Разработка алгоритмов помехоустойчивого канального кодирования данных в сетях связи информационно-управляющих систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Пирогов, Александр Александрович

• Пирогов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пирогов, Александр Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СИСТЕМ И СРЕДСТВ КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕТСКОГО ДОСТУПА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие характеристики сетей связи абонентского доступа.

Структура и состав оборудования промышленных сетей связи

1.2 Анализ существующих методов и средства кодирования сигналов

1.3 Методы повышения помехоустойчивости промышленных сетей

связи абонентского доступа

1.4 Метод аппаратной реализации кодека сети абонентского доступа

1.5 Цель и задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕТСКОГО ДОСТУПА

2.1 Математические модели каналов связи

2.2 Математическое описание существующих помехоустойчивых

кодов

2.3 Двоичные сверточные коды

2.4 Недвоичные коды Рида-Соломона

2.5 Основные выводы второй главы

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛЬНОГО КОДЕКА В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА

3.1 Алгоритм каскадной схемы кодирования

3.2 Алгоритм работы помехоустойчивого канального кодека сети абонентского доступа

3.2.1 Алгоритм кодирования сверточным кодом

3.2.2 Алгоритм декодирования сверточного кода

3.2.3 Алгоритм кодирования кода Рида-Соломона

3.2.4 Алгоритм декодирования кода Рида-Соломона

3.3 Алгоритмы кодирования и декодирования перфорированного сверточного кода

3.4 Метод помехоустойчивого канального кодирования в сетях связи абонентского доступа 96 3.7 Основные выводы третьей главы 99 4 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛЬНОГО КОДЕКА, СЕТЕЙ СВЯЗИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

4.1 Используемые технические средства

4.2 Построение модели кодека сети сотовой связи на логическом RTL уровне.

4.2.1 Общая структура кодека сети сотовой связи

4.2.2 Модель каскадного кодера сети связи абонентского доступа

4.2.3 Модель многопорогового декодера сети связи абонентского доступа

4.3 Результаты моделирования разработанного кодека сети абонентского доступа

4.4 Основные выводы четвертой главы 119 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 122 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алгоритмов помехоустойчивого канального кодирования данных в сетях связи информационно-управляющих систем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время во всех сферах деятельности человека актуальна задача создания недорогих распределенных информационно-управляющих систем. Подобные системы предназначены для сбора и обработки информации от различных объектов. Данные системы обычно состоят из контролируемых объектов, оборудования, формирующего или обрабатывающего информацию, и оборудования, объединяющего объекты в единую систему линиями связи. Однако для многих объектов создание таких систем часто оказывается невыгодным в связи с высокой стоимостью организации и обслуживания линий связи.

Наиболее оптимальным путем решения подобных вопросов является создание беспроводной сети на базе сотовых терминалов через существующие сети связи абонентского доступа. Обычные мобильные абонентские телефоны имеют невысокую надежность и не предназначены для эксплуатации в промышленных условиях. Для решения задачи создания информационно-управляющих систем, в которых данные передаются через систему сотовой радиосвязи, существуют промышленные модемы, которые отличаются от мобильных телефонов конструктивным исполнением, а также наличием дополнительных возможностей. Подобные модемы имеют расширенный набор АТ команд, что позволяет их программировать с использованием соответствующего программного обеспечения. Использование сетей связи абонентского доступа существенно упрощает и удешевляет создание промышленных информационно-управляющих систем.

Надежность сотовой связи и ее качество зависит от местности, погодных и электромагнитных условий. Для информационно-управляющих систем показатель надежности и помехоустойчивости канала связи является наиболее важным, так как при реализации задач, стоящих перед такими системами, основным фактором является минимальная потеря данных информационной последовательности от управляемого объекта. Основной

задачей помехоустойчивого кодирования является обеспечение высокой достоверности передаваемых данных за счет применения специализированных устройств кодирования/декодирования (кодеков) в составе системы передачи цифровой информации.

В настоящее время в промышленных модемах используются кодеки на основе сверточных кодеров или турбо-кодеров и алгоритмов декодирования Витерби, которые являются достаточно сложными для аппаратной реализации. В управляющих системах в силу их работы с различными типами данных и выпол ых ими задач немаловажная роль отводится скорости и объему передаваемой информации. В сетях связи абонентского доступа это зависит от ширины канала связи, скорости передачи информации, а также от скорости кодирования информационной последовательности.

Актуальность задачи можно сформулировать как необходимость разработки универсальных алгоритмов, математических моделей, устройств канального кодирования и декодирования передаваемой информации по каналам связи для различных информационно-управляющих систем, позволяющих повысить помехоустойчивость их сетей, увеличить объем передаваемой полезной информации в единицу времени путем изменения скорости кодирования информационной последовательности. В данном случае в целях оптимизации структуры целесообразна разработка методов на основе алгоритмов каскадного кодирования данных.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации», а также в рамках ГБ НИР 2004.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем» и ГБ НИР 2007.17 «Исследование и разработка перспективных методов проектирования и технологии изготовления радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, универсальных алгоритмов канального кодирования/декодирования сигналов, применяемых для построения кодеков сетей связи абонентского доступа, разработка на логическом RTL уровне модели канального кодека для использования в информационно-управляющих системах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ существующих алгоритмов, моделей и методов канального кодирования сигналов;

разработать математические модели кодеков сверточных и недвоичных кодов, применяемых при каскадном кодировании;

разработать алгоритмы согласования скорости кодирования, перфорирования и деперфорирования кодированных сигналов канала связи;

разработать алгоритм каскадного кодирования и декодирования на основе полученных математических моделей и алгоритмов;

реализовать посредством предложенного алгоритма канального кодирования данных устройство кодека сети связи абонентского доступа информационно-управляющей системы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы элементы теории цифровой обработки сигналов, методы и алгоритмы теории помехоустойчивого кодирования и декодирования информационных потоков данных, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

алгоритм работы каскадной системы код ер-декодер, использующий в своей структуре элементы алгоритмов кодирования внутренним сверточным кодом, отличающимся увеличенным свободным расстоянием между последовательностями кодированных сигналов и внешним кодом Рида-

Соломона, позволяющий повысить эффективность применения кодирования и помехозащищенности, формируемой устройством последовательности сигналов, снизив при этом вероятность битовой и блочной ошибки в канале связи;

алгоритм каскадного кодирования, отличающийся возможностью согласования скорости передачи данных, а именно задания скорости кодирования выходной информационной последовательности, что делает данный алгоритм универсальным, применимым для различных сетей связи;

алгоритм синдромного декодирования направлен на упрощение способа формирования кодовой комбинации декодирующего устройства для гарантированного исправления многократных ошибок, отличающийся применением несистематического сверточного кодера, имеющего в своей структуре дополнительные сумматоры по модулю 2;

модель кодека сети связи абонентского доступа, основанная на разработанном алгоритме каскадного кодирования, отличающаяся универсальностью применения в различных информационно-управляющих системах, позволяющая повысить помехоустойчивость и скорость кодирования информационной последовательности, тем самым увеличив объем передаваемой полезной информации в единицу времени для существующих сетей связи.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований предложен алгоритм работы помехоустойчивого канального кодека сети связи абонентского доступа, информационно-управляющей системы в форме модели, разработанной на логическом уровне. Данная модель является универсальной для различных систем, позволяет оценить и снизить вероятность блочной и битовой ошибки кода в канале связи, тем самым повысить помехоустойчивость передаваемых информационных последовательностей. Использование данной модели позволяет значительно снизить временные и аппаратные затраты при построении сетей связи.

Внедрение результатов работы. Основные положения диссертации в виде разработанной методики кодирования сети связи информационно-управляющей системы внедрены в филиал ЗАО «Иркос», ООО «Единый СЦ» (г. Воронеж) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2008 - 2011); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007); научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2007 - 2009 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [37, 41, 42] - обзор алгоритмов проектирования цифровых устройств, [40] - алгоритм кодирования сверточным кодом, [44, 45] - алгоритмы кодирования и декодирования данных в сетях связи, [43, 47] - методы повышения помехоустойчивости канала связи, [46, 49] - модели элементов кодера сети абонентского доступа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице, содержит 43 рисунка и 3 таблицы.

В первой главе рассмотрены принципы построения сетей связи абонентского доступа. Отражены общие характеристики сетей сотовой связи, архитектура сети, протоколы передачи данных и их алгоритмы

преобразования. Осуществлен анализ существующих алгоритмов канального кодирования/декодирования информации. Отражена общая структурная передачи цифровой информации. Отмечено, что для организации промышленных сетей связи абонентского доступа, в настоящее время используются сверточные алгоритмы кодирования данных. Для существенного улучшения помехоустойчивости при использовании сверточных кодов необходимо увеличивать скорость передачи символов, но это достаточно сложная задача из-за сложной структуры таких алгоритмов.

Предложен метод для достижения поставленной цели, основанный на применении алгоритмов каскадного кодирования/декодирования. В основе построения, которых лежит идея совместного использования нескольких составляющих кодов. Данный подход позволяет существенно снизить вероятность битовой Рь и блочной Рв ошибки кода, тем самым повысив его помехоустойчивость. Это дает возможность применения алгоритмов перфорации кода, которые позволят управлять скоростью кодирования информационной последовательности на выходе кодера, путем систематического удаления битов данных избыточной кодированной последовательности. В результате, выходная последовательность позволяет передавать за единицу времени большей объем полезной информации по сравнению с существующими скоростями кодирования (г=1/2), что в свою очередь не требует аппаратных изменений в остальных узлах системы.

Во второй главе осуществлена разработка математических моделей кодирования/декодирования информации в сетях сотовой связи, информационно-управляющих систем.

Рассмотрены математические модели существующих каналов связи, основы построения дискретных каналов и расчет их основных характеристик.

Получены математические описания помехоустойчивых кодов. Подробно рассмотрены сверточные коды и недвоичные коды Рида-Соломона.

Сформировано математическое описание кодирования/декодирования информационной последовательности, на основе каскадной схемы кодирования, с применением моделей перестановки данных и перфорирования кода, позволяющих снизить показатель вероятности ошибки в блоке кода, а также предоставляет возможность получения различных скоростей кодирования на выходе кодера.

В третьей главе разработан метод канального кодирования и декодирования данных сетей сотовой связи абонентского доступа, информационно-управляющих систем.

Рассмотрен метод каскадного кодирования на безе внутреннего светрочного кода и внешнего кода Рида-Соломона. Этот алгоритм кроме преимущества по эффективности кодирования также снижает аппаратные затраты на проектирование. В структуре данного метода также реализован алгоритм перемежения и восстановления, осуществляющие псевдослучайную перестановку символов внешнего кода и восстановление исходного порядка символов соответственно в устройстве декодера. Разработанный алгоритм кодирования Рида-Соломона служит эффективным методом для устранения групповой ошибки в информационной последовательности, т.е. минимизации вероятности ошибки в кодовом блоке. Соответственно, внутренний алгоритм кодирования сверочным кодом отвечает в построенной модели за снижение вероятности битовой одиночной ошибки. В этом случае, сочетание данных алгоритмов являются наиболее оптимальными, и это приводит к снижению аппаратных затрат.

Метод каскадного декодирования на основе алгоритма декодирования сверточных кодов и Рида-Соломона. Данный метод позволяет производить декодирование информации представленной в каскадном коде, что в свою очередь значительно увеличивает скорость обработки данных. За счет того что, схема кодирования информационной последовательности разбита на два уровня (внешнее и внутреннее кодирование), в построенной модели использован синдромный декодер вместо более сложного декодера Витерби.

Алгоритмы работы по перфорированию и деперфорированию кода. Перфорация кода состоит в систематическом удалении из процесса передачи в канал некоторых битов данных с выхода низкоскоростного кодера. В результате, выходная последовательность принадлежит перфорированному коду более высокой скорости, что позволяет сделать универсальной систему кодер-декодер, с возможностью работы с разными скоростями кодирования. На основе данного метода, возможно, построить кодек позволяющий передавать больший объем полезной информации в единицу времени, за счет увеличения скорости кодирования информационного потока.

В четвертой главе осуществлена разработка модели кодека сети сотовой связи абонентского доступа, информационно-управляющей системы в виде RTL кода. Модель разработана с использованием языка высокого уровня программирования и аппаратного описания VHDL. В качестве среды программирования использован программный комплекс Active-HDL.

На сегодняшний день одним из лидеров по производству и реализации специализированных промышленных модемов является компания Teleofis. В качестве радиомодулей которых применяются импортные заказные СБИС компании Wavecom (Q64, Q2686, Q2687).

Полученный в результате работы RTL код предназначен для дальнейшего программирования ПЛИС радиомудулей специализированных модемов GSM сетей. Применение ПЛИС в качестве радиомудулей модемов позволяет сократить временной цикл разработки устройств, исключает необходимость изготовления инженерных образцов, тем самым снижая затраты на проектирование. Изменение и перепроектирование структуры ПЛИС, также несет в себе меньшие затраты, нежели чем моделей СБИС.

На основании данной модели разработан кодек сети связи GSM абонентского доступа. Проведена оценка эффективности полученной системы кодер/декодер.

Анализ оценки эффективности разработанного устройства показал, что по сравнению со сверточными кодерами, значения вероятностей битовой и

блочной ошибки снижены. Поэтому полученное устройство может работать с более высокими скоростями кодирования, отличных от г = 1/2, что позволяет сократить избыточность кода и увеличить информативность выходной последовательности примерно на 20%, тем самым не снизив помехоустойчивости системы. Затраты проектирование радиомодуля на основе ПЛИС по сравнению с заказными СБИС снижены более чем на 35%.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

1 АНАЛИЗ СИСТЕМ И СРЕДСТВ КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕТСКОГО ДОСТУПА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие характеристики сетей связи абонентского доступа. Структура и состав оборудования промышленных сетей связи

Модемы стандарта GSM могут использоваться в промышленной автоматике, домашних и офисных системах безопасности и контроля доступа, информационных табло с дистанционным управлением, беспроводных системах контроля параметров удаленных объектов. Модем позволяет любому оборудованию или системе связаться с удаленными объектами без использования проводной линии связи.

Как правило, модемы предназначен для организации связи с удаленными объектами, адаптированы для работы с персональными компьютерами (ПК) и промышленными приборами, имеющими в своем составе последовательный порт RS-232 и/или RS-422/RS-485.

Рис. 1.1 Структурная схема GSM модема

На сегодняшний день одним из лидеров по производству и реализации специализированных промышленных GSM модемов является компания Teleofis. В качестве радиомодулей которых применяются импортные заказные СБИС компании Wavecom (Q64, Q2686, Q2687).

В представленной структурной схеме GSM-модем построен на базе модуля Q64 производства Wavecom. Беспроводной процессор Q64 Wireless CPU является улучшенной версией GR64, основой для которой послужил WMP100. Программный модуль GR plug-in транслирует АТ-команды модуля GR64 в АТ-команды WMP100 и позволяет, во многих случаях, заменить модуль GR64 на Q64 без изменения аппаратной части устройства. Модуль Q64 имеет средства ввода-вывода, включая шину USB; поддерживает протоколы FTP, HTTP и дополнительные средства безопасности. За счет использования ПО OPEN AT Software Suite 2.0, обеспечивается доступ к многочисленным подключаемым программным модулям. Как и другие изделия семейства Wireless CPU, процессор Q64 рассчитан на совместную работу с широким крутом модулей-компаньонов. Кроме того, Q64 может поддерживать встраиваемый вариант SIM-карты (inSIM) для промышленного применения [1,6, 111.

Модем поддерживает 2 технологии передачи данных в GSM-сети:

1. CSD-соединение (Circuit Switched Data ) - эквивалент обычного модемного соединения. Данный режим работы имеет ряд преимуществ, по сравнению с другими возможными видами обмена данными в сотовой радиосети. При передаче в режиме дата несколько секунд, иногда до10-15 уходит на согласование связи между модемами.

2. GPRS - соединение (General Packet Radio Service) - Интернет соединение

Скорость передачи данных зависит от уровня сигнала и загруженности сети и в среднем составляет 9600 бит/сек для режима CSD и может достигать 57600 бит/сек для режима GPRS.

Рассмотрим далее архитектуру сети связи абонентского доступа. В сотовых радиосистемах область покрытия делится на небольшие единицы, называемые ячейками (или сотами), каждая из которых обслуживается своей базовой радиостанцией. Доступная полоса частот делится на радиочастоты, или каналы, с каждой ячейкой связан набор радиочастот. Радиочастоты в пределах области покрытия используются многократно, чтобы эффективно использовать доступную полосу частот [11, 12].

Связь между мобильной станцией и сетью осуществляется через базовую радиостанцию. Каждая базовая станция имеет определенное количество голосовых каналов и связана с мобильным коммутационным центром (mobile switching center - MSC); см. рис. 1.2 и работы [12, 17]. Некоторые коммутационные центры непосредственно связаны с коммутируемой телефонной системой (PSTN) и таким образом связывают сотовую сеть с PSTN. Базовая радиостанция состоит из контроллеров базовых станций (для управления радиоканалами), каждому из которых соответствует набор базовых станций-передатчиков.

Рис. 1.2. Упрощенная блок-схема мобильной сотовой телефонной системы

У каждой мобильной станции есть, по меньшей мере, два регистра местоположения в сети - домашний (HLR) и регистр местоположения посетителей (VLR). HLR размещается в собственной сети пользователя и содержит информацию о его профиле, в частности перечень услуг, которыми может пользоваться владелец данного телефона. В VLR записывается информация о мобильном телефоне, когда он используется за пределами собственной сети. Затем она используется для получения необходимых сведений о HLR данного телефона, чтобы он был опознан и получил доступ в сеть.

Как указывалось выше, радиосвязь между мобильной станцией и сетью осуществляется через базовую станцию. Возможность перебрасывать радиосвязь от одной базовой станции к другой при плохом сигнале - это как раз то, что позволяет пользователям мобильных телефонов свободно перемещаться в пределах области покрытия, не прекращая делать и принимать звонки. Этот процесс передачи занимает несколько секунд, хотя перерыв в разговоре на 200-300 мс уже может быть заметен. Как знает большинство пользователей мобильных телефонов, бывает, что в некоторых отдаленных областях поблизости нет такой базовой станции, которая может обеспечить лучшую связь.

На рис. 1.3 показан принцип образования каналов в системе GSM [5, 6, 9, 14]. Для радиодоступа GSM 900 выделены две полосы частот:

890-915 МГц для канала связи от абонента к станции (направление MS к BS); 935-960 МГц для исходящего канала от станции к абоненту (направления BS к MS).

Полосы по 25 МГц разделены на 124 пары каналов, работающих в дуплексном режиме с интервалом несущей частоты по 200 кГц, используя многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA -Frequency Division Multiple Access). Каждый радиоканал с шириной полосы 200 кГц разделен на временные соты, которые создают 8 логических каналов.

При этом используется методика, известная как многостанционный доступ с временным разделением (TDMA - TIME DEVISION MULTIPLE ACCESS).

Канал, переносящий информацию (канал трафика, или логический канал), определится номером несущей частоты и номером одного из 8 временных положений. Информация переносится в виде коротких пакетов (burst), объединенных в кадры. Многостанционный доступ с временным разделением (TDMA - Time Division Multiple ACCESS), содержащий 8 слотов и 248 физических полудуплексных каналов, составляет группу из 1984 полудуплексных каналов. При размере кластера 7 число каналов в одной соте равно примерно 283 (1984 / 7) полудуплексных каналов.

МГц

Рис. 1.3. Образование каналов в системе GSM

В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рис. 1.4.

Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется гиперкадром, равна Тг = Зч 28мин 53с 760мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Те = 12533,76/2048 = 6,12 с. Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в

17

стандарте GSM используются два вида мультикадров 26-позиционные TDMA кадры и 51-позиционные TDMA кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 миультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответственно Тм= 6120/51 - 120мс и Тм = 6120/26 = 235,385мс (ЗОбОЛЗмс). Длительность каждого TDMA кадра Тк = 120/26 = 235,385/51 = 4,615мс (60/13мс). В периоде последовательности каждый TDMA кадр имеет свой порядковый номер (NF) от 0 до NFmax, где NFmax = (26x51x2048) -1 = 2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр. TDMA кадр делится на восемь временных позиций с периодом То = 60/13:8 = 576,9 мкс (15/26 мс)

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, -время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бит. Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс. Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью 1/4 бита присвоен номер 156.

1 Гиперкадр = 2048 Суперкадрам = 2715648 TDMA-кадрам

! Т = Зч 28мин 53с 760мс = 12533.76с i

п 1 2046 2047

1 Суперкадр = 1326 TDMA-кадрам = 51 мультикадру (по 26 кадров) или 26 мультихадрам (по 51 хадру)

Т = 6.12с

П 1 2 3 47 48 49 50

0 1 34 25

1 мтаьтикало - 26 ТОМА-капоам |

Тм = 120мс

Start !

0 1 24 25

J 1 мультихаао = 51 ТПМД-калплм

Тм = 235.385мс

0 1 49 50 |

1 TDMA-кадр = 8 временным позициям (окнам)

Тм = 4.615мс -'♦i

V V

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Пирогов, Александр Александрович

4.4 Основные выводы четвертой главы

В данной главе осуществлена разработка модели кодека сети сотовой связи абонентского доступа, информационно-управляющей системы в виде RTL кода. Модель разработана с использованием языка высокого уровня программирования и аппаратного описания VHDL. В качестве среды программирования использован программный комплекс Active-HDL.

Было произведено построение модели кодека сети сотовой связи на логическом уровне, представлена общая структура кодека и его элементов логической схемы.

При помощи данной модели, возможно, оценить и снизить вероятность блочной и битовой ошибки кода в канале связи, тем самым повысить помехоустойчивость передаваемых информационных последовательностей. Использование данной модели позволяет значительно снизить временные и аппаратные затраты при организации информационно-управляющих систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные научно-технические результаты:

1. Осуществлен анализ существующих алгоритмов канального кодирования/декодирования информации. Отражена общая структура передачи цифровой информации, рассмотрены алгоритмы кодирования речевой информации и пакетных данных, отмечены их основные отличия и недостатки.

2. Рассмотрены основные характеристики канального кодирования, определены основные математические модели и алгоритмы. А именно, применение алгоритмов каскадного кодирование информации и дальнейшего перфорирования полученного кода, осуществления многопорогового декодирования данных.

3. Рассмотрены математические модели каналов связи, основы построения дискретных каналов и расчет их основных характеристик. Осуществлен анализ зависимостей данных параметров и степень их влияния на помехоустойчивость кода, а именно на изменения вероятностей канальной блоковой и битовой ошибки кода. Получены математические описания помехоустойчивых каскадных кодеров с использованием внутреннего сверточного и внешнего недвоичного кода.

4. Предложен алгоритм каскадного кодирования/декодирования на базе внутреннего сверточного кода, отличающегося увеличенным свободным расстоянием между последовательностями кодированных сигналов и внешнего кода Рида-Соломона, который позволяет повысить эффективность применения кодирования и помехозащищенности, формируемой устройством последовательности сигналов, снизив при этом вероятность битовой и блочной ошибки в канале связи. Использованный в системе алгоритм синдромного декодирования направлен на упрощение способа формирования кодовой комбинации декодирующего устройства для гарантированного исправления многократных ошибок, отличающийся применением несистематического сверточного кодера, имеющего в своей структуре дополнительные сумматоры по модулю 2.

5. Сформирован алгоритм согласования скорости передачи данных, а именно задания скорости кодирования выходной информационной последовательности, что достигается посредством введения известных битов в информационный поток входных исходных данных, а затем перфорирования полученной последовательности. В результате выходная последовательность принадлежит перфорированному коду более высокой скорости, что позволяет сделать универсальной систему кодер-декодер с возможностью работы с разными скоростями кодирования.

6. Осуществлена разработка модели кодека сети связи информационно-управляющей системы в виде RTL кода. Модель реализована с использованием языка высокого уровня программирования и аппаратного описания VHDL. В качестве среды программирования использован программный комплекс Active-HDL. На основе данной модели разработан кодек сети связи абонентского доступа с более низкими значениями битовой и блочной ошибки кода, способный сократить избыточность кодовой последовательности, не снизив при этом помехоустойчивости системы. Благодаря этому увеличивается объем полезной информации, передаваемой в единицу времени в сети связи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пирогов, Александр Александрович, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Журавлев А.К., Никитин Г. И. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие / ЛИАП. Л., 1989. 86 с.

2. Никитин Г.И. Первичные коды: Метод, указ. / ЛИАП. Л., 1984. 28 с.

3. Никитин Г.И. Эффективные коды. / ЛИАП. Л., 1987. 28 с.

4. Никитин Г.И., Антипова И.Б., Красновидов A.B. Корректирующие коды: Метод, указ. / ЛИАП. Л., 1989. 32 с.

5. Никитин Г.И., Поддубный С.С. Помехоустойчивые циклические коды: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 1998. 72 с.

6. Харкевич A.A. Борьба с помехами. М.: Физматгиз, 1983. 276 с.

7. Питерсон У.У. Коды, исправляющие ошибки. М.: Мир, 1984. 340 с.

8. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. М.: Мир, 1976. 600 с.

9. Колесник В.Д., Мирончиков Е. Т. Декодирование циклических кодов. М.: Связь, 1988. 252 с.

10. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1963. 576 с.

11. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 1998. 242 с.

12. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд. М.: Энергоиздат, 1982. 560 с.

13. Вайнер Э., Эш Р. Анализ рекуррентных кодов. Кибернетический сборник. Вып. 5. М.: Мир, 1963.

14. Теория кодирования / Т. Касам., Н. Токура, Е.Ивадари, Я. Инага-ки. М.: Мир, 1978. 576 с.

15. Кларк Д., Кейн Д. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987. 392 с.

16. Спилкер Д. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979. 592 с.

17. Омура Д.К. Принципы цифровой связи и кодирования. М.: Радио и связь, 1982. 536 с.

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

19. Шварцман В.О., Емельянов Г.А. Теория передачи дискретной информации: Учебник для вузов связи. М.: Связь, 1979. 424 с.

20. Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. И. М. Теплякова. М.: Радио и связь, 1982. 264 с.

21. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. В. В. Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990. 304 с.

22. Немировский М.С. Цифровая передача информации в радиосвязи. М.: Связь, 1980. 256 с.

23. Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. М.: Радио и связь, 1988. 240 с.

24. Зигангиров К.Ш. Процедуры последовательного декодирования. М.: Связь, 1974. 208 с.

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

26. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1989. 320 с.

27. Передача информации в системах подвижной связи/ В. Ю. Бабков, М.А. Вознюк, В. А. Петраков, А.Е. Рыжков, М.А. Сивере; СПбГУТ. СПб., 1999. 152 с.

28. Гольденберг Л.М и др. Цифровая обработка сигналов. Справочник / Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк.- М.: Радио и связь, 1985. -312 с.

29. Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. М.: Связь, 1979.

216 с.

30. Месси Дж. Пороговое декодирование. М.: Мир, 1986. 132 с.

31. Возенкрафт Д., Рейффен Б. Последовательное декодирование. М.: ИЛ, 1983. 156 с.

32. Фано Р. Эвристическое обсуждение вероятностного декодирования/ Сб. Теория кодирования. М.: Мир, 1984. С. 166-198.

33. Невдяев Л.М., Смирнов A.A. Персональная спутниковая связь. М.: Эко-Трендз, 1998. 216 с.

34. Горностаев Ю. М., Соколов В. В., Невдяев Л. М. Перспективные спутниковые системы связи. М.: Горячая линия - Телеком, 2000. 132 с.

35. Никитин Г. И. Спутниковые системы связи: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб. 2000. 80 с.

36. Пирогов A.A. Оперативное запоминающее устройство статического типа повышенного быстродействия / A.A. Пирогов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. Т. 5. № 4. С. 81 - 83.

37. Пирогов A.A. Основные этапы топологического проектирования и верификации при проектировании систем на кристалле / A.A. Пирогов, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. Т. 5. № 4. С. 166 - 168.

38. Пирогов A.A. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM / A.A. Пирогов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. Т. 6. № 5. С. 137 - 139.

39. Пирогов A.A. Методы повышения помехозащищенности и эффективности кодирования сетей связи абонентского доступа / A.A. Пирогов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. Т. 7. № 1. С. 162 - 163.

40. Пирогов A.A. Алгоритм работы сверточного канального кодека сети абонентского доступа / A.A. Пирогов, Н.В. Астахов, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. Т. 7. №2. С. 178 - 180.

41. Пирогов A.A. Маршрут проектирования систем на кристалле и его особенности / A.A. Пирогов, В.В. Сумин, A.B. Муратов // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - М.: Радио и связь, 2007. С. 475 -477.

42. Пирогов A.A. Современные проблемы физической верификации систем на кристалле / A.A. Пирогов, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2008): материалы XIII Междунар. конф. и Российской научной школы- М.: Энергоатомиздат, 2008. Ч. 4. С. 115-120.

43. Применение дифракционной аналитической модели для расчета сетей Wimax в системе обеспечения безопасности дорожного движения / В.В. Сумин, О.Н. Чирков, A.A. Пирогов, И.А. Новикова, A.B. Анохин // Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2009): материалы XIV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2009. Ч. 3. С. 354-358.

44. Пирогов A.A. Технологии и АТ-команды, используемые в GSM/GPRS модемах / A.A. Пирогов, A.B. Анохин, A.B. Муратов // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 9-12.

45. Существующие методы и средства кодирования сигналов. Канальное кодирование и модуляция в GSM сетях / A.A. Пирогов, О.Н. Чирков, П.В. Заенчковский, В.В. Сумин, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. С. 270-274.

46. Применение еверточных кодов в сотовых системах связи / A.A. Пирогов, О.Н. Чирков, П.В. Заенчковский, В.В. Сумин, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. С. 274-276.

47. Определение помехоустойчивости канального кодирования. Коррекция ошибок в сетях сотовой связи / A.A. Пирогов, В.В. Сумин, О.Н. Чирков, О.Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. С. 277-278.

48. Пирогов A.A. Алгоритм каскадной схемы кодирования применительно к сетям абонентского доступа / A.A. Пирогов // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2010): материалы XV Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. С. 300-301.

49. Пирогов A.A. Алгоритмы кодирования перфорированного сверточного кода / A.A. Пирогов, О.Ю. Макаров, A.B. Муратов // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2011): материалы XVI Междунар. конф. и Российской научной школы. - М.: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 2. С. 277-278.

50. Alliance: A Complete CAD System for VLSI Design. Users manual. Paris: Universite Pierre et Marie Curie, 1997.

51. Bergeron J., Writing Testbenches. Functional verification of HDL models. - New York: Kluwer Academic Publishers, 2003. - 348 c.

52. Wilcox P., Professional verification. A guide to advanced functional verification. - Boston: Kluwer Academic Publishers, 2004. - 208 c.

53. Блейхут P. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. -448 е., ил.

54. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 2000

55. Coonen, J. 1984. Contributions to a Proposed Standard for Binary Floating-Point Arithmetic.Ph. D. thesis, University of California at Berkeley, USA.

56. Берлекэмп Э.Р. Техника кодирования с исправлением ошибок // ТИИЭР. - 1980. - Т. 68, № 5, - С. 24-58.

57. Боуз Р.К., Рой-Чоудхури Д.К. Об одном классе двоичных групповых кодов с исправлением ошибок // Кибернетический сборник.- 1981.-Вып. 2.-С. 83-94.

58. Витерби А. Границы ошибок для сверточных кодов и асимптотически оптимальный алгоритм декодирования // Некоторые вопросы теории кодирования. - М.: Мир, 1970. - С. 142-165.

59. Золотарёв В.В. Алгоритмы кодирования символьных данных в вычислительных сетях // Вопросы кибернетики. - 1985. - Вып. 106.

60. Золотарёв В.В. Использование помехоустойчивого кодирования в технике связи // Электросвязь - 1990. -№7. - С. 7-10.

61. Золотарёв В.В. Коды и кодирование. - М.: Знание, 1990. - 64 с.

62. Золотарёв B.B. Многопороговое декодирование в недвоичных каналах // Вопросы радиоэлектроники, Серия ЭВТ. - 1984. - Вып. 12.

63. Золотарёв В.В. Параллельное кодирование в каналах СПД // Вопросы кибернетики. - 1986. - Вып. 120.

64. Золотарёв В.В. Реальный энергетический выигрыш кодирования для спутниковых каналов // Тез. докл. 4-й Междунар. конф. «Спутниковая связь. ICSC-2000» - М.: МЦНТИ, 2000. - Т. 2. - С. 20-25.

65. Золотарёв В.В., Овечкин Г.В, Использование многопорогового декодера в каскадных схемах // Вестник РГРТА. - 2003. - Вып. 11. - С. 112-115.

66. Золотарёв В.В., Овечкин Г.В. Эффективные алгоритмы помехоустойчивого кодирования для цифровых систем связи // Электросвязь.-2003.-№9.-С. 34-37.

67. Золотарёв В.В., Овечкин Г.В. Сложность реализации эффективных методов декодирования помехоустойчивых кодов // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: Тез. докл. 12-й Междунар. науч.-техн. конф. - Рязань: РГРТА, 2004. - С. 12-14

68. Зяблов В.В., Коробков Д.Л., Портной С.Л. Высокоскоростная передача сообщений в реальных каналах. - М.: Радио и связь, 1991. - 288 с.

69. Кларк Дж., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи / Пер. с англ. под ред. Б.С. Цыбакова- М.: Радио и связь, 1987.-392 с.

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

71. Месси Дж. Пороговое декодирование / Пер. с англ. под ред. Э.Л. Блоха - М.: Мир, 1966. - 208 с.

72. Нейфах А.Э. Сверточные коды для передачи дискретной информации. - М.: Наука, 1979. - 222 с.

73. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки / Пер. с англ.; под ред. Р.П. Добрушина и СИ. Самойленко. - М.: Мир, 1976. - 594 с.

74. Прокис Дж. Цифровая связь / Пер с англ. пол ред. Кловскою Д.Д. -М.: Радио и связь, 2000. - 797 с.

75. Рид И.С, Соломон Г. Полиномиальные коды над некоторыми конечными полями // Кибернетический сборник. - 1983. - Вып. 7 - С. 74-79.

76. Самойленко С.И., Давыдов A.A., Золотарёв В.В., Третьякова Е.И. Вычислительные сети. - М.: Наука, 1981. - 277 с.

77. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Вильяме 2003. - 1104 с.

78. Форни Д. Каскадные коды / Пер. с англ. под ред. СИ. Самойленко -М.:Мир, 1980.-208 с.

79. Шеннон К.Е. Математическая теория связи. - 1983. - С 243-332.

80. Система синтаксического и семантического контроля VHDL-описаний "VHDL-анализатор". Руководство пользователя. М.: РосНИИИС, 1991. 112 с.

81. Резидентный справочник по языку VHDL. Руководство пользователя. М.: РосНИИИС, 1993. 21 с.

82. Поляков А.К., VHDL и Verilog в проектировании цифровой аппаратуры. - М.:СОЛОН-Пресс, 2003. - 320с.

83. Сергиенко A.M., VHDL для проектирования вычислительных устройств. - К.: ЧП «Корнейчук», ООО ТИД «ДС», 2003. - 208 с.

84. Pedroni V.A., Circuit Design with VHDL. - Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 2004. - 376 c.

85. Smith D.J., HDL Chip Design. - Madison, AL, USA: Doone Publications, 1997. - 456 c.

86. VHDL - язык описания аппаратных средств: Учеб. пособие / А.С. Яицков; Под. ред. акад. B.C. Бурцева, акад. Б.С. Митина. М.: Изд-во МАТИ-РГТУ "ЛАТМЭС", 1998. - 119 с.

87. IEEE. 2002. ANSI/IEEE Std 1076-2002, Standard VHDL Language Reference Manual.

88. IEEE. 2000. ANSI/IEEE Std 1076-2000, Standard VHDL Language Reference Manual.

89. IEEE. 1999. ANSI/IEEE Std 1076.6-1999, Standard for VHDL Register Transfer Level (RTL) Synthesis.

90. HDL Chip Design. Smith, Douglas J. Madison, AL: Doone Publications,

1996.

91. IEEE Standard VHDL Language Reference Manual. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1994.

92. Браммер Ю. А., Пащук И. H. «Импульсные и цифровые устройства» - 6-е изд., М., «Высшая школа», 1999 г.

93. Журнал «Chip News» №3 1996 г.

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

95. Рабинер Л. Р., Шафер Р. В. Цифровая обработка речевых сигналов. -М.: Радио и связь, 1981. - 495 с.

96. Применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. / Под ред. А. Оппенгейма. -М.: Мир, 1980. - 552 с.

97. Рабинер Л. Р., Гоулд Б. Теория и практика цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978. - 848 с.

98. Семенов Ю.А. Алгоритмы телекоммуникационных сетей. Часть 1. Алгоритмы и протоколы каналов и сетей передачи данных // БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий -ИНТУИТ.ру, 2007

99. Олифер В.Г., Олифер H.A. Основы сетей передачи данных Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2005

100. Майкл Дж. Мартин Введение в сетевые технологии // Москва, "Лори", 2002

101. И.А. Мизин, А.П. Кулешов Справочник "Протоколы информационно-вычислительных сетей" Радио и связь, Москва 1990