Иванов "Разработка программных средств моделирования для лоценки производительности алгоритмов помехоустойчивого кодирования "

Пётр Леонидович Капица Дипломный проект на тему: “Разработка программных средств моделирования для оценки производительности алгоритмов помехоустойчивого кодирования” Кафедра:ИТ-6 Студент: Иванов Александр Иванович Руководитель проекта: Мельников Алексей Олегович Уважаемые члены аттестационная комиссия , вашему вниманию предлагается диплом на тему: Разработка программных средств моделирования для оценки производительности алгоритмов помехоустойчивого кодирования 1 Принципы помехоустойчивого кодирования В процессе хранения данных и передачи информации по сетям связи неизбежно возникают ошибки. Контроль целостности данных и исправление ошибок — важные задачи на многих уровнях работы с информацией. 2 В процессе передачи, информационный сигнал претерпевает искажения в следствии влияния функций канала а также из за воздействия теплового шума. Для борьбы с такими явлениями в современных системах связи традиционно используются методы помехоустойчивого кодирования 2 -Провести сравнительный анализ методов помехоустойчивого кодирования. -Реализовать процедуру помехоустойчивого кодирования в соответствии со стандартом Wimax 802.16е . -Разработать программные средства для оценки производительности алгоритма помехоустойчивого кодирования. Задачи дипломного проекта 3 В рамках данного дипломного проекта были поставлены следующие задачи:… Провести сравнительный анализ методов помехоустойчивого кодирования. -Реализовать процедуру помехоустойчивого кодирования в соответствии со стандартом Wimax 802.16е . -Разработать программные средства для оценки производительности алгоритма помехоустойчивого кодирования. 3 Модель передачи данных Кодер Модуляция Канал с шумом Демодуляция Декодер Получатель информации Помехоустойчивое кодирование Источник информации 4 На данном слайде представлена типовая схема передачи информации с использование помехоустойчивого кодирования 4 Классификация помехоустойчивых кодов 5 К настоящему моменту разработано большое количество типов кодов и алгоритмов кодирования наиболее распространёнными являются турбо коды , свёрточные коды и линейные блочные коды 5 Свёрточные коды Алгоритм Витерби 6 Для свёрточных кодов разработан эффективный алгоритм декодирования Витерби с производительностью близкой к полному перебору но с не большими вычислительными затратами . 6 Турбо-коды 7 Турбо коды использующие составной код из 2 или более простых кодов дополняющих друг друга позволяют достичь высокой производительности при низком отношении сигнал\шум 7 LDPC коды Обычная матрица линейного блочного кода LDPC матрица 8 Дальнейшее повышение качества кодирования упирается в необходимость увеличения длинны кодового слова или глубины памяти декодера что приводит в общем случае к значительному росту вычислительных затрат. В качестве компромисса можно предложить идею кодов с малой плотностью проверок на чётность -лдпс кодов. При таком подходе длинна кодового слова достигает нескольких тысяч бит. При этом для формирования конкретного бита чётности используется лишь малое количество бит исходного сообщения. Таким образом проверочная матрица лдпс кода будет сильно разреженной. Существуют алгоритмы позволяющие эффективные реализовать процедуру кодирования и декодирования для лдпс кодов. 8   Близость к границе Шеннона Кодовое расстояние Сложность декодирования Турбо-коды Турбо коды практически достигают границы Шеннона на низких отношениях сигнал-шум Большое Высокая LDPC LDPC коды практически достигают границы Шеннона на высоких отношениях сигнал-шум Малое Высокая Свёрточные коды Далёк от границы Шеннона Малое Низкая Код Рида-Соломона Близок к границе Шеннона при использование в качестве внешнего кода Малое Низкая Обзор методов кодирования 9 В данной таблице приведены сравнительные характеристики некоторых кодов. В данном дипломном проекта основное внимание было уделено лдпс кодам. 9 Алгоритм кодирования 10 00 11 0 . . . 00 11 0 . . . p1 p2 u v Несмотря на то что проверочная матрица лдпс кода является разреженной, матрица генератора, то есть обратная к ней матрица является в общем случае плотной . Таким образом эффективно реализовать процедуру кодирования на основе матрицы генератора не удастся. Для реализации процедуры кодирования в моём дипломном проекте я использовал метод на основе декомпозиции проверочной матрицы на 6 подматриц, при этом процедура вычисления битов чётности становится простой. 10 Процедура декодирования 11 Для декодирования использован наиболее распространённая процедура последовательного уточнения. Суть этой процедуры сводится к последовательному пересчёту вероятностей значения принятого бита на основе связей между проверочными битами и битами исходного сообщения. То есть вероятность отдельно взятого бита уточняется за счёт осреднения по вероятностям всех связанных с ним проверочных битов . Процедура выполняется заданное количество раз или пока не найдём кодовое слово. 11 Модуляция Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) 12 Для передачи значения бита используется бинарная фазовая модуляция 12 Многолучевая модель канала 13 Для моделирования эффекта многолучевого распространения в беспроводной системе были использованы 3 рекомендованные в стандарте модели: расширенная модель для движения пешехода, расширенная модель для движения транспортного средства и модель движения за приделами города. В каждой из перечисленных моделей соответствуют эн лучей распространения со своими задержками и потерями. Для учёта эффекта движения модулировался синусоидальной функцией с частотой определяемой доплеровским смещением. 13 Модель канала с движением 14 Модель канала с движением 14 Результат работы программы 15 На данном слайде представлены результаты моделирования иллюстрирующие производительность работы беспроводной системы с алгоритмом помехоустойчивого кодирования лдпс. Графики показывают зависимость вероятности битовой ошибки от отношения мощности сигнала к мощности шума. Приведённые результаты соответствуют сделанным в работе предположениям об эффективности. Таким образом разработанное программное обеспечение может быть использовано для анализа эффективности алгоритмов помехоустойчивого кодирования. 15 Экономическая часть. Ленточный график разработки ПO Смета затрат на разработку и внедрение ПО Структура затрат на разработку и внедрение ПО Основные технико-экономические показатели проекта 16 16 Вывод -Проведён сравнительный анализ методов помехоустойчивого кодирования. -Реализована процедура помехоустойчивого кодирования в соответствии со стандартом Wimax 802.16е . -Успешно разработаны программные средства для оценки производительности алгоритма помехоустойчивого кодирования. 17 17 Спасибо за внимание 18 18