Поиск - новости науки и техники

Без лишнего шума. Новые методы надежно защитят электронную информацию от искажений и помех.

Количество и скорость передачи информации растут с каждым годом. Все мы пользуемся этим, скачивая из Интернета интересные или нужные нам статьи, книги, фильмы. И мало кто удивляется тому, что все это доходит до нас без искажений и ошибок. Между тем добиться этого не просто. Целость и сохранность полезного продукта, распространяющегося через Сеть, обеспечивают сложнейшие устройства и технологии. Понятно, что они нуждаются не только в постоянном обслуживании, но и в совершенствовании. Над тем, чтобы появились новые надежные барьеры от помех и ошибок, работают многие коллективы ученых. Один из них возглавляет профессор кафедры вычислительной и прикладной математики Рязанского государственного радиотехнического университета доктор технических наук Геннадий ОВЕЧКИН.  

В рамках проекта, поддержанного грантом Президента РФ, молодой ученый занимается разработкой адаптивных методов повышения достоверности передачи и хранения данных для систем с большим уровнем шума. В чем суть проблемы и что делается для ее решения?
– Как известно, сегодня для обмена информацией широко используют системы цифровой связи, – рассказывает Геннадий Владимирович. – Сведения, которые передаются с их помощью по проводным или беспроводным каналам, под воздействием различных помех могут искажаться. В большинстве случаев допускается всего одна ошибка на много миллионов битов. Попросить повторить сообщение или его часть, как правило, нельзя, а если такая возможность существует, то пользоваться ею желательно как можно реже. Поэтому в любой системе передачи цифровых данных используют средства помехоустойчивого кодирования. Они позволяют снизить долю неисправленных ошибок до приемлемой. На передающей стороне размещают кодер, который вносит в передаваемую информацию избыточность (специальные дополнительные сведения), а на приемной стороне – декодер, который, используя внесенную кодером избыточность, исправляет ошибки.
Сегодня методы декодирования, основой для разработки которых служит теория помехоустойчивого кодирования, позволяют по искаженному шумами сообщению, достигшему получателя, достаточно быстро и точно воссоздавать первоисточник. То есть обеспечивают возможность очистить нужную информацию от помех.
Необходимость использования помехоустойчивого кодирования для каналов передачи информации стала понятной несколько десятилетий назад, почти сразу же после появления первых методов коррекции ошибок. Оказалось, что их применение фактически соответствует по своим результатам эффекту многократного повышения мощности генерируемого сигнала на передающей стороне. Проще говоря, мы можем значительно уменьшить энергию, требующуюся для передачи нужной информации, если у нас будет хороший алгоритм по исправлению ошибок. Это чрезвычайно важно в тех случаях использования цифровой радиосвязи, когда увеличение реальной физической мощности передатчика технически невозможно. Скажем, на борту космических аппаратов.
Основной показатель, по которому сравнивают методы коррекции ошибок, – энергетический выигрыш кодирования. Он определяет величину снижения мощности сигнала в случае использования кодирования по сравнению с обычной передачей. По оценкам зарубежных специалистов, каждый децибел энергетического выигрыша в среднемасштабных системах оценивается в миллионы долларов, потому что его можно использовать для улучшения многих характеристик системы связи. Например, увеличивать скорость, дальность передачи данных, уменьшать мощность передатчика и размеры очень дорогих антенн и т.п. Наибольший энергетический выигрыш получается в том случае, если используемые методы коррекции могут справиться с ошибками при уровне шума в канале, близком к его пропускной способности.
Пропускная способность канала, в конечном счете, определяет тот максимальный уровень шума, при котором, применяя очень длинные коды и сложные алгоритмы декодирования, можно обеспечить сколь угодно малую вероятность ошибки в принятом сообщении. Так вот, поиском алгоритмов, которые в таких условиях позволяли бы максимально просто, но и с максимальной достоверностью избавляться от потока ошибок, заняты наш коллектив и многие тысячи исследователей по всему миру.
– Каким путем к искомому результату идете вы?
– Наш коллектив занимается развитием метода многопорогового декодирования, предложенного известным российским ученым и моим научным консультантом Валерием Владимировичем Золотаревым.
Результаты проведенных исследований показывают, что в тех случаях, когда во внимание принимается каждый информационный символ, методами многопорогового декодирования выполняется в десятки раз меньшее число операций, чем другими известными способами. При сравнении берутся сопоставимые энергетические выигрыши. Разработанные нами алгоритмы позволяют работать даже при уровне шума, который всего на 1-1,5 децибела больше пропускной способности канала.
Стоит отметить еще одно очень важное направление наших исследований в области многопорогового декодирования – это символьные декодеры, которые в отличие от двоичных декодеров позволяют исправлять ошибки в передаваемых данных на уровне символов, например байтов. Подобные символьные многопороговые декодеры удобно применять в системах хранения больших объемов информации, таких как оптические диски и некоторые другие носители данных. В таких системах и по сей день все еще используются предложенные более 50 лет назад коды Рида – Соломона. Беда в том, что сложность их декодирования пропорциональна квадрату длины кода. Поэтому применять в реальных системах можно только короткие коды, обладающие не очень высокой эффективностью. А разработанные нами символьные декодеры на много порядков лучше кодов Рида – Соломона по вероятности ошибки, и в то же время заметно проще процесс декодирования.
– Какие успехи в этом деле у тех, кто занимается схожими проблемами в нашей стране и за рубежом?
– В России несколько научных групп, ведущих разработку и исследование разных методов коррекции ошибок, добились в этой области определенных успехов. Помехоустойчивым кодированием активно занимаются специалисты Института проблем передачи информации им. А.А.Харкевича РАН, Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, Юго-Западного государственного университета и некоторые другие организации. В области многопорогового декодирования работы ведутся только в Рязанском государственном радиотехническом университете и в Институте космических исследований РАН.
За рубежом основное внимание уделяется так называемым турбо- и низкоплотностным кодам, методы декодирования которых позволяют обеспечить исправление ошибок при очень высоком уровне шума. Например, с помощью низкоплотностных кодов длиной около 10 миллионов битов теоретически можно работать при уровне шума, почти совпадающем с пропускной способностью канала. Но, к сожалению, в реальных условиях при таком шуме эти методы очень сложно использовать, так что их практическое применение в высокоскоростных системах передачи и хранения данных под вопросом. Поэтому идеи многопорогового декодирования начали развиваться и за рубежом. В частности, специалисты Технологического университета Нагаоки (Япония) и Технического университета Читтагонга (Бангладеш) выполнили ряд исследований в этом направлении. В основном, их результаты такие же, как и те, что были получены нами ранее, и пока существенно уступают нашим лучшим достижениям по обеспечиваемому энергетическому выигрышу. Но скорость их развития в этой области впечатляет.
– В каком направлении вы сейчас работаете, с кем сотрудничаете и где используются ваши достижения?
– Несмотря на хорошую корректирующую способность, обеспечиваемую исходным многопороговым декодером, мы ищем способы возможного повышения его эффективности, чтобы при сохранении многократного преимущества в простоте реализации приблизиться по энергетическому выигрышу к лучшим зарубежным методам. Именно этим мы занимаемся в рамках гранта Президента РФ по поддержке молодых ученых.
Работы ведутся по целому ряду направлений. К ним относится выбор кодов, допускающих более эффективное декодирование в условиях большого шума, оптимизация сотен параметров декодера, которые позволят лучше декодировать применяемые коды, создание новых схем коррекции ошибок, в том числе каскадных, поиск более эффективных алгоритмов. Наши разработки уже помогли улучшить энергетический выигрыш исходного алгоритма на 0,5 децибела в гауссовском канале и даже больше, что позволило почти сравняться с лучшими мировыми достижениями коррекции ошибок. Все полученные нами результаты публикуются на специализированных сайтах: www.mtdbest.ru (РГРТУ) и www.iki.rssi.ru (ИКИ РАН).
За время существования нашего коллектива мы вели работы с рядом предприятий. Например, многопороговые декодеры реализованы и проверены в аппаратуре космической связи в Научно-исследовательском институте радио (там только за 20 лет создано 5 поколений декодеров), в Воронежском НИИ связи. Одна из последних моделей многопороговых декодеров была разработана в ИКИ РАН и применена на программируемой логической интегральной схеме Altera Stratix EP1S20 (на нижнем снимке).
Создание этого декодера – очередной важнейший этап в развитии многопороговых декодеров, его можно считать представителем их шестого поколения. Он позволяет получить хорошие энергетические характеристики декодирования при высоком уровне шума на информационной скорости более 1 Гбит/с при исключительно малой аппаратной сложности. Это чрезвычайно ценно для систем дистанционного зондирования Земли и для всех новых систем микро- и наноспутников. Его планируется применять в ряде проектов ИКИ РАН. Интерес к многопороговым декодерам проявляет и наша промышленность. В частности, мы активно сотрудничаем с Научно-производственным предприятием “Этра-Плюс”, занимающимся выпуском спутниковых модемов.

Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации предоставлены Г.Овечкиным

Нет комментариев