Результат интеллектуальной деятельности: Способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи

Изобретение относится к области обработки и передачи информации и может быть использовано в комплексах телекодовой связи для помехоустойчивой передачи многоблочных сообщений.

Одним из основных путей повышения надежности и помехоустойчивости передачи сообщений в комплексах телекодовой связи является применение помехоустойчивого кодирования. В комплексах телекодовой связи передаются сообщения определенной длины. Однако с увеличением сложности и количества решаемых задач длина передаваемых формализованных сообщений возрастает. Причем выбранный ранее помехоустойчивый код был рассчитан на передачу сообщений относительно небольшой длины и не обеспечивает передачи длинных сообщений. В этих условиях наиболее простым решением является разбиение длинного сообщения на блоки, кодирование каждого блока помехоустойчивым кодом и передача последовательности закодированных блоков. Однако помехоустойчивый код обеспечивает требуемую вероятность правильного приема только одного блока сообщения, а вероятность правильного приема многоблочного сообщения может уже не удовлетворять необходимым требованиям. Например, при вероятности правильного приема одного блока сообщения P_t вероятность правильного приема четырехблочного сообщения в канале связи с независимыми ошибками будет равна , поскольку P_t<1, и может не удовлетворять требованиям к достоверности передачи всего сообщения. Выбор же помехоустойчивого кода с большей длиной и большей корректирующей способностью усложняет алгоритм кодирования и декодирования, поскольку даже для наиболее простых в реализации алгебраических помехоустойчивых кодов Боуза-Чоудхури-Хоквинхема (БЧХ) и Рида-Соломона сложность возрастает примерно пропорционально квадрату длины помехоустойчивого кода, что затрудняет реализацию длинных помехоустойчивых кодов. Кроме того, изменение длины помехоустойчивого кода изменяет формат передаваемых сообщений и приводит к несовместимости со старым парком аппаратуры. Предлагаемый способ позволяет существенно повысить вероятность доведения многоблочного сообщения за счет введения дополнительного систематического каскадного помехоустойчивого кода. При этом ранее выбранное помехоустойчивое кодирование блоков сообщения и их цикловая синхронизация остаются прежними, и сложность аппаратно-программной реализации возрастает незначительно. Также обеспечивается совместимость с прежними форматами сообщений, а значит, и с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

В сетях связи по протоколам Frame Relay (FR), Transport Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), Asynchronous Transfer Mode (ATM) и другим сообщение разбивается на блоки (пакеты, кадры), каждый из которых имеет заголовок, содержащий в том числе синхронизирующие последовательности (флаги), а в конце блоков имеются проверочные символы для контроля правильности передачи блоков. Блоки могут передаваться по различным маршрутам, отличающимся качеством используемых каналов связи, что может приводить к неприему некоторых блоков, а значит и всего сообщения. Способ может также использоваться для повышения достоверности передачи в пакетных асинхронных сетях связи.

Известен способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, при котором сначала на передающей стороне, в зависимости от поставленной задачи, выбирают сообщение определенной длины. Затем выбирают помехоустойчивый код с информационной длиной, равной длине сообщения, и кодируют сообщение этим помехоустойчивым кодом. После этого к помехоустойчивому коду добавляют синхронизирующую последовательность и передают полученную комбинацию символов на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию помехоустойчивого кода, определяя его начало, затем декодируют помехоустойчивый код с коррекцией ошибок и стираний. После успешного декодирования помехоустойчивого кода восстановленное сообщение передают получателю сообщения. [Передача дискретных сообщений. Шувалов В.П., Захарченко Н.В., Шварцман В.О. и др. - Под ред. Шувалова В.П. – М.: - Радио и связь. - 1990. - с. 16-19 и с. 349-351].

Недостатком этого способа является сложность кодирования и декодирования помехоустойчивого кода из-за того, что при увеличении длины сообщения необходимо увеличивать длину помехоустойчивого кода и количество корректируемых ошибок, также недостатком является несовместимость с прежними форматами сообщений и с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

Известен также способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, при котором на передающей стороне выбирают сообщение определенной длины. Затем сообщение делят на блоки, каждый блок кодируют помехоустойчивым кодом, добавляют синхронизирующую последовательность и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало помехоустойчивого кода, декодируют помехоустойчивый код и контролируют правильность принятого помехоустойчивого кода. После декодирования последовательности помехоустойчивых кодов принятые блоки собирают в одно сообщение, которое затем передают получателю этого сообщения (Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети. Справочник. - Под ред. академика Н.А. Кузнецова. - М.: Финансы и статистика. - 1996. - с. 47-51).

Недостатком этого способа является невысокая достоверность передачи многоблочных сообщений из-за того, что качество каналов передачи некоторых блоков может быть невысоким. Также недостатком является увеличение времени передачи многоблочного сообщения из-за необходимости повторения передачи непринятых блоков.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, заключающийся в том, что сначала на передающей стороне выбирают сообщение определенной длины. Затем сообщение делят на блоки, каждый блок кодируют помехоустойчивым кодом, добавляют синхронизирующую последовательность и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности помехоустойчивых кодов, а затем декодируют помехоустойчивые коды с коррекцией ошибок и стираний. После декодирования последовательности помехоустойчивых кодов восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое затем передают получателю этого сообщения. (Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - Пер с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме". - 2003. - с. 354-375, с. 659-663).

Недостатком этого способа является невысокая достоверность приема многоблочных сообщений из-за того, что в канале связи передают последовательность помехоустойчивых кодов, каждый из которых защищает свой блок многоблочного сообщения, и неприем хотя бы одного блока многоблочного сообщения приводит к неприему всего сообщения.

Целью изобретения является повышение достоверности передачи многоблочного сообщения при небольшой сложности реализации за счет формирования дополнительного систематического каскадного помехоустойчивого кода без изменения помехоустойчивых кодов блоков сообщения. Также целью является сохранение прежнего формата сообщений и совместимости с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

Для достижения цели предложен способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, заключающийся в том, что сначала на передающей стороне формируют сообщение определенной длины. Затем сообщение делят на блоки, каждый блок кодируют помехоустойчивым кодом, добавляют синхронизирующую последовательность и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности помехоустойчивых кодов, а затем декодируют помехоустойчивые коды с коррекцией ошибок и стираний. После декодирования последовательности помехоустойчивых кодов восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое затем передают получателю этого сообщения. Новым является то, что на передающей стороне последовательность помехоустойчивых кодов дополнительно кодируют систематическим каскадным помехоустойчивым кодом. На приемной стороне сначала последовательность помехоустойчивых кодов декодируют с контролем правильности декодирования, и неправильно декодированные помехоустойчивые коды стирают. Далее выполняют декодирование систематического каскадного помехоустойчивого кода с исправлением стертых помехоустойчивых кодов, и при их числе меньше минимального кодового расстояния систематического каскадного помехоустойчивого кода восстанавливают стертые помехоустойчивые коды. При этом на передающей стороне проверочную часть систематического каскадного помехоустойчивого кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два последовательности помехоустойчивых кодов, защищающих блоки сообщения. Причем на приемной стороне при неравенстве нулю синдрома систематического каскадного помехоустойчивого кода стертый помехоустойчивый код определяют в виде поразрядной суммы по модулю два последовательности помехоустойчивых кодов, защищающих блоки сообщения, за исключением стертого помехоустойчивого кода, и проверочной части систематического каскадного помехоустойчивого кода. При этом на передающей стороне к проверочной части систематического каскадного помехоустойчивого кода добавляют свою синхронизирующую последовательность. Причем на приемной стороне дополнительно выполняют цикловую синхронизацию проверочной части систематического каскадного помехоустойчивого кода.

Предлагаемый способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи реализуется следующим образом.

Для обеспечения помехоустойчивости используется помехоустойчивый код, который защищает блок сообщения, длина которого составляет определенное значение, например 256 бит. Такая информационная длина помехоустойчивого кода достаточна для передачи формализованных сообщений оперативно-командной связи, однако из-за возрастания сложности решаемых задач и увеличения длины передаваемых сообщений иногда требуется передача более длинных многоблочных сообщений, длина которых составляет несколько одноблочных сообщений, например 512, 768 или 1024 бит. Режим передачи многоблочных сообщений необходимо поддерживать для цифровых речевых сообщений, изображений и при проведении видеоконференцсвязи. В этом случае передают большие массивы цифровой информации и необходимо обеспечить требуемую вероятность доведения длинных многоблочных сообщений. Для этого на передающей стороне длинное сообщение сначала делят на блоки и каждый блок многоблочного сообщения кодируют помехоустойчивым кодом. Запишем один блок сообщения, защищенный помехоустойчивым кодом в виде

где символы помехоустойчивого кода являются элементами поля Галуа - j-й символ i-го кода, N - блоковая длина кода.

Тогда, последовательность помехоустойчивых кодов, защищающих многоблочное сообщение, будет

где - число блоков в сообщении.

Затем к полученной последовательности помехоустойчивых кодов добавляют синхронизирующую последовательность С₁ и получают

Для обеспечения требуемой вероятности доведения длинных многоблочных сообщений последовательность помехоустойчивых кодов дополнительно кодируют систематическим каскадным помехоустойчивым кодом. Для этого формируют проверочную часть, например, в виде дополнительного блока проверок на четность:

где под суммированием понимается операция поразрядного суммирования по модулю два.

Ранее добавленная к последовательности помехоустойчивых кодов синхронизирующая последовательность обеспечивает цикловую синхронизацию этой последовательности, однако для поддержания вероятности установления синхронизации на прежнем уровне к проверочной части систематического каскадного помехоустойчивого кода добавляем свою синхронизирующую последовательность С₂.

Получаем каскадный помехоустойчивый код с синхронизирующими последовательностями:

Код является систематическим, поскольку последовательность помехоустойчивых кодов A=A₁A₂…A_ν при кодировании сохраняется в неизменном виде. Затем полученную комбинацию символов передаем на приемную сторону.

На приемной стороне сначала выделяют синхронизирующую последовательность помехоустойчивых кодов и синхронизирующую последовательность проверочной части систематического каскадного помехоустойчивого кода и выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало систематического каскадного помехоустойчивого кода.

Затем декодируют последовательность помехоустойчивых кодов с коррекцией ошибок и стираний и контролируют правильность декодирования. Для этого проверочную часть помехоустойчивого кода делят на две части. Первую часть проверочной части помехоустойчивого кода используют для коррекции ошибок и стираний символов кода. Вторую часть проверочной части помехоустойчивого кода используют для контроля правильности декодирования кода. Для этого после коррекции ошибок и стираний символов кода проверяют соответствие символов помехоустойчивого кода и символов второй части проверочной части помехоустойчивого кода. Вероятность безошибочного контроля правильности декодирования кода в этом случае будет оцениваться величиной

где q - основание поля Галуа, над которым строится помехоустойчивый код, а r - длина второй части проверочной части помехоустойчивого кода.

При выборе достаточно большого значения r можно обеспечить сколь угодно близкую к 1 вероятность безошибочного контроля правильности декодирования кода.

В качестве примера рассмотрим декодирование систематического каскадного помехоустойчивого кода с коррекцией одного стертого помехоустойчивого кода. Проверка на четность обеспечивает минимальное кодовое расстояние систематического каскадного помехоустойчивого кода d=2, что позволяет, согласно теоретическим положениям, восстанавливать только один стертый помехоустойчивый код.

Последовательность шагов запишется в виде:

Шаг 1. Декодирование блоков A₁, A₂, …, A_ν с коррекцией и обнаружением ошибок.

Шаг 2. Если не обнаружено ни одного блока A₁, A₂, …, A_ν с некорректируемой комбинацией ошибок, идти к 5.

Шаг 3. Если обнаружен один блок A_i с некорректируемой комбинацией ошибок, вычислить

Шаг 4. Декодирование блока A_i с коррекцией и обнаружением ошибок.

Шаг 5. Конец.

При наличии стертого помехоустойчивого кода синдром систематического каскадного помехоустойчивого кода будет отличен от нуля. Стертый помехоустойчивый код с некорректируемыми ошибками сначала обнаруживают, а затем восстанавливают с помощью проверочной части систематического каскадного помехоустойчивого кода. Таким образом, реализуется декодирование с исправлением одного стертого помехоустойчивого кода. Многоблочное сообщение будет принято правильно, если после декодирования всех одноблочных сообщений будет обнаружено не более одного стертого помехоустойчивого кода, ошибки и стирания которого не могут быть исправлены.

После декодирования восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое затем передают получателю этого сообщения. Можно оценить вероятности правильного приема многоблочного сообщения для случая использования прототипа и предлагаемого способа.

Для прототипа вероятность правильного приема многоблочного сообщения из ν блоков оценивается величиной

где P_t - вероятность правильного приема одного блока сообщения.

Например, при допустимой вероятности правильного приема одного блока сообщения P_t=0.98 вероятность приема четырехблочного сообщения будет P_t4=0.98⁴=0.922, что уже не удовлетворяет требованиям по достоверности доведения многоблочного сообщения.

При использовании рассмотренного способа вероятность правильного приема многоблочного сообщения по формуле Бернулли будет оцениваться величиной

Например, при допустимой вероятности правильного приема одного блока, близкой к 1 (P_t≥0.98), вероятность правильного приема четырехблочного сообщения будет

Таким образом, способ существенно повышает вероятность правильного приема многоблочного сообщения до значения, удовлетворяющего требованиям к достоверности приема.

Расчеты также показывают, что при P_t=0.98 вероятность правильного приема многоблочного сообщения будет удовлетворять требованию P_tν≥0,98, вплоть до 10-блочного сообщения, а при P_t=0.99 и P_tν≥0,99 - вплоть до 14-блочного сообщения. Таким образом, при возрастании P_t число блоков в сообщении можно увеличивать.

Предлагаемый способ также позволяет повысить вероятность правильного приема даже и для такого многоблочного сообщения, число блоков которого превышает 10 или 14 блоков, как в предыдущем примере. Для этого достаточно считать ранее построенный систематический каскадный помехоустойчивый код исходным помехоустойчивым кодом и строить новый систематический каскадный помехоустойчивый код над исходным кодом, и так далее для любого числа блоков в сообщении.

Преимуществом предложенного способа является повышение вероятности правильного приема многоблочного сообщения при небольшом числе дополнительных операций при кодировании и декодировании кода, а значит при небольшой сложности способа. Кроме того, в канале связи передается последовательность помехоустойчивых кодов, которая использовалась раньше, что обеспечивает совместимость формата сообщений с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

Достигаемым техническим результатом способа передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи является повышение достоверности передачи многоблочного сообщения при небольшой сложности реализации, а также сохранение прежнего формата сообщений и совместимости с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.