книги / Методы борьбы с помехами в каналах проводной связи

В зависимости от алгоритма передачи информации пропускная способность канала ПД с РОС при воздействии помех будет раз­ личной. Известны различные алгоритмы передачи в канале ПД с РОС f32, 43]. Рассмотрим только два из них, а именно алгоритм с ожиданием квитанции и алгоритм без ожидания квитанции. Алго­ ритм с ожиданием квитанции широко применяется в СПД для обмена информацией между центральным и периферийными пунк­ тами в системах сбора и обработки информации в тех случаях, когда по условиям работы достаточно организовать полудуплекс­ ный обмен. Примерами могут служить системы централизованной продажи билетов, справочная служба и т. д.

Передача ведется блоками фиксированной длины. При обнару­ жении ошибки на передающую станцию посылается комбинация «нет», при безошибочном приеме — комбинация «да», подтверж­ дающая правильность принятого сообщения. После каждого пере­ данного блока передающая станция ожидает квитанцию (комбина­ цию «да» или «нет»).

В подавляющем большинстве систем ПД используется синхрон­ ный метод обмена. Для поддержания синхронизации и цикловой фазы в промежутках между информационными блоками в прямом канале и квитанциями в обратном по каналу передаются фазирую­ щие комбинации. Станция, ведущая передачу, анализирует при­ ходящую по каналу обратной связи информацию только в периоды ожидания квитанции. При искажении фазирующей комбинации или квитанции посылается комбинация «запрос».

Временная диаграмма (рис. 6.1) поясняет работу канала ПД по описанному алгоритму для случая, когда квитанции передаются

Рис. 6.1. Временная диаграмма работы системы с ожиданием

по тому же каналу, по которому передается информация. Алгоритм без ожидания квитанции используется для организации, главным образом, дуплексных систем передачи данных,, хотя он может быть использован и при полудуплексном режиме обмена.

Передача ведется в обе стороны блоками фиксированной дли­ ны. Передаваемая информация на каждой из двух приемо-пере­ дающих станций поступает в канал и одновременно в накопитель из М блоков, необходимый для организации режима повторения

112

информации. При обнаружении ошибочного блока приемник бло­ кируется на М блоков, а передатчик посылает на противополож­ ную станцию комбинацию «запрос» и повторяет М блоков инфор­ мации из накопителя. То же самое происходит, когда приемник дешифрирует комбинацию «запрос».

Емкость накопителя М должна удовлетворять соотношению

редачи блока.

При выполнении условия (6.2) система обеспечивает правиль­ ный порядок передачи блоков в обе стороны при любых сочета­ ниях ошибочных блоков в каналах, за исключением случая, когда комбинация «запрос» переходит в комбинацию с необнаруженной ошибкой.

Временная диаграмма работы канала ПД по алгоритму без ожидания квитанции приведена на рис. 6.2. Не будем останавли­ ваться на анализе всех возможных случаев возникновения ошибок в прямом и обратном каналах, так как эти вопросы достаточно подробно разобраны [56]. В [32] предложены модифицированные алгоритмы системы без ожидания, позволяющие добиться некото­ рого упрощения технической реализации аппаратуры.

Заметим, что СПД, работающую по описанному выше алгорит­ му, называют часто системой с автоматическим запросом ошибоч­ ных комбинаций (АЗО) i[30], системой с временным переспросом [32], системой *с безадресным повторением [37].

В настоящее время используются также системы с адресным повторением. Эти системы находят применение, главным образом, при обмене информацией между вычислительными комплексами, так как для реализации таких систем необходимо иметь достаточ­ но большой объем буферного накопителя на передающей и прием­ ной сторонах. Основное преимущество адресных систем состоит в том, что они обеспечивают более высокую пропускную способ­ ность в каналах большой протяженности с пакетами ошибок малой длительности [37].

Алгоритм работы адресной системы подобен алгоритму работы системы с безадресным повторением. Отличие заключается лишь в том, что вместо комбинации «запрос» по обратному каналу посы­ лается комбинация с адресами одного или нескольких ошибочно принятых блоков. Повторение искаженных блоков может происхо­ дить в произвольный момент времени, так как каждый блок имеет свой адрес. Благодаря этому на приеме всегда можно восстановить правильную последовательность блоков.

Та или иная дисциплина передачи выбирается, исходя из тре­ бований на допустимое время задержки сообщения. При этом предполагается, что адреса передаются по обратному каналу с по­ мощью помехозащитного кода, а ошибки исправляются за счет повторения передачи.

И З

Последнее замечание существенно, так как с учетом необходи­ мости защиты адресов от искажений алгоритм передачи адресной системы достаточно сложен с точки зрения анализа влияния помех в прямом и особенно в обратном канале. Для приблизительной оценки пропускной способности адресной системы ее можно рас­ сматривать как безадресную с М= 1

В качестве примера СПД с адресным повторением приведем алгоритм работы спутниковой системы связи [62].

Передача блоков в спутниковой системе ведется непрерывно. Каждый из блоков имеет информационные, проверочные и служеб­ ные биты, в том числе адрес (номер) блока. По обратному каналу передаются адреса блоков, принятых с ошибками. Если сигнал с указанием адреса искаженного блока не поступил по обратному каналу в течение времени, определяемого временем распростране­ ния в прямом и обратном каналах с учетом аппаратурных задер­ жек, то блок считается принятым правильно и стирается из буфер­ ного накопителя. Повторение искаженных блоков производится в конце сообщения.

6.2.Пропускная способность СПД с РОС пря независимых ошибках

Оценим влияние на пропускную способность канала ПД неза­ висимых ошибок или пакетов при условии, что их длительность меньше длительности блока. Будем считать, что ошибка принад­ лежит пакету, если расстояние до соседней ошибки меньше т, а длина пакета есть расстояние от первой до последней ошибки пакета.

Пусть частость появления независимых пакетов ошибок, каж­ дый из которых гораздо короче длины блока, равна рп. Тогда частость поражения блока длиной п хотя бы одним пакетом оши­ бок

При передаче по каналу без помех длительность цикла передачи

вканале связи.

Всистеме с ожиданием каждый пораженный ошибками блок повторяется. Определим время, необходимое для передачи блока информации, учитывая ошибки только в прямом канале.

Вероятность повторной передачи блока равна рб(1—рб); веро­ ятность того, что блок будет принят правильно после i повторений, составляет pi’б (I—рб). Следовательно, средняя длительность цикла в системе с ожиданием при условии, что число повторений не огра­ ничено,

115

7’; = Г и ( 1 - Р 6) + 2 Г цр 6 ( 1 - Р б) + . . . I

Рассмотрим теперь влияние ошибок обратного канала, считая что параметры прямого и обратного каналов одинаковы.

В системе с ожиданием ошибки в обратном канале искажают квитанцию. Если «да» перейдет в «нет», передатчик повторит блок, который уже принят в предыдущем цикле, произведя «вставку» в сообщение. Если же «нет» перейдет в «да», потребителю не будет выдан блок сообщения. Произойдет «выпадение» блока. Для уменьшения вероятности появления «вставок» и «выпадений» принима­ ются различные меры защиты квитанций от искажений типа пере­ ходов. Самым универсальным методом является применение поме­ хозащитных кодов. При всех искажениях, обнаруживаемых деко­ дером, станция, ведущая передачу, посылает команду «запрос» на повторение квитанции.

С учетом ошибок в обратном канале к времени Т*ц прибавляет­ ся время, затрачиваемое на переспросы искаженных квитанций. Длительность цикла повторения искаженной квитанции

ставляют /ц=Рнв/(1—Ркв), где ркв — вероятность поражения кви­ танции. Учитывая, что квитанции передаются в промежутках меж­ ду передачей блоков информации, можно легко получить формулу вероятности поражения квитанции:

Здесь %—(Гкв+ 4>)/(^б-Ир)— коэффициент, зависящий от парамет­ ров СПД.

Пропускная способность может быть выражена как отношение времени, необходимого для передачи блока информации, к време­ ни, затраченному на передачу блока с учетом принятого алгоритма и действия ошибок в канале связи:

В реальных системах с ожиданием обычно выполняется условие 7ц>-/ц» откуда следует

Перейдем к определению влияния ошибок в прямом и обратном каналах на систему без ожидания квитанции. Система без ожида­ ния работает, главным образом, в дуплексном режиме. Для дуп­ лексных систем ПД характерным является то, что каждый из ка­ налов является обратным по отношению к другому, поэтому за-

116

держки в передаче сообщений в равной степени обусловлены ошиб­ ками как в прямом, так и в обратном каналах. При работе в полу­ дуплексном режиме по обратному каналу постоянно передается служебная комбинация. Во всем остальном алгоритм работы си­ стемы аналогичен алгоритму в дуплексном режиме.

В системе без ожидания каждая обнаруженная ошибка вызы­ вает блокировку приемника на время

Найдем среднее время, затрачиваемое для передачи блока ин­ формации. Вероятность однократного поражения блока равна Рб (1—рб); вероятность того, что тот же блок поражен в первом цикле повторения, равна р2б(1—Р б ) . Вероятность того, что для приема блока потребуется i циклов повторения, равна рг*б (1—рб) - Следовательно, среднее время передачи блока

Для передачи каждого блока необходимо использовать допол­ нительное время 7брб/(1—Рб), обусловленное действием помех: в одном из каналов. При учете помех обратного канала потери времени на повторение искаженной информации удвоятся. Если учесть вероятность появления ошибок в обратном канале во время блокировки, вызванной ошибкой прямого канала, то общие потери времени можно записать в виде

После несложных преобразований получим

На рис. 6.3 приведены зависимости пропускной способности от вероятности поражения блока информации для системы с ожида­

нием квитанции (кривые У и 2) и для дуплексной системы без ожидания (кривые 3 и 4). Система без ожидания обеспечивает более эффективное использование пропускной способности канала. При рб<10-2 потери пропускной способности малы, а при />б>Ю~* пропускная способность резко падает.

117

3—М = 3 ; 4-М=&

6.3. Влияние флуктуационных и импульсных помех на пропускную способность систем с обратной связью

Флуктуационная помеха порождает, как правило, независимые ошибки или короткие пакеты ошибок, как это имеет место при ДОФМ, ТОФМ или АФМ-ОБП. Для анализа влияния флуктуа­ ционных помех можно воспользоваться результатами предыдущего параграфа. Необходимо только установить зависимость между ве­ роятностью поражения блока информации ошибками и соотноше­ нием сигнал/помеха. Зависимость вероятности ошибки от соотно­ шения сигнал/помеха известна [47], а для независимых ошибок вероятность поражения блока пропорциональна длине блока.

Рисунок 6.4 иллюстрирует зависимость пропускной способности системы без ожидания от соотношения сигнал/помеха.

Нормированное соотношение сигнал/помеха в канале ТЧ (Ар= =26 дБ) находится далеко левее точки (14 дБ), где уже заметно снижение пропускной способности. Следовательно, в канале, отве­ чающем нормам, влиянием флуктуационных помех можно пренеб­ речь. Однако при повышении уровня шума уменьшение пропускной способности происходит тем быстрее, чем длиннее блоки, исполь­ зуемые для обмена информацией в данной системе.

Как показали исследования последних лет, существенное влия­ ние на качество передачи дискретной информации и, в частности, на пропускную способность системы оказывают импульсные поме­ ли. Для оценки этого влияния необходимо знать характеристики потока импульсных помех и механизм их воздействия на передачу дискретной информации.

В гл. 5 показано, что ошибки вызывают те помехи, амплитуда которых сравнима с амплитудой сигнала, причем длина пакета ошибок зависит от амплитуды импульсной помехи. Среднюю час­

118

тость появления пакетов ошибок, обусловленных импульсными помехами, можно определить из выражения

и т р

где -К— средняя частость импульсных помех; f( x ) — плотность рас­ пределения импульсных помех по амплитуде; 17пор — пороговое значение амплитуды импульсной помехи.

Если амплитуда помехи больше V uov, то вероятность появления пакета ошибок близка к единице. Значения 'UnovIUc для различных видов модуляции приведены в табл. 6.2.

В случае, когда пакеты ошибок, обусловленные импульсной помехой, независимы для расчета пропускной способности систем ПД, можно воспользоваться формулами § 6.2. Однако предположе­ ние о том, что импульсные помехи образуют простейший поток, не подтверждается статистикой реальных каналов. Как показали ис­ следования, импульсные помехи группируются в пакеты. В табл. 6.3

приведено экспериментально полученное распределение импульсных помех в блоках различной длины для канала ТЧ. Как видно, доля блоков, пораженных двумя и более помехами, составляет от 10 до 32% в зависимости от длины блока. Вероятность поражения

119*

блока при действии импульсных помех с учетом пакетирования по­ мех

где г)=^1 — коэффициент, учитывающий эффект пакетирования. Зависимость пропускной способности систем с обратной связью

ют частости импульсных помех, амплитуда которых больше Uo= = 1 /с/2, приведена на рис. 6.5. На систему с AM импульсные поме-

Рис. 6.5. Завжзимость пропускной способности системы с обратной связью от частости импульсных по­ мех в канале ТЧ:

----------------система без ож идания;

-------------- система с ожиданием

:хи влияют в большей мере, чем на систему с ОФМ. Это объясняет­ ся тем, что помехи, амплитуда которых Un удовлетворяет условию (Ucl2)<\Un<U c, с большой вероятностью вызывают ошибки в AM системе и почти не влияют на верность передачи в ОФМ си­ стеме.

Повышение скорости передачи сопровождается уменьшением помехозащищенности, а уменьшение помехозащищенности может повлечь за собой резкое увеличение количества «опасных» помех, так как распределение амплитуд импульсных помех является ги­ перболическим. Поэтому для систем ПД, скорость передачи кото­ рых превышает 2400 бит/с, импульсные помехи в реальных кана­ лах могут стать причиной заметного уменьшения пропускной спо­ собности.

Для систем со скоростями от 1200 до 2400 бит/с импульсные помехи практически не влияют на пропускную способность при ус­ ловии, что число их не превышает нормы. Однако при увеличении числа импульсных помех на порядок пропускная способность за­ метно уменьшается, особенно у систем, где обмен производится длинными блоками. Резкое увеличение интенсивности появления импульсных помех обычно связано с различного рода восстанови­ тельными и профилактическими работами на магистрали. Поэтому^ график таких работ должен быть заранее согласован с арендатора-’ ми каналов ТЧ, ведущими передачу данных.

>6.4. Влияние перерывов на пропускную способность систем с обратной связью

Наряду с аддитивными помехами в каналах связи действуют мультипликативные помехи, к которым, в первую очередь, отно­ сятся медленные и быстрые изменения уровня сигнала, а также

120