Способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи

 

Изобретение относится к системам метеорной связи и может использоваться при построении пакетной сети сбора данных от удаленных терминалов или обмене формализованной информацией. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости без снижения пропускной способности сети. Для этого осуществляется помехоустойчивое кодирование систематическим блочным кодом определенной длины на передающей стороне, оценка качества принятых информационных символов кода, прием проверочной части кода и декодирование или передача сигнала подтверждения в зависимости от качества приема. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике передачи данных и может быть использовано при построении пакетной сети сбора данных от удаленных терминалов или обмена формализованной информацией по каналам метеорной радиосвязи.

Заявленное техническое решение расширяет арсенал средств данного назначения.

Известен способ управления передачей информации от удаленных станций в сети метеорной связи со звездообразной структурой, при котором на каждой удаленной станции контролируют наличие пробного сигнала главной станции, идентифицируют принадлежность к группе опрашиваемых станций и при установлении совпадения адреса и наличии информации, подлежащей передаче, формируют разрешение на передачу ответного сигнала [1].

Недостатком данного способа является низкая пропускная способность сети, так как во время опроса одной группы станций происходит ожидание появления метеорного следа с требуемой пространственной ориентацией, хотя при этом могут существовать условия для прохождения информации от других станций, не входящих в опрашиваемую группу.

Известен также способ передачи данных от удаленной станции на главную станцию метеорной связи, заключающийся в том, что на удаленной станции контролируют появление зондирующего сигнала от главной станции, при его приеме определяют, что это запрос на получение информации и при наличии данных, предназначенных для передачи на главную станцию, формируют сигнал разрешения передачи [2].

Недостатком указанного способа также является низкая пропускная способность сети, так как после приема зондирующего сигнала главной станции удаленная станция начинает передачу данных, а по окончании приема пакета данных, главная станция передает подтверждение. Если подтверждение удаленной станцией не принято, пакет будет передаваться повторно. Поэтому в полудуплексных пакетных метеорных системах целесообразно использование только тех следов, длительность существования которых достаточна для реализации протокола зондирующий сигнал - передача пакета данных - подтверждение. В результате диссипации следа момент окончания связи может наступить до приема подтверждения, что приведет к необходимости повторной передачи пакета данных. Очевидно, что в таких случаях попытки осуществить обмен информацией приводят к созданию помех удаленными станциями и неоправданному занятию приемного оборудования главной станции, снижающего пропускную способность сети, и бесполезному расходованию энергии аккумуляторов или солнечных батарей удаленных станций.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи, заключающийся в том, что на центральной станции формируют и излучают сигнал запроса длительностью t₃, на получение информации, на периферийной станции принимают сигнал запроса, измеряют уровни сигнала запроса в моменты начала приема U₁ и окончания интервала t₃, его приема U₂, рассчитывают оставшуюся часть интервала t₀ существования метеорного следа по формуле t₀=t₃ln(U₀/U₂)/ln(U₂/U₁), где U₀ - предварительно заданное пороговое значение амплитуды принимаемого сигнала запроса, вычисляют требуемую длительность t_un информационной части пакета данных t_un=t₀-t_cn, где t_cn - предварительно заданная длительность служебной части пакета данных, вычисляют объем С [бит] информационной части пакета данных С=Vt_un, где V [бит/с] - скорость передачи информации, формируют пакет данных с объемом информационной части С, передают пакет данных в течение времени t₀, а в течение длительности интервала времени t_cn передают кодовую комбинацию, соответствующую объему информационной части пакета [3].

Недостатком известного способа является относительно низкая помехоустойчивость, так как при ухудшении качества принимаемого центральной станцией сигнала возникающие ошибки во время приема информационной части вызывают потерю части информации или повторную передачу. Устранение указанного недостатка известным способом, состоящим во введении избыточности в передаваемое сообщение, т.е. в помехоустойчивом кодировании на передающей стороне и в декодировании на приемной стороне, приводит к неоправданному снижению пропускной способности сети, так как в ряде случаев качество принимаемого сигнала оказывается высоким и введенная избыточность не используется.

Целью настоящего изобретения является разработка способа передачи данных в пакетной сети метеорной связи, обеспечивающего более высокую помехоустойчивость без снижения пропускной способности сети за счет помехоустойчивого кодирования систематическим блочным кодом определенной длины на передающей стороне, оценки качества принятых информационных символов кода и приема проверочной части кода и декодирования или передачи сигнала подтверждения в зависимости от качества приема.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе передачи данных в пакетной сети метеорной связи, заключающемся в формировании и излучении центральной станцией сигнала запроса длительностью t₃ на получение информации, приеме периферийной станцией сигнала запроса, измерении уровней сигнала запроса в моменты начала приема U₁ и окончания интервала t₃, его приема U₂, расчете оставшейся части интервала t₀ существования метеорного следа по формуле t₀=t₃ln(U₀/U₂)ln(U₂/U₁), где U₀ - предварительно заданное пороговое значение амплитуды принимаемого сигнала запроса, вычислении требуемой длительности t_un информационной части пакета данных t_un=t₀-t_cn, где t_cn предварительно заданная длительность служебной части пакета данных, вычислении объема С [бит] информационной части пакета данных С=Vt_un, где V [бит/с]-скорость передачи информации, формировании пакета данных с объемом информационной части С, передаче пакета данных в течение времени t₀, передаче в течение длительности интервала времени t_cn кодовой комбинации, соответствующей объему информационной части пакета, дополнительно после окончания передачи информационной части пакета передают от периферийной станция N проверочных символов, рассчитанных из условия N=V/1000•(2R/300), где R - расстояние между периферийной и центральной станцией [км]. На центральной станции по принятой информационной части пакета оценивают качество К принятых символов, причем, если К≤К_доп, где К_доп - предварительно заданный допустимый уровень качества, принимают на центральной станции N проверочных символов, декодируют информационную часть пакета вместе с проверочными символами, в противном случае проверочные символы на центральной станции не принимают, а передают на периферийную станцию сигнал подтверждения приема. Для оценки качества К принятых символов измеряют уровень сигнала U_i, при приеме центральной станцией i-гo символа, где i=1÷М, причем М=С, сравнивают его с предварительно заданным пороговым уровнем U_пор, считают количество символов L, для которых выполняется условие U_i≥U_пор, а качество К принимают равным L.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного передачей периферийной станцией N проверочных символов, число которых рассчитывается из условия равенства длительности их передачи сумме длительностей интервалов времени распространения сигнала от периферийной станции до центральной и обратно, оценкой качества приема информационной части пакета на центральной станции и в зависимости от полученного качества продолжением приема N проверочных символов и декодированием информационной части пакета вместе с проверочными символами или прекращением приема и передачей на периферийную станцию сигнала подтверждения приема.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность использования помехоустойчивого кода только при плохом качестве приема, чем и достигается повышение помехоустойчивости приема сообщений без снижения пропускной способности сети.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, который достигнут в заявляемом способе. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано: на фиг.1. принцип передачи данных в сети метеорной связи; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие передачу данных в условиях низкого качества принятых символов; на фиг.3 временные диаграммы, поясняющие передачу данных в условиях высокого качества принятых символов.

Возможность реализации заявленного способа объясняется следующим. Передача сообщений в сети осуществляется путем опроса периферийных станций центральной станцией фиг. 1. Центральная станция передает сигнал запроса 1 (фиг.2) длительностью t₃, который через интервал времени t_зр, равный задержке распространения радиосигнала, поступает па периферийную станцию. Периферийная станция, принимая сигнал запроса 2 (фиг.2), измеряет уровни принимаемого сигнала U₁ и U₂, (фиг.2) в моменты времени, соответствующие началу и окончанию сигнала запроса. Определив по формуле t₀=t₃ln(U₀/U₂)/ln(U₂/U₁) интервал времени, в течение которого можно осуществлять передачу данных, где U₀ - предварительно заданное пороговое значение амплитуды сигнала, периферийная станция формирует и передает пакет данных, включающий служебную часть 3 (фиг. 2), длительность _cn которой предварительно задана, информационную часть 4 (фиг.2), состоящую из С бит, число которых определяется по формуле С= Vt_un, где V [бит/с]скорость передачи информации, a t_un=t₀-t_cn, и передает проверочную часть 5 (фиг.2), состоящую из N бит. При этом в служебной части пакета передается кодовая комбинация о длине С информационной части. Число передаваемых проверочных символов определяется по формуле N= V/1000х(2 R/300), где R - расстояние между периферийной и центральной станцией [км], исходя из того, что длительность проверочной части t_nn должна равняться удвоенной длительности задержки распространения радиосигнала t_зp:t_nn=2t_зр. Правило формирования проверочных символов соответствует правилу построения блочного систематического кода, например, кода БЧХ или Рида-Соломона с параметрами ((С+N), C). Если код с такими параметрами не существует, то выбирается ближайший с параметрами (n, k), выбираемыми из условия n≥(С+N), k≤С, а лишние n-(C+N) информационных символов кодового блока заполняются нулями.

Переданный пакет с задержкой t_зр, поступит на центральную станцию. Центральная станция принимает служебную часть 6 (фиг.2), определяет по ней длину информационной части С и принимает информационную часть 7. Принимая каждый информационный символ, центральная станция измеряет уровень сигнала в демодуляторе U₁,U₂,....U_с (фиг.2) и сравнивает его с заранее заданным пороговым уровнем U_пор [4] . Если в результате сравнения уровень принятого символа оказывается выше порогового, показания счетчика увеличиваются на единицу (перед приемом нового пакета показания счетчика обнуляются) После приема последнего символа с номером С показания счетчика L принимаются равными качеству приема К. Если качество К оказывается ниже предварительно заданного K_доп, центральная станция продолжает прием проверочных символов 8. После приема всего пакета центральная станция осуществляет декодирование с исправлением ошибок, после чего передает сигнал подтверждения 9 (фиг.2), который поступит на периферийную станцию (сигнал 10 на фиг.2) с задержкой t_зсп, равной удвоенной длительности задержки распространения радиосигнала t_зсп= 2t_зр. Таким образом, при плохом качестве приема за счет исправления ошибок декодером будет увеличена помехоустойчивость приема.

При хорошем качестве приема (фиг.3) все вышеперечисленные действия будут производиться до момента окончания приема информационной части пакета 7 (фиг. 3) и сравнения качества К с К_доп . Так как качество оказывается выше предварительно заданного К_доп, центральная станция прекращает прием и осуществляет передачу сигнала подтверждения 9 (фиг.3). Через интервал времени t_зр сигнал подтверждения 10 поступит на периферийную станцию к моменту окончания передачи ею проверочной части пакета 5 (фиг.3). Таким образом, при хорошем качестве приема на длительность цикла передачи пакета не влияют проверочные символы, что обеспечивается соответствующим выбором длины проверочной части N, оценкой качества приема информационной части пакета и определением необходимости приема проверочной части.

Пример расчета выигрыша от применения описанного способа передачи данных.

Если помехоустойчивое кодирование не используется, вероятность безошибочного приема пакета определяется в виде P_бо = (1-p)^C, где p=р_ош вероятность ошибки символа; С длина информационной части пакета.

Пример расчета: - пусть информационная часть пакета имеет длину С=240 бит; вероятность ошибки в канале р_ош=10^-2.

Тогда вероятность безошибочного приема информационной части пакета
Р_бо=(1-0,01)²⁴⁰=0,09
При использовании помехоустойчивого кодирования вероятность безошибочного приема пакета определяется в виде

где р - вероятность ошибочного приема символа;
n - длина информационной части кода;
C_n ⁱ - число сочетаний;
t - число исправляемых кодом ошибок.

Пример расчета:
- информационная часть пакета имеет длину С=240 бит;
- дальность связи (расстояние между центральной и периферийной станцией) R=900 км;
- скорость передачи V=16000 бит/с;
- вероятность ошибки в канале р_ош=10^-2.

Из выражения (1) получаем N=16(2•900/300)=96 бит.

Предположим, что используется код с максимальным расстоянием и основанием М= 64 (например, код Рида-Соломона), то есть каждый символ закодирован примитивным шестиразрядным кодом (2⁶=64). Тогда длина информационной части пакета n=C/6=240/6=40 шестиразрядных символов, длина проверочной части N=16 шестиразрядных символов и p=p_ош•6=0,01•6=0,06. Минимальное кодовое расстояние d_min=16+1=17. Следовательно
t=(d_min-1)/2=(17-1)/2=8.

Таким образом, вероятность безошибочного приема информационной части пакета

Откуда следует, что благодаря введению избыточности на передаче и декодированию на приеме помехоустойчивость увеличивается в 0,9996/0,09=11 раз по сравнению с передачей без кодирования.

Источники информации
1. Патент США 4277845, кл. 455/52, опубл. в 1981 г.

2. Патент США 4630314, кл. 455/52, опубл. в 1986 г.

3. А.с. СССР 1832392, кл. Н 04 В 7/22, опубл. в 1993 г., БИ 29.

4. Передача дискретных сообщений. /Под ред. В.П. Шувалова. - М.: Радио и связь, 1990. - 464 с.

Формула изобретения

1. Способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи, заключающийся в том, что на центральной станции формируют и излучают сигнал запроса длительностью t₃ на получение информации, на периферийной станции принимают сигнал запроса, измеряют уровни сигнала запроса в моменты начала приема U₁ и окончания интервала t₃ его приема U₂, рассчитывают оставшуюся часть интервала t_o существования метеорного следа по формуле t_o= t₃ ln(U₀/U₂)/(U₂/ U₁), где U₀ - предварительно заданное пороговое значение амплитуды принимаемого сигнала запроса, вычисляют требуемую длительность t_un информационной части пакета данных t_ип= t₀-t_cn, где t_cn - предварительно заданная длительность служебной части пакета данных, вычисляют объем С (бит) информационной части пакета данных С= Vt_un, где V (бит/с) - скорость передачи информации, формируют пакет данных с объемом информационной части С, передают пакет данных в течение времени t_o, а в течение длительности интервала времени t_c передают кодовую комбинацию, соответствующую объему информационной части пакета, отличающийся тем, что после окончания передачи информационной части пакета передают от периферийной станции N проверочных символов, предварительно рассчитанных из условия N= V/1000•(2R/300), где R - расстояние между периферийной и центральной станцией (км); на центральной станции по принятой информационной части пакета оценивают качество К принятых символов, причем если К<К, где К_доп - предварительно заданный допустимый уровень качества, принимают на центральной станции N проверочных символов, декодируют информационную часть пакета вместе с проверочными символами, в противном случае проверочные символы на центральной станции не принимают, а передают на периферийную станцию сигнал подтверждения приема.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для оценки качества К принятых символов измеряют уровень сигнала U_i при приеме центральной станцией i-го символа, где i= 1÷М, причем М= С, сравнивают его с предварительно заданным пороговым уровнем U_nop, считают количество символов L, для которых выполняется условие U_i≥U_nop, а качество К принимают равным L.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3