автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Совместная оптимизация модема и процедур защиты от ошибок в системе передачи данных

ВВЕДЕНИЕ

Г Л А В А I. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ С1Щ.

1.1. Обзор работ по оптимизации СЦЦ.

1.2. Проблема совместной оптимизации модема и процедур защиты от ошибок в СЦЦ

1.3. Выбор критерия оценки эффективности СЦЦ.

1.4. Использование статистического моделирования на

ЭВМ для решения задачи оптимизации СЦЦ.

Г Л А В А П. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕДУР ФОРМИРОВАНИЯ, ПЕРЕДАЧИ, ИСКАЖЕНИЙ И ПРИЕМА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СИГНАЛОВ

2.1. Методика моделирования приема сигналов на ЭВМ

2.2. Моделирование помехи.

2.3. Моделирование процесса взаимодействия сигнала и помехи и получение компрессированной записи потока ошибок.

2.4. Использование записи реальных помех при оптимизации "сигнал-кода" методом моделирования на ЭВМ . £

Г Л А В А Ш. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА СООБЩЕНИЙ И СОВМЕСТНАЯ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СЦЦ.

3.1. Алгоритмы и модели кодовых и процедурных методов повышения помехоустойчивости СЦЦ

3.2. Пути сжатия времени поиска оптимальных параметров элементарного сигнала и кодовых комбинаций . . . £

3.3. Алгоритм совместной оптимизации параметров сигнала и кодовых методов защиты от ошибок . %

Г Л А ВА 1У. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕМА И

ПРОЦЕДУР ЗАЩИТЫ ОТ ОШИБОК ДЛЯ НЕКОТОРЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ СЦЦ.

4.1. Оценка влияния помех непрерывного канала на оптимальные характеристики СПД.

4.2. Оптимальные характеристики модуляции и кодирования в условиях реального канала передачи данных.III

4.3. Определение объема выборки при экспериментальных измерениях помех

ЗАКЛШЕНИЕ.

Интенсивное развитие информационно-вычислительных сетей, без использования которых на современном этапе немыслимо эффективное функционирование народного хозяйства страны, вызывает необходимость поиска наиболее экономных методов и средств передачи данных. Существующие подходы к проблеме оптимизации систем передачи данных (СЦЦ) основываются, как правило, на раздельной оптимизации модема и кодека, что не позволяет правильно сочетать их параметры и добиваться, при заданных ограничениях, наибольшей пропускной способности канала передачи данных. Здесь особо следует отметить, что при таком методе решения задачи оптимизации почти всегда из поля зрения выпадал факт объективной взаимосвязи непрерывного и дискретного канала.Общеизвестно, что при реализации СПД дискретные сигналы в процессе передачи преобразуются в аналоговую форму и проходят через реальные непрерывные каналы, а затем принятые аналоговые сигналы вновь преобразуются в дискретную форму. На рис.1.1. показана общепринятая модель СПД. Дискретный канал включает в себя непрерывный канал свойства которого, естественно, существенно влияют на функционирование дискретного канаяа. В / 24 /, с целью подчеркнуть связь непрерывного канала с дискретным, последний называют дискретным отображением непрерывного, уточняя при этом, что его характеристики определяются не только самим непрерывным каналом, но и используемым модемом. В принципе, модель дискретного канала может быть определена по заданной модели непрерывного канала и модему, причем зачастую простой модели непрерывного канала будет соответствовать довольно сложная модель дискретного.Недостаточный учет характера между дискретным и непрерывным каналами отрицательно сказывается при разработке модемов и кодеков. Игнорирование роли модема в формировании дискретного отобра- 5 •) жения непрерывного канала приводит к тому, что становится совершенно неясно, как изменяются результаты при замене модемов. С другой стороны, среди разработчиков СЦЦ широко распространена практика такого подхода, когда характеристики потока ошибок(средняя частость, степень группирования и т.п.) находятся под влиянием только скорости передачи энергии сигнала и не учитывается их зависимость от типа используемого модема. Все это приводит к разработке модемов и кодеков без учета их взаимосвязи и, следовательно, упускаются возможности повышения эффективности СПД. Очевидно, что при проектировании СПД наиболее правильная методика должна предусматривать совместный выбор модема и кодека,рассматривая их построения как единую оптимизационную задачу.Естестг - 1 I I Источник сообщения Получатель сообщения Рис. I.I. венно, перед исследователями, занимающимися проблемой оптимизации СЦЦ, стоит также задача учета взаимосвязи дискретного и непрерывного каналов. Постановку задачи оптимизации в традиционной форме (отдельно для непрерывного сигнала и дискретного сообщения - кодовой комбинации) следует считать, нецелесообразной. Действительно, при разработке оптимальных методов приема сигнала чаще всего необходимо минимизировать вероятность ошибочного приема символа, - 6 При оптимизации методов защиты информации от ошибок требуется максимизация информационной скорости передачи при обеспечении заданной достоверности, причем предполагается неизменность характеристик потока ошибок в дискретном канале. Бесспорно, значительно лучшие результаты достигаются при таком выборе параметров непрерывного сигнала (при заданном методе модуляции), чтобы дискретное отображение непрерывного канала (т.е. дискретный поток ошибок) позволило определить параметры метода повышения достоверности, максимизирующие эффективность СПД по некоторому объективному критерию.Таким образом, постановка задачи определения оптимальных параметров СЦЦ, на современном этапе должна осуществляться с более общих системных позиций, а именно, выбор оптимальных параметров сигнала следует комлановать с выбором оптимальных параметров дискретных сообщений (кодовых комбинаций), Попытки добиться аналитическим путем реализации системного подхода с комплексной оптимизацией параметров модема и кодека при сложной статистической структуре потока ошибок в канале наталкиваются на почти непреодолимые трудности и пока к успеху не привели. Поэтому разработка эффективного методологического и алгоритмического аппарата, позволяющего решить задачу совместной оптимизации модема и кодовых методов защиты от ошибок, является актуальной.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,заключения, списка использованной литературы и приложения.В первой главе проведен анализ принципов и методов оптимизации сигналов и сообщений.Обоснована необходимость совместной оптимизации параметров СЦЦ с единых позиций с учетом взаимосвязи непрерывного и дискретного каналов. Далее был рассмотрен вопрос о выборе критерия оценки эфактивности ОВД при совместной оптимизации модема и кодека. Глава 1авершавтоя разработкой общей модели поиска оптимальных параметров Щ на ЭВМ. Во второй главе разработаны группы моделей, реализующих имита[ию процесса приема элементарных сигналов в непрерывном канале при юздейотвии на них сложной помехи. Сложную помеху предложено фор[ировать, Кйк оумму помех трех типов (флуктуационная, импульсная I прерывания). Разработана методика измерения помех трех типов с [епооредотвенным вводом в ЭВМ результатов измерений в дискретной юрме.В третьей главе рассмотрены особенности моделирования различ1ЫХ процедурных методов помехоустойчивости СПД. Для гаусоовоких каналов разработан аналитический метод поиска штимальной длительности элементарного сигнала ( Т ) и оптималь[ого ( / 1 , ^ )-кода при неизменных средних значениях излучающей ющности передатчика и мощности шума. Для каналов со сложной от)уктурой алгоритм машинного поиска реализован в двух вариантах: 1) на базе методов случайного шагового поиска; 2) на базе деления отрезка методом чисел Фибоначчи. )птимизационная модель СПД основана на комплексировании моделей [роцесса формирования и приема сигналов и процессов приема кодо}ых комбинаций в дискретном канале.Четвертая глава посвящена апробации разработанных алгоритмов I программ применительно к системам с ОФМ о корреляционным, авто:орреляционным и когерентным методами приема при имитации компози[ии помех с различными статистическими параметрами. Методика апробирована для различных методов защиты от ошибок.Проведена оценка влияния помех непрерывного канала на оптимальше характеристики СПД. - 8

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Раджабов С.С. Методика оптимизации параметров сигнала и сообщений СПД на ЭВМ. - В сб.: Республиканская научно-техническая конференция. Проблемы и состояние внедрения ОАСУ - связь и организация сетей передачи данных для внедрения ОАСУ. Ташкент, 1978, с.100-101.

2. Валиев Т.А., Нишанбаев Т.Н., Раджабов С.С. Моделирование помех для оптимизации параметров сигнала и сообщений. - В сб.: Вопросы кибернетики, РИСО АН УзССР, Ташкент, 1979, вып.104, с.98-101.

3. Валиев Т.А., Нишанбаев Т.Н., Раджабов С.С. Определение оптимальных параметров решающих устройств в СПД. - Материалы 1У Всег зоюзная школа-семинар по вычислительным сетям. Москва-Ташкент, [979, о.15-17.

4. Раджабов С.С. Оценка эффективности СПД при совместной опти-шзации параметров сигнала и сообщений. - Материалы X конференции юлодых ученых НПО "Кибернетика" АН УзССР, Ташкент, 1982, с.76-79.

5. Валиев Т.А., Нишанбаев Т.Н., Раджабов С.С. К проблеме ксш-[лексной оптимизации параметров сигнала и сообщений в СПД. - Изв. 1Н УзССР, серия техн.наук, 1982, № 5, с.5-8.

6. Валиев Т.А., Раджабов С.С. Определение оптимальных парамет->ов сигнала и кода в системах передачи данных. - Материалы У1-меж-(ународного симпозиума по теории информации. Ташкент, 1984.

- 128 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научная задача комплексной оптимизации параметров СПД для каналов со сложной композиционной картиной помех на базе статистического моделирования на ЭВМ.

1. Андронов Н.С., Финк Л.М. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. - М.: Сов.радио, 1971, 408 с.

2. Берлекэмп Э. Алгебраическая теория кодирования. М.: Мир, 1971, 577 с.

3. Блох Э.Л., Зяблов В.В. Обобщенные каскадные коды. М.: Связь, 1976, с.240.

4. Блох Э.Л. и др. Модели источника ошибок в каналах передачи цифровой информации.-М.: Связь, с.312.

5. Бомштейн Б.Д., Киселев Л.К., Моргачев К.Т. Методы борьбы с помехами в каналах проводной связи. М.: Связь, 1975, с.239.

6. Бородин Л.Ф. Введение в теорию помехоустойчивого кодирования. М.: Сов.радио, 1968, с.408.

7. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Сов.радио, 1971, с.325.

8. Валиев Т.А. Помехоустойчивость систем передачи данных с дискретным накоплением. Ташкент: "Фан" 1969, с.III.

9. Ван Трис Г.Л. Теория обнаружения, оценок и модуляции. T.I, М.: Сов.радио, 1972, 744 с.

10. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. М.: Сов.радио,1978, с.303.

11. Возенкрафт Дж., Джекобе Н. Теоретические основы техники связи. М.: Мир, 1969, с.640.

12. Галлагер Дж. Теория информации и надежная связь. М.: Сов.радио, 1974, с.720.

13. Гинзбург В.В., Гиршов B.C., Кустов О.В. Аппаратура передачи дискретной информации. "МС-5". М.: Связь, 1970, 152 с.

14. Гренандер У. Случайные процессы и статистические выводы. М.: ИИЛ, 1961, с.168.

15. Гуров B.C., Емельянов Г.А., Етрухин Н.К., Осипов В.Г. Передачи дискретной информации и телеграфия. М.: Связь, 1969, с. 527.

16. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации. М.: Сов.радио,1980. с.264.

17. Емельянов Г,А., Шварпман В.О. Передача дискретной информации. М.: Тадио и связь, 1981. - 240 с.

18. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. М.: Связь, с.359.

19. Каневский З.М. Передача сообщений с информационной обратной связью.-М.: Связь, 1969, с.263.

20. Касами Т., Токура Н. и др. Теория кодирования. М.: Связь, 1978, с.576.

21. Кловский Д.Д. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1973, с.376.

22. Котов П. А. Повышение достоверности передачи цифровой информации. М.: Связь, 196б,с.184.

23. Коржик В.И. Взаимосвязь и тенденции практического использования теории кодирования и теории потенциальной помехоустойчивости дискретных сообщений. Киев: Знание, 1981, с.36.

24. Коржик В.И., Финк Л.М. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой. М.: Связь, 1975, с.272.

25. Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов К.И. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений. М.: Радио и связь, 1981, с.231.

26. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М.: Госэнергоиздат, 1956, с.III.

27. Колесник В.Д., Мирончиков Е.Т. Декодирование циклических кодов. -М.: Связь: 1968, с.251.

28. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехi j ники. Книга третья. М.: Сов.радио, 1976, с.288.- 133

29. Лвман Е. Проверка статистических гипотез. М.: Наука,I960, 3.415.

30. Мартынов Ю.М. Обработка информации в системах передачи данных.-М. : Связь, 1969, с.200.

31. Миддлтон Д. Введение в статистическую теорию связи. Т.П.-L: Сов.радио, 1963, с.831.

32. Макс-Вильямс Ф., Дя., Слоэн Дж.А. Теория кодов, исправляющих шибки. М.: Связь, 1979, с.744.

33. Мешковский К.А., Кириллов Н.Б. Кодирование в технике связи. ■ М.: Связь, 1966. 424 с.

34. Пашкеев С.Д., Менязов Р.Н., Могилевский В.Д. Машинные метода оптимизации в технике связи. М.: Связь, 1976. с.272.

35. Питерсон У. и др. Коды, исправляющие ошибки.-М.: Мир, 1976. >94 с.

36. Пуртов Г.П. и др. Элементы теории передачи дискретной инфор-!ации. М.: Связь, 1972. 232 с.

37. Пуртов Л.П., Замрий А.С., Захаров А.й. Основные закономернос-и распределения ошибок в дискретных каналах связи. Электросвязь, 967, Ш 2, с.1-8.

38. Пышкин Й.М. Эффективность асинхронных адресных систем связи кодовым разделением при передаче дискретной информации. Электровязь, 1973, т.25, № 4, с.28-30.

39. Раскин.: Л.Г. Анализ сложных систем. М.: Сов. радио, 1976. 44 с.

40. Статистика ошибок при передаче цифровой информации. Под ред. амойленко С.Н., М., Мир, 1966, с.302.

41. Стратонович Р.Л. Принципы адаптивного приема. М.: Связь, 973, с.144.

42. Сикарев А.А., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных со-бщений. М.: Связь, 1978, с.328. j- 134

43. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. М.: Мое.радио, 1978, с.320.

44. Советов Б.Я. Эффективность введения избыточности в системе зередачи телемеханической информации. Ленинград, 1972, с.131.

45. Теплов Н.Л. Помехоустойчивость систем передачи дискретной информации. М.: Связь, 1964, с.359.

46. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов.радио, 1975, с.704.

47. Удалов А.П., Суприн Б.А. Избыточное кодирование при передаче информации двоичными кодами. М.: Связь, 1964, с.270.

48. Фано Р. Передачи информации. Статистическая теория связи. -й.: Мир, 1965, с.438.

49. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов,., радио, 1970, 0.728.

50. Форни Д. Каскадные коды. М.: Мир, 1970, с.270.

51. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Физматгиз, 1964, 275 с.

52. Хворостенко Н.П. Статистическая теория демодуляции дискретных сигналов. М.: Связь, 1968, 335 с.

53. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения оигналов. -YL: НИИ, 1963, 0.432.

54. Чабдаров Ш.М., Трофимов А.Г. Полигауссовы представления произвольных помех и прием дискретных сигналов. Радиотехника и электроника, 1975, № 4, с.734-745.

55. Чердынцев В.А. Проектирование радиотехнических систем со зложными сигналами. -Минйк, Высшая школа, 1979, с.192.

56. Шварцман В.О. и др. Каналы передачи данных. М.: Связь, Е970, с.304.

57. Шеннон К.Е. Работа по теории информации и кибернетике. М.: Е970, 6.304.- 135

58. Шувалов В.П. Коовенные методы обнаружения ошибок. М.: Связь, 1972, 0.62.

59. Шувалов В.П. Прием сигналов с оценкой их качества. М.: Связь, 1979, с.236.

60. Брауде-Золотарев Ю.М., Золотарев В.В. Пороговое декодирование в каналах с неравномерной энергетикой. УП Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. Доклады, часть П. Теория помехоустойчивого кодирования.- М.-Вильнюс, с.75-78.

61. Валиев Т.А. Опыт использования системного подхода при оптимизации СПД. М.: Вопросы кибернетики, 1970. с. 30-41.

62. Валиев Т.А. Оптимизация параметров СПД при нестационарном характере потока ошибок. Тезисы докладов межотраслевой конференции. Ташкент, 1980, Прикладные проблемы моделирования систем связи. Часть. I., с.101-106.

63. Валиев Т.А., Кадыров У.С., Атабеков P.P. Модель систем передачи данных с решающей обратной связью и частичным исправлением ошибок. Ташкент: Вопросы кибернетики, вып.103, с.141-145.

64. Валиев Т.А., Нишанбаев Т.Н., Умаров В.Х. Оценка эффективности систем передачи данных с обратной связью в дуплексном режиме на ЭВМ. УП Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. М.-Вильнюс, часть 1У, 1978,с.57-61.

65. Витерба А.Д. Принципы цифровой связи и кодирования.Пер.с англ. М.: Радио и связь, 1982, с.536.

66. Варшамов P.P. Оценка числа сигналов в кодах с коррекцией ошибок. ДАН СССР, 1957, Ш Ш 5.

67. Гоана В.Д. Новый класс линейных корректирующих кодов. -М.: Проблемы передачи информации. 1970, вып.З, с.24-30.

68. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. радио, 1973.

69. Захаров А.И., Базиленко O.K. Исследование систем передачиsyинформации о обратной связью. Мат.семинар по кибернетике, вып.5, Кишинев, 1964.

70. Зигангиров К.Ш. Алгоритм последовательного декодирования о возрастанием. В кн.: Повышение верности передачи цифровой информации по дискретным каналам. - М.: 1974, с.43-48.

71. Зигангиров К.Ш. Процедуры последовательного декодирования. М,: Связь, 1974.

72. Злотников Ю.С. Исследование характеристик системы передачи данных с переспросом по радиоканалам МПС. Вопросы радиоэлектроники.

73. Зиновьев В.А., Зяблов В.В. Исправление обобщенными каскадными кодами независимых ошибок при наличии пакетов ошибок. УП Всесоюзный симпозиум по проблеме избыточнооти в информационных системах. Тезисы докладов, ч.1, Л., Изд.ЛНАП, 1977.

74. Зяблов В.В. Задача энергетического выигрыша. УП Всесоюзная школа по теории-информации и теории кодирования, Алма-Ата,1980.

75. Каган Б.Д., Финк Д.М. К вопросу о приеме в целом для кодов, допускающих мажоритарное декодирование. Электросвязь, 1968, № 5, с.32-38.

76. Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей. Известия АН СССР, серия математическая, 1941, т.5, №5.

77. Крейн М.Г. Об основной аппроксимационной задаче теории экстраполяции и фильтрации стационарных случайных процессов. ДАН 1954, т.94, с.13-16.

78. Коржик В.Н., Биккенин P.P. Граница вероятностей ошибок в условиях произвольных помех с ограниченной максимальной энергией. ЦПНТОРЭС, им.А.С.Попова. Одесса, 1979.

79. Левинштейн В.й. О границах вероятностей необнаружения ошибки. Проблемы передачи информации, 1977, т.13, № 3, с.3-8.

80. Кульман Н.К. Оптимальный прием радиотелеграфных оигналов на фоне помех. Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. Доклады У1, Вильнюс, 1978, с.31-34.

81. Музаппаров С.В. Оптимизация технической скорости передачи информации в системах передачи данных. В сб.: Четвертая Всесоюзная школа-семинар по вычислительным сетям. М. - Ташкент, 1979, с. 1820.

82. Наткович Ю.С., Зильберштейн Н.Н. Об одной двуступенчатой процедуре обнаружения сигналов УП-Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. Доклады У1. Вильнюс, 1978.

83. Нишанбаев Т.Н. Методика определения параметров СПД с решаю-цей обратной связью путем моделирования на ЭВМ. Автореф.дисс. на зоиск.учен.степени канд.техн.наук, Ташкент, 1975, 20 с.

84. Попов О.В. Исправление группирующихся ошибок методом каскад-зой локализации. В кн.: Повышение верности передачи цифровой инфор-1ации по диокретным каналам. М.: Наука, 1974, с.177-183.

85. Сысин Т.В. Об одном адаптивном алгоритме распознавания сигна-юв на ЦВМ. Межвуз.сб.Ленинград.ин-та авиац.приборостр., 1981,15 151, с.37-40.

86. Раков В.В. Эффективность исправления ошибок в системах с пе-юспросом. УП Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации, доклады, часть 1У, М.-Вильнюс, 1978,с.30-35.

87. Умаров В.Х., Алгоритмы модели двухканального тракта переда-1и данных. Сб. Алгоритмы , ИК с ВЦ АН УзССР, вып.50, Ташкент,1984.

88. Финк Л.М. Модем и кодек как преобразователи канала. УП Все-оюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. Доклады. Часть У: Системы передачи данных, с.173-176.

89. Финк Л.М., Мухаметшина С.Л. Новые методы стохастического одирования для обнаружения и исправления ошибок. Вопросы кибер-етики. М. 1979, с.66-78.- 138

90. Штарков Ю.М. Об энергетической эффективности корректирующих кодов при приеме в целом в аддитивном нормально белом шуме.

91. В кн.: Аппаратура для космических исследований. М.: Наука,1972, о.64-69.

92. UZi&tSy ^ OfnusuL, Cf. Рчги&р'й* ef cU^oboZ hX(UbtuO*u Qs+vGL Czciat^f; ft/eur-Уоъ£, Mc, fhcuur-Hiii, 1973