BC/NW 2007, №2, (11) :4.1
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ
Киреичев С.В.
(Москва, Московский энергетический институт (ТУ), Российская Федерация)
На сегодняшний день одни из главных проблем передачи информации по радиоканалу в режиме реального времени – надёжность передачи информации и достоверность полученных данных. При этом нельзя забывать о том, что избыточность, возникающая вследствие применения различных методов помехозащищенного кодирования, увеличивает объём передаваемой информации, что, в свою очередь, ведёт к увеличению времени передачи данных. При большом объеме передаваемых данных и требовании незамедлительной ответной реакции, некоторые методы повышения надёжности передачи информации оказываются неэффективными.
Цель данной статьи – дать краткий обзор способов повышения надёжности передачи информации по радиоканалу.
Одной из характерных особенностей радиоприёмников является распознавание зависания канала проявляющееся в приеме большого количества идущих подряд ‘0’ или ’1’. Для решения данной проблемы чаще всего используют скремблирование- одно из стандартных преобразований 8 бит передаваемой информации в 10 бит. Помимо того, что подобные алгоритмы гарантированно однозначно перемешивают передаваемые биты, избавляя от пяти и более идущих подряд нулей или единиц, они также позволяют обнаруживать относительно небольшое количество однократных ошибок, т.к. в связи с избыточностью возникают запрещённые комбинации бит.
Ещё одним из способов повышения надёжности передачи данных является квитирование, т.е. подтверждение приёмником получения информации. Для этого битовый поток разбивают на множество посылок ограниченного размера, нумеруют их и отправитель ожидает от получателя ответы о том, что была принята очередная порция информации.
Помехоустойчивое кодирование используется для более успешной борьбы со случайными искажениями информации. Оно обеспечивает возможность обнаружения и исправления ошибок. Для этого для каждой посылки (блока информации, слова, битовой строки) вводится её контрольная сумма. Одним из самых простых помехоустойчивых кодов с обнаружением однократных ошибок является код с битом чётности. К концу исходного слова добавляется ‘0’ или ’1’ таким образом, что сумма по модулю 2 всех разрядов во вновь полученном слове была равна ‘0’. Другим, часто используемым решением, является применение полиномиальных или циклических избыточных кодов(CRC). CRC коды построены на представлении битовой строки передаваемой информации как строки коэффициентов полинома. k-битовая строка соответствует полиному степени k − 1. Самый левый бит строки — коэффициент при старшей степени. Коэффициенты полинома принадлежат полю Галуа-GF(2) вычетов по модулю 2. Основная идея заключена в том, чтобы пересылать по каналу только сообщения, полиномы которых делятся на некоторый фиксированный полином G(x). Если мы получаем сообщение, полином которого не делится на G(x), значит при передаче сигнал был искажен. В CRC используется добавление к исходному сообщению некоторого количества бит так, чтобы результирующий полином делился на G(x).
Помимо возможности обнаружения ошибок, избыточность передаваемой информации может дать нам способ их исправлять. Пусть содержательная часть сообщения составляет m бит, и мы добавляем ещё r контрольных разря. Каждое из 2m правильных сообщений может иметь n = m + r его неправильных вариантов с ошибкой в одном бите. Такими образом, с каждым из 2m сообщений связано множество из n + 1 слов и эти множества не должны пересекаться. Так как общее число слов 2n, то (n+1) 2m £ 2n, (m+r+1) £ 2r. Этот теоретический предел достижим при использовании метода, предложенного Хеммингом. Идея его в следующем: все биты, номера которых есть степень 2, — контрольные, остальные — биты сообщения. Каждый контрольный бит отвечает за чётность суммы некоторой группы бит. Один и тот же бит может относиться к разным группам. В контрольный бит с номером 2k заносится сумма (по модулю 2) бит с номерами, которые имеют в разложении по степеням двойки степень 2k. Код Хемминга может исправлять только единичные ошибки.
Помимо искажений отдельных бит или малых групп разрядов возможна ситуация, когда будет потеряна вся посылка. В этом случае не будет никакой реакции получателя. Для выявления такой ситуации система передачи определяется время, по истечении которого, в случае, если отправитель не получил подтверждения от приёмника о приёме очередной посылки, происходит повторное её отправление. В случае утери посылки-подтверждения может возникнуть ситуация, когда получатель получил 2 одинаковых посылки. Эта проблема решается путём порядковой нумерации каждой из посылок.
На основании описания вышеуказанных методов можно сделать вывод, что они являются взаимодополняющими и конкретные технические решения для повышения надёжности передачи данных необходимо выбирать среди каждой из рассмотренных групп. Преобразования 8 бит в 10 стандартизованы и равнозначны, так что невозможно отдать предпочтение какому-либо из них. Высокая вероятность искажений информации передаваемой по радиоканалам вынуждает нас использовать помехоустойчивое кодирование с восстановление информации по методу Хемминга. Коды Рида-Соломона с одной стороны более универсальны, но их использование требует достаточно больших временных затрат на их формирование программным путём, что неприемлемо в системах реального времени. Потери целых посылок возможны в случае возникновения механических помех, более мощного радиоизлучателя на используемом нами радиоканале или электромагнитных искажений. Время между посылкой и её повторением целесообразно выбрать равным нескольким секундам – если помехи за это время не исчезнут, можно с высокой долей уверенности утверждать, что связь между отправителем и получателем безвозвратно утеряна. Результаты вышеприведённого анализа были использованы при разработке специализированной сети управления.
Литература