Способы восстановления кодовых последовательностей при обработке информации в комплексах мониторинга

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОДОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ В КОМПЛЕКСАХ МОНИТОРИНГА

ХАБИБУЛИН Н.Ф.

Ways of code restoration sequences are considered in article. Restoration of the deformed messages is offered for spending on the basis of a new code formulation.

восстановление деформированное сообщение передача данные

Возрастающие требования к увеличению пропускной способности и качеству канала передачи данных привели к быстрому внедрению новых стандартов, реализующих согласование модуляции и кодирования (ITU-T V34, V.90, V.92, IESS - 310, 311-315, 419 и др.), программного и аппаратного сжатия (V.42bis, V.44).

В связи с высокой чувствительностью сжатых сообщений даже к одиночным ошибкам на системы связи накладываются очень жесткие требования по помехозащищенности. Согласно рекомендации Х.25, вероятность возникновения ошибки P_ош в системах передачи данных должна быть не более 10^-10 [1]. Для обеспечения этого требования используются процедуры помехоустойчивого кодирования совместно с протоколами переспроса по каналу обратной связи (ARQ). Модель подобной системы связи, реализующая эти два метода защиты от ошибок, получила название гибридной системы ARQ [2] и представлена на рис.1. В данном случае для исправления ошибок используется канальный помехоустойчивый код с высокой исправляющей способностью, а в качестве кода, обнаруживающего ошибки, используется код ARQ, получаемый при помощи кадровой проверочной последовательности - FCS (Frame check sequence).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рисунок 1 - Модель системы связи с каналом переспроса

Анализ таких протоколов, как HDLC, BSC, X,Y,Z-modem, Kermit, Compuserve, SEALink, Telink, семейства протоколов TCP/IP, их взаимодействия, позволяет утверждать следующее:

в современных системах передачи данных использование метода ARQ для обеспечения необходимого качества передачи является обязательной процедурой;

метод ARQ используется, начиная с канального и заканчивая прикладным уровнем ЭМВОС, при этом, на канальном уровне обязательно;

существует большое разнообразие в способах реализации ARQ, различающихся по назначению, алгоритмам, вариантам формирования проверочных последовательностей;

наибольшее распространение получили протоколы канального уровня с обнаружением ошибок и переспросом, основанные на рекомендациях МСЭ-Т X.25, V.41 и V.42, и использующие циклическое кодирование при формировании проверочных последовательностей.

Ведение мониторинга характеризуется рядом ограничений на качество приема. При этом невозможно организовать канал обратной связи, следовательно, решение, приведенное на рис.1, преобразуется к новому, представленному на рис.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рисунок 2 - Модель системы мониторинга при отсутствии канала обратной связи

Для такой модели вероятность ошибки после канального декодера является вероятностью ошибки для всей системы связи (10^-3-10^-7). При этом, с помощью FCS можно только определить факт ошибки в принятом кадре, но нет возможности произвести запрос на повторную передачу для ее исправления. Помехозащищенность канала мониторинга значительно снижается и определяется только исправляющей способностью канального декодера. Последнее приводит к потерям большого числа сжатых сообщений даже при наличии однократных ошибок и возникновению для транспортировки сжатых данных проблемы обеспечения требуемой помехозащищенности без использования канала обратной связи.

Известно несколько вариантов [3, 4] решения этой проблемы: суммарная корректировка от нескольких приемных трактов; сравнение принятых и переспрошенных пакетов в системе связи; использование исправляющей способности кадров ARQ.

Анализ перечисленных методов показывает следующее:

использование суммарной корректировки связано с большими материальными затратами на оборудование, что в большинстве случаев не вполне оправдано, так как нет линейной зависимости между количеством трактов приема и уменьшением вероятности ошибки;

повторно переспрошенные пакеты в большинстве случаев не совпадают с искаженными пакетами стороны, ведущей мониторинг, поскольку тракты приема и ошибки в этих трактах различны;

при преобразовании кадров ARQ в линейный блочный код и исправлении ошибок с помощью полученного кода, исправляющая способность мала, что связано с низкой избыточностью кодов, обнаруживающих ошибки. Кодовое расстояние применяемых кодов ARQ, сформированных в соответствии с рекомендацией X.25, было определено авторами в работе [3] и для длин кодовых слов до 262 байт составило 4, что позволяет исправлять только однократные и некоторые двукратные ошибки.

Восстановление искаженных сообщений при отсутствии возможности переспроса предлагается проводить формированием нового кода с лучшими характеристиками из исходного путем выбрасывания части кодовых слов за счет дополнительной избыточности (рис.3), что обычно не учитывается при разработке. В этом случае, неизбежной платой является усложнение процедур обработки на приемном конце. В качестве основных способов реализации данного подхода предлагаются локализация ошибок и введение дополнительных связей в каскады декодирования. Эффективность использования различных способов предлагается оценивать относительно вероятности ошибки и вероятности необнаруженной ошибки канального декодера.

Характерными признаками для локализации и исправления части ошибок в кадрах ARQ могут служить варианты синхронизации, служебные поля (признаки пакетов, адреса логических соединений, номера пакетов), информация о длине пакета.

В статье основное внимание уделено ситуации, когда отсутствие канала обратной связи частично компенсируется введением дополнительных связей в корректирующий блок между канальным декодером и декодером ARQ (рис.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рисунок 3 - Идея сужения кода

Рассматривается три варианта комплексного декодирования:

1. Для суженного в результате наложенных ограничений кода, строится табличный декодер, полностью реализующий исправляющие возможности нового кода; однако, для достаточно больших длин составляющих кодов реализация такого декодера требует очень больших ресурсов, поэтому рассматриваются и субоптимальные варианты.

2. Канальный декодер исправляет ошибки, принимая решение по последовательности, а декодер ARQ обнаруживает ошибки и осуществляет переспрос к канальному декодеру (запрещает кодовую комбинацию);

3. Канальный декодер исправляет ошибки посимвольно и стирает малодостоверные символы, локализуя ошибки для декодера ARQ, а декодер ARQ исправляет локализованные ошибки.

Каждый субоптимальный вариант использования комплексной процедуры может быть использован как для конструкции «блочный код-блочный код», так и для конструкции «сверточный код - блочный код».

Оценка вариантов комплексного декодирования по исправляющей способности и затратам на реализацию показала более высокую эффективность второго варианта, связанного с исправлением ошибок канальным декодером и запретом декодером ARQ кодовых комбинаций.

Основные подходы по оценке эффективности введения дополнительных связей между элементами корректирующего блока показаны в [5]. Применение методики, рассмотренной в [5] и основанной на получении весового спектра суженного кода, не всегда осуществимо для конкретной системы связи. Поэтому приводится упрощенный вариант оценки системы Inmarsat-AERO.

В качестве канального помехоустойчивого кода в системе используется несистематический сверточный код со скоростью Ѕ и полиномами (171,133). Для обнаружения ошибок используется 16-битовая FCS. Длина кадра ARQ равна 96 бит [6].

Для упрощения вычислений можно огрубить реальные характеристики внесением некоторых ограничений. Эти ограничения изменяют оценку исправляющей способности реальных кодов в сторону улучшения, но для данного случая допустимы.

В [5] рассматривался вариант, в котором для вычисления параметров каскадной конструкции необходимо вычислить минимальный вес пути по решетке сверточного кода с учетом ARQ. Перебрать все возможные комбинации разрешенных кодовых слов, закодировать их с помощью НСК (1/2) (171,133) не представляется возможным, т.к. их количество равно 2⁸⁰.

Вводится первое ограничение - рассматриваются только кодовые слова кода ARQ, имеющие минимальный вес.

Из линейности [4] кода ARQ следует, что спектр расстояний кода совпадает с его весовым спектром, поэтому задача нахождения кодового расстояния сводится к задаче нахождения кодового слова минимального веса. Можно посчитать количество слов с минимальным весом как количество сочетаний без повторений из 96 (длина кодового слова) по 4 (минимальный вес кодового слова) по формуле:

.

При n = 96 и k = 4 количество слов минимального веса N=3 321 960.

Путем перебора были построены все такие слова и из них выбраны слова, являющиеся кодовыми. Эти разрешенные последовательности были поданы на вход сверточного кодера, что позволило получить количество слов с минимальным весом для определения вероятности ошибки.

Вводится второе ограничение - первый октет SSU - сигнального блока для P-канала ССС Inmarsat-AERO имеет вид, представленный на рисунке 4.

Поле «порядковый номер» принимает значения от 0 до 63 включительно. Рассматриваются только такие кадры. Для подсчета количества кодовых слов, удовлетворяющих сразу двум условиям, необходимо при переборе всех кодовых комбинаций веса 4 проверять эти слова на соответствие второму ограничению.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рисунок 4 - Формат первого октета SSU P-канала

Закодировав эти кодовые слова сверточным кодом, можно рассчитать количество кодовых слов минимального веса для определения вероятности ошибки и построить спектр весов кодовых слов сверточного кода на длине блока 192 бита (2*длину кадра).

Рассчитав по формуле [3]:

Р_ош=(C)pⁱ(1-p)^N-i ,

где Т=(d-1)/2, соответствующую вероятность, можно сделать вывод об исправляющих характеристиках каскадной конструкции сверточный код - код ARQ для введенных ограничений.

Подобным образом рассчитаны характеристики сверточного кода при выборе минимального веса кода ARQ, равного 4, 5, 6 и 7. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Весовые спектры сверточного кода с учетом различных ограничений

W_мин - минимальный вес кода ARQ, W_{мин. св.} - минимальный вес сверточного блока;

^* результаты только для первого ограничения;

^** результаты с учетом двух ограничений.

В [7] приведены экспериментальные значения для вероятности ошибки декодирования при декодировании по Витерби. Эти значения сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - вероятность ошибки декодирования на выходе канального декодера Витерби

По результатам рассчитаны вероятности ошибки декодирования для всех вариантов. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Вероятность ошибки декодирования на выходе декодера комплексной обработки

P(C)_ош - вероятность ошибки декодирования канального декодера;

P(C,D_i)_ош - вероятность ошибки декодирования для конструкции канальный код - код ARQ при ограничении на i - минимальный вес для кода ARQ.

Анализ полученных данных показывает, что каскадная конструкция сверточный код-код ARQ при совместном использовании двух кодов, дает заметный выигрыш по сравнению с отдельным использованием декодера сверточного кода.

ЛИТЕРАТУРА

1. МККТТ. Синяя книга [Текст] / Рекомендации X.25, V.41, V.42. 1988.

2. Злотник, Б.М. Помехоустойчивые коды в системах связи [Текст] / - М.: Радио и связь, 1989. - 232 с.

3. Хабибуллин, Н.Ф., «Повышение качества приема сообщений с использованием полиномиальной проверки» [Текст] / Н.Ф. Хабибуллин, А.Н Шкердин/ Специальная техника. Серия “Р”, выпуск 14, стр. 195-203. - М.: АФСБ, 1997.

4. Хабибуллин, Н.Ф. «Комплексная процедура обработки протоколов обнаружения ошибок и перезапроса» [Текст] / Н.Ф. Хабибулин, А.А. Проскурин, М.В. Докукин / Статья. Сборник научных трудов ВИПС 8, стр.48-57. Орел, ВИПС, 1998.

5. Хабибуллин, Н.Ф. «Способы оценки комплексной процедуры обработки протоколов ARQ» [Текст] / Н.Ф. Хабибулин, М.В. Докукин / Статья. Сборник научных трудов ВИПС 9. Орел, ВИПС, 1999.

6. International Maritime Satellite Organization. INMARSAT-AERO. System definition manual. London, 1992.

7. CM 701, Digital Satellite Modem. Installation and Operation Guide.

Размещено на Allbest.ru