Универсальное устройство помехоустойчивого кодирования, адаптивное к изменению условий функционирования радиосистемы передачи информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Семин, Дмитрий Сергеевич

• Семин, Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Семин, Дмитрий Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 УНИВЕРСАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО КОДИРОВАНИЯ

1.1 вводные замечания

1.2 Обоснование структуры универсального кодирующего устройства

1.2.1 Анализ известных схем ПК

1.2.2 Обоснование структуры универсального помехозащищенного кодирующего устройства

1.2.3 Обоснование алгоритма защиты передаваемой информации

1.2.4 Результаты имитационного моделирования универсального алгоритма помехозащищенного кодирования

1.2.5 Формирование новых типов помехоустойчивых кодов с использованием универсального помехозащищенного кодирующего устройства

1.3 Анализ свойств помехоустойчивых кодов при действии различ! юго вида помех

1.3.1 Схема проведения имитационного моделирования

1.3.2 Формирование случайной последовательности

1.3.3 Алгоритм модуляции радиосигнала

1.3.4 Алгоритм демодуляции радиосигнала

1.3.5 Математические модели физических каналов

1.3.6 Результаты имитационного моделирования

1.4 Алгоритм адаптации ПК для канала передачи данных с изменяющимися параметрами

1.4.1 Особенности адаптации системы помехоустойчивого кодирования

1.4.2 Постановка задачи адаптации системы помехоустойчивого кодирования

1.4.3 Обоснование алгоритма адаптации системы помехоустойчивого кодирования

1.4.4 Имитационное моделирование алгоритма адаптации ПК

1.5 выводы

2 АНАЛИЗ РЕАЛИЗАЦИИ УНИВЕРСАЛЬНОГО АЛГОРИТМА ДЕКОДИРОВАНИЯ ПК

2.1 Вводные замечания

2.2 Анализ возможности использования различных алгоритмов декодирования ПК

2.2.1 Постановка задачи декодирования линейных ПК

2.2.2 Анализ эффективности и возможности реализации списочного алгоритма декодирования

2.2.3 Анализ эффективности и возможности реализации алгоритмов декодирования с использованием решетки кодов

2.2.4 Алгоритм на базе упорядочивания статистики

2.2.5 Алгоритм декодирования на базе минимальных кодовых слов

2.3 Сравнение алгоритмов декодирования ПК по вычислительным затратам и помехоустойчивости

2.4 Исследование алгоритма декодирования по максимуму апостериорной вероятности

2.5 Модификация списочного алгоритма декодирования i ia базе синдромов

2.6 Выводы

3 ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ СИНТЕЗА ПК ПО ЗАДАННЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ КАЧЕСТВА

3.1 Вводные замечания Equation Section (Next)

3.2 Анализ исходных данных, i шобходимых для обоснования алгоритма проектирования системы помехоустойчивого кодирования

3.3 Обоснование показателей качества помехоустойчивых кодов

3.3.1 Параметры ПК, используемые для обоснования показателей качества

3.3.2 Показатели качества, характеризующие длину кодового слова для блоковых ПК и кодовую скорость

3.3.3 Показатель качества, характеризующий исправляющую способность ПК

3.3.4 Показатели качества, характеризующие вычислительную сложность помехоустойчивого кодека

3.3.5 Показатель качества, характеризующий скрытность ПК

3.4 Разработка процедуры проектирования системы помехоустойчивого кодирования по заданным показателям качества

3.5 Имитационное моделирование предложенной процедуры проектирования системы помехоустойчивого кодирования при изменении условий функционирования

3.6 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. КОПИЯ АКТА О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Универсальное устройство помехоустойчивого кодирования, адаптивное к изменению условий функционирования радиосистемы передачи информации»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время широкое распространение получили наземные и спутниковые радиосистемы передачи информации (РСПИ), обеспечивающие устойчивость к действию различных помех при помощи помехоустойчивых кодов (ПК). Во многом это связано с появлением быстродействующей элементной базы, позволившей существенно уменьшить размеры приемо-передающих модулей, а также повысить помехоустойчивость систем за счет усложнения процедур формирования и обработки сигналов.

Возможность повышения помехоустойчивости цифровых РСПИ за счет использования ПК доказана в работах отечественных ученых: В.Д. Гоппы, Э.Л. Блоха, В.В. Зяблова, А.Е. Крука, В.В. Золотарева [1...5], и зарубежных: К. Шеннона, Э. Хэмминга, И. Рида, Э. Соломона, P.C. Боуза, Д.К. Рэй-Чоудхори, А. Хоквенгема, Р. Галагера, Р. Блейхута, Т. Касами и др. [6... 16].

В реальных условиях в радиоканалах могут действовать импульсные, узкополосные, структурные и другие типы помех [17, 18]. При этом характеристики радиоканала динамически изменяются с течением времени, что приводит к недостаточно эффективному использованию пропускной способности системы в случае, если параметры РСПИ выбираются однократно, без возможности их адаптации к условиям функционирования. Однако вопросы анализа устойчивости алгоритмов кодирования и декодирования при действии различного рода помех, а также защищенности от несанкционированного доступа в настоящее время недостаточно проработаны.

По этой причине при построении многофункциональных адаптивных РСПИ возникает проблема разработки универсальных модулей, позволяющих обеспечить быструю перестройку при изменении условий функционирования, в частности кодовой скорости, длины кодового слова и т.п. В связи с этим целесообразно построение универсальных кодирующего и декоди-

рующего устройств, обеспечивающих формирование и обработку кодированных потоков как можно большего набора ПК.

Таким образом, актуальной является задача разработки процедуры проектирования универсальной системы помехозащищенного кодирования, позволяющей по заданным параметрам РСПИ выбирать ПК, наиболее подходящие к условиям функционирования. При этом необходимо учитывать такие факторы, как допустимые отношение сигнал-шум, вероятность ошибки на выходе РСПИ, доступные вычислительные ресурсы приемопередающих устройств, возможные типы помех, действующих в радиоканале и др.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка универсального устройства помехоустойчивого кодирования, действующего при изменении условий функционирования РСПИ, по заданным показателям качества.

Поставленная цель работы включает решение следующих задач:

- анализа ПК, применяемых в современных РСПИ;

- разработки универсального устройства кодирования, позволяющего формировать известные и неизвестные ПК при изменении условий функционирования РСПИ;

- разработки универсального алгоритма помехозащищенного кодирования, обеспечивающего устойчивость к действию помех и защиту передаваемой информации в РСПИ;

- анализа алгоритмов декодирования в интересах использования универсального декодера при изменении условий функционирования РСПИ;

- построения математической модели РСПИ, позволяющей производить исследования ПК при действии различных мешающих факторов;

- исследования устойчивости алгоритмов кодирования и декодирования ПК к действию помех различного типа;

- обоснования исходных данных и показателей качества, необходимых для разработки процедуры проектирования системы ПК;

- обоснования процедуры проектирования системы помехоустойчивого кодирования по заданным показателям качества при изменении условий функционирования РСПИ.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе были использованы методы имитационного моделирования, математической статистики, методы линейного и динамического программирования, методы статистической радиотехники.

Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:

1 Обоснована структурная схема универсального устройства помехоза-щищенного кодирования, позволяющего формировать широкий класс циклических (коды БЧХ, РС, квадратично-вычетные, Голея, циклические ЬБРС, и др.), сверточных кодов, а также составных ПК, обеспечивающего защиту передаваемой информации со степенью стойкости более 109 ключей.

2 Разработан алгоритм адаптации системы помехоустойчивого кодирования к уровню помех в радиоканале передачи информации при заданной задержке передаваемых данных, обеспечивающий снижение вероятности ошибки в 2... 16 раз.

3 Представлена модификация алгоритма списочного декодирования на базе синдромов, позволяющая сократить объем необходимой памяти от 1,3 до 3 и более раз, а также реализовать в параллельной форме до 99 % операций декодирования в интересах увеличения скорости вычислений.

4 Обоснована процедура проектирования системы помехоустойчивого кодирования, осуществляющая выбор кода по заданным показателям качества РСПИ при изменении условий функционирования и позволяющая увеличить пропускную способность радиоканала до 1,6 раза.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов заключается в использовании разработанных универсального помехозащи-щенного кодирующего устройства, а также процедуры проектирования системы помехоустойчивого кодирования в различных радиотехнических системах передачи информации.

Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в ОАО «Российские космические системы».

Основные положения, выносимые на защиту

1 Универсальное устройство помехозащищенного кодирования, позволяющее формировать широкий класс линейных кодов, обеспечивающее заданную степень устойчивости к действию различных помех и защищенность передаваемой информации на уровне не менее 109 ключей.

2 Алгоритм адаптации системы помехоустойчивого кодирования к уровню помех в канале передачи информации при заданной задержке передаваемых данных, обеспечивающий снижение вероятности ошибки в 2... 16 раз.

3 Процедура проектирования устройства помехоустойчивого кодирования, позволяющая по заданным показателям качества осуществлять выбор помехоустойчивого кода и алгоритма декодирования при изменении условий функционирования радиосистемы передачи информации, обеспечивающая увеличение пропускной способности не менее чем в 1,6 раза.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов и выводов, полученных при выполнении исследований, проверена путем сопоставления с известными результатами, полученными в теории помехоустойчивого кодирования.

Результаты диссертационной работы были представлены на всероссийских научно-технических конференциях (ВНТК) и международных научно-технических конференциях (МНТК): МНТК и выставка «Цифровая обработ-

ка сигналов и ее применение» (г. Москва 2009, 2010, 2011, 2012); МНТК с элементами научной школы молодежи «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (г. Рязань 2009, 2011); МНТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (г. Рязань 2009, 2010, 2011, 2012); ВНТК «Информационные и телекоммуникационные технологии. Подготовка специалистов для инфокоммуникационной среды»; ВНТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов» (Рязань 2010); ВНТК «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Владимир 2011, 2013); ВНТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (г. Москва 2010, 2011, 2012).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, содержит 197 стр., в том числе 131 стр. основного текста, 15 таблиц и 94 рисунка.

• Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ. Из них 4 статьи опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 статьи в межвузовских сборниках и 22 работы в материалах международных и всероссийских конференций.

1 УНИВЕРСАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО КОДИРОВАНИЯ

1.1 Вводные замечания

В настоящее время в теории помехоустойчивого кодирования предложено большое число ПК с различными свойствами [12...16]. При этом в связи с появлением множества стандартов передачи информации, а так же в интересах унификации и обеспечения возможности работы с набором протоколов, желательно разработать универсальный помехоустойчивый кодер, позволяющий при помощи нескольких параметров изменять тип и характеристики ПК. Подобные задачи решаются с помощью технологии программно определяемого радио - Soft Definition Radio (SDR) [15]. Однако устройства, в которых реализованы указанные принципы, обладают меньшей пропускной способностью и скоростью перестройки, в сравнении с устройствами, построенными по классической модульной схеме. Использование универсального кодера также позволит формировать как известные, так и новые ПК.

Помимо помехоустойчивости, к РСПИ предъявляются требования по обеспечению структурной и информационной скрытности, т.е. системы передачи информации должны быть помехозащищенными. Как правило, данные задачи решаются за счет использования двух отдельных систем - помехоустойчивого кодирования и защиты информации, что требует дополнительных вычислительных затрат и может приводить к снижению помехоустойчивости и пропускной способности [19,20]. В [21] показана возможность построения помехозащищенных систем путем совмещения операций, обеспечивающих помехоустойчивое кодирование и защиту (например, алгоритм Мак-Элис, стохастические коды и др.). Подобный подход в некоторых случаях [20] позволяет снизить почти на порядок вычислительные затраты и, следовательно, повысить максимально возможную пропускную способность.

Создание на базе универсального кодера неизвестных ранее типов кодирования открывает большие возможности по дополнительной структурной защите РСПИ, а также формированию ПК с требуемыми характеристиками. В частности универсальный кодер позволяет строить разнообразные составные системы ПК, использующие лучшие свойства БК и СК.

Обычно анализ помехоустойчивости различных ПК производится при воздействии на радиосигнал АБГШ [8]. В реальной ситуации в каналах РСПИ могут действовать помехи и шумы различных видов и параметров: узкополосные, структурные, импульсные, а также присутствуют быстрые и медленные замирания. Актуальной является задача исследования свойств ПК при воздействии на модулированный радиосигнал различных шумов и помех, поскольку в зависимости от вида и параметров мешающих воздействий будет изменяться корректирующая способность кодов.

В некоторых случаях возможно падение энергетического потенциала линии радиопередачи, что приведет к возрастанию вероятности ошибочного приема информации. В случае невозможности увеличения мощности излучения передатчика, эквивалентный энергетический выигрыш может быть получен за счет уменьшения кодовой скорости ПК. Кроме того, корректирующая способность ПК зависит от вида и параметров шумов и помех, действующих в канале. Поэтому актуальной является задача построения адаптивных РСПИ, подстраивающих ПК под конкретную помеховую обстановку в интересах поддержания заданной вероятности ошибки или максимизации пропускной способности.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, в первой главе необходимо решить следующие задачи:

1 Обосновать структуру универсального кодирующего устройства, позволяющего производить кодирование набором ПК, а также осуществлять быструю перестройку при изменении типа и параметров кода.

2 Обосновать структуру универсального кодирующего устройства, обеспечивающего совместное кодирование и перемежение для увеличения помехоустойчивости и защищенности передаваемой информации.

3 Сформировать неизвестные виды ПК в интересах повышения структурной скрытности передаваемой информации.

4 Проанализировать помехоустойчивость ПК при действии различных видов помех.

5 Разработать алгоритм адаптации параметров перемежителей и ПК к сигнально-помеховой обстановке в целях максимизации пропускной способности РСПИ.

1.2 Обоснование структуры универсального кодирующего устройства

1.2.1 Анализ известных схем ПК

Как известно [12], вероятность ошибки в радиоканалах цифровых РСПИ может изменяться в широких пределах и достигать в отдельные моменты времени значения 10"2. При этом требуемая вероятность появления искаженных бит на выходе системы не должна превышать уровня 10"6 - 10"9. Изменение качества радиоканала, приводящее к снижению отношения сигнал-шум, и, как следствие, увеличению вероятности ошибки, может быть связано с различными факторами: наличием естественных и техногенных помех, многолучевым распространением сигнала, изменением параметров среды распространения, и др. Применение кодов, исправляющих ошибки, в некоторых ситуациях является единственной мерой, позволяющей обеспечить заданный уровень помехоустойчивости РСПИ.

Эффективность использования ПК во многом зависит от назначения и типа передаваемой информации, протокола, а также специфики построения РСПИ [12]. Например, в системах с малым уровнем шумов и помех целесо-

образно использование ПК, обнаруживающих, но не исправляющих ошибки. Это связано с тем, что использование метода повторных запросов искаженной информации является экономически более выгодным в сравнении с установкой системы помехоустойчивого кодирования и декодирования. Коды, исправляющие ошибки, применяются в случаях, когда:

1 Вероятность ошибки в канале передачи данных мала и использование протоколов повторного запроса нецелесообразно. В подобных РСПИ эффективным является использование кодов высокой скорости (близкой к 1), например циклических кодов (в англоязычной литературе Cyclic Redundancy Checking - CRC), Хэмминга, Боуза-Чоудхори-Хоквенгема (БЧХ), Рида-Соломона (PC), Голлея, и др. [13].

2 РСПИ работает при малых отношениях сигнал-шум и отсутствует возможность увеличения уровня мощности передатчика или чувствительности приемника. В данном случае используют ПК большой длины (с величиной кодового слова более 1000 бит), позволяющие получить значительный эквивалентный энергетический выигрыш. Например, в спутниковых РСПИ используют коды с малым числом проверок на четность (в англоязычной литературе Low Density Parity Check - LDPC), различные модификации турбо-кодов, а также составные коды [12, 14].

Помехоустойчивые коды, получившие наиболее широкое распространение в РСПИ, можно разделить на шесть основных групп [12... 16]:

1 Циклические коды.

2 Сверточные коды.

3 Составные коды.

4 Турбо-коды.

5 Коды с малым числом проверок на четность.

6 Сигнально-кодовые конструкции (Trellis coded modulation - ТСМ).

Циклические ПК относятся к группе блоковых кодов и включают [14]: коды Хэмминга, БЧХ, PC, Голея, коды, исправляющие пакетные ошибки (в англоязычной литературе Fire code), Рида-Майлера, коды проективной геометрии (projective geometry codes), квадратично-вычетные коды, и др. Для данных ПК внесение избыточности осуществляется путем добавления к информационным символам набора проверочных бит. Также для блоковых ПК справедливо правило - увеличение длины кодового слова при фиксированной кодовой скорости приводит к улучшению корректирующей способности кода [22...24].

В сверточных ПК внесение избыточности производится непрерывно, что позволяет формировать кодовые слова любой заданной длины, однако, изменение длины кодового слова не оказывает влияния на корректирующую способность. Основным недостатком данных кодов является низкая помехоустойчивость к пакетным ошибкам [12]. В связи с этим, во многих системах, использующих сверточные ПК, применяют перемежители [8,12].

Составные коды широко применялись в РСПИ для получения значительного эквивалентного энергетического выигрыша до появления турбо-кодов. Наибольшую популярность в РСПИ получил составной ПК, образованный с использованием кода PC и сверточного кода [12... 15]. Данный код был предложен из условия, что для сверточного кода используется алгоритм декодирования с «мягким» входом, обеспечивающий дополнительный выигрыш по помехоустойчивости, а декодер кодов PC обеспечивает хорошее исправление пакетных ошибок [8]. Также разработан ряд алгоритмов, позволяющих формировать ПК с заданными характеристиками на базе каскадного объединения различных кодов [1, 2, 6]. При этом теоретически показано [1], что последовательное декодирование не позволяет полностью использовать исправляющую способность составного кода.

Турбо-коды являются составными кодами, образованными на базе блоковых или сверточных ПК, а высокий эквивалентный энергетический выиг-

рыш удалось достичь за счет итеративного применения алгоритма декодирования с «мягким входом и мягким выходом» [12]. Турбо-коды стали первыми ПК, обеспечившими помехоустойчивость РСПИ близкую к теоретической границе К. Шеннона [25], поэтому за последние 20 лет данный класс ПК был хорошо исследован и проработан - появились новые схемы кодирования (на базе блоковых кодов [7,12, 14, 15], небинарные турбо-коды [28]), разработаны различные модификации алгоритма декодирования и др. Показано, что турбо-коды, построенные на базе блоковых кодов, не приводят к эффекту размножения ошибок, однако проигрывают ПК, образованным на базе свер-точных на 0,4 дБ по помехоустойчивости [25]. Также множество работ посвящено упрощению декодеров турбо-кодов [26...28].

Исправляющая способность LDPC кодов с малым числом проверок на четность также может быть приближена к теоретическому пределу [12... 15]. В сравнении с турбо-кодами, для декодирования кодов данного типа требуется меньше вычислительных операций, однако для обеспечения одинаковой помехоустойчивости необходимо формировать кодовые слова значительно большей длины [12, 26]. Данные ПК нашли широкое применение в системах цифрового спутникового и наземного телевизионного вещания (DVB-S, DVB-T и др.), а также подвижных системах передачи информации (IEEE Std 802.16а- 2003, и др.) благодаря возможности получения значительного эквивалентного энергетического выигрыша за счет использования кодовых слов длиной не менее 100 000 бит [26]. Однако это условие накладывает ограничения на использование LDPC кодов в РСПИ, требующих большей оперативности при получении информации (телефония, команды управления и

др.)-

При формировании сигнально кодовых конструкций (СКК) к бинарной информационной последовательности не добавляются проверочные биты, а избыточность вносится в сигнал за счет увеличения числа символов канального алфавита [7, 8]. Данный подход позволяет повысить помехоустойчи-

вость без увеличения занимаемой радиосигналом полосы частот [7, 8]. Для формирования СКК может быть использован сверточный кодер, а для декодирования - алгоритм Витерби [7].

Кроме перечисленных ПК, предложено множество других кодов, не получивших широкого распространения в РСПИ. Например, при построении защищенных каналов применяются системы помехозащищенного кодирования, основанные на алгоритме Мак-Элис [29...32] и его модификациях [19, 20], стохастических кодах [33, 34] и др. В основе данных методов лежит принцип преобразования выбранного ПК с целью минимизации возможности доступа к исходному информационному потоку при известной структуре кодирующего устройства. Например, в исходном алгоритме Мак-Элис было предложено использовать коды Гоппы [31], а в разработанных модификациях другие типы ПК [19, 20], в том числе LDPC коды [32]. Схожими по свойствам с LDPC кодами обладают бинарные и небинарные самоортогональные ПК [35]. Основным достоинством данных кодов является возможность построения простого алгоритма многопорогового декодирования, позволяющего обеспечить пропускную способность декодирующего устройства до 30 Гбит/с [36]. Данное ограничение скорости передачи данных связано с вычислительными возможностями современной элементной базы.

В наземных РСПИ подвижной связи (таблицы 1.1, стандарты GSM, CDMA, WCDMA 2000, 3GPP, и др.) независимо от типа передаваемой информации, как правило, используется только малый набор из всего множества предложенных ПК.

Таблица 1.1 — Стандартизированные ПК РСПИ

Название стандарта Тип ПК Параметры

GSM Сверточный код Кодовая скорость 1/3 ... 1/2, длина кодового ограничения 5 и 7

Циклические код, исправляющий пакетные ошибки (224, 184), (53,50)

Продолжение таблицы 1.1

18-95 и СВМА 2000 Сверточный код Кодовая скорость 1/3 ... 1/2, длина кодового ограничения 9

WCDMA/UTMS Циклические коды Варьируемая длина кодового слова, число проверочных символов 8, 12, 16 или 24

Сверточный код Кодовая скорость 1/2 и 1/3, длина кодового ограничения 9

Турбо-код на базе параллельных систематических сверточных кодов Кодовая скорость 1/3

ЗвРР Циклические коды Варьируемая длина кодового слова, число проверочных символов 8, 16 или 24

Сверточный код Кодовая скорость 1/3, длина кодового ограничения 7

Турбо-код на базе параллельных систематических сверточных кодов Кодовая скорость 1/3

\\^МАХ/1ЕЕЕ 802.16 СКК с использованием сверточного кода и ВРБК, (^РБК, 16-ОАМ модуляций Кодовая скорость 1/2, 2/3, 3/4, длина кодового ограничения 7

Турбо-код на базе параллельных систематических сверточных кодов Кодовая скорость 1/3

ШЕЕ вга 802.11а СКК с использованием сверточного кода и ВРБК, (^К, \6-QAU модуляций Кодовая скорость 1/2, 2/3, 3/4

БУВ-Б Составной код РС(255, 233) + сверточный Кодовая скорость от 1/2 до 7/8

1Е88-308 Составной код РС + сверточный РС - длина кодового слова 255, число исправляемых ошибок 710. Кодовая скорость от 234/510 до 240/510

Продолжение таблицы 1.1

ETSITS 101 376-5-3 Сверточный код, коды РС (15,9), код Голея (24,12), турбо-коды, 1ЮРС код Кодовая скорость от 1/8 до 4/5 9/15 1/2 от 1/8 до 4/5 2/3; 0,7488; 4/5; 0,899; 9/10, 0,497

CCSDS 131.2-0-1 Турбо-код Кодовая скорость от 200/300 до 200/201

CCSDS 131.1-0-2 ЫЭРС код Кодовая скорость 1/2, 2/3, 4/5

CCSDS 131.0-В-1 Сверточный код, коды РС (255,233), (255,239), Турбо-код Кодовая скорость 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 233/255, 239/255 1/2, 1/3, 1/4, 1/6

TSM Сверточный код, длина кодового ограничения 9 Кодовая скорость 1/3 ... 1/2

Например, в стандарте GSM [12, 37, 38] применяются одновременно

блоковый и сверточный ПК, а передаваемая информация разбивается на три группы по степени значимости. Наименее важная информация передается без помехоустойчивого кодирования, средней степени значимости кодируется сверточным кодом, наиболее важная - циклическим кодом, исправляющим пакетные ошибки. В стандартах WCDMA/UTMS [12, 38, 39, 40] циклические коды используются для проверки данных на наличие ошибок, сверточные коды для передачи служебных команд и информационных данных со скоростью менее 32 кбит/с, турбо-коды для передачи информации со скоростью более 32 кбит/с. В стандарте 3GPP [12, 37, 38, 39, 40] применяются циклические коды для проверки информационных блоков на наличие ошибок, сверточные коды для передачи телеметрии и служебной информации, а также турбо-коды для защиты от ошибок потоков высокоскоростной информации. В стандартах связи четвертого поколения WiMAX/IEEE 802.16 [12, 41], IEEE Std 802.11а [12,42, 43] и др. помимо ПК используются СКК на базе сверточ-ных кодов.

В отличие от наземных, спутниковые каналы характеризуются большими задержками сигнала во времени и высоким уровнем шумов и помех. Для данных РСПИ применяют ПК, позволяющие обеспечить как можно больший эквивалентный энергетический выигрыш. Системы, созданные до появления турбо- и LDPC кодов, использовали, как правило, составной код, образованный из кода PC и сверточного ПК (таблицы 1.1, 1.2 , стандарты DVB-S [44], IESS-308 [45], ETSI TS 101 376-5-3 [46], CCSDS [47...49], спутниковая система Intelsat IDR NG, и др. [50.. .56]).

Многие из функционирующих в настоящее время спутниковых РСПИ были созданы до появления высокопроизводительных интегральных микросхем и поэтому выбор того или иного типа ПК был ограничен наличием эффективного, реализуемого на практике, алгоритма декодирования. Так для кодов БЧХ и PC использовались декодеры на базе алгоритма Берлекэмпа-Месси и алгоритма Евклида [8... 11], для кодов Голея разработан алгоритм, учитывающий специфику данного ПК [8... 11], для сверточных кодов созданы различные модификации алгоритма Витерби [9... 11]. Указанные алгоритмы при определенных параметрах ПК требуют сравнительно малых вычислительных затрат, поэтому, как видно из анализа таблицы 1.2, нашли широкое применение в спутниковых РСПИ, проектируемых до 2000 годов (Intelsat, Telecom 1, Eutelsat SMS, Intelsat IBS, Intelsat IDR, Intelsat IDR NG, SBS, TVSAT, VSAT, Inmarsat Std B, Inmarsat Std С [50...56]).

Таблица 1.2 — Помехоустойчивые коды, применяемые в РСПИ

РСПИ Тип ПК Кодовая скорость Длина кодового слова Скорость передачи

Intelsat Сверточный, самоортогональный код 3/4, 7/8 80, 384 48 кбит/с, 56 кбит/с

Укороченный код Хэмминга 14/15 120 >4,8 кбит/с

БЧХ код (128, 112) 7/8 128 105 Мбит/с

Расширенный код Голея (24, 12) 1/2 24 нет данных

Продолжение таблицы 1.2

Telecom 1 Код Хэмминга 4/5 40 64 кбит/с

Сверточный код 2/3 5 8 Мбит/с, 34 Мбит/с

Eutelsat SMS Intelsat IBS Сверточный код 1/2 3 48 кбит/с

Intelsat IDR Сверточный код с перфорацией 1/2, 3/4, 7/8 7 64 кбит/с, 1,5-8 Мбит/с, 45 Мбит/с

Intelsat IDR NG Составной код РС(219,201) + сверточный с перфорацией 7 64 кбит/с, 1,5-8 Мбит/с

РС(219, 201) + СКК 8Р8К 7 До 48 Мбит/с

SBS Укорочений код РС(204, 192) 16/17 7 48 Мбит/с

TVSAT БЧХ код (63, 44) 44/63 63 900 кбит/с

VSAT Сверточный код 1/2, 2/3, 3/4, 7/8 64 кбит/с

Inmarsat StdB Сверточный код >/2 7 300/600 кбит/с

Inmarsat StdC Сверточный код с выкалыванием 3/4 7 9,6/16 кбит/с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семин, Дмитрий Сергеевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Блох Э.Л., Зяблов В.В. Кодирование обобщенных каскадных кодов // Проблемы передачи информации. Том X, Вып. 3. 1974. С. 45-50.

2. Блох Э. Л., Зяблов В. В., Линейный каскадные коды- М.: Наука. 1982.-232 с.

3. Крук А.Е. Вопросы передачи и защиты информации. Сборник статей. // Под ред. А.Е. Крука. СПбГУАП. СПб., 2006. - 266с.

4. Золотарёв В.В. Теория и алгоритмы многопорогового декодирования. - М: Горячая линия - Телеком, Радио и связь. 2006. - 274 с.

5. Гоппа В.Д. Введение в алгебраическую теорию информации. М.: Наука. Физматлит, 1995. - 122 с.

6. Forney G. D. Concatenated codes. Technical report 440, Massachusetts Institute of Tecnology. December 1965. 110 p.

7. Todd K. Moon. Error Correction Coding, Mathematical Methods and Algorithms. Utah State University : A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION. 2005. 804 p.

8. Морелос-Сарагоса P. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение: Пер. с англ. - М.: Техносфера, 2006. -320 с.

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

10. Касами Т., Токура Н., Ивадати Е., Инагаки Я. Теория кодирования: Пер. с япон. - М.:Мир, 1978. - 578 с.

П.Питерсон У., Уэлдон Э. Коды исправляющие ошибки: Пер. с англ. Под. ред. Р.Л. Добрушина, С.Н. Самойленко. -М.: Мир, 1976 - 596 с.

12. Andreas F. Molisch Wireless Communications. Second Edition. John Wiley & Sons Ltd. 2011. 884 p.

13. Horak, Ray. Telecommunications and data communications handbook/Ray Horak. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007. 832 p.

14. Channel coding in communication networks. From theory to turbocodes. Edited by A. Glavieux. ISTE Ltd I. 2007. 437p.

15. William Webb. Wireless Communications: The Future. John Wiley & Sons Ltd, 2007. 274 p.

16. Sweeney P. Error Control Coding From Theory to Practice. -University of Surrey, Guildford, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2002. - 252 p.

17. Финк Jl.M. Теория передачи дискретных сообщений Изд. 2-е. М.: «Советское радио». - 728 с.

18. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

19. Кириллов С.Н., Крысяев Д.Е., Дмитриев В.Т. Методы повышения помехозащищенности алгоритма кодирования информации Мак-Элис. Труды научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова Цифровая обработка сигналов и ее применение, 2007», Вып IX-I. -С.396-398.

20. Кириллов С.Н., Крысяев Д.Е., Фам С.Н. Способы повышения эффективности системы кодирования информации Мак-Элис. Вестник РГРТУ. -2006. №19.- С.36-39.

21. Hung Min Sun. Enhancing the security of the McEliece Public-key Cryptosystem. Journal of information science and engineering 16, 2000. p. 799 -812.

22. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. -М.: Издательство иностранной литературы, 1963. - 832 с.

23. Шеннон К.Э. Связь при наличии шума // ТИИЭР, 1984. Т.72, №9. С.94-105.

24. Конвей Дж., Слоэн Н. Упаковки шаров, решётки и группы. В 2 т. М.: Мир, 1990.

25.ШломаА.М. , БакулинМ.Г., Крейнделин В.Б., Шумов А.П. Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи / Под редакцией профессора A.M. Шломы. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 344 с.

26. Elbert B.R. The Satellite Communication Applications Handbook. Second Edition / Artech House, Inc. 2004 - 534 p.

27. Abu-Rgheff M.A. Introduction to CDMA Wireless Commrnications. El-sevirr Ltd. First edition 2007

28. Carrasco R. A., Johnston M. Non-binary error control coding for wireless communication and data storage. John Wiley & Sons, Ltd. 2008.

29. Салома. А. Криптография с открытым ключом. - М.: Мир. 1995.320 с.

30. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Основы криптографии. Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. - М.; Гелиос АРВ, 2002. - 480 с.

31. McElice R.J. A Public-Key Cryptosystem Based On Algebraic Coding Theory. [Режим доступа:] http://www.cs.colorado.edu/~jrblack/class/csci7000/ fU3/papers/mceliece.pdf.

32. Lin M.C., Fu Т. C. Information rate of McEliece's public - key cryptosystem. Electronics letters, Vol. 26, No.l, - 1990, - pp. 16-18.

33. Патент России № 2254685. «Способ шифрующего преобразования информации». Автор Осмоловский С.А. Заявка на патент Российской Федерации № 2003100488/09 (000762), приоритет 13.01.2003.

34. Осмоловский С.А. Устройство для приема дискретной информации с исправлением ошибок. - Авторское свидетельство № 919119, приоритет 16.06.1980, опубликовано 7.04.82. - бюллетень № 13.

35. Зубарев Ю.Б., Золотарёв В.В., Жуков С.Е. и др. Многопороговые декодеры для высокоскоростных спутниковых каналов связи: новые перспективы // Электросвязь, № 2, 2005, С. 10-12.

36. Расширенный отчет за 2009 год по проекту РФФИ08-07-00078-а. Режим доступа: http://www.mtdbest.ru /articles/rffi_2009.pdf

37.3GPP TS 05.03 v8.6.1. GSM. Channel coding. [Режим доступа:] http://www.learningace.com/doc/5837990/f7c54a8c281a315a0e6bb88824d5cfef/gs m0503-861.

38. WCDMA (UMTS) Deployment Handbook: Planning and Optimization Aspects. Editors: Christophe Chevallier, Christopher Brunner, Andrea Garavaglia, Kevin P. Murray, Kenneth R. Baker. John Wiley & Sons Ltd. 2006. 416 p.

39. WCDMA for UMTS Radio Access for Third Generation: Mobile Communications. Third Edition. Edited by: Harri Holma, Antti Toskala. John Wiley & Sons Ltd. 2004. 481 p.

40. WCDMA for UMTS - HSPA evolution and LTE. Fourth Edition. Edited by: Harri Holma, Antti Toskala. John Wiley & Sons Ltd. 2007. 574 p.

41. WiMAX security and quality of service an end-to-end perspective. Edited by Seok-Yee Tang, Peter Muller, Hamid R. Sharif, John Wiley & Sons Ltd. 2010. 425 p.

42. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. Part 11. High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. [Режим доступа:] http://ucesp.ws.binghamton.edu/~xli/eece542/std/wifi/.

43. IEEE Std 802.16a-2003. Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems— Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Ad-

ditional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz. [Режим доступа] http://ucesp.ws.binghamton.edu/~xli/eece542/std/wman/.

44. Elbert B.R. The Satellite Communication Applications Handbook. Second Edition / Artech House, Inc. 2004 - 534 p.

45. Intelsat Earth Station Standards (IESS-308). Performance characteristics fo intermediate data rate digital carriers using convolutional encoding/viterbi encoding and QPSK modulation. Standart A,B,C,E and F Earth Stations. 2000.

46.ETSI TS 101 376-5-3. GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Re-

r

lease 3) Third Generation Satellite Packet Radio Service; Part 5: Radio interface physical layer specifications; Sub part 3: Channel Coding; GMR-1 3G 45.003. August 2009.

47. CCSDS 131.2-0-1. Flexible serially concatenated convolutional turbo codes with nearshannon bound .performance for elemetry applications. September 2007

48. CCSDS 131.1-0-2. Low density parity check codes for use in near-earth and deep space applications . September 2007.

49. CCSDS 131.0-B-l. TM synchronization and channel coding. Blue Book. September 2003.

50. Handbook on Satellite Communication. Third Edition. Wiley. 2003 -1087 p.

51. Roddy D. Satellite Communication. Fourth Edition. McGraw-Hill. Inc 2006-638 p.

52. Louis J. Ippolito, Jr. Satellite Communications Systems Engineering. Atmospheric Effects, Satellite Link Design and System Performance. Wiley 2008 -376 p.

53. Re E.D., Ruggieri M. Satellite Communications and Navigation Systems. Springer 2008 - 754 p.

54. Anishur Rahman A.T.M. . High Speed Codec Design for Satellite Communications. A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master in telecommunications. 25 June 2007.

55. Sun Z. Satellite Networking. Principles and Protocols / Wiley. 2005 -342 p

56. Maral G. VSAT Networks. Second Edition / Wiley and Sons Ltd. Inc. 2003 - 272 p.

57. Kalivas G. Digital radio system design. John Wiley & Sons Ltd. 2009. p. 474.

58. Andreas F. Molisch. Wireless communications. Second Edition. John Wiley & Sons Ltd. 2011. 884 p.

59. Asad A. Abidi. The Path to the Software-Defined Radio Receiver // IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS. Vol. 42. - No. 5. 2007. p.954-966.

60. 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.

61. Прокис Д.Д. Цифровая связь. -М.: Радио и связь, 2000. - 797с.

62. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 1104 с.

63. Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение - М.: Техносфера, 2006. - 320 с.

64. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. Учебное пособие для вузов. М.: «Сов радио», 1976. 386 с.

65.Carrasco R.A., Jhonston M. Non-Binary Error Control Coding for Wireless Communication and Data Storage. John Wiley & Sons, Ltd. 2008, - 303 p.

66. Кириллов C.H. Семин Д.С. Помехозащищенный кодер на основе БИХ-фильтра. Вестник РГРТУ 2009 № 2 (выпуск 27). - С. 27-30.

184

67. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов практический подход, 2-е издание. Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2004, - 922 с.

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

69. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. Пер. с англ. Под ред. Ю.Н. Александрова. - М.: «Мир», 1978. - 848 с.

70. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. / С.А. Айвазян, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин. - М.: Финансы и статистика, 1983. - 471 с.

71. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. В семи томах. Т.2. Получисленные алгоритмы,пер. с англ. - М.:"Мир", 1977, 724с.

72. Savo G. Glisic. Advanced Wireless Communications 4G Cognitive and Cooperative Broadband Technology. - John Wiley & Sons Ltd, England, 2007. -890 p.

73. Kwang-Cheng Chen, Ramjee Prasad. Cognitive Radio Networks. - John Wiley & Sons Ltd, England, 2009. - 362 p.

74. Bahl L.R., Cocke J., Jelinek F., Raviv J. Optimal Decoding of Linear Codes for Minimizing Symbol Error Rate // IEEE Trans. Inform. Theory. 1974. V. 20. № 2. P. 284-287.

75. Wicker S.B.,Kim S. Fundamentals of Codes, Graphs, and Iterative Decoding. - Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2003. - 240 p.

76. Sripimanwat K. Turbo Code Applications. A Journey from Paper to Realization. - Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2005. - 393 p.

77. Abbasfar A. Turbo-like Codes. Design for High Speed Decoding. Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2007. - 94 p.

78. Fossorier M. P. С., Lin S. Soft-Decision Decoding of Linear Block Codes Based on Ordered Statistics // IEEE Transactions On Information Theory, VOL. 41, NO. 5, SEPTEMBER 1995.-pp 1379-1396.

79. Dorsch В., A decoding algorithm for binary block codes and J-ary output channels.// IEEE Trans. Inf. Theoiy, vol. 20, 1974. - pp. 391-394.

80. Alnawayseh S.E.A., Loskot P. Order Statistics Based List Decoding Techniques for Linear Binary Block Codes // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012. - [Режим доступа:] http://jwcn.eurasipjournals.com/ content/2012/1/314.

81. Цымжитов Д.Н. О мягком декодировании линейных кодов методом минимальных слов // Интеллектуальные системы. 2010. Т. 14, С. 499-516.

82. Augot D. Description of Minimum Weight Codewords of Cyclic Codes by Algebraic Systems // Finite Fields and Their Applications 2, 1996 ARTICLE NO. 0009.- pp. 138-152.

83. Canteaut A. A New Algorithm for Finding Minimum-Weight Words in Large Linear Codes // Proceedings of the 5th IMA Conference on Cryptography and Coding. - Springer-Verlag, London, 1995 - pp 205-212.

84. Canteaut A., Chabaud F. A New Algorithm for Finding Minimum-Weight Words in a Linear Code: Application to McEliece's Cryptosystem and to NarrowSense BCH Codes of Length 511// IEEE Transactions On Information Theory, Vol. 44, No. 1, January, 1998. - pp. 367-378.

85. Muller В., Holters M., Zolzer U. Low Complexity Soft-Input Soft-Output Hamming Decoder // www.gtti.it/GTTI08/pappers/baldi.pdf.

86. Черемушкин A.B. Криптографические протоколы. Основные свойства и уязвимость: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования / А.В. Черемушкин. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 272 с.

87. Панасенко С.П. Алгоритмы шифрования. Специальный справочник -СПб.: БХВ-Петербург, 2009. - 567 с.

88. Введение в криптографию /Под общ. ред. В. В. Ященко. - М., МЦНМО, 1998.-272 с.

89. Фергюсон Н., Шнайер Б., Практическая криптография.: Пер. с англ. - М: Издательский дом «Вильяме», 2005. - 424 с.

90. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Основы криптографии. Учебное пособие. 2-е изд., испр. И доп. - М., Гелиос АРВ, 2002.-480 с.

91. Подиновский В.В., ГавриловВ.М. Оптимизация по последовательно применяемым критериям. - М.: Изд-во «Советское радио». 1975. - 192 с.

92. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация: теория, вычисления и приложения. — М.: Радио и связь, 1992. — С. 504.

93. Гаврилов В.М., Оптимальные процессы в конфликтных ситуациях,-М.: "Советское радио", 1969. - 160 с.

94. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления. — СПб.: Питер, 2004. — С. 256.

95. Соболь И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981.

96. Maurer U.M./ A Universal Statistical Test of Random Bit Generators // Journal of Cryptology. Vol. 5., no. 2, 1992, pp. 89-105.

97. Andrew Rukhin, Juan Soto, James Nechvatal, and etc. A Statistical Test Suite for Random and Pseudorandom Number Generators for Cryptographic Applications. [Режим доступа:] http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-22-rev 1 a/SP800-22rev 1 a.pdf.

98. Juan Soto Statistical Testing of Random Number Generators // [Режим доступа:] http://csrc.nist.gov/groups/ST/toolkit/rng/documents/nissc-paper.pdf.

99. Иванов М. А., Чугунков И. В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2003, —240

100. Joseph Frederick Ziegler. Automatic recognition and classification of forward error correcting codes // [Режим доступа] http://teal.gmu.edu/ courses/Crypto_resources/web_resources/theses/GMU_theses/Ziegler/Ziegler_Spri ng_2000.pdf.

101. Ревуцкий В.А. Алгоритм оценки параметров сверточных помехоустойчивых кодов // Вестник РГРТУ. №3 (выпуск 45). Рязань 2013 - С 46-49.

102. Кириллов С.Н., Ревуцкий В.А. Алгоритм оценки типа и параметров помехоустойчивых кодов на основе схемы кодер - декодер // Вестник РГРТУ. № 1 (выпуск 43). Рязань 2013.- С 3-6.