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 направлений повышения вероятности доведения сообщений в комплексах телекодовой связи является применение помехоустойчивого кодирования. В комплексах телекодовой связи обычно передают небольшие одноблочные формализованные сообщения оперативно-командной связи, для защиты которых используют помехоустойчивый код, длина информационной части которого согласована с длиной сообщения. Однако из-за возрастания сложности решаемых задач и увеличения объема передаваемой информации часто требуется передача более длинных многоблочных сообщений, объем которых составляет несколько одноблочных сообщений. Особенно важно поддерживать режим многоблочных сообщений при передаче речевых сообщений и изображений, а также при проведении видеоконференций. Большие объемы информации могут возникать при передаче телеметрической и измерительной информации. В этом случае передают большие массивы цифровой информации и необходимо обеспечить гарантированное доведение довольно длинного многоблочного сообщения.

Исходный помехоустойчивый код рассчитан на доведение одноблочных сообщений относительно небольшой длины, а разбиение длинных сообщений на блоки и передача блоков с использованием исходного помехоустойчивого кода уже не будет обеспечивать доведение всего длинного сообщения с требуемой вероятностью. Однако, применение исходного помехоустойчивого кода создает эквивалентный канал связи более высокого качества, и гарантированное доведение длинного многоблочного сообщения в таком канале возможно введением многомерного 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. Поэтому, предлагаемый способ также может использоваться для повышения достоверности передачи в пакетных асинхронных сетях связи.

Известен способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, при котором на передающей стороне 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 канала при передаче некоторых блоков может быть невысоким и возможен неприем этих блоков. Также недостатком является увеличение времени передачи многоблочного сообщения из-за необходимости повторения передачи непринятых блоков.

Известен также способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, при котором на передающей стороне 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.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, заключающийся в том, что сначала на передающей стороне сообщение делят на блоки, и каждый блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют систематическим каскадным помехоустойчивым кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, а затем декодируют исходные помехоустойчивые коды с контролем правильности декодирования, и неправильно декодированные исходные помехоустойчивые коды стирают. Далее выполняют декодирование систематического каскадного помехоустойчивого кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов, и при их числе меньше минимального кодового расстояния систематического каскадного помехоустойчивого кода восстанавливают стертые исходные помехоустойчивые коды. Затем восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое передают получателю этого сообщения. (Патент РФ №2621971 МПК H04L 1/20, Н03М 13/00 Квашенников В.В., Турилов В.А. Способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи. Приор. 14.03.2016, опубл. 08.06.2017, Бюл. №16).

Недостатком этого способа является большое число операций и высокая сложность кодирования и декодирования систематического каскадного помехоустойчивого кода из-за того, что при большом числе блоков сообщения на приемной стороне возможно большое число искаженных блоков, и для их восстановления необходимо использовать систематический каскадный помехоустойчивый код с высокой корректирующей способностью.

Целью изобретения является снижение сложности кодирования и декодирования систематического каскадного кода за счет использования многомерного систематического каскадного кода с небольшим числом компонентных кодов на каждой ступени каскадного кодирования, а значит и с небольшим числом искаженных компонентных кодов на каждой ступени каскадного кодирования. 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 сообщение делят на блоки и каждый блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют систематическим каскадным кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, а затем декодируют исходные помехоустойчивые коды с контролем правильности декодирования, и неправильно декодированные исходные помехоустойчивые коды стирают. Далее выполняют декодирование систематического каскадного кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов, и при их числе меньше минимального кодового расстояния систематического каскадного кода восстанавливают стертые исходные помехоустойчивые коды. Затем восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое передают получателю этого сообщения. Новым является то, что на передающей стороне последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют многомерным систематическим каскадным кодом. На приемной стороне после декодирования исходных помехоустойчивых кодов выполняют декодирование первой ступени систематического каскадного кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов, и при их числе меньше минимального кодового расстояния первой ступени систематического каскадного кода восстанавливают стертые исходные помехоустойчивые коды, а при их числе больше соответствующего минимального кодового расстояния стирают компонентный код первой ступени систематического каскадного кода. Затем выполняют декодирование второй ступени систематического каскадного кода с исправлением стертых компонентных кодов первой ступени систематического каскадного кода, и при их числе меньше минимального кодового расстояния второй ступени систематического каскадного кода восстанавливают стертые компонентные коды первой ступени систематического каскадного кода и так далее. При этом на передающей стороне проверочную часть компонентного кода первой ступени систематического каскадного кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два информационных частей исходных помехоустойчивых кодов, проверочную часть компонентного кода второй ступени систематического каскадного кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два информационных частей компонентных кодов первой ступени систематического каскадного кода и так далее. Причем, на приемной стороне при неравенстве нулю синдрома компонентного кода первой ступени систематического каскадного кода стертый блок получают в виде поразрядной суммы по модулю два информационных частей исходных помехоустойчивых кодов, а при неравенстве нулю синдрома компонентного кода второй ступени систематического каскадного кода информационную часть стертого компонентного кода первой ступени систематического каскадного кода получают в виде поразрядной суммы по модулю два информационных частей компонентных кодов первой ступени систематического каскадного кода и так далее.

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

Формализованное сообщение оперативно-командной связи обычно имеет небольшую длину, например 256 бит. Для защиты одноблочного сообщения такой длины используется исходный помехоустойчивый код, например код БЧХ или код Рида-Соломона. Корректирующая способность исходного помехоустойчивого кода достаточна для обеспечения требуемой вероятности доведения сообщения, не менее 0,98, в канале связи заданного качества, например, со средней вероятностью ошибки на бит, не меньше 0,001. Для получения требуемой вероятности доведения сообщения достаточно взять укороченный двоичный код БЧХ (275,256,6) с коррекцией двойных ошибок и обнаружением тройных ошибок. При передаче длинных сообщений на передающей стороне сообщение делят на блоки, и каждый блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Однако, при передаче длинных многоблочных сообщений, длина которых составляет несколько одноблочных сообщений, например 512, 768, 1024 бит и более, требуемая вероятность доведения сообщения может не обеспечиваться. Например, при вероятности правильного приема одного блока сообщения P_t=0.98, вероятность правильного приема 4-х блочного сообщения в канале связи с независимыми ошибками будет равна , и не удовлетворяет требованиям к вероятности доведения передачи всего сообщения.

Запишем один блок сообщения, защищенный исходным помехоустойчивым кодом в виде

где символы исходного помехоустойчивого кода являются элементами поля Галуа α_ij∈GF(q^m) - j-ый символ i-го кода, N - блоковая длина кода.

Тогда, последовательность исходных помехоустойчивых кодов, защищающих многоблочное сообщение будет

где v - число блоков в сообщении.

Для повышения вероятности доведения всего сообщения последовательность исходных помехоустойчивых кодов дополнительно кодируют многомерным систематическим каскадным кодом. Для этого последовательность исходных помехоустойчивых кодов располагают в ячейках m-мерной (m≥1) таблицы, например для случая двухмерного систематического каскадного кода 2-х мерная таблица исходных помехоустойчивых кодов будет иметь вид

где (u+1)w=v.

Затем выполняют кодирование по строкам и столбцам таблицы (3), например, в виде дополнительного блока проверок на четность:

где под суммированием понимается операция поразрядного суммирования по модулю два.

Полученный двухмерный каскадный код является систематическим, поскольку последовательность исходных помехоустойчивых кодов A=A₁A₂…A_v при кодировании сохраняется в неизменном виде. Далее к двухмерному систематическому каскадному коду добавляют синхронизирующую последовательность С₁ и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. Передача может осуществляться последовательно по строкам или столбцам двухмерного систематического каскадного кода.

На приемной стороне сначала выделяют синхронизирующую последовательность С₁ и выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало двухмерного систематического каскадного помехоустойчивого кода.

Затем в двухмерном систематическом каскадном помехоустойчивом коде выделяют исходные помехоустойчивые коды и декодируют выделенную последовательность исходных помехоустойчивых кодов с коррекцией ошибок и стираний и контролируют правильность декодирования. За счет контроля правильности декодирования исходные помехоустойчивые коды, которые были декодированы неправильно, могут быть стерты.

Двухмерный систематический каскадный помехоустойчивый код, определяемый соотношениями (3) и (4), позволяет восстанавливать один стертый исходный помехоустойчивый код в каждой строке или столбце таблицы (3).

Последовательность шагов при этом запишется в виде:

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

Шаг 2. Если не обнаружено ни одного блокад A₁, A₂, …A_v c некорректируемой комбинацией ошибок, идти к 5.

Шаг 3. Для всех строк и столбцов (3), в которых обнаружен один блок A_i с некорректируемой комбинацией ошибок, вычислить .

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

Шаг 5. Конец.

Строки таблицы (3) вместе с соответствующими проверочными частями образуют компонентный код первой ступени систематического каскадного кода, а столбцы - компонентный код второй ступени систематического каскадного кода. При числе стираний в строке таблицы (3) больше соответствующего минимального кодового расстояния стирают строку, то есть стирают компонентный код первой ступени систематического каскадного кода. Затем выполняют декодирование второй ступени систематического каскадного кода с исправлением стертых компонентных кодов первой ступени систематического каскадного кода, и при их числе меньше минимального кодового расстояния второй ступени систематического каскадного кода восстанавливают стертые компонентные коды первой ступени систематического каскадного кода и так далее. Многоблочное сообщение будет принято правильно, если после декодирования всех одноблочных сообщений будет обнаружено не более одного стертого помехоустойчивого кода в каждой строке и столбце таблицы (3).

После декодирования восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое затем передают получателю этого сообщения.

Можно оценить необходимое число ступеней кодирования многомерного систематического каскадного кода, которое обеспечивает требуемую вероятность доведения многоблочного сообщения при заданной вероятности правильного приема одноблочного сообщения.

Вероятность правильного приема w блоков многоблочного сообщения с учетом блока проверки на четность оценивается величиной

где P_t - вероятность правильного приема одного блока сообщения.

Например, при вероятности правильного приема одного блокад P_t=0.98, вероятность правильного приема девятиблочного сообщения будет

Таким образом, на каждой ступени кодирования многомерного систематического каскадного кода должно быть не более 9 компонентных кодов.

Значит, при m ступенях кодирования общее число исходных помехоустойчивых кодов в многомерном систематическом каскадном коде будет равно

а объем передаваемой информации при длине информационной части исходного помехоустойчивого кода 256 бит оценивается выражением

Поэтому, согласно формуле (7), для передачи сообщения объемом 1 мбит потребуется всего лишь m=4 ступеней многомерного каскадного кодирования. При этом передается 4096 одноблочных сообщений, которые упаковываются в 4-х мерный куб, длина стороны которого равна 9 одноблочным сообщениям. На каждой ступени каскадного кодирования может использоваться достаточно простой помехоустойчивый код, например, простейший код с проверкой на четность, и техническая реализация такого многомерного каскадного кодирования не вызывает затруднений. Для сравнения, в прототипе с одной ступенью каскадного кодирования и проверкой на четность возможна передача не более 9 одноблочных сообщений, а для передачи 4096 одноблочных сообщений с той же вероятностью правильного приема необходимо корректировать не менее 82 ошибочных блоков сообщения, что возможно только при использовании сложных в технической реализации каскадных помехоустойчивых кодов.

Преимуществом предложенного способа является снижение сложности технической реализации за счет использования многомерного систематического каскадного кода с небольшим числом компонентных кодов на каждой ступени каскадного кодирования. При этом сохраняется прежний формат сообщений и совместимость с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи. Многомерный систематический каскадный код строится на основе уже используемого исходного помехоустойчивого кода, защищающего одноблочное сообщение и создающего эквивалентный канал связи достаточно хорошего качества.

Достигаемым техническим результатом способа передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи является снижение сложности технической реализации при сохранении прежнего формата сообщений и совместимости с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.