АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ В МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

February 27, 2013 by admin Комментировать »

Бодян Г. К., Бодян Д. Г., Дунай Л. Ф. Технический университет Молдовы ул. Шт. чел Маре, 168, г. Кишинев, MD2012, Р. Молдова тел.: +37322-237505, e-mail: gbodean@mail.md

Аннотация – Проведен сравнительный анализ двух методов помехозащищенного недвоичного кодирования: широко известного кода Рида-Соломона и нового класса линейных КОДОВ, а именно, матроидных. Также представлены характеристики матроидных кодов и результаты проектирования прототипа кодер-декодера матроидного кода.

I.                                       Введение

Появление новых коммуникационных технологий таких, например, как мобильное телевидение, предъявляют повышенные и более жесткие требования к надежному и качественному цифровому вещанию. Европейский Институт Телекоммуникационных стандартов (ESTI) представил в конце 2004 года новый стандарт DBV-H мультимедийного и телевизионного вещания для мобильных устройств.

Сигналы в мобильном вещании подвержены сильному затуханию. Для борьбы с такого рода затуханиями стандарт предусматривает дополнительную защиту посредством корректирующих кодов с высокой помехозащищенной способностью. Так, например, применение кодов Рида-Соломона (RS) с параметрами (204,288,16) в стандарте DBV-T позволяет для MPEG- 2 видео передаваемого со скоростью 4 Mbps и при вероятности ошибки BER=10’^°, «пропустить» один ошибочный символ за 42 минуты и скорректировать более

2  миллионов ошибок Для нового стандарта традиционно предполагается применение RS-кодов с параметрами {п, к, t)= (255,191,64), где п – длина кодового слова, к – число информационных символов, t – корректирующая способность кода.

В работе приводится сравнительный анализ нового класса недвоичных линейных кодов, а именно матроидных, как альтернатива циклическим кодам Рида-Соломона для применения в современных коммуникационных технологиях.

II.                              Основная часть

Матроидные (М-) коды, контролирующие ошибки, были представлены в [1]. Формально матроид, как алгебраическая структура, обобщает свойство линейной независимости для семейства векторов над конечным векторным пространством. В частности, порождающая матрица RS-кода, также является матрицей некоторого матроида над расширенным полем Галуа GF порядка 2"’, где размерность т – натуральное число. И в этом смысле, RS-коды являются, как бы, частным случаем М-кодов. Но в отличии от RS-кодов, которые являются циклическими М-коды – это линейные групповые коды. Данное свойство устанавливает, что любое кодовое слово может быть представлено композицией 2-х или более допустимых кодовых слов (векторов). Кроме того, формирование М-кодов производится асинхронным (комбинационным) устройством, т. е. кодовое слово можно сгенерировать за один такт. Действительно, между выходным вектором ν и входной комбинацией информационных символов х существует следующая линейная зависимость:

v=G-x^                                                                                    (1)

где v=<vi,…, v„>, x=<xi,…, x^>, G= [g:j\ – матрица матроида размерности kxn, g:jeGF (2"’).

Уравнение (1) специфицирует структуру кодера, которая, по сути, является комбинационным устройством. Поскольку М-коды являются линейными, то можно построить, как это было показано в [2], однотакт- ный декодер матроидного кода, работающего по принципу мажоритарной логики.

М-коды, также как и RS-коды, относятся к классу блоковых кодов. Границы существования М-кодов определяются неравенствами:

t= (п-к) div 2 при п< 2"^+1                                                   (2)

где т – разрядность символов, t – корректирующая способность кода, выраженная в символах. В то время как существование RS-кодов ограничивается величиной п< 2"’-1. Отсюда следует, что при одинаковых условиях, т. е. разрядность т и количество к оригинальных символов в блоке, можно построить (в экстремуме) М-код с корректирующей способностью t на единицу больше чем у RS-кода.

Если при линейном преобразовании (1) исходные символы вектора х «переписываются» без изменений в кодовое слово ν, то код называется систематическим. В отличии от RS-кодов, которые по сути являются только систематическими, М-коды могут быть как систематическими, так и несистематическими. Это достигается модификацией матрицы матроида. Так, напрмер, над полем GF (2®) с порождающим примитивным полиномом р (х)= 1+ X + X®, имеем следующие две матрицы:

Матрица G2 имеет канонический вид, изоморфна матрице Gi и получена из второй, применяя стандартные правила преобразования над строками и столбцами матрицы. Использование матрицы Gi в уравнении (1) приведет к порождению несистематического кода, а матрицы G2 – к порождению систематического кода.

Применение в системах связи помехоустойчивого несистематического кодирования имеет двойной эффект. С одной стороны, несистематические коды имеют более равномерное распределение выходных символов. А это, в свою очередь, как известно из теории информации, означает увеличение скорости передачи информации по дискретному каналу связи и приближения ее к пропускной способности канала.

С другой стороны, при несистематическом кодировании повышается уровень сокрытия информации. В этом случае, матрица матроида G выступает в роли криптографического ключа. Причем уровень секретности закрытия информации при М-кодировании будет определяться трудоемкостью получения лучения матрицы G. А как было показано в [3] поиск однородных матроидов – это задача полиномиальной сложности. Следует отметить, что при граничном поиске матроидов, с ростом т, количество однородных матроидов резко падает и, практически, задача становится унимодальной, т. е. сводится к поиску одного-единственного матроида!

Для оценки статистических свойств закодированных сообщений разработано соответствующее программное приложение. Были проведены статистические эксперименты с текстами разного стиля. В таблице 1 приведены значения показателей для исходного и М-кодированного сообщений, где р, – вероятность /-Г0 символа, Н – энтропия сообщения. Результаты экспериментов убедительно показывают улучшение в несколько раз (и даже на порядки) статистических показателей передаваемых сообщений.

Таблица 1.

Table 1.

Исходный

текст

Кодированное

сообщение

Выигрыш,

Gain

Евклидово

расстояние

Σ(ρ/-1/η)2

0,00125

0,036

28,56

Избыточность

1-Hmax/H

0,1859

0,0178

10,435

Также следует отметить, что энергетический выигрыш от матроидного кодирования (который для больших коммуникационных систем связи может составлять сотни миллионов долларов на один децибел [4]) сопоставим с выигрышем от RS-кодирования.

В работе представлены результаты проектирования реального кодер-декодера (кодека) матроидного кода, которые могут быть обобщены и на случай М- кодека (256,192,32). Для проектирования на ПЛИС была использована CAD-система Quartus 5.1. Тип используемой микросхемы – МАХ И, результирующая максимальная частота работы -66 МГц.

III.                                   Заключение

Матроидные коды являются обобщенной моделью совершенных (плотноупакованных) недвоичных корректирующих блоковых кодов. Они позволяют генерировать как систематические так несистематиче- сие коды. Таким образом, путем «настройки» матрицы матроида можно обеспечить максимальную скорость передачи информации по каналам связи. Разработаны и отлажены переносимые VHDL-описания кодера и декодера М-кода, которые могут быть адаптированы под различные проектные нормы и требования пользователей.

IV.                           Список литературы

[1]   Бодян Г. К. Об одном методе помехозащищенного кодирования. В кн.: 13-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2003). Материалы конференции. — Севастополь: Вебер, 2003. – с. 357-358.

[2]   Бодян Г. К., Бодян Д. Г., Дунай Л. Ф. Декодирование мат- роидных кодов. В кн.: 14-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2004). Материалы конференции.

—        Севастополь: Вебер, 2004. – с.312-313.

[3]   Бодян Г. К. Корректирующая способность и границы существования матроидных кодов. Там же, с.310-311.

[4]   Золотарев В. В., Овечкин Г. В. Эффективные алгоритмы помехоустойчивого кодирования для цифровых систем связи. Электросвязь, 2003, № 9.

ALTERNATIVE ERROR CORRECTING CODING IN THE MOBILE TV BROADCASTING

Bodyan G. C., Bodyan D. G., Dunai L. T.

Technical University of Moldova St. Cel Mare Str, 168, Kishinau, MD2012, R. Moldova Ph.: +37322-237505, e-mail: gbodean@mail.md

Abstract-A comparative analysis of the Reed-Solomon and matroid nonbinary error correcting codes is given. Also, the parameters of matroid codes and the results of matroid coder- decoder PLD-designing are presented.

I.                                         Introduction

The new communication technologies, such as mobile TV, demand more high and rigid requirements to a reliable and qualitative digital video broadcasting. The European Telecommunication Standards Institute at the end of 2004 has presented the new DBV-H standard for multimedia and television broadcasting of mobile devices.

2   Signals in mobile broadcasting are subjected to deep fading. To fight with such fading the standard provides additional protection by error correcting codes with the high ability. So, for example, application of the Read-Solomon (RS) codes with parameters (n, k, t) = (204, 288, 16) in standard DBV-T allows at MPEGvideo bit rate of 4 Mbps and at bit error rate BER=10"’°equating to just one erroneous symbol in every 42 minutes, and in that time RS decoder will correct over 2 million errors. For the new standard application of (255, 191, 64) RS-codes is traditionally supposed, where n – code word length, к – number of information symbols, f- error correcting (cap) ability.

A comparative analysis of a new class of nonbinary linear codes, namely matroid, as alternative to Read-Solomon cyclic codes for application in modern communication technologies is made in the work.

II.                                        Main Part

The error controlling matroid (M-) codes have been presented in [1]. Matroid as the algebraic structure generalizes the property of linear independence over finite vector space, and in this sense, RS-codes are a special case of M-codes, but M- codes are linear group codes. So, matroid code words v can be generated by an asynchronous (combinational) device. For this purpose the equation (1) is used, where x is original sequence of informational symbols, G – matroid matrix. From the relations

(2) results that, for the same conditions, it can be constructed more efficient M-code rather than RS-code.

In dependence of matrix G structure the M-code can be systematic or nonsystematic. Matrices G2and Giare for the systematic and nonsystematic cases respectively. Application of nonsystematic M-coding has double effect in error controlling broadcasting. On the one hand, such codes have more uniform distribution over code word symbols that mean the increasing of data rate in discrete channel. On the other hand, such coding increase the confidence level of information and matrix G has a role (effect) of a cryptographic key. A corresponding software application was elaborated to study the statistical parameters of matroid coding. Table 1 shows the obtained results which convincingly prove the improvement in some times (and even on orders) statistics of transmitted messages.

Also it is necessary to note, that the matroid coding gain is comparable with the same as from RS-coding. In the work the results of designing of the real coder-decoder (codec) for a matroid code, which can be generalized for the case of M-codec (256, 192, 32) are presented. For PLD-designing the CAD- system Quartus 5.1 has been used. The used microcircuit is from MAX II family with maximal working frequency 66 MHz.

III.                                       Conclusion

Matroid codes are the generalized model of perfect nonbinary error controlling codes. They allow generating as systematic so nonsystematic codes. Thus, by «adjustment» of the matroid matrix it is possible to provide the maximal data rate in digital communication channels. VHDL-descriptions of matroid codec are elaborated and debugged.

Горбачев К. Л., Козел В. М., Ковалев К. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники ул. П. Бровки, д. 6, Минск, 220013, Республика Беларусь Тел.: +375(17) 938994; e-mail: niiemc@bsuir.edu.by

Аннотация – Рассмотрено помеховое взаимодействие между радиоэлектронными средствами сети сухопутной подвижной службы стандарта UMTS и радиовысотомерами типа РВ-3.

I.                                       Введение

в корневых полосах частот, определенных ITU для эксплуатации сети сотовой связи 3-го поколения (3G) функционируют РЭС радионавигационной службы типа РВ-3. Данные РЭС представляют собой авиационный радиовысотомер (радиолокационную станцию) малых высот и предназначены для визуальной индикации высоты полета, световой и звуковой сигнализации прохода «опасной» высоты, выдачи информации о высоте полета на автопилот стабилизации высоты полета. Таким образом, РЭС РВ-3 относятся к радиосредствам обеспечения безопасности полета, что необходимо учитывать при рассмотрении возможности функционирования этих РЭС с РЭС иных радиослужб в совпадающих полосах частот.

II.                              Основная часть

Основные параметры РЭС РВ-3, влияющие на электромагнитную совместимость, приведены в таблице.

Параметр

РВ-3

РВ-ЗМ

Мощность передатчика, Вт/дБВт

0.5/-3

0.5/-3

Рабочая частота, МГц

2000+15

2000+15

Ширина спектра излучаемого сигнала, МГц

50+10

45+5

Чувствительность приемника, дБ

90

90

Диапазон измеряемых высот, м

0-300

0-600

Совместное функционирование РЭС стандарта UMTS в полосе частот, выделенной для радионавигационной службы, приводит к следующим конфликтным ситуациям:

–    передатчики радиовысотомеров малых высот могут создавать помеху для приемников базовых станций сети 3G;

–    передатчики абонентских станций сети сотовой связи 3G могут создавать помеху для приемников радиовысотомеров малых высот.

При оценке конфликтных ситуаций необходимо принять во внимание существенную разницу в ширине спектра сигналов, излучаемых РЭС радионавигационной службы и РЭС сети 3G. Минимальная ширина спектра радиовысотомера РВ-З/РВ-ЗМ составляет 40 МГц. Спектральная плотность мощности сигнала высотомера в основной полосе частот (0.5 Вт/40 МГц) = 0.0125 Вт/МГц. Мощность помехи, создаваемая высотомером в полосе пропускания приемника РЭС сети 3-го поколения (0.0125 Вт/МГц)х(3.84 МГц) = 0.048 Вт = -13.2 дБВт. С другой стороны, ширина спектра передатчика РЭС сети 3G составляет 3.84 МГц, что намного меньше ширины спектра высотомера.

При высоте полета летательного аппарата 600 м и ширине диаграммы направленности антенны 50- 70° участок земной поверхности, в пределах которого источники помехи обладают наибольшим влиянием, представляет собой круг с радиусом « 250-350 м, что примерно соответствует радиусу элементарной ячейки сети сотовой связи. Следовательно, на приёмник радиовысотомера могут одновременно воздействовать множество абонентских станций се- TH3G.

Исходя из вышеизложенного, наиболее существенным в рассматриваемой конфликтной ситуации является создание помехи от РЭС сети 3G для РЭС радионавигационной службы.

Уровень мощности полезного сигнала Ргха [дБВт] на входе высотомера в зависимости от высоты полета h [м] можно определить следующим образом (отражение сигнала от поверхности Земли принято зеркальным, т.е. потери при отражении отсутствуют):

где Ptxa [дБВт] – мощность сигнала на выходе передатчика высотомера; Ga [дБ] – коэффициент усиления относительно изотропного излучателя передающей и приемной антенны высотомера; Lf [дБ] – потери в фидерном тракте высотомера; Lp [дБ] – потери распространения радиоволн между антеннами передатчика и приемника высотомера; h [м] – высота полета.

Потери распространения в выражении (1) могут быть определены как потери в свободном пространстве по следующей формуле:

где f [МГц] – частота сигнала; d [м] – расстояние.

Уровень мощности помехового сигнала Prxl [дБВт] на входе высотомера в зависимости от высоты полета h [м] можно по аналогии с (1) определить следующим образом:

где Ptxi [дБВт] -мощность сигнала на выходе передатчика РЭС сети 3G; G| [дБ] -коэффициент усиления относительно изотропного излучателя передающей антенны передатчика РЭС сети 3G в направлении на приемник помехи, обычно равен О дБ.

Отношение сигнал/помеха С/1а [дБ] на входе приемника высотомера при одном передатчике помехи [21:

Разность потерь распространения Lp согласно (2) не зависит от высоты и равняется 6 дБ. Коэффициент передачи сигнала в антенно-фидерном тракте высотомера (Ga – Lf) [дБ] можно определить из чувствительности высотомера:

I

i.

Окончательно отношение сигнал/помеха C/U [дБ] на входе приемника высотомера при одном передатчике помехи:

Как следует из (6), отношение сигнал/помеха на входе приемника высотомера при воздействии на него одного передатчика мобильной станции с мощностью 3 дБВт составит (-7) дБ, одного передатчика базовой станции с мощностью 13 дБВт и коэффициентом усиления антенны в направлении вверх 0…(- 13) дБ составит (-17)…(-4) дБ. При увеличении числа N передатчиков помехи рассматриваемое отношение сигнал/помеха на входе приемника высотомера будет уменьшаться пропорционально 10 lg(N).

III.                                      Выводы

На основании приведенных выше соображений можно сделать следующие выводы.

Эксплуатация РЭС радионавигационной службы типа РВ-З/РВ-ЗМ с РЭС сети подвижной связи 3G в совмещенных полосах частот невозможна, поскольку при этом могут создаваться недопустимые помехи для РЭС радионавигационной службы.

Выделение радиочастотного ресурса для развертывания сети сотовой связи 3G должно осуществляться вне полосы частот, выделенной для эксплуатации РЭС воздушной радионавигационной службы.

IV.                           Список литературы

1.  Recommendation ITU-R P.525-2. Calculation of free-space attenuation.

2.  Recommendation ITU-R SM.337-4. Frequency and distance separations.

THE ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY ANALYSIS OF UMTS NETWORK AND RV-3 RADIOALTIMETERS

Gorbachev K. L., Kozel V. М., Kovalyov K. A. Byelarussian State University of Informatics and Radioelectronics,

6,               P. Brovka Str, Minsk – 220013, Belarus Phone: +375(17) 2938994 E-mail: nilemc@bsuiredu.by

Abstract – Interference interactionbi between radio-electro- nic means of overland mobile service network of UMTS standard and radio altimeters such as RV-3 are considered.

I.                                         Introduction

The radio navigating service equipment such as RV-3 operates in root frequency bands the determined ITU for operation of a 3G cellular network. It represents the aviation radio altimeter of small height and it is intended for flight height visual indication, the light and sound signal system of "dangerous" height pass, the flight height information output on the autopilot of flight height stabilization. Thus, RV-3 concerns flight safety radio means and it is necessary to take into account by consideration of a functioning opportunity of these equipment with equipment for other radio services in conterminous frequency bands.

II.                                        Main Part

Jointly functioning UMTS equipment in the frequency bands being allocated for radio navigating service results in the following conflict situations:

Small-height radio altimeter transmitters can create interference for base stations receivers of UMTS cellular network.

Mobile station transmitters of UMTS cellular network can create interference for small-height radio altimeter receivers.

The signal/interference ratio on a radio altimeter receiver input (interference source – one mobile station with power 3 dBW and antenna gain 0 dB) will be (-7) dB, (interference source – one base station transmitter with power 13 dBW and antenna gain in upwards direction 0 … (-13) dB) will be (-17) … (-4) dB. Increase number N of interference transmitters will give decrease ofthe considered ratio proportionally 10Dlg (N).

III.                                       Conclusion

Operation radio navigating equipment such as RV-3/RV-3M with UMTS mobile communication equipment in the conterminous frequency bands is impossible, as inadmissible interference for radio navigating service equipment can be created.

Radio-frequency resource allocation for operation of UMTS cellular network should be outside of the frequency bands allocated for operation of air radio navigating equipment.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты