Кодек с исправлением ошибок для комплексов телемеханики, повышающий достоверность передачи информационных пакетов нерегулярной длины

• Автор: Кульпин, Андрей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Многолучевое распространение, затухание сигнала, нелинейность тракта передатчика, атмосферные, импульсные, заграждающие, селективно-частотные помехи, проходящие как по основным, так и по зеркальным и интермодуляционным каналам, а также другие причины приводят к возникновению одиночных и пакетных ошибок при передаче информации по каналам связи. Особенно сложная ситуация наблюдается в радиоканалах, так как с ростом числа радиосредств ухудшается их электромагнитная совместимость (ЭМС) и растет потеря информации. Поэтому одной из важнейших проблем современной радиотехники является обеспечение высокой достоверности передачи информации по каналам связи.
Объектами контроля и управления систем телеуправления нефте-и газопроводами являются различные устройства трубопроводного транспорта, крановые узлы, приборы измерения расхода газа, котельные и иные объекты. Поскольку цена ошибки связана с безопасностью людей и чрезвычайно высока, задача увеличения достоверности передачи информации в комплексах телеуправления и контроля (КТК) является наиболее важной и значимой.
Электромагнитная обстановка в радиоканалах всех частотных диапазонов непрерывно усложняется и системам связи приходится работать в условиях воздействия внешних помех различного рода. Помехи и замирания сигналов в радиоканалах приводят к возникновению одиночных и пакетных ошибок. Так как достоверность передачи информации в явной форме влияет на качество работы многих сложных систем, то обеспечение высокой достоверности передачи информации по каналам радиосвязи является актуальной задачей.
Для систем контроля и телеуправления газо- и нефтепроводами, часто работающих в непосредственной близости от таких источников помех, как мощные энергетические установки различного назначения, задача обеспечения высокой достоверности передачи информации является особенно актуальной. В этом случае комплексы телеуправления, имеющие в своём составе каналы связи протяженностью в несколько тысяч километров, подвержены интенсивному влиянию помех различного происхождения, что приводит к росту погрешности при передаче информации и является одной из причин возможных ошибок в управлении. В свою очередь ошибки управления становятся причинами возникновения чрезвычайных ситуаций.
Среди различных методов обеспечения высокой достоверности передачи информации положительно выделяются методы, основанные на использовании кодирования передаваемых сигналов кодами с исправлением ошибок. В случае их применения высокая достоверность передачи информации обеспечивается малозатратным способом и, что также важно с экономических позиций, имеется возможность легкой модернизации уже существующих комплексов телеуправления введением в их состав устройств кодирования информации на передающей и устройств декодирования на приёмной сторонах каналов телеуправления.
Применение кодирования управляющей информации дополнительно решает вопросы обеспечения безопасности её передачи, затрудняя несанкционированный доступ к управлению комплексами, что повышает их защищенность и эффективность.
Известные работы в области теории передачи цифровой информации Шеннона К.Е., Финка Л.М., Петровича Н.Т., Тузова Г.И., Борисова В.И., Скляра Б., Зюко А.Г., Кловского Д.Д., Зинчука В.М., Феера К., Варакина Л.Е., Р. Хемминга, Е. Берлекемпа и многих других показали высокую эффективность применения кодов, корректирующих ошибки и их практическую полезность.
Целью работы является разработка кодека с исправлением ошибок для повышения достоверности передачи нерегулярных по длине цифровых сообщений по каналам связи комплексов телеуправления газо- и нефтепроводами и исследование его эффективности.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Анализом методов помехоустойчивого кодирования и выбором вида кодирования и параметров кода, исправляющего ошибки.
2. Синтезом алгоритмов преобразования информационных потоков в кодере и декодере.
3. Обоснованием структуры кодека, исправляющего ошибки.
4. Теоретическим и экспериментальным исследованием вероятности ошибки на выходе кодека.
В работе использованы положения теории информации и теории кодирования сигналов, методы теории вероятностей и математической статистики, аппарат математического анализа и методы теории эксперимента.
Научная новизна работы.
• Предложен метод адаптивного кодирования для повышения достоверности передачи нерегулярных по длине информационных посылок по цифровым каналам телеуправления.
• Получены аналитические выражения и исследована вероятность ошибок при применении разработанного кодека в каналах связи с переменными по длине сообщениями.
• Предложены новые алгоритмы преобразования и кодирования цифровых информационных потоков нерегулярной длины.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
2.4. Анализ вероятности возможных ошибок декодирования сигналов телеуправления и контроля
На основе поступающего на вход информационного потока процессор вырабатывает блоки общей длиной п байт, содержащие к информационных байт и п-к проверочных байт. На приемной стороне такой же процессор осуществляет обратную операцию, выделяя информационные байты.
При воздействии помехи и появлении ошибок возможно исправление п-к поврежденных байт из блока, если их положение в блоке известно, и (п-к)/2 байт, если их положение неизвестно (эта ситуация является типовой). Если процессор не может исправить блок из-за того, что количество поврежденных байт больше исправляющей способности кода, то этот блок пропускается на выход процессора без изменений, что индицируется специальным сигналом.
При выборе достаточно больших значений п и п-к исправляющая способность кодеров Рида-Соломона достаточно высокая [1,8-11]. Основной причиной остаточных ошибок является одновременное появление в одном блоке больше, чем (п-к)/2 ошибок в битах различных байтов.
Однако возможно и появление ошибок другого происхождения [35,36]. В результате повреждения нескольких байтов может появиться комбинация символов в блоке, соответствующая другому переданному исходному информационному сообщению (длиной к байт) с учетом его одновременного повреждения и исправления кодером.
Оценим вероятность этого вида ошибок. Пусть Рь и Рв - соответственно вероятность приема одного ошибочного бита и повреждения