Технології широкополосного ортогонального кодування для автоматизованих систем обміну даними

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

05.13.06 - Інформаційні технології

УДК 004.056.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЇ ШИРОКОПОЛОСНОГО ОРТОГОНАЛЬНОГО КОДУВАННЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ ОБМІНУ ДАНИМИ

П'єр МУРР

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Чечельницький Віктор Якович, Одеський національний політехнічний університет, доцент кафедри інформаційної безпеки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дрозд Олександр Валентинович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри комп'ютерних інтелектуальних систем і мереж кандидат технічних наук, доцент Скопа Олександр Олександрович, Міжнародний гуманітарний університет, завідувач кафедри комп'ютерної інженерії

Захист відбудеться 1 жовтня 2009 р. о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр-т Шевченка, 1, ауд. 400-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий « 27 » серпня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.С. Ямпольський

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперішній час в автоматизованих системах управління мобільними об'єктами широко застосовуються бездротові мережі з широкосмуговою передачею інформації, які знаходяться поза конкуренцією по оперативності розгортання, мобільності, вартості та широті можливих додатків, що у багатьох випадках є єдиним економічно виправданим рішенням. При створенні сучасних інформаційних телекомунікаційних мереж головною науково-прикладною задачею є необхідність підвищення завадозахищеності трактів обміну даними шляхом створення інформаційних технологій, які забезпечують достовірність передачі інформації.

Такі інформаційні технології будуються, як правило, з використанням кореляційних кодів, які мають добрі авто- та взаємокореляційні функції. Ці коди завдяки надлишковості називаються широкосмуговими або шумоподібними сигналами (ШПС). Кореляційні коди поділяються на часові коди (ЧК) і частотно-часові коди (ЧЧК). В свою чергу ЧК і ЧЧК поділяються на ортогональні, композиційні та на великі системи кодів. Для забезпечення завадозахищеності трактів обміну використовуються технології розширення спектра: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), яка передбачає кодування на основі ортогональних ЧК, FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), яка використовує псевдовипадкову перебудову робочої частоти на основі ортогональних ЧЧК, та гібридні технології, наприклад, DS/FH.

Однак усі відомі технології розширення спектру застосовують, занадто прості інформаційні коди (з базою коду ) з низькою завадозахищеністю, що обумовлено відсутністю методів синтезу великих систем кодів об'єму . Крім того, при застосуванні великих систем кодів виникають труднощі побудови багатоканального приймального пристрою, оскільки в загальному випадку пропорційно зростає необхідна кількість фільтрів, що ускладнює його практичну реалізацію.

Тому дослідження, які спрямовані на розробку інформаційних технологій широкосмугового ортогонального кодування для автоматизованих систем обміну даними за рахунок створення методів синтезу нових класів ЧК та ЧЧК для забезпечення достовірності передачі інформації в трактах обміну даними, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до мети і завдань розділу 4.3 комплексної Державної науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України «Телекомунікаційні системи та інформаційні ресурси» (Київ, 2002), а також НДР Одеського національного політехнічного університету № 569-48 «Інформаційна безпека в комплексних системах зв'язку» (№ Держреєстрації 0107U001967).

-- виявлені нові структурні властивості досконалих двійкових решіток (ДДР), що дозволили розробити методи синтезу ДДР порядку , які належать до різних класів: -- повного класу, --породжуючого класу, -- еквівалентного циклічного класу;

-- розроблені регулярні правила побудови ансамблів мінімаксних за періодичними і аперіодичними кореляційними властивостями ЧК на основі ДДР;

-- побудовані завадостійкі ортогональні двовимірні -коди на основі ДДР для інформаційних технологій передачі інформації по трактах обміну даними з корельованими і некорельованими завадами;

-- удосконалена інформаційна технологія DSSS передачі інформації по тракту обміну даними за допомогою побудованих ортогональних часових кодів;

-- розроблені методи синтезу ортогональних дискретно-частотних послідовностей великого періоду для інформаційної технології FHSS;

-- розроблені методи синтезу великих систем ЧЧК для гібридної інформаційної технології DS/FH;

-- здійснено впровадження розроблених інформаційних технологій в одеській компанії «Комплексні системи зв'язку» з позитивним техніко-економічним ефектом.

Об'єкт дослідження. Процес підвищення достовірності передачі інформації в трактах обміну даними.

Предмет дослідження. Інформаційні технології передачі даних, що базуються на широкосмуговому ортогональному кодуванні.

Методи дослідження. Методи теорії алгебраїчних полів Галуа і теорії чисел дозволили розробити регулярні алгоритми синтезу оптимальних, композиційних і великих систем частотно-часових кодів. При розробці методів завадозахищеного кодування використані методи теорії інформації, теорії кодування та теорії потенційної завадостійкості.

Метод локального та глобального балансу кореляційних функцій дозволив знайти повні класи проріджених матриць порядку , на базі яких побудований повний і породжуючий клас ДДР порядку . При розробці алгоритмів передавання даних використовувалися методи та алгоритми цифрової обробки сигналів.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи сформульована наступними положеннями:

-- дістала подальший розвиток теорія досконалих двійкових решіток, зокрема, вперше побудовані повний -клас, породжуючий -клас та еквівалентний циклічний -клас ДДР на 144 елемента, що дозволило синтезувати ортогональні коди для створення інформаційних технологій передачі інформації;

-- вперше розроблені регулярні методи побудови ансамблів мінімаксних за періодичними і аперіодичними кореляційними властивостями кодів на 144 елемента на основі повних класів ДДР;

-- вперше розроблено метод підвищення достовірності передачі даних, який відрізняється тим, що інформація передається за допомогою ортогональних кодів, побудованих на базі еквівалентного циклічний класу ДДР;

-- дістали подальший розвиток методи синтезу ортогональних частотно-часових кодів з великим періодом, що дозволило створити інформаційні технології для підвищення завадозахищеності трактів обміну даними.

Практичне значення отриманих результатів.

1. При оперативній зміні робочих частот відповідно до псевдовипадкового коду великого періоду (), де -- характеристика поля, і підвищеного рівня завадозахищеності () коефіцієнт завадостійкості розроблених кодів перевищує на (15 -- 20) % коефіцієнт завадостійкості однорідних кодів Ріда-Соломона.

2. Забезпечено корекцію пакетних (корельованих) помилок у трактах обміну даними при коректувальній здатності E(N)-кодів на основі ДДР вищу у порівнянні з відповідними за розмірами кодами БЧХ максимальної довжини, при цьому випадкові (некорельовані) помилки корегуються однаково. З ростом довжини n коду на основі ДДР коректувальна здатність побудованих -кодів прагне до верхньої границі Сінглтона , а складність технічної реалізації декодерів E(N)-кодів і декодерів кодів БЧХ максимальної довжини практично однакова.

3. Розроблені інформаційні технології широкосмугового ортогонального кодування впроваджені в одеській компанії «Комплексні системи зв'язку». В результаті впровадження встановлено, що завадозахищеність тракту обміну даними від пакетних помилок, в порівнянні з кодами БЧХ, зросла на 45 % при 144 елементах коду, побудованого на базі ДДР.

4. Запропоновані інформаційні технології, а також алгоритми та програми, розроблені для їхньої реалізації, впроваджені до навчального процесу Одеського національного політехнічного університету та використовуються в дисципліні «Системи радіозв'язку», а також у курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці інформаційних технологій широкосмугового ортогонального кодування [1, 6, 7]. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належать: [2] -- алгоритм роботи та блок-схема модулятора, [3] -- метод підвищення достовірності передачі даних на базі ШПС, [4] -- правила побудови проріджених матриць порядку на базі проріджених матриць порядку , [5] -- метод впровадження ДДР у дані, [8] -- розробка конструктивних правил взаємозв'язку ДДР квадратної й прямокутної форм, [9] -- блок-схема гібридної інформаційної технології DS/FH.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на восьмій, дев'ятій та десятій міжнародних науково-практичних конференціях «Сучасні інформаційні та електронні технології» (Одеса, 2007, 2008, 2009), а також на науковому семінарі кафедри комп'ютерних інтелектуальних систем та мереж ОНПУ (Одеса, 2009).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 9 наукових праць, з них 4 статті -- в наукових виданнях, які входять до спеціального переліку ВАК України, 5 робіт -- в матеріалах міжнародних конференцій. Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, додатків. Обсяг дисертації -- 207 стор., додатків -- 40 стор. Дисертація містить 23 таблиці, 35 рисунків та посилання до 121 літературного джерела.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і задачі дослідження, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведені відомості про апробацію, публікації та використання результатів дослідження.

В розділі 1 встановлено, що останнім часом в трактах обміну даними одержали поширення інформаційні технології широкосмугової передачі інформації на базі кореляційних кодів.

Аналіз роботи трактів обміну даними в інформаційних телекомунікаційних мережах показав, що основні чинники похибок даних наступні:

-- завади природничого походження, такі як шуми електронних пристроїв формування, передачі та обробки сигналів даних;

-- шуми середовища розповсюдження сигналів, та, в першу чергу, багатопроміневістю розповсюдження сигналів даних;

-- інші системи обміну даними, що діють майже в тому діапазоні частот, становлять проблему електромагнітної сумісності;

-- завади штучного походження від систем навмисного зруйнування інформації, подавлення або перехвату даних. Штучні завади класифікують так: завади на одній частоті (несучій), широкосмугові завади, прицільні та ретрансляційні завади;

-- несанкціонований доступ до даних та навмисне формування фальшивих даних.

Відомі інформаційні технології, що спрямовані на усунення дії цих чинників, основані на методах розширення спектру та застосовують прості інформаційні коди, що обмежує їх завадозахищеність. Тому необхідні нові класи ортогональних кодів, які забезпечують підвищення завадозахищеності передачі по трактам обміну даними, при простій технічній реалізації пристроїв формування та обробки таких кодів. На цій підставі виконано постановку задач дослідження.

Розділ 2 присвячений розвитку теорії досконалих двійкових решіток та їх проріджених матриць з метою побудови нових класів ортогональних кодів для інформаційних технологій передачі інформації.

Досконалими двійковими решітками -- ДДР (Perfect Binary Arrays -- PBA) називають двовимірні матриці розміру

, , ,

які мають ідеальну двовимірну періодичну автокореляційну функцію (ДПАКФ)

.

Відомо, що довільна квадратна ДДР порядку може бути проріджена по просторових координатах, при цьому утворюються чотири проріджені матриці , , і.

В роботі доведені наступні теореми, що визначають властивості ДДР та їх проріджених матриць.

Теорема 1. Якщо матриця -- ДДР, то інверсна матриця теж ДДР.

Властивість 3. При побудові ДДР проріджені матриці можна переставляти. Кількість таких перестановок дорівнює .

Однорідним частотно-часовим кодом степеневих лишків на основі методу децимації -- -кодом децимації над полем є множина -ічних кодових слів довжиною , кожне з яких визначається за правилом:

, ,

де -- оператор децимації кодових слів з параметром децимації ; параметр ; параметр степеневих лишків задовольняє умові н.о.д. , і приймає точно значень; -- функція Ейлера; параметр .

У загальному випадку -код є 5-ти параметричним кодом, циклічним за частотою. З аналізу правила (16) безпосередньо випливає, що обсяг -коду -- число кодових слів:

,

при цьому, рівень завадозахищеності визначається факторіальним виразом:

.

Кожний -код і відповідна йому система ДЧ-кодів для інформаційної технології FHSS передачі по трактах обміну даними характеризується узагальненим параметром -- коефіцієнтом завадостійкості , який визначається співвідношенням:

,

де -- максимальний відносний коефіцієнт взаємної кореляції між парою кодових слів; -- максимальна кількість збігів елементів між парою кодових слів; -- об'єм коду.

Результати порівняльного аналізу узагальнених параметрів однорідних
-кодів для інформаційної технології FHSS передачі по трактах обміну даними і однорідних кодів Ріда-Соломона (PC-кодів) другого порядку
показують, що коефіцієнт завадостійкості запропонованого класу -кодів перевищує на коефіцієнт завадостійкості відомого класу однорідних кодів Ріда-Соломона, отже, запропоновані класи -кодів можуть знайти застосування, наприклад, створенні інформаційних технологій передачі по синхронних трактах обміну даними.

Розділ 4 присвячений розробці інформаційних технологій широкосмугового ортогонального кодування для автоматизованих систем обміну даними. ортогональний кодування частотний інформаційний

Показано, що кожна двовимірна періодична взаємокореляційна функція (ДПВКФ) довільних двох ДДР -класу мають один бічний пік рівня ; просторові координати цього піка однозначно визначаються величинами циклічних зсувів рядків і (або) стовпців даної ДДР щодо опорної . Отже, ДДР -класу доцільно використовувати, принаймні, для передачі повідомлень в одноканальних синхронних трактах обміну даними із шумоподібними двовимірними циклічними сигналами. У цьому випадку рішення задачі оптимального розрізнення кодів -класу може здійснюватися за допомогою єдиного двовимірного узгодженого із кодом опорної ДДР фільтра, замість фільтрів, як це потрібно в загальному випадку при побудові багатоканального приймача.

Структурна схема інформаційної технології, що використовує наведений принцип інформаційної модуляції, наведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема інформаційної технології передачі даних на основі ДДР.

Лічильно-розв'язуючий засіб працює в модульній арифметиці і відповідно, розраховує параметри циклічного зсуву рядків і стовпців за номером переданого символу для переданої ДДР таким чином

, .

Порядок для ДДР -класу необхідно вибирати з умови .

Оператор робить циклічний зсув опорної ДДР на (20) рядків вниз -- . Оператор робить циклічний зсув отриманої ДДР на стовпців праворуч -- (блок 5).

Демодулятор складається з одного двовимірного узгодженого з опорною ДДР фільтра (ДУФ) із блоком визначення максимально правдоподібних координат ( і ) піка ДПВКФ між опорною та прийнятою ДДР, при цьому, номер максимально правдоподібного переданого символу визначається таким чином: