СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КАНАЛА СВЯЗИ Российский патент 2004 года по МПК H04B17/00 

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано в системах передачи дискретной информации для определения качества канала связи, в которых передаются сообщения, защищенные корректирующим кодом, в частности помехоустойчивым каскадным кодом.

Способ, описанный в настоящей заявке, может применяться в асинхронных сетях связи, например в сетях случайного множественного доступа, в которых количество переданных сообщений и моменты передачи этих сообщений не известны на приемной стороне. Способ позволяет организовать процесс постоянного слежения за качеством канала связи (мониторинг) и может использоваться в адаптивных системах передачи дискретной информации для оптимального выбора параметров помехоустойчивого кода (информационной длины и избыточности кода) при изменении помеховой обстановки в канале связи.

Для осуществления способа не требуется передача специальных тестовых последовательностей, а контроль качества канала связи выполняется в рабочем режиме, под полезной нагрузкой и без снижения скорости передачи информации в канале связи.

В предлагаемом способе используется интегральная блочная статистическая характеристика ошибок канала связи. Под блочной статистической характеристикой ошибок канала связи будем понимать оценку величины P(i, n) - вероятности i ошибок в блоке длины n символов. Интегральной блочной статистической характеристикой ошибок канала связи будем называть оценку величины P(≥f, n) - вероятности f и более ошибок в блоке длины n символов:

.

Наиболее эффективно способ контроля качества канала связи может использоваться при передаче сообщений, защищенных помехоустойчивым каскадным кодом.

Известен способ контроля качества канала связи, при котором осуществляют передачу испытательной последовательности по каналу связи. На выходе канала из принятой испытательной последовательности вычитают передаваемую испытательную последовательность, и в результате получают последовательность ошибок, а затем вычисляют параметры канала связи, характеризующие его качество [1].

Недостатком этого способа является снижение скорости передачи полезной информации, обусловленное тем, что определение качества канала связи осуществляют при передаче по каналу испытательной последовательности, и канал связи в это время предоставлен для проведения измерений.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), при котором на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне вначале осуществляют прием помехоустойчивого кода, далее помехоустойчивый код декодируют с исправлением ошибок и стираний в словах помехоустойчивого кода и по результатам декодирования вычисляют блочную статистическую характеристику неискаженного приема слов помехоустойчивого кода, а затем по этой статистической характеристике определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками [2].

Недостатком этого способа является низкая достоверность контроля качества канала связи, поскольку в каналах низкого качества событие неискаженного приема слов помехоустойчивого кода может происходить с небольшой вероятностью, а достоверная оценка маловероятного события требует большего объема статистического материала. Помимо этого, достоверность контроля канала связи снижается из-за того, что на приемной стороне неизвестно количество переданных слов помехоустойчивого кода.

Цель изобретения - повышение достоверности контроля качества канала связи, за счет того, что параметры канала связи определяют по интегральной блочной статистической характеристике ошибок, наиболее приближенной по вероятности к 0,5. При этом также учитывают вероятность трансформации кодовых слов. Также цель достигается тем, что блочную статистическую характеристику ошибок вычисляют по результатам приема слов внутреннего кода каскадного кода, количество которых в каскадном коде заранее известно на приемной стороне.

Для достижения цели предложен способ, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне вначале осуществляют прием помехоустойчивого кода, далее помехоустойчивый код декодируют с исправлением ошибок и стираний в словах помехоустойчивого кода и по результатам декодирования вычисляют блочную статистическую характеристику приема слов помехоустойчивого кода, а затем по этой статистической характеристике определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками. Новым является то, что по результатам декодирования помехоустойчивого кода вычисляют интегральную блочную статистическую характеристику ошибок канала связи, наиболее приближенную по вероятности к 0,5, соответствующую событиям приема помехоустойчивого кода с количеством ошибок, число которых находится в пределах корректирующей способности помехоустойчивого кода. Далее параметры канала связи определяют по интегральной блочной статистической характеристике ошибок канала связи. При этом целесообразно интегральную блочную статистическую характеристику ошибок канала связи вычислять по результатам декодирования внутреннего кода каскадного кода.

Предлагаемый способ контроля качества канала связи реализуется следующим образом.

На передающей стороне формируют каскадный код. Для этого на передающей стороне исходное сообщение, объемом К 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 К, а блоковая - N символов.

Далее информацию кодируют двоичным кодом, например двоичным кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды). Код БЧХ является внутренним кодом или кодом второй ступени помехоустойчивого каскадного кода. Код БЧХ имеет параметры: n - блоковая длина кода, k - 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 БЧX (n, k) или двоичную последовательность с₁. Эта последовательность является каскадным помехоустойчивым кодом.

Далее двоичные символы каскадного кода, преобразованные в сигнал, поступают в канал связи. В канале связи возможно искажение передаваемого сигнала. Это может привести к тому, что на приемной стороне системы связи каскадный код будет принят с ошибками.

На приемной стороне сначала осуществляют прием каскадного кода.

Прием каскадного кода возможен лишь при наличии цикловой синхронизации каскадного кода. Поэтому для получения достоверной статистической характеристики ошибок канала связи немаловажное значение имеет наличие надежной цикловой синхронизации каскадного кода, позволяющей с высокой достоверностью определить факт передачи каскадного кода и начало каскадного кода. При использовании каскадного кода возможно применение кодовой цикловой синхронизации [3]. При этом методе синхронизации признаки синхронизации передаются словами внутреннего кода каскадного кода. На передающей стороне символы проверочной части внутреннего кода каскадного кода складывают по модулю два с синхронизирующей последовательностью. На приемной стороне вычисляют синдромы внутренних кодов каскадного кода и выделяют синхронизирующие последовательности для каждого неискаженного внутреннего кода каскадного кода или внутреннего кода каскадного кода с небольшим числом ошибок. За счет многократного повторения признаков синхронизации в разных словах внутреннего кода, по мажоритарному принципу, с высокой достоверностью осуществляют цикловую синхронизацию каскадного кода. При этом используют групповую цикловую синхронизацию - одну для всех слов внутреннего кода каскадного кода. Групповая синхронизация при небольшом числе двоичных разрядов, используемых для передачи признаков синхронизации, относящихся к одному слову внутреннего кода, в совокупности для всех слов внутреннего кода каскадного кода, обеспечивает высокую достоверность цикловой синхронизации.

Далее осуществляют декодирование каскадного кода. Каскадный код, поступающий на вход приемника, содержит n слов внутреннего кода каскадного кода. Декодирование каскадного кода начинают с декодирования слов внутреннего кода с обнаружением и исправлением ошибок. Предположим, что внутренний код каскадного кода гарантированно исправляет t и менее ошибок в кодовом слове. При количестве ошибок во внутреннем коде, большем t, но меньшем или равном s (s≥t) ошибок, ошибки гарантированно обнаруживают и кодовое слово стирают. При количестве ошибок во внутреннем коде больше величины s будут происходить стирания и трансформации кодовых слов. В результате декодирования слов внутреннего кода каскадного кода получают символы внешнего кода каскадного кода.

Далее осуществляют декодирование внешнего кода каскадного кода. При количестве ошибок и стираний в символах внешнего кода каскадного кода в пределах корректирующей способности внешнего кода, каскадный код будет принят правильно, в противном случае возможно стирание либо трансформация внешнего кода.

При декодировании слов внутреннего кода каскадного кода вычисляют блочную статистическую характеристику P(i, n) ошибок канала связи. Среди слов внутреннего кода, в которых было исправлено точно i ошибок, будут правильно принятые слова, в которых действительно было i ошибок и трансформированные кодовые слова, в которых было большее число ошибок (кратности >i). Введем обозначение для частоты приема слова внутреннего кода с i ошибками

,

где n(i) - количество слов внутреннего кода каскадного кода, в которых было исправлено точно i ошибок i=0...t, т.е. в пределах корректирующей способности кода.

Тогда

где β(i) - коэффициент трансформаций, показывающий, какую долю ошибок, которые гарантированно не обнаруживают (кратности > s), составляют трансформации кодовых слов, в которых было исправлено точно i ошибок.

Коэффициент β(i) приближенно оценивают по "объему сфер", исходя из следующих соображений. При исправлении точно i ошибок в кодовом слове количество двоичных комбинаций, которые могут приводить к трансформации, будет равно

.

Общее число двоичных комбинаций, которые могут приводить к стиранию принятых слов, будет равно

,

откуда получим

Введем обозначение для интегральной блочной статистической характеристики канала связи

Для определения параметров канала связи используют интегральную блочную статистическую характеристику канала связи Q(f), величина которой максимально приближена к 0,5. Для получения этой статистической характеристики можно, например, последовательно вычислять по формуле (3) Q(f) для значений f, начиная с 0 и до t включительно, и в качестве интегральной блочной статистической характеристики выбирать Q(f), для которой выполняется условие

Использование для оценки качества канала связи события, наиболее приближающегося по вероятности к 0,5, увеличивает репрезентативность [4] выборки и позволяет получать достоверные оценки при меньшем объеме статистического материала. На практике, для оценки вероятности появления маловероятного события, испытания проводят до появления хотя бы десяти событий, что требует проведения большого числа испытаний. Кроме того, при определении вероятности маловероятного события увеличивается относительная погрешность оценки. Из теории информации хорошо известен факт, что наибольшей информативностью обладают события, вероятность появления которых близка к 0,5. В том случае, если вероятность события близка к 1, оценку вероятности этого события можно проводить по частоте появления противоположного события, которое маловероятно и до появления которого требуется большое число испытаний. Таким образом, оценка вероятности события, частота появления которого близка к 1, эквивалентна оценке маловероятного события. Поэтому в предлагаемом способе параметры канала связи определяют по результатам появления события, наиболее приближающегося по вероятности к 0,5.

Учитывая выражение (1), нетрудно записать целевую функцию, при минимизации которой можно вычислить параметры канала связи

Величины r(i, n) определяют при декодировании слов внутреннего кода каскадного кода. Для определения параметров канала связи используют связь вероятности P(i, n) с параметрами канала связи.

Например, канал связи с независимыми ошибками полностью определяется одним параметром - средней вероятностью ошибки на бит в канале р. В этом канале P(i, n) распределено по биномиальному закону

Тогда выражение (5) запишется в виде

Определяя минимальное значение последнего выражения, нелинейного относительно р, нетрудно получить, например методом золотого сечения, градиентным методом или другим методом [5], значение параметра канала связи р.

Пример. В канале связи с независимыми ошибками сообщения передаются помехоустойчивым каскадным кодом, внутренним кодом которого является код БЧХ (31, 16) с исправлением тройных ошибок, а внешним - код Рида-Соломона (32, 16) над полем Галуа GF (2⁸). По результатам испытаний канала связи получены следующие значения для частот приема слов внутреннего кода каскадного кода:

0.204 - без исправления ошибок,

0.383 - с одиночной ошибкой,

0.220 - с двумя ошибками,

0.119 - с тремя ошибками.

0.074 - стирание кодового слова

Событие, вероятность которого наиболее близко приближается к 0,5, состоит из событий приема кодовых слов без исправления ошибок и с одиночными ошибками и f=l.

Коэффициенты трансформаций внутреннего кода, согласно формулы (2), будут иметь следующие значения: β(0)=3,6×10^-5, β(1)=1,116×10^-3. Подставляя перечисленные величины в выражение (7) и определяя его минимальное значение, получаем параметр канала связи - среднюю вероятность ошибки на бит в канале связи р=0,05.

Аналогичным образом возможно определение параметров канала для более сложных моделей канала связи, например для канала связи с группированием ошибок согласно модифицированной модели канала Пуртова [6]. Для этой модели канала связи вероятность P(i, n) выражают через два параметра: р - среднюю вероятность ошибки на бит в канале, а - коэффициент группирования ошибок (0≤а≤1), а параметры канала связи получают при нахождении минимального значения целевой функции (5) для двух параметров. Для моделей канала связи с большим числом параметров, например марковской модели канала связи, определение параметров канала представляет собой уже довольно сложную задачу многомерной оптимизации целевой функции (5).

В предлагаемом способе качество канала связи оценивают по результатам приема (статистической характеристике приема) слов внутреннего кода каскадного кода. В отличие от известного способа, количество слов внутреннего кода в каскадном коде заранее известно на приемной стороне и блочная статистическая характеристика приема слов внутреннего кода каскадного кода может быть вычислена. Параметры канала связи оценивают по группе событий приема слов внутреннего кода, наиболее приближающейся по вероятности к 0,5, что увеличивает достоверность определения параметров канала связи и позволяет определять параметры канала связи при меньшем объеме статистического материала. Немаловажное значение для реализации предлагаемого способа имеет наличие надежной цикловой синхронизации каскадного кода. Достоверная оценка параметров канала возможна лишь при достоверном определении факта передачи каскадного кода и его начала.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа контроля качества канала связи является повышение достоверности определения параметров канала связи.

Источники информации

1. Элементы теории передачи информации./Под ред. Л.П.Пуртова, М.: Связь, 1972, стр.39.

2. Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982, стр.41.

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

4. Петров А.П. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований. Учебное пособие. Курган: Издат. Курганского гос. ун-та, 1988, стр.13.

5. Myдров А.Е. Численные методы для ЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП "РАСКО", 1991, стр.246.

6. Самойлов В.М. Обобщенная аналитическая модель канала с групповым распределением ошибок. Вопросы радиоэлектроники, сер. ОВР, вып.6, 1990.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в повышении точности контроля качества канала связи. Сущность изобретения заключается в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне вначале осуществляют прием помехоустойчивого кода, далее помехоустойчивый код декодируют с исправлением ошибок и стираний и по результатам декодирования вычисляют блочную статистику приема слов помехоустойчивого кода, а затем по этой статистике определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, при этом, по результатам декодирования помехоустойчивого кода сначала вычисляют интегральную блочную статистику приема слов помехоустойчивого кода, наиболее приближенную по вероятности к 0,5, соответствующую событиям приема помехоустойчивого кода с количеством ошибок, число которых находится в пределах корректирующей способности помехоустойчивого кода, и далее параметры канала связи определяют по интегральной блочной статистике ошибок канала связи. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ контроля качества канала связи, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне вначале осуществляют прием помехоустойчивого кода, далее помехоустойчивый код декодируют с исправлением ошибок и стираний и по результатам декодирования вычисляют блочную статистику приема слов помехоустойчивого кода, а затем по этой статистике определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, отличающийся тем, что по результатам декодирования помехоустойчивого кода сначала вычисляют интегральную блочную статистику приема слов помехоустойчивого кода, наиболее приближенную по вероятности к 0,5, соответствующую событиям приема помехоустойчивого кода с количеством ошибок, число которых находится в пределах корректирующей способности помехоустойчивого кода, и далее параметры канала связи определяют по интегральной блочной статистике ошибок канала связи.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интегральную блочную статистику ошибок канала связи вычисляют по результатам декодирования внутреннего кода каскадного кода.