Способ кодовой цикловой синхронизации сообщений

Изобретение относится к способам кодовой цикловой синхронизации сообщений при передаче дискретной информации и может быть использовано для цикловой синхронизации помехоустойчивого сверточного кода и кодов, построенных на его основе, в частности гибридных каскадных кодов.

Сверточное помехоустойчивое кодирование применяют для повышения вероятности доведения сообщения в каналах связи с ошибками при передаче больших объемов информации (>1000 бит). Наиболее эффективным является применение сверточного кода в качестве внутреннего кода гибридного каскадного кода. Для правильного декодирования гибридного каскадного кода необходимо знать границы этого кода. При этом важно также при декодировании различать информационные и проверочные символы сверточного кода. На приемной стороне для определения начала сверточного кода используют кодовую цикловую синхронизацию. При кодовой цикловой синхронизации сверточного кода для передачи синхронизирующей последовательности используется избыточность самого сверточного кода. Кодовая цикловая синхронизация может быть установлена при наличии искажений в принятом сверточном коде, не превышающем определенного порогового значения. После установления кодовой цикловой синхронизации синхронизирующую последовательность вычитают из сверточного кода, не уменьшая корректирующую способность кода. Наиболее эффективно использование кодовой цикловой синхронизации в помехоустойчивом гибридном каскадном коде. В этом случае синхронизация обеспечивается за счет наложения синхронизирующей последовательности на проверочные символы внутреннего сверточного кода гибридного каскадного кода. Кодовая цикловая синхронизация может также использоваться в турбокодах и в сигнально-кодовых конструкциях (СКК) на основе сверточных кодов.

Известен способ кодовой цикловой синхронизации сообщений, при котором на передающей стороне формируют выходную последовательность, состоящую из следующих друг за другом информационных и проверочных символов сверточного кода, которую затем вместе с синхронизирующей последовательностью передают по каналу связи. На приемной стороне в скользящем окне приема принятую синхронизирующую последовательность сравнивают с переданной синхронизирующей последовательностью, и при совпадении принятой синхронизирующей последовательности и переданной синхронизирующей последовательности устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с местоположением начала скользящего окна приема. При несовпадении принятой синхронизирующей последовательности и переданной синхронизирующей последовательности скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и опять сравнивают принятую синхронизирующую последовательность и переданную синхронизирующую последовательность и так повторяют до тех пор, пока принятая синхронизирующая последовательность не совпадет с переданной синхронизирующей последовательностью [Передача дискретных сообщений. Под ред. В.П.Шувалова. - М. Радио и связь. 1990. стр.348-349].

Однако этот способ снижает объем полезной информации, передаваемой по каналу связи.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ кодовой цикловой синхронизации сообщений (прототип), заключающийся в том, что на передающей стороне формируют выходную последовательность, состоящую из следующих друг за другом информационных и проверочных символов сверточного кода, которую затем вместе с синхронизирующей последовательностью передают по каналу связи. На приемной стороне в скользящем окне приема принятую синхронизирующую последовательность сравнивают с переданной синхронизирующей последовательностью, и при числе ошибок в принятой синхронизирующей последовательности, не превышающем порогового значения, устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с местоположением начала скользящего окна приема. При числе ошибок в принятой синхронизирующей последовательности, превышающем или равном пороговому значению, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и оценивают число ошибок в принятой синхронизирующей последовательности и так повторяют до тех пор, пока число ошибок в принятой синхронизирующей последовательности не станет меньше порогового значения [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание. Пер. с англ. - М. Издательский дом «Вильямс». 2003. стр.660].

Недостатком этого способа является сокращение объема полезной информации, передаваемой по каналу связи, а значит снижение эффективности использования ресурсов канала связи, обусловленное тем, что цикловую синхронизацию сверточного кода устанавливают с помощью передаваемой отдельно от кода синхронизирующей последовательности.

Цель изобретения - увеличение объема полезной информации, передаваемой по каналу связи, за счет того, что символы синхронизирующей последовательности суммируют с символами сверточного кода и передачи дополнительной служебной информации для цикловой синхронизации сверточного кода не требуется.

Для достижения цели предложен способ кодовой цикловой синхронизации сообщений, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют выходную последовательность, состоящую из следующих друг за другом информационных и проверочных символов сверточного кода, которую затем вместе с синхронизирующей последовательностью передают по каналу связи. На приемной стороне принятую в скользящем окне приема синхронизирующую последовательность сравнивают с переданной синхронизирующей последовательностью, и при числе ошибок в принятой синхронизирующей последовательности, не превышающем порогового значения, устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с местоположением начала скользящего окна приема. При числе ошибок в принятой синхронизирующей последовательности, превышающем или равном пороговому значению, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и оценивают число ошибок в принятой синхронизирующей последовательности и так повторяют до тех пор, пока число ошибок в принятой синхронизирующей последовательности не станет меньше порогового значения. Новым является то, что на передающей стороне проверочные символы сверточного кода суммируют по модулю два с символами синхронизирующей последовательности, и только затем полученную выходную последовательность передают по каналу связи. На приемной стороне принятую в скользящем окне приема входную последовательность делят на порождающий полином сверточного кода. В результате деления в остатке получают синдром сверточного кода. Далее синдром сверточного кода сравнивают с переданной синхронизирующей последовательностью и оценивают число ошибок в синдроме сверточного кода. При числе ошибок меньше порогового значения устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с началом скользящего окна приема, при числе ошибок больше либо равном, чем пороговое значение, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и вычисление синдрома сверточного кода и оценивание числа ошибок повторяют. При этом длина скользящего окна приема выбирается равной длине сверточного кода, соответствующего передаваемому сообщению. На приемной стороне для вычисления синдрома сверточного кода информационные символы сверточного кода собирают в один блок символов, длина которого равна длине кодового регистра сверточного кода. При этом вычисляют два синдрома сверточного кода, первый из которых соответствует нечетному местоположению скользящего окна приема, а второй синдром сверточного кода соответствует четному местоположению скользящего окна приема. Сравнение переданной синхронизирующей последовательности с первым или вторым синдромами сверточного кода выполняют в зависимости от нечетного или четного местоположения скользящего окна приема.

Осуществление способа кодовой цикловой синхронизации сообщений рассмотрим на примере синхронизации двоичного сверточного кода со скоростью 1/2. Сверточный код со скоростью 1/2 можно рассматривать как последовательность двоичных символов a ₀r₀ a ₁r₁ a ₂r₂… где a _i - информационные символы, а r_i - проверочные символы кода.

На передающей стороне некоторый i-й проверочный символ сверточного кода вычисляется по формуле

где k - длина кодового регистра сверточного кода,

a _k+i-1, a _k+i-2, …, a _i-k предшествующих информационных символов сверточного кода,

g(x) - порождающий многочлен сверточного кода степени k,

r_i - коэффициент при нулевой степени x,

2·n - длина сообщения, включающего информационные и проверочные символы сверточного кода.

Затем каждый проверочный символ сверточного кода суммируют по модулю два с символами синхронизирующей последовательности c₀c₁c₃…c_n-1

В качестве синхронизирующей последовательности выбирают последовательность с «хорошими» синхронизирующими свойствами подходящей длины, например последовательность максимального периода повторения (М-последовательность) или код Рида-Маллера 1-го порядка. Синхронизирующая последовательность генерируется заранее в линейном сдвиговом регистре с обратными связями, описываемыми примитивным порождающим полиномом подходящей степени. Например, для порождающего полинома степени 10 будем иметь синхронизирующую последовательность длины 2¹⁰-1=1023 бит.

Последовательность символов a ₀d₀ a ₁d₁ a ₂d₂…a _n-1d_n-1 передают в канал связи.

На приемной стороне вычисляют синдром кода в скользящем окне приема. Длину скользящего окна приема выбирают равной длине сверточного кода, передающего одно сообщение, поскольку это дает наименьшую задержку в приеме сообщения, а значит, повышает оперативность системы связи. Для вычисления синдрома сверточного кода информационные символы сверточного кода собирают в один блок символов, длина которого равна длине кодового регистра сверточного кода. Символы синдрома сверточного кода получают в результате деления блока информационных символов, представленных в полиномиальной форме, на порождающий многочлен сверточного кода согласно формуле

С учетом выражений (1) и (2) для безошибочных информационных символов, входящих в (3), будем иметь

то есть для безошибочного блока информационных символов символы синдрома сверточного кода будут совпадать с символами синхронизирующей последовательности. Для канала с ошибками синдром сверточного кода представляет собой последовательность символов, часть которых совпадает с символами синхронизирующей последовательности. Число совпадающих символов или компонент зависит от количества и длины неискаженных блоков информационных символов в сверточном коде.

Синдром вычисляют при каждом сдвиге входной последовательности на один символ, однако на приемной стороне неизвестно, какой символ во входной последовательности первый - информационный или проверочный. Поэтому для сверточного кода со скоростью 1/2 рассматривается два варианта местоположения скользящего окна приема. Первый вариант - начало скользящего окна совпадает с нечетными символами кода, второй вариант - начало скользящего окна совпадает с четными символами кода. Для каждого из этих вариантов по формуле (3) рассчитывают свой синдром сверточного кода. При нахождении сверточного кода в скользящем окне приема количество символов синдрома сверточного кода, совпадающих с синхронизирующей последовательностью, будет максимальным. При другом местоположении скользящего окна не будет необходимого числа информационных символов сверточного кода либо они будут сдвинуты в скользящем окне приема и число символов синдрома сверточного кода, совпадающих с синхронизирующей последовательностью, будет существенно меньше. Поэтому установление цикловой синхронизации выполняют путем сравнения символов синдрома сверточного кода с синхронизирующей последовательностью, то есть при вычислении корреляционной функции в согласованном фильтре. По числу символов синдрома сверточного кода, отличающихся от символов синхронизирующей последовательности, или по числу ошибок в синдроме сверточного кода устанавливается цикловая синхронизация. При числе ошибок меньше некоторого заранее заданного порогового значения устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с началом скользящего окна приема, при числе ошибок больше либо равном, чем пороговое значение, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и вычисление синдрома сверточного кода и оценивание числа ошибок повторяют.

Таким образом, последовательность операций при цикловой синхронизации сверточного кода запишется в виде:

1. Принять входную последовательность a ₀d₀ a ₁d₁ a ₂d₂…a _n-1d_n-1 длины 2·n бит.

2. Вычислить синдром кода s₀s₁s₂s₃…s_n-1 по формуле (3).

3. Определить число символов синдрома, несовпадающих с синхронизирующей последовательностью

4. Сравнить число символов синдрома R с пороговым значением.

Если R<R_пор, синхронизация установлена, идти к 5, иначе - идти к 6.

5. Принятую последовательность a ₀d₀ a ₁d₁ a ₂d₂…a _n-1d_n-1 передать на декодирование.

6. Сдвинуться на 1 бит по входной последовательности, идти к 1.

Для реализации предлагаемого способа важным является выбор порогового значения числа ошибок в синдроме. Вероятность установления синхронизации должна быть, по крайней мере, не меньше, чем вероятность правильного декодирования сверточного кода. Вероятность правильного декодирования сверточного кода обычно задается 0,99 (0,98), которая и определяет пороговое значение числа ошибок, при котором устанавливается цикловая синхронизация. Независимое распределение ошибок во входной последовательности сокращает число неискаженных блоков и является наихудшим случаем распределения ошибок для установления цикловой синхронизации. Поэтому будем оценивать вероятность приема неискаженных блоков длины r на канале с независимыми ошибками. Пусть средняя вероятность на бит в канале связи равна p, тогда вероятность приема неискаженного блока длины r выражается формулой

где q=1-p - вероятность неискаженного приема символа.

На самом деле формула (3) дает нижнюю оценку вероятности неискаженного блока длины r в скользящем окне. За счет корреляции соседних блоков они будут встречаться чаще. На длине кодового ограничения сверточного кода, равной r-1, число нулевых компонент синдрома будет

что и является нижней оценкой порогового значения функции корреляции, при котором устанавливается цикловая синхронизация. Если код обеспечивает требуемую вероятность правильного приема 0,99 (0,98) до вероятности ошибки на бит p_пор, то значение g₀ при этой вероятности на бит определяет величину числа ошибок в синдроме.

Помимо нулевых синдромов за счет неискаженных информационных блоков также возможны нулевые синдромы и при ошибочных информационных блоках. С учетом этого замечания формула для порогового значения числа ошибок синдрома запишется в виде

В таблице приведено искомое пороговое значение числа ошибок синдрома при средней вероятности ошибки на бит в канале связи, лежащем в диапазоне 0,01…0.1, длине передаваемого сверточного кода n=1000 и длине кодового ограничения сверточного кода r-1=8.

Если предполагается работа в канале со средней вероятностью ошибки на бит до 0,1, то пороговое значение числа ошибок синдрома, согласно таблицы, должно быть выбрано равным 306.

При числе ошибок в синдроме сверточного кода меньше порогового значения, устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с началом скользящего окна приема, при числе ошибок больше либо равном, чем пороговое значение, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и вычисление синдрома сверточного кода и оценивание числа ошибок повторяют.

В предлагаемом способе выполняют суммирование синхронизирующей последовательности с проверочными символами сверточного кода. Это позволяет на приемной стороне при вычислении синдрома сверточного кода выделить символы синхронизирующей последовательности. В прототипе синхронизирующую последовательность передают отдельно от закодированного сообщения и поэтому объем полезной информации, предаваемой по каналу связи, уменьшается.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа кодовой цикловой синхронизации сообщений является сокращение объема служебной информации, передаваемой по каналу связи, для цикловой синхронизации сверточного кода, а значит более эффективное использование ресурсов канала связи.

1. Способ кодовой цикловой синхронизации сообщений, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют выходную последовательность, состоящую из следующих друг за другом информационных и проверочных символов сверточного кода, которую затем вместе с синхронизирующей последовательностью передают по каналу связи, на приемной стороне в скользящем окне приема принятую синхронизирующую последовательность сравнивают с переданной синхронизирующей последовательностью и при числе ошибок в принятой синхронизирующей последовательности, не превышающем порогового значения, устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с местоположением начала скользящего окна приема, при числе ошибок в принятой синхронизирующей последовательности, превышающем или равном пороговому значению, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и оценивают число ошибок в принятой синхронизирующей последовательности до тех пор, пока число ошибок в принятой синхронизирующей последовательности не станет меньше порогового значения, отличающийся тем, что на передающей стороне проверочные символы сверточного кода суммируют по модулю два с символами синхронизирующей последовательности и только затем полученную выходную последовательность передают по каналу связи, на приемной стороне принятую в скользящем окне приема входную последовательность делят на порождающий полином сверточного кода, в результате деления в остатке получают синдром сверточного кода, далее переданную синхронизирующую последовательность сравнивают с синдромом сверточного кода и оценивают число ошибок в синдроме сверточного кода, при числе ошибок меньше порогового значения устанавливают цикловую синхронизацию, совпадающую с началом скользящего окна приема, при числе ошибок больше либо равном, чем пороговое значение, скользящее окно приема смещают на один символ по входной последовательности и вычисление синдрома сверточного кода и оценивание числа ошибок повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину скользящего окна приема выбирают равной длине сверточного кода, соответствующего передаваемому сообщению.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для сверточного кода со скоростью 1/2 вычисляют два синдрома сверточного кода.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что первый синдром соответствует нечетному местоположению скользящего окна приема, а второй синдром соответствует четному местоположению скользящего окна приема.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что сравнение переданной синхронизирующей последовательности с первым или вторым синдромом выполняют в зависимости от нечетного или четного местоположения скользящего окна приема.