Методи параметричної адаптації турбо кодів в безпроводових засобах передачі даних

Abstract

Курбет П.М. Методи параметричної адаптації турбо кодів в безпроводових засобах передачі даних. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп’ютерні науки». – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України, Київ, 2025. Дисертація присвячена дослідженню актуальних проблем безпроводових засобів передачі даних, їх підвищення ефективності, забезпечення достовірності інформації в умовах апріорної невизначеності за рахунок розробки методів параметричної адаптації турбо кодів. На сьогоднішній день в світі впроваджуються системи безпроводового доступу за технологією 5G. При цьому, комерціалізація 5G починається приблизно з 2020 року. Передбачається, що 6G буде забезпечувати кращі комунікації для людей і речей (технологія IoT), та буде охоплювати тенденцію розумного суспільства. У роботі К.Шеннона 1948 року показано, що передача даних з малою кількістю помилок по безпроводовому каналу можлива, якщо використовується довгий випадковий завадостійкий (канальний) код. З тих пір були докладені величезні зусилля до пошуку нових методів передачі з метою наближення до пропускної здатності каналу. В сучасних безпроводових системах передачі даних для забезпечення достовірності інформації застосовуються технології адаптивного кодування, OFDM, MIMO. В якості завадостійких кодів найбільш розповсюджені на даний час турбо коди, коди з низькою щільністю перевірки парності (LDPC-коди) та полярні коди. Для підвищення достовірності передачі інформації передбачено застосовувати методи адаптації кодових конструкцій. Сучасні методи адаптації розглядають зміну одного параметру – швидкості кодування. При цьому не врахована зміна параметрів компонентних кодів, алгоритмів декодування, ітерацій декодування. Тому необхідно розглянути адаптацію цих параметрів. Тому у дисертації вирішується актуальна науково-прикладна задача, що має важливу наукову, практичну й технічну спрямованість при побудові сучасних безпроводових засобів передачі даних – підтримання на заданому рівні достовірності інформації за рахунок розробки методів параметричної адаптації кодових конструкцій. Для поставленої мети слід розв’язати наступні задачі: 1) Дослідити сучасні способи зменшення помилок в сучасних безпроводових системах передачі даних. 2) Розробити метод адаптації компонентних кодів турбо кодів шляхом обходу вузлів просторової решітки, що дозволить підвищити ефективності функціонування безпроводових систем передачі інформації. 3) Розробити метод параметричної адаптації перевірочних поліномів компонентного рекурсивного систематичного згорточного коду турбо коду. 4) Розробити метод підготовки начальних поліномів для рекурсивних систематичних згорточних кодів турбо кодів з використанням генетичного алгоритму. В першому розділі дисертації проведено дослідження сучасних систем передачі інформації, основних зовнішніх впливів, які впливають на збільшення помилок в засобах телекомунікацій, існуючих методів зменшення помилок в сучасних безпроводових системах передачі даних, яке показало, що перспективним напрямком вирішення задачі забезпечення достовірності інформації за умов впливу потужних завад є застосування параметричної адаптації кодових конструкцій. В другому розділі дисертації на основі дослідження методів кодування та декодування турбо кодів вперше розроблено метод адаптації компонентних кодів турбо кодів зміни станів вузлів просторової решітки, що дозволяє підвищити надійність передачі інформації внаслідок зміни параметрів компонентних кодів турбо кодів шляхом обходу зміни стану вузлів решітки та впровадження функції цілі. На відміну від існуючих методів та алгоримтів, цей метод передбачає сумісне використання при адаптації поліномів рекурсивних систематичних згорткових кодів та швидкостей кодування, в залежності від значень цільової функції, що призводить до зменшення помилок при передачі інформації в умовах впливу заваді, при цьому зменується кількість помилок на 10-17% в залежності від відношення сигнал-шум в каналі. В третьому розділі дисертаційного дослідження проведено аналіз методів адаптації для вибору перевірочних поліномів компонентного рекурсивного систематичного згорточного коду, і за результатами аналізу вперше запропоновано метод параметричної адаптації перевірочних поліномів компонентного рекурсивного систематичного згорточного коду турбо коду. Сутність методу полягає в підвищенні ефективності функціонування безпроводових систем передачі інформації за рахунок адаптації прямих та зворотніх поліномів компонентного рекурсивного систематичного згорточного коду турбо коду шляхом рішення оптимізаційної задачі. Новизна методу полягає в зміні адаптації поліномів прямих та зворотних зв’язків компонентного рекурсивного систематичного згорточного коду турбо коду, що впливає на кодове обмеження, діаграму станів кодера та декодера турбо коду та на коригуючу здатність турбо коду, яку можна адаптувати. Використання методу дозволяє зменшити кількість помилок на 8-13 % в залежності від відношення сигнал-шум в каналі, тим самим підвищити ефективність функціонування безпроводових систем передачі інформації. В четвертому розділі дисертації проведено обгрунтування та вибір алгоритму пошуку перевірочних поліномів компонентного рекурсивного систематичного згорточного коду. За результатами аналізу вперше запропоновано метод підготовки начальних поліномів для рекурсивних систематичних згорточних кодів турбо кодів з використанням генетичного алгоритму. Відмінність розробленого методу від існуючих, що визначає його новизну, полягає в застосуванні при підготовці начальних поліномів для рекурсивних систематичних згорточних кодів турбо кодів генетичного алгоритму та показника кількості змін знаку апріорно-апостеріорної інформаціїдекодера турбо коду, який характеризує якість декодування. Отримані результати оцінки ефективності запропонованого методиду показали, що використовуючи початкові РСЗК, отримані за допомогою запропонованих поліномів, енергетичний виграш в завадозахищеності складає до 0,65 дБ для різних довжин кодового обмеження РСЗК і швидкостей кодування турбо коду при впливі завад у порівнянні із застосуванням поліномів при формуванні РСЗК, які запропоновані у відомих раніше роботах. Практична цінність запропонованих рішень в тому, що застосування цих рішень дозволяє отримати нову інформаційну технологією адаптації параметрів компонентних кодів турбо кодів. Впровадження запропонованих рішень може запропонувати:  розробляти, встановлювати начальні змінні, змінювати параметри кодерів та декодерів в залежності від завадової обстановки та виготовлятибезпроводові засоби передачі даних;  оцінювати стан каналів передачі даних в складній завадовій обстановці;  забезпечувати задані показники достовірності інформації за рахунок використання параметричної адаптації;  спростити та зменшити вартість робіт при проектуванні і виготовленні адаптивних безпроводових засобів передачі даних.