ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ

Существенным недостатком многих корректирующих кодов является их слабая приспособленность к изменяющимся условиям передачи информации. Их избыточность постоянна и выбирается согласно требуемой вероятности при наихудших условиях передачи. Если избыточность кода привести в соответствие с реальным состоянием канала в определенном интервале времени, можно существенно повысить эффективность использования каналов без снижения верности.

Теория адаптивного корректирующего кодирования интенсивно развивается, так как позволяет более полно учесть реальные условия передачи информации [1].

При использовании адаптивного кодирования немаловажным этапом является получение характеристик канала связи и оценка его качества. Поэтому важна непрерывная оценка качества канала связи, что позволяет подстроить параметры кода под помеховую обстановку среды распространения сигнала. Применение адаптивного помехоустойчивого кодирования в таком случае целесообразно для передачи данных на большие расстояния. Однако, учитывая положительное свойство адаптации – приспособленность к изменяющимся условиям передачи, данное кодирование можно применять в мобильных системах, которые могут часто менять свое положение относительно друг друга в области распространения сигнала.

Часто мобильные системы работают в одной и той же области, передача осуществляется на небольшие расстояния. При этом помеховая обстановка на передающей и принимающей сторонах практически не меняется, что делает применение непрерывной оценки качества канала связи нецелесообразным, так как пропускная способность канала связи снижается.

Таким образом, адаптацию параметров кода можно производить через определенные промежутки времени. Для этого оценка качества производится при определенных условиях. Таким показателем может служить вероятность ошибки, которая зависит от отношения сигнал/шум E_b/N_o. E_b — энергия бита, которую можно описать как мощность сигнала S, умноженную на время передачи бита информации T_b, N_o — это спектральная плотность мощности шума, и ее можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы W. На рисунке 1 представлена данная зависимость.

Рисунок 1. Зависимость вероятности появления ошибочного бита P_B от отношения E_b/N_o

Как следует из рисунка, чем больше E_b/N_o, тем меньше вероятность появления ошибочного бита. Иными словами, вероятность меньше тогда, когда меньше мощность шума по отношению к мощности сигнала. Таким образом, так как, согласно вышеуказанному, мобильные системы работают в одной среде распространения сигнала, где мощность шума меняется незначительно, то период вычислений параметров кода можно оценить исходя из вероятности появления ошибочного бита, которую, в свою очередь, косвенно можно определить по изменению мощности сигнала.

Согласно данному предположению адаптивное помехоустойчивое кодирование для мобильных систем может выглядеть следующим образом.

Этап 1. Выбираются параметры для помехоустойчивого каскадного кода. Это возможно сделать, исходя из опыта работы в данном канале связи или некоторого среднего состояния канала связи.

Этап 2. На передающей стороне исходное сообщение кодируется выбранным каскадным кодом [3]. Исходное сообщение, которое содержит k символов, кодируется внешним кодом РС. Это первая ступень каскадного кода. По результату кодирования получается кодовое слово кода РС с параметрами n (блоковая длина кода) и k (информационная длина), которое представляет собой последовательность двоичных символов. Полученное кодовое слово кодируется внутренним кодом БЧХ, параметрами которого является блоковая длина кода n₁ и информационная длина k₁. Это вторая ступень каскадного кода, в результате которой формируются n двоичных слов кода БЧХ, передающиеся в дальнейшем в канал связи после преобразования в сигнал. При передаче сигнала в канале связи возможно его искажение, а значит каскадный код может быть принят с ошибками.

Этап 3. Защищенная таким образом информация поступает в канал связи, после чего на приемной стороне декодируется с обнаружением и исправлением ошибок в соответствии с корректирующей способностью кода.

Этап 4. По результатам декодирования внутреннего кода происходит контроль качества канал связи, определяется количество стертых и трансформированных слов.

Данный процесс начинается с декодирования внутреннего кода с обнаружением и исправлением ошибок. При этом исправляется количество ошибок, меньшее или равное корректирующей способности кода t.

После декодирования внутреннего кода подсчитываются стертые слова S, а количество ошибок в них оценивается приближенно как [2]

                                   (1)

где d – минимальное кодовое расстояние,

 – оценка числа ошибок в стертом слове, выполненная приближенно.

Количество трансформированных слов кода T(i) с исправлением i ошибок определяется следующим образом:

                                                    (2)

где   – коэффициент трансформаций, равный

                                             (3)

Общее количество ошибок в таких словах оценивается как

                                         (4)

где  – оценка числа ошибок в трансформированном слове, выполненная приближенно,

Таким образом, количество ошибок (включая трансформации и стирания) во всех слова внутреннего кода рассчитывается следующим образом:

             (5)

После нахождения количества трансформированных слов оценивается число слов внутреннего кода, которые необходимы для декодирования каскадного кода. Оценка происходит по выражению:

                                               (6)

где  – необходимое количество слов внутреннего кода;  n – блоковая длина кода; k – количество информационных символов кода; S – число стертых слов.

Полученные в результате декодирования внутреннего кода слова внешнего кода декодируются с исправлением ошибок и стираний.

Этап 5. Подбираются параметры кода на основании контроля качества, а именно происходит оценка блоковой длины кода, которая необходима для выбора параметров кода:

                                          (7)

где n_m – блоковая длина кода;  – количество предыдущих каскадных кодов.

Далее полученная блоковая длина кода n_m поступает на передающую сторону по каналу обратной связи. После этого на передающей стороне формируется новый каскадный код с новой блоковой длиной. Информация, закодированная таким кодом, передается на приемную сторону, где снова происходит декодирование принятых слов кода, оценка ошибок и качества канала связи, а также при необходимости оценка новой блоковой длины кода.

Качество принимаемой информации оценивается по заданной вероятности появления ошибочного бита, которая зависит от отношения сигнал/шум. В двоичной системе связи его можно определять по сигналам, которые соответствуют символам логической единицы. Для оценки отношения берется выборка из N принятых сигналов, для каждого из которых производится оценка амплитуды принимаемого сигнала. Ее можно представить средствами математической статистики в виде оценки математического ожидания и дисперсии.

Список литературы:

1. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов. – М.: Сов. радио, 1979. – 280с.
2. Квашенников В. В., Кухарев А. Д., Шабанов А. К. Методы адаптивного помехоустойчивого кодирования и их применение в перспективных комплексах авиационной радиосвязи, III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009, с. 473-487.
3. Forney G.D. Concatenated codes. Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 1966.