Содержание к диссертации
Введение
1. Функциональный и информационно-статистический анализ применения помехоустойчивого кодирования в существующих системах телекоммуникаций с широкополосным доступом 4..3
1.1 Модель глобальной системы передачи данных и функциональные особенности систем телекоммуникаций 4..3
1.1.1 Общие принципы стандарта широкополосного доступа IEEE 802.16-2004 4 6
1.1.2 Структура MAC-уровня 4 9
1.1.3 Физический уровень 5..4
1.2 Информационно-статистический анализ платформ кодирования в системах телекоммуникаций стандарта IEEE 802.16-2004 5..9
1.2.1 Анализ первой платформы кодирования данных 5. 9
1.2.2 Анализ второй платформы кодирования данных 6. 5
1.2.3 Анализ третьей платформы кодирования данных 6..7
1.3 Теоретические основы повышения помехозащищённости систем телекоммуникаций с широкополосным доступом 7..1
1.4 Научная проблема исследования и направления её решения 7..6
Выводы по первому разделу 83
2. Математические модели жёсткого оптимального и мягкого декодеров двоичных помехоустойчивых кодов в каналах передачи данных телекоммуникационных систем 8..6
2.1 Модель жёсткого оптимального декодера двоичных помехоустойчивых кодов 8 9
2.1.1 Информационно-статистический анализ характеристик жёсткого оптимального декодирования помехоустойчивых кодов 8..9
2.1.2 Метод отображения статистических характеристик жёсткого оптимального декодирования двоичных произвольных помехоустойчивых кодов 9 9
2.2 Модель мягкого декодера двоичного композиционного итеративного кода 1..11
2.2.1 Алгоритм генерации двоичного систематического итеративного композиционного кода 1..11
2.2.2 Имитационная модель мягкого декодера в системе объектно-ориентрованного программирования 1..13
2.3 Математическая модель мягкого декодера в канале передачи данных систем телекоммуникаций 1..22
Выводы по второму разделу 133
3. Метод мягкого декодирования двоичных композиционных итеративных кодов и анализ его результатов при приёме сигналов с относительной фазовой манипуляцией в условиях воздействия преднамеренных помех 1..36
3.1 Информационно-статистический анализ алгоритма мягкого декодирования сигнально-кодовой конструкции с относительной фазовой манипуляцией 1..36
3.2 Статистические характеристики мягкого декодирования кодированных сигналов с относительной фазовой манипуляцией в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех 1..43
3.3 Влияние преднамеренных помех на процесс мягкого декодирования сигнально-кодовой конструкции с относительной фазовой манипуляцией 1..49
3.4 Воздействие сосредоточенных по спектру помех и гауссовского шума на сигнально-кодовую конструкцию с относительной фазовой манипуляцией и защита от них 1..54
3.4.1 Вероятность ошибки на бит информации при воздействии узкополосных (псевдошумовой или гармонической) помех 1..57
3.4.2 Вероятность ошибки на бит информации при воздействии импульсных помех 1..72
Выводы по третьему разделу 1.76
4. Метод многопозиционного частотного кодирования данных и статистический анализ их мягкого итеративного декодирования в условиях воздействия преднамеренных помех 178
4.1 Многопозиционное частотное кодирование данных и анализ алгоритма их мягкого итеративного декодирования в условиях гауссовского шума 1..78
4.2 Влияние преднамеренных помех на процесс мягкого декодирования сигнально-кодовой конструкции с частотной манипуляцией
4.2.1 Статистические характеристики мягкого итеративного декодирования многопозиционных сигналов с частотной манипуляцией в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех 1..93
4.3 Статистический анализ воздействия преднамеренных помех на мягкое декодирование избыточных сигналов с частотной манипуляцией 1..99
4.3.1 Вывод аналитических выражений для вероятности ошибки мягкого декодирования избыточных сигналов в условиях воздействия гауссовского шума 1..99
4.3.2 Вывод выражений для вероятностей пропуска сигнала и ложной тревоги и их оценка для m-избыточных сигналов при воздействии флуктуационых шумов и мощных узкополосных помех 2..08
4.3.3 Воздействие ответных гармонических помех 2..21
4.3.4 Воздействие шумовой широкополосной помехи в части полосы рабочих частот 2..28
4.4 Эффективность мягкого декодирования двоичных избыточных сигналов с частотной манипуляцией 2..36
Выводы по четвёртому разделу 2..39
5. Метод алгебраического синтеза в конечном поле недвоичных несистематических помехоустойчивых кодов преобразованиями двоичных кодов 2..42
5.1 Процедуры отображения циклических двоичных кодов в недвоичные коды над конечным полем GF(2m) 242
5.2 Алгебраический синтез недвоичных несистематических корректирующих кодов преобразованиями двоичных последовательностей Рида-Маллера 2..49
5.3 Автокорреляционная функция двоичных последовательностей с n=2m и их взаимокорреляционные свойства 2..59
5.4 Модель жёсткого оптимального декодера несистематических недвоичных помехоустойчивых кодов 2..63
5.4.1 Оценка влияния основания кода на статистические характеристики его оптимального декодирования 2..71
5.4.2 Применение метода отображения для аналитической оценки статистических характеристик оптимального декодирования
несистематических недвоичных кодов (q=256, Nq=Dq) 2..75
Выводы по пятому разделу 278
6. Алгоритмы каскадного кодирования данных в системах телекоммуникаций повышенной помехозащищённости с широкополосным доступом и оценка его эффективности 2..80
6.1 Структурная схема алгоритма каскадного кодирования с мягким декодированием сигналов 2..80
6.2 Оценка эффективности каскадных кодов с мягким декодированием при приёме сигналов с относительной фазовой манипуляцией 2..82
6.3 Алгоритм каскадного кодирования данных с мягким декодированием многопозиционных сигналов с частотной манипуляцией и оценка его эффективности 2..87
6.4 Технические предложения по структурному построению помехозащищённых систем телекоммуникаций с широкополосным доступом 291
6.4.1 Оптимальный декодер с ускоренным декодированием 2..95
Выводы по шестому разделу 297
Заключение 2..99
Список литературы
- Информационно-статистический анализ платформ кодирования в системах телекоммуникаций стандарта IEEE 802.16-2004
- Метод отображения статистических характеристик жёсткого оптимального декодирования двоичных произвольных помехоустойчивых кодов
- Статистические характеристики мягкого декодирования кодированных сигналов с относительной фазовой манипуляцией в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех
- Статистические характеристики мягкого итеративного декодирования многопозиционных сигналов с частотной манипуляцией в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. На современном этапе развития систем телекоммуникаций с широкополосным доступом (ШПД) первостепенное значение приобрело оптимальное использование частотно-энергетического ресурса радиоканала для обеспечения требуемого качества обслуживания каждого абонента сети в любых условиях помеховой обстановки и распространения радиоволн. Применяемые технические решения в известном стандарте ШПД IEEE 802.16-2004 в должной мере удовлетворить этим требованиям не могут. В частности, исследования известных учёных Борисова В.И., Варакина Л.Е., Феера К. позволили выявить существенные недостатки методов расширения спектра радиосигналов по повышению помехозащищённости систем телекоммуникаций с ШПД:
-коэффициент расширения спектра сигнала (Kрс) должен быть достаточно высоким (Kрс>1000), а при конечной полосе рабочих частот системы передачи данных увеличение Kрс>1000 потребует уменьшения скорости передачи информации источником сообщений;
-существуют виды преднамеренных помех и стратегии их постановки, при которых расширение спектра сигнала не даёт желаемого повышения помехозащищённости;
-для гарантированного обеспечения повышенной помехозащищённости систем телекоммуникаций с ШПД помимо расширения спектра сигнала требуется использовать методы борьбы с наиболее опасными преднамеренными помехами (режекция, бланкирование) в первой решающей схеме радиоприёмника и эффективные методы корректирующего кодирования данных, способные противостоять пакетам ошибок.
В известных работах Золотарёва В.В., Зубарева Ю.Б. исследованы эффективные методы корректирующего кодирования данных. Их анализ показывает, что для каналов передачи с пакетированием ошибок существуют такие конфигурации ошибок в принятой кодовой последовательности, которые не будут исправлены при любом числе итераций в блоковом многопороговом декодере или сколь угодно длинными цепочками пороговых элементов в его свёрточном варианте.
В современной статистической теории передачи данных, включая и теорию кодов, исправляющих ошибки, отсутствует теоретическая основа для информационно-статистического анализа характеристик оптимального жёсткого декодирования двоичных и недвоичных корректирующих кодов, а также мягкого декодирования двоичных помехоустойчивых сигнально-кодовых конструкций для перспективных платформ кодирования данных в системах телекоммуникаций с ШПД, работающих в условиях воздействия преднамеренных помех.
Имеющиеся теоретические разработки для анализа систем телекоммуникаций с ШПД направлены на учёт влияния гауссовского шума и частично на учёт замираний из-за многолучевого распространения радиосигнала, но не учитывают влияния преднамеренных (или непреднамеренных) наиболее опасных помех (узкополосных гармонических, псевдошумовых и заградительных, импульсных, ретранслируемых, шумоподобных в части полосы пропускания) и не позволяют дать научно обоснованные рекомендации для выбора параметров корректирующих сигнально-кодовых конструкций и эффективных платформ кодирования данных.
Информационно-статистический анализ платформ кодирования данных систем телекоммуникаций стандарта IEEE 802.16 показал, что первая, наиболее помехоустойчивая платформа кодирования (каскадный код: недвоичный код Рида-Соломона и двоичный свёрточный код) позволяет обеспечивать вероятность ошибочного приёма бита сообщения Pb=510-5 при отношении сигнал/шум на бит (), равном 4.2дБ. В то же время известно, что при использовании мягкого декодирования внутреннего двоичного кода в этой же платформе кодирования данных можно работать при отношении сигнал/шум на бит, равном 0дБ. Допустимая вероятность ошибочного приёма недвоичного символа на выходе декодера Витерби в этой платформе кодирования при Pb=510-5 составляет Pq=0.038, а для перспективных каналов передачи данных вероятность Pq задают на уровне Pq0.1 и даже выше.
Увеличение избыточности используемых недвоичных кодов Рида-Соломона с целью повышения допустимых значений вероятности Pq приводит к невозможности реализовать в реальном масштабе времени алгоритмы их декодирования, которые ориентированы на конечное число локаторов ошибок и конечное число исправляемых двоичных ошибок в недвоичных символах.
Существующие протоколы информационного обмена в системах телекоммуникаций стандарта IEEE 802.16 не нацелены на полное использование имеющихся частотных ресурсов для повышения помехозащищённости в прямом канале передачи данных. Решение задачи обеспечения заданного качества обслуживания предполагает использование обратного канала радиосвязи, где вводится 24-х кратная избыточность передаваемых данных. В то же время известно, что перевод прямого канала передачи данных в режим исправления ошибок декодером внешнего недвоичного кода (вместо режима обнаружения ошибок) позволяет повысить эффективность информационного обмена.
Таким образом, существующие методологические неопределённости статистической теории передачи данных и теории кодов, исправляющих ошибки, нерешённые технические задачи по эффективному противодействию наиболее опасным помехам, в том числе и порождающих пакеты ошибок, определяют актуальность темы диссертации.
Объект исследования – системы телекоммуникаций с широкополосным доступом, предназначенные для работы в условиях помеховых воздействий.
Предмет исследования – методы информационно-статистического анализа и алгебраического синтеза кодовых платформ систем передачи данных с широкополосным доступом, алгоритмы кодирования и декодирования сигналов и их статистические характеристики в условиях помеховых воздействий.
Целью исследования является повышение помехозащищённости телекоммуникационных систем с ШПД.
Установлена противоречивость требований к параметрам кодирования данных в системах телекоммуникаций с широкополосным доступом, работающих в условиях воздействия преднамеренных помех, и существующее научное противоречие: с одной стороны, используемые платформы кодирования данных в системах телекоммуникаций с ШПД не обеспечивают требуемую помехоустойчивость в условиях воздействия преднамеренных (типовых и межсистемных) помех, а с другой стороны, системы телекоммуникаций с ШПД имеют неиспользованный частотно-энергетический ресурс, определяющий их пропускную способность, для эффективной борьбы с преднамеренными помехами.
Указанное противоречие требует решения научной проблемы – разработки эффективных методов использования энергетических и частотных ресурсов систем телекоммуникаций с ШПД, обеспечивающих наибольшее приближение к пределу К.Шеннона, в условиях воздействия преднамеренных помех различных видов и стратегий постановки.
Научные результаты, представляемые к защите:
1.Математические модели жёсткого оптимального и мягкого декодеров двоичных помехоустойчивых кодов в каналах передачи данных телекоммуникационных систем.
2.Метод мягкого декодирования двоичных композиционных итеративных кодов и анализ его результатов при приёме сигналов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ) в условиях воздействия преднамеренных помех.
3.Метод многопозиционного частотного кодирования данных и статистический анализ их мягкого итеративного декодирования в условиях воздействия преднамеренных помех.
4.Метод алгебраического синтеза в конечном поле Галуа недвоичных несистематических помехоустойчивых кодов преобразованиями двоичных кодов.
5.Алгоритмы каскадного кодирования данных в системах телекоммуникаций повышенной помехозащищённости с ШПД и оценка его эффективности.
Достоверность научных результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата высшей математики, теории вероятностей, теории принятия оптимальных решений при энергетическом обнаружении радиосигналов, теории кодов, исправляющих ошибки, статистической теории связи и передачи данных, сходимостью аналитических результатов с результатами имитационного моделирования, проведённого в ходе исследования, а также с известными оценками, опубликованными в центральной печати отечественными и зарубежными исследователями.
Научная новизна полученных результатов.
1.Научная новизна разработанных математических моделей жёсткого оптимального и мягкого декодеров двоичных помехоустойчивых кодов в каналах передачи данных состоит в следующем:
-научно обоснован условный корреляционный критерий принятия решений при оптимальном жёстком декодировании кодовых комбинаций, который, в отличие от известных, учитывает конфигурации ошибок в символах принятой кодовой комбинации;
-получены аналитические выражения для оценки статистических характеристик оптимального жёсткого декодирования ортогональных корректирующих кодов, которые, в отличие от известных, учитывают число информационных символов в коде;
-получены новые аналитические выражения для определения допустимой вероятности искажения символа произвольного двоичного кода при известных статистических характеристиках оптимального декодирования и параметрах опорного ортогонального кода;
-получены новые аналитические выражения для оценки вероятностей ошибочного декодирования кодовой комбинации и бита сообщения при мягком итеративном декодировании двоичных композиционных кодов с различными видами модуляции радиосигналов;
-получено новое, более общее по сравнению с известными, аналитическое выражение, в отличие от известных, устанавливающее функциональные связи между параметрами канала передачи данных систем телекоммуникаций с ШПД (мощность радиопередатчика, параметры антенн, длина волны, ширина полосы пропускания, параметры модуляции и корректирующих кодов) и дальностью радиосвязи для обеспечения требуемой вероятности ошибки в приёме бита сообщения.
Полученные новые аналитические выражения позволяют осуществлять информационно-статистический анализ перспективных платформ кодирования данных и с единых позиций сравнивать их эффективность с существующими платформами кодирования в системах телекоммуникаций.
2. Научная новизна разработанного метода мягкого декодирования двоичных композиционных итеративных кодов (КИК) и анализа его результатов при приёме сигналов с ОФМ в условиях воздействия преднамеренных помех состоит в следующем:
-доказано утверждение о том, что, если преднамеренная помеха имеет большую мощность, чем мощность полезного сигнала, то мягкое декодирование сигнала с КИК противостоять такой помехе не может, и возможна трансформация переданного сообщения;
-получены новые аналитические выражения для оценки статистических характеристик мягкого декодирования кодированных сигналов с ОФМ в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех (узкополосных гармонических и псевдошумовых, заградительных, импульсных), которые, в отличие от известных, учитывают уровень порогового напряжения для решения задач обнаружения полезного радиосигнала в приёмнике и режекции наиболее опасных преднамеренных помех, превышающих мощность полезного сигнала;
-доказана теорема о существовании оптимального по критерию В.А.Котельникова уровня порогового напряжения, обеспечивающего режекцию преднамеренных помех и минимальную вероятность ошибочного декодирования бита сообщения;
-установлена новая функциональная зависимость оптимального уровня порогового напряжения, по которому принимается решение о наличии полезного сигнала по критерию В.А.Котельникова и на режекцию наиболее опасных помех, от отношения сигнал/шум на входе мягкого декодера;
-проведённый информационно-статистический анализ, в основе которого лежит метод рабочих характеристик мягкого декодирования КИК при приёме сигналов с ОФМ, позволил доказать, что такая сигнально-кодовая конструкция обеспечивает наибольшее приближение к теоретическому пределу К.Шеннона, а требуемое расширение рабочей полосы частот составляет только 2 раза.
Анализ результатов разработанного метода мягкого декодирования композиционных кодов при приёме сигналов с ОФМ позволяет утверждать:
-расширение спектра сигнала с ОФМ, как это осуществляется в существующих системах телекоммуникаций с ШПД, не гарантирует защиту от наиболее опасных преднамеренных помех;
-режекция наиболее опасных преднамеренных помех по адаптивному пороговому напряжению – эффективный способ борьбы с такими помехами.
3. Научной новизной разработанного метода многопозиционного частотного кодирования данных и статистического анализа их мягкого итеративного декодирования является следующее:
-алгоритм мягкого декодирования двоичных КИК и его информационно-статистический анализ с учётом влияния преднамеренных помех, превышающих мощность полезного сигнала с частотной манипуляцией (ЧМ);
-выведенные новые аналитические выражения для оценки статистических характеристик мягкого декодирования ЧМ сигналов в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех, превышающих мощность полезного сигнала;
-доказанная теорема о существовании оптимального (по критерию В.А.Котельникова) уровня порогового напряжения, обеспечивающего режекцию мощных преднамеренных помех и минимизацию вероятности ошибочного декодирования бита сообщения;
-установленная новая функциональная зависимость оптимального порогового напряжения, по которому принимается решение о наличии полезного сигнала и на режекцию наиболее опасных помех, от отношения сигнал/шум на входе мягкого декодера;
-выведенные новые аналитические выражения для оценки статистических характеристик мягкого декодирования избыточных частотно-манипулированных сигналов в условиях воздействия гауссовского шума и мощных узкополосных помех;
-установленное новое и важное для практики информационного обмена свойство: увеличение избыточности ЧМ сигнала существенно уменьшает вероятность ошибочного декодирования бита сообщения в условиях воздействия преднамеренных узкополосных помех.
Указанные новые результаты позволили сделать вывод о целесообразности введения в структуру системы телекоммуникаций повышенной помехозащищённости новой платформы кодирования данных, использующей двоичные композиционные коды и избыточные сигналы с ЧМ.
4. Научная новизна разработанного метода алгебраического синтеза в конечном поле недвоичных несистематических помехоустойчивых кодов преобразованиями двоичных кодов заключается в следующем:
-доказана теорема, что существуют двоичные циклические коды, которые могут быть преобразованы в недвоичные в поле Галуа GF(2m) с числом исправляемых двоичных ошибок большим, чем у исходного двоичного кода, а двоичные коды с такой корректирующей способностью на эквивалентной длине не существуют, и её следствие: существуют эквидистантные недвоичные помехоустойчивые коды, у которых кодовое расстояние равно длине кодовой комбинации;
-доказана лемма о существовании необходимых и достаточных условий для выбора образующего полинома и построения элементов расширенного поля Галуа, на основе которого построены недвоичные кодовые комбинации с кодовым расстоянием, равным длине кода, и допускающие оптимальное декодирование;
-получены новые алгебраические выражения для синтеза структурных схем генераторов недвоичных кодов в расширенном поле Галуа GF(2m), где m=var, построены недвоичные кодеры, техническая новизна которых защищена патентом на полезную модель;
-получены новые аналитические выражения для статистических характеристик оптимального декодирования недвоичных кодов, у которых кодовое расстояние равно длине кодовой комбинации, адекватность которых подтверждена имитационным моделированием.
Полученные результаты позволяют использовать новые недвоичные коды в системах телекоммуникаций повышенной помехозащищённости.
5. Научной новизной разработанных алгоритмов каскадного кодирования данных в системах телекоммуникаций повышенной помехозащищённости с ШПД и оценки его эффективности является:
-реализована новая идея построения каскадных кодов: для получения существенного энергетического выигрыша кодирования в качестве внутреннего кода обосновано использование двоичного КИК (16,8) с его мягким декодированием и режекцией наиболее опасных помех на приёмной стороне; для существенного повышения помехоустойчивости системы телекоммуникаций с ШПД в качестве внешнего кода предложено использовать недвоичный (основание кода q=256) код, у которого длина кода равна кодовому расстоянию, с оптимальным его декодированием;
-новые аналитические выражения для оценки эффективности алгоритмов каскадного кодирования, которые, в отличие от известных, учитывают не только параметры кодирования, но и затраты энергетических и частотных ресурсов системы телекоммуникации, а также статистические характеристики декодирования внешнего и внутреннего кодов;
-новые научно обоснованные технические решения по реализации платформ каскадного кодирования данных в системах телекоммуникаций повышенной помехозащищённости с ШПД.
С учётом полученных результатов исследования алгоритмов каскадного кодирования данных и оценки его эффективности предложено ввести в состав системы телекоммуникации повышенной помехозащищённости новую платформу каскадного кодирования, где используется многопозиционное частотное кодирование недвоичных символов внешнего кода.
Теоретическая значимость диссертации. Разработанные новые математические модели, методы и алгоритмы кодирования данных и их декодирования в телекоммуникационных системах повышенной помехозащищённости с ШПД как научные результаты диссертации имеют доказательную основу в виде теорем, утверждений, следствий, имитационных моделей для подтверждения решения научной проблемы.
Полученные новые аналитические выражения для статистических характеристик декодирования, подтверждение их имитационным моделированием позволяют сделать важные теоретические выводы:
-доказана осуществимость фундаментальной теоремы К.Шеннона для кодирования в каналах передачи с непреднамеренными и преднамеренными помехами различных видов и стратегий постановки при фиксированной (а не бесконечной) полосе рабочих частот;
-реализована новая идея каскадного кодирования данных и их декодирования, обеспечивающая повышенную помехозащищённость систем телекоммуникаций с ШПД по сравнению с существующими.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования состоит в том, что они доведены до реализуемых имитационных моделей и методик, с помощью которых можно оценивать как аналитически, так и экспериментально характеристики и параметры существующих и перспективных средств передачи данных систем телекоммуникаций.
Реализация научных результатов позволяет получить:
-выигрыш мягкого декодирования КИК при приёме сигналов с ОФМ по отношению к его жёсткому декодированию по энергетическим затратам составляет 5 дБ при вероятности Pb=10-3, а уменьшение вероятности Pb составляет порядка 30 дБ при воздействии узкополосных и импульсных помех, для режекции которых устанавливается оптимальный пороговый уровень напряжения, а отношение сигнал/шум на бит 2;
-выигрыш мягкого декодирования КИК при приёме избыточных сигналов с ЧМ по уменьшению вероятности ошибочного декодирования байта сообщения при фиксированной энергии сигнала на его передачу составляет от 20 до 40 дБ по сравнению с безызбыточной передачей, при этом вероятность поражения помехами частотных позиций полезного сигнала PЧП>0.3 (для сравнения – при приёме сигналов с ОФМ допускается на более 10% поражения спектра сигнала помехами);
-снижение вероятности ошибочного декодирования бита сообщения при введении двойной избыточности в ЧМ сигнал составляет до 10 дБ при воздействии наиболее опасной широкополосной шумовой помехи;
-выигрыш от применения новых недвоичных кодов при их оптимальном декодировании состоит в том, что допускается вероятность искажения символа кода помехами в 8.33 раза большая, чем для известных кодов Рида-Соломона при Pb10-4, т.е. увеличение помехозащищённости составляет 9.2 дБ;
-максимально возможный выигрыш в помехозащищённости предложенных платформ с каскадными кодами составляет 10 дБ при использовании сигналов с ОФМ, а для избыточных ЧМ сигналов допускается поражение помехами 45% рабочей полосы частот, длина пакета ошибок, исправляемых предложенными кодами, составляет 512 двоичных символов, что значительно (в 3 раза) превосходит возможности известных каскадных кодов;
-сокращение времени декодирования в 136 раз по сравнению с используемыми декодерами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах в Военной академии Петра Великого (г.Москва) и её филиале (г.Серпухов Московской области), МОУ «Институт инженерной физики», 4 ЦНИИ Минобороны России, Воронежском военном авиационном университете, Калужском НИИ телемеханических устройств, ГКСБ «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 научных статей в рецензируемых изданиях и 56 научно-методических работ в других изданиях, получено 5 патентов на полезные модели.
Внедрение результатов исследования:
-в ОАО «Военно-инженерная корпорация» (г.Москва) в ОКР «Универсал-ТМИ» (акт реализации от 19.12.2013г.); -в ОАО «Корпорация «Комета» (г.Москва) в СЧ ОКР «Создание изделия 15Э1818» (акт реализации от 18.12.2013г.); -в МОУ «Институт инженерной физики» (г.Серпухов, Московской обл.) в ОКР «Палочка-31» (акт реализации от 12.12.2013г.); -в образовательном процессе филиала Военной академии РВСН им. Петра Великого (г.Серпухов, Московской обл.) на кафедре «Автоматизированные системы управления» (акт реализации от 5.12.2013г.).
Личный вклад соискателя. Все исследования, содержание которых изложено в диссертации, проведены лично соискателем. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести разделов, выводов по каждому разделу, заключения и списка использованных источников из 196 наименований. Общий объем работы составляет 322 страницы, включающих 85 рисунков и 57 таблиц.
Информационно-статистический анализ платформ кодирования в системах телекоммуникаций стандарта IEEE 802.16-2004
Известно [3,33], что из всех исследованных на сегодняшний день схем корректирующего кодирования наиболее перспективными с точки зрения практического использования, максимального приближения к пропускной способности К.Шеннона в различных каналах и простоты реализации оказались три кодовые платформы: каскадные коды с внутренним свёрточным кодом с декодированием по алгоритму Витерби и внешним кодом Рида-Соломона; свёрточные и блочные турбокоды; низкоплотностные коды Р.Галлагера.
Очевидно, что во всех новейших стандартах беспроводного доступа будут применяться те или иные комбинации этих кодовых платформ. Актуальность темы исследования.
На современном этапе развития систем телекоммуникаций, использующих беспроводные сети связи с ШПД, первостепенное значение приобрело оптимальное использование спектрального ресурса радиоканала при заданных соотношениях «скорость передачи - помехоустойчивость», а также необходимость обеспечить требуемый уровень качества обслуживания (достоверность, своевременность и безопасность) любому абоненту сети в любых условиях помеховой обстановки и распространения радиоволн. Применяемые технические решения в известном стандарте ШПД IEEE 802.16-2004 в должной мере удовлетворить этим требованиям не могут. В частности, исследования известных учёных Борисова В.И., Варакина Л.Е., Феера К. позволили выявить существенные недостатки методов расширения спектра радиосигналов по повышению помехозащищённости систем телекоммуникаций с ШПД [19,20,26,179]: -коэффициент расширения спектра сигнала (Крс) должен быть достаточно высоким (Крс 1000); -при конечной полосе рабочих частот системы передачи данных увеличение Kрс 1000 потребует уменьшения скорости передачи информации источником сообщений, что в ряде случаев невозможно выполнить; -существуют виды преднамеренных помех и стратегии их постановки, при которых расширение спектра сигнала не даёт желаемого повышения помехозащищённости; -для гарантированного обеспечения повышенной помехозащищённости систем телекоммуникаций с ШПД помимо расширения спектра сигнала требуется использовать методы борьбы с наиболее опасными преднамеренными помехами (режекция, бланкирование) в первой решающей схеме радиоприёмника и эффективные методы корректирующего кодирования данных, способные противостоять пакетам ошибок.
В известных работах Золотарёва В.В., Зубарева Ю.Б. исследованы эффективные методы корректирующего кодирования данных. Их анализ показывает, что для каналов передачи с пакетированием ошибок существуют такие конфигурации ошибок в принятой кодовой последовательности, которые не будут исправлены при любом числе итераций в блоковом многопороговом декодере или сколь угодно длинными цепочками пороговых элементов в его свёрточном варианте [136,137,138].
В результате диссертационного исследования доказано, что такие «неудобные» конфигурации пакетов ошибок исправляются оптимальным недвоичным декодером, который, в отличие от известного декодера Рида-Соломона, реализует принцип максимального правдоподобия, и новыми платформами каскадного кодирования данных, использующими методы борьбы с наиболее опасными преднамеренными помехами, методы мягкого декодирования двоичных помехоустойчивых сигнально-кодовых конструкций во внутреннем декодере и оптимальное недвоичное декодирование во внешнем декодере.
В современной статистической теории передачи данных, включая и теорию кодов, исправляющих ошибки, отсутствует теоретическая основа для информационно-статистического анализа характеристик оптимального жёсткого декодирования двоичных и недвоичных корректирующих кодов, а также мягкого декодирования двоичных помехоустойчивых сигнально-кодовых конструкций для перспективных платформ кодирования данных в системах телекоммуникаций с ШПД, работающих в условиях воздействия преднамеренных помех.
Имеющиеся теоретические разработки для анализа систем телекоммуникаций с ШПД направлены на учёт влияния гауссовского шума и частично на учёт замираний из-за многолучевого распространения радиосигнала, но не учитывают влияния преднамеренных (или непреднамеренных) наиболее опасных помех (узкополосных гармонических, псевдошумовых и заградительных, импульсных, ретранслируемых, шумоподобных в части полосы пропускания) и не позволяют дать научно обоснованные рекомендации для выбора параметров корректирующих сигнально-кодовых конструкций и эффективных платформ кодирования данных, способных обеспечить гарантированное качество обслуживания абонентов сети в условиях воздействия наиболее опасных помех, хотя теоретическое предсказание такой возможности изложено в известных работах К.Шеннона [185].
Информационно-статистический анализ платформ кодирования данных систем телекоммуникаций стандарта IEEE 802.16 показал, что первая, наиболее помехоустойчивая платформа кодирования (каскадный код: недвоичный код Рида-Соломона и двоичный свёрточный код) позволяет обеспечивать вероятность ошибочного приёма бита сообщения Pb=510-5 при отношении сигнал/шум на бит ( hb2 ), равном 4.2дБ. В тоже время известно, что при использовании мягкого декодирования внутреннего двоичного кода в этой же платформе кодирования данных можно работать при отношении сигнал/шум на бит, равном 0дБ. Однако при этом необходимо использовать специальные способы борьбы с наиболее опасными преднамеренными помехами, в том числе и порождающими пакеты ошибок.
Метод отображения статистических характеристик жёсткого оптимального декодирования двоичных произвольных помехоустойчивых кодов
Задачи непосредственной доставки потоков данных между базовой станцией (БС) и абонентскими станциями (АС) решаются на физическом уровне стандарта IEEE 802.16. Функции же, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы IEEE 802.16, реализуются на MAC-уровне. В стандарте создан единый для всех приложений протокол MAC-уровня, независимо от особенностей физического канала, т.е. физически среды передачи в разных фрагментах Wireless-MAN (WMAN) могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (понятно, не одновременно) сотни различных терминалов еще большего числа конечных пользователей. Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения) – потоки голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Более того, заданное качество услуг каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы доступа MAC-уровня должны уверенно решать все эти задачи.
Структурно MAC-уровень стандарта подразделяется на три подуровня [33]: -подуровень преобразования сервиса, где происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней (приложения ATM, IP, Frame Relay и др.) для передачи через сети IEEE 802.16. Важнейшая задача, решаемая на этом уровне, - задача классификации пакетов/ячеек, её решение определяет оптимизацию передаваемых потоков и выделение полосы пропускания для каждого из них; -основной подуровень, обеспечивающий качество обслуживания; -подуровень защиты, где реализуются функции криптозащиты данных и механизмы аутентификации/предотвращения несанкционированного доступа.
Здесь поток данных в сетях IEEE 802.16 – это поток пакетов, которые формируются на основном подуровне и затем передаются на физический уровень. Например, применительно к технологии ATM данные передаются ячейками (5 байт заголовок и 48 байт поле данных). Передача данных на физическом уровне происходит посредством непрерывной последовательности кадров фиксированной длительности. Кадр состоит из двух субкадров [33]: -для потока данных от базовой станции к абонентской станции (нисходящий поток); -для потока данных от абонентской станции к базовой станции (нисходящий поток). Для организации дуплексной работы предусмотрено как частотное (FDD), так и временное (TDD) разделение восходящего и нисходящего субкадров. При временном дуплексировании каналов кадры передаются в одном частотном диапазоне, сначала нисходящий, затем восходящий. При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий субкадры транслируются одновременно, но с частотным разносом.
Нисходящий субкадр начинается с синхронизирующей последовательности (преамбулы), за которой следует управляющая секция с набором широковещательных (предназначенным всем) служебных сообщений. За ними передаются пакеты физического уровня, содержащие как служебные сообщения, так и данные для различных абонентских станций. Пакеты в нисходящем субкадре следуют друг за другом без интервала. Чтобы абонентские станции могли отличить один пакет от другого, в управляющей секции передаются специальные карты нисходящего и восходящего каналов [33].
В восходящем субкадре для каждой передающей абонентской станции базовая станция резервирует специальные временные интервалы (или частотно-временные для режимов с ортогональными несущими), которые называются тайм-слотами. Информация о распределении тайм-слотов между абонентскими станциями записывается в карте восходящего канала, транслируемого в каждом кадре. Карта нисходящего канала функционально аналогична карте восходящего канала. В ней сообщается, сколько тайм 52 слотов в субкадре, точка начала и идентификатор соединения для каждого из них, а также типы профилей всех пакетов.
Профиль пакета – это список его параметров, включая метод модуляции, тип канального кодирования с параметрами схем кодирования, диапазон отношений сигнал/шум в приёмном канале конкретной станции, при котором данный профиль может применяться. Каждому профилю пакета в нисходящем/восходящем канале присваивается идентификационный код, который и используется в карте нисходящего канала при распределении ресурсов. Список профилей в виде специальных управляющих сообщений – дескрипторов нисходящих и восходящего каналов – транслируется базовой станцией с периодом не менее 10с.
Статистические характеристики мягкого декодирования кодированных сигналов с относительной фазовой манипуляцией в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех
В существующих системах телекоммуникаций с ШПД используется жёсткое декодирование сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией (М=16, М=64) и требующее на входе приёмника /г0210. При наличии организованных (внешних) помех с Рп Рс вероятность Pq в этом случае резко увеличивается, и требуются (и они используются) кодовые методы защиты от таких помех. Задача усложняется ещё больше при воздействии внешних помех, порождающих пакеты ошибок.
Качество мягкого декодирования двоичных сигналов определяется либо вероятностью ошибки в приёме бита сообщения Рь, либо вероятностью ошибочного приёма кодовой комбинации Рош, которые зависят от отношений сигнал/шум h02 иРс/Рп.
Известно [19,51], что при увеличении h02 и уменьшении Рп/Рс 1 вероятность Рь удаётся приблизить к теоретическому пределу К.Шеннона, затрачивая для этого всего лишь удвоенную полосу рабочих частот. Очевидно, в условиях воздействия на вход приёмника гауссовского шума мягкое декодирование сигналов имеет неоспоримое преимущество перед жёстким.
Замечание 1.8. При Рц/Рс 1 мягкое декодирование кодированных сигналов теряет свою эффективность, особенно сильно это проявляется при использовании сигналов с фазовой модуляцией (высокая вероятность трансформации переданного сообщения в другое), в меньшей степени - для сигналов с частотной манипуляцией, которые в известных системах телекоммуникаций с ШПД не заявлены.
Замечание 1.9. В известных системах телекоммуникаций с ШПД используется мягкое декодирование кодированных сигналов с фазовой манипуляцией, которые не могут работать при интенсивных внешних помехах с PП PС [33].
Замечание 1.10. Мягкое декодирование принимаемых сигналов не может корректировать пакеты ошибок.
Предложение 1.6. Для компенсации вредного воздействия внешних помех с PП PС целесообразно использовать их режекцию. Особенно эффективна режекция узкополосных помех в схемах мягкого декодера при использовании для передачи данных избыточных сигналов с частотной манипуляцией [116,118].
Так как ни мягкое, ни жёсткое декодирование (демодуляция) принимаемых кодированных сигналов не решает задачу гарантированного обеспечения заданной помехозащищённости системы телекоммуникаций с ШПД, то применение корректирующего кодирования данных с эффективными методами их декодирования является единственным способом решения такой задачи.
Известны эффективные недвоичные коды Рида-Соломона, скорость которых k/n 0.5, которые способны исправлять пакеты ошибок [152,170]. Однако их алгоритмы декодирования – Рида-Соломона, Берлекэмпа-Месси основаны на пороговых свойствах по коррекции ошибок, определяемых минимальным кодовым расстоянием dmin [14,170].
Несмотря на то, что, в отличие от двоичных кодов, недвоичные коды Рида-Соломона способны работать при вероятностях Pq0.5, указанные выше алгоритмы их декодирования не позволяет реализовать потенциальные возможности недвоичных кодов по коррекции ошибок.
В частности, в известных системах телекоммуникаций не используется алгоритм оптимального декодирования недвоичных кодов, который априорно позволяет обеспечить заданное значение вероятности Pb при значительно больших допустимых значениях вероятности Pq по сравнению с пороговыми алгоритмами декодирования [51]. Таким образом, существует теоретическая основа для повышения помехозащищённости перспективных систем телекоммуникаций с ШПД, содержанием которой являются: -методы мягкого декодирования двоичных кодированных сигналов, использующие способы борьбы с наиболее опасными помехами (Рп Рс) -режекцию помех, введение избыточности в сигналы с частотной манипуляцией; -методы недвоичного кодирования данных, допускающие реализацию оптимального декодирования; -алгоритмы каскадного кодирования данных, в отличие от известных, использующие недвоичные коды с оптимальным их декодированием, а также мягкое помехоустойчивое декодирование двоичных сигналов, в том числе с частотной манипуляцией.
Статистические характеристики мягкого итеративного декодирования многопозиционных сигналов с частотной манипуляцией в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных помех
1. Разработан метод многопозиционного частотного кодирования данных в системах телекоммуникаций с частотной манипуляцией сигналов. Его новым научным содержанием являются: -новые аналитические выражения для оценки статистических характеристик мягкого декодирования ЧМ сигналов в условиях воздействия гауссовского шума и преднамеренных узкополосных помех; -доказанная теорема о существовании оптимальных порогов режекции узкополосных преднамеренных помех с мощностью PП PС, при которых обеспечивается минимальная вероятность ошибочного декодирования кодированных ЧМ сигналов; -закон изменения порогового уровня напряжения режекции узкополосных преднамеренных помех в зависимости от отношения сигнал/шум в схеме адаптивного мягкого декодера; -новые аналитические выражения для оценки статистических характеристик мягкого декодирования избыточных ЧМ сигналов в условиях воздействия гауссовского шума и наиболее опасных преднамеренных помех (ответных гармонических, шумовой широкополосной).
2. Анализ полученных статистических характеристик мягкого декодирования избыточных ЧМ сигналов позволил установить: -при h02 =const, PЧП=const увеличение избыточности m ЧМ сигнала позволяет существенно уменьшить вероятность ошибки декодирования в условиях воздействия мощных преднамеренных узкополосных помех (при избыточности ЧМ сигналов, равной m=2, можно получить вероятность ошибочного декодирования Pb бита сообщения, кодированного КИК с параметрами (16,8), меньше 10-4); -при PЧП=const, m=const с увеличением отношения сигнал/шум и обеспечении оптимального уровня порогового напряжения режекции преднамеренных помех вероятность ошибки мягкого декодирования достигает своего предельного значения, равного PЧ mП .
3. Исследовано влияние наиболее опасных для ЧМ сигналов ответных гармонических, шумовых широкополосных в части полосы рабочих частот помех. При этом установлено: -наиболее опасной является ответная гармоническая помеха, у которой PП=PС, а мягкое декодирование ЧМ сигнала существенно уменьшает вероятность ошибочного декодирования кодовой комбинации КИК (16,8), оно более эффективно, чем увеличение отношения h02 для безызбыточного сигнала; -воздействие ответной гармонической помехи на свободный канал приёма ЧМ сигнала более эффективно, чем её воздействие на свободный канал приёма при PП/PС10, применение режекторных фильтров в схеме приёмника значительно ослабляет влияние такой помехи; -увеличение вероятности PЧП при широкополосной шумовой помехе более сильно влияет на увеличение вероятности ошибочного декодирования ЧМ сигналов, чем снижение h02 ; -для борьбы с ответными гармоническими и шумовыми широкополосными помехами целесообразно использовать недвоичные корректирующие коды, избыточные ЧМ сигналы с их мягким декодированием.
4. Оценка эффективности мягкого декодирования двоичных избыточных сигналов с частотной манипуляцией позволила установить: -по сравнению с мягким декодированием сигналов с ОФМ рабочая полоса частот расширяется как минимум в 4 раза, однако при 30% и более поражении спектра сигнала с ОФМ режектируемыми преднамеренными помехами с PП PС обеспечить требуемую достоверность информационного обмена сигнал с ОФМ не может; -композиционные двоичные коды совместно с избыточными ЧМ сигналами при их мягком декодировании позволяют наиболее близко подойти к пределу К.Шеннона для телекоммуникационных систем с ШПД, работающих в условиях воздействия преднамеренных помех различного вида и стратегий постановки, поражающих до 45% частотного спектра сигнала; -в структуру системы телекоммуникаций повышенной помехозащищённости с ШПД целесообразно ввести новую платформу кодирования данных, использующую двоичные КИК и избыточные
