Преобразования в системе передачи данных на канальном уровне. Дискретный канал (дк).

Рассмотрим обобщенную функциональную схему преобразований в системе передачи данных на канальном уровне модели OSI.

Функциональная схема преобразований

В общем случае, источник дискретных сообщений или сигналов (ИДС) – это любой объект, порождающий на своем выходе дискретную случайную последовательность символов.

Обозначим алфавит сообщения на передаче (алфавит входного сообщения, входной алфавит) – А, алфавит сообщения на приеме (алфавит выходного сообщения, выходной алфавит) – В. В общем случае эти алфавиты могут иметь бесконечное множество значений. Но на практике они конечны и совпадают. Это значит, что при приеме символа b_k считается, что передавался символ a_k.

В системе передачи дискретных сообщений различают три группы преобразований:

• Преобразования в передающей части, то есть в кодере источника КИ и кодере канала КК. Кодер канала включает в себя собственно кодер Код для помехоустойчивого кодирования и устройство преобразования сигналов УПСпер (PHY, физический уровень).

• Преобразования в приемной части, то есть в декодере получателя ДкП и декодере канала ДкК, последний состоит из собственно декодера Дек и устройства преобразования сигналов в приемнике УПСпр.

• Преобразования в непрерывном канале связи НКС .

Непрерывный канал связи представляет собой среду передачи, в которой распространяются сигналы.

Функции передающей части

Передатчик каждому символу a_i или группе символов передаваемого сообщения однозначно ставит в соответствие определенный сигнал s_i(t), поступающий на вход непрерывного канала связи. Задача передатчика – выбрать достаточно помехоустойчивую систему сигналов S(t).

Преобразования в кодере источника учитывают физические и статистические свойства источника сообщений и не принимают во внимание особенности непрерывного канала связи. На выходе кодера источника формируется b(t) – двоичная (битовая) последовательность.

Кодер канала кодирует последовательность b(t) специальным корректирующим кодом, который позволяет обнаружить и исправить ошибочные биты на выходе декодера канала в приемной части. УПСпер осуществляет преобразование кодовой последовательности (кодовой комбинации) корректирующего кода в сигналы s_i(t), способные распространяться в заданном непрерывном канале связи и достигать приемника с приемлемыми искажениями. Суммарный эффект от кодирования и выбранной системы сигналов должен обеспечить требования к системе передачи данных по скорости передачи, верности и задержке передачи сообщений.

Между кодированием источника и кодированием канала существует четкое различие. При кодировании источников стремятся снизить избыточность сообщений, поэтому такое кодирование часто называют сжатием данных (например, оцифровка аудио и видео сигнала при записи на компакт диски). Кодирование канала наоборот увеличивает избыточность передаваемых сообщений. Внесение дополнительных проверочных бит кода позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при передаче информации по каналу. Кодирование канала в дальнейшем мы будем называть помехоустойчивым кодированием. Коды, используемые в кодере канала, соответственно называются помехоустойчивыми или корректирующими.

Существуют две стратегии использования кодов, способных контролировать ошибки в принимаемых сообщениях:

1. Использование корректирующего кода с непосредственным исправлением ошибок в декодере приемника Дек за счет введенной кодером канала избыточности (Forward Error Correction – FEC).

2. Использование корректирующего кода с обнаружением ошибок и последующая передача запросов на повторную передачу искаженных сообщений (Automatic Repetition Query – ARQ).

При проектировании реальных систем связи сочетают выбор канала с выбором системы сигналов и конкретных методов помехоустойчивого кодирования; при этом стремятся оптимизировать соотношение между затратами и качеством передачи информации.

Под качеством, как правило, понимают коэффициент ошибок по битам BER (рассмотрено ниже). Затраты определяются сложностью алгоритмов кодирования и декодирования и возникающими временными задержками в приемнике.

Преобразования сигнала в НКС являются нежелательными. Они возникают из-за ограничения спектра передаваемых сигналов и действия различных помех. Сигналы на выходе НКС s*(t) являются искаженными, что приводит к искажению передаваемых сообщений и возможной потере информации.

Функции приемной части

В приемнике все множество возможных реализаций искаженных сигналов S* разбивается по определенным правилам на k непересекающихся подмножеств S*_k – областей решения. Каждая из этих областей однозначно соотносится с одним двоичным символом или группой символов на входе декодера Дек. Корректирующий код позволяет обнаружить ошибочные двоичные символы, если число ошибок не превышает некоторого уровня, определяемого кодом. Способ обработки сигналов в демодуляторе выбирается с учетом влияния на сигналы непрерывного канала связи и используемой кодовой защиты.

Верность принимаемого сообщения оценивается вероятностью ошибок в нем P. На практике чаще всего пользуются коэффициентом ошибок по битам BER (Bit Error Ratio). BER=К_ош=n_ош/n_пер, где n_пер – число переданных двоичных символов; n_ош – число ошибочно принятых двоичных символов.

Путем применения оптимального кодирования можно обеспечить сколь угодно малый коэффициент BER при условии, что скорость выдачи информации источником R не превышает пропускную способность канала (НКС) С (теорема Шеннона).

Теорема кодирования для канала (Теорема Шеннона) гласит, что для источника Х со скоростью выдачи информации R=H(X)/Ts [бит/с] и при условии R<C [бит/с] существует некоторый код, с помощью которого информация источника Х может быть передана по каналу связи с пропускной способностью С со сколь угодно малой вероятностью ошибки.

Рост избыточности помехоустойчивого кода ведет к росту интенсивности потока данных и сложности аппаратных и программных реализаций кодера и декодера. Но с другой стороны, введенная избыточность увеличивает способность кода обнаруживать и исправлять ошибки.

Интенсивность потока данных включает в себя передачу полезной информации, передачу добавленных проверочных бит, а также передачу запросов и повторений по этим запросам отдельных блоков сообщений.

Следует иметь в виду, что требования к системе по скорости и верности передачи являются противоречивыми. Чем выше скорость передачи, тем меньше длительность единичных элементов сигнала и, следовательно, энергия сигналов. Такой сигнал больше подвержен искажению из-за помех, что ведет к росту вероятности ошибок Рош (BER).