Помехоустойчивое кодирование

Технологии цифровой связи

Следующие технологии находят применение в цифровой связи:

Кодирование источника информации

Кодирование источника связано с задачей создания эффективного описания исходной информации. Эффективное описание допускает снижение требований к памяти или полосе частот, связанных с хранением или передачей дискретных реализаций исходных данных. Для дискретных источников способность к созданию описаний данных со сниженной скоростью передачи зависит от информационного содержимого и статистической корреляции исходных символов. Для аналоговых источников способность к созданию описаний данных со сниженной скоростью передачи (согласно принятому критерию точности) зависит от распределения амплитуд и временной корреляции сигнала источника. Целью кодирования источника является получение описания исходной информации с хорошей точностью при данной номинальной скорости передачи битов или допуск низкой скорости передачи битов, чтобы получить описание источника с заданной точностью.

Сжатие данных

Шифрование данных

Помехоустойчивое кодирование

Любая система связи подвержена воздействию шумов и особенностей линий и каналов связи (и как следствие возникновению искажений), которые могут привести к неправильному приёму сигнала. Для борьбы с возникающими при этом ошибками в сигнал вводится специальным образом сконструированная избыточность, что позволяет принимающей стороне обнаружить, а в некоторых случаях и исправить определённое число ошибок. Существует большое количество помехоустойчивых (ПУ) кодов, различающихся избыточностью, обнаруживающей и исправляющей способностью.

Стремительное развитие цифровых систем коммутации и средств передачи информации, внедрение технологий SDH привело к значительному возрастанию роли систем синхронизации в сетях телекоммуникации. Новые сферы применения и виды предоставляемых услуг также вызывают повышенные требования к характеристикам и работе сетей синхронизации.

Точная работа и тщательное планирование систем синхронизации требуется не только для того, чтобы избежать неприемлемых рабочих характеристик, но чтобы ослабить скрытые, дорогостоящие и трудноопределимые проблемы и уменьшить малозаметные взаимные влияния сетей различного подчинения.

Синхронизация – это средство поддержания работы всего цифрового оборудования в сети связи на одной средней скорости. Для цифровой передачи информация преобразуется в дискретные импульсы. При передаче этих импульсов через линии и узлы связи цифровой сети все ее компоненты должны синхронизироваться. Синхронизация должна существовать на трех уровнях: битовая синхронизация, синхронизация на уровне канальных интервалов (time slot) и кадровая синхронизация.

Битовая синхронизация заключается в том, что передающий и принимающий концы линии передачи работают на одной тактовой частоте, поэтому биты считываются правильно. Для достижения битовой синхронизации приемник может получать свои тактовые импульсы с входящей линии. Битовая синхронизация включает такие проблемы как джиттер линии передачи и плотность единиц. Эти проблемы поднимаются при предъявлении требований к синхронизации и системам передачи.

Синхронизация канального интервала (time slot) соединяет приемник и передатчик таким образом, чтобы канальные интервалы могли быть идентифицированы для извлечения данных. Это достигается путем использования фиксированного формата кадра для разделения байтов. Основными проблемами синхронизации на уровне канального интервала являются время изменения кадра и обнаружение потери кадра.

Кадровая синхронизация вызвана необходимостью согласования по фазе передатчика и приемника таким образом, чтобы можно было идентифицировать начало кадра. Кадром в сигнале DS1 или Е1 является группа битов, состоящая из 24 или 30 байтов (канальных интервалов) соответственно, и одного импульса кадровой синхронизации. Время кадра равно 125 микросекундам.
Канальные интервалы соответствуют пользователям конкретных (телефонов) каналов связи.

Тактовый генератор сети, расположенный в узле источника, управляет частотой передачи через этот узел битов, кадров и канальных интервалов.
Вторичный генератор сети расположенный в принимающем узле, предназначен для управления скоростью считывания информации. Целью тактовой сетевой синхронизации является согласованная работа первичного генератора и приемника с тем, чтобы принимающий узел мог правильно интерпретировать цифровой сигнал. Различие в синхронизации узлов, находящихся в одной сети, может привести к пропуску или к повторному считыванию принимающим узлом посланной на него информации. Это явление называется проскальзыванием.

Например, если оборудование, передающее информацию, работает на частоте, большей, чем частота принимающего оборудования, то приемник не может отслеживать поток информации. В этом случае приемник будет периодически пропускать часть передаваемой ему информации. Потеря информации называется проскальзыванием удаления.

В случае, если приемник работает на частоте превышающей частоту передатчика, приемник будет дублировать информацию, продолжая работать на своей частоте и все еще осуществляя связь с передатчиком. Это дублирование информации называется проскальзыванием повторения.

Для управления проскальзываниями в потоках DS1 и E1 используются специальные буферы. Данные записываются в буфер принимающего оборудования с частотой первичного генератора, а считываются из буфера тактовой частотой принимающего оборудования. На практике могут применяться различные размеры буферов. Обычно буфер содержит более одного кадра. В этом случае принимающее оборудование при проскальзывании будет пропускать или повторять целый кадр. Это называется управляемым проскальзыванием.

Основной целью сетевой синхронизации является ограничение возникновения управляемых проскальзыва- ний. Существуют две основных причины возникновения проскальзываний. Первая причина-отсутствие частоты синхронизации из-за потери связи между генераторами, приводящее к различию тактовых частот. Вторая причина- разовые сдвиги либо в линиях связи (такие, как джиттер и вандер), либо между первичным и ведомым генераторами.
Последнее, т.е. фазовые сдвиги между частотами первичного генератора и приемника, как будет показано выше, являются основной причиной возникновения проскальзываний в сетях связи.

Проскальзывания, однако, не являются единственными сбоями, вызванными отсутствием синхронизации. Плохая синхронизация в сетях SDH может привести к избыточному джиттеру и потере кадров при передаче цифровых сигналов, как изложено в разделе "Необходимость синхронизации SDH ". В корпоративных
(частных) сетях плохая синхронизация оборудования пользователя (СРЕ) может привести к возникновению пакетов (пучков) ошибок в цифровой сети.. Поэтому, несмотря на то, что минимизация проскальзываний остается основной целью синхронизации, при проектировании сетей синхронизации необходимо рассматривать и другие сбои, связанные с синхронизацией.

Влияние проскальзываний на предоставляемые услуги.

Влияние одного или более проскальзываний на качество предоставляемых услуг в цифровых сетях связи зависит от типа этих услуг. Ниже описано влияние одиночных проскальзываний на различные виды услуг.

При предоставлении услуг телефонной (голосовой) связи, как показано проскальзывания могут вызвать случайные звуковые щелчки. Эти щелчки не всегда слышны и не приводят к серьезным искажениям речи. Поэтому услуги телефонной связи некритичны к проскальзываниям. Частота появления проскальзываний до нескольких проскальзываний в минуту считается допустимой.

Влияние проскальзываний на передачу данных при помощи модемов проявляется в виде длинных пакетов ошибок. Продолжительность такого пакета ошибок зависит от скорости передачи данных и типа модема находится в диапазоне от 10 миллисекунд до 1,5 секунд. В период появления этих ошибок оконечное приемное устройство, подключенное к модему, принимает искаженные данные. В результате пользователь должен осуществить повторную передачу данных.

При возникновении проскальзываний во время сеанса видеотелефонной связи происходит пропадание изображения. Абонентов просят повторно установить связь для восстановления изображения.

Влияние проскальзываний на передачу цифровых данных зависит от используемого протокола. В протоколах, не предусматривающих возможности повторной передачи, возможны пропуски, повторения или искажения данных.

Возможна потеря кадровой синхронизации, вызывающая искажения множества кадров при возобновлении поступления импульсов кадровой синхронизации.
Протоколы с повторной передачей имеют возможность обнаружить проскальзывания и инициировать повторную передачу. Для инициализации и выполнения такой ретрансляции обычно требуется одна секунда. Поэтому проскальзывания будут влиять на пропускную способность, обычно приводя к потере секунды времени передачи.

При цифровой передаче изображений (например, видеоконференция), как показывают тесты, приведенные ниже, проскальзывание обычно вызывает искажение части изображения или его "замораживание" на время до 6 секунд.
Серьезность и длительность искажений зависит от применяемого оборудования кодирования и компрессии. Наиболее значительные искажения возникают при использовании низкоскоростного декодирующего оборудования.

Наибольшее влияние проскальзывания оказывают при предоставлении услуг по передаче шифрованных данных. Проскальзывание приводит к потере ключа кодирования. Потеря ключа приводит к недоступности переданных данных до повторной передачи ключа и повторного осуществления связи. Поэтому вся связь останавливается. Что более важно, необходимость в ретрансляции ключа значительно влияет на безопасность. Для многих приложений, связанных с проблемами безопасности, число проскальзываний, превышающее 1 в день, считается неприемлемым.

Необходимость синхронизации SDH.

С появлением SDH к сетям синхронизации предъявляются новые требования. SDH являются высокоскоростными синхронными транспортными системами. Элементы сетей SDH требуют синхронизации, так как передаваемый ими оптический сигнал является синхронным. Однако потеря синхронизации сетевыми элементами SDH не приводят к возникновению проскальзываний. Это обусловлено тем фактом, что рабочая нагрузка в SDH передается асинхронно.
Для идентификации начала кадра SDH используют указатели. Несовпадение скоростей передачи и приема вызовет изменения в указателе