Методи забезпечення достовірності інформації в безпроводових засобах передачі даних за рахунок адаптивного кодування

Abstract

Горлинський Б.В. Методи забезпечення достовірності інформації в безпроводових засобах передачі даних за рахунок адаптивного кодування. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 «Інформаційні технології». – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України, Київ, 2020. Дисертація присвячена дослідженню актуальних проблем безпроводових засобів передачі даних (БЗПД), їх подальшого розвитку та підвищенню ефективності БЗПД в умовах впливу завад через забезпечення достовірності інформації за рахунок розробки методів на основі адаптивного кодування та їх використання. В першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано сучасний стан й перспективи розвитку БЗПД, основні фактори, що призводять до зниження достовірності передачі інформації в БЗПД, проаналізовано існуючі методи забезпечення достовірності інформації в БЗПД та поставлені завдання, які необхідно вирішити в дисертаційній роботі. Проведений аналіз сучасного стану й перспектив розвитку БЗПД виявив необхідність забезпечення в них достовірності інформації та підвищення їх енергетичної ефективності за рахунок розробки відповідних методів на основі адаптивного кодування, та їх використання. За результатами аналізу основних факторів, що призводять до зниження достовірності передачі інформації в БЗПД встановлено, що найбільш істотний вплив на характеристики переданих сигналів здійснюють швидкі селективні завмирання в каналі та потужні природні та навмисні завади, які являють обмежений по смузі частот адитивний білий гаусівський шум (АБГШ) з підвищеним рівнем спектральної щільності потужності. Аналіз існуючих методів забезпечення достовірності інформації в БЗПД показав, що перспективними напрямами підвищення достовірності інформації є застосування адаптивних систем, кодових конструкцій на основі турбо кодів, кодів Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ), кодів Хемінга, технологій розширення спектра сигналу та технології MIMO (Multiple Input – Multiple Output). Таким чином, аналіз сучасного стану й перспектив розвитку БЗПД та існуючих методів забезпечення достовірності інформації БЗПД показав, що перспективним напрямком вирішення задачі забезпечення достовірності інформації в умовах впливу різноманітних завад є розробка та застосування відповідних методів на основі адаптивного кодування. В другому розділі формалізовано процес адаптивної зміни структури кодів БЗПД за допомогою якого розроблено метод забезпечення достовірності інформації в БЗПД на основі адаптації кодових конструкцій. Сутність методу полягає у комбінованій адаптації різних завадостійких кодів на основі кодів Ріда-Соломона, БЧХ-кодів та багатокомпонентних турбо кодів з метою забезпечення достовірності інформації та зменшення при цьому складності реалізації пристроїв кодування/декодування. Відмінність розробленого методу від існуючих, що визначає його наукову новизну, полягає в застосуванні різних за структурою завадостійких кодів, від більш простих до більш складних, в залежності від відношення сигнал-шум в каналі, що призводить до забезпечення заданих характеристик достовірності інформації та спрощення варіантів синтезу моделей БЗПД, особливо за умов нестаціонарних завад. Ефект від впровадження полягає в тому, що результати розрахунку складності реалізації методу забезпечення достовірності інформації в БЗПД на основі адаптивного кодування показали, що впровадження адаптивного вибору кодів Ріда-Соломона, БЧХ-кодів та багатокомпонентних турбо кодів для заданої ймовірності бітової помилки дозволили забезпечити задану достовірність інформації та зменшити кількість елементарних операцій цифрових сигнальних процесорів при цифровій обробці кодованих даних на 39 – 46 % у випадку впливу нестаціонарних навмисних завад при зміні відношення сигнал-завада з 6 до 1 дБ. В третьому розділі проаналізовано основні алгоритми декодування турбо кодів: алгоритм декодування по максимуму апостеріорної ймовірності Map, алгоритм декодування Max Log Map, алгоритм декодування Log Map. В алгоритмах декодування турбо кодів при розрахунку параметра канальної “надійності” враховано вплив навмисних завад: завади у відповідь, шумової завади, шумової загороджувальної завади, шумової завади в частині смуги. Розроблено обчислювальний метод нечіткого декодування багатокомпонентних турбо кодів в БЗПД. Сутність методу полягає у використанні функцій приналежності та логарифмічних відношень функцій правдоподібності при декодуванні двох- та трьохкомпонентних турбо кодів за допомогою алгоритму Max Log Map з метою забезпечення заданих показників достовірності інформації та підвищення енергетичної ефективності БЗПД за рахунок динамічної зміни функції приналежності при розрахунку перехідних метрік. Відмінність розробленого методу від існуючих, що визначає його наукову новизну, полягає у застосуванні функцій приналежності при розрахунку перехідних рекурсій у алгоритмах декодування турбо кодів. Для оцінки ефективності запропонованого методу приведені графічні залежності середньої ймовірності бітової помилки від відношення сигналзавада отримані за допомогою імітаційного моделювання зміни функції приналежності в алгоритмах декодування турбо кодів. Використання методу за рахунок впровадження функцій приналежності дозволяє одержати енергетичний виграш 0,2–0,8 дБ при забезпеченні заданого значення достовірності інформації в БЗПД у порівнянні з відомими методами. Для вибору структури та параметрів кодів у четвертому розділі розроблено метод підготовки первинної інформації для адаптивних БЗПД. Представлено математичний апарат аналізу оптимальної стратегії завад, обґрунтовано ефективність застосування запропонованого методу та проведено аналіз основних етапів моделювання адаптивних БЗПД. Сутність методу підготовки первинної інформації для адаптивних БЗПД полягає у використанні нових аналітичних залежностей середньої ймовірності бітової помилки декодування для блокових кодів та кодів Ріда-Соломона, визначенні середньої ймовірності бітової помилки декодування для турбо кодів шляхом імітаційного моделювання для різних стратегій завад, порівнянні отриманих значень середньої ймовірності бітової помилки декодування з пороговим значенням та визначенні за запропонованим алгоритмом кодових конструкцій для забезпечення заданих показників достовірності інформації в БЗПД та підвищення її енергетичної ефективності. Відмінність розробленого методу від існуючих, що визначає його наукову новизну, полягає в збільшенні мірності простору кодів та завад, в використанні нових аналітичних співвідношень для розрахунку середньої ймовірності бітової помилки з урахуванням параметрів завад та використанні трьохкомпонентного турбо коду. Для оцінки ефективності запропонованого методу приведені графічні залежності середньої ймовірності бітової помилки від відношення сигналзавада отримані за допомогою нових аналітичних залежностей для розрахунку середньої ймовірності бітової помилки декодування для блокових кодів Хеммінга, БЧХ-кодів, кодів Ріда-Соломона та імітаційного моделювання імовірнісних характеристик завадозахищеності двохкомпонентних та трьохкомпонентних турбо кодів. Використання методу за рахунок впровадження отриманих нових аналітичних залежностей із врахуванням параметрів завад дозволяє забезпечити задані показники достовірності інформації в БЗПД, при цьому енергетичний виграш кодування за рахунок використання трьохкомпонентного турбо коду складає 0,8 дБ у порівнянні з відомими методами.