Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АДАПТИВНОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для адаптивного помехоустойчивого кодирования сообщений в каналах связи, качество которых изменяется со временем.

Для передачи данных в стационарных каналах связи, характеристики которых относительно медленно меняются со временем, применяют помехоустойчивые коды с постоянными параметрами. Однако реальные каналы связи, особенно радиоканалы, изменяют свое качество со временем. Существующие радиоканалы ДКМВ и MB на предельной дальности в силу своей физической природы (многолучевое распространение радиоволн, замирания, затенение) являются нестационарными, что приводит к снижению устойчивости и надежности радиосвязи при использовании кодов с постоянными параметрами. Для повышения надежности передачи целесообразно применение адаптивных помехоустойчивых кодов с переменными параметрами. При адаптивном кодировании параметры помехоустойчивого кода автоматически и целенаправленно изменяют при изменении качества канала связи. В отличие от помехоустойчивого кодирования с постоянными параметрами адаптивное помехоустойчивое кодирование обеспечивает требуемую вероятность доведения сообщения при минимальной избыточности кода.

Одним из способов повышения вероятности доведения сообщений является квитирование и повторение непринятых сообщений. Однако в каналах низкого качества сообщения искажаются и необходимо часто повторять непринятые сообщения. Поэтому квитирование и повторение непринятых сообщений неэффективно при ухудшении качества канала связи. Наилучшая устойчивость и надежность передачи сообщений достигается при совмещении методов адаптивного помехоустойчивого кодирования и квитирования с повторением непринятых сообщений. Помехоустойчивое кодирование позволяет достигнуть качества канала, при котором квитирование с повторением непринятых сообщений становится наиболее эффективным. Предлагаемый способ адаптивного помехоустойчивого кодирования обеспечивает наибольшую скорость передачи сообщений в нестационарных каналах связи с квитированием и повторением непринятых сообщений.

Известен способ адаптивного помехоустойчивого кодирования, при котором по каналу связи на приемную сторону передают пилот-сигнал. На приемной стороне по результатам приема пилот-сигнала контролируют качество канала связи. В зависимости от контроля качества канала связи выбирают параметры помехоустойчивого кода, обеспечивающие заданную вероятность доведения сообщения. Затем параметры помехоустойчивого кода по каналу обратной связи доводят до передающей стороны. На передающей стороне сообщение кодируют помехоустойчивым кодом с выбранными параметрами. Далее сообщение, защищенное помехоустойчивым кодом, передают в канал связи. На приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода (Габе И.Р., Лебедев Ю.М., Опаринский П.П., Семенович Д.И. Использование адаптивных блоковых корректирующих кодов в информационных каналах с помехами. Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР, вып. 14, 1990, стр. 25).

Недостаток известного способа заключается в снижении скорости передачи информации и в снижении помехоустойчивости, так как для оценки качества канала используют пилот-сигнал, представляющий собой специальный служебный сигнал, что увеличивает количество передаваемых по каналу связи символов без увеличения корректирующей способности кода. Кроме того, в способе для повышения помехоустойчивости не используют квитирование и повторение непринятых сообщений.

Известен также способ адаптивного помехоустойчивого кодирования, при котором на передающей стороне исходную информацию кодируют помехоустойчивым кодом с переменными параметрами. Далее помехоустойчивый код передают в канал связи. На приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода. По результатам декодирования помехоустойчивого кода подсчитывают частоту ошибок в канале связи и оценивают качество канала связи, а затем выбирают новые параметры помехоустойчивого кода, обеспечивающие заданную вероятность правильного приема помехоустойчивого кода, и далее эти параметры помехоустойчивого кода по каналу обратной связи сообщают на передающую сторону (Патент РФ №2276837 МПК7 H04L 1/20. Кухарев А.Д., Квашенников В.В., Зимихин Д.А., Манкевич Д.М. Способ передачи информации с использованием адаптивного помехоустойчивого кодирования. Опубл. 20.05.2006).

Недостаток способа заключается в снижении помехоустойчивости и скорости передачи сообщений из-за того, что при выборе новых параметров помехоустойчивых кодов не учитывается возможность повышения вероятности доведения сообщения за счет квитирования и повторения непринятых сообщений.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототип) является способ адаптивного помехоустойчивого кодирования, при котором на передающей стороне исходную информацию кодируют помехоустойчивым кодом с переменными параметрами, далее помехоустойчивый код передают по каналу связи, на приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного кода, далее в первом контуре адаптивного управления по результатам декодирования помехоустойчивого кода подсчитывают частоту ошибок в канале связи и оценивают качество канала связи, а затем определяют первое приближение величины избыточности помехоустойчивого кода, обеспечивающее заданную вероятность правильного приема помехоустойчивого кода, и далее эти параметры помехоустойчивого кода сообщают на передающую сторону. Затем во втором контуре адаптивного управления по результатам декодирования помехоустойчивого кода с новыми параметрами определяют отклонение частоты правильного приема кода от заданной вероятности правильного приема помехоустойчивого кода и рассчитывают второе приближение избыточности помехоустойчивого кода, и далее эти параметры помехоустойчивого кода передают на передающую сторону, где формируют помехоустойчивый код с новыми параметрами. (Патент РФ №2375824 МПК H04L 1/20. Квашенников В.В., Кухарев А.Д. Способ адаптивного помехоустойчивого кодирования. Опубл. 10.12.2009).

Однако и этот способ имеет недостатки, заключающиеся в снижении помехоустойчивости и скорости передачи из-за того, что правильный прием сообщения обеспечивается за счет обнаружения и коррекции ошибок помехоустойчивым кодом, и не учитывается возможность исправления ошибок за счет квитирования и повторения непринятых сообщений.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости передачи сообщений и скорости их передачи за счет того, что при выборе параметров адаптивного помехоустойчивого кода помимо качества канала связи учитывают возможность квитирования и повторения непринятых сообщений.

Для достижения цели предложен способ адаптивного помехоустойчивого кодирования, при котором на передающей стороне исходную информацию кодируют помехоустойчивым кодом с переменными параметрами, далее помехоустойчивый код передают по каналу связи, на приемной стороне помехоустойчивый код декодируют с обнаружением и исправлением ошибок в зависимости от корректирующей способности выбранного помехоустойчивого кода, далее в первом контуре адаптивного управления параметрами помехоустойчивого кода по результатам декодирования помехоустойчивого кода подсчитывают частоту ошибок в канале связи и оценивают качество канала связи, а затем определяют первое приближение величины параметров помехоустойчивого кода, обеспечивающее заданную вероятность правильного приема помехоустойчивого кода, и далее параметры помехоустойчивого кода сообщают на передающую сторону. Затем во втором контуре адаптивного управления параметрами помехоустойчивого кода по результатам декодирования помехоустойчивого кода с новыми параметрами определяют отклонение частоты правильного приема помехоустойчивого кода от заданной вероятности правильного приема помехоустойчивого кода и рассчитывают второе приближение параметров помехоустойчивого кода, и далее эти параметры помехоустойчивого кода доводят до передающей стороны, где формируют помехоустойчивый код с новыми параметрами. Новым является то, что на приемной стороне в первом контуре адаптивного управления после подсчета частоты ошибок в канале связи сначала оценивают число ошибок, которое должен обнаруживать и исправлять помехоустойчивый код в канале с квитированием и повторением непринятых сообщений для обеспечения максимальной скорости передачи в канале связи, затем по числу обнаруживаемых и корректируемых ошибок определяют избыточность помехоустойчивого кода и, наконец, рассчитывают параметры помехоустойчивого кода. Во втором контуре адаптивного управления в зависимости от отклонения частоты правильного приема помехоустойчивого кода от заданной вероятности правильного приема помехоустойчивого кода параметры помехоустойчивого кода оценивают с учетом получения максимальной скорости передачи в канале связи с квитированием и повторением непринятых сообщений. При этом число ошибок, которое должен обнаруживать и исправлять помехоустойчивый код в канале с квитированием и повторением непринятых сообщений, определяют из условия минимальной суммарной избыточности помехоустойчивого кода и избыточности из-за повторения передачи помехоустойчивого кода при неполучении квитанции о приеме кода. Частоту ошибок в канале связи оценивают по результатам декодирования помехоустойчивого кода с учетом стертых и трансформированных помехоустойчивых кодов. Частоту ошибок в канале связи оценивают по результатам декодирования помехоустойчивого кода в скользящем окне приема с весовыми коэффициентами, учитывающими предисторию приема помехоустойчивых кодов. Качество канала связи оценивают по модели канала связи, основной характеристикой которой является средняя вероятность ошибки на бит.

Предлагаемый способ адаптивного помехоустойчивого кодирования реализуется следующим образом.

На передающей стороне формируют помехоустойчивый код, например каскадный помехоустойчивый код, внешним кодом которого является код Рида - Соломона, а внутренним - двоичный код Боуза-Чоудхури-оквинхема (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 помехоустойчивого каскадного кода.

В результате кодирования информации получают код 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 параметры: n - блоковая длина кода, к - информационная длина кода.

Исходной информацией каждого кода БЧХ являются символы кода Рида-Соломона, рассматриваемые как последовательность двоичных символов. В результате кодирования кодом БЧХ будет получено N двоичных кодов БЧХ (n, k), которые далее с выхода передающей стороны передают в канал связи.

Каскадный помехоустойчивый код является кодом с переменными параметрами. Наиболее просто могут изменяться параметры внешнего кода помехоустойчивого каскадного кода или кода Рида - Соломона: информационная К и блоковая N длины кода. Эти параметры определяют избыточность каскадного кода, а значит, его корректирующую способность и помехоустойчивость.

Символы каскадного кода, преобразованные в сигналы, поступают в канал связи. В канале связи под воздействием помех передаваемые сигналы искажаются. 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 кодов БЧХ. Декодирование каскадного кода начинают с декодирования кодов БЧХ с обнаружением и исправлением ошибок. В результате декодирования кода БЧХ получают символы кода Рида-Соломона. Если количество принятых символов кода Рида-Соломона достаточно для его декодирования, осуществляют декодирование с исправлением ошибок и стираний.

Для управления параметрами помехоустойчивого кода используют схему двухконтурного адаптивного управления. Сначала в первом контуре адаптивного управления по результатам декодирования помехоустойчивого кода подсчитывают частоту ошибок в канале связи и оценивают качество канала связи. При декодировании кода БЧХ можно подсчитать число ошибок t₀, которое было исправлено в помехоустойчивом коде, если число ошибок находится в пределах корректирующей способности кода. Можно подсчитать число S стертых кодов БЧХ и примерно оценить число ошибок в стертых кодах БЧХ

где d - минимальное кодовое расстояние кода БЧХ.

По числу стертых кодов БЧХ приближенно подсчитывают число трансформированных кодов БЧХ и оценивают число ошибок в этих кодах БЧХ

где коэффициент β(i) приближенно оценивают по "объему сфер"

Таким образом, общее число ошибок по результатам декодирования кода БЧХ выразится в виде

Затем вычисляют частоту ошибок в канале связи

Частота ошибок является эффективной несмещенной оценкой коэффициента ошибок, который определяет качество канала связи.

Далее определяют первое приближение величины параметров помехоустойчивого кода, обеспечивающее заданную вероятность правильного приема помехоустойчивого кода. Вероятность правильного приема кода определяется по формуле

С учетом квитирования и повторения непринятых сообщений заданная вероятность правильного приема кода запишется в виде

Выразить из зависимостей (6), (7) в явном виде число корректируемых ошибок t для обеспечения заданной вероятности правильного приема помехоустойчивого кода при условии квитирования и повторения непринятых сообщений не представляется возможным, однако требуемое число ошибок t можно найти численным путем из уравнений (6) и (7).

После получения требуемого числа ошибок t определяют первое приближение величины параметров помехоустойчивого кода, обеспечивающее заданную вероятность правильного приема помехоустойчивого кода. Для кода БЧХ избыточность связана с числом корректируемых ошибок соотношением

Величина информационной длины кода k задается объемом сообщения, поэтому из уравнения (8) можно получить блоковую длину кода n.

Параметры кода БЧХ (n, k) доводят до передающей стороны, и следующий помехоустойчивый код формируется с новыми параметрами.

Затем во втором контуре адаптивного управления параметрами помехоустойчивого кода по результатам декодирования помехоустойчивого кода с новыми параметрами определяют отклонение частоты правильного приема помехоустойчивого кода от заданной вероятности правильного приема помехоустойчивого кода и рассчитывают второе приближение параметров помехоустойчивого кода с учетом квитирования и повторения непринятых сообщений. Формулы (6), (7) справедливы для модели канала связи с независимыми ошибками. Реальный канал связи может отличаться от принятой модели канала, качество которого описывается только коэффициентом ошибок, поэтому возможны погрешности определения параметров кода и требуется дополнительная итеративная коррекция новых параметров кода. Частоту правильного приема помехоустойчивого кода по результатам декодирования кода оценивают выражением

где l - число правильно принятых кодов, а m - общее число переданных помехоустойчивых кодов.

Поправки для блоковой длины кода определяют по формуле

где int(x) - целая часть числа х.

Если частота правильного приема кода P_nn1 больше заданной вероятности правильного приема кода P_nnз, то число корректируемых ошибок уменьшают, а значит, уменьшают блоковую длину кода, в противном случае блоковую длину кода увеличивают. Коэффициент α, определяющий скорость изменения блоковой длины кода при отклонении частоты правильного приема кода от заданной вероятности правильного приема кода, целесообразно задавать величиной избыточности кода, необходимой для исправления одиночной ошибки

Сумма избыточности помехоустойчивого кода и избыточности из-за повторения передачи помехоустойчивого кода при неполучении квитанции о приеме кода составляет величину

Поскольку выбирается минимально необходимое число корректируемых ошибок для обеспечения заданной вероятности правильного приема кода с учетом квитирования и повторения непринятых сообщений, то согласно уравнению (8) величина n-k будет также минимально необходимой, а значит, согласно уравнению (12) минимальной будет величина суммарной избыточности помехоустойчивого кода и избыточности из-за повторения передачи помехоустойчивого кода при неполучении квитанции о приеме кода.

Частоту ошибок в канале связи оценивают по результатам декодирования помехоустойчивого кода с учетом стертых и трансформированных помехоустойчивых кодов, что следует из уравнений (4), (5).

Качество нестационарного канала связи изменяется со временем, при этом частота ошибок, вычисленная по последним принятым помехоустойчивым кодам, больше соответствует качеству канала связи в настоящий момент времени. Поэтому частоту ошибок в канале связи оценивают по результатам декодирования помехоустойчивого кода в скользящем окне приема с весовыми коэффициентами α₁, α₂, …, α_f, учитывающими предисторию приема помехоустойчивых кодов

где P₁, P₂, …, P_f - частоты ошибок в канале связи по результатам декодирования помехоустойчивых кодов в предыдущие моменты времени.

Качество канала связи оценивают по модели канала связи, в которой основной характеристикой качества канала связи является коэффициент ошибок или средняя вероятность ошибки на бит. Передача квитанции о приеме помехоустойчивого кода осуществляется при правильном декодировании помехоустойчивого кода или при необнаруженной ошибке, а при обнаружении неисправимой комбинации ошибок или необнаружении помехоустойчивого кода квитанция о приеме помехоустойчивого кода не передается. Вероятность правильного приема помехоустойчивого каскадного кода оценивают по результатам декодирования помехоустойчивого каскадного кода в скользящем окне приема, что позволяет учитывать более актуальную информацию о качестве канала связи.

В первом контуре адаптивного управления параметрами кода используется априорная информация о модели канала связи, а во втором контуре адаптивного управления выполняется дополнительная коррекция параметров кода по результатам декодирования помехоустойчивого кода. За счет оценки качества канала связи по результатам декодирования кода, определения необходимых параметров кода и последующей коррекции параметров помехоустойчивого кода в зависимости от величины отклонения вероятности правильного приема кода от заданной величины обеспечивается высокая достоверность оценки избыточности кода в условиях неопределенности в описании модели ошибок используемого канала связи. Совмещение помехоустойчивого кодирования и квитирования с повторением непринятых сообщений повышает скорость передачи сообщений и помехоустойчивость. Для оценки качества канала связи используют результаты декодирования помехоустойчивого каскадного кода, это упрощает программную или аппаратную реализацию предлагаемого способа.

Достигаемым техническим результатом способа адаптивного помехоустойчивого кодирования является увеличение скорости передачи и помехоустойчивости передаваемых сообщений.