МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ОШИБКАМИ

29.1. Системы с обратной связью

29.2 Формат кадра протоколов с исправлением ошибок

29.3. Методы повторной передачи

29.4 Основные характеристики систем с решающей обратной связью

29.5 Показатели эффективности цифровой системы связи

29.1. Системы с обратной связью

При передаче данных по каналам связи всегда возникают ошибки. Причины их могут быть самые различные, но результат

оказывается один — данные искажаются и не могут быть использованы на приемной стороне для дальнейшей обработки.

Борьба с возникающими ошибками ведется на разных уровнях семиуровневой модели OSI (в основном на первых четырех).

Для борьбы с возникающими ошибками известно много различных способов. Все их можно подразделить на две группы: не

использующие обратную связь и использующие ее.

В первом случае на передающей стороне передаваемые данные кодируются одним из известных кодов с исправлением

ошибок. На приемной стороне, соответственно, производится декодирование принимаемой информации и исправление

обнаруженных ошибок. Исправляющая возможность применяемого кода зависит от числа избыточных битов, генерируемых

кодером. Если вносимая избыточность невелика, то есть опасность того, что принимаемые данные будут содержать

необнаруженные ошибки, которые могут привести к ошибкам в работе прикладного процесса. Если же использовать код с

высокой исправляющей способностью (большой избыточностью), то это приводит к необоснованно низкой реальной скорости

Нередко встречаются случаи, когда информация может передаваться не только от одного корреспондента к другому (рис.29.1

а), но и в обратном направлении (рис.29.б).

В таких условиях появляется возможность использовать обратный поток информации для существенного повышения верности

сообщений, переданных в прямом направлении. При этом не исключено, что по обоим каналам (прямому и обратному) в

основном непосредственно передаются сообщения в двух направлениях («дуплексная связь») и только часть пропускной

способности каждого из каналов используют для передачи дополнительных данных, предназначенных для повышения

Возможны различные способы использования системы с обратной связью в дискретном канале. Обычно их подразделяют на

с информационной обратной связью

с управляющей обратной связью

Системами с информационной обратной связью называются такие, в которых с приемного устройства на передающее поступает

информация о том, в каком виде принято сообщение. На основании этой информации передающее устройство может вносить те

или иные изменения в процесс передачи сообщения: например, повторить ошибочно принятые отрезки сообщения, изменить

применяемый код (передав предварительно соответствующий условный сигнал и убедившись в том, что он принят) либо

вообще прекратить передачу при плохом состоянии канала до его улучшения.

В системах с управляющей обратной связью приемное устройство на основании анализа принятого сигнала само принимает

решение о необходимости повторения, изменения способа передачи, временного перерыва связи и передает об этом

приказание передающему устройству. Возможны и смешанные методы использования обратной связи, когда в некоторых

случаях решение принимается на приемном устройстве, а в других случаях на передающем устройстве на основании

полученной по обратному каналу информации.

Простейшим по идее методом информационной обратной связи является метод полной обратной проверки и повторения (ОПП).

В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования.

При этом принятый сигнал полностью ретранслируется на передающее устройство, где каждая принятая кодовая комбинация

сверяется с переданной. В случае их несовпадения передающее устройство передает сигнал для стирания неправильно

принятой комбинации, а затем повторяет нужную комбинацию. В качестве сигнала для стирания применяют специальную

кодовую комбинацию, не используемую при передаче сообщения.

Функциональная схема такой системы показана на рис. 29.2. Передаваемое сообщение, закодированное примитивным кодом,

посылают в канал и одновременно записывают в запоминающем устройстве (накопителе). Принятая кодовая комбинация сразу

не декодируется, а запоминается в приемном накопителе и возвращается по обратному каналу на передающую сторону, где

она сравнивается с переданной комбинацией. Если они совпадают, то передается .следующая кодовая комбинация, в

противном случае — сигнал стирания.

При этом методе окончательный ошибочный прием кодовой комбинации возможен лишь тогда, когда ошибки в принятой

комбинации компенсируются ошибками, возникающими в канале обратной связи. Другими словами, для того чтобы некоторый

символ в переданной кодовой комбинации был окончательно принят ошибочно, необходимо и достаточно, чтобы, во-первых,

произошла ошибка в прямом канале и, во-вторых, при ретрансляции произошла такая ошибка, которая изменит неправильный

ретранслируемый символ на действительно переданный. Это позволяет сразу вычислить вероятность необнаруженной, а

следовательно, и неисправленной ошибки (в расчете на один символ):

— вероятность ошибки в прямом канале;

— вероятность противоположной ошибки в канале обратной связи.

велики, то система с полной ретрансляцией дает неудовлетворительные результаты.

Практически данный метод имеет смысл в тех случаях, когда канал обратной связи обеспечивает весьма высокую верность

(например, при передаче сообщений на спутник с Земли), а прямой канал имеет низкую верность (например, при передаче

сообщений спутника на Землю ввиду того, что мощность передатчика на спутнике мала). Существенным недостатком системы

с полной ретрансляцией является большая загрузка канала обратной связи. Существуют и более сложные системы с

информационной обратной связью, в которых используются помехоустойчивые коды.

Наиболее распространены системы с управляющей обратной связью (УОС) при использовании избыточных кодов для

обнаружения ошибок (рис. 29.3). Такие системы часто называют

системами с переспросом,

или с автоматическим запросом

ошибок, или с решающей обратной связью (РОС).

В большинстве случаев это системы дуплексные, т.е. информация в них передается в обоих направлениях. В кодере

передаваемое сообщение кодируется кодом, позволяющим с большой вероятностью обнаруживать возникающие в канале

ошибки. Принятый кодовый блок декодируется с обнаружением ошибок. Если ошибки не обнаружены, то декодированный

отрезок сообщения поступает к получателю. При обнаружении ошибок блок бракуется и по обратному каналу передается

специальный «сигнал переспроса». В большинстве систем этот сигнал представляет собой специальную кодовую комбинацию,

на время передачи которой прерывается поток информации, идущей по обратному каналу. Прием сигнала переспроса вызывает

повторение забракованного блока, который для этого хранится в накопителе-повторителе до тех пор, пока по обратному каналу

не будет принята очередная кодовая комбинация, не содержащая переспроса.

В системах с решающей обратной связью применяются процедуры обнаружения ошибок и переспроса также называемые

решающей обратной связью или обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения

В этом случае код применяется только в режиме обнаружения ошибок, что позволяет достичь очень низкой

вероятности необнаруженной ошибки при незначительном уровне вводимой избыточности.

Для реализации механизма ARQ передаваемые данные организуются в специальные блоки, которые называются кадрами.

29.2 Формат кадра протоколов с исправлением ошибок

Формат кадра зависит от своего функционального назначения, типа протокола и режима передачи. Тем не менее, можно

выделить некую обобщенную структуру кадра. Такой кадр содержит два флага (FLAG), поле управления (CONTR), поле

информации (INFORM) и контрольную последовательность кадра (FCS — Frame Check Sequense), часто называемую также

полем циклического избыточного кода (CRC — Cyclical Redundancy Check):

Рис.29.4 Обобщенная структура кадра

состоят из уникальной последовательности <01111110> и предназначены для установления и поддержания

синхронизации передачи. Флаговая последовательность позволяет приемнику распознать начало и конец принимаемого кадра.

содержит команды, ответы, а также порядковые номера, используемые для контроля прохождения данных в

канале между приемником и передатчиком. Формат и содержание поля управления могут варьировать в зависимости от

конкретного типа кадра конкретного протокола.

содержит данные пользователя или прикладного процесса передаваемые получателю.

Контрольная последовательность кадра

используется для обнаружения ошибок передачи между двумя устройствами.

Передающее устройство вычисляет FCS и включает его в состав кадра. В свою очередь принимающее DCE производит

аналогичные вычисления над принятым кадром и сравнивает полученный результат с полем FCS. Если имеет место

совпадение, то считается, что передача прошла без ошибок. В случае несовпадения контрольных последовательностей кадра,

считается, что была ошибка. Принимающее устройство посылает подтверждение на повторную передачу кадра.

29.3. Методы повторной передачи (ARQ)

Возможен ряд вариантов механизма повторной передачи ARQ. Каждый правильно принятый кадр может быть подтвержден

отдельным специальным кадром, либо подтверждение может быть вставлено в управляющее поле информационных кадров,

переносящих данные в обратном направлении. В последнем случае также должны применяться специальные кадры

подтверждения, поскольку информационного кадра в нужный момент может не оказаться.

Существует два вида подтверждения о приеме: положительное (АСК) и отрицательное (NACK или NAK). Но в любом случае во

избежание перегрузок должны применяться перерывы. Передающая сторона, не получившая ответа (АСК или NACK) в течение

заданного промежутка времени после передачи, повторяет соответствующий кадр. Чтобы организовать процедуру перерывов,

кадры должны сохраняться в накопителе передающей стороны до получения подтверждения правильности передачи.

Существует три основные способа обработки ответов на положительные и отрицательные подтверждения:

часто называемый блочным методом

возвращением на N кадров

также называемый потоковым методом передачи.

Метод выборочного (селективного) повтора

Кратко рассмотрим принцип работы перечисленных

Согласно этой процедуре без подтверждения может быть передан только один кадр. После передачи очередного кадра

передающая сторона ждет подтверждения. Если поступает отрицательное подтверждение или произойдет превышение времени

тайм-аута, кадр передается повторно. Кадр сбрасывается (стирается) из накопителя передатчика лишь после получения

положительного подтверждения. Временная диаграмма работы процедуры ARQ типа SAW изображена на рис. 29.5.

Данную процедуру удобно использовать при полудуплексной связи, когда передача сторон чередуется. Однако она

неэффективна в случае организации полнодуплексной связи, особенно, если время распространения сигнала по каналу

значительно больше времени передачи кадра, что типично для спутниковых и ряда других каналов.

Производительность СПД со схемой ARQ типа SAW определяется выражением:

вероятность безошибочной передачи кадра из

скорость передачи, выраженная в бит/с;

средняя задержка между двумя успешными передачами, (время ожидания) с.

Если время распространения пренебрежимо мало (при небольшой протяженности канала либо по причине низкой скорости

передачи), процедура SAW не приведет к серьезному снижению производительности всей системы.

В данном случае кадры передаются непрерывно без ожидания подтверждения приема определенного количества кадров. При

получении отрицательного подтверждения или по истечении установленного времени ожидания неподтвержденный и все

последующие кадры передаются повторно. Пример такой передачи по процедуре GBN представлен на рис. 29.6.

Производительность схемы GBN может быть вычислена с помощью следующего выражения:

задержка кругового распространения, т.е. промежуток времени от момента начала передачи кадра до момента

получения подтверждения на него.

В практических версиях процедур GBN не все кадры требуют подтверждения. Положительное, подтверждение может служить

подтверждением правильной передачи не только данного кадра, но и всех предшествующих ему.

Процедуру GBN часто называют ARQ типа REJ (REJect), также как служебные кадры, переносящие подтверждения NACK от

приемника к передатчику.

Согласно процедуре SR повторная передача данных осуществляется только для кадра, на который поступило отрицательное

подтверждение либо истекло время тайм-аута подтверждения. Данная процедура, по сравнению с процедурами SAW и GBN,

существенно увеличивает пропускную способность СПД. Но для передачи и приема кадров не по порядку их номеров на

приемной стороне должен находится буферный накопитель с произвольным доступом. С увеличением задержки

распространения сигнала в канале связи необходимо увеличивать буферную память. Очевидно, реализация процедуры SR

является более сложной и дорогостоящей. По этой причине она долго не могла найти широкого коммерческого применения.

Даже в наиболее совершенном на сегодняшний день протоколе V.42 процедура селективного повтора не является

обязательной. Временная диаграмма передачи кадров согласно процедуры SR показана на рис. 29.7.

Способ SR часто называют ARQ типа SREJ (Selective REJect), также как одноименные служебные кадры, переносящие

подтверждения о селективном неприеме от приемника к передатчику.

Эффективность СПД со схемой ARQ типа SR в идеальном случае зависит только от вероятности безошибочного приема кадров,

то есть от качества канала связи.

Сравнивая приведенные выше выражения для производительности трех основных схем ARQ, нетрудно заметить, что при

условии короткого расстояния и низкой скорости передачи (

эффективность систем передачи

становится равной между собой и зависит исключительно от качества канала связи (вероятности

увеличении расстояния и возрастании скорости передачи (

), стратегия селективной повторной передачи

оказывается вне конкуренции. На рис 29 8 приведены ориентировочные зависимости эффективности рассмотренных методов от

вероятности ошибок в канале.

Рис 29.8 Производительность различных вариантов ARQ

29.4 Основные характеристики систем с решающей обратной связью

При приеме кодовой комбинации возможны три случая: комбинация принята без ошибок (Пр) с обнаруженными (ОО) и

необнаруженными ошибками (НО). Очевидно, что

– вероятности указанных случаев соответственно (рис. 29.9).

Н – начальное состояние;

Пр – комбинация принята правильно;

ОО – обнаружение ошибки;

НО – необнаружение ошибки;

НП – неискажение переспроса;

ИП – искажение переспроса.

Рис. 29.9. Вероятностный граф.

При обнаружении ошибок в принятой комбинации по обратному каналу передается сигнал переспроса, искажение или ложное

формирование которого приводит к ошибкам типа вставок и выпадений. При отсутствии искажений в сигнале переспроса

) процесс повторяется (на рис. 29.9 показан переход в вершину Н с вероятностью 1).

Таким образом, принятая комбинация выдается потребителю информации с ошибкой в следующих случаях:

- ошибки в принятой комбинации не обнаруживаются (вероятность

- искажается сигнал переспроса (вероятность

Рис. 29.10 Вероятностный граф

Граф (рис. 29.9) преобразуется к виду, приведенному на рис. 29.10, где

- вероятность ошибки при одной передаче;

– вероятность возникновения переспроса кодовой комбинации.

В соответствии с полученным графом вероятность ошибки можно определить по формуле

Как правило, в системе приняты меры для ослабления влияния искажений и ложного формирования сигнала переспроса,

следовательно вероятностью

можно пренебречь и соотношение принимает вид

В полученном соотношении вероятность необнаружения ошибок зависит главным образом от свойств используемого метода

обнаружения ошибок и от качества канала.

могут быть определены из выражений

- количество проверочных символов,

При обнаружении ошибки декодирующим устройством в системах с РОС производится переспрос группы кодовых комбинаций.

Во время переспроса полезная информация не передается, поэтому скорость передачи информации уменьшается.

- вероятность обнаружения ошибки (вероятность переспроса),

- вероятность правильного приема,

Емкость накопителя передатчика в числе кодовых комбинаций

- время распространения сигнала по каналу, (29.14)

- время передачи передачи кодовой комбинации, (29.15)

- расстояние между передатчиком и приемником,

- скорость распространения сигнала по каналу связи км/с (

- скорость модуляции, Бод.

29.5 Показатели эффективности цифровой системы связи

Цифровые системы связи характеризуются качественными показателями, одним из которых является верности (правильность)

Для оценки эффективности системы связи вводят коэффициент использования канала связи по мощности

эффективность) и коэффициент использования канала по полосе частот

(частотная эффективность):

– скорость передачи информации;

— отношения сигнал/шум на входе демодулятора

- ширина полосы частот, которую занимает сигнал

Обобщенной характеристикой является коэффициент использования канала по пропускной способности (информационная

Для непрерывного канала связи с учетом формулы Шеннона

получаем следующее выражение

Соответственно теоремам Шеннона при

=1 можно получить зависимость между

которая имеет название границы Шеннона, что отображает наилучший обмен между

в непрерывном канале. Эту

зависимость удобно изобразить в виде кривой на плоскости

Эффективность системы может быть повышена за счет увеличения скорости передачи информации (повышать энтропию

сообщений). Энтропия сообщений зависит от закона распределения вероятностей. Следовательно, для повышения

эффективности необходимо осуществить перераспределение плотностей элементов сообщения.

Если устранить или ослабить взаимосвязь между элементами сообщений, то также можно добиться повышения эффективности

Наконец, повышения эффективности систем можно получить за счет соответствующего выбора кодирования, обеспечивающего

экономию во времени при передачи сообщений.