Разработка и моделирование алгоритмов декодирования обобщенных каскадных кодов в каналах систем спутниковой связи

Актуальность исследования.

Развитие телекоммуникационных систем во многом базируется на технологических изменениях, которые позволяют строить высокоскоростные сети связи с широким спектром услуг. Среди них все большее место занимают системы спутниковой связи (ССС), позволяющие обеспечить передачу информации в те регионы, которые не могут быть обеспечены другими средствами связи в ближайшей и среднесрочной перспективе.

Активное развитие рынка ССС приводит к наращиванию группировки аппаратов в околоземном пространстве, что вызывает проблемы электромагнитной совместимости. На современном этапе решить проблему помехозащищенности частично удается за счет организационных мер, однако многие специалисты отмечают низкую перспективность такого подхода.

Одним из наиболее важных среди других направлений решения указанной задачи является применение корректирующих кодов, позволяющее снизить требования по защитному отношению сигнал/шум в каналах ССС. Особый интерес представляет создание гибких адаптивных систем, способных оценить и оперативно использовать имеющийся ресурс по защите информации от мешающих факторов.

Наиболее приемлемыми в этом отношении следует считать методы каскадного кодирования, которые получили свое дальнейшее развитие в форме обобщенных каскадных кодов (ОКК). Названные методы обеспечивают неравную защиту от ошибок при приемлемой сложности декодеров, но их эффективность может быть повышена в случае применения мягких схем декодирования с использованием оценок в форме индексов достоверности символов (ИДС). Получение таких оценок представляет самостоятельную научную задачу, при решении которой принятые символы представляются действительными числами. Основным недостатком таких методов является необходимость вычисления иррациональности, что усложняет процедуру вычислений при обработке сигналов в декодере.

В работе развивается способ получения целочисленных ИДС на основе двоичного стирающего канала связи и последующего исправления кодовых векторов неалгебраическими методами. Сочетание стирающего канала связи, внутреннего и внешнего декодеров является одной из слабо изученных форм представления ОКК. Препятствием служило отсутствие общего критерия оценки свойств формируемых ИДС, который позволял бы объективно оценить преимущества и недостатки различных способов их формирования. Кроме того, применение этого метода не изучалось для д-ичных каналов связи, которые находят широкое применение в сигнально — кодовых конструкциях (СКК) современных ССС.

В этой связи задача поиска надежных неалгебраических методов декодирования ОКК с использованием информации об условиях процедуры демодуляции в форме целочисленных ИДС является актуальной.

Цель работы.

Целью работы является повышение достоверности информации на основе разработки и моделирования алгоритмов декодирования ОКК, учитывающих специфику спутниковых каналов связи и применяющих мягкие схемы декодирования с целочисленными ИДС, получаемых на основе кортежа стираний.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Проведение сравнительного анализа существующих моделей спутниковых каналов связи и методов цифровой обработки сигналов для совершенствования механизма формирования целочисленных индексов достоверности символов на основе кортежа стираний, формируемых как в двоичном так и в д-ичном канале связи.

2. Получение сравнительных характеристик существующих методов формирования целочисленных ИДС и метода формирования подобных 6 оценок на основе кортежа стертых позиций.

3. Создание алгоритма обработки комбинаций ОКК с целочисленным индексами достоверности д-ичных символов, имеющих векторную метрику пути для реализации регулярной процедуры восстановления стертой позиции, исключающей переборный алгоритм поиска правильного решения.

4. Выявление закономерностей систематических и несистематических кодов Рида-Соломона (РС) для получения верхней границы вероятности ошибочного декодирования каскадного кода на основе кода РС, применяемого в спутниковом канале связи со стиранием д-ичных символов.

5. Разработка адаптивного декодера ОКК способного обеспечить параметрическую адаптацию процедуры обработки кодовых комбинаций к условиям передачи сигнала и изменению уровню шумов в спутниковом канале связи.

6. Разработка адаптивных алгоритмов каскадного кодирования по параметрам внутреннего кода, реализующего принцип списочного декодирования и использующего кластерный подход в процедуре поиска и восстановления стертых позиций двоичного систематического кода.

7. Осуществление программной реализации предложенных алгоритмов и оценка их эффективности методом имитационного моделирования.

Методы исследования.

Теоретические исследования, проведенные в диссертации, основаны на применении методов алгебраической теории групп, теории вероятностей и теории случайных процессов, теории меры и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с применением методов математического моделирования в лицензионной программной среде МАТЪАВ.

Научная новизна исследования.

1. Доказано преимущество процедуры формирования целочисленных индексов достоверности на основе кортежа стираний относительно способа разбиения сигнального пространства на кванты, позволяющей обеспечить 7 высокую различимость целочисленных индексов достоверности символов.

2. Впервые введено и обосновано понятие векторной метрики пути для восстановления стираний любой кратности, позволяющее исключить переборные методы вычисления стертых позиций и ускорить процедуру декодирования кодового вектора при использовании итерационных подходов. Предложена модель д-ичного канала связи с таким типом стираний.

3. Определена точная граница ошибочного декодирования комбинаций каскадного кода, построенного на основе кодов РС в д-ичном стирающем канале связи и учитывающая параметры как внутреннего, так и внешнего кодов.

4. Предложена и обоснована адаптивная процедура списочного декодирования кодовых векторов и исправления стертых позиций методом их кластеризации, позволяющая повысить достоверность принятой информации.

5. Разработан алгоритм, реализующий параметрическую адаптацию обобщенного каскадного кода и обеспечивающий приемлемую работу спутниковой линии связи в условиях близких к критическим.

Практическая значимость исследования.

Изложенный в работе новый метод обработки ОКК в каналах спутниковой связи обеспечивает повышение их корректирующих возможностей при низких отношениях сигнал/шум.

Структура разработанных алгоритмов формирования стираний на основе отображения спутникового канала связи с последующей процедурой образования потока ИДС кодовых комбинаций дает возможность простой программно-аппаратной реализации цифровых систем обработки информации.

Результаты диссертационной работы приняты для практического использования в разработках ФГУП «Московский научно исследовательский радиотехнический институт», 29-ого Испытательного полигона МО РФ (войск связи), а также в учебном процессе Ульяновского 8 высшего военного инженерного училища связи (военного института), что подтверждено соответствующими актами, находящимися в приложении к диссертационной работе.

Личный вклад автора.

Автор лично разрабатывал методики исследований, проводил теоретические расчеты, разрабатывал алгоритмы декодирования и выполнял эксперименты на моделях, осуществлял обработку, анализ и обобщение полученных в ходе исследования результатов.

Достоверность результатов, представленных в диссертации подтверждается корректностью применения математического аппарата, непротиворечивостью фундаментальным положениям теории информации и общей теории связи, определяется близостью теоретических расчетов и экспериментальных данных, полученных на ЭВМ.

Апробация результатов исследования.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

XII Международной НТК студентов и аспирантов, МЭИ (ТУ), Москва, 2006 г.;

42—ая НТК «Вузовская наука в современных условиях» УлГТУ, Ульяновск, 2008 г.

Межвузовская научно — практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», УВВИУС, Ульяновск, 2005 г.

XII Военная НТК «Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных и информационных технологий» — Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2006 г.

XIV Военная НТК «Совершенствование систем, комплексов, средств связи и АСУ» — Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2007 г.

Всероссийская НТК «Наукоемкие технологии в приборо — и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе», Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК Минобразования Россиив ежемесячном научно-техническом журнале по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию «Электросвязь» № 3, 2008 г. и в периодическом научно-техническом и информационно — аналитическом журнале «Инфокоммуникационные технологии» № 1, 2008 г. Положения выносимые на защиту.

1. Целочисленные ИДС, формируемые на основе показателей стирающего канала связи, обеспечивают лучшие характеристики выявления ошибочно принятых символов.

2. Применение ИДС в ССС с KAM — сигналами повышает эффективность применениями д-ичных избыточных кодов однонаправленных ССС.

3. Декодер корректирующего обобщенного каскадного кода способен обеспечить параметрическую адаптацию процедуры декодирования в зависимости от условий передачи сигнала и уровня шумов в спутниковом канале связи.

4. Применение стирающего канала связи повышает эффективность схем каскадного кодирования по достижению требуемой вероятности ошибки при фиксированной скорости передачи информации в канале связи.

5. Использование схемы ОКК на основе комбинации кодов РМ при мягком декодировании обеспечивает энергетический выигрыш, но является малопродуктивной с точки зрения декомпозиции кодов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка используемой литературы, включающего 119 работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем диссертации составляет 155 листа.

4.5 Выводы.

1. Разработанная имитационная модель канала ССС с целочисленными индексами достоверности, вырабатываемых на основе кортежа стертых позиций, достоверна и позволяет оценить эффективность разработанных алгоритмов декодирования ОКК по общепринятому в теории помехоустойчивого кодирования критерию достоверность/полоса пропускания канала связи.

2. Энергетический выигрыш при декодирования кодовых комбинаций ОКК в большей степени проявляется при малых и средних значениях отношения сигнал/шум. Выигрыш достигается за счет поэтапного приближения к правильному решению путем применения в декодере целочисленных ИДС и кластерного подхода.

3. При малых отношениях сигнал/шум корреляционная зависимость между ошибками и высокими индексами достоверности очень велика, что приводит к повышению вероятности неправильного декодирования комбинаций ОКК в СКС. Для исключения подобного явления целесообразно иметь систему параметрической адаптации порога стирания и существенно увеличивать значение этого параметра при малых отношениях сигнал/шум.

4. Разработанный способ декодирования ОКК проверен методом имитационного моделирования при различных видах модуляции применительно к коротким кодам. Эффективность способа при увеличении длин кодовых комбинаций или относительной скорости передачи кода требует дальнейшего исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами диссертационной работы являются:

1. Формирование оценок по методу Витерби характерно только для непрерывных кодов при обработке парных символов. Метод требует вычисления иррациональности, что сказывается на сложности реализации процессора. Кроме того, значения оценок имеют слабую различимость, что увеличивает время анализа декодером принятого кодового вектора.

2. Для сравнения свойств известных схем образования целочисленных ИДС и предлагаемого метода на основе кортежа стираний введен коэффициент правдоподобия, который характеризует статистические свойства оценок, получаемых для сравниваемых способов в одинаковых условиях испытания моделей.

3. Формирование ИДС с использованием кортежа стираний обеспечивает простую реализацию приемника из-за наличия всего двух порогов в решающей схеме вместо восьми. Сравнение характеристик ИДС, полученных методом имитационного моделирования, для схем Витерби и предлагаемой схемы показывает, что обе схемы сопоставимы при высоких значениях интервала стирания. В первой схеме значения Кпр (Еь/М0) равномерно распределены по диапазону аргумента Еь/Ы0, а для второй схемы индексы 7, 6 и 5 группируются.

4. Моделирование показало, что обеспечивается увеличение скорости работы декодера в стирающем канале связи, поскольку индексы 7, 6 и 5 соответствуют надежно принятым символам, а символы с индексами от 4 до О ранжируется в порядке убывания и восстанавливаются декодером как стертые позиции.

5. Увеличение интервала стирания при формировании ИДС не может отрицательно сказаться на работе декодера, поскольку стирания формируются только для образования индексов и не исправляются декодером в условиях высокой вероятности появления ложных стираний.

Мягкий декодер работает с ИДС, реализуя итеративные процедуры.

143 приближения принятого кодового вектора к переданной последовательности символов.

6. Аналитическое моделирование показало, что введение стирающего канала связи с процедурой восстановления стираний по кластерам позволяет улучшить характеристики ОКК на основе кодов PC. При отношениях сигнал/шум близких к 0,5 дБ вероятность ошибочного декодирования комбинаций кодов PC снижается всего с 5*10″ 2 до 3,5'10″ 3. Изменение скорости кода PC с 0,86 до 0,6 при интервале стираний р = 0,2 обеспечивает снижение вероятности ошибки декодирования с 10″ 4 до 10″ 7. Данные характерны для каналов ССС с КАМ-16.

7. Показано, что группу кодов ОКК можно заменить обычной схемой каскадного кодирования с адаптивным изменением параметров, не требующий сложной процедуры декомпозиции ОКК на вложенные коды РМ. Применение стирающего канала связи для высоких кратностей KAM сигналов нецелесообразно.

8. По результатам имитационного моделирования показано, что применение ОКК на основе мягкого декодирования кодов РМ обеспечивает ожидаемый энергетический выигрыш для ССС в пределах 1,2 дБ до 1,7 дБ.

9. Проведенными статистическими испытаниями моделей каналов ССС со стиранием элементов показана близость полученных результатов соответствующим аналитическим выражениям, определяющим граничные значения вероятности ошибки в каналах с ОКК.