Способ контроля качества канала связи

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для контроля качества канала связи. Достигаемый технический результат - повышение точности контроля качества канала связи. Способ характеризуется тем, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, на приемной стороне его декодируют с исправлением t ошибок, вычисляют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода с t ошибками, составляют ее квадратичное отклонение от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода для различного числа t ошибок, вычисляют достоверность экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода и квадратичное отклонение ее от теоретической блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода, с учетом упомянутой достоверности по сумме квадратичных отклонений экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода определяют параметры канала связи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Предлагаемый способ может применяться в адаптивных системах передачи дискретной информации для оптимального выбора параметров помехоустойчивого кода (информационной длины и избыточности кода) при изменении помеховой обстановки в канале связи. Способ, описанный в настоящей заявке, основан на оценке качества канала связи по результатам декодирования помехоустойчивого кода и позволяет организовать процесс постоянного слежения за качеством канала связи (мониторинг).

Для осуществления способа не требуется передача специальных тестовых последовательностей, контроль качества канала связи выполняется в рабочем режиме под полезной нагрузкой и без снижения скорости передачи информации в канале связи. При этом актуальной является задача определения качества канала связи за наименьшее время и с наибольшей точностью.

В предлагаемом способе используется блочная статистика ошибок канала связи. Под блочной статистикой ошибок канала связи будем понимать оценку величины P (i, n) - вероятности i 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 (Элементы теории передачи информации /Под ред. Л.П.Пуртова. М.: Связь, 1972, стр.39).

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 используется для проведения измерений.

Известен также способ контроля качества канала связи, 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 в словах помехоустойчивого кода и по результатам декодирования вычисляют блочную статистику неискаженного приема слов помехоустойчивого кода, а затем по этой статистике определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками (Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982, стр.41).

Недостатком этого способа является низкая точность 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.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), при котором на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с исправлением t ошибок, по результатам декодирования определяют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода с t ошибками, далее вычисляют квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода для различного числа t ошибок в помехоустойчивом коде, в пределах его корректирующей способности, и затем определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода (Патент РФ №2214689, МПК 7 Н 04 В 17/00, опубл. 2004).

Недостатком этого способа также является невысокая точность контроля качества канала связи, поскольку квадратичные отклонения экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода для маловероятных событий имеют низкую достоверность и учет их в сумме наравне с квадратичными отклонениями для более вероятных событий снижает точность определения параметров канала связи.

Цель изобретения - повышение точности контроля качества канала связи за счет того, что параметры канала связи определяют по сумме квадратичных отклонений экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода, взятых с весовыми коэффициентами, учитывающих достоверность экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода.

Для достижения цели предложен способ, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с исправлением t ошибок, по результатам декодирования вычисляют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода с t ошибками, далее вычисляют квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода для различного числа t ошибок в помехоустойчивом коде, в пределах его корректирующей способности, и затем определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода. Новым является то, что для каждой экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода с t ошибками вычисляют достоверность этой экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода, квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода составляют с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода и далее параметры канала связи определяют по сумме квадратичных отклонений экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода. При этом достоверность экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода определяется количеством информации в событии приема помехоустойчивого кода с t ошибками и экспериментальную блочную статистику ошибок канала связи вычисляют 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-ных (m>1) символов, вначале кодируют m-ным помехоустойчивым кодом, например m-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 К, а блоковая - N символов.

Далее информацию кодируют двоичным кодом, например двоичным кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингема (кодом БЧХ). 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 БЧХ (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 статистики ошибок канала связи немаловажное значение имеет надежная цикловая синхронизация каскадного кода, позволяющая с высокой достоверностью определить факт передачи каскадного кода и начало приема каскадного кода. При использовании каскадного кода возможно применение кодовой цикловой синхронизации (Бек Г.В., Богданович В.Н., Киреев О.П. Метод синхронизации сообщений. Сб.: Построение и анализ систем передачи информации. М.: Наука, 1980, стр.84). Кодовая цикловая синхронизация обеспечивает высокую достоверность цикловой синхронизации помехоустойчивого каскадного кода.

Далее осуществляют декодирование каскадного кода. Каскадный код, поступающий на вход приемника, содержит N слов внутреннего кода. Декодирование каскадного кода начинается с декодирования слов внутреннего кода с обнаружением и исправлением ошибок. При декодировании внутреннего кода определяют количество ошибок t во внутреннем коде, где 0≤t≤t_max, a t_max - максимальное количество ошибок, корректируемое внутренним кодом. При количестве ошибок во внутреннем коде больше величины его корректирующей способности t_max, но меньше величины s (t_max<t<s) происходит стирание внутреннего кода и, наконец, при количестве ошибок больше s происходит стирание и трансформация внутреннего кода. В результате декодирования внутреннего кода каскадного кода получают символы внешнего кода каскадного кода, который затем также декодируют.

При декодировании внутреннего кода каскадного кода вычисляют экспериментальную блочную статистику Р_Э=P_Э (i, n) ошибок канала связи. Экспериментальная блочная статистика ошибок канала связи есть частота приема внутреннего кода с i ошибками

где m(i) - количество слов внутреннего кода каскадного кода, в которых было исправлено i ошибок 0≤i≤t_max, m - общее количество принятых слов внутреннего кода.

Параметры канала связи, например средняя вероятность р ошибок на бит в канале связи, коэффициент группирования a и т.д., характеризующие качество канала связи, составляют вектор параметров канала связи Н=(р, а,...).

Теоретическая блочная статистика Р_T=P_T (i, n, H) ошибок канала связи зависит от вектора параметров канала связи Н.

Справедливо приближенное равенство

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

Коэффициент β(i) приближенно оценивают по "объему сфер" по следующей формуле

Экспериментальную блочную статистику Р_Э (i, n) вычисляют по результатам декодирования внутреннего кода каскадного кода и достоверность ее определяется объемом статистического материала и величиной Р_Э (i, n). В предлагаемом способе достоверность экспериментальной блочной статистики оценивают по информационному критерию - количеством информации J(i), которое содержится в событии декодирования внутреннего кода с исправлением i ошибок

J(i)=-P_Э(i,n)ln(P_Э(i,n)).

Наибольшую достоверность имеет экспериментальная блочная статистика Р_Э (i, n), величина которой близка к 0,5. Экспериментальная блочная статистика P_Э (i, n), величина которой близка к 0 или к 1, имеет низкую достоверность. Определение достоверности статистики по информационному критерию хорошо согласуется с нашими интуитивными представлениями. 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.

Сумма квадратичных отклонений экспериментальной блочной статистики от теоретической блочной статистики с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики и трансформаций кодовых слов запишется в виде

Выражение (3) представляет собой целевую функцию, при минимизации которой вычисляют параметры канала связи

Например, канал связи с независимыми ошибками полностью определяется одним параметром - средней вероятностью ошибки на бит в канале связи р. В этом канале теоретическая блочная статистика Р_T (i, n, p) распределена по биномиальному закону

Целевая функция для канала связи с независимыми ошибками запишется в виде

Определяя минимальное значение последнего выражения, нелинейного относительно переменной р, получают значение параметра канала связи р. Для определения значения экстремума целевой функции используют, например, метод золотого сечения, градиентный метод или другой метод (Мудров А.Е. Численные методы для ЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП "РАСКО", 1991, стр.246).

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 экспериментальной блочной статистики Р_Э (i) приема слов внутреннего кода каскадного кода с исправлением i ошибок:

Р_Э(0)=0,214, Р_Э(1)=0,393, Р_Э(2)=0,260, Р_Э(3)=0,109.

По информационному критерию достоверности J(i) приема слов внутреннего кода будут равны

J(0)=0,324, J(1)=0,366, J(2)=0,351, J(3)=0,269.

Коэффициенты трансформаций внутреннего кода, согласно формулы (2), будут иметь следующие значения:

β(0)=3,052×10^-5, β(1)=9,469×10^-3, β(2)=0,014, β(3)=0,159

Подставляя перечисленные величины в выражение (6), получим целевую функцию для определения качества канала связи. На чертеже представлен график зависимости целевой функции от средней вероятности ошибки на бит в канале связи. Целевая функция достигает минимального значения при средней вероятности ошибки на бит в канале связи p=0,043.

Аналогичным образом возможно определение параметров канала для более сложных моделей канала связи, например, для канала связи с группированием ошибок согласно модифицированной модели канала Пуртова (Самойлов В.М. Обобщенная аналитическая модель канала с групповым распределением ошибок. Вопросы радиоэлектроники, сер. ОВР, вып.6, 1990). Для этой модели канала связи вероятность P_T (i, n) выражают через два параметра: p - 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 (3) для двух параметров. Для моделей канала связи с большим числом параметров, например, Марковской модели канала связи, определение параметров канала представляет собой довольно сложную задачу многомерной оптимизации целевой функции (3).

В предлагаемом способе качество канала связи оценивают по результатам декодирования (статистике декодирования) слов внутреннего кода каскадного кода. Количество слов внутреннего кода в каскадном коде заранее известно на приемной стороне и экспериментальная блочная статистика приема слов внутреннего кода каскадного кода может быть вычислена с высокой точностью. Параметры канала связи оценивают с учетом достоверности приема слов внутреннего кода, которая определяется количеством информации в событии приема слов внутреннего кода. Это увеличивает достоверность определения параметров канала связи и позволяет определять параметры канала связи при меньшем объеме статистического материала. Немаловажное значение для реализации предлагаемого способа имеет надежная цикловая синхронизация каскадного кода. Достоверная оценка параметров канала возможна лишь при точном определении факта передачи каскадного кода и его начала.

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

1. Способ контроля качества канала связи, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют помехоустойчивый код, который передают в канал связи, на приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с исправлением t ошибок, по результатам декодирования вычисляют экспериментальную блочную статистику приема помехоустойчивого кода с t ошибками, далее составляют квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики приема помехоустойчивого кода для различного числа t ошибок в помехоустойчивом коде, в пределах его корректирующей способности, и затем определяют параметры канала связи с независимыми или группирующимися ошибками, обеспечивающие наименьшее значение квадратичного отклонения экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода, отличающийся тем, что для каждой экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода с t ошибками вычисляют достоверность этой экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода, квадратичное отклонение экспериментальной блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок приема помехоустойчивого кода составляют с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода и далее параметры канала связи определяют по сумме квадратичных отклонений экспериментальной блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода от теоретической блочной статистики ошибок помехоустойчивого кода с учетом достоверности экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что достоверность экспериментальной блочной статистики приема помехоустойчивого кода определяется количеством информации в событии приема помехоустойчивого кода с t ошибками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что экспериментальную блочную статистику ошибок канала связи вычисляют по результатам декодирования внутреннего кода каскадного кода.