Разработка методик оптимизации внутренних параметров систем передачи данных при работе по дискретному каналу, описываемому моделью Гилберта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Субботин, Евгений Андреевич

• Субботин, Евгений Андреевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Субботин, Евгений Андреевич

Введение

Основные характеристики работы

1. Модели дискретного радиоканала и методы повышения верности в системах передачи данных

1.1 Помехи и искажения в каналах связи.

1.2 Модели потока ошибок

1.3 Методы повышения верности в системах передачи данных

1.4 Методы преобразования дискретного канала

1.5 Оценка сложности вычисления вероятности появления в блоке длиной п m-кратной ошибки по алгоритму Эллиота при перемежении глубиной /л

1.6 Выбор обобщенного критерия для сравнения систем передачи данных

1.7 Выводы и постановка задач для исследования

2. Оценка влияния перемежения на параметры дискретного канала, описываемого моделью Гилберта

2.1 Методика оценки параметров дискретного канала, описываемого моделью Гилберта, при перемежении

2.2 Методика снижения вычислительных затрат при расчете параметров дискретного канала с перемежением

2.3 Влияние перемежения на эффективность системы передачи данных в канале с группирующимися ошибками

2.4 Использование методики вычисления модифицированных параметров при анализе эффективности применения итеративных матричных кодов

2.5 Основные результаты, полученные во второй главе:

3. Оптимизация ВВХ системы с РОС-АП при работе по каналу, описываемым моделью Гилберта

3.1 Основные сведения о системе

3.1.1 Описание системы

3.1.2 Описание протокола

3.2 Разработка методики оптимизации параметров протокола с РОС-АП для дискретного канала, описываемого моделью

Гилберта

3.3 Исследование зависимости приведенной скорости передачи информации от параметров протокола

3.4 Вероятностно-временные характеристики системы при передаче сообщений заданного объема

3.5 Основные результаты, полученные в третьей главе

3. Корректировка параметров системы при работе по каналам, описываемым моделью Гилберта

4.1 Методика оценки параметров дискретного канала, описываемого моделью Гилберта

4.2 Обобщенный алгоритм работы системы с корректировкой внутренних параметров

4.3 Определение влияния погрешностей измеряемых величин на погрешности оценок параметров канала

4.4 Определение объемов испытаний необходимых для обеспечения заданной точности оценок

4.5 Формирование запроса на повторное обучение адаптивной системы

4.6 Основные результаты, полученные в четвертой главе:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методик оптимизации внутренних параметров систем передачи данных при работе по дискретному каналу, описываемому моделью Гилберта»

Актуальность работы: Оптимизация как внутренних, так и внешних характеристик системы при работе по каналам с неизвестными параметрами осуществляется путем адаптации системы к этим параметрам. Наиболее распространенным способом адаптации является адаптация за счет повторений сообщений, качество приема которых было признано неудовлетворительным. Это, так называемые, системы с обратной связью и переспросом. Однако такого рода адаптация без изменения внутренних параметров системы далеко не всегда позволяет достичь требуемых качественных показателей системы и обеспечить соглашение об уровне обслуживания. Заметим, что к внутренним параметрам системы могут быть отнесены длина блока, размер окна, глубина перемежения и т.п.

Вопросы оптимизации системы путем подбора внутренних параметров, обеспечивающих наилучшие качественные показатели системы рассматривались в работах Л.Ф. Бородина, Ю.Г. Ростовцева, Л.П Коричнева, В.П. Шувалова, Н. Ohnsorge, D. Chase, Н. Marko, М. Zorzi и других. Следует заметить, что эти вопросы не потеряли своей актуальности и в наши дни.

Особый интерес вызывает решение этих задач в случае группирования ошибок, которое наблюдается как в условиях беспроводной, так и проводной связи. Существует множество моделей источников ошибок, учитывающих группирование. Среди них особое место занимает модель Гилберта, которая, как показали последние исследования, достаточно хорошо описывает статистику ошибок в условиях беспроводной связи. Именно эта модель положена в основу при исследованиях вероятностно-временных характеристик (ВВХ) систем передачи данных в представленной к защите работе.

Диссертационная работа состоит из четырех глав и посвящена рассмотрению комплекса вопросов, направленных на решение задач оптимизации систем передачи данных путем отыскания таких внутренних параметров, которые обеспечат наилучшие качественные показатели системы.

Перейдем к краткой характеристике материалов, изложенных в главах.

В первой главе рассматриваются помехи, действующие в канале радиосвязи и известные модели источников ошибок. Обосновывается целесообразность выбора в качестве рабочей модели - модели Гилберта. Рассмотрено влияние преобразования дискретного канала путем операции перемежения, которая, как известно, широко используется в мобильных системах связи. Показано, что классический подход Эллиота к вопросу определения параметров модели Гилберта после премежения и методика определения вероятности появления m ошибок в блоке длиной п, после преобразования дискретного канала требует значительных затрат времени на вычисление, это, в свою очередь, может привести к существенному усложнению задач адаптации. В главе также рассмотрен вопрос выбора целевой функции адаптации.

Вторая глава посвящена вопросам снижения вычислительной сложности определения параметров преобразованного (в результате перемежения) дискретного канала. Рассмотрено влияние процедуры перемежения на эффективность системы с исправлением ошибок. В качестве примера использования предлагаемой методики вычисления модифицированных параметров модели Гилберта рассмотрена методика расчета системы передачи данных, использующая итеративный матричный код, фактически обеспечивающий перемежение.

Из систем с обратной связью и переспросом в последние годы все чаще находят применение системы с адресным переспросом. Это обусловлено тем, что вопросы сложности реализации все более и более отходят на второй план. В тоже время именно эти системы способны обеспечить наименьшие потери скорости передачи информации при заданных требованиях к достоверности. Для этих систем в третьей главе разработана методика оптимизации в условиях работы по каналу, описываемому моделью Гилберта, а также получены выражения для расчета вероятностно-временных характеристик в условиях передачи сообщений заданного объема.

Адаптация к параметрам дискретного канала, описываемого моделью Гилберта, предполагает оценку параметров этого канала, поскольку в реальных условиях эти параметры неизвестны. Эти проблемы рассматриваются в последней (четвертой) главе. Здесь предложена методика оценки параметров дискретного канала, определено влияние погрешностей измеряемых величин (средней длины пакета и среднего интервала между пакетами) на погрешность оценки параметров дискретного канала, даны соображения по определению объемов выборки, необходимой для обеспечения заданной точности оценок.

Цель работы: Разработка методик расчета и оптимизации вероятностно-временных характеристик систем, обеспечивающих передачу данных по дискретному каналу, описываемому моделью Гилберта.

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

Научная новизна:

1. Разработана методика и получены выражения, позволяющие получить оценку параметров преобразованного дискретного канала, описываемого моделью Гилберта, в зависимости от глубины перемежения. Данная методика позволяет сократить время на проведение расчетов при допустимой погрешности вычислений.

2. Разработаны методики анализа систем с решающей обратной связью и адресным переспросом, использующие аппарат марковских цепей и позволяющие оптимизировать вероятности успешной доставки и затраты на доставку для сообщений разного объема при передаче данных по каналу связи с группирующимися ошибками, статистика которых описывается моделью Гилберта.

3. Предложена методика оценки параметров модели Гилберта на основе оценки средних длин состояний канала, позволяющая проводить коррекцию внутренних параметров системы в процессе передачи данных с целью достижения максимальной эффективной скорости передачи.

Практическая ценность работы и внедрение её результатов.

Разработаны методики оптимизации вероятностно-временных характеристик систем связи, функционирующих в режиме передачи данных, позволяющие проектировать эффективно работающие как проводные, так и беспроводные системы связи.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и Информатики и его филиалов. Материалы, связанные с разработкой методик расчета модифицированных параметров модели Гилберта, вошли в отчет по НИР «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий. Анализ эффективности применения перемежения в каналах беспроводной связи».

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

1. Международной конференции «Микроволновая электроника», МЭИИП-2001

2. Сибирской научно-практической конференции «Актуальные проблемы метрологии», Сибметрология 2001

3. Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2002.

4. Международном семинаре «Электронные приборы и материалы», EDM, 2002

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ. В их числе: 4 доклада и 4 тезиса докладов и 1 учебное пособие.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и восьми приложений. Содержит 156 страницы, 4 таблицы, 46 рисунков. Список литературы состоит из 76 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Субботин, Евгений Андреевич

4.6. Основные результаты, полученные в четвертой главе:

1. Предложена методика оценки параметров модели Гилберта, на основе оценки средних длин состояний канала. Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие проводить оценки параметров модели Гилберта в соответствии с методикой

2. Обоснована требуемая точность оценок длин состояний Dg, Db для обеспечения заданных погрешностей параметров модели.

3. На основании имитационного моделирования получены оценки объема и времени передачи обучающей последовательности необходимых для получения оценок параметров модели Гилберта с заданной точностью.

4. Введены ограничения диапазонов по коэффициенту группирования и вероятности ошибки в плохом состоянии при которых обеспечивается приемлемая для инженерных расчетов точность оценок, получаемых по данной методике.

5. Определены объемы испытаний по рабочей последовательности и время, необходимое для получения статистических оценок контрольных параметров с точностью достаточной для принятия решения о необходимости повторного обучения системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Субботин, Евгений Андреевич, 2002 год

1. Гилберт Э. Н. Пропускная способность канала с пакетами ошибок. - «Кибернетический сборник», - 1964. - №9.

2. Шувалов В.П. Прием сигналов с оценкой их качества. М.: Связь, 1979 г.240 с.

3. Блох Э.Л., Попов О.В., Турин В.Я. Модели источники ошибок в каналах передачи цифровой информации.-М.: Связь, 1971. -312 с.

4. Коричнев Л.П., Королёв В.Д. Статистический контроль каналов связи.-М.: Радио и связь, 1989. 240 с.

5. Каневский З.М., Ледовских В.М. Распределение ошибок в КВ-каналах связи. -Радиотехника, 1971 г., №2, с.29-35.

6. Попов О. В., Турин В. Я. О законе распределения вероятностей различного числа ошибок в комбинации. «Электросвязь», 1967, № 5.

7. Коржик В. И. Распределение ошибок в канале с релеевскими замираниями. Труды 2-й всесоюзной конференции по теории кодирования. Баку, 1965.

8. Пуртов Л. П., Замрий А. С., Захаров А. И. Основные закономерности распределения ошибок в дискретных каналах связи. «Электросвязи», 1967,№ 2.

9. Самойленко С. И. Статистика ошибок при передаче цифровой информации, М.: Мир, 1966.

10. Ю.Емельянов Г. А., Шварцман В. О. Передача дискретной информации: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, - 1982. - 240 с.

11. Передача дискретных сообщений: Учебник для вузов/ под редакцией Шувалова В. П. М.: Радио и связь, - 1990. - 464 с.

12. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия СПб.: Питер,- 2000. 704 с.

13. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советское радио,- 1970. 728 с.

14. Варакин Л.Е. Интеллектуальная сеть: 4.1. Эволюция сетей и услуг связи // Сети, 1991 г., №6.

15. Варакин Л.Е., Кучерявый А.Е., Соколов Н.А., Филюшин Ю.И. Интеллектуальная сеть. 4.2. Концепция и архитектура // Сети, 1992 г., №1, с. 6-10.

16. Гольдштейн Б.С. Конвергенция мобильных и интеллектуальных сетей // Вестник связи, 2000 г., №4, с. 15-24.

17. Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие под ред. В.П. Шувалова. Том 2, Новосибирск, Церис, 2000 г., 532 с.

18. Буга Н.Н. Основы теории связи и передачи данных. Часть I. JL, Ленинградская военная инженерная академия, 1968. 548 с.

19. Буга Н.Н. Основы теории связи и передачи данных. Часть II. Л., Ленинградская военная инженерная академия, 1970. 707 с.

20. Протоколы информационных вычислительных сетей: Справочник/ С.А. Аничкин, С.А. Белов, А.В. Бернштейн и др. под ред. И.А. Мизина, А.П. Кулешова М. Радио и связь, 1990 - 504с.

21. Невдяев Л. CDMA: Кодирование и перемежение. Сети 2000. - № 12.

22. Коржик В.И., Финк Л.М. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой М.: Связь - 1975 -271с.

23. Нейфах А.Э. Свёрточные коды для передачи дискретной информации М.: Наука - 1979.

24. Бояринов И.М. Помехоустойчивое кодирование числовой информации. -М.: Наука 1983.

25. Кларк Дж., мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1987.-392с

26. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000. - 248с.: ил.

27. Гольдштейн Б. С. Протоколы сети доступа. Том 2. М.: Радио и связь, -1999. - 452 с.

28. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи.-М.: МЦНТИ, 1996., 242 с.

29. Шувалов В.П. Величко В.В., Сотовые сети подвижной радиосвязи.-Кемерово, 1998., 40 с.

30. Горностаев Ю.М. Мобильные системы 3-го поколения. МЦНТИ. М.: 1998 г., 164 с.

31. Особенности построения сетей GSM с поддержкой протокола GPRS. Концепция Cisco System. Mobile Communication Internationale/RE №8, 2000, c.34-39.

32. Карташевский В.Г., Семёнов C.H. Фирстова Т.В. Сети подвижной связи-М.:Эко-Трендз, 2001. 300 с.

33. Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. СПб.: BHV -Санкт-Петербург, 1998 г., 256 с.

34. Данилов В.И. Сотовые телефонные сети стандарта GSM. Учебное пособие. -СПб.: РНО СПбГУТ, 1995 г.

35. Пакетная коммутация в сетях мобильной связи. // Электросвязь, 1999 г.,№7, с.43-44.

36. Торстен Д. От GSM к UMTS. Мобильные системы, 1999 г., №2, с.52-56.

37. Полпузенко Д.И., Сивере М.А. Критерии оценки качества сетей сотовой мобильной связи. Мобильные системы, 1999 г., №10, с. 28-35.

38. Невдяев J1. Все о DECT. Часть 1. Радиоинтерфейс. Сети., Декабрь 2000 г., с.26-33.

39. Невдяев JI. Все о DECT. Часть 2. Аутентификация и кодирование речи. Сетевые аспекты. Сети., Январь 2001 г., с.40-48.

40. Гнедов Г.М. Контроль аппаратуры передачи данных. М.: Радио и связь, 1981 г.-152 с.

41. Сети фиксированной связи стандарта GSM: возможная альтернатива стационарным сетям // Электросвязь. 1997. - № 12. - С. 38 - 39.

42. Фиксированная сотовая связь на основе стандарта AMPS/D-AMPS // Электросвязь. 1997. - № 7. - С. 40 - 41.

43. Горштейн JI. В. Особенности применения в России стандарта DECT // Мобильные системы. 1998. - № 3. - С. 5 - 11.

44. Румянцев М. В., Егоров М. В. Цифровые бесшнуровые телефоны стандарта СТ2 // Мобильные системы. 1997. - № 3. - С. 18 - 21.

45. Широкополосная система беспроводного доступа WLL стандарта CDMA // Электросвязь. 1997. - № 12. - С. 37.

46. Андреев Г. А., Огарев С. А. Радиосистема беспроводной связи "Maltigain Wireless MGW" // Зарубежная радиоэлектроника. - 1997. - № 12. - С. 49 -55

47. Денисьева О. М., Мирошников Д. Г. Средства связи для последней мили. -М.: ЭКО-ТРЭНДЗ, 1998. 146 с.

48. В.В. Величко. Передача данных в сетях мобильной радиосвязи.-Кемерово, 2000, 128 с.

49. Советов Б.Е., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. JL: Энергоатомиздат, - 1982. -119с.

50. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.

51. Романовский В. И. Дискретные цепи Маркова. Гостехиздат, 1949.

52. Кнут Д. Искусство программирования на ЭВМ. М.: Мир, 1977. Т. 2. 724 с.

53. Мелентьев О.Г., Яцуков В.Ю., Ли Е.Р. К вопросу вычисления вероятности поражения блока в дискретном канале с группирующимися ошибками

54. Международная НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2002.

55. Барыло А.Н. Расчёт вероятности необнаружения ошибки в цифровых системах передачи // Труды учебных заведениях связи / СПбГУТ СПб. 1997. -Вып. 164.

56. Шувалов В.П. Кожаспаев Н.К. Вероятностные методы обнаружения ошибок-Алма-Ата: Наука, 1989.-106с.

57. Zorzi Michele, Rao Ramesh R. and Milstein Laurence B. On the accuracy of first-order Markov model for data transmission on fading channelsWIn ICUPC, November 1995.

58. Zorzi Michele, Rao Ramesh R. and Milstein Laurence B. A Markov model for block errors on fading channelsWIn PIMRC, 1996.

59. Zorzi Michele and Ramesh R.Rao. On the Statistics of block errors in bursty channels // IEEE Transaction on Communications, June, 1997.

60. Bennet W. R., Froelich F. S. Some Results on the Effectiveness of Error Control Procedures in Digital Transmission. IRE Trans., 1961, CS-9, № 1.

61. Javier G. F., Villasenor J. D., Turbo Decoding of Gilbert-Elliot channels, IEEE Communications, pp. 357-363, March 2002.

62. Elliott E. O., Telephone switched line model for data transmission, Bell System Technishe Jornal, pp. 89-110, XLIV.

63. Annamalai A. and Vijay K. Bhargava. Efficient ARQ Error Control Strategies with Adaptive Packet Length for Mobile Radio Networks. ICUPC'98, pp. 12471252.

64. Napoliltano A., Panaioly F. Evolution of the GSM platform. ICUPC'98, pp.409414.

65. Субботин Е.А. Моделирование одного протокола множественного доступа. Труды III Сибирской научно-практической конференции «Актуальные проблемы метрологии» Сибметрология 2001. Новосибирск. 2001г.

66. Субботин Е.А. Изменение параметров дискретного канала в результате перемежения. Труды III Сибирской научно-практической конференции «Актуальные проблемы метрологии» Сибметрология 2001. Новосибирск. 2001 г.

67. Субботин Е.А., Мелентьев О.Г. Методика снижения вычислительных затрат при расчете параметров дискретного канала с перемежением. Международная НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2002.

68. Субботин Е.А., Мелентьев О.Г. О выборе глубины перемежения в системах с исправлением ошибок. Международная НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2002.

69. Субботин Е.А. Влияние перемежения на параметры дискретного канала. Сборник научно-технических и методических трудов "Теория, техника и экономика сетей связи" Выпуск 1, УрКСИ, Екатеринбург, 2002.

70. Субботин Е.А., Будылдина Н.В. Современные сети передачи данных: Учеб. Пособие.- Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 1996 208 с.