Способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи

Изобретение относится к области обработки и передачи информации и предназначено для помехоустойчивой передачи многоблочных сообщений. Технический результат - повышение помехоустойчивости. Для этого на передающей стороне сообщение делят на информационные блоки, каждый из которых кодируют исходным помехоустойчивым кодом, причем символы последовательности исходных помехоустойчивых кодов с одинаковыми номерами сначала кодируют кодом первой ступени многомерного каскадного кода, затем упомянутые символы кода кодируют кодом второй ступени и наконец кодируют кодом последней ступени многомерного каскадного кода, номер которой соответствует числу измерений многомерного каскадного кода. На приемной стороне с помощью цикловой синхронизации определяют начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, которые декодируют с контролем правильности декодирования и стиранием неправильно декодированных исходных помехоустойчивых кодов. Далее выполняют многократные попытки декодирования многомерного каскадного кода, после каждой из которых проверяют восстановление информационных блоков сообщения, при этом каждую повторную попытку декодирования выполняют при уменьшении числа стертых информационных блоков сообщения, а при сохранении прежнего числа попытки декодирования прекращают и все сообщение стирают. Затем блоки сообщения собирают в одно сообщение, которое передают получателю сообщения. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области обработки и передачи информации и может быть использовано в комплексах телекодовой связи для помехоустойчивой передачи многоблочных сообщений.

Одним из направлений повышения вероятности доведения сообщений в комплексах телекодовой связи является применение помехоустойчивого кодирования. В комплексах телекодовой связи передают небольшие одноблочные формализованные сообщения оперативно-командной связи, для защиты которых используют помехоустойчивый код, длина информационной части которого согласована с длиной сообщения. Однако, часто возникают задачи передачи более длинных многоблочных сообщений, объем которых составляет несколько одноблочных сообщений. Большие объемы информации могут возникать при передаче телеметрической и измерительной информации, аудио и видео файлов. В этом случае передают большие массивы цифровой информации и необходимо обеспечить гарантированное доведение длинного многоблочного сообщения.

Разбиение длинного сообщения на блоки небольшой длины, кодирование каждого блока сообщения исходным помехоустойчивым кодом и передача длинного сообщения последовательностью исходных помехоустойчивых кодов не обеспечивает требуемую вероятность доведение всего сообщения. Это объясняется тем, что вероятность доведения сообщения, передаваемого последовательностью исходных помехоустойчивых кодов, есть произведение вероятностей доведения всех исходных помехоустойчивых кодов. Например, если вероятность доведения исходных помехоустойчивых кодов равна 0,98, то вероятность доведения длинного сообщения, состоящего из 10 исходных кодов, будет всего лишь 0,98¹⁰≈0,817.

Обеспечить заданную вероятность доведения многоблочного сообщения можно путем введения дополнительных ступеней многомерного каскадного кодирования исходных помехоустойчивых кодов. При этом декодирование исходных помехоустойчивых кодов целесообразно выполнять с обнаружением и исправлением ошибок так, чтобы переводить ошибочные коды в стирания, а вероятность необнаруженной ошибки или трансформации стала ничтожно малой. Таким образом, создается стирающий канал связи относительно хорошего качества, в котором декодирование многомерного каскадного кода имеет ряд существенных преимуществ. Число корректируемых стираний примерно вдвое больше, чем число корректируемых ошибок, что обеспечивает увеличение вероятности доведения сообщения почти до уровня мягкого декодирования кода, а с другой стороны, упрощается декодирование кода по сравнению с исправлением ошибок. При декодировании многомерного каскадного кода с исправлением стираний возможно итеративное декодирование, которое предполагает выполнение нескольких попыток декодирования, что также позволяет повысить вероятность доведения сообщения.

Кодирование многомерного каскадного кода заключается в поразрядном суммировании исходных, чаще всего линейных помехоустойчивых кодов. Поэтому, информационная и проверочная части многомерного каскадного кода будут также состоять из исходных помехоустойчивых кодов. В канале связи передают исходные помехоустойчивые коды, и помехоустойчивое кодирование и декодирование исходных помехоустойчивых кодов и цикловая синхронизация остаются прежними, а, значит, сложность аппаратно-программной реализации возрастает незначительно. Обеспечивается совместимость с прежними форматами сообщений, и с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

Известен способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, при котором на передающей стороне сообщение делят на блоки, каждый блок кодируют помехоустойчивым кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности помехоустойчивых кодов, а затем декодируют помехоустойчивые коды с коррекцией ошибок и стираний. После декодирования последовательности помехоустойчивых кодов, восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое затем передают получателю этого сообщения. (Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - Пер с англ. - М: Издательский дом "Вильямс". - 2003. - с. 354-375, с. 659-663).

Недостатком этого способа является невысокая вероятность приема многоблочных сообщений из-за того, что в канале связи передают последовательность помехоустойчивых кодов, каждый из которых защищает свой блок многоблочного сообщения, и неприем хотя бы одного блока многоблочного сообщения приводит к неприему всего сообщения.

Известен также способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, при котором сначала на передающей стороне сообщение делят на блоки, и каждый блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют каскадным помехоустойчивым кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, а затем декодируют исходные помехоустойчивые коды с контролем правильности декодирования, и неправильно декодированные исходные помехоустойчивые коды стирают. Далее выполняют декодирование каскадного помехоустойчивого кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов. Затем восстановленные блоки собирают в одно сообщение, которое передают получателю этого сообщения. (Патент РФ №2621971 МПК H04L 1/20, Н03М 13/00 Квашенников В.В., Турилов В.А. Способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи. Приор. 14.03.2016, опубл. 08.06.2017, Бюл. №16).

Недостатком этого способа является высокая сложность кодирования и декодирования каскадного помехоустойчивого кода из-за того, что при большом числе блоков сообщения на приемной стороне возможно большое число стертых блоков, и для их восстановления необходимо использовать каскадный помехоустойчивый код с высокой корректирующей способностью, имеющий сложную реализацию.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип) передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, заключающийся в том, что сначала на передающей стороне сообщение делят на информационные блоки, и каждый информационный блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют многомерным каскадным кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, затем декодируют исходные помехоустойчивые коды с контролем правильности декодирования и стиранием неправильно декодированных исходных помехоустойчивых кодов. Далее выполняют декодирование кодов первой ступени многомерного каскадного кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов и стиранием кодов первой ступени многомерного каскадного кода, в которых исправление стертых исходных помехоустойчивых кодов невозможно, затем выполняют декодирование кодов второй ступени многомерного каскадного кода с исправлением стертых кодов первой ступени многомерного каскадного помехоустойчивого кода и стиранием кодов второй ступени многомерного каскадного кода, в которых исправление стертых кодов первой ступени многомерного каскадного кода невозможно, и так далее. Затем восстановленные информационные блоки собирают в одно сообщение, которое передают получателю этого сообщения. (Патент РФ №2669069 МПК H04L 1/20 Квашенников В. В. Способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи. Приор. 02.02.2018, опубл. 08.10.2018, Бюл. №28).

Недостатком этого способа является недостаточно высокая помехоустойчивость многомерного каскадного кода, поскольку выполняется только одна попытка декодирования многомерного каскадного кода и группирование стертых блоков сообщения может приводить к стиранию всего сообщения.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости за счет увеличения числа попыток декодирования многомерного каскадного кода, а также за счет перемежения блоков сообщения, преобразующих группирующиеся стирания в независимые стирания. Также целью является сохранение прежнего формата сообщений, передаваемых в канале связи, и совместимости с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

Для достижения цели предложен способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, заключающийся в том, что сначала на передающей стороне сообщение делят на информационные блоки и каждый информационный блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют многомерным каскадным кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. На приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, затем декодируют исходные помехоустойчивые коды с контролем правильности декодирования и стиранием неправильно декодированных исходных помехоустойчивых кодов. Далее выполняют декодирование кодов первой ступени многомерного каскадного кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов и стиранием кодов первой ступени многомерного каскадного кода, в которых исправление стертых исходных помехоустойчивых кодов невозможно, затем выполняют декодирование кодов второй ступени многомерного каскадного кода с исправлением стертых кодов первой ступени многомерного каскадного помехоустойчивого кода и стиранием кодов второй ступени многомерного каскадного кода, в которых исправление стертых кодов первой ступени многомерного каскадного кода невозможно, и так далее. Затем восстановленные информационные блоки собирают в одно сообщение, которое передают получателю этого сообщения. Новым является то, что на передающей стороне символы последовательности исходных помехоустойчивых кодов с одинаковыми номерами сначала кодируют кодом первой ступени многомерного каскадного кода, затем символы кода первой ступени многомерного каскадного кода с одинаковыми номерами кодируют кодом второй ступени многомерного каскадного кода и так далее. На приемной стороне выполняют многократные попытки декодирования многомерного каскадного кода, после каждой попытки декодирования проверяют восстановление информационных блоков сообщения и повторную попытку декодирования выполняют при уменьшении числа стертых информационных блоков сообщения по сравнению с предыдущей попыткой декодирования, а при сохранении прежнего числа стертых информационных блоков сообщения попытки декодирования прекращают и все сообщение стирают. При этом на передающей стороне проверочную часть кода первой ступени многомерного каскадного кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два исходных помехоустойчивых кодов в соответствии с проверочными соотношениями кода первой ступени многомерного каскадного кода, проверочную часть кода второй ступени многомерного каскадного кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два кодов первой ступени многомерного каскадного кода в соответствии с проверочными соотношениями кода второй ступени и так далее. Причем, в качестве многомерного каскадного кода используют многомерный итеративный код с одной проверкой на четность. При этом в случае обнаружения 2^m стираний исходных помехоустойчивых кодов, расположенных в вершинах m-мерного прямоугольного параллелепипеда, где m - число измерений многомерного итеративного кода, выполняют стирание сообщения.

Предлагаемый способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи реализуют следующим образом.

Сообщение оперативно-командной связи обычно имеет небольшую длину. Для защиты одноблочного сообщения небольшой длины используют исходный помехоустойчивый код, например линейный каскадный помехоустойчивый код, внутренним кодом которого является двоичный код БЧХ, а внешним кодом - недвоичный код Рида-Соломона. Более длинные сообщения делят на информационные блоки, и каждый такой блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом. Однако, при передаче длинных многоблочных сообщений, длина которых составляет несколько одноблочных сообщений, требуемая вероятность доведения сообщения может не обеспечиваться. Например, при вероятности доведения одного блока сообщения Р_t=0.98, вероятность доведения 4-х блочного сообщения в канале связи с независимыми ошибками будет равна , и не удовлетворяет требованиям к вероятности доведения всего сообщения, которая должна быть не менее 0,98.

Для обеспечения заданной вероятности доведения многоблочного сообщения вводятся новые ступени каскадного кодирования. Разделим длинное сообщение на информационные блоки

А=A₀A_1…A_N-1.

Каждый информационный блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом и в результате получают последовательность исходных помехоустойчивых кодов

B=B₀B₁…B_N-l.

Затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют многомерным каскадным кодом, например многомерным итеративным кодом с одной проверкой на четность.

Сначала выполняют кодирование первой ступени многомерного итеративного кода. Для этого последовательность из N исходных помехоустойчивых кодов разбивают на m₁ групп по ν₁ исходных помехоустойчивых кодов в каждой группе N=m₁⋅ν₁ и для каждой группы вычисляют проверки на четность

где под суммой понимается поразрядная сумма исходных помехоустойчивых кодов по модулю два.

При вычислении поразрядной суммы по модулю два складывают символы исходных помехоустойчивых кодов с одинаковыми номерами. В результате получаем m₁ кодов с проверкой на четность

Проверка на четность R_j является суммой линейных исходных помехоустойчивых кодов B_i и поэтому также будет исходным помехоустойчивым кодом. Следовательно, код первой ступени многомерного итеративного кода будет представлять собой последовательность исходных помехоустойчивых кодов.

Далее коды С_j, j=0…m₁-1 первой ступени многомерного итеративного кода кодируют кодом второй ступени многомерного итеративного кода. Для этого последовательность m₁ кодов первой ступени многомерного итеративного кода разбивают на m₂ групп по ν₂ кодов первой ступени в каждой группе m=m₂ ν₂ и для каждой группы вычисляют проверку на четность

где под суммой понимается поразрядная сумма кодов по модулю два.

При вычислении поразрядной суммы по модулю два складывают символы кодов первой ступени с одинаковыми номерами. В результате получаем m₂ кодов второй ступени многомерного итеративного кода с проверкой на четность

Аналогичным образом получают коды третьей ступени многомерного итеративного кода и так далее. Коды каждой ступени кодирования многомерного итеративного кода будут представлять собой последовательности исходных помехоустойчивых кодов.

Затем к многомерному итеративному коду добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону. Передачу символов осуществляют последовательно, начиная с символов первого кода последней ступени многомерного итеративного кода, и заканчивая символами последнего кода той же ступени многомерного итеративного кода. Для линейных исходных помехоустойчивых кодов в канале связи будет передаваться последовательность исходных помехоустойчивых кодов.

На приемной стороне сначала выделяют синхронизирующую последовательность, выполняют цикловую синхронизацию и определяют начало многомерного итеративного кода. Затем в многомерном итеративном коде выделяют исходные помехоустойчивые коды, декодируют выделенную последовательность исходных помехоустойчивых кодов с коррекцией ошибок и стираний и контролируют правильность декодирования. При контроле правильности декодирования исходные помехоустойчивые коды, которые были декодированы неправильно, стирают. Например, за счет использования части избыточности исходного помехоустойчивого кода, неправильно декодированные коды будут стерты. При исходном помехоустойчивом каскадном коде БЧХ - Рида-Соломона стирание возможно за счет обнаруживающей способности кода БЧХ и кода Рида-Соломона.

Далее выполняют декодирование кодов первой ступени многомерного итеративного кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов и стиранием кодов первой ступени многомерного итеративного кода, в которых исправление стертых исходных помехоустойчивых, кодов невозможно. Каждая ступень многомерного итеративного кода представляет собой код с одной проверкой на четность, который позволяет восстанавливать на каждой ступени один стертый помехоустойчивый код предыдущей ступени кодирования, а при большем числе стираний помехоустойчивый код предыдущей ступени кодирования многомерного итеративного кода стирается.

Последовательность шагов декодирования, например первой ступени многомерного итеративного кода запишется:

Шаг 1. Декодирование исходных помехоустойчивых кодов j=0…m₁-1 с коррекцией и обнаружением ошибок.

Шаг 2. Если не обнаружено ни одного стертого кода j=0…m₁-1, идти к 6.

Шаг 3. Если обнаружен один стертый код вычислить , идти к 6.

Шаг 4. Если обнаружено более одного стертого кода в последовательности кодов j=0…m₁-1, то код первой ступени многомерного итеративного кода - стирается

Шаг 5. Конец.

Аналогично выполняют декодирование кодов второй ступени многомерного итеративного кода с восстановлением стертых кодов первой ступени многомерного итеративного кода и стиранием кодов второй ступени многомерного итеративного кода, в которых исправление стертых кодов первой ступени многомерного итеративного кода невозможно, и так далее. После декодирования последней ступени многомерного итеративного кода проверяют, все ли информационные блоки сообщения восстановлены. Далее принимают решение о повторном декодировании многомерного итеративного кода. Повторную попытку декодирования выполняют при уменьшении числа стертых информационных блоков сообщения по сравнению с предыдущей попыткой декодирования многомерного итеративного кода, а при сохранении прежнего числа стертых информационных блоков сообщения попытки декодирования прекращают и сообщение стирают. Если после некоторой попытки декодирования все информационные блоки сообщения восстановлены, то считается, что сообщение декодировано и его передают получателю этого сообщения.

Итеративное декодирование многомерного итеративного кода включает несколько попыток декодирования кода, которые существенно повышают вероятность доведения сообщения по сравнению с одной попыткой декодирования кода. Сравним вероятность доведения при одной попытке декодирования многомерного итеративного кода и при многократных попытках декодирования.

При одной попытке декодирования многомерного итеративного кода вероятность восстановления сообщения оценивают формулой

где P_g - вероятность правильного приема кодов g-ой ступени многомерного итеративного кода,

w - число кодов на каждой ступени многомерного итеративного кода,

m - число измерений многомерного итеративного кода.

Вычисления (5) начинают с начального значения вероятности Р₀, которая представляет собой вероятность правильного приема исходного помехоустойчивого кода. Вероятность Р_m последней ступени многомерного итеративного кода представляет собой вероятность восстановления сообщения при одной попытке декодирования кода.

Вероятность восстановления сообщения при многократном итеративном декодировании оценивают по вероятности возникновения неисправимых комбинаций стираний. В многомерном итеративном коде неисправимой комбинацией стираний будет комбинация 2^m стираний исходных помехоустойчивых кодов, расположенных в вершинах m-мерного прямоугольного параллелепипеда. Тогда в каждом измерении многомерного итеративного кода будет 2 стирания, которые не корректируются одной проверкой на четность. По расположению стираний исходного помехоустойчивого кода можно стирать сообщение без декодирования многомерного итеративного кода. Это позволяет снизить сложность декодирования многомерного итеративного кода.

Неисправимой комбинацией стираний будет 2 стирания в каждом измерении кода, всего будет 2^m таких стираний. Число комбинаций стираний веса 2 в одном измерении будет , а для m измерений число комбинаций веса 2 ^m будет равно.

Вероятность неприема сообщения при 2^m стираниях в вершинах m мерного куба и при i=0…w^m - 2^m стираниях на других позициях, приводящих к неприему, запишется

Вероятность восстановления сообщения при итеративном декодировании кода будет

Например, вероятность правильного приема 4-х исходных помехоустойчивых кодов в канале связи с независимыми ошибками со средней вероятностью ошибки на бит p=0,05 равна Р₀=0,922. Допустим, передается сообщение длиной 1 Мбайт, при этом используется трехмерное итеративное кодирование m=3, сторона куба w=5. Тогда вероятность восстановления сообщения при одной попытке декодирования кода, рассчитанная по формуле (5), будет равна Р₃=0,71861, а аналогичная вероятность итеративного декодирования, рассчитанная по формулам (6) и (7), будет существенно больше и равна Q=0,99975.

Преимуществом предложенного способа является повышение помехоустойчивости, а значит, и вероятности доведения сообщения за счет увеличения числа попыток декодирования многомерного каскадного кода, то есть использования многопроходного алгоритма декодирования. Помехоустойчивость также повышается за счет преобразования пакетов стираний в независимые стирания при перемежении блоков сообщения по измерениям итеративного кода. Сложность технической реализации многомерного каскадного кода будет небольшой, поскольку исходный помехоустойчивый код относительно короткий, а многомерный итеративный код строится на основе простейших проверок на четность с исправлением стираний. При этом в канале связи передается исходный помехоустойчивый код и сохраняется прежний формат сообщений, а также совместимость с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи. Многомерный итеративный код строится на основе уже используемого исходного помехоустойчивого кода, защищающего одноблочное сообщение и создающего для многомерного итеративного кода эквивалентный канал связи относительно хорошего качества.

Достигаемым техническим результатом способа передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи является повышение вероятности доведения сообщения и снижение сложности технической реализации при сохранении прежнего формата сообщений и совместимости с ранее разработанным парком аппаратуры комплексов телекодовой связи.

1. Способ передачи многоблочных сообщений в комплексах телекодовой связи, заключающийся в том, что сначала на передающей стороне сообщение делят на информационные блоки и каждый информационный блок кодируют исходным помехоустойчивым кодом, затем последовательность исходных помехоустойчивых кодов кодируют многомерным каскадным кодом, добавляют синхронизирующую последовательность, и полученную комбинацию символов передают на приемную сторону, на приемной стороне сначала выполняют цикловую синхронизацию, определяя начало последовательности исходных помехоустойчивых кодов, затем декодируют исходные помехоустойчивые коды с контролем правильности декодирования и стиранием неправильно декодированных исходных помехоустойчивых кодов, далее выполняют декодирование кодов первой ступени многомерного каскадного кода с исправлением стертых исходных помехоустойчивых кодов и стиранием кодов первой ступени многомерного каскадного кода, в которых исправление стертых исходных помехоустойчивых кодов невозможно, затем выполняют декодирование кодов второй ступени многомерного каскадного кода с исправлением кодов первой ступени многомерного каскадного кода и стиранием кодов второй ступени многомерного каскадного кода, в которых исправление стертых кодов первой ступени многомерного каскадного кода невозможно, и наконец выполняют декодирование кодов последней ступени многомерного каскадного кода, номер которой соответствует числу измерений многомерного каскадного кода, затем восстановленные информационные блоки собирают в одно сообщение, которое передают получателю этого сообщения, отличающийся тем, что на передающей стороне символы последовательности исходных помехоустойчивых кодов с одинаковыми номерами сначала кодируют кодом первой ступени многомерного каскадного кода, затем символы кода первой ступени многомерного каскадного кода с одинаковыми номерами кодируют кодом второй ступени многомерного каскадного кода и наконец кодируют кодом последней ступени многомерного каскадного кода, номер которой соответствует числу измерений многомерного каскадного кода, на приемной стороне выполняют многократные попытки декодирования многомерного каскадного кода, после каждой попытки декодирования проверяют восстановление информационных блоков сообщения и повторную попытку декодирования выполняют только при уменьшении числа стертых информационных блоков сообщения по сравнению с предыдущей попыткой декодирования, а при сохранении прежнего числа стертых информационных блоков сообщения попытки декодирования прекращают и все сообщение стирают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на передающей стороне проверочную часть кода первой ступени многомерного каскадного кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два, исходных помехоустойчивых кодов в соответствии с проверочными соотношениями кода первой ступени многомерного каскадного кода, проверочную часть кода второй ступени многомерного каскадного кода формируют в виде поразрядной суммы по модулю два кодов первой ступени многомерного каскадного кода в соответствии с проверочными соотношениями кода второй ступени и так далее.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве многомерного каскадного кода используют многомерный итеративный код с одной проверкой на четность.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при обнаружении 2^m стираний исходных помехоустойчивых кодов, расположенных в вершинах m-мерного прямоугольного параллелепипеда, где m - число измерений многомерного каскадного кода, выполняют стирание сообщения.