Передача мультимедійних даних в каналах з низьким співвідношенням сигнал/завада



Аргументація можливості використання каскадних кодів для передачі мультимедійних даних в каналах з низьким співвідношенням сигнал/завада. Послідовно-паралельна каскадна кодова структура.

Transmitting multimedia data via channels with low signal to noise ratio

Dmytro Makoivets, Vadim Poltorak ACTS NTUU “KPI”

Ukraine, Kyiv

Summary

Argumentation the possibility of usage cascade codes for transmitting multimedia data via channels with low signal to noise ratio. Cascade series-parallel coding structure.

Keywords

Forward error correction, cascade codes, turbo-codes, signal to noise ratio

Більшість сучасних систем завадостійкості забезпечують практично безпомилкову передачу даних, але майже всі вони розраховані на застосування для передавання по високоякісних каналах, які гарантують досить незначний вплив шуму в каналі на сигнал, що передається. Однак досі існують канали з високим рівнем шуму відносно сигналу. Це може бути також звичайний канал зв’язку, але зі збільшеною відстанню передачі фізичним середовищем (довший кабель, ніж прописано в стандарті, або приймач розташований далі від радіо транслятора, ніж було передбачено). При цьому збільшується вплив шуму вканалі на сигнал, що спричинює виникнення помилок. У випадку передачі відео абоінших мультимедійних даних такими каналами зазвичай немає можливості наповторну пересилку пошкодженого пакету, бо це суттєво збільшить затримку. До того ж немає гарантії, що шум не спотворить повторно пересланий пакет. Для забезпечення достатньої якості зв’язку затримка при передачі звуку не повинна перевищувати 250-300 мс [1], оскільки відеодані повинні доставлятись синхронно з аудіоданими, то ця межа справедлива і для відеоданих. Прицьому для відеозв’язку з роздільною заданістю 720p необхідна швидкість не менше 512 Кбіт/с. Тому очевидно, що у випадку мультимедійних даних зазвичай просто немає часу на повторну пересилку. Утакій ситуації є потреба в потужній системі завадостійкості, що дозволяє виправляти помилки відразу на стороні приймача.

При виникненні значної кількості помилок один завадостійкий код може не впоратись з виправленням. До того ж кожен з кодів має свої сильні та слабкі місця.

Застосування каскадного принципу дозволяє досить суттєво збільшити завадостійкість системи. Застосування кількох ступенів кодування дозволяє збільшити мінімальну кодову відстань і, як наслідок, збільшити здатність коду виправляти помилки [2].

Класичними вважаються послідовні каскадні коди. Оптимальним в цьому випадку є використання каскадного кодування на основі двох кодів, що називаються зовнішнім і внутрішнім. Вихідне повідомлення кодується спочатку зовнішнім кодером, а вже потім закодоване повідомлення подається на вхід внутрішнього кодера і лише після такого подвійного кодування передається в канал зв’язку [3]. Використання більше ніж двох ступенів при каскадному кодуванні звісно дозволяє ще більше покращити завадостійкість, проте досить суттєво зростає і надлишковість. Збільшення надлишковості призводить до збільшення обсягів даних, що передаються, тобто зростання трафіку.

Однак останнім часом набуває поширення застосування турбо-кодів. По своїй суті турбо-код є паралельним каскадним блоковим кодом. Турбо-код складається з каскаду паралельно з'єднаних систематичних кодів. Ці складові називаються компонентними кодами. В якості компонентних кодів можуть використовуватися згорткові коди, коди Хеммінга, Ріда — Соломона, Боуза —Чоудхурі — Хоквінгема та інші. Залежно від вибору компонентного коду турбо-коди діляться на згорткові турбо-коди та блокові турбо-коди добутку[4].

Згортковий турбо-код знайшов застосування в мережах LTE. В цьому випадку він здійснює завадостійке кодування з кодовою швидкістю 1/3 за допомогою схеми із двох паралельно зв’язаних згорткових кодерів із внутрішнім перемішувачем біт. Ця схема гарантує імовірність виникнення помилки на рівні $9\cdot {{10}^{-7}}$ при співвідношенні сигнал/завада на рівні 13 дБ. Ці результати справедливі для використання при передачі 16QAM.

Проте при використанні каналу зі значно нижчим значенням співвідношення сигнал/завада така система кодування не буде справлятися і імовірність виникнення помилки значно зросте, що призведе до суттєвого зниження якості передачі. Тому постає проблема потреби підвищення потужності механізму завадостійкості.

І тут можна повернутись до згаданого раніше принципу послідовного каскадного кодування. Тільки тепер одним із послідовних кодів буде турбо-код.Таким чином отимаємо послідовно-параленьну каскадну структуру. Даний принцип ненабув поширення здебільшого через складність процесу кодування/декодування, а саме – витрат часу на нього [5].

Проте обчислювальна потужність комп’ютерів в наш час та потенційне застосування для передачі в сильно зашумлених каналах нівелює цей недолік. Це пояснюється тим, що в таких каналах передача на надвисоких швидкостях неможлива через обмежену пропускну здатність каналу, так як співвідношення сигнал/завада набуває малих значень:

\[C=\Delta{{f}_{e}}{{\log }_{2}}\left( 1+SNR \right),\]

де SNR – співвідношення сигнал/завада.

Тому обчислювальна техніка цілком впорається з таким потоком даних не вносячи додаткової затримки.

Запропонована послідовно-паралельна схема дозволяє забезпечувати імовірність виникнення помилки на рівні близько $1\cdot {{10}^{-8}}-1\cdot {{10}^{-7}}$ для порівняно невисоких корисних швидкостей (близько 2Мбіт/с) при співвідношенні сигнал/завада близьких до 0 дБ. Звісно, враховуючи низьке значення співвідношення сигнал/шум в каналі, за таку швидкість доведеться платити досить широкою смугою частот, необхідною для передачі. Проте для певних мереж передачі даних застосування такого підходу було б аргументованим за рахунок можливості суттєвого збільшення відстані, на яку передаватимуться дані. Тому системи з послідовно-паралельною структурою каскадного кодування мають значний потенціал і потребують подальшого детального дослідження для знаходження оптимальної комбінації парламентів складових кодів.

Перелік літератури

  1. Обеспечение качества IP-телефонии [Електронний ресурс] : [Веб-сайт] – Електронні дані. – [Україна: ТОВ “Яліта”, 2009]. – Режим доступа: http://voip.jalita.com/literature/book\_1/5.shtml (дата звернення 20.04.2016). - Назва з екрану.

  2. Richardson T. Modern Coding Theory / T. Richardson, R. Urbanke. – Cambridge: Cambridge University Press, 2007. – 576 р. – ISBN 978-0-521-85229-6.

  3. Жураковський Юрій Павлович. Теорія інформації та кодування: Підручник. / Ю. П. Жураковський, В. П. Полторак. – К.: Вища шк., 2001. – 255 с.: іл. – ISBN 966-642-031-7.

  4. Теория кодирования / Т.Касами, Н. Токура, Е. Ивадари, Я. Инагаки. – М.: Мир, 1978. – 576 с. – ISBN 5-8459-0887-2.

  5. Золотарев В.В.. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник./ В.В. Золотарев, Г.В. Овечкин. – М.: Горячая линия – Телеком.,2004. – 126 с.: іл. – ISBN 5-93517-169-4.
May 25, 2016