин Э.А., Чиненков Л.А., Макаров А.А. и др. // Электросвязь,- 1976, №4- с.25-31.

17. Макаров А.А., Чернецкий Г.А. Корректирующие коды в системах передачи информации: Учеб. пособ. / Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики- Новосибирск, 2001 101с.

18. Макаров А.А., Ковязин В.И. Автоматизация систем передачи данных: Учеб. пособие / Одесс. электротехн. ин-т связи им. А.С. Попова- Одесса, 1987,- 84 с.

19. Шувалов В.П., Кожаспаев Н.К. Вероятностные методы обнаружения ошибок-Алма-Ата: Наука, 1989 106 с.

20. Gilbert E.N. Capacity of a bursty-noise channel // Bell Syst. Tech. J-1960, Vol.39, № 9,- P. 1253-1265.

21. Elliott E.O. Estimates of error rates for codes on burst-noise channels // Bell Syst. Tech. J.- 1963, Vol. 42, № 9,- P. 1977-1997.

22. Блох Э.Л., Попов O.B., Турин В.Я. Модели источников ошибок в каналах передачи цифровой информации М.: Связь, 1971.-312 с.

23. Макаров А.А. Марковская модель с тремя состояниями для дискретного канала с замираниями // Системы и устройства передачи информации: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи- Л., 1979-С.38-42.

24. Элементы общей теории передачи дискретной информации / Под ред. Л.П. Пуртова,- М.: Связь, 1972,- 232 с.

25. Турин В.Я. Передача информации по каналам с памятью М.: Связь, 1977,- 248 с.

26. Коржик В.И., Финк JI.M. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой М.: Связь, 1975 - 272 с.

27. Макаров А.А., Ковязин В.И. Распределение кратностей ошибок в замирающем канале с кодовым разнесением // Радиоэлектроника 1978 - Т.21-№5 - С.71-74.

28. Макаров А.А., Ковязин В.И., Криволапое Г.И. Дискретное отображение канала с релеевскими замираниями при m-кратном разнесении // Обработка информации в системах связи: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи- Л., 1985 -С.16-22.

29. Wang H.S., Moayeri N. Finite-State Markov Channel a Useful Model for Radio Communication Channels // IEEE Transactions on Vehicular Technology.-1995, Vol.44, № 1- P. 163-171.

30. Макаров A.A. АРМ исследования и проектирования систем передачи информации: Учеб. пособ. / Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики-Новосибирск, 2001.- 80 с.

31. Zorzi М., Rao R.R. On Channel Modeling for Delay Analysis of Packetth

32. Communications over Wireless Links //36 Annual Allerton Conference on Communications, Control and Computing, Monticello (IL), USA, Sept. 23-25, 1998-Monticello (IL), USA: Allerton House, Sept. 23-25, 1998.

33. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 12-е изд.- М.: Сов. радио, 1974,- 552 с.

34. Петрович Н.Т. Способ проводной и радиосвязи фазо-манипулированными колебаниями. А. с. 105692, СССР, приоритет от 22.02.54.

35. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией М.; Советское радио, 1965.

36. Архангельский А.Я. Разработка прикладных программ для Windows в Delphi 5,- М.: Бином, 1999,- 250 с.

37. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем М.: Наука, 1968356 с.

38. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения М.: Мир, 1964.

39. Прибылов В.П. Устройство формирования сигнала ОФМ с широким диапазоном изменения мощности на основе ШИМ // Рос. науч.-техн. конф. "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 22-23 апр. 1999: Материалы конф-Новосибирск, 1999 С.158-159.

40. Варакин JI.E. Система связи с шумоподобными сигналами М.: Радио и связь, 1985,- 384 с.

41. Зюко А.Г, Кловский Д.Д. Теория передачи сигналов: Учеб. для вузов- М.: Радио и связь, 1986.

42. Catipovic J.A., Deffenbauch М., Freitag L., Fray D. An acoustic telemetry system for deep ocean mooring data acquisition and control // Oceans'89: Int. Conf. Sept. 18-21, 1989,-New York (N.Y.), 1989, Vol.3.-P.887-892.

43. Pollara F., Ekroot L. Analysis of automatic repeat request methods for deep-space downlinks // NASA Technical Reports: The Telecommunications and Data Acquisition Report №96-16638 04-32, Aug 15, 1995,- P. 66-83.

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

45. Зяблов В.В., Коробков Д.Л., Портной СЛ. Высокоскоростная передача сообщений в реальных каналах М.: Радио и связь, 1991 - 288 с.

46. Lin S., Costello D.J. Error-Control Coding. Fundamentals and Applications.- Englewood Cliffs (NJ): Prentice-Hall, 1983.

47. Харкевич А. А. Борьба с помехами M.: Физматгиз, 1963 - 275 с.

48. Блох ЭЛ. Помехоустойчивость систем связи с переспросом М.: Изд-во АН СССР, 1963,- 172 с.

49. Котов П.А. Повышение достоверности передачи цифровой информации,-М.: Связь, 1966,- 184 с.

50. Передача информации с обратной связью. Под ред. З.М. Каневского.-М.: Связь, 1976.-352 с.

51. Мартынов Ю.М. Обработка информации в системах передачи данных-М.: Связь, 1969.

52. Криволапов Г.И. Разработка и исследование аппаратуры гидроакустической связи и управления для сети автономных донных станций / Кандидатская диссертация-Новосибирск: СибГАТИ, 1995.

53. Мишин Д.В. Адаптивная фильтрация и кодирование в последовательных системах передачи дискретных сообщений по многолучевым каналам связи: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.12.13 / Поволж. ин-т информатики, радиотехники и связи Самара, 1996 - 18 с.

54. Мачулин B.B., Пятибратов А.П. Эффективность систем обработки информации.-М.: Сов. радио, 1972 280 с.

55. Борисов Ю.И., Чернецкий Г.А. Оценка средней скорости некоторых систем передачи дискретной информации с решающей обратной связью // Тр. НИИР, 1972,-№3.

56. Kallel S., Haccoun D. Sequential decoding with ARQ and code combining: A robust hybrid FEC/ARQ system // IEEE Trans, on Comm.- 1988, Vol.36, №7,-P.773-780.

57. Yu P.S., Lin S. An efficient selective-repeat ARQ scheme for satellite channels and its throughput analysis // IEEE Trans, on Comm.- 1981, Vol.29, №3-P. 353-363.

58. Annamalai A., Bhargava V.K. Analysis and Optimization of Adaptive Multicopy Transmission ARQ Protocols for Time-Varying Channels // IEEE Trans, on Comm.- Vol.46, №10, October 1998.- P.1356-1368.

59. Захаров А.И. Матричные коды и их применение в системах с переспросом. Вторая Всесоюз. конф. по теории кодирования. Секция 2, часть 1.- М.: Наука, 1965.

60. Zhang Q., Kassam S.A. Hybrid ARQ with Selective Combining for Fading Channels // IEEE Journ. on Select. Areas in Comm.- 1999, Vol.17, №5,- P.867-880.

61. Lin S., Costello D.J., and Miller M.J. Automatic-Repeat-reQuest Error-Control Schemes // IEEE Comm. Mag.- 1984, Vol.22, №12,- P.5-17.

62. Pursley M.B., Sandberg S.D. Variable-rate hybrid ARQ for meteor-burst communications // IEEE Trans, on Comm.- 1992, Vol. 40, №1,- P.60-73.

63. Deng R.H., Lin M.L. A Type-I Hybrid ARQ System with Adaptive Code Rates // IEEE Trans, on Comm., 1995, Vol.43, № 2/3/4.- P.733-737.

64. Badra R.E., Daneshard B. Fast Code Rate Adaptation for Indoor Precoded Packet Wireless Systems // 2000 IEEE Wireless Commun. and Networking Conf., 23-28 September 2000, Chicago, IL, USA. Conf. Record.- 2000, Vol.2.- P.850-854.

65. Annamalai A., Bhargava V.K., Lu W.-S. On Adaptive Go-Back-N ARQ Protocol for Variable-Error Rate Channels // IEEE Trans, on Comm.- 1998, Vol.46, № 11,-P. 1405-1408.

66. Martins A.C., Alves J.C. ARQ Protocols with Adaptive Block Size Perform Belter over a Wide Range of Bit-Error Rates // IEEE Trans, on Comm.- 1990, Vol.38, № 6,-P.737-739.

67. Weldon E J. An Improved Selective-Repeat ARQ Strategy // IEEE Trans, on Comm.- 1982, Vol.30, №10,-P.480-486.

68. International Standards Organization, International Standard ISO 4335, "Information processing systems Data communication - High-level data link control procedures - Consolidation of elements of procedures".

69. International Standards Organization, International Standard ISO 7776, "Information processing systems Data communication - High-level data link control procedures - Description of the X.25 LAPB-compatible DTE data link procedures".

70. Narayanan K.R., Stuber G.L. A Novel ARQ Teqnique Using the Turbo Coding Principle // IEEE Comm. Lett.- 1997, Vol.1, №3.- P.49-51.

71. Wu Yu., Valenti M.C. An ARQ Technique Using Related Parallel and Serial Concatenated Convolutional Codes // ICC 2000. Conf. Proc. on CD.

72. Ходжаев Нодир. Исследование методов повышения верности передачи в системах передачи дискретной информации: Автореф. дис.- Одесса,1976.-25 с.

73. Арипов Маджидулла Нигматович. Теория и методы повышения верности передачи информации адаптивным распознованием условий приема: Автореф. дис. . д-ра техн. наук: 05.12.02- JL, 1985 32 с.

74. Шувалов В.П. Косвенные методы обнаружения ошибок в системах передачи дискретной информации М.: Связь, 1972 - 81 с.

75. Шувалов В.П. Прием сигналов с оценкой их качества- М.: Связь, 1979,-237с.

76. Шпилевский Э.П. Исследование приема со стиранием и использование стираний в системах передачи данных: Автореф. дис.- JT, 1971- 18 с.

77. Кан Л.Г. Эффективность использования многопозиционных временных сигналов в системах с решающей обратной связью: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 15.12.02 / Одес. электротехн. ин-т связи Одесса, 1991- 14 с.

78. Jeon W.S., Jeong D. Improved Selective Repeat ARQ Scheme for Mobile Multimedia Communications // IEEE Comm. Letters.- 2000, Vol.4, №2.- P.46-48.

79. Чуйко Э.А. Повышение эффективности спутниковых дискретных систем связи // Всесоюз. науч.-техн. конф. "Проблемы космической радиосвязи". Тез. докл.- М., 1979,- С.8-9.

80. Белов В.В., Пылькин А.Н. Сравнительная оценка эффективности алгоритмов передачи дискретной информации // XXIV областная науч.-техн. конф., посвященная Дню радио. Тез. докл.- Новосибирск, 1981.- С. 123.

81. Коржик В.И. Одна оценка обнаруживающей способности бинарных групповых кодов // Радиотехника и электроника, 1965- №11.

82. Saltzer J.H., Reed D.P., Clark D.D. End-to-End Arguments in System Design // ACM Transactions on Computer Systems 1984, Vol.2, №4.

83. Pribylov V.P. On Simplifying the MARQ-SR Data Transmission Scheme // 3-rd International Workshop "EDM 2002", Erlagol, Altai, 1-5 July 2002,- Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia Vol.2.- P.4-5.

84. Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, М.В.Назаров; Под ред. Д.Д.Кловского- М.: Радио и связь, 1999.-432 с.

85. Криволапов Г.И., Макаров А.А., Чернецкий Г.А., Чиненков JI.A. Об измерении информационных характеристик гидроакустических каналов связи // 3-я Дальневосточная акустическая конф. "Человек и океан": Тез. докл.- Владивосток, 1982,- С. 14-16.

86. Прибылов В.П. Акустический канал связи со значительным временем распространения сигналов // Рос. науч.-техн. конф. "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 20-20 апр. 2000: Материалы конф Новосибирск, 2000 - С.48-49.

87. Прибылов В.П. Оценка эффективности применения накопления в системах с решающей обратной связью с адресным переспросом и частичным исправлением ошибок // Телекоммуникации 2002 - Вып.З - С.8-12.

88. Прибылов В.П. О выборе оптимальной длины корректирующего кода в алгоритме решающей обратной связи с адресным переспросом // Телекоммуникации,- 2002,- Вып.2 С. 10-14.

89. Особенности учета помех в гидроакустических каналах связи вертикальной ориентации со значительным временем распространения сигналов / В.П.Прибылов / СибГУТИ Новосибирск, 2001.- 11 е.- Библиогр. 8 назв.-Рус,-Деп. в ВИНИТИ. 17.10.2001, № 2181-В2001.