книги / Методы борьбы с помехами в каналах проводной связи

Г Л А В А 9

С П О С О Б Ы П О В Ы Ш Е Н И Я Э Ф Ф Е К Т И В Н О С Т И С П Д П Р И Д Е Й С Т В И И П О М Е Х

9.1. Вводные замечания

Качество -работы системы оценивается с помощью показателей эффективности, которые представляют собой числовые характери­ стики, учитывающие степень приспособленности системы к выпол­ нению поставленных перед нею задач. Каждый из показателей эффективности характеризует качество работы системы с позиции какой-либо частной задачи. Качество работы всей системы -опре­ деляется в о-бщем случае некоторым специально -выбранным функ­ ционалом, учитывающим степень влияния каждого из частных показателей эффективности. Основными показателями эффектив­ ности СПД являются пропускная способность, верность переда­ ваемой информации, своевременность доставки сообщения, на­ дежность -работы СПД. Кроме этих показателей, для оценки эф­ фективности используют такие характеристики, как стоимость си­ стемы и ее эксплуатации, численность персонала для обслужива­ ния системы передачи данных, эксплуатационные характеристики аппаратуры.

В зависимости от назначения СПД на первый план выдвига­ ются те или иные частные -показатели эффективности. Например, для систем централизованного сбо-ра и учета статистических дан­ ных основными показателями являются верность и пропускная способность системы. -В такой системе допускаются значительные задержки в передаче информации, поэтому кратковременные пе­ рерывы при передаче не приводят к снижению эффективности СПД при условии, что информация .при этом не теряется.

К системам, предназначенным для передачи быстростареющей информации, наряду -с требованием обеспечения высокой верности обычно выдвигается требование мини-малш-ой задержки -информа­ ции. Одним из частных показателей эффективности для таких си­ стем является вероятность задержки информации сверх допусти­ мого значения. Как уже упоминалось, совокупность показателей эффективности образует некоторый функционал, который харак­ теризует эффективность всей системы. В зависимости от целей и задач в эту совокупность входят те или иные показатели эффек­ тивности или функции от них.

Системы передачи данных выполняют множество -разнообраз­ ных функций. Поэтому невозможно предложить единый способ

Ш

оценки эффективности для всех систем. Как правило, при сопо­ ставлении систем сравнивают те показатели эффективности, кото­ рые имеют решающее значение с точки зрения целей создания СПД при условии, что остальные показатели находятся на при­ емлемом уровне.

iB этой главе рассмотрим «способы увеличения пропускной спо­ собности и обеспечения своевременной доставки сообщений полу­ чателю при высокой верности передачи информации.

9.2. Способы увеличения пропускной способности СПД

Одним из основных .способов увеличения пропускной способ­ ности канала П-Д является повышение «скорости передачи инфор­ мации. Скорость передачи дискретной информации в частотноог­ раниченном канале «овязи зависит от уровня помех и вида моду­ ляции. Уровень помех, отвечающий нормам, не является препят­ ствием для повышения скорости.

Для классических видов модуляции (AM, «Ф,М) -максимально возможная скорость передачи ограничена пределом Найквиста:

Найквиста обусловлен физическими процессами в частотнеогра­ ниченной системе [4,37]. При использовании комбинированных ме­ тодов модуляции скорость передачи м«ожет быть увеличена.

Идея применения ном'бин-ирован-ных методов состоит в том, что на передаче .осуществляется 'модуляция двух «независимых па­ раметров несущего колебания: например, амплитуды и частоты, амплитуды и фазы, а на приеме производится демодуляция по каждому из параметров.

'Большое распространение в -современных «системах связи по­ лучили -квадратурные методы модуляции, -применение которых основано на -использовании «свойства когерентного детектора не реагировать на квадратурную составляющую. Наибольшее рас­ пространение получили двукратная амплитудная «и двукратная фазовая модуляции.

Рассмотренные -виды модуляции позволяют приблизительно в два раза увеличить скорость передачи «информации. Естественно, что увеличение скорости соировождается ум«енынен-ием помехоза­ щищенности. Поэтому дальнейшее увеличение скорости можно осуществить, «если для передачи дискретной информации приме­ нять много-позиционные системы передачи.

«Наиболее перспективными являются системы «многократной фазовой «модуляции (40], а также системы со сложными видами модуляции (АМ-ФМ, АФМ-ОБП «и т. д.).

Основное .влияние на пропускную способность СПД с решаю­ щей обратной связью оказывают перерывы и импульсные -помехи.

206

Влияние флуктуацнонных помех и .скачков уровнязаметно лишь

применить СПД с более низкой скоростью передачи, так как та­ кая система не требует сложных корректоров характеристик ка­ нала и является, как правило, -более -простой в эксплуатации. Как было показано в гл. 6 , пропускная способность СПД при данной скорости передачи зависит как от алгоритма, так и от парамет­ ров СПД — длины блока, избыточности обнаруживающего ошиб­ ки кода, длительности блокировки при запросах и т. д. Рассмот­ рим методы повышения пропускной способности системы переда­ чи данных с решающей обратной связью, основанные на выборе оптимальных параметров СПД.

Прежде всего, для повышения пропускной -способ1ности стре­ мятся уменьшить избыточность кода, обнаруживающего ошибки. В технике передачи данных в настоящее время чаще -всего приме­ няются два класса кодов — циклические -и матричные. Последние называют также кодами с продольными и поперечными проверка­ ми (по строкам и столбцам). Применение названных кодов обус­ ловлено тем, что они способны достоверно -обнаруживать не толь­ ко одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, длина которых не пре­ вышает определенного предела. Для циклического кода этот пре­ дел равен длине проверочной части кода, а для матричного с од­ нократной проверкой по столбцам — длине строки.

Пакеты ошибок в каналах связи обусловлены -в-оздействнем флуктуационных -и импульсных помех, а также перерывов. Пере­ рывы, длина которых -превосходит длину проверочной части ко­ довой комбинации г, порождают пакеты ошибок, часть из кото­ рых не обнаруживается кодом. Условная вероятность комбинации с .необнаруженными, ошибками при действии таких перерывов

Рв.О ~ 2~г.

При увеличении г -вероятность необнаруженной ошибки умень­ шается, но избыточность кода при заданной длине кодовой ком­ бинации растет, а значит, растут и потери пропускной способно­ сти. Поэтому понятно стремление увеличить длину кодовой ком­ бинации. Однако при увеличении длины кодовой комбинации воз­ растет и вероятность поражения ее ошибками, что ведет к умень­ шению пропускной способности (-рис. 9.1).

Как правило, величину г выбирают, исходя из условия гаран­ тированного обнаружения пакетов ошибок, обусловленных флуктуационными и импульсными помехами, а также короткими пере­ рывами. Для защиты от перерывов, длина которых превосходит длину проверочной ча-сти .кода, используют некодовы-е методы об­ наружения ошибок, в частности, метод контроля уровня -сигнала на входе приемника (см. § 9.5).

При заданной величине г длину кодовой комбинации выбирают так, чтобы свести к минимуму потери пропускной способности.

204

на строки, как правило, выбирается равной длине кодового знака плюс

один элемент проверки на четность; количество строк выбирается кратным количеству знаков, образующих стандартную строчку но­ сителя информации. Например, при передаче данных с перфокарт количество строк в матрице равно 80.

На примере матричного кода поясним метод повышения пропускной способности СПД, основанный на применении кодов, ко­ торые обнаруживают ошибки большой кратности -и исправляют ошибки малой кратности. -Кодовую комбинацию запишем в виде матрицы с k строками и п столбцами.

При декодировании кодовой комбинации производятся незави­ симые проверки по строкам и столбцам. Если в результате про­ верок ошибок не обнаружено, комбинация выдается потребителю. Если обнаружена одна ошибка в /-й строке и /-м столбце, то элемент ац исправляется на противоположный. Если ошибки об­ наружены только при одном виде проверок (по строкам или по столбцам) или число их более двух, то выносится решение о пе­ респросе данной кодовой комбинации. Таким образом, одна ошиб­ ка на длине кодовой комбинации исправляется, две и более оши­

а<С1). Вероятность поражения кодовой комбинации двумя и бо­

ставляют пакеты ошибок, обусловленные перерывами и импульс­ ными помехами, поэтому выигрыш системы с исправлением оди­ ночных ошибок в реальном канале будет более чем скромным.

Однако в некоторых частных случаях, например для спутнико-

205.

вых каналов, модель независимых ошибок достаточно хорошо от­ ражает реальное распределение ошибок. Это да-ет основания 'Н а ­ деяться, что применение алгоритма с обнаружением многократных и исправлением одиночных ошибок обеспечит значительный вы­ игрыш в пропускной способности.

Остановимся еще на некоторых методах повышения пропуск­ ной способности, которые характеризуются одним общим свойст­ вом — адаптивностью. Адаптивными называются системы, кото­ рые способны изменять свои параметры и структуру на основе те­ кущей информации для достижения некоторого оптимального со­ стояния системы.

Если, например, оптимизировать пропускную способность си­ стемы, то адаптивная система на основе информации об ошибках изменяет алгоритм передачи таким образом, чтобы минимизиро­ вать потери пропускной способности:

Рассмотрим ОПД, у которой длина блока меняется в зависи­ мости от качества канала связи. При хорошем качестве канала передача ведется длинными блоками. При увеличении коэффи­ циента ошибок длина 'блока уменьшается, чтобы уменьшилась вероятность .поражения блока ошибками и тем самым число пере­ спросов.

Критерием для изменения длины блока является число запро­ сов N3 за время анализа. Если N3> N ai, длина блока уменьшается, если N3<\N&, длина блока увеличивается. На рис. 9.2 показан

график пропускной способности СПД с РОС при работе с длин­ ными (/) и короткими (2) блоками.

•Второй пример адаптивной системы—это система с изменя­ ющейся скоростью передачи информации (рис. 9.3). Поскольку повышение скорости передачи информации связано с уменьше­ нием помехоустойчивости, работа на предельной скорости пере­ дачи (рис. 9.3(1)] возможна лишь при хорошем качестве канала. Если качество канала понизилось, частость ошибок может до­ стигнуть такой величины, что передача станет невозможной.

206

Уменьшение скорости (передачи приводит к тому, что помехоустой­ чивость возрастает, вследствие чего частость ошибок уменьшает­ ся до допустимой величины [рис. 9.3(2)].

Реализация таких систем не представляет особых трудностей, так как современные модемы обеспечивают, как -правило, несколь­ ко режимов работы с различными скоростями. Например, модем ТОФМ-4800 обеспечивает также работу ,в режиме ДОФМ-2400, модем ДОФ.М-2400 может работать -в режиме ОФМ со скоростя­ ми 1200 и 600 бит/с.

9.3.Способы уменьшения влияния помех на своевременность передачи данных

При передаче оперативных данных оговаривается время до­ ставки сообщения получателю, поэтому вопрос обеспечения свое­ временности передачи данных является весьма актуальным.

Допустимое время задержки может изменяться в широких -пре­ делах: от десятков минут в системах сбора и обработки статисти­ ческих данных до долей секунд в -системах управления движущи­ мися объектами.

Наибольшее -влияние на своевременность передачи данных оказывают импульсные помехи и перерывы, причем для систем с большими допустимыми задержками можно пренебречь влиянием всех помех, кроме перерывов. Если допустимое время задержки ^доп задано, то вероятность отказа системы равна вероятности по­ явления перерывов, длительность которых больше ^ДОп

-Радикальным средством уменьшения длительности перерывов является резервирование канала связи. Поскольку большинство перерывов является са:мовосста1навливаемым, -время анализа дол­ жно быть достаточно большим. С другой стороны, должно удов­ летворять неравенству

оператора на аварийный сигнал, времени передачи команды на •противоположный пункт, времени срабатывания исполнительных устройств переключателя. С учетом реальной функции распреде­ ления перерывов по длительности (617) резервирование канала связи будет эффективным лишь для систем, где 1Д0Ц> 1 мин. При уменьшении /доп число -переключений быстро возрастает. При этом время между двумя (последовательными -переключениями может оказаться недостаточным для восстановления отказавшего ка­ нала.

Оценим эффективность резервирования канала связи, предпо­ ложив, что £Доп> 1 мин, т. е. -переключения происходят достаточно •редко.

В канале ПД с резервным каналом ТЧ вероятность задержки

207

где кп — коэффициент простоя резервного канала; ротш — вероят­ ность задержки на время, превышающее ^доп в нерезервированном •канале ПД.

Коэффициент простоя 'резервного канала зависит о т 'С т р а т е г и и его обслуживания. Пусть канал непрерывно контролируется с по­ мощью внешних контрольных устройств. При получении аварий­ ной оценки оператор сдает канал на восстановление. Оптималь­ ное время анализа при выдаче аварийной оценки должно выби­ раться из условия минимизации времени -простоя канала. Задачу отыскания оптимального времени анализа для сдачи канала в р е ­ монт будем решать по методике, предложенной А. С. Борисовым.

Рассмотрим канал связи, в котором внешние по-мехи приво­ дят к простоям различной длительности. Плотность распределения вероятностей f(t) простоев известна из статистики (t — длитель­ ность пропадания).

Предположим, далее, что имеется возможность влиять на вре­ мя -простоя путем восстановления. Длительность восстановления является случайной или детерминированной величиной у, причем процесс восстановления начинается, как только пропадание до­ стигло величины t — k. Эту величину и назовем порогом для пере­ дачи канала на ремонт. При наличии внешнего восстановления в канале (т. е. при наличии -не только самювосстанавлив ающихс-л нарушений длительностью меньше k мин, но и нарушений, пре­

равными k+y, однако все нарушения, которые в канале без ремон­ та длились бы более k мин, но менее k+ y мин, удлиняются за счет восстановления и также становятся равными k+ y мин.

Далее будем считать, что длительность t самовосстанавливающихся пропаданий и длительность у восстановления являются не­ зависимыми случайными величинами, плотности распределения которых f(t) ii (у) соответственно известны из статистики.

Рассмотрим сначала случай, когда# — постоянная величина, равная tB. Средняя продолжительность укорочения пропаданий, длительность которых в канале без ремонта превышала бы к + +у мин, равна:

00

(9.4)

и определяет средний выигрыш, .обусловленный проведением вос­ становительных работ. Средний проигрыш из-за ремонта опреде­ ляется средней продолжительностью затягивания пропаданий, длительность которых без ремонта заключалась бы в пределах от

k ДО k+'tB 'МИН.

В качестве целевой функции естественно выбрать -разность между средним выигрышем и средним проигрышем:

268