автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системы передачи данных с исправляющими ошибки кодами для пакетных радиосетей

РГ6 од

4 7

• ! ! .

с ан кт-пет нрб ург с п1.'1 гссуз: дрстви'н и1 * технический ушзерситег

На правах рукописи

. :зь"рнпгорл икинл зладкятовна

с'/стшы передачи дачн'й с 1кя1ра5шк1ш сие и! _ годш дня пакетных радюсетей

Опэтатыгасть : 05.i3.0J -.Управление в технических

системах

Автореферат диссертации на соискание ученой стелет кандидата технических наук ■

Санкт-Петербург

- 1Р93

Работа вшолнена на кафедре "РДОормацюшшо упраьлтщие системы" Санкт-Петербургского государственного тсхнкчесюго университета.

Научный руководитель : ОЗициальние оппоненты:

доктор технических наук, „профессор Аксенов Б.Е. доктор технически; у. наук, ягой ос сор Яго п л о.ч - 6. Д.

кандидат технических наук, Чистяков И-Я.

Ведущая организация

ОКБ. " Радугя "

г. С пн кл -П ет ерб у рг

<■1 - июил

1 ОСС р 4

К ГЧ\Г .?р.07

при Санкт-Петербургсшм государственной трхничсског унквгрсктоте по адресу : 39525:!, ,Санкт-Петербу"пг, ул.Политехническая,д.??, корпус ■9 , ауд

¡Тацита диссертации состоится {(й часов на заседании специализированного совета

С диссертацией глогно ог-ншс.*.жться в ^укд'-глект'ыььок библиотеке университета.

А,вторетерат разослан

1<

Ученик секретарь специализированного совета ■ ' . к. т.н., доцент

Попов С.О.

ОГГАЯ У АРАКГВРУОТИКА Р АГО'Ш Актуальность работы. Существует большое разнообразие каналов связи различного диапазона скоростей и качества, по ко торим приходится передавать данннр.

Ч стационарных каналах, где характеристики не меняются ю времени, в кпазпстошюнарных капал "»с,где юкзшш редкие гак-лущения не-бОЛШ>К КРОДОЯКЕТОЛЬЯОСТИ, ПрПЛечЯгЛОЕ способы зшкти от ошибок, кс-полььуи\'ие шбиточнне иодн в ршгдо обнаружения ошибок и переспрос неверен« блоков, ясбо испрэпяение на основе миноритарного накопления.

3 нестаро нар них каналах связи, к которым относят каноны, организованные на коротковолновых и Уг3 лини/к связи с подвикньт.ти сбъек-тР1.1Я, негаторие рг«кор<злеЬ№о яг.нуи тропосферного распространения, няблкдается нестабильность характеристик ю времени и групповой характер распределения ошибок вследствие затирании сигнала. Способ» залиты от ошибок, известные для каналов связи "хорошего" качества оказываются неи^ектввшвея в нютацнояарши каналах. 3 системах с пакетной ког.мутаьяеи, где годовая независимость обеспечивается про-токояэм НПЬ С ой.'.-ен даннн.т. по таким калачам становится практически

- 2

невоз.чжнил уже при р « '0 ре-за явления вставки и вшздеяая бит. Нарушается цикловая синхронизация и требуется длительное враг я для нового вхождения в синхронизм, в то время, как канал простаивает или бракуется. Если требование кодовой независимости снять, то задача синхронизации упрощается, и за счет многократно]) передачи с исправлением путал мажорирования ькжно обеспечить работу по каналам с вероятностью ошибки до 5• ЗО2 -г 10 Но такое исправление лишено возможности расширения, резко-снижает скорость.передачи и пригодно для передачи отдельных команд, но не потока сообщений.

сти трудности и противоречия делают нецелесообразным использование в каналах плохого качества' традиционных способов залиты от ошибок, основанных на использовании кодов, только обнаруживающих ошибки. ' -

Возникает ред трудностей и" при выборе года. Обычночтобн обеспечить" требусглую верность'передачи и сохранить высокую с трость года, стремятся удлинить гад,' но при этш приходится исправлять ошяЗкл высоких- кратности!'.. Реализация кодов с высого?. кратностью исправления ошибок.становится.о^ень сложной, так как сложное^. техничесгай реализации е кспоненшально зависит от длины кода. Кроме атого, в не' которых технических приложениях .сал пакет небольшой длины и удлинение

его невозможно.

Теоретические результаты по анализу и синтезу способов зациты обычно учитывают два-три показателя (Рэ , ЬВК, Рн0 ) , к, как правило, не касаются таких вопросов, как скнхронизащя, защита от несанкционированного доступа, реальные вероятности ошибочного приела, требования протоколов раЗоты в сети. Поэтому выбор кода с теоретических позиций скорее юхно считать началом практичесюго проектирования систшы защити от ошибок, и целесообразность использования вьйраяного юда должна быть уточнена по совокупности ¿-акторов, указанных выше. Тагой показатель, как ьквивалентная вероятность ошибки на символ Рэ , в каналах плохого качества и , если гад используется для исправления ошибок, не всегда позволяет судить об ективности кода. В каналах с пакетированием число блоюв без ошибок больше, ча в двоичном симметричном канале, блоков с ошибками к алой кратности меньше, а блоюв с ошибкам высоких кратностеу. существенно больше, с тот факт приводит к следующему : столько ошибок будет исправлено, столью и внесено, и ?э мало изменится. Однаиэ, итоговая характеристика системы (средняя ьс№ективная скорость передачи) шкет значительно возрасти, так как не играет роли, из-за каш го количества блоюв производится переспрос сообщения.

Таким образом, задачу повышения верности б каналах плохого качества нельзя считать решенной.

Учитывая многообразие каналов связи плохого качества, разнооб разные требования к передаваемой информации, ус лови ял передачи', необходило руководствоваться принципом, что универсального кетода повышения верности для всех условии передачи не существует. Поэтому поиск частных решений всегда остается актуальный.

Цель диссертации - разработка методик, алгоритмов, моделей для анализа и выбора способов залиты от ошибок при передаче по каналам плохого качества, ¿та цель определила следуйте задачи исследования.

5. Разработать {орыализованные модели сгстш обг.ена данными, включающие коды в режиме обнаружения или исправления ошибок и механизм обратной связи, с учетом рекомендаций с требований про тою лов ра?оты в сети, синхронизации, юдонезавистзсти.

2. Разработать методику расчета характеристик различных типов систем с учетом пакетирования ошибок в канале связи и других Факторов.

5. Исследовать влияние статистики ошибок канала, параметров к

дов, ансамбля сообщений к иегода скпхтюнпй.зди на характеристики систем передачи даннюс л внЗрать оптимальную по заданному крнто-рию систему,

4. Разработать более йхТекгЕвние алгоритмы дакяового íaaiiровз-ния и их прогрр.-л'пие г/одели.

На защиту выносятся _с л сд унп и е р е з у я ь т ат н.

J. Методика проектирования способов залиты от ошибок при перо-даче по канала: связи плохого качеств?..

2. ¿Горкалнзовачиые модели для расчета характеристик сксто: передачи данных с управляющей обратно!; связью и алгоритмом Лун онирования с ожндачием л временными подканалами, с выборочнда повтором, учитывающие статистику огжбок реальных каналов связи.

3. Оригинальный по применению способ восстановления цикловой синхронизации 'V/N - L".

А. Методика расчета характеристик систол цикловой синхронизации, на основе которой проектируются подобные системы. _

Методы исследования базируются на использовании аппарата то-ории вероятностей и случайных процессов, в честности, марковских, цепей и производящих функций, машинном моделировании на сШ СМ и IBM PC.

Научная новизна состоит в тем, что разработана методика проектирования способов защити от ошибок при передаче по каналам связи, в которых наблкщается пакетирование ошибок, нестшиокаркооть и повышенный уровень ошибок по сравнению с таю ввел проводными каналами тональной частоты; разработаны формализованные модели систем обмена данни.га, включающие годи, как обнаруживающие, тек и исправлявшие ошибки, механизм обратной связи к механизм синхронизации, которые позволяют производить анализ и рассчитывать такие характеристики, как средняя ьсИективная скорость и распределение времени доставки сообщений при передаче их по реальному каналу; предложен оригинальней по применению способ циклового (¡азирования '"WМ - L ", который с меньшей избыточностью и большей надежностью, чал известкне, позволяет находить границы кодовых слов; разработана методика расчета характеристик систол цикловой синхронизации.

Практическая ценность. Полученные результаты применимы для широкого класса каналов связи и позволяют использовать пев имещу-юся аппаратуру, разработанную для каналов связи типа проводки. Результаты работы использованы при разработке устройств зпдаты от ошибок в НПО 'Тмпульс" в '992 г, что подтверждается актом.

Публикации. По тале диссертации опубликовано три работы.

Структура и об^ем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из Р4 наименований, приложения, изложена на 125 страницах машшоппсного текста, содержит 29 таблиц, 35 рисунков.

СОЛЕРГ.СТ'Е РАБОТЫ

Вэ введении обосновывается важность и актуальность тали, йор-мулируются цель и задачи исследования.

Первая глава содермит обзор суиествуших способов и технических средств запиты от ошибок, а такие критериев их выбора при передаче по каналам связи.

Многообразие известных способов и технически средств, их реализующее, связано с многообразием требований к качеству передачи и условий передачи.

Из обзора литературы следует, что при выборе способа залиты от ошибок и оценки его характеристик необходимо учитывать взаимосвязь описаний непрерывкого и дискретного канала связи. Используются характеристики эффективности, такие гак эквивалентная вероятность ошибки на бит Рэ , энергетический выигрыш от кодирования, вероятность необнарул.ения ошибки в слове Рно .

Настолько код ;<Т<?ективен, зависит от потока ошибок в канале связи и от метода декодирования. Применяемые пр-* передаче коды могут быть блоке вши и сверточными. С учетом сложности технической реализации используются также каскадные коды, как комбинации двух или более блоковых кодов или блоковых и сверточных кодов. Известны три алгоритма декодирования сверточных кодов: последовательное, порогогоё, алгоритм Влтерби. Наибольшие интерес, как следует из обзора литературы, представляет алгоритм Читерби, который используется для декодирования коротких сверточных кодов с длиной кодового ограничения не более 7-°. Наиболее простой реализация декодера Витерби оказывается для гадов со скоростью 1/2. Трудности, связанные о усложнением структуры декодера Витерби при переходе к скорости, больаей э/2, удается обойти использоганиал выколоть* ( перфорированных) юдов со споростью, больаей, чш т/2.

Декодеры блочных кодов основаны на неалгебраических алгоритмах С декодер Меггитта, пороговый, на основе разбиения на информационные множества} либо используют алгебраические алгоритмы. 4

<*щгнй кз методов догодкрованкя гаеот оал; полож.ите.тт.шге и отригд-гельяге стороны. Неалгобрзпческяе методы представляют интерес, поскольку допускают переход к Ч-тюку" декодированию, алгебраические летодк тая>?. возкекности но г.'сот, ко позволяют исправлять оакбха Золее в::со!Г.:х крг.тностей.

Сукествует много разповидкоств!» работы с обратно!; связью. Критериями полезности сочетсппя переспроса с годом служат оВГ. относительно толы» переспроса пли только года, степень упрощения кодека. 'Основной оценкой качества окот ем с кодированием л переопросом в нестационарных каналах является средняя э.'?екгивиак скорость передачи .

В радиоканалах КЗ-диязазэна статистика оиибок разнообразна и зависит от многих причин: мощности передатчика, методов модуляция и приема, скорости передачи, условий распространения сигналов, времени суток. Соответственно различна а^'ективность помехоустойчивых кодов. Наиболее с<гг<тективни в нестационарных каналах систшы с кодированием и переспросом. Как следует из обзора литературы, применение в таких каналах годов с длено!: более 35...ГО иаао»Мектквяо.

^аквл образом, приведенные в литературе оисш ^ектыаости того или иного способа говшения верности с позиции гнергетичесиэго выигрнаа от кодирования или зквпзалентной вероятности ошибки не во всех случаях позволяют судить об осИективкооти выбранного способа зациты.

Известные аналитические зависимости, описываюяие распределение ошибок в радиоканалах КВ и УКВ диапазона, даюг значительный разброс оценок и не позволяют учесть многообразие состояний канала. Нет удовлетворительной модели канала связи этого класса.-

Вторая глава содержит сравнительный анализ аМективности различных алгоритмов (Тункционирования систем передачи дачных.

Предложена классификация методов повышения верности передачи по совокупности таких признаков, как наличие в. системе обратного канала, использование-вариантов кодирования, учет рекомендаций МККТТ и др.

Объектом предметного исследования являются системы.с кодированием к протоколами повторной передачи ЛЯО . для каналов связи плохого качества < нестационарных,, с вероятностью ошибки на символ "ощ > таких оистем не существует. В работе предлагается ис-

пользовать всю имевду-сся аппаратуру,' разработанную для каналов' хорошего качества, дополнив ее некоторым ковш устройством, га то рое

5

бы так изменило характеристики и структуру потока ошибок в "плохом" канале, чтобы последний стал похож на канал хорошего качества. При таком подходе вццвигается ограничение, связанное с простотой технической реализации. Разрабатываемое устройство предполагается включать в состав юдема. Ошибки целесообразно исправлять на битовом уровне. Исправление ошибок на канальном уровне наталкивается на трудности и:*-за вставки и выпадения бит, обусловленных механизмом обеспечения годовой независимости.

В ралках поставленной задачи необходило решить следухцие вопрос выбор юда или комбинаций кодов; поиск адекватной мат а/этической модели дискретного канала связи; выбор способа цикловой синхронизации; разработка Формализованных моделей с ист а.; передачи дачных для анализа их характеристик.

3 силу жестких требований простоты технической реализации в работе не ставится задача выбора оптимального юда. Коды выбираются из класса по возможности согласованных с потоком ошибок в канале связи, для которых известны процедуры декодирования и которые технически не сложны, ¿то клазсы каскадных кодов, где на вну трен нал уровне исправляются независимые ошибки невысоких кратностей, на внешнал- пакеты ошибок.

Среди моделей дискретных каналов связи проверялись те модели, которые учитывают Факт группирования ошибок - модели, на основе обобщенных пуассоновских процессов, модель (?,Х) [ ВКАС]. Сделан вывод о том, что модель (Р.оО не адекватно описывает распределение ошибок в каналах свяги исследуемого класса. В качестве решения предлагается для дальнейших расчетов использовать статистику ошибок реальных каналов связи или модель непрерывнэго канала и ее дисщ)ет-ное отображение.

В работе исследовалась аз^ективность симплексной систалы с кодированием, систалы с управляющей обратной связью- (УОС) и ожиданием и обнарукиваицим ошибки кодом, системы с ГО С и памятью с вынесенная решения по ошибочныл блокал после машритарной схачы, систалы с УОС и исправление« ошибок на основе многократного повторения сообщений и мажоритарного приема, ckctoj с УОС и издали и композициями кодов, исправляющих ошибки.

Предлагается методика вьбора способа зашиты от ошибок в симплексной систале и в систале с обратной связью, обнаружением ошибок и исправлением ошибок на основе мажоритарного накопления. Приведены расчетные соотношения для выбора парзлетров кода, обеспечивающего 6

допустимую вероятность ошибки.

В двусторонних систсмах, работающих по канал ам "хорошего" ка~ ïeCTBa, в соответствии с рекомендациями МККТТ используются код;;, эбнаружнваицие ошибки и управляю'лая обратная связь, гагда блок с эбнаруженнши ошибка® автоматически переспрашивается. Расчет характеристик систол такого типа, если поток ошибок на блоковом уровне является потоком с независимши ошибками, известен и производится на осюве представления ее алгоритмов в виде марковской цепи, определения производят« йунишй вероятностей перехода за произвольное число шагов. Средняя селективная скорость передачи системы с ТОО и ожиданием рассчитывается по сГормуле :

R . -*--1 (1)

n+Eta^./to'] см где t0- длительность Елементарного сшюла, ton = 2 tp + toc + tûK. + toc

tp - время распространения сигнала по каналу связи, . toc - длительность сигналов обратной связи, taK - вря/я анализа годовой комбинации, tac - время анализа сигнала обратной связи, <J.( - среднее число передач, приходялихся на один выданный получатели блок.

При использовании ьтой Атзрмулы для расчета ^ систалы с протоколом ARQ с остановкой и ожидали ал и юдированкал возникают трудности. Механизм ARQ с остановкой и ожиданием нескольго иной, чем тот, для которого известна формула, приведенная выше. Он использует таилирование, номер очередного запрашиваемого блока вкл|!>-чается в поток блоиэв обратного канала. Следовательно, враля "¿ож оказывается олучайюй величиной и формулы для оценки характеристик необходимо выводить вновь. Кроме етого, известные (Тормулы для расчета вероятностей перехода сигнала подтверждения в сигнал запроса получены для случая канала с независимы® ошибками. В работе предлагается получать характеристики системы (среднюю элективную скорость, распределение ьрзлени доставки; моделирование работы систол с ис-пользованиэл записей потоков ошибок реальных каналов связи.

Основные положения, используемые при моделировании, следукщие, С целью ограничеш:я множества вариантов моделируемых систоч целесообразно исследовать характеристики блоговкх потоюв ошибок реальных каналов связи с целью выявления закономерностей в распределении ошибок на блоковом уровне.

?

Поскольку наибольший интерес представляет предельная достижимая скорость в ремках того или иного алгоритма, систему с ожиданием можно рассматривать как систему с временными подканалам, что позволяет полагать 10ж равным нуга.

]!ля алгоритма передачи с УОС и о жид аш ем и переспросом блоков с обнаруженной ошибюй имитационным моделированием получены зависимости средней зО^ективной скорости передачи и распределения времени доставки от длины информационной части сообщения, ¡-'сследовэлись по-

_ з

токи ошибок реальных каналов связи с Рвш в диапазоне е-10 + 0,328. На примере зависимости показателя группирования от длины блока показано, что использование модели (Р,Ы) для расчета характеристик системы нецелесообразно. '3 каналах исследуемого диапазона рош оптимальные длины информационной части сообщения, при которых дости гается максимум скорости, изменяется от 400 символов при Рош =0.0088 до 320 символов при Рош =0.328, средняя скорость изменяется соответственно от 0,5 до 0.1^5.

Моделированиал на сНМ исследована объективность систалы с УОС и ожиданием и памятью с вынесением решения по ошибочным блокам после мажоритарной схелы и систалы с исправлением ошибок на основа многократного повторения сообщений и мажоритарного приема, 3 системе первого типа оптимальные длины инйорманионной части изменяется от 500 символов при РВШ=Л.0088 до 200 символов при Рош =0.128, скорость в системе изменяется соответственно от О.Р до 0.23.

Б систале второго типа оптимальные длины изменяйся от 400 символов ( Р0ш=0.00Р8,(?тах=0.2Р) до 240 символов ( Роа1=0 .^28,

Первыл вариантом кодоюй юнструкции, объективность которой в системе с АИй и ожиданием исследована, является композиция юдов короткого блокового БЧХ на внутреннем уровне, исправлылдего независимые ошибки невысоких кратностей, и сверточного кода типа Ивада-ри, исправляыиего однократные пакеты ошибок. Декодеры бтих годов-полные, стирание на допускается. ;Пля исследования В1браны блоковые коды БЧХ длины 35 и 31, удовлетвэряю;!ие условию о-ормирования само-синхронизируюцего гада - к ^ п, / 2.

Исследованы следуидие композиции юдов : С35,5) БЧУ,- (5,4) -Ивадари, С35,7)-(7,Р) , С23 ,33)-(31,30) , (33 ,35)-<15.34) .

Если предположить, что обратный канал - идеальный, то а Формуле (3) о1, = 3 / Рп и средняя биективная скорость передачи :

n

О _ _ . U

П + Lt0«/t0J П При расчете вероятности Рп того, что на блоке длины П не будет ошибок, можно сделать три предположения : относительно закона распределения ошибок на битовом уровне, закона распределения ошибок на блоковом уровне и относительно исправляющей способности кода за границей половины кодового расстояния. Если предположить, что на битовом и на блоковом уровне распределение ошибок южно описать моделью' (P,oU , и код исправляет все ошейки кратности до ~Ь включительно , то среднюю элективную скорость " оредачи можно рассчитать следующим образом : / Рп (N) -Рош («-)■ N1"^ где Р0Ш(А.) - вероятность того, что блок длины п декодирован ложно, N ~ длина блока композиции кодов, J! ~ показатель группирования на блоковом уровне. Па примере зависимости показателя группирования d.' от длины блока, полученной моделированием на показано, что зависимость ошибок на блоковом уровне не может быть описана моделью tP,^) вследсть.:э большого диапазона изменения dL7 с удлиненна.! блока.

При получении статистическим моделирований,! характеристик системы использованы следующие приемы ускорения моделирования. Блоки кода БЧХ с числом ошибок t^(d-l) /2 считать декодированными верно и отказаться от обрацения к процедуре декодирования. Блоки кода Ивадари считать ошибочными, и полагать, что в последующие П-д блоков вносятся дополнительные ошибки, если расстояние между ошибочными блоками меньше величины защитного интервата ПА кода Ивадари. Моделированием оценен выигрыш по средней скорости за счет исправления ошибок за половиной кодового расстояния БЧХ годов. Коли длина информационной части невелика Сне более 120 символов), то в системе с годом БЧХ и в каналах о Рош>0.05 выигрыш составит Р-8 %, при длинах информационной части порядка 350-400 символов выигрыш составит 20 %. Если использовать композицию годов БЧХ-Ива-дари, то при больших длинах сообщений выигрыш составит не менее •■ F0 % средней скорости передачи.

¿ля того, чтобы оценить погрешность, вносимую предположением относительно размножения ошибок кодом Ивадари, моделирований!

были получены значения скорости передачи при сделанном предположении (ошибки размножаются; и при предположении, что ошибки не исправляется и никакого размножения нет. Изменение скорости не превы-.

шает 5 % от сюрости в зависимости от качества канала.

Результатом исследования характеристик систем с УОС и ожиданием и композициями юдов являются зависимости средней скорости передачи, распределения вралени доставки от качества канала связи Рош , длины инфорланионной части сообщения и параметров гадов п., к.-Ь, П,* . Оптимальные длины инфэрмиционной части сообщения для года (31,15) , лучшего в смысле средней аффективной сюрости передачи, изменяются от 240 символов (Ятад^О^З, 1^399= 13, Ррш=О.ООРР; до 60 символов Лцвм = 15. Р0ш =0.128) . Оптимальная длина информационной части сообщения уменьшается с ухудшешшл качества канала связи. Близкие к оптимальнш в смысле средней сюрости передача характеристики дает нзд (15,7), снижение по сюрости 5-10 причал при тех же длинах Кинф залетно уменьшается квантиль вралени д ос таска. с№ект от применения вншшего кода юявляется при длинах, большгх 400-500 символов,то есть, если заданные в систте длины ижГорлаизокгой части значительно превшают указанные выше оптимальные, предпочтительнее по скорости всегда будут комбинации кодов БЧХ-Ивадари.

Значительное место среди результатов исследования занимает анализ характеристик блоювых потоков ошибок на выходе декодеров БЧХ и декодеров композиций кодов.

В работе анализируетоя еекгективнооть с йот ялы о УОС и окиданиал и исправлением ошибок каскаднда годом БЧХ-Рида-Соломона. Коследовь-лиоь кодовые'юнструкции с БЧХ юдаш (15,5) и (15,7) на внутреннем уровне и коды РС над Б-Р (25) и &Р (2*} на внешнш. В зависимости от длины сообщение может состоять из одного или нескольких слов,закодированных указанной комбинацией. Каокадный код го лет быть уюрочен на число символов, кратное основанию алфавита внешнего кода.

Предметом исследования является вояроо о распределении избыточности каскадного кода мевду внутренним и внешним кодами. Предлагается способ оценки на качественном уровне по средним времена.» нахождения канала в "хороша/!" состоянии, а точнее по квантилям распределения втих врален, выигрыиа (потерь) средней скорости за счет избыточности и переспросов с целью определения,насколько удачна та или иная комбинация кодов. Способ проиллюстрирован на примерах, снабжен статистическим материалом о характеристиках блоковых потоков на выходе декодеров в зависимости от качества канала, длин сообщений и параметров

а

кодов. Исследования показали, что для запиты всегда необходимы композиции кодов БЧХ и РС, выигрыш от внешнего года РС значительный. Приведены таблицы и графики зависимости характеристик систем (средне!

скорости передачи, распределения времени доставки) от качества канала овязи, длины информационной части сообщения, параметров кодов, полученные имитационным моделированием. В каналах исследуемого диапазона P0Ui наилучший результат по скорости дают композиции годов с большим основанием алфавита внешнего кода PC (в=27Л Оптимальные длины изменяются от 4Ю символов (Р^.ООеР, Rmax = 0.42, Ъ) до 130 сим- • волэв (PjurO.^S.RmujfO.l?, H5i999= 20) . В втом диапазоне длин MUH(j,b каналах с Рру^о.05 лучшими оказались коды с внешними годами PC, исправ-ляюцими трехкратные пакеты, в каналах, где ^>0.05 - однократные пакеты. Независимо от качества канала и длины N^ невыгодно увеличивать кратность ошибки, исправляемой кодом PC, больше трех. При длинах Мцщр, находяпихся в диапазоне 250-550 в зависимости от ?ош, перераспределяются комбинации кодов. Наилучшим внешним годом становится код PC, исправляющий ошибки более высоких кратностей. Чал хуже качество канала, тем раньше проявится исправляющая способность внешнего кода.

Системы с УОС и ожиданиал и исправлениэл ошибок годали для сообщений, состоящих из нескольких слов, например, кода PC, неэффективны по сгорости, поскольку из-за ошибок в одном слове переспрашивается вое сообщение. Система с УОС и выборочным повтором может увеличить элективную скорость. работе приведены результаты моделирования системы с выборчнш повтором CHI) и каскадными юдши, исследованными ранее (БЧХ-РС'. (^=25и Главный вопрос, решаашй при моделировании- вцработка допуиений, которые позволили бы иметь быстроработающую имитационную модель системы с HI. С этих позиций разработана модель системы, как дуплексной, позволяющей учесть влияние на характеристики системы величины окна, способа использования обратного канала, в том числе длину пакетов в обратном канале, начиная с идеального,или такого же качества, как и прямой, так и другого качества и с другой, длиной пакета в нем. Моделирование систаш, как дуплексной, дает возможность оценить погрешность параметров снсталы с yoo-ок дуплексной.

Исследованы зависимости стрости и врааени передачи сообщения от длины инЛэрлационной части, качества канала, характеристик обратного кааала и величины окна. Наедена величина окна (число шагов назад, указывающее, как далеко передастий-узел монет уйти вперед относительно наименьшего номера пакета, который еще не принят), обеспечиаашцая максимум сгорости и минимальную задержку. Также, как и в система пре-двдущего типа, наилучшей в смысле скорости будет комбинация кодов БЧХ-РС (о = г';. Оптимальные длины Nu изменяются от 400 бит (Р^.0088, ^=0,42,^=5) до 120 бит С• 12Р,=0.37,^,„==16) . 'ста. длины

соответствуют однопакетнш сообщениям в системе с ГОС-Ш. Выигрыш по скорости по сравнению с систелой УОС-ок заметен уже при трехпакетных сообщениях. С увеличением длины сообщешш виигрыш увеличивается, увеличивается он и с ухудшением качества канала.

Исследована элективноетъ систетн передачи данных с иоправляющш ошибки сверточныл (Р,3) кодом г. УОС и очиздангш. Предлагаемая программная модель, реализующая алгоритм декодирования Витерби, является ускоренной. Обращение к процедуре декодирования по решетке происходит только в те промажутки времени, когда число ошибок превышает корректирует;® способность года. Оптимальные длины Г/икф практически совпадайте длинами в систоле с комбинациями годов БЧл-ПвЕдари (15,7)-С7.6). По средней эффективной скорости сиоталу с УОС и сверточным гадом южно рас сматривать, как одну из наилучших.

Предлагается методика проектирования способов зачиты от ошибок. Отличигелькили особенностями методика! является сошестноо решение задач защиты от ошибок и цикловой синхронизация, учет рекомендаций МККГТ, расчет итоговых характеристик систал кмитацлоннш моделированием с использованию! записей потоков ошибок реальных каналов связи.

Третья глава содержит методики расчета характеристик иг.кловых синхронизаторов и выбора их параметров.

При обсуждении задач циклоюй сякхрониьащш показано, что на выбор способа цикловой синхронизации влияет алгоритм йункционировачия системы передачи данных, характер ошибок в канале и его качество,объа передаваолой информации и др. Определены требования к систше щклово синхронизации. В работе предлагается безмаркерный способ синхронизаци. истользуюлий синхронизирующие свойства смекно-групповых кодов, постро енных на основе циклических. Исследованы восстачавливаицие сикхронизи рувдие способности смежных классов блоковых кодов (15,5) и (35,7) , найден смежный класс,-обладающий наибольшей восстанавливающей способностью, Предложен алгоритм восстановления синхронизации для года (15, по матрице соответствия величины синхронизационного сдвига значению синдрома.

Предложены алгоритмы работы цикловых синхронизаторов трех типов. Синхронизатор первого типа, работающий по правилу "соревнующихся

счетчиков", имеет п параллельных реверсивных счетчиков (гь-длина кох Сигнал ошибки с выхода декодера (ненулеюй синдром) углекьшает знач< ние соответствую«его счетчика на "а" единиц, положительное решеняе-уввличивает на "а". При достижении одним из счетчиков порога М 12

выносится решение о достижении синхронизма, при достижении порога (- М) - о потере синхронизма и переходе к поиску синхронизма. Счетчики при ьтом обнуляются.

Синхронизатор второго типа Фиксирует состояние синхронизма при наличии М подряд положительных решений декодера, и потерю синхронизма при серии М отрицательных решений декодера Справило серий.) .

Синхронизатор третьего типа Фиксирует состояние синхронизма при наличии М положительных решений декодера при N последовательны)-; попытках деления и фиксирует потерю синхронизма при серии L отрицательных решений "декодера (правило "m/n -ь") .

Использование имитационного моделирования i. анализ функций распределения времени поиска синхронизма позюлили определить наилучший критерии вынесения решения цикловш синхронизатором - "1,1/N - L". Г.ля синхронизаторов с решающим правилом "W/N - L" и частного случая M=N (правило серий) разработана методика расчета характеристик : законов распределения времен поиска и удержания синхронизма, их числовых характеристик : средних времен, среднего числа потерь с кн:-. монизма. Шдели построены с использованием аппарата марковских цепей и теории градов. ;.ля синхронизатора, работающего по правилу "l'/N ", для произвольных значений M,N , L, . не удается построить вероятностный rpai и получить компактные <Тормулы, пригодные для практических расчетов. В работе предлагается получать интересующие характеристики с помощью имитационных моделей синхронизаторов с использованы ал записей потоков ошибок реальных каналов связи, с тот тодход те? более удачен, что позволяет учесть йакт пакетирования ошибок в реальных каналах. Сравнение зависимостей среднего времени поис.ка синхронизма от Рош в канале, рассчитанного по методике и го лученного моделированием, показало, что при значениях М>5, N>10 Маркове гае цепи неадекватно описывают процесс смены состояний синхронизатора. Среднее время достижения синхронизма увеличивается с ухудшением качества канала быстрее в канале с независимыми ошибками, причал в таком канале среднее время достижения синхронизма более чувствительно к увеличению параметров М и N .

Исследованы зависимости еррднего времени поиска синхронизма по правилу серий и 'V/N -L", полученные экспериментально, от качества канала ?ош, степени группирования ошибок. Влияние степени группирования начинает ощущаться при значениях М>5, с увеличением степени группирования среднее время поиска уменьшается (при Р0Ц1 ^consi) . Зависимость среднего времени поиска синхронизма от Рош начинает

ощупаться при Р> 0.03, югда среднее время увеличивается овстро. Приведены зависимости среднего времени удержания синхронизма и среднего числа потерь синхронизма от качества канала связи.

Разработана методика расчета вероятности ложного синхронизма, используюцая распределение ошибок на блоке и спектр кода, рассмотренная на примере передачи нулевой информации смежным классом {i}, кода (15,5). Разработаны математические модели, исшльзушш? аппарат марковских цепей и теорию градов, для синхронизаторов, вынос яцих решение шсле анализа одной комбинации, серии М комбинаций, на основании которых получены расчетные йорлулы для вероятности ложного синхронизма.

Предложена методика выбора параметров циклового синхронизатора, работающего по правилу "M/N -1» ". Ьаданннли являются допустимая веро ятность ложного синхронизма, допустимое число потерь синхронизма в единицу времени, квантиль времени вховдения в синхронизм. Требуемая вероятность ложного синхронизма обеопечивается за счет соответствуи>-щего ваЗора параметров М и L.. За счет выбора величины N минимизируется время вховдения в синхронизм. Уточнение.! параметра L обеспечивается долустигое число -потерь синхронизма в единицу времени. Процедура выбора параметров - итерационная и рассмотрена на примере.

Четвертая глава содеркит описание имитационной модели процессо [вредачи данных. Определены требования к имитационной модели, описа-(н неготорые особенности технологии моделирования, учет которых ш-шоляет учесть требования к-имитационной модели.

Имитационная модель разделена иерархически на рад уровней, допу чаюцих независилые решения. К ним относятся следующие : исследование (арактериотик каналов связи и битовых потоков ошибок; исследование характеристик блоковых потоков ошибок; исследование ьфЗекта перемещения; исследование характеристик цикловых синхронизаторов; иссле довачие характеристик потоков ошибок, преобразованных класс ал® декодеров; исследование характеристик систем передачи данных с кодиров; нкем, без обратной связи и с обратной связью. Описаны f-ункции прогрг иных модулей каждого из уровней имитационной.модели, и характеристик получаэлые на каждом уровне, а такие йориа представления входных и

выходных потоков ошибок.

В пятой главе описан кргмор технической реализации кодека комбинаций кодов Г-ЧХ-Нвадари, как наиболее просто технически реализуете в смысле кодов.

Методика проектирования устройства защиты от ошибок, изложенная во второй главе, рассматривается на примере указанной нэмбинации йодов. Рассмотрен вопрос выбора микропроцессорюго комплекта. Обсуждаются эсновнне особенности реализации кодера, декодера! синхронизатора, программной реализации процедур кодирования, декодирования, синхронизации.

ОСНОШЫЕ ВЫВОДЫ ПО РДБОТЕ. Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

3. В силу большого разнообразия каналов связи 'по скорости, качеству.) . противоречивых требований к качеству передачи, ию го о б разня объемов данных, изменчивости во времени распределения ошибок в каналах, делается вывод о том, что универсального метода повышения верности не существует.

2. Исследование битовых потоков ошибок радиоканалов декалетрового диапазона показало, что ошибки пакетируются, но-математическую модель, адекватно описывающую &ти потоки, и пригодную для практических расчетов найти не удалось.

3. В каналах связи плохого качества протоколы повторной передачи неьфйективны, и требуется предусматривать исправление ошибок избыточная кодом. В перспективных системах, где необходимо выполнение требований эталонной модели взаимодействия открытых систем, исправление должно производиться путем разбиения канального уровня на два подуровня : а) исправление ошибок, б) собственно передача на основе механизма обратной связи канального уровня.

А. С учетом жестгого ограничения сложности технической реализации и комплексного использования избыточного вода как для исправления ошибок, так и для задач синхронизации, исследовани три класса кодов и комбинаций кодов : БЧХ-сверточнчи типа Явадари, ЕЧХ-Рида-Солошна сверточннй код, декодируемый по алгоритму Зитерби.

Í5. Поскольку декодирование невозможно без решения задачи даклопой синхронизации, произведен анализ методов синхронизации в классе самосинхроназирушихся кодов. ,"ля года (15,5) найден смежный класс, обладании ¡i максимальной синхронпзируздей способностью. Предложен оригинальный го применит способ никло во к синхронизации "?'/N -L ". ?азр;1ботан способ расчета параметров синхронизатора, который заключается п следуягш: вначале используется приближенная модель в виде

марко оскоР цепи (при :,том не учитывается пакетирэз?нич ошибок), да-

15

лее подученные значения характеристик и параметров синхронизатора уточняются по результатам моделирования,

Конопннми результата-,и исследования являются : методика проектирования способов зациты от ошибок при передаче по каналам "плохого" качества, отличительными особенностями которой является совместное решение задачи выбора кода и цикловой синхронизации, учет рекомендаций протоколов работы в сети, использование статистики ошибок реальных каналов связи,

формализованные модели для расчета характеристик систем передачи денных с управляю«ей обратной связью к алгоритмом санкционирования с ожидашем, выборочным повтором, учнтыэатиа реальную статистику ошибок,

способ восстановления цикловой синхронизации 'T1/N-L". методика расчета характеристик систем цикловой синхронизации,

на основе которой проектируются подобные системы.

По тема диссертации опубликованы следукцпе работы : 3.Вернигора И.З., Хромов В. В. "икловое Фазирование в каналах плохог качества. Деп. в ЩШ "ИнЯормприбор", 14.32,92, Г 50В9-ПР92. З.'Цернигора И.В. Моделирование юсстеновления цикловой оинхронизаци с использованная статистики-ошибок реальных каналов связи.-- Алг. ГФАП, per. Я 50920000084, 33.05.92.

3.- Аксенов Б'.Е., };ромов В.В. , Вернигора И .В. Исследование з^Тектив нооти СПД с каскадным иодированием.-Л.: ЛПИ. Труды ЛГТУ» 3 992.

4. Аксенов Б.К., Хромов В. 3. , Вернигора И.!?. Разработка программных и аппаратных средств для исследования каналов передачи и проектирования устройств обмена данными в сетях ЕШ. Отчет по ТИР jf Р048ЭЗ, ЛПИ, 1991.

Подписано в печать ¿0.04■ У * . Тира-к 300 экз.

I аказ И fob- ' Тг есплатно

Отпечатано на ротчнршпе СПсНУ

195?5!, Саакт-Нетегбугт, Полстотгсчегкяк, 29;