Система передачи дискретной информации с адаптивным помехоустойчивым кодированием Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

вложение в защиту информации снижает риски.

Однако применительно к системам принятия решений с привлечением экспертов должен использоваться другой подход, определяющий, что существенными являются лишь те угрозы, которые приводят к изменению выбранной экспертами альтернативы. Соответственно, и система защиты информации должна строиться таким образом, чтобы обеспечить выполнение указанного требования.

Библиографический список

1. Симонов, С. В. Технологии и инструментарии для управления рисками / гл. ред. В. Ю. Дмитриев // 1е11пЮ, информационный бюллетень. — 2003. — № 2.

2. Ефимов, Б. И. Применение алгоритмов теории графов для решения задач, связанных с обеспечением информационной

безопасности в системах принятия решений / Б. И. Ефимов // Системы управления и информационные технологии. — 2009. — № 1.3 (35). - С. 342-346.

3. Управление рисками: Обзор употребительных подходов. Часть 2 / гл. ред. В. Ю. Дмитриев // 1е11пЮ, информационный бюллетень. — 2006. — № 12.

4. Куканова, Н. Методы и средства анализа рисков и управление ими в ИС / Н. Куканова// БУГЕ/Россия. — 2005. — № 12. — С. 69 — 73.

ЕФИМОВ Борис Игоревич, соискатель кафедры «Комплексная защита информации».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 21.06.2011 г.

© Б. И. Ефимов

УДК 621.396.13+621.394.147.3+004.942 р. Д. КУЛЬБИДА

Омский государственный технический университет

СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ С АДАПТИВНЫМ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫМ КОДИРОВАНИЕМ______________________________________________

В работе описывается спроектированная автором система передачи дискретной информации, построенная на основе запатентованного способа передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией. Также проведено исследование предложенного автором универсального непрерывного векторного кода для адаптации помехоустойчивого кодирования в спроектированной системе.

Ключевые слова: система передачи информации, помехоустойчивый код, кодирование, адаптация, универсальный код.

Введение

В системах передачи дискретной информации (далее — СПДИ) (рис. 1) наибольший интерес в области техники радиосвязи составляют вопросы, связанные с эффективностью использования канала, так как наиболее дорогой частью СПДИ является канал связи (далее — КС) [1, 2].

В свою очередь, эффективное использование КС напрямую зависит от увеличения скорости передачи полезной информации (информация, поступающая на вход кодера) при сохранении требуемой достоверности (надежности) обмена данными в любой момент времени. При этом увеличение скорости можно добиться различными способами, одним из которых является использование информации о состоянии КС. Автором был разработан [3, 4] и получен патент на изобретение способа передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией [5], где информация о состоянии КС используется для изменения корректирующей способности и избыточности помехоустойчивого кода, тем самым увеличивая скорость обмена данными. В свою очередь, для эффективного использования КС помехоустойчивый код должен обладать:

— гибкой (адаптивной) структурой, позволяющей легко менять параметры кодирования и избыточность кода в зависимости от состояния КС;

— простым и универсальным алгоритмом декодирования;

— требуемой достоверностью (надежностью).

С учетом выше сказанного, целью данной работы является проектирование и описание системы передачи дискретной информации с адаптивным помехоустойчивым кодированием, построенной с использованием запатентованного автором способом передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией [5]. Кроме того, для этой системы в работе будет кратко описан ранее предложенный автором универсальный непрерывный векторный код [6— 8] и проведено исследование помехоустойчивых свойств этого кода.

Система передачи дискретной информации с адаптивным помехоустойчивым кодированием

На основе запатентованного способа передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией [5], была построена СПДИ с адаптивным помехоустойчивым кодированием (рис. 2).

Рис. 1. Упрощенная структура СПДИ

Рис. 2. Система передачи дискретной информации с адаптивным помехоустойчивым кодированием

ИИ и ПИ — соответственно источник и приемник информации (корреспонденты) ведущие обмен основными сообщениями. Основные сообщения — передаваемая полезная информация.

АК — анализатор канала, это дополнительная аппаратура, анализирующая физическое состояние КС, на выходе которой формируются численные характеристики канала, позволяющие судить о помеховой обстановке в КС.

АКт — анализатор канала, встроеный в ИИ и ПИ, анализирует состояние КС на основе полученых от корреспондента как основных сообщений, так и специальных последовательностей. Специальная последовательность обеспечивает максимальную чувствительность к параметрам КС и его изменениям, т.е. по результатам анализа изменений специальной последовательности, произошедших при ее передаче, можно было бы судить о состоянии канала. В качестве специальных можно использовать последовательности Баркера, Лежандра, М - последовательности и др. [1].

Кодер 1 и Декодер 1 — соответственно алгоритмы помехоустойчивого кодирования и декодирования, при помощи которых СПДИ адаптируется к сосото-янию КС.

БОСК — блок оценки состояния канала, позволяет по численым характеристикам, поступающим из АК и АК1п (ИИ и ПИ), и используемом алгоритме кодирования/декодирования (от БВК), судить о помеховой обстановке в КС в текущий момент времени. При этом если БПСК не используется как дополнительный блок, то БОСК формирует управляющий

сигнал при помощи которого осуществляется выбор Кодера х и Декодера х, оптимального для текущей помеховой обстановки в КС, в противном случае БОСК входит в состав БПСК.

БПСК — блок прогнозирования состояния канала, это дополнительный блок, который при помощи БОСК, входящего в его состав, а также по предще-ствующим состояниям канала (хранящихся в БПСК) позволяет судить о помеховой обстановке в канале связи и прогнозировать её дальнейшее изменение. В соответствии с этим формируется управляющий сигнал, при помощи которого осуществляется выбор Кодера х и Декодера х, оптимального для данной помеховой обстановки в КС и её прогноза.

БВК — блок выбора кода, осуществляет выбор оптимального Кодера х и Декодера х в соответствии с управляющим сигналом, поступающем от БОСК/ БПСК (для приемника) или ИИ/ПИ (для передатчика), а также информирует ИИ или ПИ о состоянии БВК, которые в соответствии со своим протоколом обеспечивают дальнейшее функционирование СПДИ.

Данная СПДИ с адаптивным помехоустойчивым кодированием обеспечивает обмен сообщениями как в дуплексном и полудуплексном, так и в симплексном режимах функционирования [1] СПДИ, но при этом в симплексном режиме функционирования необходимо наличие решающей или информационной обратной связи [2] для передачи сообщения о выбранном коде и его параметрах своему корреспонденту.

Функционирование данной системы (рис. 2) можно описать при помощи алгоритма (рис. 3).

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

286

Процедура вхождения в связь двух корреспондентов (блок 1) является общеизвестной процедурой установления связи между корреспондентами с последующей возможностью передачи основных сообщений. В тоже время при неудачном вхождении в связь происходит повторная попытка процедуры вхождения в связь, которая может повторяться определенное количество раз или в течение определенного интервала времени. После удачного вхождения в связь (блок 3) БВК каждого корреспондента устанавливает Кодер и Декодер с наибольшей корректирующей способностью в каждом из направлений СПДИ, что обеспечивает достоверность в первоначальном обмене сообщениями.

Обмен основными сообщениями в каждом направлении СПДИ (блок 4) производится параллельно процессу адаптации (блок 5), в который входят: оценка состояния КС в каждом направлении СПДИ, выбор помехоустойчивого Декодера х оптимального к состоянию КС, передача сообщения о выбранном помехоустойчивом Кодере х своему корреспонденту. Такой параллельный процесс обработки сигналов обозначается на рисунке двойной линией со стрелками (рис. 3).

Обмен основными сообщениями в каждом направлении СПДИ (блок 4) происходит по общеизвестному порядку: кодирование (в соответствии с выбранным Кодером 1), передача — прием сообщения, декодирование (в соответствии с выбранным Декодером 1). Все остальные процедуры, связанные с оценкой состояния КС, входят в процедуру адаптации (блок 5), даже если они связаны с процедурой обмена основными сообщениями.

Алгоритм функционирования процедуры адаптации помехоустойчивого кодирования (блок 5) проиллюстрирован на следующем рисунке (рис. 4).

Оценка состояния КС в каждом направлении СПДИ (блок 7) формируется:

— по результатам анализа специальной последовательности, при их приеме (блок 5) с помощью АК1п;

— с учетом других данных о состоянии КС, используемых помимо оценки специальной последовательности, для повышения надежности оценки состояния КС.

Для обеспечения максимальной пропускной способности КС на определенный прогнозируемый интервал времени БВК на основании оценки состояния КС осуществляет выбор Декодера х в каждом направлении СПДИ (блок 8). При этом происходит информирование ИИ/ПИ и БПСК о состоянии БВК (блок 9). Передача сообщения о выбранном Кодере х своему корреспонденту (блок 10) может осуществляться следующим образом:

— при помощи решающей обратной связи;

— за счет введения избыточности в передаваемое основное сообщение, участок данных — «преамбула», содержащий информацию, обеспечивающую выбор Кодера х.

Универсальный непрерывный векторный код и его исследование

Для описанной выше СПДИ с адаптивным помехоустойчивым кодированием автором был предложен универсальный непрерывный векторный код (далее — УВК) [6 — 8] (рис. 5), который был полу-

Процедура вхождения в связь

- 1

БВК в каждом из направлений СПДИ использует код с наибольшей корректирующей способностью

Рис. 3. Алгоритм функционирования СПДИ с адаптацией

— 3

Рис. 4. Алгоритм функционирования процедуры адаптации в СПДИ

чен в результате синтеза сверточного [9, 10] и векторного кода [11, 12] при модификации автором последнего.

УВК можно описать следующими параметрами:

— М — число информационных разрядов, поступающих на вход кодера за один цикл кодирования;

— К — число проверочных разрядов, формируемых в результате одного цикла кодирования;

— N — длина кодового слова, Ы = М + К, если код систематический, и N = K (К>М), если код несистематический;

— Ь — конструктивная длина кода;

М

■ г — скорость кодирования

N '

— В. — набор кодирующих матриц размерностью ((М + і)хЬ), где 1<і<К;

Ві =

ь.1

Ь21

Ь.2

Ь22

Ь1Ь

ь2ь

Ь.т

Ь.М+і)1 Ь.М+і)2

Ьі

(М+і)Ь

где 1<1<К, 1 <1<(М + 1) и 1<ш<Ь

— Б — вектор весов кодирующих матриц Б = {в.}, где 1<1<К.

М +1 Ь • в = у у Ь1 1-1 1 1ш

1 = 1 ш = 1 1

К этому коду были разработаны соответствующие алгоритмы кодирования и декодирования [13, 14].

С помощью разработанного программного комплекса были проведены исследования корректирующих способностей УВК. Анализируя полученные результаты исследований (рис. 6), с учетом проведенных ранее экспериментов [13—15] можно сделать следующие основные выводы:

1) корректирующая способность УВК улучшается

с уменьшением Г, где 72 < Г < 1, т.к. должно выполняться условие К<М из-за описанного противоречия [14];

2) при равных г корректирующая способность лучше у того УВК, у которого величины М, К или Ь меньше, т.е. кодирующая матрица должна иметь минимальный размер;

г =

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

287

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

3) для увеличения корректирующей способности УВК при выборе параметров М, К и Ь необходимо выполнять ограничения:

М

Рис. 5. Универсальный непрерывный векторный код

Рис. 6. Корректирующая способность УВК при разных параметрах (где р - вероятность ошибки в КС,

РЬ - вероятность ошибки после декодирования)

K<M,

2

+1 < L, при условии ((M + K)xL)®min,

при этом размер кодирующих матриц зависит от векторов весов этих матриц S;

4) веса кодирующих матриц для повышения корректирующей способности должны лежать в пределах:

м < s, < ML i 2

Заключение

В заключение отметим, что использование предлагаемой СПДИ, основанной на адаптации помехоустойчивого кодирования к состоянию КС, совместно с УВК кодом позволяет осуществить достоверный обмен сообщениями на максимально возможной скорости в любой момент времени. Это возможно при условии, что скорость обмена информацией в такой СПДИ невелика (до 10000 бит/с), а КС характеризуется неблагоприятной помеховой обстановкой (т.е. часто меняющейся во времени интенсивностью возникновения ошибок в КС), например, коротковолновая радиосвязь.

Библиографический список

1. Прокис, Дж. Цифровая связь. / Дж. Прокис ; пер. с англ. ; под ред. Д. Д. Кловского. — М. : Радио и связь, 2000. — 800 с. — ISBN 5-256-01434-X.

2. Коржик, В. И. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой / В. И. Коржик, Л. М. Финк. — Москва : Связь, 1975. — 272 с.

3. Кульбида, В. А. Способ передачи сообщений с многопараметрической адаптацией / В. А. Кульбида // Студент и научнотехнический прогресс : тезисы докладов XLII Межд. науч. студенческой конф., Новосибирск, 12-14 апреля 2005 г. — Новосибирск : НГУ, 2005. - С. 233.

4. Кульбида, В. А. Способ дуплексной передачи сообщений с адаптивным кодированием / В. А. Кульбида // Прикладная математика и информационные технологии : сб. науч. и метод. трудов. ; под ред. А. А. Колоколова. — Омск : ОмГТУ, 2005. — С. 159—162. — ISBN 5-8149-0225-6.

5. Пат. 2300843 Российская Федерация, МПКИ7 H 04 L 1/ 16. Способ передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией / Кульбида В. А., Ярошевич Б. Н. (РФ) ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие Омский научно-исследовательский институт приборостроения. — 2005118263/09; заявл. 14.06.2005; опубл. 10.06.2007, бюл. №16. — 8 с.

6. Кульбида, В. А. Помехоустойчивый код с гибкой структурой / В. А. Кульбида // Информационные технологии и математическое моделирование : материалы IV Всероссийской науч.-пр. конф. Анжеро-Судженск, 18—19 ноября 2005 г. — Томск : изд-во Томского ун-та, 2005. — Ч. 1. — С. 139-141. — ISBN 5-7511-1957-0.

7. Кульбида, В. А. Способы помехоустойчивого кодирования и декодирования для построения систем связи с адаптацией этих способов к состоянию канала / В. А. Кульбида // Техника радиосвязи. Научно-технический сборник. ; под ред. В. В. Полякова. — Омск : ОНИИП, 2006. — Выпуск 11. — С. 40 — 51.

8. Кульбида, В. А. Математическое моделирование в системе передачи дискретной информации / В. А. Кульбида // Омский научный вестник. — 2010. — № 3(93). — С. 236 — 239.

9. Золотарёв, В. В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы : справочник. / В. В. Золотарёв, Г. В. Овечкин ; под

ред. чл.-кор. РАН Ю. Б. Зубарева. — М : Горячая линия-Телеком, 2004. - 126 с. - КВК 5-93517-169-4.

10. Морелос-Сарагоса, Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение. / Р. Морелос-Сарагоса ; пер. с англ. ; под ред. В. Б. Афанасьева. — М. : Техносфера, 2005. — 320 с. — КВК 5-94836-035-0.

11. Скотт, Э. Исправление многобитовых ошибок при помощи одного контрольного бита на слово / Э. Скотт, Д. Гет-шель // Электроника. — 1981. — № 9. — С. 40 — 47.

12. Шафеева, О. П. Обнаружение и исправление ошибок в вычислительных системах многовекторными кодами : учеб. пособие / О. П. Шафеева. — Омск : ОмПИ, 1991. — 76 с.

13. Кульбида, В. А. Помехоустойчивый код с гибкой структурой и универсальный алгоритм его декодирования / В. А. Кульбида // Вестник ТГУ. Приложение. — Томск : ТГУ, 2006. — № 17. — С. 310 — 315. — КБК 1561-7793.

14. Кульбида, В. А. Универсальный непрерывный векторный код и исследование алгоритмов кодирования и декодирования /

B. А. Кульбида. // Системы управления и информационные технологии. Научно-технический журнал. — Воронеж : Научная книга, 2009. — Выпуск 1.1(35), перспективные исследования. —

C. 172-177.

15. Кульбида, В. А. Векторные коды и их компьютерное исследование / В. А Кульбида, О. П. Шафеева // Омский научный вестник. - 2006. - № 9(46). - С. 152-155. - КБК 1813-8225.

КУЛЬБИДА Владимир Александрович, аспирант кафедры «Прикладная математика и фундаментальная информатика».

Адрес для переписки: е-шаД: [email protected]

Статья поступила в редакцию16.06.2011 г.

©В. А. Кульбида

УДК 004.451.44 д. б. ОСИПОВ

Омский государственный технический университет

СИНХРОННДЯ И ДСИНХРОННДЯ МОДЕЛИ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕСТКОГО ДИСКД В ЗДДДЧЕ ПЛДНИРОВДНИЯ ПЕРЕДДЧИ ДДННЫХ____________________________________________

Представлена аналитическая модель оценки пропускной способности жесткого диска ЭВМ в условиях одновременного обслуживания нескольких потоков заявок как в синхронном, так и в асинхронном режимах. Выполнена верификация полученной модели с помощью имитационного моделирования. Предложенная модель имеет высокий потенциал аналитических исследований при решении задачи планирования передачи данных.

Ключевые слова: планирование работ, вычислительная система, запоминающее устройство, жесткий диск, скорость передачи данных, параллельное обслуживание.

1. Введение

Перемещение большого объема информации между узлами системы в предсказуемое время требует рационального подхода и ставит задачу планирования передачи данных (англ. Data Scheduling) [ 1, 2], которая является частным случаем задачи планирования работ в вычислительных системах [3]. Примерами технических систем, где возникают подобные задачи, являются: высоконагруженные с точки зрения данных интернет-сервисы (файлообменники, фотохостинги, видеохостинги), системы «видео по запросу» (англ. Video On Demand — VOD), системы распределенных вычислений, вычислительные кластеры, дисковые массивы (RAID) [4 — 6]. В миниатюре эта задача проявляется и на уровне отдельной ЭВМ — при копировании файлов между ЗУ (запоминающими

устройствами). Далее в этой статье рассматривается последний случай как наиболее простой и в то же время являющийся элементом более сложных систем.

2. Коэффициент замедления

Одновременное обслуживание нескольких задач на одном ЗУ приводит к образованию нескольких параллельных потоков запросов на передачу данных, адресованных этому ЗУ. Конкурируя за разделяемый ресурс, такие потоки могут обслуживаться дольше, чем при последовательном обслуживании, а при ненулевом Т8 суммарная скорость их обслуживания может оказаться меньше максимальной линейной скорости передачи данных ЗУ Ушах.

Для оценки поведения ЗУ в условиях одновременного обслуживания нескольких задач удобно исполь-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ