Основы проектирования защищенных телекоммуникационных систем.-4

321

Рис. 4.57. Прарметры 16-QAM модулятора

Рис. 4.58. Параметры OFDM modulator-demodulator

322

Рис. 4.59. Зависимость BER от SNR для системы DVB-H при использовании QPSK

(синий) и 16-QAM (красный).

При исследовании зависимости битовой вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум рассматриваемой системы мобильного вещания были сняты изображения спектра передаваемого сигнала и диаграммы созвездий QPSK и 16-QAM исследуемой системы при SNR равном 1 дБ, 18 дБ.

Рис. 4.60. Спектр OFDM-сигнала и диаграмма созвездий QPSK при SNR=1 дБ

323

Рис. 4.61. Спектр OFDM-сигнала и диаграмма созвездий QPSK при SNR=18Б

Рис. 4.62. Спектр OFDM-сигнала и диаграмма созвездий 16-QAM при SNR=1 дБ

Рис. 4.63. Спектр OFDM-сигнала и диаграмма созвездий 16-QAM при SNR=18Б

В процессе выполнения данной лабораторной работы были изучены основные теоретичиские аспекты системы цифрового мобильного телевизионного стандарта DVB-H

324

При выполнении практической части работы была построена зависимость битовой вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для QPSK и 16-QAM модуляции. Результат представлен в виде графика (рисунок 4.63).

Были сняты изображения спектра OFDM-символа и диаграммы созвездий QPSK и 16QAM при прохождении сигнала в канале с аддитивным белым гауссовским шумом.

Полученные в результате моделирования данные позволяют сделать вывод о том, что безошибочная передача данных по каналу связи в системе DVB-T возможна при отношении сигнал/шум не менее 18 дБ.

DVB-H является обновлением для основного стандарта, которое решает проблемы мобильного приема. Главное нововведение - timeslicing. Передатчик циклически выдает в эфир пакеты, принадлежащие всем транслируемым каналам по очереди. Передача осуществляется короткими импульсами с использованием максимальной пропускной способности канала. Приемник включается только в определенные моменты, когда необходимо загрузить очередную порцию видеопотока. Это позволило в 10 раз увеличить продолжительность автономной работы портативных телевизоров. Дело в том, что для приема DVB-T применяются довольно сложные чипы, производятся интенсивные математические вычисления. И когда система работает постоянно, без перерыва, то автономность лучших образцов мобильных устройств достигает 20-40 минут. В свою очередь техника, основанная на DVB-H, способна функционировать до 10 часов от одного заряда батареи.

Другая особенность стандарта - высокая помехоустойчивость за счет введения механизма коррекции ошибок. В обычном DVB-T используется разнесенный прием на несколько антенн, что позволяет системе выбирать наименее поврежденный сигнал. В

портативном устройстве такое решение реализовать труднее.

Третья важная особенность - DVB-H основывается на IP-протоколе, а это значительно упрощает и удешевляет построение вспомогательной инфраструктуры. Возможным становится использование готовых, недорогих программных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В учебном пособии рассмотрены основы проектирования защищенных

телекоммуникационных систем. Проектирование защищеннах инфокоммуникационны систем: 1. Проектирование защищенной IP-ATC на базе программного обеспечения

ASTERISK; 2. Проектирование системы обеспечения защищенного маршрутизируемого взаимодействия при использовании программного обеспечения VIPNET OFFICE; 3.

Проектирование защищенной многоточечной видеоконференц связи на базе WEB-

325

технологии. Впервые представлено проектирование защищенных систем на базе MATLAB 2015b Simulink модемов и кодеков современных телекоммуникационных систем стандарта

CDMA, системы мобильной связи стандарта IЕЕЕ 802.11 (WiFi), мобильной связи стандарта

IEEE 802.15.4 ZigBee, системы мобильной связи стандарта IEEE 802.15.1 (Bluetooth),

системы мобильной связи стандарта IEEE 802.16 (WiMAX), системы мобильной связи стандарта IEEE 802. 20 LTE, системы цифрового наземного телевизионного вещания DVB- T, системы цифрового спутникового телевизионного вещания DVB-S и системы высокоскоростного цифрового спутникового ТВ-вещания DVB-S2, системы цифрового кабельного телевизионного вещания DVB-C и системы высокоскоростного цифрового кабельного ТВ-вещания DVB-С2, системы цифрового мобильного телевизионного вещания

DVB-Н и системы высокоскоростного цифрового мобильного ТВ-вещания DVB-Н2.

Получены основные характеристики ТКС в зависимости от параметров систем,

характеристик сигналов и влияния шумов и многолучевости (для CDMA). Представлены созвездия для модуляторов, спектры сигналов на входе и выходе канов связи, а также Зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум и многолучевости.

Материалы учебного пособия могут быть использованы как для учебных целелей, так и как справочный материал при проектировании ТКС - представлен курс лекций и компьютерный практикум для каждой из проектируемых защищенных систем.

В приложении даны задания на самостоятельную работу: 1. Оптимизация методов помехоустойчивого кодирования я телекоммуникационных систем; 2. Криптоанализ классических шифров; 3. Криптоанализ шифротекстов, полученных методом гаммирования;

4.Криптоанализ алгоритма RSA.

Кучебному пособию прикладывается CD-диск с программным обеспечением для всех комплексов, включенных в пособие, а также пакетами MATLAB 2015b и NI LabVIEW со всем установочным ПО. Программные комплексы позволят читателю самостоятельно провести моделирование для ТКС со своими характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование и техническая эксплуатация цифровых телекоммуникационных систем и сетей. Учебное пособие для вузов / Е.Б. Алексеев, В.Н. Гордиенко, В.В. Крухмалев и др.; Под редакцией В.Н. Гордиенко и М.С. Тверецкого. - М.: Горячая линия - Телеком,

2008. - 392 с.

2. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония. – М.: Эко-Трендз, 2003.-

250с.

326

3.Жданов А. Г., Смирнов Д. А., Шипилов М. М. Передача речи по сетям с коммутацией пакетов (IP-телефония). - СПб, 2001. – 148с.

4.Гольдштейн Б. С., Пинчук А. В., Суховицкий А. Л. IP-телефония. - М.: Радио и связь,

2001.-336с.

5. Гольдштейн Б.С., Зарубин А.А., Саморезов В.В., Протокол SIP, Справочник., - СП.:

БХВ, 2005.-456с.,

6.IPTop. Протокол инициирования сеансов связи - SIP. [Электронный ресурс]/ – Режим доступа: http://www.iptop.net/sip/. Дата обращения: 1.04.2014.

7.Официальный сайт компании ОАО «ИнфоТеКС». ViPNetOFFICE. [Электронный ресурс] / – Режим доступа:

http://infotecs.ru/products/catalog.php?SECTION_ID=&ELEMENT_ID=411

8. ОАО "Инфотекс", Москва, Россия. Межсетевой экран / ViPNet Office Firewall /

Руководство администратора.

9. http://web-in-learning.blogspot.ru/2012/02/openmeetings.html (дата запроса 31.10.2015)

10. http://old.stel.ru/videoconference/tech_vc/podrobno/vks-management.php (дата запроса

31.10.2015)

11. http://wiki.first-leon.ru/index.php/OpenMeetings (дата запроса 31.10.2015)

12.https://ru.wikipedia.org/wiki/видеоконференция (дата запроса 31.10.2015)

13. Современные методы и средства управления в сетях видеоконференцсвязи

/ М.В. Виноградов – 2013. стр. 7

14. Банкет В.Л. Помехоустойчивое кодирование в телекоммуникационных системах:

учебн. пособие. - Одесса: ОНАС им А.С. Попова, 2011. - 104 с.

15. Банкет В.Л. Сигнально-кодовые конструкции в телекоммуникационных системах. -

Одесса: Фешкс, 2009. - 180 с.

16. Мелихов С.В. Аналоговое и цифровое радиовещание: Учебное пособие. Издание второе, исправленное. - Томск: Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники,

2012. – 233 с.

17. Модуляция, кодирование и моделирование в телекоммуникационных системах:

Учебное пособие / Голиков А. М. – 2016. 516 с. Режим доступа: https://edu.tusur.ru/training/publications/6088.

18. Скляр Б. Цифровая связь. — М.: Издательский дом Вильямс. 2003 — 1104с

19. Феер К.: Беспроводная цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

20. Крейнделин В.Б., Колесников А.В. Оценивание параметров канала в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием. Учебное пособие / МТУСИ.-М.,

2010. -29 с.

327

21.Дворкович В.П., Дворкович А.В. Цифровые видеоинформационные системы (теория

ипрактика) Москва: техносфера, 2012. – 1008 с.

22. Майков, Д.Ю. Оценка сдвига частоты для процедуры Initial Ranging в системе «мобильный WiMax» / Д.Ю. Майков, А.Я. Демидов, Н.А. Каратаева, Е.П. Ворошилин // Доклады ТУСУРа. – 2011. – №2 (24). – 59-63 с.

23. Серов А. В. Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H. - БХВ-Петербург, 2010

– 465 с.

24 . Стандарт DVB-H. Система мобильного ТВ вещания. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.konturm.ru/tech.php?id=dvbh

25.http://www.mathworks.com/examples/simulink-communications/mw/comm_product- LTEDownlinkExample-lte-phy-downlink-with-spatial-multiplexing

26. Алгоритм RSA : метод. указания к выполнению лабораторных работ для студентов спец. 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем» очной формы обучения / сост.: О. Н. Жданов, И. А. Лубкин ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск,

2007. – 38 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

ЗАДАНИЯ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ

П1.1. Оптимизация методов помехоустойчивого кодирования для телекоммуникационных систем

Помехоустойчивое кодирование является эффективным способом оптимизации ТКС. На практике инженеру проектровщику ТКС приходится решать задачи оптимизации на основе численных расчетов и соответствующего сравнения методов помехоустойчивого кодирования и выбора конкретных методов и соответствующим им кодов. Решение именно такой задачи положено в основу СР [1].

Исходные данные заданы в таблице вариантов П1.2:

1.Цифровая информация передается двоичным кодом. Виды передаваемой цифровой информации:

ДК - данные компьютерного обмела; ЦТЛФ - цифровая телефония; ЦТВ - сообщения цифрового ТВ;

ЦЗВ - сообщения цифрового звукового вещания.

		328
2.	Канал	святи - канал с постоянными параметрами и аддитивным белым

гауссовым шумом.

3.Отношение с/ш на входе демодулятора hб Eб / N0 .

4.Методы модуляции: ФМ-2, ФМ-4.

5.Прием - когерентный.

6.Производительность источника Rист (бит / с).

7.Полоса пропускания канала FK (кГц).

8.Вероятность ошибки бита в сообщениях, отдаваемых получателю, не более р.

9.Допустимая сложность декодера СК (показатель сложности решетки кода) - не более W.

Необходимо:

1.Выбрать и обосновать выбор корректирующего кода для проектируемой ТКС, обеспечивающего требуемую вероятность ошибки бита р в сообщениях, отдаваемых получателю, при условии выполнения следующих ограничений:

1.1.Полоса частот кодированного сигнала не должна превышать полосу пропускания канала FK.

1.2.При использовании сверточных кодов показатель сложности решетки кода должен быть не более величины W.

2.Разработать и дать подробное описание структурной и функциональных схем кодера и декодера выбранного кода и обосновать их параметры.

3.Проанализировать показатели энергетической и частотной эффектив-

ности телекоммуникационной системы и сравнить их с предельными значениями эффективности.

4.Сделать заключение по выполненной работе.

Содержание пояснительной записки работы:

1.Задание и исходные данные.

2.Описание структурной схемы проектируемой телекоммуникационной системы с указанием мест включения кодера помехоустойчивого кода, модулятора,

демодулятора и декодера с подробными пояснениями выполняемых ими функций.

3. Классификация корретирующих кодов по структуре. Сравнительный анализ преимуществ и недостатков помехоустойчивых блоковых и сверточных кодов.

Обоснование применения в проекте сверточных кодов.

329

4.Классификация и сравнительный анализ алгоритмов декодирования сверточных кодов. Обоснование выбора алгоритма Витерби для декодирования СК.

5.Расчет ширины спектра цифрового сигнала с заданным видом модуляции.

6.Расчет ширины спектра кодированного цифрового сигнала с заданным

видом модуляции в зависимости от скорости кода.

7.Определение допустимой скорости кода RКОД из условия непревышения полосой

частот кодированного сигнала полосы пропускания канала (ограничение 1.1).

8.Определение перечня кодов со скоростями, превышающими допустимую скорость

RКОД , которые могут быть использованы для решения поставленной задачи.

9.Выбор СК из этого перечня, обеспечивающего заданную вероятность ошибки бита

(условие 1) и удовлетворяющего требованию ограничения по сложности декодера

(ограничение 1.2).

10.Проверочный расчет зависимости вероятности ошибки на выходе декодера выбранного СК.

11.Разработка и описание структурных и функциональных схем кодера и декодера выбранного СК.

12.Заключение с подведением итогов выполненной работы.

13.Список использованных источников.

Методические указания к выполнению КР

Расчет ширины спектра сигнала ФМ-2 (ФМ-4) следует производить по рекомендациям

материалов главы 1. Применение корректирующих кодов со скоростью	R	приводит к
	КОД
расширению спектра кодированного сигнала в (КF 1/ RКОД ) раз. С	другой стороны,

корректирующая способность кода возрастает с уменьшением скорости кода (т.е. с

увеличением избыточности). Поэтому задача оптимизации параметров корректирующего кода состоит в выборе кода со скоростью, при которой ширина спектра кодированного сиг-

нала не превышает заданную полосу пропускания канала. Если требуемая полоса пропускания канала для передачи ФМ сигнала с информационной скоростью RИСТ равна

F(ФМ ) , а скорость кода выбрана равной RКОД ,	то полоса пропускания канала, необходимая
для передачи кодированного ФМ сигнала, будет равна
F			F(ФМ )	.
K (ФМ СК )			RКОД

330

Тогда из условия непревышения этой полосой частот сигнала полосы пропускания

канала ( FК (ФМ СК ) FK ) получаем простое условие для выбора скорости кода

R	R			F(ФМ )	.	(П1.1)
		КОД
КОД				FК

Сказанное иллюстрируется рисунком 5.1. Ширина спектра кодированного ФМ сигнала пропорциональна коэффициенту расширения полосы. По мере снижения скорости кода

(возрастания KF ) полоса расширяется и достигает значения полосы пропускания канала. На

этом же рисунке показана зависимость		АЭВК	от	KF (что равноценно скорости кода).
Пересечение кривой полосы с граничным заданным значением F определяет допустимое
					K
значение коэффициента	расширения	полосы	пропускания		канала	K p 1/ RКОД и,
соответственно, скорость	кода R	. Первым		этапом	выбора	корректирующего
	КОД

кода.является выбор класса кодов (класс блоковых либо непрерывных (сверточных) кодов).

Используя материалы разделов 8 и 11, рекомендуется аргументированно обосновать выбор класса сверточных кодов для применения в своей работе. Среди алгоритмов декодирования СК по широте практического применения лидирующее место занимает алгоритм Витерби.

Рекомендуется в работе применить именно алгоритм Витерби. В разделе проекта с обоснованием применения этого алгоритма следует привести сведения о сложности реализации алгоритма. Среди кодов, отобранных по критерию скорости в соответствии с формулой (5.1), могут оказаться коды с различной длиной кодового ограничения (и,

соответственно, с различной сложностью декодера). Помехоустойчивость декодирования СК характеризуется величиной ЭВК. В таблицах кодов не приводятся значения ЭВК при определенном уровне вероятности ошибки декодирования. В то же время, величина асимптотического энергетического выигрыша (АЭВК) является верхней оценкой ЭВК.

Поэтому при отборе кодов рекомендуется использовать величины АЭВК, значения которых имеются в таблицах приложения А. Среди отобранных кодов-кандидатов следует применить код, обеспечивающий максимальный АЭВК и удовлетворяющий требованиям по скорости и слоэ/сности декодера. Окончательные данные о вероятности ошибки на выходе декодера следует получить на основе расчетов зависимости вероятности ошибки декодирования от отношения сигнал/шум для выбранного кода. В случае невыполнения требований задания рекомендуется применить код с большей величиной АЭВК.

Пример расчетов и процедуры оптимизации кода Исходные данные: