Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Проблема принятия решения о применимости помехоустойчивых
кодеков в цифровых каналах связи и способ ее решения 18
-
Необходимость противодействия помехам в каналах связи 18
-
Формулировка задачи согласования помехоустойчивого кодека и канала связи 22
-
Имитационное моделирование каналов связи как способ решения задачи согласования кодека и канала 25
1.3.1. О подходах к математическому моделированию компонент
цифровых каналов передачи данных 26
1.3.2. Некоторые качественные представления о реальном
цифровом канале 27
-
Описание цифровых каналов математическими моделями. 29
-
Источник потока ошибок 32
-
Алфавит состояний канала 33
-
Понятие пакетов ошибок и промежутков между пакетами. 34
1.3.7. Способы статистического описания дискретных двоичных
последовательностей 35
1.4. Обзор и анализ программных средств имитационного
моделирования цифровых помехоустойчивых каналов передачи данных 37
-
Узконаправленные программные комплексы 38
-
Универсальные и специализированные пакеты программ .. 39
1.5. Выводы 45
Глава 2. Разработка новых математических моделей источников
ошибок цифровых каналов 47
-
Основные понятия из теории случайных процессов, необходимые для построения математических моделей источников ошибок 47
-
Обзор и анализ известных математических моделей источников ошибок 50
2.3. Разработка математического аппарата для построения моделей
источников ошибок 58
2.3.1. Построение дискретной аппроксимации функции плотности
вероятности, заданной на конечном отрезке 58
2.3.2. Формулировка и решение задачи масштабного переноса
функции плотности вероятности 61
2.3.3. Конструкция квазипериодического процесса с р-эталонным
случайным процессом и распределением длин квазипериодов f(T) 64
2.4. Разработка иерархии новых математических моделей источников
ошибок на основе квазипериодических процессов 66
2.4Л. Математическая модель источника периодических
случайных ошибок (Р-модель) 66
-
Математическая модель источника квазипериодических случайных ошибок (QP-модель) 71
-
Математическая модель источника квазипериодических случайных ошибок для канала с многобуквенным алфавитом состояний (QPn-модель) 73
2.4.4. Возможности параметрической трансформации QPn-модели
15
2.5. Выводы. 83
Глава 3. Конструкция информационной системы оценки применимости схем
алгебраического помехоустойчивого кодирования 85
3.1. Уточнение понятия информационной системы оценки
применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования 85
3.2. Разработка имитационной модели цифрового помехоустойчивого
канала передачи данных 87
3.2.1. Блок математической модели цифрового
помехоустойчивого канала связи 89
3.2.2. Блок моделирования источника ошибок цифрового
помехоустойчивого канала связи 91
3.2.3. Блок управления имитационной моделью цифрового
помехоустойчивого канала связи 93
3.2.4. Блок обработки результатов имитационных экспериментов 95
-
Техническое задание на разработку программного комплекса «Channel 2.0» 97
-
О вопросах программной реализации информационной системы оценки применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования 100
-
Проектирование программной конфигурации пакета «Channel 2.0» 100
-
Реализация каркасно-шинной конфигурации пакета «Channel 2.0» 105
3.4.3. Выбор среды проектирования информационной системы
«Channel 2.0» 106
3.5. Функциональные возможности комплекса «Channel 2.0» 107
3.6. Выводы ПО
Глава 4. Практическое применение информационной системы оценки
применимости схем помехоустойчивого алгебраического кодирования 112
4.1. Формализация задач по сбору и обработке информации,
необходимой для оценки корректирующих способностей помехоустойчивых
кодеков ИЗ
4.2. Методика использования программного комплекса «Channel 2.0»
для исследования корректирующих свойств помехоустойчивых
алгебраических кодеков и каскадов, а также для исследования вопросов
применимости конкретных кодеков и каскадов в каналах связи 116
-
Общие указания по методике использования информационной системы «Channel 2.0» 116
-
Схема исследования корректирующих свойств помехоустойчивых кодеков 121
4.2.3. Схема решения задачи согласования кодека и канала 124
4.3. Валидация модели и некоторые результаты, полученные с
использованием комплекса «Channel 2.0» 126
4.3Л. Исследование корректирующих способностей некоторых
кодов из семейства кодов Рида-Соломона с детерминированными
алгоритмами декодирования и сравнительный анализ результатов и
расчетных оценок 126
4.3.2. Сравнительный анализ экспериментальных данных для
кодов Рида-Соломона с детерминированным и вероятностным
алгоритмами декодирования 132
-
Сравнительный анализ результатов имитационных экспериментов с двоичными сверточныыи кодами и результатов их исследования в высокоскоростных системах связи 134
-
Сравнительный анализ результатов имитационных экспериментов с использованием кодов Рида-Маллера в случае детерминированного и вероятностного декодеров 139
4.4. Выводы 143
Заключение 145
Библиографический список 147
Приложение А 160
Приложение Б 168
Введение к работе
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В каналах связи присутствуют нежелательные изменения сигнала - помехи, которые уменьшают достоверность воспроизведения передаваемых сообщений. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Одним из самых эффективных способов борьбы с помехами является помехоустойчивое кодирование. Его применение дает большой экономический эффект за счет снижения энергии передаваемого сигнала [12], [36], поэтому в стандартах цифровой связи для улучшения качества связи в обязательном порядке применяются разнообразные методы помехоустойчивого кодирования,
В 1950-1970-е годы было разработано большое количество алгебраических кодов с исправлением ошибок, среди которых следует назвать коды Хем-минга, Го лея, Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ), Рида-Соломона (PC), Рида-Маллера, Адам ара, Юстенсена, Гоппы, Сривэставы, альтернантные, сверточ-ные коды с разными алгоритмами декодирования. В настоящее время теория помехоустойчивого кодирования продолжает активно развиваться. Основной ее целью является конструирование новых кодов, алгоритмов кодирования, а также нахождение и исследование таких методов непереборного декодирования, которые по своим характеристикам были бы по возможности близкими по эффективности к переборным процедурам и при этом бы максимально учитывали потребности и условия применения кодирования в реальных каналах связи. Среди последних разработок в теории помехоустойчивого кодирования следует отметить стохастические и алгебро-геометрические коды, многопороговые, вероятностные и списочные декодеры. Важные результаты теории помехоустойчивого кодирования в последние годы получены С.А. Осмоловским, В.В. Золотаревым, М.А. Цфасманом, С.Г. Влэдуцум, М. Суданом, В.М. Сидельниковым, А.Ю. Серебряковым и другими учеными. Сложность математических алгоритмов, используемых в новых мягких декодерах, зачастую не позволяет оценить корректирующую способность этих декодеров и каскадов на их основе теоретическими методами, и для изучения их свойств требуется проведение экспериментальных исследований.
Помехоустойчивые коды и алгоритмы их декодирования неодинаково хорошо исправляют различные типы ошибок. В зависимости от характеристик реального канала в потоке передаваемых данных могут возникнуть одиночные ошибки, пакеты ошибок различной плотности и длительности, а также другие более сложные структуры ошибок.
Если код согласован с каналом, т.е. код позволяет исправлять наиболее вероятные ошибки, введенная кодом избыточность становится оправданной. Если код не согласован с каналом, ошибки могут быть не только не исправлены, но и размножены кодом. В этом случае применение помехоустойчивого кодирования принесет не пользу, а вред. Для согласования кода с каналом связи необходимо иметь достаточный объем сведений о возможном характере ошибок в каналах связи и о корректирующих свойствах кода по отношению к ошибкам различной структуры. Таким образом возникает задача оптимизации соотношения между затратами на кодирование и обеспечиваемым качеством передачи информации (так называемая задача согласования кодека и канала). Отметим нетривиальность этой задачи, так как получение априорной оценки исправляющей способности кодека для конкретного канала часто бывает математически сложным [75].
В связи с этим разработчику систем связи необходима система поддержки принятия решений по выбору методов помехоустойчивого кодирования, которая позволила бы решать задачи согласования кодека и канала экспериментально. Очевидно, что проведение натурных экспериментов дорого и требует больших затрат времени. Наиболее эффективным способом решения задачи приемлемого выбора кодека для канала связи является использование имитационного моделирования цифрового помехоустойчивого канала передачи данных. В связи с высоким уровнем развития информационных технологий и вычисли- тельной техники имитационные модели целесообразно реализовывать в виде программных комплексов для ЭВМ. Имитационное моделирование обладает многими несомненными достоинствами. В частности, его использование сокращает сроки поиска проектных решений, являющихся оптимальными по некоторым критериям оценки эффективности, дает возможность проведения анализа различных алгоритмов управления, изучения влияния изменений параметров системы на ее характеристики и т.д.
В основе имитационного моделирования лежит предварительное построение математической модели исследуемого объекта, то есть цифрового помехоустойчивого канала. Очевидно, что реальные каналы связи весьма многообразны и их характеристики определяются большим числом факторов, влияющих на проходящие через канал сигналы. Если учитывать все факторы, воздействующие на характеристики канала, то математическая модель канала очень усложнится. Для разумного выбора кодовой защиты из всех характеристик канала необходимо, прежде всего, учесть характер группирования ошибок, то есть уделить особое внимание построению математической модели источника ошибок.
Разработкой моделей источников ошибок занимались многие ученые: Э.Н. Гильберт, Е.О. Эллиот, Б.М. Игельник, В.И. Петрович, Б.Д. Фричман, В.М. Охорзин, В.О. Колпаков, В.Я. Турин, О.В. Попов, Ю.С Чье и другие. Обычно математическая модель описывает некоторый очень узкий класс каналов, поэтому для исследования корректирующей способности кодека по отношению к различным типам ошибок при проведении имитационных экспериментов необходимо использовать несколько моделей источников ошибок. Это затрудняет проведение имитационных экспериментов, так как в их процессе приходится тестировать корректирующую способность кодеков для разных моделей и различных значений параметров моделей. Представляется более удобным построить новую общую модель источника ошибок канала, которая позволила бы моделировать различные случаи помеховой обстановки.
Программные комплексы для имитационного моделирования цифровых помехоустойчивых каналов передачи данных, позволяющие исследовать помехоустойчивые свойства кодеков создаются различными разработчиками. Например, пакет Communications Toolbox, являющийся расширением универсального пакета MATLAB компании SoftLine, предназначен для моделирования телекоммуникационных систем, отметим, однако, что пользование этим пакетом предполагает наличие некоторых навыков программирования. Известной российской разработкой ФГУП НИИР совместно с Институтом космических исследований РАН является компьютерный стенд "Имитатор", предназначенный для имитации цифровой передачи данных по спутниковым и другим каналам связи. Имитационные модели цифрового канала рассматривались также рядом других авторов, например, [19], [26], [35], [39], [45], [56], [61], [64], [76], [84], [91], [97], [99] при этом перечисленные разработки решают более узкие классы задач имитационного моделирования цифровых помехоустойчивых каналов передачи данных. Анализ функциональных возможностей существующих программных комплексов показал, что рассмотренные комплексы не позволяют решать задачи оптимального выбора кодека для канала связи в рамках одного пакета приемлемым образом. Поэтому актуальной представляется задача разработки специализированного программного комплекса для имитационного моделирования цифрового симметричного идеально синхронизированного помехоустойчивого канала связи с аддитивными ошибками; при этом функциональными требованиями к комплексу, кроме возможности оказания поддержки принятия решений о применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования в различных условиях их использования, является также возможность его модификации и удобство его использования пользователем, не имеющим специальных навыков программирования.
Целью диссертационной работы является создание методологических и инструментальных средств оценки применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования в каналах связи с различными типами ошибок, а также создание новых и совершенствование существующих методов математического и имитационного моделирования цифровых помехоустойчивых каналов передачи данных.
В диссертационной работе получены следующие существенные научные результаты.
Формализация и систематизация задач по сбору и обработке информации для оценки корректирующих способностей помехоустойчивых кодеков по отношению к ошибкам различного типа, выбор уровня детализации и разработка структуры динамической стохастической дискретной имитационной модели симметричного бинарного идеально синхронизированного помехоустойчивого канала связи с аддитивными ошибками без стираний.
Иерархия из трех новых математических моделей источников ошибок для цифровых симметричных идеально синхронизированных каналов связи с аддитивными ошибками без стираний: Р-модель источника случайных периодических ошибок, основанная на применении р-эталонного случайного дискретного процесса; расширение Р-модели - QP-модель источника случайных квазипериодических ошибок с фиксированным законом распределения длин квазипериодов f(t); расширение QP-модели - QPn-модель источника случайных ошибок для канала с многобуквенным алфавитом состояний.
Информационная система оценки применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования в цифровых симметричных идеально синхронизированных помехоустойчивых каналах связи с аддитивными ошибками без стираний с расширяемыми библиотеками кодеков и перемежителей.
Программный комплекс «Channel 2.0», являющийся ядром информационной системы оценки применимости алгебраического помехоустойчивого ко- дирования, созданный на основе специальной каркасно-шинной программной конфигурации.
5. Апробированная и внедренная методика применения комплекса «Channel 2.0» для исследования корректирующих свойств помехоустойчивых алгебраических кодеков и каскадов, а также для исследования вопросов применимости конкретных кодеков и каскадов в каналах связи, применение которой позволило подтвердить границы применимости ряда помехоустойчивых кодеков: кодеков на основе кодов Рида-Соломона с детерминированными алгоритмами декодирования Питерсона, Муттера; сверточных кодеков со скоростями 1/2, 2/3, 3/4, 7/8 и алгоритмом декодирования Витерби; кодеков на основе кодов Ри-да-Маллера с детерминированным и вероятностным алгоритмами декодирования по отношению к ошибкам различной структуры, длительности и интенсивности.
Научная новизна работы определяется следующими отличительными особенностями полученных результатов.
Информативность анализа корректирующих свойств помехоустойчивых кодов по отношению к ошибкам различной структуры, длительности и интенсивности значительно выше за счет комплексной систематизации задач (более 30) по сбору и обработке информации.
Научная новизна Р- и QP-моделей определяется тем, что по сравнению с существующими моделями, на отдельном отрезке потока ошибок рассматриваются как равномерно распределенные ошибки, так и ошибки, распределенные по другим известным законам распределения, свойственным каналам связи. По сравнению с Р-моделью длины моделируемых интервалов ошибок QP-модели независимы в совокупности и распределены по заданному закону. Наибольшим уровнем новизны обладает разработанная на основе QP-модели QPn-модель, которая задает чередование состояний канала периодической гаммой над конечным алфавитом, элементы которого соответствуют фиксированному источнику квазипериодических случайных ошибок, описываемому QP- моделью. QPn-модель позволяет имитировать различные случаи помеховой обстановки, частные случаи этой модели совпадают со многими известными и широко используемыми математическими моделями.
3. Информационная система оценки применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования в цифровых симметричных идеально синхро низированных помехоустойчивых каналах связи с аддитивными ошибками без стираний является специализированной, эффективно решает задачи рассматри ваемой предметной области: экспериментальное исследование корректирую щих способностей кодеков по отношению к ошибкам различной структуры, длительности и интенсивности, подбор к конкретному каналу связи оптималь ный по заданным параметрам код.
4. Новизна предметно-ориентированного программного комплекса «Channel 2.0», реализующего информационную систему оценки применимости алгебраического помехоустойчивого кодирования, заключается в его специаль ной программной конфигурации, которая позволяет пользователю самостоя тельно расширять библиотеки кодеков и перемежителей без участия разработ чика комплекса и без повторной компиляции базового программного продукта. Комплекс удобен для применения пользователем, не имеющим навыков про граммирования, и не имеет аналогов по своим функциональным свойствам.
5. С использованием комплекса «Channel 2.0» и методики его применения впервые получена граница применимости кодека с вероятностным алгоритмом В.М. Сидел ышкова декодирования кода Рида-Соломона при числе ошибок большем половины кодового расстояния по отношению к ошибкам различной структуры, длительности и интенсивности.
При выполнении работы использовались следующие методы исследования: общая теория имитационного моделирования, теория вероятности и математическая статистика, теория дискретных случайных процессов, теория передачи информации, теория алгебраических помехоустойчивых кодов над полями Галуа, имитационное моделирование на ЭВМ.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов определяется следующими перспективами их использования.
1. Механизм параметрической трансформации новой математической QPn-модели источников ошибок позволяет генерировать ошибки различной структуры, плотности и длительности, отражать нестационарность моделируе мого канала связи, что делает эту модель удобной для использования в имита ционном моделировании цифровых помехоустойчивых каналов связи.
2. Состав выполняемых функций программного комплекса «Channel 2.0», являющегося ядром информационной системы, позволяет в рамках едино го комплекса эффективно решать задачу оценки применимости алгебраических кодеков и их каскадов в конкретных каналах, а также задачи, связанные с ис следованием корректирующих способностей алгебраических кодеков и их кас кадов по отношению к ошибкам различного типа.
3. Методика применения комплекса «Channel 2.0» расширяет возможно сти, как разработчиков алгебраических кодеков, так и разработчиков систем связи, упрощая составление плана проводимых имитационных экспериментов по исследованию помехоустойчивости алгебраических схем кодирования и на хождению оценок применимости конкретных кодеков и каскадов в каналах с различными типами ошибок.
Реализация результатов работы. Разработанный программный комплекс «Channel 2.0», методика его использования и полученные экспериментальные данные применяются в НКБ ВС ТРТУ (г. Таганрог), ЗАО «Ай Пи Ком» (г. Ростов-на-Дону), Донецкий узел электросвязи ОАО «Электросвязь» Ростовской области (г. Донецк), ООО НЛП «Транс-Триботехника» (г. Ростов-на-Дону), в учебном процессе ДГТУ (г. Ростов-на-Дону). Акты внедрения и использования научных результатов прилагаются к диссертации.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается приведенными математическими доказательствами; совпадением частных случаев построенной математической модели источников квазипериодических случайных ошибок для канала с многобуквенным алфавитом состояний с известными математическими моделями источников ошибок; совпадением экспериментальных результатов, полученных с помощью разработанного программного комплекса, с данными, опубликованными по результатам натурных и имитационных экспериментов, полученными другими исследователями; соответствием результатов экспериментов теоретическим оценкам; публикациями в центральных журналах и сборниках трудов международных и всероссийских конференций.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах: V Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», 2000, ТРТУ, Таганрог, Россия; Второй региональный научно-практический семинар «Информационная безопасность - Юг России», 2000, ТРТУ, Таганрог, Россия; Вторая международная отраслевая научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», 2000, РГУПС, Ростов-на-Дону, Россия; Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов ДГТУ, 2000, 2002, 2003, 2004, ДГТУ, Ростов-на-Дону, Россия; Научно-теоретическая конференция профессорско-преподавательского состава РГУПС «Транспорт-2003», 2003, РГУПС, Ростов-на-Дону, Россия; Третья международная научно-практическая конференция «Моделирование. Теория, методы и средства», 2003, ЮРГТУ, Новочеркасск, Россия; Международная научно-практическая конференция «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем», 2003,
ЮРГТУ, Новочеркасск, Россия; Международная научно-практической конференция «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» 2004, ЮРГТУ, Новочеркасск, Россия; Международный российско-казахский симпозиум «Уравнения смешанного типа и родственные проблемы современного анализа и информатики», 2004, Нальчик, Россия; VI Международная научно-практической конференция «Информационная безопасность», 2004, ТРТУ, Таганрог, Россия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе: 2 статьи в центральной печати, 8 статей в межведомственных и межвузовских сборниках научных трудов, тезисы доклада на всероссийской конференции и учебно-методическая работа.
Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем диссертации без приложений составляет 159 страниц, список литературы содержит 122 наименования.
Краткое содержание работы
Во введении сформулирована общая характеристика проблемы, цели и задачи работы. Обосновано направление диссертационной работы.
В первой главе излагается проблема исследования корректирующих способностей помехоустойчивых кодеков и оценки применимости помехоустойчивых кодеков в цифровых каналах связи. Рассматривается способ решения указанной проблемы на основе анализа результатов имитационного моделирования цифровых помехоустойчивых каналов связи. Приведен обзор и анализ существующих программных средств имитационного моделирования цифровых помехоустойчивых каналов передачи данных.
Во второй главе приведен обзор и анализ известных математических моделей источников ошибок. Построена новая общая математическая модель источника квазипериодических случайных ошибок для канала с многобуквенньтм алфавитом состояний (QPn-модель), частные случаи которой совпадают с из- вестными математическими моделями. Для описания QPn-модели введено понятие квазипериодического случайного процесса и квазипериодического процесса с р-эталонным случайным процессом и распределением длин квазипериодов f(T). В главе подробно описаны два ее частных случая: модель источника периодических случайных ошибок (Р-модель) и модель источника квазипериодических случайных ошибок (QP-модель). Для известных моделей источников ошибок приведены параметры QPn-модели, при которых они совпадают.
Третья глава посвящена рассмотрению вопросов создания информационной системы оценки применимости схем алгебраического помехоустойчивого кодирования в цифровых каналах связи с различными типами ошибок и рассмотрению вопросов проектирования и реализации программного комплекса «Channel 2.0», являющегося ядром информационной системы. Основой комплекса является динамическая стохастическая дискретная имитационная модель цифрового помехоустойчивого канала передачи данных. Канал связи моделируется двоичным симметричным идеально синхронизированным и без стираний. Отметим, что имитационная модель канала построена в соответствии с общей классической схемой имитационных моделей. Предложена открытая конфигурация программных комплексов, позволяющая настраивать программу на выполнение определенной задачи и позволяющая также расширять библиотеки кодеков и перемежителей без участия разработчика базового программного продукта и без повторной компиляции программного комплекса. На основе структурной схемы информационной системы и на основе предложенной открытой конфигурации реализован комплекс «Channel 2.0».
В четвертой главе проведена валидация выходных данных программного комплекса «Channel 2.0». Представлена методика применения построенной информационной системы для получения оценок корректирующих свойств помехоустойчивых алгебраических кодеков и каскадов, а также для получения оценок применимости конкретных кодеков и каскадов в каналах связи, то есть оценок согласования кодека и канала. Для ряда кодеков, в частности, для коде- ков на основе кодов Рида-Соломона с детерминированными алгоритмами декодирования Питерсона и Муттера, сверточных кодеков со скоростями 1/2, 2/3, 3/4, 7/8 и алгоритмом декодирования Витерби, кодеков на основе кодов Рида-Маллера с детерминированным и вероятностным алгоритмами декодирования подтверждены границы их применимости в каналах связи с различными типами ошибок. Получены границы применимости кодека с вероятностным алгоритмом декодирования В.М. Сидельникова кода Рида-Соломона при числе ошибок большем половины кодового расстояния по отношению к ошибкам различной структуры, длительности и интенсивности. Потоки ошибок в описанных имитационных экспериментах генерировались с использованием математической QPn-модели с различными параметрами.
В заключении сформулированы выводы диссертации.
В приложении приводятся акты о реализации результатов диссертационной работы и основная часть исходных текстов созданного в рамках выполнения диссертации программного комплекса «Channel 2.0».
Похожие диссертации на Информационная система оценки применимости схем помехоустойчивого алгебраического кодирования на основе математической модели источника квазипериодических случайных ошибок
