7.6. Методи боротьби з помилками, що виникають в каналах зв’язку. Завадостійке кодування.
Краткая характеристика методов борьбы с ошибками
Наряду с улучшением качества каналов связи путем коррекции их амлитудно-фазочастотних характеристик, использованием наиболее помехоустойчивых средств модуляции, применением некомутируемых каналов связи и др., для повышения верности передачи данных применяют разнообразные специальные средства, основанные на введении передаваемые сообщения, избыточности, определенным образом связанной со смысловой (полезной) информацией.
Все средства повышения верности передачи данных делятся на две группы:
без использования обратной связи;
с использованием обратной связи, между передатчиком и приемником взаимодействующих конечных пунктов (рис 1).
Рисунок 1
Методы повышения верности передачи информации первой группы используются при передаче данных по однонаправленному (симплексному) каналу связи, а второй группы - при передаче данных по дуплексным каналам связи.
СПД, которые используют методы повышения верности передачи данных первой группы, в свою очередь, делятся на:
* системы с простым кодом;
* системы с многократным повторением одной и той же информации;
* системы с помехоустойчивым кодом, обеспечивающим исправление ошибок в кодовых комбинациях.
Наиболее простым и легко реализуемым методом повышения верности передачи информации является многократная передача одного и того же сообщения. При использовании данного метода за истинное сообщение принимается то, которое имеет наибольшее число совпадений в многократно принятой последовательности. Так, например, при трехкратной передаче, буквы А, получив последовательность букв ААБ, принимается решение, что передана буква А. Если же при передаче ААА, на приемной стороне получим ВВА, то будет принята буква В. Когда на приеме будут зафиксированные три разнообразные буквы, сообщения стирается. Таким образом, прием сообщений с ошибкой будет только тогда, когда одни и те же искажения состоятся в двух или во всех трех сообщениях.
Метод
многократного повторения простой и
эффективный. Выбором числа
повторений (S
) можно обеспечить сколь угодно малую
вероятность приема
кодовой комбинации с ошибкой, которая
определяется соотношением:
где Cis - число комбинаций из s элементов по i ;
Pow, - вероятность искажения кодовой комбинации.
Важным недостатком этих систем является малая пропускная способность и неэффективное использование вводимой избыточности.
Пропускная способность снижается до величины
Разновидностью метода многократного повторения является, метод повышения верности, использующий одновременную передачу одной и той же информации по нескольким каналам связи. Число параллельно работающих каналов должно быть не меньше трех. При двух параллельно работающих каналах в пределах сообщения, которые передаются может вводиться избыточность, которая позволит обнаруживать ошибки. При обнаружении ошибки в одном канале информация выбирается из другого. Важным преимуществом таких систем является их высокая надежность и малое время запаздывания информации. Выявление ошибок может осуществляться и путем контроля амплитуды, длительности и других первичных принимаемых сигналов. При выходе контролируемых параметров за границы установленных норм сообщения выбирается из другого канала. Если же в другом канале определятся подобные искажения, то кодовая комбинация бракуется. Для выявления ошибок в двухканальной системе может использоваться совместно помехоустойчивый код и контроль первичных параметров сигнала.
От недостатков метода многократного повторения в определенной мере свободные системы, которые используют для выявления и исправление ошибок в принимаемых комбинациях, помехоустойчивые коды. В этих системах передаваемая комбинация, кроме информационных символов содержит и проверочные. Проверочные символы формируются на принимающей стороне, из информационных по определенным правилам. На приемочной стороне по тем же правилам осуществляются проверки. В каждую проверку входит определенные информационные и проверочные символы. Результат проверок указывает номер искаженного разряда. Таким образом, исправление ошибок при использовании кодов с исправлением ошибок обеспечивается за счет ввода постоянной, заранее рассчитанной, избыточности, которая не зависит от состояния канала. Состояние же канала в процессе эксплуатации изменяется. Если кратность возникающих ошибок, будет превышать ту, на которую рассчитан код, то в процессе декодирования возникают дополнительные искажения. Так, если используется код, который исправляет одиночные ошибки, то в случае возникновения двукратной ошибки в процессе декодирования исказит еще один, третий символ кодовой комбинации. Следует отметить, что статистика возникающих ошибок в каналах связи. Поэтому правильно выбрать код с исправлением ошибок чрезвычайно трудно.
Повысить верность передачи информации без значительного снижения пропускной способности можно путем введения избыточности в зависимости от состояния канала. Для реализации данного метода необходимо знать фактическое состояние канала. Эта информация может быть получена путем оценки в каналах числа возникающих ошибок, с передачей результатов этой оценки на передающую сторону. Однако системы передачи информации в этом случае становятся сложными.
В нынешнее время широкое распространение получили методы повышения верности передачи данных с использованием обратной связи между передатчиком и приемником. По виду обратной связи различают системы:
* с решающей обратной_связью (РОС);
* информационной (ИОС);
* комбинированной обратной связью (КОС).
В
системах РОС (рис 2) передаваемые сообщения
кодируются помехоустойчивым
кодом, обнаруживающим ошибки, и передаются
по прямому каналу.
Рисунок 2
Каждое передаваемое сообщение (кодовая комбинация) запоминается в запоминающем устройстве передатчика. На приемочной стороне осуществляется проверка наличия ошибок в принятом сообщении. На приемной стороне возможны два варианта обработки. При первом варианте в случае обнаружения ошибки сообщение потребителю информации не передается (стирается), а по обратному каналу передается сигнал переспроса (отрицательная квитанция). По получению этого сигнала передатчик повторяет перепрошенное сообщение (кодовую комбинацию). При хорошем состоянии канала и низком уровне помех число переспросов по обратному каналу мало. Поэтому пропускная способность обратного канала может быть существенным образом ниже пропускной способности прямого. На практике эти каналы часто одинаковые. В этих условиях появляется возможность передавать по обратному каналу поток информации от абонента Б к абоненту А (т.е. использовать этот канал в качестве прямого для абонента Б), а по прямому каналу (который для абонента Б является обратным ) передавать сигналы переспроса от абонента Б абоненту А.
При втором варианте в случае обнаружения ошибки квитанция не выдается. Передающая сторона, не получив квитанции через тайм-аут сообщение повторяет. Если ошибки не обнаружено по обратному каналу передается подтверждение (положительная квитанция).
В системах с ИОС по прямому каналу передается кодовая комбинация, состоящая только из информационных разрядов. Эта кодовая на приемной стороне комбинация запоминается и по обратному каналу или вся возвращается на передатчик, или передается ее свертка, которая сформирована по определенным правилам. Такой cверткой может быть, например, проверочные разряды, которые сформировались при кодировании каким-то помехоустойчивым кодом. На передающей стороне осуществляется сравнение переданной по прямому и полученной по обратному каналу кодовых комбинаций (сверток). Если эти кодовые комбинации (свертки) совпали, то посылается сигнал подтверждения и за ним передается новая кодовая комбинация. Если кодовые комбинации (свертки) не совпали, посылается сигнал отрицательно и кодовая комбинация повторяется снова (рис.3). Таким образом, если в системах по РОС решение о правильности приема информации принимается на приемной стороне. В системах ИОС это решение принимается на передающей стороне.
Рисунок 3
Достоинством систем с ИОС является сравнительная простота реализации, особенно при построении низкоскоростных СПД, а важным недостатком, которые ограничивают их применение, является загрузки обратного канала передачей ретранслированного потока информации. Именно поэтому в АСУ наиболее широко применяются системы со РОС.
В системах с КОС используются оба вида обратной связи - решающая и информационная, что обеспечивает дополнительное повышение верности передачи информации по сравнению с системами, которые используют один из видов обратной связи.