СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИВНОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H04L1/20 

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для передачи дискретной информации, защищенной помехоустойчивым кодом, в частности помехоустойчивым каскадным кодом.

Основной особенностью, присущей реальным каналам связи, является нестационарность или изменение состояния канала связи со временем. В системах, состояние которых характеризуется постоянными параметрами, выбор кода и метода декодирования обычно производят, исходя из наихудшего или из некоторого среднего состояния канала связи. Однако такой подход к выбору кода для реальных каналов, как правило, приводит к уменьшению скорости передачи информации, что является результатом выбора кода с большой избыточностью и нерационального использования этой избыточности в каждом из возможных состояний канала связи. Одним из путей устранения этого недостатка является переход к адаптивным системам связи с переменными параметрами, в которых способы передачи сообщений и способы их приема автоматически и целенаправленно изменяются по мере изменения условий передачи в канале связи.

В радиоканалах небольшой протяженности помеховая обстановка на обоих концах радиолинии, как правило, идентична. В этом случае оценку качества канала связи можно с достаточно высокой точностью выполнять на передающем конце радиолинии. Другой подход к оценке качества канала требуется при работе в радиолиниях большой протяженности. Для радиолиний большой протяженности помеховая обстановка на концах радиолинии различна. В этом случае выбор параметров помехоустойчивого кода, оптимальных для передающей стороны, не является оптимальным для приемной стороны, что может привести к неприему кода на приемной стороне. В свою очередь, следствием неприема кода может стать ухудшение качества связи ниже допустимого и потеря достоверности принятой информации. В такой ситуации повышение достоверности передачи информации может достигаться за счет адаптации параметров помехоустойчивого кода на передающей стороне к помеховой обстановке на приемной стороне радиолинии. Оценку и анализ помеховой обстановки в канале связи, а также выбор параметров помехоустойчивого кода, соответствующих уровню помех, осуществляют на приемной стороне радиолинии. В таких системах для передачи параметров помехоустойчивого кода, оптимальных для приемной стороны, можно использовать канал обратной связи.

Известен способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, в соответствии с которым на передающей стороне осуществляют непрерывный контроль за состоянием канала связи (например, за уровнем шумов, помехи и т.д.). Результаты контроля качества канала связи используют для выбора наилучших помехоустойчивых кодов, при этом используют две схемы кодирования: первая из них осуществляет кодирование информации циклическим помехоустойчивым кодом с обнаружением ошибок, а вторая - кодом с исправлением ошибок. Далее выбранный помехоустойчивый код передают в канал связи. На приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением или исправлением ошибок в зависимости от используемого кода [1].

Недостатком этого способа является невысокая достоверность приема информации, обусловленная тем, что решение о выборе помехоустойчивого кода и алгоритма его декодирования принимается на передающей стороне канала связи. Качество канала связи на передающей стороне может отличаться от качества канала на приемной стороне (особенно в каналах связи большой протяженности), что может привести к неоптимальному приему информации, защищенной помехоустойчивым кодом.

Известен, также, способ передачи информации, при котором сначала осуществляют контроль качества канала связи. По результатам контроля качества канала связи выбирают помехоустойчивый код с переменными параметрами, которым на передающей стороне кодируют исходную информацию. Далее информацию, защищенную помехоустойчивым кодом, передают в канал связи. На приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода [2].

Недостатком этого способа является снижение достоверности приема информации и высокая сложность способа из-за того, что оценка качества канала выполняется на передающей стороне, информация о качестве приема слов помехоустойчивого кода не используется для оптимизации параметров, и в качестве параметров помехоустойчивого кода используется их текущая оценка, без учета приема слов помехоустойчивого кода, которые раньше передавались в канале связи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования по патенту [3], принятый за прототип. В этом способе сначала осуществляют контроль качества канала связи. По результатам контроля качества канала связи выбирают помехоустойчивый код с переменными параметрами, которым на передающей стороне кодируют исходную информацию. Далее информацию, защищенную помехоустойчивым кодом, передают в канал связи. На приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода. Причем исходную информацию кодируют помехоустойчивым каскадным кодом, контроль качества канала связи осуществляют на приемной стороне по результатам декодирования слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, при этом определяют количество принятых, стертых и трансформированных слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода. После этого определяют минимальное кодовое расстояние внешнего кода помехоустойчивого каскадного кода, необходимое для правильного приема помехоустойчивого каскадного кода, осуществляют выбор переменных параметров помехоустойчивого каскадного кода, определяют переменные параметры помехоустойчивого каскадного кода с учетом их текущей оценки и их предыдущей оценки, полученной при приеме ранее передававшихся каскадных кодов, и далее эти параметры сообщают на передающую сторону.

Недостаток данного способа заключается в низкой пропускной способности канала высокого качества из-за того, что помехоустойчивый код применяется даже в тех случаях, когда в этом нет необходимости. Если же не применять в этом способе помехоустойчивый код, то в тех ситуациях, когда параметры канала ухудшаются, данный способ не позволяет определить время ухудшения и параметры помехоустойчивого кода для компенсации этого ухудшения.

Для устранения указанных недостатков в способе передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, заключающемся в том, что сначала осуществляют контроль качества канала связи, по результатам контроля качества канала связи выбирают помехоустойчивый каскадный код с переменными параметрами, которым на передающей стороне кодируют исходную информацию, далее информацию, защищенную помехоустойчивым каскадным кодом, передают в канал связи, на приемной стороне помехоустойчивый каскадный код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода, по результатам декодирования слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода осуществляют контроль качества канала связи, при этом определяют количество принятых и стертых слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, далее оценивают количество трансформированных слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, после этого определяют минимальное кодовое расстояние внешнего кода помехоустойчивого каскадного кода, необходимое для правильного приема помехоустойчивого каскадного кода, далее осуществляют выбор переменных параметров помехоустойчивого каскадного кода, обеспечивающих необходимое минимальное кодовое расстояние помехоустойчивого каскадного кода, после этого определяют переменные параметры помехоустойчивого каскадного кода с учетом их текущей оценки и их предыдущей оценки, полученной при приеме ранее передававшихся каскадных кодов, далее эти параметры сообщают на передающую сторону, согласно изобретению в процессе приема информации дополнительно осуществляют контроль качества канала связи по отношению оценки амплитуды к оценке среднеквадратического отклонения сигнала (оценка отношения сигнал/шум), которую сравнивают с пороговым значением q_порог, определенным заранее, если значение больше или равно q_порог, то принимают решение об отказе от помехоустойчивого кодирования и сообщают его на передающую сторону, причем фиксируют в памяти параметры помехоустойчивого каскадного кода, при которых принималось решение об отказе от помехоустойчивого кодирования, если значение становится меньше q_порог, то принимают решение об использовании помехоустойчивого кодирования с теми же параметрами помехоустойчивого каскадного кода, которые были зафиксированы в памяти до отказа от помехоустойчивого кодирования.

Предлагаемый способ передачи информации с использованием адаптивного кодирования заключается в следующем.

На передающей стороне формируют помехоустойчивый каскадный код, например, каскадный код, внешним кодом которого является код Рида-Соломона, а внутренним - двоичный код Боуза-Чоудхури-Хоквинхема (БЧХ-коды). Для этого на передающей стороне исходное сообщение объемом k m-ных (m>1) символов вначале кодируют t-ным помехоустойчивым кодом Рида-Соломона. Код Рида-Соломона является внешним кодом или кодом первой ступени помехоустойчивого каскадного кода [4].

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 БЧХ. Код БЧХ является внутренним кодом или кодом второй ступени помехоустойчивого каскадного кода. Код БЧХ имеет постоянные параметры: n₁ - блоковая длина кода, k₁ - информационная длина кода.

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

Таким образом, на выходе передающей части будут получены n слов кода БЧХ, которые далее передают в канал связи.

В начале работы на передающей стороне канала связи, исходя из некоторых соображений, например из опыта предыдущей работы в этом канале связи, или исходя из худшего возможного состояния данного канала связи, осуществляют выбор переменных параметров помехоустойчивого каскадного кода. Наиболее просто с точки зрения аппаратной и программной реализации могут изменяться параметры внешнего кода помехоустойчивого каскадного кода или кода Рида-Соломона: информационная k и блоковая n длины кода. Эти параметры определяют избыточность каскадного кода и, значит, его минимальное кодовое расстояние и помехоустойчивость.

Код Рида-Соломона является кодом с максимально достижимым минимальным кодовым расстоянием (МДР-кодом). В этом коде добавление каждого нового символа кода увеличивает минимальное кодовое расстояние кода на единицу. Поэтому помехоустойчивость кода Рида-Соломона определяется в основном его избыточностью и использование в адаптивной системе связи укороченного кода с переменными параметрами не влияет на его свойства исправлять и обнаруживать ошибки, при условии, что укороченный код с переменными параметрами имеет ту же избыточность, что и полный код.

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

На приемной стороне 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 каскадного кода с обнаружением и исправлением ошибок. Внутренний код укороченного каскадного кода гарантированно исправляет t и менее ошибок в кодовом слове. При количестве ошибок во внутреннем коде, большем t, в случае использования неполного алгоритма декодирования внутреннего кода, будут иметь место стирания и трансформации кодовых слов. При полном алгоритме декодирования внутреннего кода будут только трансформации кодовых слов.

В результате декодирования слов внутреннего кода каскадного кода получают символы внешнего кода каскадного кода. Если количество принятых символов внешнего кода каскадного кода достаточно для декодирования внешнего кода, осуществляют декодирование внешнего кода каскадного кода с исправлением ошибок и стираний.

Отказ от декодирования каскадного кода возможен, если количество стертых s и трансформированных r слов внутреннего кода каскадного кода превышает корректирующую способность внешнего кода каскадного кода

где d_min - минимальное кодовое расстояние внешнего кода каскадного кода. В противном случае внешний код каскадного кода будет декодирован правильно. Отметим, что для внешнего кода Рида-Соломона справедливо соотношение

При декодировании каскадного кода по результатам декодирования слов внутреннего кода каскадного кода определяют количество принятых k₂ и количество s непринятых (стертых) слов внутреннего кода.

Далее осуществляют оценку количества r трансформированных слов внутреннего кода. Количество трансформированных слов внутреннего кода каскадного кода r с исправлением i ошибок в кодовом слове (0<i<t) приближенно можно оценить следующим образом.

Отношение числа r трансформированных кодовых слов к числу стертых s кодовых слов внутреннего кода приближенно оценивают коэффициентом трансформаций β по "объему сфер".

При исправлении 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

отсюда получим уравнение

Тогда число трансформаций примерно будет равно

После получения оценки числа r трансформированных слов уравнение для определения количества n₂ слов внутреннего кода каскадного кода, необходимых для правильного декодирования каскадного кода, запишется в виде

и отсюда после тождественных преобразований будем иметь

Состояние нестационарного канала связи с переменными параметрами изменяется, как правило, достаточно медленно по сравнению со временем передачи в канале связи символов одного помехоустойчивого каскадного кода. Поэтому достоверную оценку блоковой длины каскадного кода выполняют с учетом результатов предыдущей передачи каскадных кодов в канале связи. Для этого используют скользящую среднюю оценку блоковой длины каскадного кода. Обозначим через n₃ - скользящую среднюю оценку блоковой длины каскадного кода, тогда формула для ее определения запишется в виде:

где m - длительность предыстории, т.е. количество ранее переданных каскадных кодов, которое учитывается при определении скользящей средней оценки.

В предельном случае, при m=1, предыстория приема каскадных кодов учитываться не будет, с увеличением m значение предыстории для текущей оценки блоковой длины каскадного кода будет возрастать. Выбор значения величины m играет существенную роль для реализации предлагаемого способа. Длительность предыстории m выбирают примерно равной времени передачи информации в канале связи, при котором несущественным образом изменяется состояние нестационарного канала связи.

По каналу обратной связи информация о количестве слов каскадного кода n₃, необходимых для правильного приема, сообщается на передающую сторону. На передающей стороне формируют новый каскадный код с блоковой длиной n=n₃, и далее полученный помехоустойчивый каскадный код с блоковой длиной n передают на приемную сторону.

Известно, что для нормального обмена информацией многих пользователей существует требование по качеству принимаемой информации. Таким требованием может являться допустимая вероятность ошибки на один бит информации Р_доп. Выбор параметров помехоустойчивого кода, как правило, осуществляется таким образом, чтобы канал связи после декодирования кода имел допустимую вероятность ошибки на один бит информации не больше какой-либо конкретной величины, например Р_доп=10^-4. В этом случае качество канала считается высоким.

Известно, что вероятность ошибки на один бит информации зависит от ряда параметров, в том числе и от отношения сигнал/шум q (источники информации [6]-[9]). Следовательно, для каждого конкретного способа обработки сигналов можно заранее вычислить то пороговое значение q_порог, выше которого канал будет удовлетворять необходимым требованиям.

Например, при некогерентном приеме двух ортогональных сигналов допустимую вероятность ошибки на один бит информации можно вычислять по формуле, описанной в источнике информации [5]

После некоторых преобразований из этой формулы можно получить зависимость отношения сигнал/шум от вероятности ошибки на один бит информации:

Задавая значение Р_доп, можно определить пороговые значения q_порог.

Значение q_порог может также определяться экспериментально.

Следовательно, качество канала связи можно также оценивать путем оценки принимаемой информации с помощью отношения сигнал/шум.

В бинарной системе связи принимаемая информация представляется в виде логических единиц и нулей. В двоично-симметричном канале вероятность переименования символов логических единицы и нуля равны между собой. Поэтому отношение сигнал/шум можно определять, например, только по сигналам, соответствующим информационным символам логической единицы.

Производится выборка из N принятых сигналов, соответствующих, например, N единичным символам. Число N можно определять различными способами. В частном случае, N/2 может быть равно, например, длительности пакета передаваемой информации. Для каждого из N принятых сигналов производится оценка амплитуды принимаемого сигнала. Будем считать, что произведено N независимых опытов над случайной величиной А с неизвестными математическим ожиданием e и дисперсией D. В этом случае оценки и можно вычислить по следующим формулам [10].

Отношение оценки амплитуды принимаемого сигнала к оценке среднеквадратического отклонения является оценкой отношения сигнал/шум :

В предлагаемом способе в процессе приема информации дополнительно осуществляется контроль качества принимаемой информации по оценке отношения сигнал/шум .

Если значение становится больше некоторого порогового значения q_порог, то принимается решение об отказе от кодирования, при этом параметры помехоустойчивого каскадного кода, при которых принималось решение об отказе от помехоустойчивого кодирования, фиксируются в памяти.

Если в процессе приема информации значение становится меньше порогового значения q_порог, то принимается решение об использовании помехоустойчивого кодирования с теми же параметрами помехоустойчивого каскадного кода, которые были зафиксированы в памяти до отказа от помехоустойчивого кодирования.

Таким образом, в предлагаемом способе контроль качества канала связи осуществляется одновременно по методике согласно формулам (1)-(9), а также по методике согласно формулам (10)-(14). В случае, когда мобильные объекты приближаются друг к другу на близкое расстояние, качество канала связи становится высоким, так что от помехоустойчивого кодирования целесообразно отказаться. В этом случае по каналу обратной связи на передающую сторону передается сообщение об отказе от кодирования. На передающей стороне исходная информация формируется без использования помехоустойчивого кодирования и передается на приемную сторону. В случае ухудшения качества канала связи информация будет передаваться с использованием помехоустойчивого кодирования.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования является увеличение пропускной способности канала связи при хорошем его качестве за счет контроля качества канала связи на приемной стороне без избыточности кода и за счет оценки контроля качества канала связи на приемной стороне обеспечивается адаптация при изменении параметров канала.

Реализация данного способа не вызовет затруднений с помощью современной цифровой техники, т.к. основные операции, используемые в нем, широко применяются [11].

Источники информации:

1. Пат. № 6044485 США, МПК 7 G06F 11/10, опубл. 2000.

2. Заявка № 19918507.7, Германия, МПК 7 Н04L 1/20, H04L 29/14, опубл. 2000.

3. Пат. № 2251814 RU, МПК 7 Н04L 1/20, опубл. 2005.

4. Форни Д. Каскадные коды. - М.: Мир, 1970, 207 с.

5. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, 384 с.

6. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. - М.: Сов. радио, 1978, 304 с.

7. Теплов Н.Л. Помехоустойчивость систем передачи дискретной информации. - М.: Связь, 1964, 360 с.

8. Сикарев А.А., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. - М.: Связь, 1978, 328 с.

9. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Сов. радио, 1966, 678 с.

10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1964, с.322.

11. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. - М.: Мир, 1983, 512 с.

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для передачи дискретной информации, защищенной помехоустойчивым кодом, в частности помехоустойчивым каскадным кодом. Технический результат заключается в повышении пропускной способности канала связи. Для этого в известном способе передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования в процессе приема информации дополнительно осуществляют контроль качества канала связи по отношению оценки амплитуды к оценке среднеквадратичного отклонения сигнала (оценка отношения сигнал/шум), которую сравнивают с пороговым значением, определенным заранее; если значение сигнал/шум больше или равно пороговому, то принимают решение об отказе от помехоустойчивого кодирования и сообщают его на передающую сторону, причем фиксируют в памяти параметры помехоустойчивого каскадного кода, при которых принималось решение об отказе от помехоустойчивого кодирования, если значение сигнал/шум становится меньше порогового, то принимают решение об использовании помехоустойчивого кодирования с теми же зафиксированными в памяти параметрами, которые использовались до отказа от помехоустойчивого кодирования, в результате чего исключается избыточность кода при хорошем качестве канала связи и обеспечивается адаптация при изменении параметров канала.

Способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, заключающийся в том, что сначала осуществляют контроль качества канала связи, по результатам контроля качества канала связи выбирают помехоустойчивый каскадный код с переменными параметрами, которым на передающей стороне кодируют исходную информацию, далее информацию, защищенную помехоустойчивым каскадным кодом, передают в канал связи, на приемной стороне помехоустойчивый каскадный код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода, по результатам декодирования слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода осуществляют контроль качества канала связи, при этом определяют количество принятых и стертых слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, далее оценивают количество трансформированных слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, после этого определяют минимальное кодовое расстояние внешнего кода помехоустойчивого каскадного кода, необходимое для правильного приема помехоустойчивого каскадного кода, далее осуществляют выбор переменных параметров помехоустойчивого каскадного кода, обеспечивающих необходимое минимальное кодовое расстояние помехоустойчивого каскадного кода, после этого определяют переменные параметры помехоустойчивого каскадного кода с учетом их текущей оценки и их предыдущей оценки, полученной при приеме ранее передававшихся каскадных кодов, далее эти параметры сообщают на передающую сторону, отличающийся тем, что в процессе приема информации дополнительно осуществляют контроль качества канала связи по отношению оценки амплитуды к оценке среднеквадратического отклонения сигнала, что является оценкой отношения сигнал/шум , которую сравнивают с пороговым значением оценки отношения сигнал/шум q_порог, определенным заранее, если значение больше или равно q_порог, то принимают решение об отказе от помехоустойчивого кодирования и сообщают его на передающую сторону, причем фиксируют в памяти параметры помехоустойчивого каскадного кода, при которых принималось решение об отказе от помехоустойчивого кодирования, если значение становится меньше q_порог, то принимают решение об использовании помехоустойчивого кодирования с теми же параметрами помехоустойчивого каскадного кода, которые были зафиксированы в памяти до отказа от помехоустойчивого кодирования.