CC BY
36
-□ □-
Дано оцшку показникам ефектив-ностi системи передавання зi старш-ням шформацп, в якш використовуеть-ся виршальний зворотний зв'язок. Розглянуто вплив стартня шформацп на вибiр методiв передавання при заданш якостi. Показано можливостi систем передавання з розрядно-цифро-вим кодуванням i таймерними сигналь-ними конструкщями
Ключовi слова: стартня шформацп, таймерн сигнальн конструк-цп, розрядно-цифровi коди, система передавання, виршальний зворотний зв'язок
□-□
Дана оценка показателям эффективности системы передачи со старением информации, в которой используется решающая обратная связь. Рассмотрено влияние старения информации на выбор методов передачи при заданном качестве. Показаны возможности систем передачи с разряд-но-цифровым кодированием и таймер-ными сигнальными конструкциями
Ключевые слова: старение информации, таймерные сигнальные конструкции, разрядно-цифровые коды, система передачи, решающая обратная связь -□ □-
УДК 621.391.037.372
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.28128
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПРИ ВЛИЯНИИ ПРОЦЕССА «СТАРЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ»
Н. В. Захарчен ко
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* М. М. Гаджиев Доктор технических наук, доцент* E - mail : gadjievmm@ukr.net В. В. Корчинский Кандидат технических наук, доцент* А. Н. Рябуха Преподаватель кафедры* *Кафедра информационной безопасности и передачи данных Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова ул. Кузнечная, 1, г. Одесса, Украина, 65029
1. Введение
Введение К. Шенноном количественной меры информации и установление фундаментальных ограничений на скорость её передачи по каналам связи явились первым этапом в изучении информационных потоков. К сожалению, в теории Шеннона отсутствовали два важнейших компонента, во-первых, цель, с которой получается информация, и, во-вторых, время, в течение которого она возникает, передается и используется.
Уяснение цели получаемых сведений позволяет приписывать сообщению ту или иную «ценность». Наличие связи между моментом появлением какого-то сообщения и временем его использования позволяет делать выводы о целесообразности использования принимаемой информации, признавая за ней способность «стареть».
Понятие «старение информации» отражает свойство информации утрачивать со временем свою практическую ценность, что обусловлено изменением состояния отображаемой ею предметной области. Старение информации неразрывно связано с ценностью информации и влияет на её потребительскую стоимость [1].
Для различных объектов, например, спутник, самолет, атомная станция, ракета или обычный поль-
©
зователь сети передачи данных и т. д., передаваемая информация в зависимости от цели своего назначения может обладать той или иной ценностью и стареть с различной скоростью.
Поэтому актуальной является задача выбора метода передачи с учётом влияния фактора старения информации. Можно выделить два основных подхода к решению этой задачи: экстенсивный и интенсивный. Экстенсивный подход реализуется в основном за счет дополнительных капитальных или накладных затрат, предполагая ввод в эксплуатацию более скоростных каналов связи или передачу одного сообщения по уже имеющимся параллельным каналам связи. Более экономичным является интенсивный подход к решению проблемы за счет использования таких методов передачи, которые позволяют более эффективно использовать уже имеющиеся ресурсы канала связи [2, 3].
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Проблеме обеспечения достоверности передачи информации по каналам связи посвящено много работ [1-5]. По-разному решается эта задача в односторонних системах передачи данных (ПД) и системах ПД с
обратной связью. К сожалению, в существующей литературе по системам ПД отсутствует соответствующий теоретический материал, обосновывающий выбор метода передачи с учетом фактора старения информации. Этот пробел и послужил основой по рассмотрению данного вопроса.
Рассмотрим систему ПД со старением информации (СИ), использующую линейный (п, к) код для защиты от ошибок и заданных параметрах[6]: Тст - предельное время старения;Рно(п) - вероятность необнаруженной ошибки; Тд - время доставки сообщения; к - число информационных элементов в кодовом блоке п.
В такой системе задача нахождения оптимальной длины кодовой комбинации уже не может быть решена без учета выполнения условия по доставке сообщения [4].
Т„ < Т„
(1)
Очевидно, что это условие может ограничивать время передаваемого сообщения Тп и с учетом потерь в канале и длительности самого сообщения должно выполняться условие
ние Тст , которое может потребоваться для передачи полезного сообщения с учетом неизбежно возникающих при этом потер Тп (рис. 1). Заданное время по доставке сообщения Тд обеспечивается за счет использования более эффективных алгоритмов и методов передачи. Представляет интерес задача по уменьшению времени Тп с целью увеличения доли передачи полезного сообщения [10]. Если рассматривать двоичный канал, то в качестве такой задачи может быть задача по определению оптимального значения длины кодового блока для стационарного состояния канала с целью минимизации возможных потерь в той или иной системе передачи [5]. Поэтому для времени Тд требуется нахождение оптимального значения длины кодового блока, при котором выполняется условие (2) и (4). С учетом потерь в канале связи длина блока п должна быть по возможности минимизирована, т. е. п ^ пмин. Если значение пмин обеспечит передачу нужного объёма информации с учётом возможных потерь в канале за время менее Тст, тогда задача считается решённой. В противном случае следует использовать более эффективные методы кодирования или модуляции.
Т + Т < Т .
(2)
Уменьшение длины кодовой комбинации, с одной стороны, может быть, и обеспечит выполнение поставленной цели по доставке в пределах заданного Тст , однако, с другой стороны, вступает в силу противоречие, которое заложено именно в самой фундаментальной теореме кодирования К. Шеннона [1-3]. Из этой теоремы следует, что требуемое качество как раз и можно обеспечить за счет увеличения длины кодовой комбинации. При этом гарантируется достижение высоких скоростей передачи при пренебрежимо малом значении вероятности ошибок. С учетом свойств корректирующих кодов при п ^ » значение проверочной части г ^ 0 , тогда кодовая скорость [1]
,. к „
У к =11т—>1. 1м» п
(3)
Обеспечение предельных показателей РНО(п)^0 и ук ^ 1 достигается за счет ухудшения такого важного параметра, как время доставки, т. е. Тд . Ограничение параметра Тд согласно условию (1) не позволяет использовать в реальной системе передачи сообщения большой длины. Невыполнение условия (1) делает систему передачи со старением информации неработоспособной.
На рис. 1 показаны гипотетические функции изменения параметра РНО(п) в зависимости от времени доставки Тд. Различный ход кривых РНО(п) (зависимости 1...3, рис. 1) объясняется меньшей или большей эффективностью того или иного метода передачи (способа кодирования, вида модуляции и т. д.). Для заданного значения Тст по этим зависимостям можно определить метод передачи, при котором обеспечивается заданное качество передачи сообщения, т. е. [5]
Рно(П) < Рно(П)з,
(4)
Обратный характер зависимостей Тд и РНО(п) позволит определить максимально возможное значе-
Рис. 1. Зависимость между вероятностью РНо(п) временем Тд
Таким образом, даже при выполнении условия (4) данная задача не считается решённой, если за время Тд < Тст система не обеспечит передачу заданного объёма информации Уэзд.
Следовательно, задача следующего этапа сводится к поиску более эффективного метода передачи, обеспечивающего с одной стороны, требуемое качество передачи, а, с другой, - передачу большего объема информации.
3. Цель и задачи исследования
Целью исследования является оценка эффективности использования таймерных сигнальных конструкций в системах передачи со старением информации.
Задачами, решение которых может считаться необходимым для достижения поставленной цели, были выбраны:
1) исследование эффективности системы передачи с решающей обратной связью с учетом обеспечения качества передачи и выбора оптимальной длины кодового блока;
2) сравнительный анализ эффективности использования в системах передачи разрядно-цифровых кодов и таймерных сигнальных конструкций.
4. Особенности передачи информации в системах с обратной связью
Рассмотрим аналогичное противоречие с точки зрения теоремы Шеннона, которое характерно также и для системы ПД с обратной связью (ОС). Покажем это на примере системы ПД с решающей обратной связью (РОС) и непрерывной передачей (НП). Относительная эффективная скорость передачи R для неё определяется с учетом двух основных сомножителей [6]
Я = Тк Т3-
(5)
где уэ - коэффициент приёма.
На рис. 2 показаны зависимости R, уК и уЭ от длины п . В табл. 1 приведены расчетные значения исследуемых показателей. Единица определяет максимальное теоретическое значение эффективности использования канала для разрядно-цифровых кодов (РЦК). С увеличением п параметр уК увеличивается, однако другой параметр у Э при этом уменьшается из-за роста числа запросов на повторение искаженных кодовых комбинаций. С ростом п увеличивается вероятность стирания кодового блока Рст(п) , что приводит к уменьшению скорости, т. е. Я ^ 0 . Следовательно, в системе ПД с ОС осуществлять передачу с большим значением п не представляется возможным.
Нахождение оптимальной длины кодовой комбинации с целью получения максимальной скорости Я [6] для некоторого стационарного состояния канала осуществляет при выполнении условия
Т к = 7 3.
(6)
Рис. 2. Зависимость относительной эффективной скорости передачи R от длины кодового блока в системе ПД с РОСнп
Полученное попт позволит в пределах его окрестностей значений п1 и п2 (рис. 2) найти длину кодовой комбинации с учетом времени по доставке Тд .
Однако сразу же возникает вопрос. А каким же образом по значению ряда получаемых значений Я выбрать требуемую длину кодовой комбинации п? Ведь значение Я относительная величина эффективной
скорости передачи, а Тст - размерная величина. Это означает, что величины Я и Тст необходимо связать с реальной битовой скоростью передачи В в канале. Полученное значение эффективной скорости Я для системы передачи со старением информации можно использовать для определения реального времени по доставке Тд с учетом номинальной скорости Вн (бит/с) в канале и проверки выполнения условия (1)
1
Т =-< Т .
д ВнЯ ст
Показатель 1/Я определит коэффициент приращения скорости, необходимое для компенсации потерь в канале. Для практического случая значение скорости В определяется с учетом знака больше или равно.
Таблица 1
Расчетные значения коэффициентов эффективности системы ПД с РОСнп в режиме обнаружения ошибок при а=0,202, do=4, РНО(п) =3 10-6, Po=2,645 10-3
1 N=24 Т к Т э Я
1 31 0,697 0,978 0,578
2 63 0,84 0,961 0,731
3 127 0,915 0,938 0,773
4 255 0,955 0,892 0,730
5 511 0,976 0,807 0,594
6 1023 0,987 0,655 0,326
7 2047 0,993 0,379 0,376
Однако, как утверждает практика, решение данной задачи за счет использования только РЦК не всегда может дать положительный результат. Наиболее эффективное использование каналов связи для передачи различных сообщений и необходимая помехоустойчивость систем связи достигается путем выбора рациональных структур сигналов. Выбор видов сигналов в системе определяется применяемым методом кодирования. Примером таких сигналов могут служить тай-мерные сигнальные конструкции (ТСК) [7].
5. Применение корректирующих таймерных кодов для повышения качества передачи
Таймерные сигнальные конструкции обеспечивают увеличение числа реализаций на интервале Тс = к^ за счет введения модуляции информационных параметров в точках не кратных ^ , а кратных некоторому
элементу Д = ^ е1, 2..^0). Для исключения межсимвольных искажений принимается расстояние между моментами модуляции тс > ^ [8].
Для бинарного канала на рис. 3 показано, что на интервале Тс можно сформировать несколько отрезков тс со своими длительностями и своим положением в пределах кодового слова. Для ТСК характерно, что в длительностях отрезков тс и их взаимном положении или в местах расположения значащих моментов модуляции (ЗММ) и «заложена» информация о передаваемом символе (команде).
Тсгкк
1 2 3,4,5 6 , 7
1 1 1
ЗММ
1-ое нодовое И-ое
3 гптп^тПггп
ГГГГП
0 1234
0 1234
1-ое подовое слово
0 123 4 IА
/1-ое
Л^дттстшшп з_1_^
0 2 0 1 2 3 4 / t
О 0 123 45 I
!-ое подовое слово
К
11-ое
1
Рис. 3. Формирование таймерные сигнальные конструкции
В табл. 2 приведено число реализаций сигналов в двоичных сигнальных конструкциях длительностью к е 4;5;6;7 -элементов и число реализаций для разряд-но-цифрового двоичного кода = 2к).
Таблица 2
Число реализаций в ТСК
2к 16 32 64 128
к 8 4 5 6 7
15 816 5000 20000 40000
10 286 103 5000 10000
5 56 286 816 2000
3 20 84 220 455
Р. =
2фГА I 2о
(10)
где Ф(х) - интеграл вероятности.
6. Анализ результатов исследований пропускной способности канала
Зависимости пропускной способности См каналов с различным уровнем флуктуационных шумов (задано Ь = ис/ип как функции в (кривые 1-3 для Ь 7,5 и т = 8,6,5 соответственно, кривые 4-6 для Ь = 5,5 и 111 = 8;6;5 соответственно)) показаны на рис. 4. По этим зависимостям следует, что для каждого значения Ь имеется значение зоны, при котором См будут максимальными.
Рис. 4. Зависимости пропускной способности каналов от уровня флуктуационных шумов
Из табл. 2 видно, что, увеличивая S, можно в сотни раз увеличить мощность множества, разрешенных сигнальных конструкций, а число реализаций на интервале из к элементов равно [9]
(7)
где i - число информационных отрезков или ЗММ. При т > 2 и переменном 1 число реализаций равно
N>2 = Х(т - ^
(8-1) •
(8)
Оптимальное значение Допт на практике определяется среднеквадратичным отклонением о смещения фронта огибающей сигнала на выходе канала
Допт = (3,8...4,5)о =
3,8...4,5 4Ь .
(11)
Также предполагается, что в канале используется частотная модуляция, для которой справедливо соотношение [7]
о=1/4Ь, Ь = и7и„
(12)
Так как расстояния между отдельными реализациями используемого множества рассматриваемых сигналов не одинаковы, то для пропускной способности канала можно записать [10]
С , 1 к
1^2 N + Рп log2Pп+(l - Рп^
1 - Рп N -1
(9)
где Рп - вероятность верного приема сигнальной конструкции.
В канале с флуктуационными шумами для случая приема отдельных реализаций методом анализа в средней части каждого элемента Д на интервале Тс = (zt0 - число точек анализа), значение верного приема Рп реализации с 1 - моментами модуляции равно [8]
Такой подход формирования сигналов позволяет обменивать верность передачи информации на скорость; т. е. за меньшее время передачи Тст передать больший объем информации (алфавит кодовых слов), однако с некоторой потерей качества. Для компенсации потерь помехоустойчивости с целью обеспечения необходимого качества передачи информации полученный выигрыш по числу реализаций можно использовать для создания избыточности, необходимой для обеспечения заданной вероятности ошибочного приема на переданный знак.
7. Выводы
Выбор метода передачи для современных системы передачи данных со «старением информации» при усло-
вии оптимального выбора длины кодовой комбинации и качественных показателей передачи не всегда может быть реализован на основе позиционного кодирования.
Применение в этих условиях ТСК конструкций позволяет более эффективно использовать канал связи за счет использования рациональных структур сигналов.
Результаты проведенных в работе исследований показали, что:
1. Использование ТСК позволит приблизительно вдвое уменьшить время доставки информации по сравнению РЦК практически при тех же качественных показателях за счет существенного уменьшения числа координат в разрешенных сигнальных конструкциях.
2. Полученный выигрыш по числу реализаций может быть использовано для создания избыточности с целью обеспечения заданной вероятности ошибочного приема.
Литература
1. Рид, Р. Основы теории передачи информации [Текст] / Р. Рид; пер. с англ. - М.: «Вильямс», 2005. - 320 с.
2. Гусев, О. Ю. Теорiя електричного зв'язку [Текст] : навч. пос. / О. Ю. Гусев, Г. Ф. Конахович, О. Ю. Пузиренко та ш. - Львiв: «Магнолiя 2006», 2010. - 364 с.
3. Акулиничев, Ю. П. Теория электрической связи [Текст]: уч. пос. / Ю. П. Акулиничев. - СПб.: Издательство «Лань», 2010. - 240 с.
4. Рихтер, С. Г. Кодирование и передача речи в цифровых системах подвижной связи [Текст] / С. Г. Рихтер. - М.: «Горячая линия - Телеком», 2010. - 304 с.
5. Прокис, Дж. Цифровая связь [Текст] / Дж. Прокис; пер. с англ. под ред. Д. Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.
6. Васильев, К. К. Теория электрической связи [Текст] : уч. пос. / К. К. Васильев, В. А. Глушков, А. В. Дормидонтов, А. Г. Не-стеренко; под общ. ред. К. К. Васильева. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 452 с.
7. Захарченко, В. Н. Синтез многопозиционных временных кодов [Текст] / В. Н. Захарченко. - Киев: Техника, 1999. - 281 с.
8. Захарченко, Н. В. Сравнение синдромных методов для корректирующих блоковых позиционных и таймерных кодов [Текст] / Н. В. Захарченко, М. М. Гаджиев, Б. К. Радзимовский и др. // «Восточно-Европейский журнал передовых технологий». -2014. - Т. 2, № 9(68). - С. 4-9. - Режим доступа: http://joumals.uгan.ua/eejet/aгt1cle/v1ew/23091/21144
9. Корчинський, В. В. Ефектившсть ^кратного повторення надлишкових таймерних сигнальних конструкцш [Текст] / В. В. Корчинський, В. Й. Кшьдишев, С. В. Хомич, Ю. В. Белова // Вестник НТУ «ХПИ». - 2012. - Вип. 26. - С. 36-38.
10. Кшьдишев, В. Й. Влияние сосредоточенных во времени помех на искажении таймерных сигналов. [Текст] / В. Й. Кшьдишев, А. Ю. Мирошниченко, Н. О. Нжолаев, Люай Танжи // Телекомушкацшш системи та мережi на зашзничному транспорт^ Зб. наук. пр. - 2005. - Вип. 71. - С. 52-58.
