Ошибки в каналах передачи информации и их модели

В каналах передачи, хранения, обработки и распределения информации наблюдаются разнообразные помехи различной физической природы. Это могут быть случайные и преднамеренные электромагнитные помехи, шумы, загрязнения
и дефекты в оптических, магнитных и полупроводниковых материалах, взаимные
помехи функциональных узлов оборудования и т.п. Помехи приводят к ошибкам
в принимаемой информации, которые делятся на случайные и зависимые.

Случайные ошибки возникают независимо друг от друга. При этом говорят о
кратности ошибок t на длине сообщения. Зависимые ошибки делятся на пакетные
и модульные (частный случай пакета ошибок). Пакеты ошибок могут вызываться, например, замираниями в линиях связи, помехами от источников периодического шума, пылинками на магнитной ленте и т.д.

Модуль ошибок - это фазированный пакет ошибок, границы которого известны. Длина модуля ошибок обозначается через Ь. Наиболее характерным примером модульных ошибок являются ошибки, наблюдаемые в системах памяти, построенных на многоразрядных БИС ЗУ. Например, в 16-разрядной системе памяти,реализованной на микросхемах с четырехразрядными выходами, наиболее характерны модульные ошибки длиной b 4 из-за отказов отдельных БИС ЗУ. Пакеты и модули бывают как однократными, так и многократными.

Ошибки по вероятности их возникновения разделяют на симметричные, асимметричные и однонаправленные. Симметричные ошибки характерны для двоично-симметричного канала (ДСК). В этом канале вероятность перехода "О"—>"1",
" 1 "—>"0" одинакова и равна р (рис. 6.1).

В асимметричном канале вероятности перехода "0 —> "1 и "1 —> 0" различны, а в полностью асимметричном канале одна из вероятностей перехода,например "0 —> "1, равняется нулю. Характерным примером полностью асимметричного канала является программируемые ПЗУ с плавкими вставками, когда до программирования все неисправные ячейки памяти находятся, например,в единичном состоянии, а из-за дефектов производства отдельные ячейки находятся в нулевом состоянии, т.е. наблюдается только ошибочный переход из 1-'О".

Однонаправленные ошибки - это ошибки, когда во всех разрядах сообщения
присутствуют только нули или единицы, т.е. принимаемое из канала слово нулевое
или единичное. Эти ошибки возникают, например, при отключении питания у плат
микросхем по каким-либо причинам.

Успешное применение помехоустойчивых кодов в реальных каналах зависит
от согласования корректирующей способности кодов с наблюдаемыми ошибками в
сообщениях из-за помех. Поэтому исследуется статистика ошибок в различных
каналах. Результаты экспериментов показывают, что, например, вероятности
появления ошибок р на входе канального приемника (декодера) находятся в
пределах:

- телефонного и радиорелейного 10° - 10°;

- магнитной ленты 10'⁵ -10"⁶;

Для цифровых устройств вероятность появления ошибок делится на вероятность ошибок из-за отказов и сбоев элементов. Анализ статистических данных
показывает, что вероятность отказов на порядок ниже вероятности сбоев. Под
отказом элемента понимается состояние элемента, которое не изменяется при
входных воздействиях на элемент (в дальнейшем под отказом будем понимать
понятие "дефект", как это принято в теории информации). Сбой - это состояние
элемента, которое переходит из ложного в верное под воздействием входных
сигналов.

Реальные каналы передачи информации описываются моделями, с помощью
которых можно выбрать соответствующие коды и методы их обработки для
эффективной борьбы с ошибками.

Наиболее широко используется модель канала с неизвестным местополо-
жением ошибок как при кодировании, так и при декодировании информации
(рис. 6.2)

Кодер-Канал-Декодер

Рис.6,2 Модель канала с ошибками

На практике используется и канал со стираниями. Стирание - ошибка, ме-
стоположение которой известно при декодировании, но неизвестно истинное
состояние ошибочного разряда (рис. 6.3).

Информацию о местоположении стираний можно получить, например,
для ЗУ с помощью диагностического оборудования, при применении кодов, обнаруживающих ошибки, или введя порог при обработке сигналов.Наличие дополнительной информации остираниях (третьем символе) S позволяет в два раза повысить эффективность при использовании одного и того же кода по сравнению с каналом с ошибками.

Канал с дефектами симметричен каналу со стираниями, т.е. в этом канале
известно местоположение ошибок из-за дефектов при кодировании информации.
Одновременно известно, в каком состоянии находятся дефекты (рис. 6.4).

Рис. 6.3. Модель канала со стираниями

Рис. 6.4. Модель канала с дефектами
То есть в канале с дефектами имеется информация о согласовании или несогласовании передаваемой информации с состоянием дефектов. Применение диагностического оборудования позволяет определять местоположение отказов элементов памяти супер-ЭВМ и эту информацию хранить в дополнительной памяти для обхода отказавших ячеек. В этом случае известно местоположение ошибок как при кодировании, так и при декодировании информации (рис. 6.5). Необходимо построить устройство переадресации (кодек) к исправным ячейкам по информации, хранящейся в дополнительной памяти

Рис. 6.5. Модель канала с отказами
В каналах передачи данных, где ошибки встречаются редко (волоконно-оптические линии связи, отдельные космические системы связи и т.д.)эффективным является режим обнаружения ошибок с последующей передачей сигнала о неправильно принятом сообщении и повторной передачи сообщения.Данная ситуация хорошо описывается моделью канала с обратной связью (рис. 6.6).

Кодер		Канал		Декодер
W
	i

Сигнал о получении ошибочного сообщения

Рис. 6.6. Модель канала с обратной связью
В теории информации интенсивно изучается так называемый широковещательный канал передачи информации, к которому, например, относится спутниковое и кабельное телевидение, скрытая связь, когда необходимо передавать информацию от многих источников через один передатчик (кодер) многим приемникам (декодерам) согласно предписанному алгоритму и заданной вероятности ошибки на выходе декодера (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Модель широковещательного канала передачи информации
Целенаправленное изучение причин и статистики ошибок, особенностей протоколов работы систем позволяет создать модель канала, на основании которой возможна разработка эффективных методов борьбы с ошибками. Например, как будет рассмотрено подробнее в разд. 13.1, исследование характерных особенностей систем хранения информации позволило построить обобщенную модель канала хранения, с помощью которой, в зависимости от модификации памяти, ошибки хранения могут: 1) исправляться как ошибки, стирания, дефекты или их комбинации; 2) обнаруживаться и с помощью обратной связи (повторного обращения) исправляться при использовании решений с различным уровнем временной и иформационной избыточности,сложности схем контроля и временных затрат.