SPD_Lektsii / СПД Лекция 8

Навчальна дисципліна	Системи передачі даних
Модуль 2	Алгоритми і протоколи адаптивних систем передачі
Змістовий модуль № 3	Методи контролю за якістю передавання данних мультимедіа за алгоритмами адаптивних
	систем передачі даних
Тема 6	Адаптивні системи передачі даних

Лекція № 8 Адаптивні системи передачі даних

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Навчальні питання:

1.Загальні поняття про адаптивні СПД.

2.Методика розрахунку імовірності неправильного прийому (без врахування спотворень в каналі зворотного зв’язку).

Навчально-матеріальне забезпечення:

1.ПЕОМ, мультимедійний проектор.

2.Презентація у форматі PowerPoint.

Навчальна література:

1.Захарченко М.В. Системи передавання даних. Том 1. Завадостійке кодування: Підручник.

–Одеса: «Фенікс», 2009. – 448 с.

2.Барсов В.І., Краснобаєв В.А., Барсов В.А. і ін. Теорія інформації та кодування/ Під загальною редакцією В.І. Барсова: Підручник для студентів ВНЗ – Х.: УІПА, 2011. – 320 с.

1. Загальні поняття про адаптивні СПД.

Більшість реальних каналів зв’язку є нестаціонарними. Стан і якість таких каналів змінюється у часі. У кожному стані канал може характеризуватися своєю величиною імовірності помилки pош . При відомій pош , для забезпечення заданої вірності передачі можна підібрати

спосіб завадостійкого кодування. Однак, pош буде змінюватися. Як наслідок, виникає протиріччя:

якщо вибирати код, виходячи із середньої величини pош , то задана вірність буде

забезпечуватися не на всіх інтервалах стаціонарності.

якщо вибирати код по найгіршому стану ( pош max ), то на інших інтервалах внесена

надмірність буде невиправдано великою, а швидкість передачі інформації ( R ) – малою. Очевидно, що для найкращого використання каналу необхідно змінювати внесену

надмірність (алгоритми кодування, декодування, сигнали і т. ін.) в залежності від стану каналу. Системи, в яких здійснюється процесі цілеспрямованої зміни параметрів або структури властивостей системи в залежності від умов передачі повідомлення, з метою досягнення оптимального функціонування, називаються адаптивними.

Для реалізації адаптивної системи необхідно забезпечити контроль за станом каналу. За результатами контролю приймається рішення на зміну параметрів СПД. Структурну схему адаптивної СПД, в загальному вигляді, можна представити рис. 1. При цьому, можуть контролюватися: спотворення форми сигналів, завадова обстановка в мережі електроживлення таі навколишньому просторі, коефіцієнт помилок і т. ін. За результатами контролю можуть змінюватися параметри, наприклад, що зазначені в табл. 1.

Табл. 1

Параметри СПД, що підлягають адаптації

параметри сигналів (форма, рівень, ...)
спосіб кодування (надмірність)	на передачі
попередні спотворення
спосіб демодуляції (когерентний, некогерентний)
спосіб декодування (виправлення або виявлення помилок)	на прийомі
… і інші.

Адаптивні СПД припускають використання зворотного зв’язку (ЗЗ). В залежності від призначення ЗЗ, розрізняють системи:

з інформаційним ЗЗ (ІЗЗ);

з вирішальним ЗЗ (ВЗЗ).

Рис. 1. Структурна схема адаптивної СПД

Загальне в алгоритмі роботи систем з ЗЗ, у найпростішому випадку, те, що після передачі деякої порції інформації передавач прямого каналу очікує сигналу, або на видачу наступної порції, або на повторну передачу попередньої. Принципова відмінність систем ВЗЗ і ІЗЗ полягає в тому, де приймається рішення про подальше поводження системи. У системах з ВЗЗ рішення приймається на прийомі, а в системах з ІЗЗ – на передачі. Для організації зворотного зв’язку в тих та в інших системах використовується зворотний канал.

Розглянемо структуру СПД з ІЗЗ (рис. 3). КК, що надходять у приймач передаються по зворотному каналу до передавача. На передавальній стороні порівнюються комбінації, що передавалися – з повернутими. Якщо вони збігаються, то вирішальний пристрій (РУ) формує сигнал на продовження передачі та до прямого каналу видаються нові дані, а приймач видає прийняті КК одержувачу. Якщо при порівнянні виявляються відмінності, то передавач знову повторює передані раніше КК. Інформація, передана по каналу з ЗЗ, називається квитанцією. Системи з ІЗЗ, в яких здійснюється повна передача прийнятих КК по зворотному каналі, називаються ретрансляційні. Частіше приймач формує спеціальні сигнали, що мають менший обсяг, чим корисна інформація, яка передана по прямому каналу, тобто квитанція менше (укорочений ІЗЗ).

Рис. 3. СПД з ІЗЗ

Більше застосування знаходять системи з ВЗЗ. Найбільш розповсюдженими серед систем з ВЗЗ є:

системи з очікуванням (ВЗЗ-ОЧ);

с безупинною передачею інформації і блокуванням;

с адресним перезапитом.

Розглянемо більш докладно систему (ВЗЗ-ОЧ) (рис. 4). У даній системі після передачі КК система очікує сигналу підтвердження, і тільки після цього відбувається передача наступної КК.

ККвидана джерелом сигналу (ИС) надходить до кодера, і одночасно в накопичувач передачі ( Нпер ). Кодер додає перевірочні розряди відповідно до алгоритму завадостійкого кодування. Далі

ККмодулюється пристроєм перетворення сигналу (УПС) і видається до прямого каналу зв’язку. Через деякий час, необхідний для передачі по каналу t р , КК надходить на приймач сигналу (ПС).

Рис. 4. Структурна схема СПД із ВЗЗ-ОЧ

Рис. 5. Часові діаграми явищ «вставки» та «випадання»

Після УПС прийому інформаційна частина КК записуються в накопичувач прийому ( Нпр ), і

одночасно з цим вся КК надходить на декодер ( Декод). Якщо декодер не знайшов помилку, то РУ

приймає рішення про якість прийому та видає відповідний сигнал на пристрій керування (УУ). УУ формує сигнал для видачі прийнятої порції інформації одержувачу та команду для формування сигналу «підтвердження». Даний сигнал пройшовши через ОК дешифрується Дш Сос і

надходить до УУпер . По його приходу УУ передачі стирає стару КК з Нпер і сигналізує ИС про

видачу наступної порції інформації (КК). Якщо в результаті декодування виявлена помилка, то вирішальний пристрій видає відповідний сигнал до УУ прийому. УУ стирає прийняту КК з Нпр і

дає команду на формування сигналу «перезапит». Після одержання сигналу «перезапит» УУпер

забороняє ИС видавати наступну КК, і подає сигнал накопичувачу, що посилає записану в ньому КК до декодеру повторно. У системах ВЗЗ-ОЧ завжди присутня затримка на час очікування tож . Цей час складається з кількох інтервалів:

tож t пкр tан tос tоср tанос ,

де t пкр – час поширення сигналу в прямому каналі, tан – час аналізу правильності прийому, tос –

тривалість сигналу ЗЗ, t оср – поширення сигналу ЗЗ, tанос – аналіз сигналу ЗЗ.

Слід зазначити, що в системах з ЗЗ з’являються специфічні спотворення, в наслідок помилок

уканалі ЗЗ. Такі спотворення називають «вставками» та «випаданнями», причинами яких є:

якщо в результаті дії завад в зворотному сигналі «підтвердження» трансформувався в сигнал «перезапит», то вже прийнята КК видається одержувачу, а в канал повторно відправиться комбінація. У такий спосіб приймач сигналу одержить дві однакові КК, що надходять послідовно

– «вставка».

якщо відбудеться перехід «перезапит» «підтвердження», то помилково прийнята комбінація буде стерта, однак в канал піде наступна. Значить одержувач не отримає дану КК, відбудеться «випадання».

Явища «вставки» та «випадання» одержали загальну назву «зсуву» (рис. 5).

Боротьба з явищем «зсуву» у системах з ВЗЗ-ОЧ. При цьому можливо два підходи.

1.Підвищення завадостійкості зворотного каналу.

2.Циклічна нумерація переданих КК.

Кожній КК привласнюється циклічний номер наприклад: 1,2,3,4, 1,2,3,4, 1,2,3, ... Приймач системи контролює номери прийнятих комбінацій, і знає, яка комбінація, з яким номером повинна бути отримана наступною. Тобто очікуваний номер КК – відомий. Надалі:

якщо номер отриманої КК передує очікуваному, то в зворотний канал посилається сигнал «підтвердження», що ініціює передачу наступної за номером КК.

якщо номер прийнятої КК виявляється наступним за очікуваної, то приймач формує сигнал «випадання».

По цьому сигнал передачі або припиняється, або виконується запит на повторення попередньої комбінації.

2.Методика розрахунку імовірності неправильного прийому (без обліку перекручувань

уканалі ОС).

Прийом кожної КК має три результати:

1.КК прийнята вірно та помилок у ній немає ( pпп );

2.КК прийнята та в ній виявлена помилка ( pоо );

3.КК з помилкою, однак помилка не виявлена ( pно ).

Для наочності аналізу зобраземо граф станів, розглянутої системи з ВЗЗ-ОЧ (рис. 6). Комбінацію можна відразу прийняти правильно або неправильно (такі імовірності можна легко одержати), однак при виявленні помилок після перезапитів ситуація повторюється і т.д.

Рис. 6. Граф станів СПД з ВЗЗ-ОЧ

Яка ж імовірність неправильного прийому pн*п при необмеженому числі циклів перезапиту?

Вона буде містити в собі імовірність неправильного прийому по першому циклп, імовірність неправильного прийому після першого, другого і т.д. перезапитів:

pнп* рно роо рно роо2 рно роо3 рно рно(1 роо роо2 роо3 ) ,

тобто одержали нескінченну геометричну прогресію. Сума членів нескінченно утвореної геометричної прогресії дорівнює:

p* р

но

1

рооi

,

нп

1

роо

де i – число членів роо .

Враховуючі, що р

оо

1

, то

рi

0 , і остаточно одержимо:

оо

p*

рно

.

нп

1 роо

Швидкість передачі інформації в системах з ВЗЗ-ОЧ. До основних недоліків систем ВЗЗ-ОЧ відноситься значне зниження швидкості R . Причини зниження R наступні:

1. Уведення надлишкових (перевірочних) елементів ( 1 );

2.Наявність tож – сигналу рішення про якість прийому ( 2 );

3.Повторні передачі KК ( 3 );

З огляду на всі три чинники, для двійкового коду можна записати:

R B 1 2 3 .

Надалі необхідно знайти зазначені коефіцієнти.

1. Коефіцієнти зменшення швидкості за рахунок введення перевірочних елементів:

	1	k			k	.
		k r
					n
2. Для визначення	2 проведемо наступні викладки. При передачі без надмірності, при
тривалості одиничного	елемента 0 необхідний			час дорівнює k 0 . У системі з ВЗЗ-ОЧ:

n 0 tож . Таким чином, з врахування надмірності та очікування одержимо:

1 2		k 0			k				0
		n 0	tож		n					tож
						0
										n

Як наслідок, одержимо:

	k				1
								.
	n			1	tож
					0 n

	2				1		.
					tож
		1
					0 n
3. 3 1 poo ,
де poo імовірність виявлення помилок у КК.
Аналізуючи 1 і	2 – бачимо, що при			R (або зниженні втрат швидкості) необхідно

збільшувати довжину блоку n . Збільшення довжини блоку n :

знижує відносну кількість надлишкових елементів необхідних для забезпечення заданої

вірності.

знижує відносні втрати на очікування рішення про якість прийому.

Ці причини диктують необхідність нарощування n . Однак, при збільшенні довжини блоку зростає імовірність його поразки помилкою ( Kош ), а значить збільшується імовірність

перезапиту та збільшується час, що необхідний для повторення довгої комбінації (рис. 7). Висновок: для одержання максимальної швидкості R в СПД з ВЗЗ-ОЧ потрібна оптимізація

довжини блоку n .

Рис. 7. Вплив довжини КК на швидкість передачі інформації в системах з ВЗЗ-ОЧ

Контрольні питання:

1.Що таке адаптивна система передачі та в чому її перевага над однобічними СПД.

2.Що таке система з інформаційним зворотним зв’язком. Нарисуйте її структурну схему.

3.Що таке система з вирішальним зворотним зв’язком. Нарисуйте її структурну схему.

4.Що загального та у чому різниця між системами з ВЗЗ і ІЗЗ.

5.Що таке «вставка» та «випадання» у системах з ВЗЗ-ОЧ. Які причини їхнього виникнення.

6.Яким чином можна боротись з явищами «зсуву».

7.Поясніть вплив довжини КК на швидкість передачі інформації в системах з ВЗЗ-ОЧ.

Розробив:
доцент кафедри КІ
к.т.н., доцент	Слюсарь І.І.