4.3Канальное кодирование

Помехоустойчивое кодирование осуществляется за счет введения в состав передаваемого сигнала довольно большого объема избыточной (контрольной) информации. В английской терминологии такое кодирование носит наименование Forward Error Correcting coding (FEC coding), т.е. кодирование с упреждающей коррекцией ошибок, или кодирование с коррекцией ошибок на проходе. В сотовой связи помехоустойчивое кодирование реализуется в виде трех процедур - блочного кодирования, сверточного кодирования и перемежения. Кроме того, кодер канала выполняет еще ряд функций: добавляет управляющую информацию, которая, в свою очередь, также подвергается помехоустойчивому кодированию; упаковывает подготовленную к передаче информацию и сжимает ее во времени; осуществляет шифрование передаваемой информации, если таковое предусмотрено режимом работы аппаратуры. Последовательность выполнения этих задач показана на блок-схеме рис. 1.14.

При блочном кодировании входная информация разделяется на блоки, содержащие по k символов каждый, которые по определенному закону преобразуются кодером в n-символьные блоки, причем n > k (рис. 1.14). Отношение R = k/n носит наименование скорости кодирования и является мерой избыточности, вносимой кодером. При рационально построенном кодере меньшая скорость кодирования, т.е. большая избыточность, соответствует более высокой помехоустойчивости.

Повышению помехоустойчивости способствует также увеличение длины блока. Блочный кодер с параметрами n, k обозначается (n, k). Если символы входной и выходной последовательностей являются двоичными, т.е. состоят из одного бита каждый, то кодер называется двоичным; именно двоичные кодеры используются в сотовой связи. Схема, представленная на рис. 1.15, соответствует двоичному блочному кодеру (5, 4).

Рисунок 1.14 - Канальное кодирование

Рисунок 1.15 - Блочное кодирование

Каждый бит блока выходной информации является суммой по модулю 2 нескольких бит (от одного до k) входного блока, для чего используется n сумматоров по модулю 2. Один из сумматоров на схеме рис. 1.15 (второй справа) является вырожденным - на его вход поступает лишь одно слагаемое.

При сверточном кодировании (рис. 1.16) К последовательных символов входной информационной последовательности, по k бит в каждом символе, участвуют в образовании n-битовых символов выходной последовательности, n > k, причем на каждый символ входной последовательности приходится по одному символу выходной.

а) б)

Рисунок 1.16 - Схема сверточного кодирования (4, 2, 5) (n = 4, k = 2; R = k/n = 1/2). а) - побайтовый контроль четности позволяет обнаружить одиночные ошибки в байтах; б) - добавление еще 8-го бита контроля позволяет исправить одиночную ошибку в восьми байтах

Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких бит (от двух до K_k бит) К входных символов, для чего используются п сумматоров по модулю 2. Сверточный кодер с параметрами n, k, К обозначается (n, k, K). Отношение R = k/n, как и в блочном кодере, называется скоростью кодирования.

Параметр К называется длиной ограничения (constraint length); он определяет длину сдвигового регистра (в символах), содержимое которого участвует в формировании одного выходного символа. После того, как очередной выходной символ сформирован, входная последовательность сдвигается на один символ вправо (рис. 1.15). В результате символ 1 выходит за пределы регистра, символы 2…5 перемещаются вправо, каждый на место соседнего, а на освободившееся место записывается очередной символ входной последовательности, и по новому содержимому регистра формируется следующий выходной символ. Название сверточного кода обязано тому, что он может рассматриваться как свертка импульсной характеристики кодера и входной информационной последовательности. Если k = 1, т.е. символы входной последовательности однобитовые, сверточный кодер называется двоичным. Сверточный кодер, схема которого приведена на рис. 1.15, не является двоичным, поскольку для него k = 2.

Перемежение представляет собой такое изменение порядка следования символов информационной последовательности, т.е. такую перестановку, символов, при которой стоявшие рядом символы оказываются разделенными несколькими другими символами. Такая процедура предпринимается с целью преобразования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные ошибки, с которыми легче бороться с помощью блочного и сверточного кодирования. Использование перемежения - одна из характерных особенностей сотовой связи, что это является следствием неизбежных глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, которое практически всегда имеет место, особенно в условиях плотной городской застройки. При этом группа следующих один за другим символов, попадающих на интервал замирания (провала) сигнала, с большой вероятностью оказывается ошибочной. Если же перед выдачей информационной последовательности в радиоканал она подвергается процедуре перемежения, а на приемном конце восстанавливается прежний порядок следования символов, то пакеты ошибок с большой вероятностью рассыпаются на одиночные ошибки, вероятность исправления которых значительно выше.

Известно несколько различных схем перемежения и их модификаций - диагональная, блочная, свёрточная и другие.

При диагональном перемежении входная информация делится на блоки, а блоки - на субблоки, и в выходной последовательности субблоки, например, второй половины предыдущего блока чередуются с субблоками первой половины следующего блока. Такая схема иллюстрируется рис.1.17, где каждый блок состоит из шести субблоков, и субблоки первого блока обозначены а_i, второго - b_i третьего - с_i. Субблок может состоять из нескольких символов, или из одного символа, или даже из одного бита.

Рисунок 1.17 - Схема диагонального перемежения

Приведённая схема диагонального перемежения вносит малую задержку, но расставляет соседние символы лишь через один, т.е. рассредоточение ошибочных символов группы получается сравнительно небольшим.

При блочном перемежении входная информация также делится на блоки, по n субблоков (или символов) в каждом, и в выходной последовательности чередуются субблоки k последовательных блоков. Работу этой схемы можно представить себе в виде записи блоков входной последовательности в качестве строк матрицы размерности k х п (рис. 1.17), считывание информации из которой производится по столбцам. Следовательно, если входная последовательность в этом примере имела вид а₁, а₂, … а_n, b₁, b₂, … b_n, … k₁, k₂ …k_n, то выходная будет такой: a₁, b₁, … k₁, a₂, b₂, … k₂, … a_n, b_n, … k_n. Субблоки, или символы, в частном случае здесь также могут состоять лишь из одного бита. Схема блочного перемежения вносит большую задержку, чем диагонального, но значительно сильнее рассредоточивает символы группы ошибок.

В канальном кодирование так же осуществляется и скремблирование. Скремблирование - разновидность кодирования информации для передачи по каналам связи, улучшающая спектральные и статистические характеристики сигнала. Скремблирование есть приведение информации к виду, по различным характеристикам похожему на случайные данные. Скремблирование выравнивает спектр сигнала, частоты появления различных символов и их цепочек.

В стандарте GSM повышение эффективности канального кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду). Главное назначение медленных скачков – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой подвижной станции в процессе установления канала связи. Этот метод несколько модифицированный используется и в широкополосных системах связи.