Обеспечение надежности и достоверности информации в системах ее обработки и передачи

Надежность АСОИУ определяется достоверностью и своевременностью информации, доставляемой пользователю, а также обеспеченностью защитой от постороннего доступа.

Достоверность обработки информации – это соответствие реальной информации, выдаваемой пользователю, ее некоторым истинным значениям. Количественно она оценивается вероятностью ошибки, то есть вероятностью несовпадения выходных данных истинным значениям.

Для обеспечения передачи с требуемой достоверностью в течение заданного интервала времени используются структурный и информационный резервы, рекомендуемые теорией надежности, а также введение информационной избыточности в передаваемые сообщения, рекомендуемой теорией помехоустойчивого кодирования. Информационная избыточность обеспечивается многократным повторением передаваемой информации или применением корректирующего кода, позволяющего на приемной стороне обнаружить или исправить ошибки.

Введение структурного резерва заключается в использовании для одновременной передачи одного сообщения нескольких каналов связи. Принятые сообщения сравниваются, например, по принципу голосования. Правильной считается информация, принятая одинаковой в большинстве каналов. Для управления процессом передачи необходима обратная связь, которая обеспечивается обратным каналом.

На основе теории надежности и теории помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи информации находят применение следующие методы:

1) Регенерация формы сигналов в центрах коммутации сетей или в их промежуточных звеньях – ретрансляторах.

Этот метод используется в системах передачи, имеющих длинные линии связи, в которых сигналы могут быть значительно ослаблены и искажены, например, в оптических радиолиниях. В ретрансляторах принятые сигналы усиливаются, восстанавливаются по форме и передаются далее по линии связи.

2) Многократная передача одного и того же блока данных по одному каналу и сравнение принятых блоков с помощью мажоритарных устройств (устройств, работающих по принципу голосования). В этом случае блоки данных передаются последовательно, что увеличивает время передачи сообщения, как минимум, в три раза.

3) Передача одного и того же блока данных одновременно по одному каналу на разных частотах и сравнение принятых блоков по мажоритарному принципу. В этом случае полоса частот, отводимая для передачи одного сообщения, увеличивается в несколько раз.

4) Передача одного и того же блока данных одновременно по одному аналоговому каналу несколькими гармоническими несущими одной частоты, но сдвинутыми по фазе относительно друг друга [10]. Такой метод не требует расширения полосы частот в канале связи.

5) Использование в передаваемом блоке данных длиной n бит не всех возможных комбинаций N₀ = 2ⁿ, а лишь некоторого их ограниченного числа разрешенных комбинаций: N_p < N₀. На приемной стороне, хранящей в памяти все разрешенные комбинации, сравниваются принятые блоки с разрешенными. Несовпадение принятой комбинации с разрешенными означает искажение в принятом блоке данных.

6) Использование корректирующих кодов, заключающееся во введении в передаваемый блок данных дополнительных проверочных разрядов, которые позволяют обнаружить искажения. Контрольные биты формируются по алгоритмам? См. приведенным в следующих ниже темах.

7) Введение в структуру системы передачи обратного канала связи, который информирует отправителя об искажениях в переданном блоке данных или об их отсутствии. Это позволяет отправителю принимать решения для обеспечения безошибочной передачи блоков данных, следовательно, управлять процессами обмена информацией.

Системы передачи информации со структурным резервом могут быть построены как разомкнутые, не имеющие обратной связи, и как замкнутые по структуре – системы с обратной связью. В системах без обратной связи, помимо передачи сообщений по нескольким каналам, используются корректирующие коды, позволяющие обнаружить и исправить искажения.

Однако применение корректирующих кодов, исправляющих ошибки, связано с определенными сложностями, ввиду того, что воздействие помех в канале связи изменяется во времени. Если выбрать корректирующий код, исходя из максимальной частоты ошибок, то избыточность кода может оказаться большой, что потребует увеличения времени на декодирование и снизит эффективность системы передачи. Если выбрать корректирующий код, исходя из средней частоты ошибок, то при групповых искажениях количество необнаруженных ошибок может быть недопустимым.

Общим недостатком систем передачи без обратной связи является отсутствие подтверждений для отправителя о принятых блоках данных.

Достоверность передачи информации при достаточно простых методах и средствах кодирования можно повысить, если отправитель непрерывно будет получать информацию о принятых сообщениях и наличии в них ошибок. Такая информация может быть получена с помощью дополнительного обратного канала, который в структурной схеме передачи формирует обратную связь. При этом передача сигналов будет осуществляться по замкнутому контуру, что позволяет управлять процессами передачи информации; и в соответствии с состоянием канала связи можно вводить необходимую информационную избыточность.

Общая структурная схема системы передачи с обратной связью приведена на рис. 6.3.1.

Рис. 6.3.1. Общая структурная схема системы передачи информации с обратной связью.

Сообщение, переданное по прямому каналу связи поступает в анализатор приемника, который выделяет информационную часть и делает ее проверку на наличие ошибок. В случае обнаружения искажений анализатор приемной стороны формирует сигнал об ошибке с указанием номера искаженного блока, который посылается по обратному каналу. Анализатор на стороне отправителя дешифрует этот сигнал и выдает управляющий сигнал на повторную передачу блока. Эти процедуры повторяются, пока по обратному каналу не будет передан сигнал подтверждения. Системы передачи, функционирующие по такому принципу, называют системами с решающей обратной связью (РОС).

Передаваемый блок данных поступает в буфер передатчика прямого канала. В анализатор передатчика может поступить или передаваемый блок данных, или его служебная часть. Анализатор выполняет сравнение сигналов от отправителя с сигналами от получателя, принятыми по обратному каналу. При их совпадении анализатор выдает разрешение на передачу следующего блока данных, информируя получателя о том, что передается следующий блок данных.

В случае несовпадения сигналов от отправителя и от получателя анализатор формирует управляющий сигнал на повторную передачу блока данных или другие действия отправителя по обеспечению достоверности передачи информации.

Помимо информирования отправителя о приеме его блока получатель также может передать по обратному каналу связи сообщения, что позволяет в системах с обратной связью выполнять обмен информацией. Например, контрольная сумма переданного блока сравнивается с контрольной суммой этого блока, вычисленного на приемной стороне и переданной по обратному каналу.

Сигнал, информирующий отправителя о приеме блока данных без ошибок, может быть сформирован либо на передающей стороне, либо на приемной следующими способами:

1) Переданный по прямому каналу блок данных, который может содержать корректирующий код, возвращается по обратному каналу в анализатор передающей стороны. Последний сравнивает переданный и принятый блоки данных поразрядно. При несовпадении битов какого-либо разряда анализатор формирует сигнал «ошибка», обеспечивающий повторную передачу блока данных и т.д., пока не обеспечится совпадение всех битов в переданном и принятом блоках данных.

Системы передачи, работающие по такому принципу, называют системами с информационной обратной связью (ИОС). Основные достоинства таких систем – простота в реализации и возможность получать статистику искажений на передающей стороне.

Однако их применение ограничивается при большом количестве помех, так как время передачи одного блока определяется временем передачи от первого блока, принятого с ошибками, до приема последнего, принятого без ошибок. Искажения могут возникнуть и при передаче неискаженного блока по обратному каналу.

2) Передаваемые блоки данных строятся в форме двоичных комбинаций корректирующего избыточного кода, позволяющего обнаружить искажения на приемной стороне с помощью анализатора (рис. 6.3.1) путем декодирования корректирующего кода. Если искажения не обнаружены, то анализатор посылает в передатчик обратного канала подтверждение о безошибочно переданном блоке. Анализатор на передающей стороне дешифрует это подтверждение и выдает управляющий сигнал на передачу следующего блока данных и выдачу получателю неискаженного блока.

Изложенные процедуры могут быть формализованы логическими высказываниями типа «если…, то…». Поэтому процессы обмена информацией в системах с РОС программно реализуемы. На их основе созданы протоколы полудуплексного обмена информацией.

Согласно рекомендаций ITU МККТТ v.23, v.24, v.41 в системах передачи с РОС используются четырехпроводные дуплексные каналы связи. В качестве обратного канала рекомендуется использовать служебный канал, у которого частота несущего сигнала отлична от частоты несущего сигнала в прямом канале.

Достоинства систем передачи информации с РОС:

- меньшая, чем в системах с ИОС загрузка обычного канала связи;

- возможность организации полудуплексного обмена информацией.

Недостатком систем с РОС является отсутствие возможностей сбора информации об ошибках и их характере (одиночные, групповые) у отправителя сообщений.

4) Как и в системах передачи с РОС при необнаруженных искажениях в принятом блоке по обратному каналу посылается подтверждение. В случае обнаружения искажений по обратному каналу может быть послан искаженный блок данных. Это дает возможность отправителю количественно оценивать характер искажений в переданных блоках путем статистической обработки. В соответствии с этим можно будет увеличивать избыточность корректирующего кода или принимать другие меры для повышения достоверности передачи информации.