Способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования
Владельцы патента RU 2299515:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Калужский научно-исследовательский институт телемеханических устройств" (RU)
Способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования относится к области техники связи и может быть использован для передачи дискретной информации, защищенной помехоустойчивым кодом, в частности помехоустойчивым каскадным кодом. Сущность изобретения состоит в том, что исходную информацию на передающей стороне канала связи кодируют помехоустойчивым каскадным кодом (ПКК), на приемной стороне выполняют декодирование ПКК и по результатам декодирования определяют минимальное кодовое расстояние ПКК, необходимое для правильного приема ПКК, далее выбирают переменные параметры ПКК, обеспечивающие это минимальное кодовое расстояние ПКК, переменные параметры ПКК изменяют с учетом их значений, полученных при приеме ранее передававшихся ПКК, и сообщают эти переменные параметры ПКК на передающую сторону, при этом по результатам декодирования ПКК вычисляют среднее квадратичное отклонение минимального кодового расстояния ПКК и среднее квадратичное отклонение его биномиального распределения, а величину изменения переменных параметров ПКК определяют в зависимости от величины разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приема информации в канале связи. 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для передачи дискретной информации, защищенной помехоустойчивым кодом, в частности к способам передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования.
Основной особенностью, присущей реальным каналам связи, является нестационарность или изменение состояния канала связи со временем. Одним из путей повышения скорости передачи информации и помехоустойчивости ее приема в нестационарных каналах связи является переход к адаптивным системам кодирования, в которых параметры помехоустойчивого кода автоматически изменяются в зависимости от изменения условий приема в канале связи. В предлагаемом способе для передачи сообщений используется помехоустойчивый каскадный код с переменными параметрами. Это обусловлено тем, что каскадный код имеет относительно несложную реализацию алгоритмов кодирования и декодирования, а также позволяет легко изменять свои параметры - блоковую и информационную длины кода, а значит, и корректирующую способность кода.
В адаптивной системе в зависимости от состояния канала связи изменяют параметры помехоустойчивого кода. Определение моментов времени, в которые происходят изменения состояния канала связи, а также величины (скорости) его изменения позволяет более точно выбирать новые параметры помехоустойчивого кода и повысить помехоустойчивость приема информации.
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, следовательно, увеличивается количество информации, переданной на приемную сторону. Качество канала связи определяют с помощью помехоустойчивого кода, используемого в режиме обнаружения ошибок, то есть контролирующего наличие ошибок в пакетах информации [Минкин Э.Б., Белоцерковский И.Л. Модемы для передачи данных по коммутируемой телефонной сети. Сети, N4, 1991, стр.22].
Недостатком этого способа является снижение помехоустойчивости приема информации из-за того, что декодирование помехоустойчивого кода осуществляют только с обнаружением ошибок и при этом не выдерживается соотношение между количеством обнаруживаемых и исправляемых ошибок, соответствующее состоянию канала в текущий момент времени и обеспечивающее наибольшую достоверность информации.
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, помех и т.д.). Результаты контроля качества канала связи используют для выбора наилучших помехоустойчивых кодов, то есть кодов, обеспечивающих необходимую достоверность приема сообщений при минимальной избыточности. При этом для кодирования информации может выбираться либо циклический помехоустойчивый код с обнаружением ошибок, либо помехоустойчивый код 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 [Пат. №6044485 США, МПК 7 G06F 11/10, опубл. 2000].
Недостатком этого способа также является невысокая помехоустойчивость приема информации, обусловленная тем, что решения о выборе помехоустойчивого кода и алгоритма его декодирования принимаются 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 с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, при котором исходную информацию на передающей стороне канала связи кодируют помехоустойчивым каскадным кодом (ПКК), на приемной стороне выполняют декодирование ПКК и по результатам декодирования определяют минимальное кодовое расстояние ПКК, необходимое для правильного приема ПКК. Далее выбирают переменные параметры ПКК, обеспечивающие это минимальное кодовое расстояние ПКК. Затем переменные параметры ПКК изменяют с учетом их значений, полученных при приеме ранее передававшихся ПКК, и далее эти переменные параметры ПКК сообщают на передающую сторону канала связи [Патент РФ №2223598, МПК 7 Н03М 13/35, опубл. 2004].
Недостаток известного способа заключается в снижении помехоустойчивости приема информации из-за того, что переменные параметры ПКК определяют без учета переходных процессов при изменении состояния канала связи.
Цель изобретения - увеличение помехоустойчивости приема информации за счет того, что переменные параметры ПКК выбирают с учетом переходных процессов при изменении состояния канала связи. Наличие переходных процессов в канале связи определяют по величине разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения. Эта разность возрастает при смене состояния канала связи, то есть в моменты переходных процессов, и уменьшается при нахождении канала связи в стационарном состоянии. При наличии переходных процессов в канале связи величину изменения переменных параметров ПКК увеличивают.
Для достижения цели предложен способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, при котором исходную информацию на передающей стороне канала связи кодируют ПКК, на приемной стороне выполняют декодирование ПКК и по результатам декодирования определяют минимальное кодовое расстояние ПКК, необходимое для правильного приема ПКК. Далее выбирают переменные параметры ПКК, обеспечивающие это минимальное кодовое расстояние ПКК. Затем переменные параметры ПКК изменяют с учетом их значений, полученных при приеме ранее передававшихся ПКК, и далее эти переменные параметры ПКК сообщают на передающую сторону канала связи. Новым является то, что величину изменения переменных параметров ПКК определяют в зависимости от разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния ПКК и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения. Причем при величине среднего квадратичного отклонения минимального кодового расстояния ПКК, не превышающей величины среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения, изменяют переменные параметры ПКК на величину, пропорциональную разности между текущими переменными параметрами ПКК и предыдущими переменными параметрами ПКК, а при величине среднего квадратичного отклонения минимального кодового расстояния ПКК, превосходящей величину среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения, величину изменения переменных параметров ПКК увеличивают пропорционально разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения.
Предлагаемый способ передачи информации с использованием адаптивного кодирования реализуется следующим образом.
На передающей стороне формируют ПКК, 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-ичных (m>1) символов вначале кодируют m-ичным помехоустойчивым кодом Рида-Соломона. Код Рида-Соломона является внешним кодом или кодом первой ступени ПКК.
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 ПКК. 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 будет получен ПКК, состоящий из n слов кода БЧХ.
Далее символы каскадного кода, преобразованные в сигнал, поступают в канал связи. В канале связи возможно искажение передаваемого сигнала. Это может привести к тому, что ПКК будет принят с ошибками.
На приемной стороне осуществляют декодирование ПКК. Код, поступающий на вход приемной стороны, содержит n слов внутреннего кода ПКК. Декодирование ПКК начинают с декодирования слов внутреннего кода ПКК с обнаружением и исправлением ошибок. Внутренний код ПКК гарантированно исправляет t и менее ошибок в кодовом слове. При количестве ошибок во внутреннем коде, большем t, будут иметь место стирания и трансформации кодовых слов.
В результате декодирования слов внутреннего кода ПКК получают символы внешнего кода ПКК. Затем выполняют декодирование внешнего кода ПКК с исправлением ошибок и стираний.
Отказ от декодирования ПКК происходит, если количество стертых s и трансформированных r слов внутреннего кода превышает корректирующую способность внешнего кода
где dmin - минимальное кодовое расстояние внешнего кода ПКК.
В противном случае внешний код ПКК будет декодирован правильно. Отметим, что для внешнего кода Рида - Соломона справедливо соотношение
По результатам декодирования слов внутреннего кода ПКК 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 ПКК 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 выражается коэффициентом трансформаций β по "объему сфер".
При исправлении i ошибок в кодовом слове количество двоичных комбинаций, которые могут приводить к трансформации кодового слова, будет равно
Общее число двоичных комбинаций, которые могут приводить к стиранию принятых слов, будет равно
отсюда получим уравнение
Число трансформированных кодовых слов будет примерно равно
После получения оценки числа r трансформированных слов вычислим минимальное кодовое расстояние внешнего кода, необходимое для правильного декодирования ПКК
Количество избыточных символов внешнего кода, обеспечивающих минимальное кодовое расстояние, необходимое для правильного приема ПКК, согласно уравнению (2) будет равно
Среднее число избыточных символов, приходящихся на один символ внешнего кода, равно ƒ/n и уравнение для определения блоковой длины n2 внешнего кода ПКК, необходимой для правильного декодирования ПКК, запишется в виде
отсюда после преобразований будем иметь
Отклонение блоковой длины n2 внешнего кода ПКК от ее среднего значения, полученного по результатам нескольких сеансов приема ПКК, может происходить либо в результате случайных флуктуации, либо вследствие изменения состояния канала связи со временем. В первом случае значительное изменение переменных параметров ПКК нецелесообразно, поскольку изменение переменных параметров ПКК выполняется для следующих сеансов связи, а предугадать случайное изменение состояния канала связи практически невозможно, во втором - необходимо изменение параметров кода в зависимости от скорости переходного процесса в канале связи. В канале связи с постоянными параметрами количество стираний и трансформаций слов внутреннего кода ПКК является независимой случайной величиной, то есть величиной, распределение которой подчиняется биномиальному закону. При изменении состояния канала связи вероятностное распределение количества стираний и трансформаций будет отличаться от биномиального распределения, в частности среднее квадратичное отклонение количества стираний и трансформаций будет отличаться от среднего квадратичного отклонения биномиального распределения. Аналогично среднее квадратичное отклонение минимального кодового расстояния, являющегося линейной функцией числа стираний и трансформаций символов внешнего кода ПКК, будет отличаться от среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения. Разность между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения будем учитывать при выборе скорости изменения переменных параметров ПКК. Изменение переменных параметров помехоустойчивого кода должно быть минимальным, если число стираний и трансформаций слов ПКК распределено независимо в различных сеансах приема ПКК, то есть приближается к биномиальному распределению. 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 переменные параметры определяют избыточность ПКК и, значит, его минимальное кодовое расстояние и помехоустойчивость. Изменение переменных параметров ПКК рассмотрим на примере изменения блоковой длины внешнего кода ПКК.
Оценка среднего минимального кодового расстояния внешнего кода ПКК равна
где ƒi - минимальное кодовое расстояние внешнего кода ПКК в i-м сеансе приема кода,
m - число последовательных сеансов приема кода.
Оценка средней блоковой длины внешнего кода ПКК выражается в виде
где ni - блоковая длина внешнего кода ПКК в i-м сеансе приема кода.
Оценка средней вероятности увеличения минимального кодового расстояния на 1 при приеме одного символа внешнего кода будет равна
Среднее квадратичное отклонение случайной величины минимального кодового расстояния со средним значением, равным ƒ, и средней вероятностью р возникновения события в серии из n испытаний (считая одним испытанием прием одного символа внешнего кода) для биномиального распределения выразится в виде
Выборочное среднее квадратичное отклонение минимального кодового расстояния внешнего кода ПКК определяется формулой
При величине выборочного среднего квадратичного отклонения, не превышающей среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения ϕ≤δ, переменные параметры ПКК изменяют с минимальной скоростью, то есть на минимальную величину. Блоковую длину внешнего кода ПКК n3 будем вычислять по формуле
где 0≤ε≤1 - коэффициент, определяющий скорость регулирования блоковой длины внешнего кода ПКК.
В предельном случае ε=1 и предыдущая оценка блоковой длины n внешнего кода ПКК учитываться не будет, то есть не будет учитываться предистория приема ПКК, и блоковая длина внешнего кода ПКК n3 будет равна его текущей блоковой длине n2. С уменьшением ε значение предистории для текущей оценки блоковой длины внешнего кода ПКК будет возрастать. Величину ε выбирают в зависимости от длительности времени, в течение которого состояние нестационарного канала связи изменяется незначительно (ε=0.01...0.1 для KB канала связи).
В случае, если выполняется условие ϕ>δ, в канале связи происходит смена состояния, и величину изменения переменных параметров ПКК увеличивают. Блоковую длину внешнего кода ПКК n3 вычисляют тогда по формуле
где α>0 - коэффициент, учитывающий влияние разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения на скорость изменения блоковой длины внешнего кода ПКК.
При увеличении α величина изменения блоковой длины внешнего кода ПКК будет возрастать. Выбор значения величины α играет существенную роль для реализации предлагаемого способа. Типичное значение коэффициента α целесообразно определять в зависимости от минимальной величины изменения переменных параметров ПКК (α=ε/(ϕ-δ)...3ε/(ϕ-δ)).
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 внешнего кода n=n3 и далее каскадный код с блоковой длиной внешнего кода n передают на приемную сторону.
В предлагаемом изобретении скорость регулирования параметров кода изменяется в зависимости от разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения. Это обеспечивает более оперативное управление переменными параметрами ПКК при изменении состояния канала связи и более высокую помехоустойчивость приема информации по сравнению с прототипом.
Вычисление разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения требует незначительного числа дополнительных операций и оборудования, что упрощает программную и аппаратную реализацию предлагаемого способа.
Достигаемым техническим результатом способа передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования является увеличение помехоустойчивости приема информации.
1. Способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования, заключающийся в том, что исходную информацию на передающей стороне канала связи кодируют помехоустойчивым каскадным кодом (ПКК), на приемной стороне выполняют декодирование ПКК и по результатам декодирования определяют минимальное кодовое расстояние ПКК, необходимое для правильного приема ПКК, далее выбирают переменные параметры ПКК, обеспечивающие это минимальное кодовое расстояние ПКК, затем переменные параметры ПКК изменяют с учетом их значений, полученных при приеме ранее передававшихся ПКК, и далее эти переменные параметры ПКК сообщают на передающую сторону канала связи, отличающийся тем, что величину изменения переменных параметров ПКК определяют в зависимости от разности между средним квадратичным отклонением минимального кодового расстояния ПКК и средним квадратичным отклонением его биномиального распределения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при величине среднего квадратичного отклонения минимального кодового расстояния ПКК, не превышающей величины среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения, изменяют переменные параметры ПКК на величину, пропорциональную разности текущих переменных параметров ПКК и предыдущих переменных параметров ПКК, а при величине среднего квадратичного отклонения минимального кодового расстояния ПКК, превосходящей величину среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения, величину изменения переменных параметров ПКК увеличивают пропорционально разности среднего квадратичного отклонения минимального кодового расстояния и среднего квадратичного отклонения его биномиального распределения.
