способ передачи информации с использованием адаптивного перемежения

Формула изобретения

Способ передачи информации с использованием адаптивного перемежения, при котором осуществляют непрерывный контроль качества канала связи, по результатам которого выбирают значение глубины перемежения символов слов помехоустойчивого кода (ПК), осуществляют перемежение символов ПК, слов ПК и информационный пакет, составленный из символов нескольких слов ПК, передают в канал связи, на приемной стороне осуществляют деперемежение символов принятого информационного пакета и получают слова ПК, которые декодируют с обнаружением и исправлением ошибок, отличающийся тем, что качество канала связи оценивают по результатам декодирования слов ПК, при этом определяют количество ошибок в словах ПК принятого информационного пакета с учетом стираний и трансформаций слов ПК, затем оценивают среднее число ошибок в словах ПК, определяют выборочную дисперсию числа ошибок в словах ПК принятого информационного пакета, а после приема очередного информационного пакета выполняют коррекцию прежнего значения глубины перемежения в зависимости от результатов приема слов ПК данного информационного пакета, причем сравнивают полученную выборочную дисперсию количества ошибок в словах ПК последнего информационного пакета с дисперсией биноминального закона распределения и изменение значения глубины перемежения осуществляют по отклонению выборочной дисперсии распределения ошибок в словах принятого информационного пакета от дисперсии биномиального закона распределения.

Описание изобретения к патенту

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

Одним из основных свойств большинства реальных каналов связи является нестационарность или изменение состояния канала связи во времени, которое приводит к группированию ошибок при передаче дискретной информации. Эффективным способом повышения достоверности передачи информации по каналам связи с группирующимися ошибками является перемежение символов помехоустойчивого кода.

Перемежением будем называть такую перестановку символов в словах помехоустойчивого кода, при которой стоящие рядом символы оказываются разделенными символами других слов помехоустойчивого кода. В перемежении используются символы нескольких слов помехоустойчивого кода a₁₁,a₁₂,...,a_1n, a ₂₁,a₂₂,...,a_2n, ..., a_h1 ,a_h2,...,a_hn, где a_ij - j-ый символ i-ого слова, n - блоковая длина помехоустойчивого кода. Важной характеристикой перемежения является его глубина h, которая определяет количество слов помехоустойчивого кода, символы которых используются для перемежения. В результате перемежения символов получают информационный пакет из h·n символов, расположенных в следующем порядке а₁₁,а₂₁,...,а_h1 , а₁₂,а₂₂,...,а_h2, ..., a_1n,a_2n,...,a_hn, т.е. сначала расположены первые символы всех слов помехоустойчивого кода информационного пакета, далее вторые символы и т.д.. На приемной стороне осуществляют деперемежение символов информационного пакета, т.е. выполняют операцию, обратную перемежению символов. Наилучшие результаты приема помехоустойчивого кода достигаются при согласовании значения глубины перемежения h с характером группирования ошибок в канале связи. Отметим, что с увеличением значения глубины перемежения h возрастает время задержки в приеме сообщений. Это может ограничивать выбор пределов изменения значения глубины перемежения. В ряде систем связи доведение сообщения до получателя должно осуществляться с минимальной временной задержкой. Предлагаемый способ позволяет определить необходимое минимальное значение глубины перемежения, обеспечивающее высокое качество передачи сообщений. При этом выбор значения глубины перемежения осуществляют на приемной стороне канала связи, а на передающую сторону это значение может передаваться, например, по каналу обратной связи.

Перемежение используется для преобразования групповых ошибок, возникающих в канале связи из-за наличия глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространиения, в одиночные, с которыми легче бороться с помощью помехоустойчивого кодирования. Перемежение символов позволяет получить более равномерное распределение ошибок в словах помехоустойчивого кода, и в случаях, когда среднее количество ошибок в словах помехоустойчивого кода не превышает корректирующей способности кода, увеличивает вероятность правильного приема помехоустойчивого кода. При этом аппаратные и программные затраты на реализацию перемежения символов существенно меньше аналогичных затрат на кодирование и декодирование помехоустойчивых кодов.

Известен способ передачи информации с использованием перемежения, в соответствии с которым сначала осуществляют оценку качества канала связи (например по уровням шумов и помех, длительности замираний и т.д.) и выбирают значение глубины перемежения символов слов помехоустойчивого кода. Далее осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода и получают информационный пакет, составленный из символов нескольких слов помехоустойчивого кода, который передают в канал связи. На приемной стороне сначала осуществляют деперемежение символов в информационном пакете и получают слова помехоустойчивого кода, входящие в информационный пакет. Затем слова помехоустойчивого кода декодируют с обнаружением и исправлением ошибок [1].

Недостатком этого способа является снижение достоверности передачи информации из-за того, что выбор значения глубины перемежения символов помехоустойчивого кода осуществляют, исходя из величины средней оценки качества канала, и при этом не учитывают распределение ошибок в канале связи, соответствующее состоянию канала в текущий момент времени.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ передачи информации с использованием адаптивного перемежения символов, при котором сначала осуществляют непрерывный контроль качества канала связи. По результатам контроля качества канала связи выбирают значение глубины перемежения символов слов помехоустойчивого кода, осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода и получают информационный пакет, составленный из символов нескольких слов помехоустойчивого кода. Далее информационный пакет передают в канал связи. На приемной стороне сначала осуществляют деперемежение символов принятого информационного пакета и получают слова помехоустойчивого кода, входящие в информационный пакет. Затем слова помехоустойчивого кода декодируют с обнаружением и исправлением ошибок [2].

Недостаток известного способа заключается в снижении достоверности приема информации, увеличении времени задержки приема сообщения и в усложнении способа за счет того, что результаты декодирования помехоустойчивых кодов, входящих в информационный пакет, не используют для оптимизации значения глубины перемежения символов помехоустойчивого кода.

Цель изобретения - повышение достоверности приема информации, уменьшение времени задержки приема информации и упрощение способа за счет того, что в каждый текущий момент времени анализируют результаты приема слов помехоустойчивого кода, оценивают количество ошибок в принятых словах помехоустойчивого кода, а также в стертых и трансформированных словах помехоустойчивого кода и эта информация используется для выбора оптимального значения глубины перемежения символов помехоустойчивого кода.

Для достижения цели предложен способ передачи информации с использованием адаптивного перемежения символов, при котором сначала осуществляют непрерывный контроль качества канала связи. По результатам контроля качества канала связи выбирают значение глубины перемежения символов слов помехоустойчивого кода, осуществляют пе-ремежение символов слов помехоустойчивого кода и получают информационный пакет, составленный из символов нескольких слов помехоустойчивого кода. Далее информационный пакет передают в канал связи. На приемной стороне сначала осуществляют деперемежение символов принятого информационного пакета и получают слова помехоустойчивого кода, входящие в информационный пакет. Затем слова помехоустойчивого кода декодируют с обнаружением и исправлением ошибок. Новым является то, что качество канала связи оценивают по результатам декодирования слов помехоустойчивого кода и при этом определяют количество ошибок в словах помехоустойчивого кода принятого информационного пакета, причем количество ошибок в правильно принятых словах помехоустойчивого кода равно количеству ошибок, исправленных при декодировании помехоустойчивого кода, количество ошибок в стертых словах помехоустойчивого кода определяют исходя из оценки величины кратности ошибок, которые обнаруживают, но не исправляют помехоустойчивым кодом, затем оценивают число трансформированных слов помехоустойчивого кода и количество ошибок в трансформированных словах помехоустойчивого кода определяют исходя из оценки величины кратности ошибок, приводящих к трансформации слова помехоустойчивого кода. Затем оценивают среднее число ошибок во всех словах помехоустойчивого кода принятого информационного пакета, далее определяют выборочную дисперсию числа ошибок в словах помехоустойчивого кода принятого информационного пакета и, в зависимости от величины выборочной дисперсии, получают новое значение глубины перемежения символов, в соответствии с которым формируют следующий информационный пакет.

Предлагаемый способ передачи информации с использованием адаптивного перемежения реализуется следующим образом.

На передающей стороне системы связи сначала формируют слова помехоустойчивого кода. В результате кодирования информации получают слова помехоустойчивого кода (n,k) информационная длина которого равна k, а блоковая - n символов.

Далее осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода и получают информационный пакет из символов нескольких слов кода.

Затем символы кода, входящие в информационный пакет, преобразуют в сигнал и передают в канал связи. В канале связи возможны искажения передаваемого сигнала, которые могут привести к тому, что на приемной стороне канала связи некоторые символы будут приняты с ошибками.

На приемной стороне сначала осуществляют прием символов информационного пакета. Далее осуществляют деперемежение символов информационного пакета. В результате получают слова помехоустойчивого кода, входящие в информационный пакет.

Далее слова помехоустойчивого кода декодируют с обнаружением и исправлением ошибок.

Перед тем, как выполнять перемежение, выбирают некоторое начальное значение глубины перемежения символов помехоустойчивого кода.

Начальное значение глубины перемежения символов помехоустойчивого кода выбирают, исходя из некоторых априорных представлений о характере группирования ошибок в канале связи, например, исходя из предыдущего опыта работы в этом канале связи. Также начальное значение глубины перемежения можно выбрать путем исследования и оценки помеховой обстановки в канале связи, в частности, путем изучения длительности интервалов безошибочного приема слов кода и длительности интервалов приема слов кода с ошибками (длительности замираний). Для этого сначала в канале связи передают без перемежения некоторое число N слов помехоустойчивого кода. Начальное значение глубины перемежения символов кода оценивают по результатам приема слов помехоустойчивого кода и распределению числа ошибок в словах помехоустойчивого кода. Причем контроль качества канала связи на этом этапе должен быть достаточно длительным (большим предполагаемого значения глубины перемежения), поскольку это определяет точность выбора начального значения глубины перемежения.

Количество ошибок в каждом слове кода определяют при декодировании слов помехоустойчивого кода. При декодировании слов помехоустойчивого кода возможен правильный прием, трансформации и стирания слов кода. Предположим, что помехоустойчивый код 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. Корректирующая способность помехоустойчивого кода определяется минимальным кодовым расстоянием кода d, при этом справедливо соотношение

Среди слов помехоустойчивого кода, в которых было исправлено i ошибок (it), будут правильно принятые слова, в которых действительно было i ошибок, и трансформированные кодовые слова, в которых было большее число ошибок (кратности > t). Помимо этого, часть слов кода может быть стерта. Введем обозначение для количества слов кода, которые стерты на интервале приема длины N слов - S, для количества слов кода, принятого с i ошибками - f(i), тогда количество правильно принятых с i ошибками слов F(i) будет равно

где r(i) - количество трансформированных слов, принятых с i ошибками.

Количество трансформированных слов r(i) приближенно можно оценить по формуле

где (i) - коэффициент трансформаций, показывающий какую долю ошибок, которые обнаруживают (кратности > t), составляют трансформации кодовых слов, в которых было исправлено i ошибок. Коэффициент (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 его трансформации, будет равно

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

откуда получим

и суммарное количество z ошибок во всех N словах помехоустойчивого кода можно оценить выражением

где и d-i - приближенные оценки для количества ошибок соответственно в стертых и трансформированных словах кода.

Среднее число ошибок в словах помехоустойчивого кода запишется в виде

и оценка для средней вероятности ошибки на символ кода будет равна

Применение перемежения нецелесообразно, если среднее число ошибок е в словах кода превышает корректирующую способность кода t (е>t). Использование перемежения также нецелесообразно в случае, если ошибки в словах помехоустойчивого кода распределены достаточно равномерно. Например, если ошибки возникают независимо и распределены в словах кода по биномиальному закону. Мера отклонения количества ошибок в словах кода от среднего числа ошибок в словах кода (выборочная дисперсия числа ошибок в словах кода) выражается формулой

Оценка дисперсии биномиального распределения равна

При величине выборочной дисперсии, не превышающей оценку дисперсии биномиального распределения , слова кода передают без перемежения.

При е<t и > перемежение может дать выигрыш по достоверности, что зависит от степени группирования ошибок в канале связи. Значение глубины перемежения должно превышать длительность группирования ошибок (длительность приема слов кода с некорректируемыми ошибками). При приеме каждого нового кодового слова вычисляют новые значения е, , , .

В качестве начального значения глубины перемежения h можно взять минимальное значение N, при котором выполняется условие

После выбора начального значения глубины перемежения h осуществляют перемежение символов слов помехоустойчивого кода и в канал связи передают информационные пакеты, составленные из h слов помехоустойчивого кода.

Далее выбор значения глубины перемежения h осуществляют с помощью рекуррентной процедуры, при этом, после приема очередного информационного пакета, выполняют коррекцию прежнего значения глубины перемежения в зависимости от результатов приема слов помехоустойчивого кода данного информационного пакета. Изменение значения глубины перемежения осуществляют по отклонению выборочной дисперсии распределения ошибок в словах принятого информационного пакета от дисперсии биномиального распределения. Причем выбирают минимальное значение глубины перемежения, при котором выборочная дисперсия приближается к дисперсии биномиального распределения. Для этого после приема каждого информационного пакета, состоящего из h слов помехоустойчивого кода, по формуле (7) вычисляют оценку выборочной дисперсии распределения ошибок в словах помехоустойчивого кода информационного пакета. После этого по формуле (8) оценивают дисперсию биномиального закона распределения, соответствующую средней вероятности ошибки на бит в словах последнего принятого информационного пакета.

При правильно выбранном значении глубины перемежения количество ошибок в словах помехоустойчивого кода последнего информационного пакета должно незначительно отклоняться от среднего числа е ошибок в канале связи, например, по сравнению с аналогичным отклонением для биномиального закона распределения.

Сравнивая выборочную дисперсию количества ошибок в словах помехоустойчивого кода последнего информационного пакета с дисперсией биномиального закона распределения, оцениваем новое значение глубины перемежения. Правило изменения значения глубины перемежения h запишется в виде

где - пороговое значение, с которого начинается регулирование значения глубины перемежения, - коэффициент пропорциональности, определяющий скорость регулирования.

Причем, при h>0 к прежнему значению глубины перемежения h добавляется h, а при h<0 - вычитается.

Выбор величины коэффициентов , имеет немаловажное значение при реализации метода. Эти коэффициенты определяют динамику регулирования значения глубины перемежения (соотношение между предисторией процесса и текущим состоянием). Величины коэффициентов , , в свою очередь, могут корректироваться в процессе сеанса связи в зависимости от результата декодирования слов помехоустойчивого кода принятого информационного пакета.

Пример. В нестационарном канале связи с группированием ошибок сообщения передают с помощью помехоустойчивого кода Боуза - Чоудхури - Хоквингема (31,16) (БЧХ - коды) с минимальным кодовым расстоянием, равным 7. Декодирование помехоустойчивого кода осуществляют с исправлением тройных ошибок, а ошибки большей кратности приводят к стиранию или трансформации слов кода. При передаче N=1000 слов помехоустойчивого кода БЧХ(31,16) были приняты 751 слово помехоустойчивого кода без исправления ошибок, 73 слова - с исправлением одиночных ошибок, 32 слова - с исправлением двойных ошибок и 46 слов - с исправлением тройных ошибок, а остальные 98 слов кода были стерты. Коэффициенты трансформаций для выбранного кода БЧХ(31,16), согласно формуле (3), будут равны (0)=3.6·10 ^-5, (1)=1.116·10 ^-3, (2)=0.017, (3)=0.162. Количество трансформированных слов кода будет по формуле (2) оцениваться: 0 слов без исправления ошибок, 0 слов - с исправлением одиночных ошибок, 2 слова - с исправлением двойных ошибок и 16 слов - с исправлением тройных ошибок. Оценка для общего количества ошибок во всех словах кода будет по формуле (4) равна z=689. Оценка для среднего числа ошибок в словах кода е=0.689. Средняя вероятность ошибки на бит в канале связи будет оцениваться величиной p=0.022.

Выборочная дисперсия распределения ошибок по формуле (7) равна =1.864, а дисперсия биномиального распределения по формуле (8) - =0.667. Поскольку корректирующая способность кода больше среднего числа ошибок в словах кода и выборочная дисперсия больше дисперсии биномиального распределения, использование перемежения может увеличить достоверность приема информации.

Предположим, что значение N, при котором впервые начинает выполняться условие (9), равно 26.

Тогда осуществляют перемежение символов 26 слов кода, получают информационный пакет и передают его в канал связи.

Допустим, что в результате декодирования слов помехоустойчивого кода, входящих в информационный пакет, было получено 15 слов помехоустойчивого кода без исправления ошибок, 7 слов - с исправлением одиночных ошибок, 2 слова - с исправлением двойных ошибок, 1 - слово с исправлением тройных ошибок и 1 слово было стерто. Оценка среднего числа ошибок в словах кода по результатам приема последнего информационного пакета по формуле (4) будет равна 0.692. Оценка средней вероятности ошибки на бит равна 0.022. Выборочная дисперсия количества ошибок в словах кода по формуле (7) будет равна 1.101, а дисперсия биномиального распределения равна 0.667. Для значения коэффициентов =/10=0.0667, =3·=2, по формуле (10) получим поправку для нового значения глубины перемежения h=-1, и новое значение глубины перемежения h=25.

Следует отметить, что в предлагаемом способе изменение значения глубины перемежения осуществляется в зависимости от величины отклонения количества ошибок в словах кода последнего принятого информационного пакета от среднего количества ошибок в словах помехоустойчивого кода, передаваемого в канале связи. Оценка качества канала связи, в отличие от известного способа, осуществляется непосредственно по результатам декодирования слов помехоустойчивого кода информационного пакета, что упрощает реализацию способа и обеспечивает высокую достоверность приема слов помехоустойчивого кода информационных пакетов, полученных после перемежения. При этом выбирают минимальное значение глубины перемежения, благодаря чему обеспечивается минимальная величина временной задержки приема информации.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа передачи информации с использованием адаптивного перемежения является повышение достоверности приема информации, уменьшение времени задержки приема информации и упрощение программной и аппаратной реализации способа.

Источники информации

1. Элементы теории передачи дискретной информации. Под ред. Л.П.Пуртова. М.: Связь, 1972, стр. 149.

2. Злотник Б.М. Помехоустойчивые коды в системах связи. М.: Радио и связь, 1989, стр. 218.