3.9. Автоматический запрос повторной передачи
В некоторых системах связи между передатчиком и приемником имеется двусторонняя линия связи, которую можно использовать для уведомления передающей стороны о наличии ошибок в принятом сообщении и для запроса повторной передачи искаженно сообщения.
Системы с исправлением ошибок, в которых принятые сообщения, содержащие ошибки, многократно повторяются передающей стороной по запросам приемной стороны, принято называть системами с автоматическим запросом повторной передачи (АЗПП).
В системах с АЗПП на приемной стороне, как правило, выполняется только процедура обнаружения ошибок в принятом сообщении и не предпринимается никаких попыток их исправить. Поэтому в передаваемое сообщение вводится определенное количество избыточных битов или бит проверки на четность, образующих вместе с битами сообщения код с обнаружением ошибок. С увеличением количества избыточных битов возрастает обнаруживающая способность кода. Так как кодирование с обнаружением ошибок является простым, эффективным и достаточно устойчивым методом выявления искаженных сообщений, то системы с АЗПП позволяют простыми средствами обеспечить надежную передачу сообщений от источника к потребителю по каналам связи с различными характеристиками. Поэтому АЗПП широко используется в системах передачи данных, в которых предъявляются повышенные требования к верности, например в компьютерной связи.
В соответствии с семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем контроль ошибок относится к числу основных операций, которые могут выполняться на нескольких уровнях, в частности на транспортном уровне (4-й уровень) и уровне линий передачи данных (2-й уровень).
На уровне линий передачи данных пакеты сообщений, поступающие с выхода сетевого уровня (3-й уровня), перед передачей их в канал связи преобразуются в блоки (фреймы) путем добавления вспомогательных битов, образующих поля управления и проверки ошибок. На рис. 3.18 приведена примерная структура блока.
Рис. 3.18. Примерная структура блока 124
Длительность блока зависит от используемого протокола в линии передачи данных и может изменяться в пределах от 50 до 200 байт.
В общем случае система с АЗПП работает следующим образом. Принятые блоки, содержащие ошибки, повторно передаются до тех пор, пока они будут приняты без ошибок или ошибки в них не будут обнаружены. При этом обнаружение ошибок производится с помощью простого кода, обнаруживающего ошибки. Приемная сторона посылает по надежному обратному каналу передающей стороне подтверждения: положительные (ПП) или отрицательные (ОП) для указания отсутствия или наличия ошибок в ранее переданном блоке. При получении положительного подтверждения передающая сторона передает очередной блок, а при получении отрицательного – повторяет передачу ранее переданного блока. В принципе, повторная передача одного и того же сообщения может происходить до тех пор, пока оно не будет принято без ошибок.
Из различных вариантов АЗПП можно выделить три базовых: АЗПП с остановом и ожиданием, АЗПП с возвращением на N блоков, АЗПП с селективным повторением.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАПРОС ПОВТОРНОЙ ПЕРЕДАЧИ С ОСТАНОВОМ И ОЖИДАНИЕМ
При автоматическом запросе повторной передачи с остановом и ожиданием работа происходит следующим образом. Передающая и приемная стороны обмениваются сообщениями по полудуплексной линии связи. После передачи одного блока передающая сторона ожидает подтверждения со стороны приемной для того, чтобы передать очередной блок или повторить прежний. При получении блока приемная сторона передает в сторону передающей ПП, если принятый блок не содержит ошибок, и ОП, если принятый блок содержит ошибки. На рис. 3.19 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая процедуру передачи сообщений в системе с АЗПП с остановом и ожиданием.
Рис. 3.19. Диаграмма передачи сообщений в системе АЗПП с остановом и ожиданием
Блоки сообщений Б1, Б2, Б3, ... подлежат передаче. В момент времени t0 передатчик передает блок Б1 и ожидает подтверждения со стороны приемника о качестве приема этого блока. Если в момент времени t1 блок Б1 был принят без ошибок, то посылается ПП1. Получив это подтверждение, передатчик в момент времени t2 передает блок Б2, в котором в приемнике обнаруживаются ошибки и в момент времени t3 посылается ОП2. Получив ОП2, передатчик в момент времени t4 передает блок Б2 повторно и ожидает ПП или ОП, которые поступят в момент времени t6. При получении ПП3, как показано на рис.3.19, передатчик передает Б3 и т.д.
Очевидно, что при реализации АЗПП с остановом и ожиданием на передающем конце необходимо иметь буферное запоминающее устройство соответствующего объема для хранения передаваемых блоков сообщений до получения положительного подтверждения о приеме соответствующего блока.
Достоинство АЗПП с остановом и ожиданием заключается в его простоте. Однако он не очень приспособлен для современных высокоскоростных систем передачи цифровых сообщений из-за неэффективного использования канала связи из-за потерь времени на ожидание подтверждения перед передачей очередного блока. Эти потери становятся особенно существенными при характерных для спутниковых линий связи значительных задержках при распространении, превышающих время передачи блока.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАПРОС ПОВТОРНОЙ ПЕРЕДАЧИ С ВОЗВРАЩЕНИЕМ НА N БЛОКОВ
В этом варианте АЗПП осуществляется непрерывная передача без ожидания подтверждений между блоками. Здесь между передатчиком и приемником необходимо иметь полнодуплексную линию, позволяющую передавать последовательность блоков сообщений, не ожидая получения положительного подтверждения. Фактически ПП можно даже не передавать. После обнаружения блока, содержащего ошибки, приемная сторона посылает ОП и отбрасывает этот и все последующие блоки до тех пор, пока ошибочный блок не будет принят без ошибок. При получении ОП в передатчике прерывается передача текущего блока и передаются ошибочный и все последующие блоки. Здесь также вводится нумерация блоков целыми числами l = 0, 1, 2 … 2k–1, а в структуру блока – поле номеров (k – количество разрядов в поле номеров).
На рис. 3.20 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая процедуру передачи сообщений в системе с АЗПП с возвращением на N блоков в случае N = 7 (k = 3). Передатчик передает последовательность блоков с номерами Б0, Б1, Б2, ..., Б6. Как показано на рис. 3.20, в приемнике обнаруживается блок, содержащий ошибки (Б3), посылается ОП3 передатчику и отбрасываются этот и все последующие блоки Б4, Б5, Б6, которые уже были переданы передатчиком до получения ОП3 из-за задержки при распространении. Получив ОПЗ, передатчик повторно передает блоки Б3, Б4, Б5, Б6 и далее последующие блоки Б0, Б1, Б2, ... (здесь нумерация блоков производится по mod 2k). При обнаружении ошибок в любом последующем блоке эта процедура повторяется, начиная с блока, содержащего ошибки.
Рис. 3.20. Диаграмма передачи сообщений в системе АЗПП с возвращением на N блоков
АЗПП с возвращением на N блоков является более эффективным по сравнению с АЗПП с остановом и ожиданием, поскольку здесь исключаются потери времени на ожидание подтверждений. Потери эффективности здесь связаны с отбрасыванием всех блоков, следующих за ошибочным блоком, даже если эти блоки не содержат ошибок.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАПРОС ПОВТОРНОЙ ПЕРЕДАЧИ С СЕЛЕКТИВНЫМ ПОВТОРЕНИЕМ
Чтобы исключить потери эффективности, связанные с необходимостью повторной передачи безошибочных блоков, можно использовать процедуру селективного повторения. Здесь, как и в предыдущем варианте, необходима полнодуплексная линия связи. На рис. 3.21 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая процедуру передачи сообщений в системе с АЗПП и селективным повторением. Передатчик передает последовательность блоков Б1, Б2, Б3 …. В приемнике обнаруживаются ошибки в блоке БЗ и посылается ОП3 передатчику. Однако до его получения блоки Б4, Б5 и Б6 оказываются уже переданными. При получении ОП3 в передатчике прекращается передача и вместо текущего блока Б7 повторно передается блок Б3, а затем передача блоков возобновляется в естественном порядке.
Рис. 3.21. Диаграмма передачи сообщений в системе с селективным повторением
Последовательность принятых блоков Б4, Б5, Б6, не содержащих ошибок, запоминается в приемнике до тех пор, пока не будет безошибочно принят блок Б3 и введен в соответствующее место для восстановления естественного порядка следования блоков в последовательности Б3, Б4, Б5, Б6, ...
Если блок Б3 будет безошибочно принят после первой повторной передачи, то запоминаются блоки Б4, Б5 и Б6. Однако, если в блоке БЗ будут обнаружены ошибки при повторной передаче, то возникает необходимость повторить его передачу еще раз. В этом случае надо запоминать блоки Б4, Б5, Б6, Б7, Б8, Б9. Требование многократных повторных передач приводит к увеличению объема буферного запоминающего устройства. Поскольку теоретически повторные передачи могут быть неограниченными, то при конечном объеме буферного запоминающего устройства возможно его переполнение. В практически используемых системах с АЗПП и селективным повторением для предотвращения этого события предусматривается специальный механизм прерываний.
Характеристики систем с АЗПП принято оценивать двумя величинами: относительной пропускной способностью и вероятностью необнаруженной ошибки в битах данных. Относительная пропускная способность определяется как отношение среднего числа битов сообщения, доставляемых получателю в единицу времени, к среднему числу битов, передаваемых в системе в единицу времени. Таким образом, значение относительной пропускной способности всегда меньше 100%. Например, при использовании кода, обнаруживающего ошибки, имеющего кодовую скорость RK = 0,98, относительная пропускная способность при безошибочной передаче должна составлять 98%. Очевидно, что повторные передачи будут снижать значение относительной пропускной способности.
МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА