Повышение скорости передачи информации в метеорных системах связи путем использования сигналов переменной длительности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

-►

Проблемы передачи и обработки информации

УДК 004.942

Д.С. Благов, С.В. Волвенко

ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МЕТЕОРНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

В метеорной системе связи используется прерывистый канал передачи с рядом случайных параметров, таких, как время и место появление метеора, численность отражений от метеорных следов, длительность существования и электронная плотность метеорного следа [1—3]. Несмотря на прерывистость и относительно небольшую среднюю пропускную способность (до нескольких десятков, сотен бит/с), метеорная связь имеет целый ряд преимуществ. К ним относятся организация передачи и приема данных в УКВ диапазоне на больших расстояниях (до 2000 км) при использовании радиопередающих устройств, имеющих малые мощности излучения и простые антенны, одновременное обслуживание большого числа корреспондентов на одной рабочей частоте, трудности перехвата и постановки помехи средствами электронного противодействия и др.

Важное достоинство метеорных систем связи -относительно малые энергетические затраты в канале, обусловленные малым уровнем шумов (в основном космического происхождения) и малым поглощением в ионосфере. Это преимущество позволяет делать аппаратуру связи сравнительно малогабаритной и неэнергоемкой. Устойчивость к естественным и искусственным возмущениям в атмосфере Земли позволяет работать в северных широтах, для которых наиболее характерны различные аномалии ионосферы, парализующие средства более длинноволновых диапазонов. Данное свойство представляет особый интерес в чрезвычайных и критических ситуациях, когда метеорные средства могут оказаться единственными, способными в короткий срок восстановить связь [2].

Относительно небольшая скорость передачи информации связана с тем, что канал передачи

метеорной системы связи является прерывистым, с большим интервалом следования метеорных «вспышек», с помощью которых организуется передача данных.

Цель статьи - исследование возможности повышения скорости передачи информации в метеорных системах связи путем применения сигналов переменной длительности [4] при гарантированной помехоустойчивости приема сообщений.

Соотношение скорости передачи информации для постоянной и переменной длительности сигналов

Рассмотрим прежде всего метеорный канал связи, имеющий метеорные следы с пониженной электронной плотностью (значения плотности лежат в диапазоне 108-1014 электронов на метр) [1].

В общем случае для принимаемой мощности сигнала Р и спектральной плотности мощности канального шума N/2, скорость передачи информации определяется выражением [4]:

Я =

(1)

где (£^/#0)пор - минимальное (пороговое) отношение сигнал/шум на входе приемного устройства, обеспечивающее заданную вероятность ошибки на бит; Еь - энергия сигнала, соответствующего одному биту передаваемого сообщения.

Отношение (Еь/#0)пор является фиксированным для данного алгоритма приема сигналов и, соответственно, в этом случае при приеме сигналов, отраженных от метеорного следа и имеющих экспоненциальный закон изменения мощности на длительности пакета, скорость передачи информации также будет являться функцией времени.

Действительно, учитывая, что зависимость мощности принимаемого сигнала от времени для случая следа с пониженной концентрацией электронов имеет вид [2]

получим

Р(0)ехр(~')

(2)

где Р(0) - мощность принимаемого сигнала в момент появления метеорного следа; т - постоянная времени затухания следа.

Постоянная длительность сигналов в пакете сообщения. Пусть 1 - длительность пакета сообщений, которые нужно передать за время одного метеорного следа. При постоянной длительности сигналов ^ число бит, которые могут быть переданы, определяется выражением:

'(0)ехр( '')

(3)

Таким образом, при постоянной длительности сигнала, скорость передачи информации определяется значением в момент времени окончания пакета сообщения и отношением .

Определим оптимальное по критерию максимума скорости передаваемой информации значение (?у)ор4 и максимальное число бит передаваемого сообщения при оптимальном значении (?у)орГ

Максимальное число сигналов, которые могут быть приняты в одном пакете сообщений, может быть найдено дифференцированием (3) по

<Щ* ) Р (0) 7

/

ехр|

Л

/ -21

/

N (Е /Ы)

0 ь 0 пор

2*

/

•ехр

-21

/

(4)

= 0.

т / т \ т

Тогда максимальная скорость передаваемой информации будет равна:

Р( 0)

Д =-. (5)

N (Е /Ы ) е

о4 Ь 0 пор

Переменная длительность сигналов в пакете сообщения. Использование переменной скорости передачи данных предполагает изменение длительности символов в пакете. Критерий выбора длительности символа - постоянство энергии сигнала или постоянство отношения энергии сигнала к спектральной плотности сред-

ней мощности шума на длительности одного пакета сообщения. При этом длительность каждого последующего символа будет больше длительности предыдущего. Очевидно, что в этом случае в зависимости от длительности пакета будет передаваться различное число символов.

Определим число бит, которое может быть принято на длительности одного пакета сообщений. Из (2) следует, что скорость передачи информации экспоненциально уменьшается со временем. В течение некоторого малого интервала времени Л скорость будет постоянной. Число сигналов, принятых за время Ж, будет равно:

лы=

Полное число бит определяется выражением:

N = Ш -

мах J в

РФ)

„ N (Е /Ы ) >

о (А ъ! 0/пор о

Следовательно:

_ ТР( 0)

^ ад/лт0)пор.

|ехр|—(6)

(7)

Сравнивая (7) и (5), получим выигрыш в скорости передачи информации при использовании переменной длительности сигналов: ТР(0)

/ =

ЩЕЬ/М0)Ш 0)

- = е=2,72.

(8)

М0(Ек/М0)поре

Для метеорной системы связи, использующей метеорные следы с пониженной концентрацией электронов, можно показать, что скорость передачи информации будет больше в два раза при использовании переменной длительности сигналов, чем для случая использования сигналов постоянной длительности.

Вероятностные характеристики приема сообщений

Вероятность ошибочного приема бита сообщения. При приеме сигналов, отраженных от метеорных следов, отношение сигнал/шум на входе приемника изменяется на длительности пакета. В этих условиях вероятность ошибки на бит рЬк будет зависеть от отношения сигнал/шум Ик каждого к-го (к = 1, 2, ..., Ы) сигнала в пакете сообщения и будет максимальной для последних битов пакета. Для случая когерентного алгоритма приема противоположных двоичных фазоманипулированных сигналов вероятность ошибки на бит

х

X

Рьк = ^ егС" Ь

(9)

ся на интервале анализа Т. Средняя вероятность ошибки для метеорного канала связи равна:

для некогерентного приема ортогональных в усиленном смысле сигналов:

(10)

Ръ* = 2 е"'5"2*.

где ег/с(х) - табулированная функция ошибок.

Вероятность ошибочного приема пакета сообщения. Вероятность ошибочного приема пакета сообщения, состоящего из I бит, может быть выражена через вероятность ошибки на бит следующим образом:

Ре = 1 -П О - Рь* ).

(11)

к=1

Под вероятностью доставки заданного сообщения на определенном промежутке времени будет пониматься вероятность события, что данное сообщение было хотя бы раз принято без ошибок на этом промежутке времени.

Средняя вероятность ошибки на бит. Суть методики вычисления средней вероятности ошибки на бит заключается в следующем. Пусть на некотором интервале анализа Та имеется Ь метеорных следов и задано пороговое значение отношения сигнал/шум "2пор = (Еь/#0)пор - на входе приемного устройства, при котором канал еще существует. Если отношение сигнал/шум на входе приемного устройства опускается ниже порогового, то считается, что канал пропадает и передача прекращается. При этом предполагается наличие обратного канала передачи, по которому на пункт отправки пакета сообщений будет поступать информация об уровне сигнала в точке приема.

На длительности одного пакета, отраженного от /-го метеорного следа, передается N(1) сигналов и вероятность ошибочного приема каждого из них равна .

Средняя вероятность ошибочного приема сигналов в пакете, отраженных от /-го метеорного следа, очевидно, будет равна: 1 N (/) РЬ = лг/-\ ^ РЬ* .

N(/) *=1

Положим, что интервал анализа достаточно большой, и во время существования канала связи имеются пакеты различной длительности, число которых равно Ь. Тогда можно вычислить средние вероятности ошибочного приема сигналов, отраженных от всех Ь метеорных следов, имеющих-

Р =

г ср

Ръ + Р2ъ + ... + РЬъ Ь

Вероятность доставки заданного объема информации. Под вероятностью доставки будем понимать вероятность того, что на интервале наблюдения заданный пакет сообщений был хотя бы один раз принят без ошибок.

Будем считать, что сообщение, состоящее из I бит, передается в одном пакете. При вычислении вероятности доставки будем считать, что используются только те метеорные следы, которые обеспечивают передачу одного пакета сигналов. Таким образом, если на интервале анализа появляется N метеорных следов, обеспечивающих передачу информации, то происходит N повторений пакетов сигналов.

В случае использования постоянной длительности сигналов отношение сигнал/шум будет меняться как от следа к следу (электронная плотность в момент появления следа является случайной величиной), так и на протяжении следа (благодаря рассеянию электронного облака). Таким образом, для постоянной скорости передачи первые сигналы в пакете сообщения менее подвержены ошибкам, чем последующие, т. к. отношение сигнал/шум на входе приемника с увеличением времени существования пакета уменьшается.

В случае использования переменной длительности сигналов отношение сигнал/шум будет сохраняться постоянным за счет увеличения в пакете длительности последующих сигналов по сравнению с предыдущими. Вероятность ошибки на бит для всех символов пакета будет одинакова.

Частота появления метеорного следа - случайная величина, которая описывается распределением Пуассона. Закон распределения п следов за время t будет иметь следующий вид [1]:

га!

где X - средняя частота (интенсивность) появления метеорных следов.

Выразим вероятность доставки Р1 заданного объема информации I за время Та через вероятность Р(1/п) доставки сообщения за п метеорных следов, каждый из которых обеспечивают передачу одного пакета сигналов, и вероятность появления п метеорных следов за время Т Р(п, Т):

(12)

Pi =£P(I / n)P(n, Ta).

n=1

Тогда получим:

P1=YuP(Hn)P(n,Ta) =

n=1 B

где ^ - вероятность ошибочного приема n-го пакета сообщений.

Результаты моделирования

Для оценки различных характеристик метеорной системы связи используется имитационная модель системы, написанная на языке С++ в среде Visual Studio 2008. Входные параметры модели:

максимальное и минимальное значения отношения сигнал/шум на входе приемного устройства в момент появления метеорного следа, интенсивность появления метеорных следов;

пороговое значение отношения сигнал/шум, которое используется при вычислении средней вероятности ошибки в зависимости от интенсивности появления следов;

вещательный или двухточечный протокол работы системы;

постоянная или переменная длительность сигналов;

количество реализаций шума; длительность интервала анализа.

На рис. 1 приведены формы огибающей A(t) непрерывного колебания на частоте 60-100 МГц на входе приемного устройства (аддитивный канальный шум отсутствует). Интервал анализа составляет 50 с, интенсивность появления метеорных следов 0,5 следа/с, постоянная времени затухания следа 0,1 с.

Рассмотрим зависимость скорости передачи информации от интенсивности появления метеорных следов для различных значений порогового отношения сигнал/шум (рис. 2). Считается заданным пороговое значение отношения сигнал/шум "2пор, а, следовательно, средняя вероятность ошибки на бит. Рассматривается идеализированный случай, когда передача и прием символов происходят на всем интервале существования канала. При имитационном моделировании интервал анализа составлял 5000 с, скорость передачи символов 1 Кбит/с, постоянная времени затухания следа 0,1 с. В качестве сигналов использовались сигналы с двоичной фазовой манипуляцией и оптимальный алгоритм когерентного приема.

Из данной зависимости видно, что чем больше интенсивность появления метеорных следов, тем больше скорость передачи информации при заданной средней вероятности ошибки, определяемой соответствующим значением "2 .

пор

На рис. 3 приведена зависимость объема переданной информации от интенсивности появления

Рис. 1. Вид огибающей непрерывного колебания на входе приемного устройства

в метеорной системе связи

Рис. 2. Зависимость объемов передаваемой информации от интенсивности появления метеорных следов для различных пороговых значений сигнал/шум

метеорных следов при фиксированной средней вероятности ошибки на бит для случая использования постоянной и переменной скоростей передачи символов. При имитационном моделировании интервал анализа составлял 500 с, скорость передачи символов 1 Кбит/с, постоянная времени затухания следа 0,1 с.

Значения средней вероятности ошибочного приема сигналов в передаваемом потоке сообщений одинаковые и равные Рь = 10-3 для постоянной и переменной скорости передачи (см. рис. 3). Из сравнения этих зависимостей видно, что, например, для интенсивности появления метеорных следов X = 0,5 1/с при переменной длительности

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 X, 1/с

Рис. 3. Зависимость объема переданной информации от интенсивности для случаев использования постоянной и переменной скоростей передачи

1

0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5

S -t 5F--h û-ia i--К

—©— Varia ble rate ble teoretic rate rate

Varia —©— Cons

10 20 30 40 50 60 70 80 90 с

Рис. 4. Зависимость вероятности доставки заданного объема информации от времени для постоянной и переменной скоростей передачи данных, полученная в результате расчета и в результате моделирования

сигналов скорость передачи информации увеличивается более чем в два раза по сравнению с классическим случаем использования сигналов постоянной длительности.

Зависимости вероятности доставки Рт заданного объема информации от времени приведены на рис. 4. Протокол передачи пакетов сообщений предполагает использование на интервале наблюдения Ь метеорных следов, пригодных для Ь повторений пакетов сообщений. Размер пакета сообщения составлял 190 бит, интенсивность появления следов 0,1/с, скорость передачи символов 1 Кбит/с, постоянная времени затухания метеорного следа 0,1 с. При приеме использовался алгоритм оптимальной когерентной обработки двоичных фазоманипулированных сигналов.

Из рис. 4 видно, что при использовании пакета длиной 190 бит имеет место значительный выигрыш по времени доставки при использовании сигналов переменной длительности при фиксированной вероятности доставки сообщения.

В результате проведенных теоретических расчетов и имитационного моделирования получены следующие результаты.

Объем информации, который может быть передан за одну вспышку при заданном пороговом отношении сигнал/шум, может быть повышен в 2,7 раза для следов с пониженной концентрацией электронов при использовании переменной скорости передачи данных по сравнению с постоянной скоростью.

Показано, что имеет место выигрыш по времени доставки при фиксированной вероятности доставки для случая использования переменной длительности сигналов по сравнению с постоянной.

В результате имитационного моделирования получены зависимости объема передаваемой информации от интенсивности появления метеорных следов для постоянной и переменной длительностей сигналов.

При использовании сигналов переменной длительности можно получить значительный выигрыш по объему передаваемой информации по сравнению со случаем использования классических сигналов при фиксированной средней вероятности ошибки на бит.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волвенко, С.В. Имитационная модель метеорной радиотехнической системы передачи сообщений [Текст]/С.В. Волвенко, С.Б. Макаров//Проблемы ин-

формационной 6e3onacHociH.-2007.-№ 1. C. 73-85.

2. Abel, M.W. Meteor burst communication: bits burst performance bounce [TeKCT]/M.W. AbeMEEE Trans-

actions on communication.-1986.-Vol. com-34. № 9. P. 927-936.

3. Шомников, М.А. Оценка эффективности функционирования метеорной радиолинии [Текст]/ М.А. Шомников, М.Ю. Литовкин//Радиотехни-

Ka.-1994.-№ 8. C. 45-53.

4. Davidovici, S. Performance of meteor-burst communication system using packet messages with variable data rates [TeKCT]/S. Davidovici, E. Kanterakis//IEEE Transactions on communication.-1989.-Vol. 37. № 1. P. 6-17.

УДК 351.759.6

В.Г. Прокошев, М.М. Рожков, П.Ю. Шамин

ПРОБЛЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ЛИЦ С ОДНИМ ЭТАЛОННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ

В последние годы происходит всё более широкое внедрение технологий биометрической идентификации людей. Рост интереса к этим технологиям объясняется, с одной стороны, возрастающей потребностью в таких технологиях, в основном, связанной с необходимостью парирования террористических и криминальных угроз, а с другой стороны, - расширяющимися возможностями в этой сфере. Повышение эффективности технологий биометрической идентификации обеспечивается ростом производительности вычислительной техники, что делает возможным быстрый поиск в больших базах данных биометрических признаков и позволяет в реальном времени реализовывать всё более сложные и эффективные алгоритмы и наборы биометрических признаков.

Несмотря на то, что методы идентификации, основанные на определении отпечатков пальцев или сканировании радужной оболочки, возможно, более точны, распознавание лиц всегда было в центре внимания ученых в силу своей «неагрессивности» по отношению к пользователям.

Обзор проблемы SSPP

Степень точности существующих методов автоматического распознавания лиц зависит от количества фотографий-ракурсов распознаваемых людей, используемых для тренировки системы -так называемых тренировочных или эталонных изображений (sample). Чем меньше тренировочных (эталонных) изображений для каждого человека использует система, тем ниже ее точность.

Ситуация, когда система использует только одно эталонное изображение, приводит к значительному снижению точности распознавания. Данная проблема в научном сообществе называется проблемой одного эталонного изображения. В англоязычных источниках эта проблема фигурирует под аббревиатурами SSPP («Single Sample per Person») [5] или OSS («One Sample Size») [6]. Среди задач автоматического распознавания лиц проблема SSPP занимает особое место.

В связи с важным практическим значением проблемы SSPP, в этом направлении в настоящее время ведутся многочисленные исследования. Эффективность решения задачи SSPP алгоритмами, рассчитанными на обучение с использованием многих ракурсов, представлена в табл. 1. Алгоритмы тестировались на разных базах изображений (AR и FERET) с различным количеством персон в базах. Для распознавания использовались фотографии персон, которые заведомо есть в базе. Корректность распознавания показывает насколько хорошо алгоритм находит в базе изображений лиц фотографию того же человека.

Как видим из таблицы, корректность работы алгоритмов для решения проблемы SSPP невысока. Поэтому ведутся исследования, направленные на повышение корректности распознавания. Основное направление исследований в рамках проблемы SSPP заключается в следующем.

Информация, отсутствие которой обусловлено наличием в базе только одного ракурса, восполняется различными, иногда искусственными, методами. После чего применяются хорошо зарекомендовавшие себя стандартные статистиче-