автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему: Исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов
Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов"
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»
На правах рукописи
ПРИБЫЛОВ Василий Петрович
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛАХ СВЯЗИ СО ЗНАЧИТЕЛЬНЫМ ВРЕМЕНЕМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ
Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре радиотехнических систем ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».
Научный руководитель - кандидат технических наук,
доцент Чернецкий Г. А.
Научный консультант - кандидат технических наук,
доцент Травин Г. А.
- доктор технических наук, профессор Хайретдинов М.С.
- кандидат технических наук, доцент Мелентьев О.Г.
Ведущая организация - ФГУП «Омский НИИ приборостроения»,
644009, г. Омск, ул. Масленникова, 231.
Защита состоится " 23 " октября 2003 г. в 40 00 часов на заседании Диссертационного совета Д 219.005.01 в ГОУ ВПО «СибГУТИ» по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ». Автореферат разослан "_"_2003 г.
Диссертационного совета Д 219.005.01
кандидат технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Среди большого разнообразия каналов связи существуют каналы со значительным, по сравнению с длительностью элементарной посылки, временем распространения сигналов, например: каналы дальней космической и спутниковой связи, гидроакустические каналы связи (ГАКС) и др. Вместе с тем в системах связи, использующих такие каналы, необходимо обеспечивать высокую достоверность передачи информации, что предъявляет жесткие требования к выбору способов ее обработки в передающем и приемном устройствах.
Для повышения достоверности передаваемой информации широкое распространение получили системы передачи информации в виде дискретных сообщений (СПДИ), которые получили название данных. При этом правила обработки данных определяются протоколами передачи данных.
В соответствии с моделью взаимодействия открытых систем протоколы передачи данных, обеспечивающие требуемую достоверность передачи, относятся ко второму (канальному) уровню модели. Известно, что применение протоколов передачи данных с использованием алгоритмов двусторонней связи, позволяет обеспечивать передачу информации по каналам связи различной физической природы с наибольшей достоверностью. Базовым принципом при этом является использование пакетной передачи данных с применением алгоритмов решающей обратной связи (РОС). Обобщающим критерием эффективности таких алгоритмов является средняя относительная скорость передачи информации.
В настоящее время известен ряд работ, касающихся систем с обратной связью. В частности, можно назвать работы отечественных авторов: Э.Л.Блоха, О.В.Попова, З.М.Каневского, И.А.Мизина, П.А.Котова, Л.Ф.Жигулина, А.А.Макарова и др. Среди зарубежных авторов стоит отметить работы: БИп, М.МШег, В.СоШеНо, J.Copeland, У.Вка^та, ААппатаШ и др. Вместе с тем вопросы оценки эффективности систем с обратной связью в каналах связи со значительным временем распространения сигналов (ЗВРС) ранее практически не рассматривались, что позволяет считать тему исследования актуальной.
Цель диссертационной работы: исследование и разработка алгоритмов передачи информации, повышающих эффективность СПДИ в каналах связи с ЗВРС.
Направление исследований: исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС, ограниченных по энергетике, осуществляются на примере гидроакустического канала связи, управления и навигации. Эффективность алгоритмов связи оценивается для режима передачи данных (трафик данных) при ограничениях на время обработки сообщений в приемном устройстве. Рассматривается использование циклических кодов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы: теории вероятностей, теории графов, теории случайных процессов и математической статистики, теории передачи дискретных сообщений, а также методы математического и имитационного моделирования.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИВЛИОТРК* С Петербург
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью применяемого математического аппарата и результатами имитационного моделирования, а также положительными результатами апробации и внедрения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1 Методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС на основе предложенного критерия, учитывающего скорость передачи и энергетику частотно-ограниченного канала связи, позволяющая определить оптимальные параметры используемых протоколов передачи данных с учетом времени распространения сигналов.
2 Алгоритмы передачи цифровой информации с частичным исправлением ошибок кодовыми методами и переспросом обнаруживаемых ошибок (РОС-ЧИ / ЧИ-Б, ЧИ-АП, ЧИ-Н, ЧИ-АП-Н), использующие оценку дальности связи, что позволяет реализовать высокую скорость передачи данных и, следовательно, улучшить технико-экономические показатели СПДИ. Результаты сравнения эффективности алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС.
3 Рекомендации по использованию предложенных алгоритмов для повышения эффективности разрабатываемых СПДИ в каналах связи с ЗВРС.
4 Программный имитатор алгоритмов передачи информации с РОС
5 Результаты компьютерного моделирования алгоритма РОС-ЧИ-АП.
1 Разработана методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации с РОС в каналах связи с ЗВРС, позволяющая определить наилучшие параметры используемых протоколов передачи данных с точки зрения оптимизации скорости передачи и потребления энергии передающими терминалами СПДИ с учетом времени распространения сигналов.
2 Разработаны алгоритмы передачи цифровой информации, использующие оценку дальности связи, что позволяет реализовать скорость передачи данных, близкую к пропускной способности каналов связи. Это алгоритм с частичным исправлением ошибок кодовыми методами и переспросом обнаруживаемых ошибок (РОС-ЧИ) и его модификации: с сегментацией передаваемых данных (РОС-ЧИ-Б); с адресным переспросом искаженных кадров (РОС-ЧИ-АП); с накоплением данных с последующим вынесением мажоритарного решения (РОС-ЧИ-Н); с адресным переспросом и накоплением (РОС-ЧИ-АП-Н).
3 С использованием предложенного критерия оценки эффективности выполнен сравнительный анализ разработанных и существующих алгоритмов передачи информации с решающей обратной связью: с ожиданием (РОС-ОЖ); с накоплением (РОС-Н); с адресным переспросом (РОС-АП). Результаты сравнения показали, что применение протоколов, использующих разработанные алгоритмы, позволяет: существенно сократить энергетические затраты на передачу данных в каналах связи с ЗВРС, при сохранении той же
скорости и обеспечении высокой достоверности передачи; реализовать при прочих равных условиях передачу данных на большие расстояния.
1 Разработанные алгоритмы передачи сообщений с РОС позволяют повысить эффективность СПДИ в каналах с ЗВРС, при снижении потребления энергии передающими устройствами. Улучшаются и технико-экономические показатели системы связи в целом.
2 Разработаны рекомендации по использованию этих алгоритмов в системах связи, работающих в каналах с ЗВРС.
3 Разработанный и испытанный на ЭВМ программный имитатор алгоритмов передачи информации с РОС в канале связи с ЗВРС (на примере ГАКС) позволяет сократить материальные затраты на проведение натурных испытаний и время на обработку их результатов.
4 Экспериментально проверена эффективность наиболее перспективного алгоритма передачи информации с решающей обратной связью с частичным исправлением ошибок и адресным переспросом (РОС-ЧИ-АП). Показано, что предложенный алгоритм обеспечивает скорость передачи данных, близкую к пропускной способности канала связи.
Степень внедрения. Разработанный алгоритм передачи информации РОС-ЧИ и его модификации, в том числе РОС-ЧИ-АП, а также предложенная методика оценки эффективности алгоритмов передачи информации РОС в каналах с ЗВРС используются в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) при разработке аппаратуры гидроакустического канала связи, управления и навигации, а также в учебном процессе в лекционных курсах: "Теория электрической связи", "Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций", "Основы радиотехнических систем". Акты о внедрении приведены в приложениях.
Личное участие. Основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично в ходе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), проводимых в научно-техническом центре специализированных информационных систем СибГУТИ. Совместные работы выполнены на равных правах с соавторами.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на многочисленных научно-технических конференциях и семинарах: Международных [5-10, 16-20, 22, 23], Российских [1, 2-4] и Региональных [12, 13].Огдельные результаты были опубликованы в виде научных статей в различных изданиях [11, 14, 15] и в отчетах по НИОКР, в которых автор диссертации принимал непосредственное участие. Получен патент на изобретение [21].
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы с 1999 по 2003 гг. в 23 печатных работах в виде: 1 патента; 3 статей; 13 материалов Международных, Российских и Региональных научно-технических конференций; 6 материалов Международных семинаров. Ряд публикаций и докладов выполнен на английском языке.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 155 страниц, и включает' 72 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 112 наименований и 2 приложения, в которых приведены текст программного имитатора алгоритма передачи информации РОС-ЧИ-АП и акты внедрения результатов диссертационной работы.
Во введении показана актуальность диссертационной работы и недостаточность исследования систем передачи информации в каналах связи с ЗВРС. Определены задачи диссертационной работы.
В первой главе, см. работы [1-5, 11, 21], произведен выбор модели канала связи с ЗВРС на примере гидроакустического канала связи вертикальной ориентации, в частности:
Выполнен анализ статистических характеристик сигналов и помех в каналах связи с ЗВРС на примере ГАКС. Наряду с большим временем распространения сигналов в ГАКС необходимо учитывать и низкий уровень сигнала в точке приема. Существуют способы и устройства, позволяющие в зависимости от глубины постановки автономной донной станции (АДС) и дальности связи адаптивно изменять мощность передаваемого сигнала, обеспечивая значение отношения сигнал/шум на достаточном уровне (см [1,21]). Рассмотрены особенности синхронизации аппаратуры ГАКС [5].
Осуществлен выбор модели непрерывного канала связи со значительным временем распространения сигналов на примере ГАКС вертикальной ориентации. Получена аппроксимирующая зависимость нормированной функции корреляции значений уровня гидроакустического сигнала в канале вертикальной ориентации, описываемая выражением вида
где г о - интервал корреляции, для ГАКС вертикальной ориентации т о = 1 с;
к3 - коэффициент пропорциональности, обеспечивающий наибольшее согласие аппроксимирующей и реальной функций корреляции (по критерию минимального среднеквадратического отклонения получено, что кл = 5,5).
Известно, что распределение значений отношения сигнал/шум для ГАКС вертикальной ориентации подчиняется обобщенному закону Релея
где Яр и Яс- регулярная и случайная составляющие отношения сигнал/шум.
Предложена модель дискретного канала связи (ДКС) на основе модели простой цепи Маркова с тремя состояниями, см. рисунок 1. Рассчитаны параметры модели ДКС: вероятности состояний Р1, вероятности ошибок в данных состояниях е, (е0 < е1 < £2) и вероятности переходов между состояниями Р„.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Рисунок 1 - Граф простой цепи Маркова с тремя состояниями
Разработан программный имитатор характеристик ДКС.
Использование аппарата цепей Маркова при моделировании каналов связи позволяет с общих позиций рассматривать вопросы оптимальной передачи информации по каналам связи различной физической природы
Во второй главе выполнен анализ алгоритмов передачи информации, см. работы [6-8, 13, 17]. Для исследования выбран трафик данных с учетом ограничений времени обработки сигналов в приемном устройстве, что особенно характерно для систем телеуправления.
Рассмотрены особенности систем с обратной связью на основе протоколов передачи дискретных сообщений, использующихся в настоящее время. Показано, что наилучшими являются алгоритмы передачи информации с решающей обратной связью (РОС), позволяющие реализовать среднюю скорость передачи в пределах 0,9 Ииахс < Я < Лмакс (где Лмакс = 1). Определены условия исследования алгоритмов с РОС в каналах связи с ЗВРС на примере аппаратуры ГАКС. Отмечается, что каналы связи с ЗВРС могут быть классифицированы как каналы связи с переменными параметрами.
В качестве целевой функции оптимизации параметров протоколов передачи данных, построенных на основе исследуемых алгоритмов передачи информации в каналах связи с ЗВРС предложено использовать удельное значение скорости передачи информации, приведенной к энергетическим затратам, в виде отношения сигнал/шум А2 (А)
где 7"р - время распространения сигналов в среде; п - длины кадра; £/ - кодовое расстояние (определяет вероятность ошибки декодирования Рл, а, следовательно, и конечную эквивалентную вероятность ошибки символа); 1С - длина заголовка информационного кадра (служебная часть); М - основание кода; Ит - количество частотных подканалов, используемых для передачи дискретных сообщений при параллельной передаче сообщений; V - скорость модуляции в каждом подканале; А2 (А) - отношение сигнал/шум, определяющего значение вероятности ошибки символа в соответствии с видом модуляции и методом приема; Кявф - объем информации, предназначенной для
однократной передачи (в случае полудуплексной связи и поочередной передачи сообщений и сигналов обратной связи), или для передачи в течение времени, равном удвоенному значению времени распространения (в случае полнодуплексной связи и непрерывной передачи сообщений); Т3 - время задержки получения подтверждения приема сообщения передающим устройством.
Приведенная целевая функция позволяет определить оптимальные значения параметров протоколов передачи данных, обеспечивающие высокую скорость передачи сообщений при оптимальных энергетических затратах
Предложена методика оценки эффективности протоколов передачи данных, основанных на использовании алгоритмов с РОС, сущность которой заключается в следующем:
1) Определяется объем передаваемой информации. Рассчитывается максимально реализуемая скорость передачи информации. В зависимости от используемого метода передачи информации (параллельный или последовательный) определяется необходимая скорость модуляции. В соответствии с требуемой достоверностью передачи производится выбор вида модуляции и метода приема.
2) Определяется структура окна передачи данных- выбирается количество пакетов (для обеспечения непрерывной передачи данных); определяется количество символов синхронизирующей последовательности ("флаг") для каждого пакета (для обеспечения синхронности приема данных); рассчитывается оптимальная длина кадра (для обеспечения максимума средней скорости передачи информации); выбирается количество адресных разрядов кадра в пакете (для алгоритмов с адресным переспросом).
3) Рассчитывается удельная скорость передачи (средняя относительная скорость передачи, приведенная к энергетическим затратам), выражение (4) (на примере алгоритма с адресным переспросом).
где - количество кадров в пакете; кк и ак - длины информационной и адресной частей кадров, соответственно; А - отношение сигнал/шум; Тъ