Кодек с исправлением ошибок для комплексов телемеханики, повышающий достоверность передачи информационных пакетов нерегулярной длины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Кульпин, Андрей Сергеевич

• Кульпин, Андрей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кульпин, Андрей Сергеевич

Введение.

Глава 1. Анализ задачи исследования. у 1.1. Комплексы телеуправления и контроля (КТК) нефте и газопроводами.

1.2. Достоверность передачи информационных потоков по каналам телеуправления. Постановка задачи исследования.

1.3. Выбор вида помехоустойчивого кодирования сигналов комплекса телеуправления.

Выводы.

Глава 2. Разработка пути повышения достоверности передачи информации по каналам телеуправления и исследование его эффективности.

2.1. Свойства циклических кодов Рида-Соломона.

2.2. Разработка алгоритмов кодирования цифровых информационных блоков нерегулярной длины.

2.3. Исследование вероятности битовой ошибки на выходе разрабатываемого кодека.

Ф 2.4. Анализ вероятности возможных ошибок декодирования сигналов телеуправления и контроля.

2.5. К вопросу защиты каналов телеуправления и контроля нефте и газопроводов от несанкционированного доступа.

Выводы.

Глава 3. Реализационные основы кодека с исправлением ошибок по методу Рида-Соломона.

3.1. Синтез алгоритмов работы кодека и разработка структуры устщ ройства.

3.2. Пакетирование информации в кодеках исправления ошибок в

У' комплексах телеуправления.

3.3. Разработка алгоритма инициализации кодека.

3.4. Методика управления процессорами кодека.

3.5. Пути реализации кодека.

3.6. Эффективность комплекса телеуправления УМК - ТМ, оснащенного исправляющим ошибки кодеком Рида - Соломона.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования кодека.

4.1. Встроенный инструментарий для проверки оперативной готовности кодека.

4.2. Модельное исследование предложенного алгоритма управления кодером Рида-Соломона.

4.3. Экспериментальные исследования достоверности передачи информации по каналам телеуправления.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кодек с исправлением ошибок для комплексов телемеханики, повышающий достоверность передачи информационных пакетов нерегулярной длины»

Многолучевое распространение, затухание сигнала, нелинейность тракта передатчика, атмосферные, импульсные, заграждающие, селективно-частотные помехи, проходящие как по основным, так и по зеркальным и интермодуляционным каналам, а также другие причины приводят к возникновению одиночных и пакетных ошибок при передаче информации по каналам связи. Особенно сложная ситуация наблюдается в радиоканалах, так как с ростом числа радиосредств ухудшается их электромагнитная совместимость (ЭМС) и растет потеря информации. Поэтому одной из важнейших проблем современной радиотехники является обеспечение высокой достоверности передачи информации по каналам связи.

Объектами контроля и управления систем телеуправления нефте-и газопроводами являются различные устройства трубопроводного транспорта, крановые узлы, приборы измерения расхода газа, котельные и иные объекты. Поскольку цена ошибки связана с безопасностью людей и чрезвычайно высока, задача увеличения достоверности передачи информации в комплексах телеуправления и контроля (КТК) является наиболее важной и значимой.

Электромагнитная обстановка в радиоканалах всех частотных диапазонов непрерывно усложняется и системам связи приходится работать в условиях воздействия внешних помех различного рода. Помехи и замирания сигналов в радиоканалах приводят к возникновению одиночных и пакетных ошибок. Так как достоверность передачи информации в явной форме влияет на качество работы многих сложных систем, то обеспечение высокой достоверности передачи информации по каналам радиосвязи является актуальной задачей.

Для систем контроля и телеуправления газо- и нефтепроводами, часто работающих в непосредственной близости от таких источников помех, как мощные энергетические установки различного назначения, задача обеспечения высокой достоверности передачи информации является особенно актуальной. В этом случае комплексы телеуправления, имеющие в своём составе каналы связи протяженностью в несколько тысяч километров, подвержены интенсивному влиянию помех различного происхождения, что приводит к росту погрешности при передаче информации и является одной из причин возможных ошибок в управлении. В свою очередь ошибки управления становятся причинами возникновения чрезвычайных ситуаций.

Среди различных методов обеспечения высокой достоверности передачи информации положительно выделяются методы, основанные на использовании кодирования передаваемых сигналов кодами с исправлением ошибок. В случае их применения высокая достоверность передачи информации обеспечивается малозатратным способом и, что также важно с экономических позиций, имеется возможность легкой модернизации уже существующих комплексов телеуправления введением в их состав устройств кодирования информации на передающей и устройств декодирования на приёмной сторонах каналов телеуправления.

Применение кодирования управляющей информации дополнительно решает вопросы обеспечения безопасности её передачи, затрудняя несанкционированный доступ к управлению комплексами, что повышает их защищенность и эффективность.

Известные работы в области теории передачи цифровой информации Шеннона К.Е., Финка Л.М., Петровича Н.Т., Тузова Г.И., Борисова В.И., Скляра Б., Зюко А.Г., Кловского Д.Д., Зинчука В.М., Феера К., Ва-ракина Л.Е., Р. Хемминга, Е. Берлекемпа и многих других показали высокую эффективность применения кодов, корректирующих ошибки и их практическую полезность.

Целью работы является разработка кодека с исправлением ошибок для повышения достоверности передачи нерегулярных по длине цифровых сообщений по каналам связи комплексов телеуправления газо- и нефтепроводами и исследование его эффективности.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализом методов помехоустойчивого кодирования и выбором вида кодирования и параметров кода, исправляющего ошибки.

2. Синтезом алгоритмов преобразования информационных потоков в кодере и декодере.

3. Обоснованием структуры кодека, исправляющего ошибки.

4. Теоретическим и экспериментальным исследованием вероятности ошибки на выходе кодека.

В работе использованы положения теории информации и теории кодирования сигналов, методы теории вероятностей и математической статистики, аппарат математического анализа и методы теории эксперимента.

Научная новизна работы.

• Предложен метод адаптивного кодирования для повышения достоверности передачи нерегулярных по длине информационных посылок по цифровым каналам телеуправления.

• Получены аналитические выражения и исследована вероятность ошибок при применении разработанного кодека в каналах связи с переменными по длине сообщениями.

• Предложены новые алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный кодек с исправлением ошибок обеспечивает исправление до 10 ошибочно принимаемых байт при нерегулярной длине информационных пакетов от 3 до 235 байт.

2. Применение разработанного кодека Рида-Соломона в комплексах телемеханики снижает вероятность ошибки от величины 10-3 до 108 и лучше.

3. Разработанный кодек позволяет применять его в комплексах телемеханики УНК ТМ без изменения программного обеспечения и аппаратуры связи, применяемых в комплексах.

4. Предложенный кодек может широко использоваться в различных системах телеуправления и передачи цифровой информации.

На защиту выносится:

• Алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины.

• Структурная схема кодека Рида - Соломона для систем телеуправления и контроля с последовательным опросом.

• Аналитические выражения для оценки вероятности ошибок на выходе кодека.

• Характеристики разработанного кодека, полученные теоретически и подтвержденные экспериментально на изготовленных кодеке и измерительном стенде.

Личный вклад автора в получение результатов исследования заключается в следующем:

- разработаны алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины;

- обоснована структура кодека для комплексов телеуправления и контроля нефте- и газопроводами и принято активное участие в его реализации;

- получены теоретические оценки вероятности ошибок на выходе декодера системы телеуправления с кодеком Рида-Соломона; проведены экспериментальные исследования и на их основании оце-% нена достоверность передачи телеметрической информации.

Публикации и апробация диссертационной работы По материалам работы опубликовано 3 статьи и 10 тезисов докладов. Доклады сделаны на научно-технических конференциях:

- Региональном научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона», г. Нижний Новгород, 2004 г.;

- 60-ой научной сессии, посвященной Дню Радио, г. Москва, 2005 г.;

- 6-ой Международной научно-технической конференции «Пер-Ф спективные технологии в средствах передачи информации», Владимир,

2005 г.;

- Всероссийской конференции «Молодые ученые России», МИЭМ, г. Москва, 2005 г.;

- Международной научно-технической конференции «Мегта^с -2005», г. Москва, 2005 г.;

- Всероссийской научно-технической конференции «Обработка сигналов в системах связи и вещания», г. Нижний Новгород, 2006 г.

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и Ф практические результаты работы получены автором при выполнении

Ь хоздоговорных работ. Разработанный кодек внедрен на предприятии

ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова", г. Нижний Новгород и нашел практическое применение в комплексах телеуправления и контроля типа УНК ТМ, применяемых на газотранспортных предприятиях ОАО "Газпром".

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Кульпин, Андрей Сергеевич

Выводы по главе 4.

1. Разработан инструментарий для определения работоспособности кодека, позволяющий проводить регламентные работы устройства без применения дополнительного оборудования.

2. Работоспособность алгоритма управления кодером подтверждена модельными экспериментами с кодеком. Полученные временные диаграммы доказали правильность разработанных алгоритмов управления процессоров кодера и декодера и алгоритмов адаптивной инициализации процессора.

3. Оптимизирована программа микросхемы ПЛИС, позволяющая реализовывать алгоритмы работы микропроцессоров АНА4011с кодера и декодера.

4. Разработан испытательный стенд и проведены две серии натурных испытаний кодека.

5. Экспериментально доказана работоспособность кодека и его возможность снижать вероятность ошибок от величины 10'3 до величины 10"8 и от величины 10"4 до величины Ю"10.

6. Экспериментально доказана способность разработанного кодека работать эффективно с переменными по длине информационными пакетами.

Заключение

В результате проведенного исследования получены следующие результаты:

1. Предложена методика управления микропроцессором для кодирования и декодирования информационных сообщений нерегулярной длины.

2. Разработаны и реализованы в ПЛИС алгоритмы управления микропроцессором для кодирования цифровых потоков комплексов телемеханики и контроля нерегулярной длины.

3. Получены выражения для оценки вероятности появления ошибок при применении кодека Рида-Соломона в комплексах телемеханики типа УНКТМ.

4. Разработан и испытан кодек, исправляющий до 10 ошибочных байт при нерегулярной длительности информационных пакетов от 3 до 235 байт, снижающий вероятность ошибочного приема с величины 10"3 до 10'8 и с величины 10"4 до Ю"10.

5. Разработано программное обеспечение и встроенный в ПЛИС инструментарий для регламентных проверок работоспособности кодека с исправлением ошибок.

6. Проведены модельные и натурные испытания кодека, подтвердившие правильность теоретических выкладок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кульпин, Андрей Сергеевич, 2006 год

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003.- 1104 с.

2. Боуз Р.К., Рой-Чоудхури Д.К. Об одном классе двоичных групповых кодов с исправлением ошибок / Кибернетический сборник, вып.2. М.: ИЛ, 1961. - С. 83 - 94.

3. Berrou С., Glavieux A., Thitimajshima P. Near Shannon Limit Error -Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes, Proc. Intern. Conf. On Communication ICC-93, Geneva, Switzerland, 1993. - Pp. 1064 -1070.

4. Паньшо С.П., Югай B.B. Турбокодирование / Успехи современной радиоэлектроники, № 2,2004. С. 3 - 16.

5. Самсонов Б.Б., Плохов Е.М., Филоненков А.И., Кречет Т.В. Теория информации и кодирования. Ростов на Дону, 2002. - 288 с.

6. Григорьев A.C., Дронов А.Е. Турбокодирование в системах однонаправленной передачи цифровой информации // Материалы 12 межрегиональной конференции "Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания". Пушкинские горы - Москва, МТУСИ, 2003.-С. 103.

7. Красносельский И.Н. Турбокоды: принципы и перспективы // Электросвязь, № 1,2001.-С. 17-20.

8. A. Matache Encoding/Decoding Reed Solomon Codes. -http://www.ee.ucla.edu/~matache/rsc/nodel 1.html, 1996.

9. Осмоловский C.A. Сравнительный анализ некоторых свойств стохастических кодов и кодов Рида Соломона // Электросвязь, № 1, 1991.

10. Рид, Соломон. Полиномиальные коды над некоторыми конечными полями / Кибернетический сборник, вып. 7. М.: ИЛ, 1963.

11. Wicker S.B., Bhargava V.K. Reed Colomon Codes and Their Applications // Proc. IEEE, v. 78, № 7, 1990. - pp. 1250 - 1265.

12. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. -М.: Связь, 1982. 304 с.

13. Галкин А.П., Лапин А.Н., Самойлов А.Г. Моделирование каналов систем связи . М.: Связь, 1979. - 96 с.

14. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. / Под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

15. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 357 с.

16. Справочник по радиорелейной связи / Под ред. C.B. Бородича. М.: Радио и связь, 1981. 415 с.

17. Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ./ Под ред. Д.Д. Кловского.-М.: Радио и связь, 2000. 800 с.

18. Каганцов С.М., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А., Фролов И.Ю. Кодек для цифровых радиорелейных станций // Пятая Российская конференция по атмосферному электричеству. Том 2, изд. «Транзит ЖС», Владимир. 2003. С. 148-149.

19. Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов К.Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений. М.: Радио и связь, 1981.-232 с.

20. Злотник Б.М. Помехоустойчивые коды в системах связи. М.: Радио и связь, 1989.-232 с.

21. Андре Анго Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1964.-772 с.

22. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1988. - 448 с.

23. Варакин JI.E. Теория систем сигналов. М.: Сов. радио, 1978. - 304 с.

24. Возенкрафт Дж., Джекобе И. Теоретические основы техники связи. -М.: Мир, 1969.-462 с.

25. Виттерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования. М.: Радио и связь, 1982. - 536 с.

26. Волков JI.H., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. -М.: Эко-Трендз, 2005. 392 с.

27. Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Импульсные виды модуляции: Учебное пособие. Владимир: Bpl-dj Dkflbv/ ujc/ ey-nf? 2005.-92 с.

28. Жаров С.А, Костюков В.Е., Кульпин A.C., Коротышев A.B., Лотов В.Н., Сучков О.В. Применение унифицированного комплекса телемеханики УНК ТМ в газовой отрасли и энергетике / Электро Info, 2004.-С.54.

29. Бухвалов И.Р., Коротышев A.B., Костюков В.Е., Кульпин A.C., Сучков О.В. Унифицированный комплекс телемеханики УНК ТМ / Сб. научн. тр. Территория «Нефтегаз», 2004. С. 38 - 39.32. www.aha.com.

30. Каганцов С.М., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Кодер-декодер для радиорелейных систем связи. Материалы 12-й межрегиональной конференции «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания», Пушкинские горы - Москва, 2003. -С. 172-174.

31. Кульпин A.C., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Реализационные основы кодека с исправлением ошибок по методу Рида-Соломона // Труды РНТО РЭС им. A.C. Попова 60-я научная сессия, посвященная Дню Радио. Выпуск LX-2. Москва, 17-19 мая 2005. С. 198 -200.

32. Кульпин A.C. Эффективность кодека Рида Соломона // Материалы VI международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации». - Владимир: РОСТ, 2005. - С. 207 - 209.

33. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на С. М.: ТРИУМФ, 2002. - 816 с.

34. Кульпин A.C., Полушин П.А., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Адаптивный кодер для систем телеуправления магистральными газопроводами // Проектирование и технология электронных средств, № 4 , 2005.-С.59-63.

35. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. М.: Изд. дом «До-дека-ХХ1», 2002. - 576 с.41. www.Xilinx.com

36. Кульпин A.C. Пакетирование информации в кодеках для исправления ошибок комплексов телеуправления // Материалы Международной научно-технической конференции Intermatic 2005, ч.1, 2528 октября 2005. Москва. - С. 43-45.

37. A. Samoilov, А. Kulpin, D. Zelenov Synchronization For Communication System With Slow Frequency Hopping Spread Spectrum // VI International science conference «Perspective Technology in The Mass Media». Vladimir: ROST, 2005. - pp. 34-35.

38. Бородин Л.Ф. Введение в теорию помехоустойчивого кодирования. М.: Сов. радио, 1968. - 256 с.

39. Советов Б.Я. Сравнительная оценка надежности передачи информации избыточными кодами // Автоматика и телемеханика, 1970, № 2.-С. 41-44.

40. Бекенев М.С. Мягкое декодирование коротких блочных кодов // Материалы Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике». - М.: МИРЭА, 2005, ч.2. -С.30-33.

41. Han Y., Hartman С., Chen С. Efficient Priority First Search Maximum Likelihood Soft-Decision Decoding of Linear Block Codes // IEEE Trans. On Communications, September 1996. pp. 1514 - 1523.

42. Hayes J.F. The Viterbi Algorithm Applied to Digital Data Transmission // IEEE Communication Magazine, 2002. pp. 26 - 32.

43. Советов Б.Я. Эффективность введения избыточности в системы передачи телемеханической информации. JL: Наука, 1970. - 131 с.

44. Комаров В.Н. Об исправлении многократных пакетов ошибок / Техника средств связи, 1980. Вып. 3.

45. Котов П.А. Повышение достоверности передачи цифровой информации. М.: Связь, 1966. - 192 с.

46. Советов Б.Я. Помехоустойчивость передачи команд телеуправления в системе с запросом // Автоматика и телемеханика, 1966, № 12. -С. 43-48.

47. S. Samoilov. Reed Solomon Codes Communication System //5-th Workshop Digital Broadcasting, Erlangen, Germany, September 23 - 24, 2004.-pp. 85-86.

48. Советов Б .Я. О границах применения корректирующих и дублируемых обнаруживающих кодов // Известия Вузов «Приборостроение», 1967,№4.-С. 27-33.

49. Ekroot L., Dolinar S. A Decoding of Block Codes // IEEE Transaction Inform Theory, September 1993, pp. 1052 1056.

50. Архипкин В.Я., Дмитриев О.Ф., Нестратов M.B., Соколов А.Г. Коррекция ошибок короткими блочными кодами в WLL системах // Научно-техническая конференция «Радиолокация, радионавигация, связь». Воронеж, 2000. Т.2. - С.943 - 948.

51. Rappaport T.S. Wireless Communication (Principles and Practice). -N.Y. Prentice Hall, 1996.

52. Робинсон Ф.Н. Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях. М.: Атомиздат, 1980. - 256 с.

53. Зюко А.Г., Кповский Д.Д., Назаров М.В., Финк JI.M. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1980. - 288 с.

54. Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы XILINX в САПР Web PACK ISE.- М.: Горячая линия Телеком, 2003. - 624 с.

55. Давыдкин П.Н., Колтунов М.Н., Рыжков A.B. Тактовая сетевая синхронизация. М.: Эко - Трендз, 2004. - 205 с.

56. Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. М.: Радио и связь, 1982.-256 с.

57. Потапов A.A. Топология выборки // Нелинейный мир, 2004, т. 2, № 1.-С.4- 13.

58. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

59. Чумакова Е.В., Опадчий Ю.Ф. Реализация на ПЛИС вычисления элементарных математических функций // Проектирование и технология электронных средств, 2005, № 4. С.7 - 12.

60. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. М.: Радио и связь, 1998. -392с.

61. Шмалько A.B. Цифровые сети связи: Основы планирования и построения. М.: Эко-Трендз, 2001. - 282с.

62. Коржик В.И., Финк Л.М. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой. М.: Связь, 1979.-272С.

63. Андрианов В.И., Соколов A.B. Сотовые, пейнджинговые и спутниковые средства связи.- СПб.: БХВ-Петербург, 2001. 400с.

64. Финк Л.М. Сигналы, помехи, ошибки: М.: Радио и связь, 1984. -256с.

65. Телекоммуникационные системы и сети, т.2.- Радиосвязь, радиовещание и телевидение./Под ред. В.П.Шувалова. Горячая линия -Телеком, 2004. - 672с.

66. Цифровая обработка сигналов. /Под ред. А.Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2003. -604с.

67. Некоторые вопросы теории кодирования. Сборник переводов. / Под ред. Э.Л. Блоха и М.С. Пинскера. М.: Мир, 1970 - 275с.

68. Ziemer R. and Peterson R. Introduction to Digital Communication, 2d ed., Prentice Hall, 2001.

69. Blahut R.E. Theory and Practice of Error Control Codes. Addison Wesley Publishing Company, Inc., Reading, Mass, 1983.

70. Clark G.C. and Cain J.B. Error Correction Coding for Digital Communications. -Plenum Press, New York, 1981.

71. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз,1998. - 239с.

72. Бородин C.B. Искажения и помехи в многоканальных системах радиосвязи с частотной модуляцией М.: Связь, 1976. - 256с.

73. Банкет B.JL, Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. М.: Радио и связь, 1988. - 240с.

74. Белоцерковский И.Л. Протоколы передачи файлов для модемов // Сети, 1995, №3 с.53-59.

75. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. -М.: Мир, 1986.-576с.

76. Голд Б., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. радио, 1973.-367с.

77. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: Справочник. / Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов К.Н. / Под ред. Л.М. Финка-М.: Радио и связь, 1981. 232с.