Введение к работе
Актуальность темы исследования
Применение тех или иных методов кодирования способно в значительной степени повысить достоверность принимаемой информации и обеспечить энергетический выигрыш кода (ЭВК) в канале связи до 10 дБ, приблизившись вплотную к порогу Шеннона, например, при использовании турбокодов или кодов с малой плотностью проверок на четность. Недостатком таких мощных кодов является большая избыточность, вносимая в передаваемое сообщение, применение итеративных преобразований, что приводит к существенному увеличению цикла управления на этапе обработки данных.
В связи с широким развитием мобильных средств связи, каналы которых подвергаются большому количеству деструктивных факторов, в том числе создаваемых преднамеренно, важно учитывать возможность использования адаптивных алгоритмов защиты данных, которые способны гибко реагировать на изменения условий передачи и обработки управляющей информации.
Для учета нестабильности передающей среды разрабатываются
адаптивные системы кодирования (АСК), способные динамически
подстраивать уровень вносимой избыточности в зависимости от текущего состояния канала связи. Существуют различные подходы к реализации АСК, наиболее простым из которых является предварительная подготовка набора кодеков с динамическим переключением между ними. Такой метод не всегда является оптимальным, так как при переходе с одного кода на другой изменять зачастую необходимо лишь некоторые параметры кода. Гораздо более эффективным методом реализации АСК является динамическая перестройка только тех параметров кода, которые отвечают за его избыточность. В этой связи исследования, направленные на разработку гибких адаптивных алгоритмов применения помехоустойчивых кодов, и их реализация на современной (перспективной) элементной базе являются несомненно актуальными.
Степень разработанности темы.
Концептуальные принципы развития цифровых систем связи заложены в основополагающих работах В.А. Котельникова, К.Е. Шеннона, Р.М. Фано и П. Элайеса. Значительный вклад в разработку теории повышения спектральной и энергетической эффективности систем обмена данными внесли такие зарубежные авторы как E.R. Berlekamp, R.C. Bose, R.W. Hamming, R.E. Blahut,
J. Massey, I.S. Reed, G. Solomon, M. Sudan, G.D. Forney, R.G. Gallager, A.J. Viterbi, а также ряд отечественных ученых: В.И. Коржик, Э.Л. Блох, В.В. Зяблов, К.Ш. Зигангиров, В.В. Золотарев, Г.В. Овечкин, Л.Е. Варакин, в работах которых раскрываются теоретические основы построения различных классов избыточных кодов. Вместе с этим, применение помехоустойчивых кодов в адаптивных системах связи в указанных работах рассматривается в самых общих чертах и основывается на дискретной элементной базе, не отвечающей современным требованиям.
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка и исследование адаптивных алгоритмов мягкого декодирования каскадных кодов на основе кодов Рида - Соломона (РС) и выработка рекомендаций по их реализации на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
-
Анализ существующих методов защиты цифровых данных с использованием избыточных кодов в процедуре обмена информацией и выявление характерных недостатков таких решений применительно к организации циклов управления систем реального времени.
-
Исследование методов формирования мягких решений в системах со сложными видами модуляции применительно к задачам каскадных кодеков на основе кодов РС при обосновании конкретных решений для достижения требуемых значений ЭВК.
-
Разработка и реализация программно-аппаратным методом алгоритмов адаптивных кодеков каскадных кодов с учетом возможностей современной элементной базы, в том числе ПЛИС.
-
Разработка конструктивных решений программно-аппаратной реализации адаптивных кодеков каскадных кодов на ПЛИС и получение оценки их эффективности на основе методов компьютерного моделирования с подтверждением полученных теоретических результатов.
-
Разработка макета адаптивного кодека и выполнение лабораторных и натурных испытаний разработанного оборудования, обработка и обобщение полученных данных.
Методы исследования
Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели
использованы методы системного анализа, математического моделирования,
теории вероятности, теории информационных систем, численные методы, а
также методы программирования. Математическое моделирование
производилось с использованием пакетов прикладных программ, таких как Mathcad, MATLAB, Simulink. Разработка и отладка программно-аппаратных средств велась с применением программ Quartus II 13.1 и Modelsim SE 10.2.
Объект исследования
Объектом исследования данной диссертационной работы является система защиты данных от ошибок при передаче управляющей информации между
морскими мобильными объектами с использованием радиосвязи СВЧ-диапазона в режиме реального времени с заданным уровнем достоверности.
Предмет исследования.
Предметом исследования являются алгоритмы адаптивной мягкой обработки каскадных кодов и их реализация на ПЛИС.
Соответствие рассматриваемой специальности
Содержание диссертационной работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций:
п.п. 2 - исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео-, аудио- и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур;
п.п. 3 - разработка эффективных путей развития и совершенствования архитектуры сетей и систем телекоммуникаций и входящих в них устройств;
п.п. 8 - исследование и разработка новых сигналов, модемов, кодеков, мультиплексоров и селекторов, обеспечивающих высокую надежность обмена информацией в условиях воздействия внешних и внутренних помех.
Научная новизна
-
Предложена и разработана новая методика формирования мягких решений символов недвоичных кодов в системах обмена данными со сложными видами модуляции, позволившая повысить долю надежных оценок символов с учетом специфики квантования зон принятия решений для внешних точек сигнальных созвездий. Исследованы статистические свойства таких оценок.
-
Разработана имитационная модель формирования целочисленных мягких решений недвоичных символов, и исследованы статистические свойства таких оценок для наиболее значимых сигнально-кодовых конструкций.
-
С учетом специфики архитектуры ПЛИС впервые предложен алгоритм поиска полинома локаторов ошибок в комбинациях недвоичного кода на базе сдвигового регистра с обратными связями, позволивший сократить длину критического пути декодера, как минимум, в два раза.
-
Разработан, реализован и исследован новый алгоритм адаптивного декодирования кодов РС, сложность которого не зависит от количества ступеней адаптации, позволивший сократить требуемый объем вычислительных ресурсов на ПЛИС относительно известных алгоритмов от 2 до 5 раз.
Практическая ценность работы
Разработанные алгоритмы декодирования недвоичных кодов РС имеют улучшенные характеристики по скорости их работы и занимаемой площади на кристалле ПЛИС по сравнению с классическими алгоритмами. Их универсальность позволяет применять предложенный подход во всех
существующих адаптивных системах связи, использующих коды РС в качестве канального кода.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Предложенная методика формирования мягких решений символов с учетом открытых областей в системе сигнально-кодовых конструкций позволила повысить помехоустойчивость приема дискретных сообщений за счет увеличения доли верных решений.
-
Новый алгоритм вычисления полинома локаторов ошибок на базе модифицированного сдвигового регистра с обратными связями ориентированный на архитектуру ПЛИС позволил сократить объем требуемых вычислительных ресурсов необходимых при реализации декодера недвоичного кода.
-
Метод параметрической адаптации системы обмена данными с каскадным кодированием, основанный на свободном конструктивном выборе числа ступеней промежуточных режимов относительно минимальной скорости кода РС.
-
Архитектура арифметических вычислителей в поле Галуа, позволившая реализовать их на вентильном уровне, что обеспечило минимальные аппаратные затраты при реализации кодеков РС на ПЛИС.
Обоснованность и достоверность результатов работы
Результаты работы базируются на использовании научных положений и методов исследования, апробации созданного программно-аппаратного комплекса и подтверждаются соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на
Международной конференции «Радиоэлектронные устройства и системы для
инфокоммуникационных технологий» REDS, (г. Москва, 2013 г., 2015 г.),
ХX международной научно-технической конференции «Радиолокация.
Навигация. Связь», (г. Воронеж, 2014 г.), 17-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» DSPA (г. Москва, 2015 г.), Международной научно-технической конференции «RLNC» (г. Воронеж, 2015 г., 2016 г.).
Результаты работы опубликованы в 17 печатных трудах, в числе которых 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 12 трудов и тезисов докладов на Международных и Всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях.
Реализация результатов работы
Материалы диссертации были использованы:
1. При выполнении ОКР «Каскад 1» (2010-2011 гг.) и НИР «Каскад 2» (2012-2013 гг.). Результаты работы используются в разработках ФНПЦ АО «НПО «Марс», для создания широкополосного помехоустойчивого канала связи в изделиях проекта «Трасса-22350».
2. При внедрении в учебный процесс в Ульяновском государственном техническом университете по направлению 11.03.02 в курсах «Общая теория связи 2» и «Теория кодирования и защиты информации».
Личный вклад автора
Автору работы принадлежат разработка и программно-аппаратная реализация алгоритма поиска полинома локаторов ошибок для адаптивных декодеров кодов РС. Диссертант участвовал в проведении лабораторных и натурных испытаний разработанной АСК. В совместных работах автор участвовал в рассуждениях, выводе аналитических соотношений, проведении расчетов, составлении математических моделей и проведении имитационных испытаний с ними.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 139 страниц машинописного текста, в том числе 68 иллюстраций и 8 таблиц. Список литературы включает в себя 127 наименований. В приложениях к диссертации представлены листинги программ имитационных моделей рассматриваемых систем передачи данных (СПД), листинги аппаратной реализации модулей, входящие в состав кодека, описание изобретения, а также акты внедрения результатов работы.