Анализ и разработка моделей систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью

Актуальность работы: Популярность услуг передачи данных за последние годы привела к увеличению требований к скоростям. Рост объемов передаваемой информации в сетях передачи обуславливает необходимость разработки систем, наиболее эффективно использующих пропускную способность каналов. Интерес в данном случае представляют именно беспроводные каналы связи, имеющие нестационарный характер. В этих условиях использование гибридной решающей обратной связи (ГРОС) позволяет в значительной степени повысить качественные показатели систем передачи данных (СПД).

Системы передачи данных с ГРОС [1−27,44,50,54] занимают промежуточное положение между системами с переспросом и системами с прямым исправлением ошибок, сочетая лучшее из этих двух подходов. Идея заключается в переспросе не только информационной последовательности, как это делается в классических системах, а еще и последовательности проверочных элементов кода с высокой исправляющей способностью, что в ряде случаев позволяет снизить затраты на передачу одного бита информации и повысить производительность системы.

Впервые в 1965 году A.A. Харкевич в своей монографии [1] обозначил перспективность использования обратной связи совместно с различными корректирующими кодами. Позже вопросами анализа систем с гибридной решающей обратной связью занимались Е. Высоцкий [21], О.Г. Мелентьев[2], Shu Lin[3−5], Michael Miller[5], Fulvio Babich[22], Robert Deng[10,20], Masao Kasahara[9], Samir Kallel[l 1,12,15] и другие. Сегодня СПД с ГРОС уже используются в стандарте UMTS и активно внедряются в другие стандарты мобильной связи, такие как 3GPP Long Term Evolution (LTE) и IEEE 802.16 (Wi-MAX).

Работы F. Babich [22] и Shu Lin [3−5] посвящены анализу вероятностно-временных характеристик (ВВХ) гибридных систем в спутниковых каналах. Результаты работ показывают перспективность систем с гибридной обратной связью и дают оценку выигрыша в сравнении с системами, использующими прямое исправление ошибок, и с системами, использующими переспрос, т. е. без корректирующих кодов.

В работах Shu Lin, Michael Miller, Philip Yu [3−5] проанализированны системы с ГРОС и блочным корректирующим кодом (БКК). Недостатком работ авторов является отсутствие методик, позволяющих оценивать ВВХ этих систем в случаях с ограниченым количеством попыток переспроса, так как в работах приведены математические выражения лишь для оценки границ вероятности остаточной ошибки только при бесконечно большом числе переспросов.

Maan Kousa и Mushfiqur Rahman в своей работе [6] предложили использовать гибридную систему с каскадированием двух блочных кодов, однако, ни в одной из работ о системах с ГРОС небыло предложено совместное использование блочных и свёрточных корректирующих кодов в одной системе.

Joachim Hagenauer, Robert Deng и Samir Kallel и другие занимались анализом гибридных систем с использованием свёрточных корректирующих кодов (СКК) [10−21]. Изучены методики адаптации скорости свёрточного кода к качеству канала за счет «выкалывания» и методики переспроса наименее «надежных» бит, определяемых с помощью алгоритма апостериорной вероятности при декодировании. В работах этих авторов рассматривается снижение скорости свёрточного кода минимально до ½, однако не предусмотрено снижение скорости свёрточного кода до 1/3 и ниже, что будет уместно для сильнозашумленных каналов.

Кроме того, существуют системы с ГРОС использующие «турбо» кодирование. Их изучением занимались Babich [22] и Rowitch [23]. Такие системы считаются одними из самых перспективных, так как используют более мощный корректирующий код, позволяющий наиболее близко подойти к границе Шеннона.

Цель работы: проведение анализа существующих систем с ГРОС, разработка новых систем с ГРОС, а так же разработка математических и имитационных моделей систем передачи данных с ГРОС, позволяющих оценивать их вероятностно-временные характеристики при работе по дискретному каналу связи.

Методы исследования: В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, имитационного и математического моделирования сложных систем.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны математические модели для оценки ВВХ систем ГРОС-БКК для дискретного канала при заданном числе переспросов.

2. Предложен метод повышения верности доставки в системах с ГРОС и свёрточным корректирующим кодированием (ГРОС-СКК) путём адаптивного снижения скорости свёрточного кодирования от 1 до 1 /3.

3. Предложена архитектура системы передачи с ГРОС, использующая свёрточное и блочное корректирующее кодирование (ГРОС-ККК), что позволяет до 50% повысить верность доставки по сравнению с системами ГРОС-БКК.

4. Разработаны имитационные модели систем ГРОС-БКК, ГРОС-СКК и ГРОС-ККК для дискретного канала, позволяющие получать ВВХ.

Практическая ценность работы и внедрение её результатов:

1. Разработанные в диссертации имитационные и математические модели СПД с ГРОС для оценки качественных характеристик этих систем, использовались при разработке системных решений по стандарту беспроводного широкополосного доступа N01 в ЗАО «Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий» (Акт внедрения от 6.12.2010 № 77).

2. Разработанные в среде БтиНпк имитационные модели систем с ГРОС используются в лабораторно-практических занятиях посвященных моделированию СПД курса «Системы и сети передачи информации», а теоретический материал используется в лекциях о современных беспроводных системах в рамках курсов «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей», «Основы передачи дискретных сообщений» (Акт внедрения от 4.05.2011 № 499/11).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:

— Международная школа-семинар по электронным приборам и материалам «EDM» — Эрлагол, 2007, 2008

— Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникации» — Новосибирск, 2008,2009,2010

— Международная конференция «INTERNANO» — Новосибирск, 2009 Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 работ. В число указанных публикаций входят 2 статьи из перечня ВАК ведущих научных журналов и изданий.

Структура и объем диссертации

: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Содержит сто шестнадцать страниц, четыре таблицы, шестьдесят пять рисунков.

Список литературы

состоит из 57 наименований.

Основные результаты, полученные в работе:

Для системы ГРОС-БКК предложены три стратегии декодирования информационных блоков, разработаны математические модели, позволяющие оценить вероятностно временные характеристики системы при использовании этих стратегий. Разработаны имитационные модели системы ГРОС-БКК с различными стратегиями декодирования в среде MathCAD (с использованием границ Хеммин-га) и в среде MATLAB&Simulink (с использованием корректирующих кодов БЧХ и кодов CRC, обнаруживающих ошибки). На основе разработанных моделей получены результаты имитационного моделирования, которые полностью совпадают с результатами предложенных математических расчетов. Результаты моделирования стратегий ГРОС-БКК показали, что данная система в ряде случаев позволяет увеличить относительную скорость передачи до 100 раз относительно систем передачи данных с классической обратной связью. Кроме того, рассмотрен альтернативный порядок чередования передаваемых комбинаций в системах ГРОС-БКК, созданы имитационные модели таких систем и произведено сравнение ВВХ этих систем с классическими.

Для системы ГРОС-СКК так же предложены три стратегии декодирования принятых последовательностей, разработан универсальный свёрточный кодек, использующий алгоритм Витерби, решена задача выбора полиномов для кодовых ограничений 4 и 6. Для предложенных стратегий разработаны имитационные модели в среде MATLAB&Simulink, с помощью которых было проведено сравнение стратегий между собой.

В третьей главе были предложены СПД использующие и свёрточный и блочный код — ГРОС-ККК. Рассмотрены две конструктивно различные схемы

СПД с ГРОС-ККК с последовательным и параллельным кодированием. Для таких

114 систем так же были разработаны имитационные модели в среде МАТ-LAB&-Simulink.

В четвертой главе было проведено сравнение ВВХ всех рассмотренных в диссертации СПД между собой и с системой РОС-ОЖ. При моделировании использовалась различная степень зашумленности канала, что позволило более конструктивно сравнить гибридные СПД. По итогам сравнения после третьей попытки системы ГРОС-СКК позволяют получить средний выигрыш в относительной скорости передачи 4% относительно других систем с ГРОС в типичных радиоканалах и 66−79% в сильно зашумленных радиоканалах. Необходимо отметить, что относительная скорость передачи для всех систем с ГРОС в среднем в 1,5−4 раза выше относительной скорости передачи обычных систем с РОС, в зависимости от степени зашумленности канала. Кроме того, было проведено сравнение системы ГРОС-СКК-3 с системой ГРОС, использующейся в стандарте IEEE 802.16. Сравнение показало, что в ряде случаев предложенная система ГРОС-СКК-3 выигрывает.

В рамках представленной диссертации опубликовано 9 работ:

1. Мелентьев О. Г., Шапин А. Г., Оценка эффективности модифицированных алгоритмов декодирования в системах передачи данных с гибридной обратной связью. «Электросвязь», № 8, Москва: 2008, стр. 51−53.

2. Krasheninnikov P., Karpilev М., Shapin A. Sharing Hopping and Interleaving Processes in Channels, Described by Simplified Fritchman Model. International Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials, Novosibirsk, 2007, pp. 199−200.

3. Shapin A. Model building data transmission system HARQ-CCC in environment Simulink. International Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials, Novosibirsk, 2008, pp. 170−172.

4. Шапин А. Г. Разработка универсального свёрточного кодека для скорости 1 /п в среде моделирования Simulink. Информатика и проблемы телекоммуникаций, Материалы конференции РНТК, Том 1, Новосибирск 2008, стр. 271−274.

5. Шапин А. Г. Поиск лучших параметров свёрточного кодирования для систем ГРОС-СКК // Информатика и проблемы телекоммуникаций: Материалы конференции РНТК, Том 1. — Новосибирск, 2009. — стр. 220−222.

6. Мелентьев О. Г, Шапин А. Г. Универсальный свёрточный кодек для моделирования гибридных систем передачи данных // Надежность функционирования и проблемы информационной безопасности телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта: Межвуз. тематич. сб. науч. тр, ОГУПС. -Омск, 2009. -стр. 36−40.

7. Шапин А. Г. Результаты моделирования систем передачи данных с гибридной обратной связью и различными типами корректирующего кодирования, «Электросвязь», № 2, Москва: 2010, стр. 44−47

8. Shapin A., Modeling HARQ System with convolution and block codes // Modern Problems of Nanoelectronics, Microand Nanosystem Technologies, INTERNANO 2009, pp.65−66.

9. Клейко Д. В., Лямин H.B., Шапин А. Г., «Математическая модель широковещательной системы с гибридной обратной связью и адаптивным исправлением ошибок» // Современные проблемы технических наук: Сборник тезисов докладов Новосибирской межвузовской конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири». — Новосибирск, 2010.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе был проведен анализ систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью и различными типами корректирующего кодирования. Были разработаны математические и имитационные модели систем с ГРОС.