ВВЕДЕНИЕ

Трансформация современного общества тесно связана с изменениями государственного аппарата, которые выражаются в концепции «электронное правительство». Материальным носителем подобных изменений являются информационно-телекоммуникационные технологии (ИТТ).

Современные ИТТ организуются и создаются как взаимоувязанные системы информационного обмена и телекоммуникаций на основе интегрирования перспективных систем связи, включая наземные и спутниковые, сотовые и волоконно-оптические линии связи, и их развитие с использованием элементной базы нового поколения.

Достижения микроэлектроники и перспективы ее развития на ближайшие десятилетия позволяют реализовать сложные алгоритмы обработки информации с элементами интеллектуализации устройств обеспечивающих информационный процесс. Это способствует существенному прогрессу в области создания современных систем связи, оперирующих большими объемами информации в реальном масштабе времени.

Другим важным направлением в развитии ИТТ является активное внедрение средств каналообразования и цифровизациия информационных потоков. Замена линий связи со средой распространения сигнала из цветных металлов на оптоволоконные, позволила резко увеличить не только объемы передаваемой информации, но и обеспечить высокую достоверность ее доставки пользователю. Устойчивые тренды развития сети сотовых операторов позволяют внедрять системы беспроводного доступа для мобильных абонентов, решать задачи цифрового телевизионного вещания.

Важно отметить, что процедура цифровой обработки сигналов в системах каналообразования и в абонентских терминалах обеспечивает близость многих важных алгоритмов преобразования информации. Например, принципы быстрого преобразования Фурье используются в системе обработки сигналов, а также и в системе декодирования кодов Рида-Соломона (РС).

Возникает вопрос. Необходимо ли в современных и перспективных ИТТ, обеспечивающих относительно высокую достоверность данных, применять кодовые или алгоритмические системы защиты от ошибок с использованием избыточного кодирования? Ответ на этот вопрос должен быть положительным по следующим причинам.

Во-первых, растущий спрос на телекоммуникационные услуги и естественное стремление операторов удовлетворить спрос на такие услуги с обязательным обеспечением комфортных условий потребителю приводят к выраженному процессу сокращения ресурсов (например, частотного ресурса), лежащих в основе новых технологий, и к объективному обострению конкурентной борьбы за их использование.

Во-вторых, относительная доступность мобильной связи приводит к росту плотности абонентов в пределах одной базовой станции.  Возникающие при этом колебания нагрузки неизбежно вызывают негативное проявление мешающих факторов.

В-третьих, эксплуатация современной группировки стационарных спутников связи красноречиво указывает на ограниченность выделенных частотных поддиапазонов и необходимость борьбы с ошибками даже в таких относительно свободных от ошибок каналов связи.

В-четвертых, объективное повышение технической надежности средств обработки информационных потоков, требует пересмотра требований к вероятности ошибки на бит в сторону их ужесточения, например, с 10-6 до 10-9.

Можно привести другие доказательства необходимости использования помехоустойчивого кодирования в ИТТ: надежная запись и хранение информации, группирование ошибок в системах оптоволоконных линий связи с солитоновым принципом разделения каналов или многомодовых линиях связи, защита информации при передаче открытых ключей, передача информации в декаметровом диапазоне волн и т.п.

Очевидно, что использование специальных средств связи силовыми ведомствами, должно быть рассчитано на их применение в условиях преднамеренных помех, на внезапные, не предусмотренные планом связи, изменения в организации управления, на возможность противостоять вводу ложной информации и перехвату семантической составляющей обрабатываемых системой данных. В современных условиях подобные задачи приобретают специфическую актуальность в сфере электронного оборота финансовых средств.

Опыт показывает, что некоторые из указанных проблем могут быть эффективно разрешены за счет организационных мер. Например, за счет перераспределения рабочих частот, среди операторов национальных компаний, открывающего перспективы внедрения новых стандартов. Однако опыт эксплуатации спутниковых систем связи показывает, что организационные меры часто не дают должного эффекта из-за необходимости строго соблюдения многочисленных юридических норм и стандартов, длительных по времени и рутинных согласований, отвечающих консервативным и часто противоречивым международным соглашениям.

В динамично изменяющихся условиях при организации новых систем связи меры технического характера оказываются более гибкими и потому более эффективными. К таким мерам, прежде всего, следует отнести помехоустойчивое кодирование.

Избыточное кодирование в последние десятилетия все шире применяется в различных системах передачи и надежного хранения информации. Среди важных приложений корректирующих кодов достаточно отметить их применение в модемах для телефонных линий и для сотовой связи, в магнитных накопителях информации с высокой плотностью записи, в системах дальней космической связи. При этом в явной форме прослеживается тенденция перехода от относительно простых методов защиты информации от ошибок к более сложным алгоритмам. Последнее обстоятельство связывается с бурным ростом микропроцессорных технологий, позволивших приемнику решать задачи исправления ошибок большой кратности в реальном масштабе времени. Это способствует качественному улучшению сетевых технологий, в смысле роста их производительности, поскольку переход от алгоритмических методов защиты информации (применение системы запросов по каналам обратной связи относительно неправильно принятых данных) к кодовым методам существенно повышает производительность дорогостоящих сетевых ресурсов.

В современных системах обмена данными особое место занимают методы каскадного кодирования, обобщенного каскадного кодирования, методы, основанные на использовании кодов с низкой плотностью проверки на четность, и методы турбокодирования. Отсюда становится ясно, что наибольший эффект дают не отдельные типы помехоустойчивых кодов, а их комбинации, удачно сочетающие достоинства каждого кода, определяющие их общие свойства по исправлению ошибок. Необходимо отметить, что основные результаты в указанных методах обработки данных опираются на итеративные методы преобразования полученных кодовых векторов, при этом декодер оперирует не блоками информации, а отдельными символами, составляющие эти блоки.

Все это определило направления научного поиска в области построения эффективных корректирующих кодов и каскадных конструкций на их основе, при этом развитие перспективных технологий во многом опирается на методы мягкого декодирования избыточных кодов. Палитра алгоритмов мягкого декодирования значительно богаче, чем перечень возможных методов жесткой обработки информации, но главным достоинством такого подхода к обработке искаженной информации является энергетический выигрыш относительно жестких схем декодирования порядка 2-3 дБ. Кроме того, именно мягкие методы декодирования кодовых векторов позволяют получить характеристики систем, выходящие за пределы конструктивных возможностей кодов, что обеспечивает еще более высокий энергетический выигрыш. Это обстоятельство позволяет снизить роль взаимных помех при работе многих корреспондентов в сети с беспроводным доступом, снизать роль взаимных помех в системе стационарной спутниковой связи и улучшить прием сигналов в таких системах в приполярных широтах. В этой связи тема монографии актуальна и отвечает перспективным направлениям развития средств информационных технологий, включая мобильные системы связи четвертого поколения.

Результаты исследований, положенные в основу данной работы рассчитаны на аспирантов и студентов старших курсов, занимающихся решением задач совершенствования ИТТ или  изучением таких систем.

Монография содержит пять глав.

Первая глава посвящена анализу тенденций развития современных и перспективных систем широкополосного доступа к сетевым ресурсам и средств мобильной связи. Рассматриваются математические основы построения подобных систем, детализируются положения абстрактной алгебры, направленные на решение задач синтеза мягких декодеров, позволяющих более полно использовать введенную в код избыточность. В главе не ставится задача глубокого анализа всех известных средств помехоустойчивого кодирования. Поэтому основное внимание уделено главным направлениям помехоустойчивого кодирования: принципам построения блоковых кодов, непрерывных кодов и их композиций в виде турбокодов. Указываются телекоммуникационные стандарты, в которых находят применение подобные средства защиты от стохастических ошибок.

Во второй главе рассматриваются принципы математического моделирования непрерывных каналов связи, характерные свойства которых оказывают существенное влияние на методы формирования градаций надежности символов. С этих позиций оцениваются различные средства каналообразования. Показываются преимущества классического канала со стиранием элементов, лежащие в основе существующих методов мягкого декодирования избыточных кодов.

В третьей главе проводится классификация методов формирования индексов достоверности символов (ИДС) или градаций надежности, оцениваются достоинства и недостатки известных способов формирования оценок надежности символов. Вводится общий критерий эффективности системы формирования оценок, для которого определяется верхняя граница, получившая в работе название коэффициента правдоподобия ИДС. Ведение подобной границы позволило сравнить известные методы формирования градаций надежности между собой с единых методологических позиций и предложить схему решающего устройства, в которой отсутствует зависимость мягкого решения от свойств непрерывного канала связи, в частности, от меняющегося соотношения сигнал-шум. Введение нового правила позволяет рационально решить проблему ложных стираний, являющихся существенным отрицательным фактором в рамках технологии классического стирающего канала связи Показана применимость нового правила к системе сложных сигналов в формате сигнально-кодовых конструкций.

В четвертой главе представляются результаты исследований, относящиеся к системе списочного декодирования блоковых и непрерывных кодов. Определяется понятие кластерного подхода к составлению списка, приводится теоретическое обоснование алгоритмов декодирования избыточных кодов с использованием признака кластера. Показывается возможность получения дополнительного энергетического выигрыша в системе связи за счет более полного использования избыточности, введенной в код.

В пятой главе рассматриваются алгоритмы реализации мягких декодеров, даются предложения по их использованию в реальных системах обмена данными. Приводятся результаты математического моделирования представленных алгоритмов декодирования. Показывается возможность их применения в системах с турбокодированием.