Способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования

Изобретение относится к области техники связи. Технический результат заключается в повышении достоверности передачи информации в канале связи и упрощении аппаратной и программной реализации способа. Сначала осуществляют контроль качества канала связи. По результатам контроля качества канала связи выбирают помехоустойчивый код (ПК) с переменными параметрами, которым на передающей стороне кодируют исходную информацию. Далее информацию, защищенную ПК, передают в канал связи. На приемной стороне ПК декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода. Причем исходную информацию кодируют помехоустойчивым каскадным кодом (ПКК), контроль качества канала связи осуществляют на приемной стороне по результатам декодирования слов внутреннего кода ПКК, при этом определяют количество принятых, стертых и трансформированных слов внутреннего кода ПКК, определяют минимальное кодовое расстояние внешнего кода ПКК, необходимое для правильного приема ПКК, осуществляют выбор переменных параметров ПКК, определяют переменные параметры ПКК с учетом их текущей оценки и их предыдущей оценки, полученной при приеме ранее передававшихся каскадных кодов, и далее эти параметры сообщают на передающую сторону.

 

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 по протоколу MNP4 с исправлением ошибок (или схожему по возможностям протоколу V.42) в процедуре адаптивной сборки пакетов информации, при котором информацию передают пакетами различной длины, защищенными помехоустойчивыми кодами. Пакет информации может содержать 32, 64, 128, 192 или 256 байт. При большом уровне шумов передают пакеты информации меньших размеров. В результате этого увеличивается вероятность безошибочной передачи пакета информации. По высококачественным каналам пересылаются пакеты информации больших размеров: при этом уменьшается количество служебной информации и увеличивается скорость передачи информации. Контроль ошибок в пакетах информации осуществляют с помощью помехоустойчивого кода, используемого в режиме обнаружения ошибок [1].

Недостатком этого способа является снижение достоверности передачи информации из-за того, что декодирование помехоустойчивого кода осуществляют только с обнаружением ошибок и при этом не выдерживается оптимальное соотношение между количеством исправляемых и обнаруживаемых ошибок, соответствующее состоянию канала в текущий момент времени.

Известен также 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 [2].

Недостатком этого способа также 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.

Наиболее близким к предлагаемому способу является 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 [3].

Недостаток известного способа заключается в снижении достоверности приема информации и высокой сложности способа из-за того, что оценка качества канала выполняется на передающей стороне, информация о качестве приема слов помехоустойчивого кода не используется для оптимизации параметров помехоустойчивого кода и в качестве параметров помехоустойчивого кода используется их текущая оценка, без учета приема слов помехоустойчивого кода, которые раньше передавались в канале связи.

Цель изобретения - увеличение достоверности приема информации и упрощение способа за счет того, что оценка качества канала связи и выбор оптимальных параметров помехоустойчивого кода осуществляется по результатам приема слов помехоустойчивого кода, т.е. в каждый текущий момент времени на приемной стороне анализируется количество принятых, стертых и трансформированных слов помехоустойчивого кода.

Для достижения цели предложен способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, 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. Новым является то, что исходную информацию кодируют помехоустойчивым каскадным кодом, и контроль качества канала связи осуществляют на приемной стороне по результатам декодирования слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода. При этом определяют число принятых и стертых слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода. Далее оценивают число 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, и далее эти параметры сообщают на передающую сторону.

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

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 т-ным 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 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, 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 г 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 предистории, т.е. количество ранее переданных каскадных кодов, которое учитывается при определении скользящей средней оценки.

В предельном случае, при m=1, предистория приема каскадных кодов учитываться не будет, с увеличением m значение предистории для текущей оценки блоковой длины каскадного кода будет возрастать. Выбор значения величины m играет существенную роль для реализации предлагаемого способа. Длительность предистории 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 каскадный код с блоковой длиной n передают на приемную сторону.

В предлагаемом изобретении за счет контроля качества канала связи на приемной стороне обеспечивается высокая достоверность оценки параметров кода и за счет этого более высокая достоверность передаваемой информации по сравнению с прототипом, при одинаковой скорости передачи информации в канале связи. Причем этот контроль осуществляют с помощью оценки качества приема слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, и результирующая оценка использует не только текущую оценку качества приема помехоустойчивого каскадного кода, но и учитывает также качество приема ранее переданных каскадных кодов.

Оценка качества приема слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода осуществляется в процессе декодирования кода, использует информацию, которую получают при декодировании помехоустойчивого кода и требует незначительного числа дополнительных операций и оборудования, что упрощает программную или аппаратную реализацию предлагаемого способа.

Достигаемым техническим результатом способа передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования является увеличение достоверности приема информации и упрощение способа.

Источники информации

1. Минкин Э.Б., Белоцерковский И.Л. Модемы для передачи данных по коммутируемой телефонной сети. Сети, № 4, 1991, стр.22.

2. Пат. №6044485 США, МПК 7 G 06 F 11/10, опубл. 2000.

3. Заявка №19918507.7, Германия, МПК 7 Н 04 L 1/20, Н 04 L 29/14, опубл. 2000.

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 код с переменными параметрами, которым на передающей стороне кодируют исходную информацию, и 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, отличающийся тем, что исходную информацию кодируют помехоустойчивым каскадным кодом, и контроль качества канала связи осуществляют на приемной стороне по результатам декодирования слов внутреннего кода помехоустойчивого каскадного кода, 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, и далее эти параметры сообщают на передающую сторону.