СПОСОБ КОДОВОЙ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК H04L7/08 

Изобретение относится к способам передачи дискретной информации и может быть использовано для цикловой синхронизации в системах помехоустойчивой защиты информации, в которых используются корректирующие, в частности каскадные, коды.

Способ кодовой цикловой синхронизации, описанный в настоящей заявке, применим для синхронизации сообщения, передаваемого последовательностью слов циклического помехоустойчивого кода. При этом синхронизирующие признаки передаются словами помехоустойчивого кода. Для синхронизации не требуется передача специальных дополнительных символов, а используется избыточность самого помехоустойчивого кода. После установления синхронизации признаки синхронизации вычитаются из помехоустойчивого кода, не уменьшая корректирующую способность кода.

Наиболее эффективно использование кодовой цикловой синхронизации в помехоустойчивых каскадных кодах. В этом случае синхронизация обеспечивается путем многократного повторения признаков синхронизации в различных словах внутреннего кода каскадного кода.

Актуальной является задача повышения помехоустойчивости кодовой цикловой синхронизации при работе в каналах связи с высоким уровнем помех, а также сокращение количества операций при синхронизации и упрощение способа.

Известен способ кодовой цикловой синхронизации, при котором входную последовательность, представляющую собой сумму по модулю два помехоустойчивого кода и синхронизирующей последовательности, умножают на проверочный полином помехоустойчивого кода и в результате выделяют синхронизирующую последовательность. При обнаружении определенной комбинации выделенной синхронизирующей последовательности принимают решение о наличии цикловой синхронизации [1].

Однако этот способ имеет недостаточную помехоустойчивость. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), кодовой цикловой синхронизации, заключающийся в том, что принятую входную последовательность, представляющую собой сумму по модулю два помехоустойчивого кода, нумерующей и синхронизирующей последовательностей, умножают на проверочный полином кода. В результате чего выделяют нумерующую последовательность. Далее осуществляют обнаружение синхронизирующей последовательности. Затем определяют вектор ошибок и осуществляют исправление ошибок в нумерующей последовательности. После этого сравнивают нумерующие и синхронизирующие последовательности с ранее принятыми и в результате сравнения получают определенное число совпадений выделенных нумерующих и синхронизирующих последовательностей с соответствующими нумерующими и синхронизирующими последовательностями ранее принятых кодовых слов, причем, если в результате сравнения числа совпадений с порогом будет превышение числом совпадений некоторого заранее заданного порога совпадений, принимают решение о наличии цикловой синхронизации в текущий момент времени. Далее вычитают соответствующие нумерующую и синхронизирующую последовательности из кодовых слов и затем выполняют декодирование кодовых слов с обнаружением и исправлением ошибок. [2] .

Недостатком этого способа является невысокая помехоустойчивость и повышенная сложность аппаратной и программной реализации.

Цель изобретения - увеличение помехоустойчивости кодовой цикловой синхронизации сообщений и уменьшение сложности аппаратной и программной реализации.

Для достижения цели предложен способ кодовой цикловой синхронизации, заключающийся в том, что принятую входную последовательность, представляющую собой сумму по модулю два помехоустойчивого кода, нумерующей и синхронизирующей последовательностей, умножают на проверочный полином кода. В результате чего выделяют нумерующую последовательность. Далее осуществляют обнаружение синхронизирующей последовательности. Затем определяют вектор ошибок и осуществляют исправление ошибок в нумерующей последовательности. После этого сравнивают нумерующие и синхронизирующие последовательности с ранее принятыми и в результате сравнения получают определенное число совпадений выделенных нумерующих и синхронизирующих последовательностей с соответствующими нумерующими и синхронизирующими последовательностями ранее принятых кодовых слов, причем, если в результате сравнения числа совпадений с порогом будет превышение числом совпадений некоторого заранее заданного порога совпадений, принимают решение о наличии цикловой синхронизации в текущий момент времени. Далее вычитают соответствующие нумерующую и синхронизирующую последовательности из кодовых слов и затем выполняют декодирование кодовых слов с обнаружением и исправлением ошибок. Новым является то, что символы нумерующей последовательности суммируют с частью символов проверочной части помехоустойчивого кода, а оставшуюся часть символов проверочной части кода затем суммируют с символами синхронизирующей последовательности. При этом необходимо обнаружение синхронизирующей последовательности осуществлять с помощью умножения входной последовательности на проверочный полином помехоустойчивого кода. Целесообразно, чтобы нумерующие последовательности включали в себя контрольные разряды, при этом осуществляют проверку контрольных разрядов нумерующих последовательностей и при сравнении нумерующих последовательностей используют только те нумерующие последовательности, для которых выполняются контрольные проверки.

Осуществление способа кодовой цикловой синхронизации рассмотрим на примере синхронизации каскадного кода.

На передающей стороне формируют входную последовательность. Для этого на передающей стороне исходное сообщение, объемом k m-ичных (m>1) символов вначале кодируют m-ичным помехоустойчивым кодом, например m-ичным помехоустойчивым кодом Рида-Соломона. Код Рида-Соломона является внешним кодом или кодом первой ступени помехоустойчивого каскадного кода.

В результате кодирования информации получают кодовое слово кода Рида-Соломона (n, k), информационная длина которого равна k, а блоковая - n символов.

Далее информацию кодируют двоичным кодом, например двоичным кодом Боуза - Чоудхури - Хоквингема (БЧХ - коды) с проверочным полиномом h(x). Код БЧХ является внутренним кодом или кодом второй ступени помехоустойчивого каскадного кода. Код БЧХ имеет параметры: n₁ - блоковая длина кода, k₁ - информационная длина кода.

Исходной информацией для каждого слова кода БЧХ являются символы кода Рида-Соломона, рассматриваемые как последовательность двоичных символов. В результате кодирования кодом БЧХ получают n двоичных слов кода БЧХ(n₁, k₁) или двоичную последовательность с₁.

Далее осуществляют сложение по модулю два части символов проверочной части кода БЧХ с символами нумерующей последовательности c₂. В качестве нумерующей последовательности может выбираться, например, двоичная q - разрядная (q≥log₂(n)) последовательность, соответствующая двоичной записи целых чисел: 1, 2, 3, и т. д. К нумерующей последовательности добавляют один или несколько контрольных разрядов, например проверку на четность.

Первое слово кода БЧХ складывают по модулю два с двоичным представлением 1 и соответствующей проверкой на четность, второе - с 2 и т.д. Такое сложение выполняют со всеми словами кода БЧХ. При выборе соответствующего проверочного полинома h(x) полученный в результате сложения код будет иметь вполне определенное гарантированное минимальное кодовое расстояние и, следовательно, обладать определенными корректирующими свойствами.

Оставшиеся символы проверочной части кода БЧХ складывают по модулю два с третьей синхронизирующей последовательностью с₃, постоянной для всех слов кода БЧХ. Такой последовательностью может быть любая последовательность подходящей длины с хорошими синхронизирующими свойствами, например последовательность Баркера или последовательность максимальной длины (код Рида - Маллера 1-го порядка).

На приемной стороне входную последовательность, сформированную в виде суммы трех последовательностей, причем синхронизирующую и нумерующую последовательности складывают только с проверочными символами кода БЧХ, используют для кодовой цикловой синхронизации.

На чертеже приведена последовательность операций, иллюстрирующая процесс обработки входной последовательности на приемной стороне.

На приемной стороне вначале осуществляют прием входной последовательности.

Затем осуществляют умножение входной последовательности на проверочный полином кода БЧХ-h(x). Таким образом, вычисляют синдром кода БЧХ или последовательности с₁.

При поступлении безошибочного слова синдром кода равен нулю и в результате вычисления синдрома будет получена комбинация d₀, соответствующая нумерующей и синхронизирующей последовательностям: d₀ = c₂|c₃.
При поступлении на вход слова с ошибками будет вычислена комбинация из некоторого множества {d_i}, соответствующая сумме ненулевого синдрома кода и последовательностей c₂|c₃.
Далее осуществляют выделение нумерующей последовательности из первых разрядов соответствующей комбинации d₀, либо в комбинации из множества {d_i}.

Далее осуществляют обнаружение синхронизирующей последовательности c₃ в последних разрядах комбинации d₀, либо в комбинации из множества {d_i}. Это возможно, если кратность ошибок лежит в пределах исправляющей способности кода, при этом на синхронизирующую последовательность будет наложен ненулевой синдром, значения которого для различных исправляемых комбинаций ошибок будут отличаться друг от друга. Комбинации синдрома для таких ошибок можно вычислить заранее и, например, поместить в таблицу.

При распознавании комбинации синдрома, наложенной на синхронизирующую последовательность, выполняют определение вектора ошибок. Компоненты вектора ошибок расположены на позициях, соответствующих положению символов нумерующей последовательности. Определение вектора ошибок может выполняться, например, с помощью заранее составленных таблиц ошибок, входом которых являются распознаваемые комбинации синдрома, а выходом исправляемые вектора ошибок нумерующей последовательности.

Затем осуществляют исправление ошибок в нумерующей последовательности, если входное слово кода БЧХ принято с ошибками. Коррекция ошибок в нумерующей последовательности выполняется суммированием по модулю два выделенной нумерующей последовательности и ранее вычисленного вектора ошибок.

Далее выполняют проверку контрольных разрядов нумерующей последовательности.

В случае, если для принятой нумерующей последовательности выполняются проверки контрольных разрядов, осуществляют сравнение нумерующей и синхронизирующей последовательностей с ранее принятыми.

Сравнение нумерующей последовательности с ранее принятыми последовательностями заключается в проверке соответствия принятых номеров естественному порядку следования этих номеров. Также проводится сравнение взаимного расположения синхронизирующих последовательностей для принятых кодовых слов. Синхронизирующие последовательности должны отстоять друг от друга на расстоянии, кратном количеству бит n₁ в коде БЧХ.

Далее осуществляют сравнение числа совпадений с порогом.

Если количество совпавших номеров слов БЧХ и синхронизирующих последовательностей окажется больше выбранного порога, то осуществляется цикловая синхронизация. Это означает, что входная информация поступает на дальнейшую обработку. Причем местоположение синхронизирующей последовательности однозначно определяет начало слов кода БЧХ, а нумерующая последовательность определяет положение первого слова БЧХ в каскадном коде или начало сообщения.

Порог числа совпавших номеров и синхронизирующих последовательностей выбирают таким образом, чтобы обеспечить высокую достоверность цикловой синхронизации.

Выбор оптимального порога имеет немаловажное значение при реализации предлагаемого способа. Вероятность правильной синхронизации должна выбираться не хуже вероятности правильного приема сообщения, обеспечиваемой помехоустойчивым каскадным кодом на данном канале без учета цикловой синхронизации.

Исходя из этого условия, оценка величины порога, полученная путем моделирования предложенного способа цикловой синхронизации на ЭВМ с учетом реальной статистики канала связи, будет следующей. Для каскадного кода, внутренним кодом которого является расширенный двоичный код БЧХ (32, 16) с исправлением тройных ошибок, а внешним - код Рида-Соломона (32, 16), определенный над полем Галуа GF(2⁸) с исправлением 8-ми кратных ошибок, нумерующая последовательность имела 6 разрядов, с учетом одного бита проверки на четность, а синхронизирующая последовательность - 10 разрядов. Выделение нумерующей и синхронизирующей последовательностей осуществлялось с исправлением одиночной ошибки во внутреннем коде БЧХ. Для канала со средней вероятностью ошибки на бит, равной р= 0.05 и коэффициентом группирования ошибок по Пуртову α=0.3 оптимальное значение порога лежит в пределах 2..3.

Для других параметров каскадного кода и алгоритма декодирования, другого канала связи и другого количества ошибок, исправляемых при выделении нумерующих и синхронизирующих последовательностей, оптимальное значение порога будет отличаться от приведенной выше величины.

Синхронизирующую и нумерующую последовательности передают в проверочных частях внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, что не требует введения дополнительной избыточности для их передачи. Для установления синхронизации не требуется передача дополнительных синхронизирующих символов.

При положительном результате сравнения числа совпадений с порогом осуществляют вычитание нумерующей и синхронизирующей последовательностей из кодовых слов. Далее выполняют декодирование кодовых слов с обнаружением и исправлением ошибок. Декодирование осуществляется после снятия синхронизирующей и нумерующей последовательностей, поэтому рассматриваемый способ синхронизации не влияет на корректирующие свойства помехоустойчивого кода.

Цикловая синхронизация осуществляется не только по безошибочным кодовым словам, но и по кодовым словам с ошибками. Это повышает помехоустойчивость цикловой синхронизации и позволяет осуществлять синхронизацию при более высоком уровне помех в канале связи, где количество неискаженных кодовых слов уменьшается.

В предлагаемом изобретении, в отличие от известного способа, для сравнения используются только те нумерующие последовательности, для которых выполняются контрольные проверки. Это повышает помехоустойчивость кодовой цикловой синхронизации, поскольку позволяет исключить из процедуры сравнения часть ошибочно принятых номеров.

Нумерующая и синхронизирующая последовательность в предлагаемом способе складывается только с проверочной частью кода БЧХ, что позволяет для их выделения на приемной стороне умножать принятую последовательность только на один проверочный полином помехоустойчивого кода. В известном способе входная последовательность умножается на два проверочных полинома: один для выделения нумерующей последовательности, другой - для синхронизирующей. Поэтому предлагаемый способ требует меньшего количества операций для цикловой синхронизации и имеет меньшую сложность.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа кодовой цикловой синхронизации является повышение помехоустойчивости и уменьшение сложности аппаратной и программной реализации.

Источники информации
1. Лосев В.В., Бродская Е.Б., Коржик В.И. Поиск и декодирование сложных дискретных сигналов / Под ред. В.И. Коржика. - М.: Радио и связь, 1988, с. 136.

2. Бек Г.В., Богданович В.П., Киреев О.П. Метод синхронизации сообщений. Сб.: Построение и анализ систем передачи информации. М.: Наука, 1980, с.84.

Изобретение относится к способам передачи дискретной информации и может быть использовано для цикловой синхронизации в системах помехоустойчивой защиты информации с применением корректирующих, в частности, каскадных кодов. Сущность способа состоит в том, что символы нумерующей последовательности суммируют с частью символов проверочной части помехоустойчивого кода, а оставшуюся часть символов проверочной части помехоустойчивого кода суммируют с символами синхронизирующей последовательности, обнаружение которой осуществляют путем умножения входной последовательности на проверочный полином помехоустойчивого кода, причем нумерующие последовательности включают в себя контрольные разряды, при этом осуществляют проверку контрольных разрядов и при сравнении нумерующих последовательностей используют только те из нумерующие последовательностей, для которых выполняется контрольная проверка. Достигаемым техническим результатом при реализации способа кодовой цикловой синхронизации является повышение помехоустойчивости и уменьшение сложности аппаратной и программной реализации. 1 ил.

1. Способ кодовой цикловой синхронизации, заключающийся в том, что принятую входную последовательность, представляющую собой сумму по модулю два слов циклического помехоустойчивого кода, нумерующей и синхронизирующей последовательностей, умножают на проверочный полином кода, в результате чего выделяют нумерующую последовательность, далее осуществляют обнаружение синхронизирующей последовательности, затем при распознавании комбинации синдрома, наложенной на синхронизирующую последовательность, определяют вектор ошибок, компоненты которого расположены на позициях, соответствующих положению символов нумерующей последовательности и далее осуществляют коррекцию ошибок в нумерующей последовательности путем суммирования по модулю два выделенной нумерующей последовательности и вычисленного вектора ошибок, после этого сравнивают нумерующие и синхронизирующие последовательности с ранее принятыми, при этом проверяют соответствие принятых номеров естественному порядку следования этих номеров и осуществляют сравнение взаимного расположения синхронизирующих последовательностей для принятых кодовых слов, причем синхронизирующие последовательности должны отстоять друг от друга на расстояниях, кратных количеству бит в помехоустойчивом коде, в результате сравнения получают определенное число совпадений выделенных нумерующих и синхронизирующих последовательностей с соответствующими нумерующими и синхронизирующими последовательностями ранее принятых кодовых слов, далее осуществляют сравнение числа совпадений с порогом, причем, если количество совпавших номеров слов помехоустойчивого кода и синхронизирующих последовательностей окажется больше выбранного порога, то осуществляют цикловую синхронизацию, при этом местоположение синхронизирующей последовательности однозначно определяет начало слов помехоустойчивого кода, а нумерующая последовательность определяет положение первого слова помехоустойчивого кода в сообщении, отличающийся тем, что символы нумерующей последовательности суммируют с частью символов проверочной части помехоустойчивого кода, а оставшуюся часть символов проверочной части кода затем суммируют с символами синхронизирующей последовательности, причем обнаружение синхронизирующей последовательности осуществляют в результате умножения входной последовательности на проверочный полином помехоустойчивого кода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нумерующие последовательности включают в себя контрольные разряды, при этом осуществляют проверку контрольных разрядов нумерующих последовательностей и при сравнении нумерующих последовательностей используют только те нумерующие последовательности, для которых выполняются контрольные проверки.