Засоби адаптивного управління системою передачі інформації в умовах апріорної невизначеності

Abstract

Василенко В. М. Засоби адаптивного управління системою передачі інформації в умовах апріорної невизначеності. – 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, 2018. Дисертація присвячена дослідженню актуальних проблем безпроводових систем передачі даних, їх подальшого розвитку, а також створення та впровадження засобів та методів для забезпечення заданого рівня достовірності інформації за рахунок багаторівневої параметричної адаптації кодових конструкції під впливом завад в процесі передачі даних. У дисертаційній роботі в першому розділі розглядається сучасний стан та розвиток систем безпроводового зв’язку, таких як систем мобільного зв’язку першого покоління 1G, другого покоління 2G, третього покоління 3G, четвертого покоління 4G LTE-Advanced, п’ятого покоління 5G та їх основні особливості та характеристики. Також в першому розділі розглянуто завадостійкі коди, а саме їх класифікацію, принцип побудови, застосування завадостійких кодів в безпроводових системах та особливості їх використання. Проведено аналіз, де представлені основні області використання завадостійких кодів. Проведено аналіз методів забезпечення достовірності інформації в системах безпроводового зв’язку. Виділено ряд ознак, які впливаю на методи оптимізації систем та моделей. Також розглянуті об’єкти оптимізації та класифікація методів оптимізації. В другому розділі розглянуто основні алгоритми декодування турбокодів: алгоритм декодування по максимуму апостеріорної ймовірності MAP, алгоритм декодування MAX-LOG-MAP, алгоритм декодування LOG-MAP, алгоритм декодування Вітербі з “м’яким” виходом SOVA, а також їх принцип використання, основні недоліки та переваги. Також в другому розділі розроблено метод трирівневої адаптації турбокодів, який включає триступеневу параметричну адаптацію турбокодів. На першому етапі задаються початкові значення параметрів турбокодів, а саме: розмір блоку даних, значення параметру розносу S-випадкового перемежувача, швидкість кодування, алгоритм декодування, початкова кількість запитів на повторну передачу. На другому етапі виконується процес декодування, де формуються множини апріорних та апостеріорних логарифмічних відношень функцій правдоподобності. Для аналізу якості результатів декодування та параметричної адаптації запропоновано використання середнього показника невизначеності, отриманого за результатами декодування прийнятих блоків даних, який приймає рішення про помилкове декодування біта даних за результатами змін знака значень апостеріорно-апріорних логарифмічних відношень функцій правдоподобності декодера турбокоду та характеризує ефективність декодування прийнятої інформаційної послідовності. На третьому етапі, за значеннями апріорних та апостеріорних логарифмічних відношень функцій правдоподобності обчислюється показник невизначенності в залежності від якого в процесі адаптації за методом градієнта функції змінюються параметри турбокоду: розмір блоку даних, значення параметра рознесення S-випадкового перемежувача, швидкість кодування, алгоритм декодування, кількість запитів на повторну передачу. Для визначення ефективності роботи методу показано результати імітаційного моделювання адаптації кодових конструкцій завадостійких кодів в безпроводових засобах передачі даних у часі. Метод дозволяє досягти заданого значення достовірності передачі інформації. В третьому розділі розглянуто поняття та призначення перемежувача. Розглянуто основні типи перемежувачів, регулярні та псевдовипадкові, а саме: псевдовипадковий перемежувач, S-випадковий, сильно-розсіюючий випадковий, діагонально-переставляючий, перемежувач типу «рядокстовпчик», перемежувач типу «спіральний», перемежувач типу «парнийнепарний», перемежувач Берроу-Глав’є, UMTS-перемежувач, перемежувач «рядок за рядком», перемежувач «чотири на чотири», York-перемежувач, рівномірний перемежувач, які використовуються в турбокодах, їх структура, умови використання, ефект від використання. Визначено, що від оптимального вибору перемежувача залежить ефективність процесів кодування та декодування турбокодів, а тому і достовірності передачі інформації. Представлено структурну схему модифікованого ітеративного декодера турбокоду. Основою модифікації є впровадження блоку прийняття рішень декодера турбокоду, де основною частиною є блок розрахунку середнього показника невизначеності, за допомогою якого відбувається зміна параметра Sвипадкового перемежувача кодека турбокоду. Представлений алгоритм реалізації метода параметричної адаптації Sвипадкового перемежувача турбокоду. На першому етапі формуються множини значень систематичних інформаційних бітів, генерованих кодером турбокодів. На другому етапі визначається початкове значення S-випадкового перемежувача. На третьому етапі формуються множини апріорних та апостеріорних логарифмічних відношень функцій правдоподобності та відбувається розрахунок середнього показника невизначеності, за допомогою якого вибирається параметр розносу перемежения біт даних S для S-випадкового перемежувача. Показано результати імітаційного моделювання для метода адаптивного вибору параметрів S-випадкового перемежувача в безпроводових системах передачі даних з турбокодуванням, проведених для визначення ефективності роботи методу. Як результат використання методу за рахунок адаптації Sвипадкового перемежувача дозволяє одержати енергетичний виграш 0,03–0,15 дБ у порівнянні з відомими методами. В четвертому розділі предсавлено класифікацію систем контроля за помилками, їх особливості та відмінності. Представлені основні типи ARQ, а саме: stop-and-wait ARQ, go-back-N ARQ та ARQ вибіркового повтору та їх процес роботи та головні особливості. Представлено основні типи HARQ систем, які використовуються для підвищення надійності передачі даних в бездротові стандарти, такі як LTE, LTE-Advanced та WiMAX. Представлена класифікація систем HARQ за типом передачі. Показаний модифікований метод формування гібридного запиту на повторну передачу в умовах невизначенності. Суть методу полягає в повторній передачі біт даних, які визначилися як помилкові, з використанням додаткової інформації про логарифмічне відношення функцій правдоподібності для цих біт при обчисленні результуючих функцій правдоподібності декодером турбокоду. На першому етапі вводяться початкові дані, а саме: кількість автоматичних запитів на повторну передачу, кількість ітерацій декодування турбокоду, розмір блоку даних в бітах, вид перемежувача, кількість компонентних кодерів (декодерів), вектор поліномів кодера турбокоду, швидкість кодування турбокоду. На другому етапі розраховуються та формуються матриці значень апріорно-апостеріорних логарифмічних відношень функцій правдоподібності за якими приймаються рішення про значення декодованих біт інформації. На третьому етапі виконується контроль наявності помилок в прийнятому блоці даних та формування сигналу HARQ, який передається на декодер для модифікації алгоритму декодування і надходить по каналу зворотного зв'язку для повторної передачі блоку з помилками. Показано результати імітаційного моделювання модифікованого методу формування гібридного запиту на повторну передачу в умовах невизначенності, проведених для визначення ефективності роботи методу. Результати імітаційного моделювання показали, що використання модифікованого методу гібридного запиту на повторну передачу дозволяє зменшити кількість повторно переданих біт в 1.9~16 разів в залежності від блоку передачі даних.