Прямая коррекция ошибок характеристика

Поскольку требования к полосе пропускания увеличиваются, а допуск на ошибки и задержку уменьшаются, разработчики систем передачи данных искали новые способы расширения доступной полосы пропускания и повышения качества передачи. Одно из решений на самом деле не ново, но оказалось весьма полезным. Это называется прямым исправлением ошибок (FEC), в течение многих лет этот метод использовался для обеспечения эффективной высококачественной передачи данных по шумным каналам. Сегодня с увеличением пропускной способности передачи данных и увеличением расстояния, давайте узнаем больше о методике FEC в оптических сетях.

Что такое FEC?

Прямая коррекция ошибок (FEC) — это метод цифровой обработки сигналов, используемый для повышения надежности данных. Это делается путем введения избыточных данных, называемых кодом с исправлением ошибок, перед передачей или хранением данных. FEC предоставляет приемнику возможность исправления ошибок без обратного канала для запроса повторной передачи данных. Как мы знаем, иногда оптические сигналы могут ухудшаться из-за некоторых факторов во время передачи, что может привести к неправильной оценке на стороне приемника, возможно, принятию сигнала «1» за сигнал «0» или сигнала «0» за сигнал «1». Если количество ошибок при передаче находится в пределах корректирующей способности (прерывистые ошибки), канальный декодер обнаружит и исправит ложные “0” или “1” для улучшения качества сигнала.

Рисунок 1. Принцип работы FEC

Развитие прямого исправления ошибок в оптической связи можно разделить на три поколения. FEC первого поколения представляет собой первое, которое будет успешно использоваться в подводных системах и наземных системах. По мере развития систем WDM в коммерческих системах был установлен более мощный FEC второго поколения. Появление FEC третьего поколения открыло новые перспективы для следующего поколения систем оптической связи.

Каковы типы и особенности FEC?

Типы

В настоящее время практические технологии FEC для SDH (синхронная цифровая иерархия) и DWDM (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) в основном следующие:

In-band FEC. In-band FEC поддерживается стандартом ITU-T G.707. Контролируемые символы кода FEC загружаются с использованием части служебных байтов в кадре SDH. Усиление кодирования невелико (3-4 дБ).Внеполосный FEC. Внеполосный FEC поддерживается стандартом ITU-T G.975/709.

Out-of-band FEC обладает большой избыточностью кодирования, возможностью исправления ошибок, высокой гибкостью и высоким коэффициентом усиления кодирования (5-6 дБ).

Enhanced FEC (EFEC). Enhanced FEC в основном используется в системах оптической связи, где требования к задержке не являются строгими, а требования по усилению кодирования особенно высоки. Хотя процесс кодирования и декодирования EFEC является более сложным и менее применимым в настоящее время, благодаря его преимуществам в производительности, он превратится в практическую технологию и станет основным направлением следующего поколения out-of-band FEC.

Характеристики

FEC уменьшает количество ошибок передачи, расширяет рабочий диапазон и снижает требования к питанию для систем связи. FEC также увеличивает эффективную пропускную способность системы, даже с дополнительными контрольными битами, добавленными к битам данных, устраняя необходимость повторной передачи данных, искаженных случайным шумом.

FEC самостоятельно повышает достоверность данных на приемнике. В рамках системного контекста FEC становится технологией, которую разработчик системы может использовать несколькими способами. Наиболее очевидным преимуществом использования FEC является использование систем с ограниченной мощностью. Однако посредством использования сигнализации более высокого порядка ограничения полосы пропускания также могут быть устранены. Во многих беспроводных системах допустимая мощность передатчика ограничена. Эти ограничения могут быть вызваны соблюдением стандарта или практическими соображениями. FEC позволяет передавать с гораздо более высокими скоростями передачи данных, если доступна дополнительная полоса пропускания.

Применение FEC в 100G сетях

В контексте оптоволоконных сетей FEC используется для определения оптического SNR (OSNR) — одного из ключевых параметров, определяющих, как далеко может пройти длина волны, прежде чем она нуждается в регенерации. FEC особенно важен при скоростях высокоскоростной передачи данных, где требуются усовершенствованные схемы модуляции, чтобы минимизировать дисперсию и соответствие сигнала с частотной сеткой. Без включения FEC транспорт 100G был бы ограничен чрезвычайно короткими расстояниями. Для реализации передачи на большие расстояния (> 2500 км) усиление системы должно быть дополнительно улучшено примерно на 2 дБ. Переход FEC с жесткого решения на мягкое решение восполняет этот пробел в производительности.

Поскольку стремление к все более высоким скоростям передачи продолжается, схемы прямого исправления ошибок (SD-FEC) становятся все более популярными. Хотя для этого может потребоваться около 20% байтов — почти в три раза больше, чем в исходной схеме кодирования RS — выгоды, которые они получают в контексте высокоскоростных сетей, значительны. Например, FEC, который приводит к усилению от 1 до 2 дБ в сети 100G, означает увеличение охвата на 20-40%.

Замечания для FEC в сетях 100G

Что следует учитывать при настройке FEC в 100G сетях? Предлагается обратить внимание на следующие советы.

Метод реализации

Некоторые специальные модули имеют свои собственные функции FEC, такие как FS 100G CFP конвертеры интерфейсов. В то время как 100G QSFP28 оптический модуль в основном полагается на конфигурацию функции FEC на устройстве для реализации исправления ошибок, таких как 100G коммутаторы.

Поддерживает ли коммутатор FEC

Конфигурирование FEC на 100G коммутаторах может быть достигнуто только в том случае, если коммутатор поддерживает его, и не все коммутаторы поддерживают это. В то время как все 100G коммутаторы поддерживают FEC, предоставляемые FS.

Таблица 1. Технические характеристики FS 100G коммутаторов

Внимание: для FS 100G коммутаторов функция FEC включена по умолчанию. Если требуется включить его после выключения, можно настроить команду FEC.

Включить ли FEC на QSFP28 100G модулях

Функция FEC — это не просто преимущество, процесс исправления кода ошибки неизбежно приведет к некоторой задержке пакета данных. Поэтому не все QSFP28 100G модули нуждаются в этом. Согласно стандартному протоколу IEEE не рекомендуется включать FEC при использовании QSFP28-LR4-100G модулей, за исключением того, что рекомендуется включать его. Поскольку технология QSFP28 100G модулей варьируется от компании к компании, поэтому ситуация не совсем одинакова. В следующей таблице объясняется, рекомендуется ли включать FEC при использовании FS 100G QSFP28 модулей.

Таблица 2. Технические характеристики FS 100G QSFP28 модулей

Согласованность функций FEC на обоих концах канала

Функция FEC порта является частью автосогласования. Когда автоматическое согласование порта включено, функция FEC определяется согласованием на обоих концах канала. Если функция FEC включена на одном конце, другой конец должен также включить ее, в противном случае порт не работает.

Стекирование & FEC

Настройка команды FEC не поддерживается, если порт уже настроен как физически стековый порт.Наоборот, порты, которые были настроены с помощью команд FEC, не поддерживают настройку в качестве физического стекового члена.

Заключение

FEC стал критически важной в волоконно-оптической связи, так как магистральные сети увеличиваются в скорости до 40 и 100G, особенно в условиях плохой связи оптического сигнала с шумом. Такие среды становятся более распространенными в высокоскоростных средах, поскольку в сетях используется больше оптических усилителей. Со всеми этими событиями, FEC будет продолжать играть роль в будущих сетях. Для обеспечения нормальной работы сети рекомендуется обратить особое внимание на функцию FEC на оптических модулях, которая поможет вам повысить производительность при передаче данных.

Прямая коррекция ошибок (FEC) это метод, который использовался в течении нескольких лет в подводных оптоволоконных системах, проложенных по морскому дну. Этот метод позволяет с почти идеальной точностью передать данные, даже если передача осуществляется по каналу с большим количеством шумов. В настоящее время используется несколько алгоритмов FEC, таких как код Хэмминга, кода Рида-Соломона и код БЧХ.

В качестве примера, рассмотрим работу вашего мобильного телефона в условиях слабого сигнала сотовой сети. Допустим, вы хотели сказать человеку на другом конце линии некую последовательность чисел. Есть несколько методов, которые можно использовать для повышения точности. Предположим, что список чисел, которые вы хотите передать, это 7, 3, 8, 10, 12 и 21. Одним из способов может быть повтор списка чисел два раза. Запишите каждый список и сравните их, если они совпадают, передача данных, вероятно, корректна. Основным недостатком такого метода является то, что, поскольку данные передаются дважды, пропускная способность системы делится пополам и, если списки не совпадают, у вас не будет ни малейшего представления, который из них верный. Используя этот метод, для того, чтобы убедиться в хорошем качестве передачи и исправить некоторые ошибки, вам придется отправить данные три раза и проверить, что два из трех списков полностью совпадают. Второй способ будет выглядеть примерно так: в первую очередь, вы будете отправлять количество чисел, которые необходимо принять, затем саму последовательно, и в конце последует передача числа, являющегося суммой последовательности. Передаваемое сообщение при этом примет следующий вид: 6, 7, 3, 8, 10, 12, 21, и 67. Человек, принимающий сообщение, будет смотреть на первое число, чтобы затем убедится, что будет получено правильное количество чисел в сообщении, а затем проверит, что число в конце последовательности, действительно является суммой переданных чисел. Этот метод требует отправки значительно меньшего количества дополнительных данных. Если любое полученное число неверно или пропущено, то число контрольной суммы в конце передачи не будет соответствовать сумме, передаваемых чисел. Показанные выше методы представляют собой примеры кода обнаружения ошибок. Они позволяют определить, была ли передача точной, но не позволяют исправлять ошибки.

Примечание: Термин «Forward» в аббревиатуре FEC означает, что исправление ошибок осуществляется путем передачи некоторой информации вместе с передачей данных.

Код исправления ошибок считаются более сложными, в сравнении с кодом обнаружения ошибок и используются почти в каждом современном коммуникационном приложении. Также, коды исправления ошибок нашли широкое применение в CD и DVD проигрывателях. Для того, чтобы привести пример кода исправления ошибок, нужно ввести и объяснить два термина: двоичность и чётность. В предыдущих примерах кода обнаружения ошибок, мы использовали такие числа, как 7, 3, 8, и т.д. Это базовые числа системы исчисления, знакомой нам в повседневной жизни. Двоичные числа в основе имеют два числа, которые могут иметь только два возможных значения – 0 или 1. Бинарная система используется почти во всех коммуникационных и компьютерных системах. Второе определение, которое необходимо разобрать, называется четность. Чётность — термин, который используется в двоичных системах связи, чтобы указать, является ли число единиц в передаче четным или же нет. Если число единиц является четным, то чётность совпадает и наоборот.

Код Хэмминга

Рассмотрим сообщение, имеющее четыре бита данных (D), которое должно быть передано в 7-битной кодировке с добавлением трёх битов данных для поиска и устранения ошибок. Этот код будет называться (7, 4). Это означает, что общая длина кода составляет семь битов, но только четыре из них на самом деле данные. Три добавленных бита — это три бита проверки на четность (Р), где чётность каждого вычисляется в разных группах битов сообщения, как показано на рисунке 1.

Например, сообщение 1011 будут направлено, как 1010101, как показано на рисунке 2.

Можно заметить, что в случае возникновения ошибки в любом из семи битов, эта ошибка оказывает влияние на различные комбинации трех битов четности в зависимости от битовой позиции.

Например, предположим, что вышеупомянутое сообщение 1010101 передаётся и возникает один бит ошибки, так что получено кодовое слово 1110101:

Передача                          Приём

Сообщение                       Сообщение

1 0 1 0 1 0 1 ————> 1 1 1 0 1 0 1

Эта ошибка может быть исправлена путем определения, какой из трех битов четности пострадал, как показано на рисунке ниже:

Характер ошибок четности битов указывает, какой бит в кодовом слове с ошибкой, таким образом, он может быть исправлен.

Основные функции кода Хэмминга можно резюмировать:

• Обнаружение 2-битовых ошибок (при условии отсутствия ошибок корректировка не выполняется)
• Коррекция единичных ошибочных битов
• 3 проверочных бита добавляется к 4-битовому сообщению

Способность корректировать одиночные ошибочные биты приводит к снижению себестоимости передачи, которая получается меньше, чем в случае отправки сообщения дважды целиком. (Напомним, что, просто отправив сообщение дважды коррекция ошибок не выполняется.) К тому же, при увеличении размера кодового слова, дополнительная нагрузка исправления ошибочных битов уменьшается. Например, одним из возможных вариантов кода Хэмминга для передачи по морским подводным оптоволоконным системам является код (18880, 18865). Это означает, что кодовое слово 18880 в действительности содержит 18,865 бит данных и 15 бит коррекции ошибок. Более надежные методы прямой коррекции ошибок (FEC) могут содержать гораздо больше битов коррекции ошибок, так что несколько ошибочных битов могут быть обнаружены и исправлены в каждом кодовом слове.

Существует метод прямой коррекции ошибок (FEC), аналогичный коду Хемминга. Как правило, в системах с оптической несущей ОС-192, накладывается около 7% дополнительной нагрузки на систему за счёт процесса коррекции ошибок (FEC). Допустим, базовая скорость передачи данных 10 Гбит/с, с учётом дополнительной нагрузки будет увеличена до 10,7 Гбит/с. Таким образом, с каждой 1000 бит передаваемых данных, отправляется ещё 70 бит коррекции ошибок, чтобы позволить провести проверку целостности полученных данных и исправить ошибки, которые могут возникнуть при передаче по оптическому каналу связи. На рисунке 4 показано влияние прямой коррекции (FEC) на системный коэффициент ошибочных битов (BER). Этот коэффициент является показателем числа ошибок в битах, деленное на общее число переданных битов в исследуемом временном интервале. BER 10-3 означает, что один из каждых 1000 бит будет передан некорректно. Синий график наглядно отображает количество передаваемых данных, если система не имеет FEC. Входной коэффициент BER (input BER) – это показатель ошибок, возникающих в канале передачи. Пока в системе отсутствует FEC, любые ошибки, которые происходят во время передачи появляются на выходе системы. Фиолетовый график показывает, что может произойти, если в системе используется FEC. В отсутствии FEC в системе входной коэффициент BER 10-6 даст аналогичное значение выходного BER 10-6, а в случае использования данной технологии происходит значительное улучшение выходной величины BER 10-14 (output BER).

Таким образом, интеграция прямой коррекции ошибок в систему позволяет разработчику увеличивать расстояние и скорости передачи данных значительнее, чем при использовании любой другой технологии, а также увеличит срок службы системы.

Forward Error Correction (FEC) is a technique used to minimize errors in data transmission over communication channels. In real-time multimedia transmission, re-transmission of corrupted and lost packets is not useful because it creates an unacceptable delay in reproducing : one needs to wait until the lost or corrupted packet is resent. Thus, there must be some technique which could correct the error or reproduce the packet immediately and give the receiver the ability to correct errors without needing a reverse channel to request re-transmission of data. There are various FEC techniques designed for this purpose.

These are as follows :

1. Using Hamming Distance :
For error correction, the minimum hamming distance required to correct t errors is:

For example, if 20 errors are to be corrected then the minimum hamming distance has to be 2*20+1= 41 bits. This means, lots of redundant bits need to be sent with the data. This technique is very rarely used as we have large amount of data to be sent over the networks, and such a high redundancy cannot be afforded most of the time.

2. Using XOR :
The exclusive OR technique is quite useful as the data items can be recreated by this technique. The XOR property is used as follows –

If the XOR property is applied on N data items, we can recreate any of the data items P₁ to P_N by exclusive-Oring all of the items, replacing the one to be created by the result of the previous operation(R). In this technique, a packet is divided into N chunks, and then the exclusive OR of all the chunks is created and then, N+1 chunks are sent. If any chunk is lost or corrupted, it can be recreated at the receiver side.

Practically, if N=4, it means that 25 percent extra data has to be sent and the data can be corrected if only one out of the four chunks is lost.

3. Chunk Interleaving :
In this technique, each data packet is divided into chunks. The data is then created chunk by chunk(horizontally) but the chunks are combined into packets vertically. This is done because by doing so, each packet sent carries a chunk from several original packets. If the packet is lost, we miss only one chunk in each packet, which is normally acceptable in multimedia communication. Some small chunks are allowed to be missing at the receiver. One chunk can be afforded to be missing in each packet as all the chunks from the same packet cannot be allowed to miss.

Forward Error Correction (FEC) is a technique used to minimize errors in data transmission over communication channels. In real-time multimedia transmission, re-transmission of corrupted and lost packets is not useful because it creates an unacceptable delay in reproducing : one needs to wait until the lost or corrupted packet is resent. Thus, there must be some technique which could correct the error or reproduce the packet immediately and give the receiver the ability to correct errors without needing a reverse channel to request re-transmission of data. There are various FEC techniques designed for this purpose.

These are as follows :

1. Using Hamming Distance :
For error correction, the minimum hamming distance required to correct t errors is:

For example, if 20 errors are to be corrected then the minimum hamming distance has to be 2*20+1= 41 bits. This means, lots of redundant bits need to be sent with the data. This technique is very rarely used as we have large amount of data to be sent over the networks, and such a high redundancy cannot be afforded most of the time.

2. Using XOR :
The exclusive OR technique is quite useful as the data items can be recreated by this technique. The XOR property is used as follows –

If the XOR property is applied on N data items, we can recreate any of the data items P₁ to P_N by exclusive-Oring all of the items, replacing the one to be created by the result of the previous operation(R). In this technique, a packet is divided into N chunks, and then the exclusive OR of all the chunks is created and then, N+1 chunks are sent. If any chunk is lost or corrupted, it can be recreated at the receiver side.

Practically, if N=4, it means that 25 percent extra data has to be sent and the data can be corrected if only one out of the four chunks is lost.

3. Chunk Interleaving :
In this technique, each data packet is divided into chunks. The data is then created chunk by chunk(horizontally) but the chunks are combined into packets vertically. This is done because by doing so, each packet sent carries a chunk from several original packets. If the packet is lost, we miss only one chunk in each packet, which is normally acceptable in multimedia communication. Some small chunks are allowed to be missing at the receiver. One chunk can be afforded to be missing in each packet as all the chunks from the same packet cannot be allowed to miss.

Прямая коррекция ошибок (англ. Forward Error Correction, FEC, помехоустойчивое кодирование) — техника кодирования/декодирования, позволяющая исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлена первоначальное содержание посылки. На практике широко используется в компьютерных ЛВС, LAN и различных телекоммуникационных сетях. Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.

В спутниковом телевидении при передаче цифрового сигнала, к примеру, с FEC 7/8, будет передаваться восемь бита информации: 7 бит полезной информации и 1 контрольный бит.^[1]

На практике в DVB-S используется всего 5 видов:

• 1/2
• 2/3
• 3/4 (наиболее популярен)
• 5/6
• 7/8

При прочих равных условиях, можно утверждать, что чем выше значение FEC, тем меньше пакетов допустимо потерять, и, следовательно, выше требуемое качество сигнала.

См. также

• ECC

Литература

• Clark, George C., Jr., and J. Bibb Cain. Error-Correction Coding for Digital Communications. New York: Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40615-2.
• Lin, Shu, and Daniel J. Costello, Jr. «Error Control Coding: Fundamentals and Applications». Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1983. ISBN 0-13-283796-X.
• Mackenzie, Dana. «Communication speed nears terminal velocity». New Scientist 187.2507 (9 июля 2005): 38-41. ISSN 0262-4079.
• Wicker, Stephen B. Error Control Systems for Digital Communication and Storage. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1995. ISBN 0-13-200809-2.
• Wilson, Stephen G. Digital Modulation and Coding, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1996. ISBN 0-13-210071-1.
• United States Patent 6041001 «Method of increasing data reliability of a flash memory device without compromising compatibility»
• United States Patent 7187583 «Method for reducing data error when flash memory storage device using copy back command»

Примечания

Ссылки

• Forward Error-Correction Coding. Статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation (Volume 3, Number 1 (Winter 2001/2002)). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009.  (англ.)
• How Forward Error-Correcting Codes Work. Еще одна статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation. Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009.  (англ.)
• Morelos-Zaragoza, Robert The Error Correcting Codes (ECC) Page (2004). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009.  (англ.)

1. Методы коррекции ошибок

Техника
кодирования,
которая
позволяет
приемнику
не только
понять,
что
присланные
данные
содержат
ошибки, но
и исправить
их, называется
прямой
коррекцией
ошибок (Forward Error Correction, FEC).
Коды,
которые
обеспечивают
прямую
коррекцию
ошибок,
требуют
введения
большей
избыточности
в
передаваемые
данные,
чем
коды,
которые
только
обнаруживают
ошибки.

При
применении
любого
избыточного
кода не
все
комбинации
кодов являются разрешенными.
Например,
контроль по паритету
делает
разрешенными
только
половину кодов. Если мы
контролируем
три
информационных
бита,
то разрешенными 4-битными кодами
с дополнением
до нечетного
количества
единиц
будут:
000
1,
001
0,
010
0,
011
1,
100
0,
101
1,
110
1,
111
0,
то
есть
всего
8
кодов
из
16
возможных.

Для
того
чтобы
оценить
количество
дополнительных
битов,
требуемых
для
исправления
ошибок,
нужно
знать так
называемое
расстояние
Хемминга
между
разрешенными
комбинациями
кода.
Расстоянием
Хемминга
называется
минимальное
число
битовых
разрядов,
в
которых
отличается
любая
пара
разрешенных
кодов.
Для схем
контроля
по паритету
расстояние
Хемминга
равно
2.

Можно
доказать,
что
если мы
сконструировали
избыточный
код
с
расстоянием
Хемминга,
равным
n,
то
такой
код
будет
в
состоянии
распознавать
(n-
1)-кратные
ошибки и
исправлять (n-1)/2-кратные
ошибки.
Так
как коды
с
контролем
по паритету
имеют
расстояние
Хемминга,
равное
2,
то
они
могут
только
обнаруживать
однократные
ошибки и
не могут
исправлять
ошибки.

Коды
Хемминга
эффективно
обнаруживают
и
исправляют
изолированные
ошибки,
то есть отдельные
искаженные
биты,
которые
разделены
большим
количеством
корректных битов. Однако при появлении
длинной последовательности искаженных
битов (пульсации
ошибок)
коды Хемминга
не
работают.

Наиболее
часто
в современных
системах
связи применяется тип кодирования,
реализуемый
сверточным
кодирующим
устройством
(Сonvolutional
coder),
потому
что такое
кодирование
может быть
довольно
просто
реализовано
аппаратно
с
использованием
линий задержки
(delay)
и сумматоров.
В
отличие
от
рассмотренного
выше
кода,
который относится
к
блочным
кодам
без памяти,
сверточпый
код
относится
к
кодам
с
конечной
памятью (Finite memory
code);
это
означает,
что выходная
последовательность кодера является
функцией
не только
текущего
входного
сигнала,
но также
нескольких
из числа
последних предшествующих
битов.
Длина
кодового
ограничения
(Constraint
length of a code) показывает,
как
много
выходных
элементов
выходит
из системы
в пересчете
на
один
входной.
Коды
часто
характеризуются
их
эффективной
степенью
(или
коэффициентом)
кодирования (Code rate).
Вам
может встретиться
сверточный
код с коэффициентом кодирования
1/2.
Этот
коэффициент
указывает,
что
на
каждый
входной
бит
приходятся
два
выходных.

_При
сравнении
кодов
обращайте
внимание
на
то,
что,
хотя
коды
с
более
_{высокой
эффективной
степенью
кодирования
позволяют
передавать
данные
с более высокой
скоростью,
они
соответственно
более
чувствительны
к
шуму.
В беспроводных
системах
с блочными
кодами
широко
используется
метод
чередования
блоков.
Преимущество
чередования
состоит
в том,
что приемник
распределяет
пакет ошибок, исказивший некоторую
последовательность
битов, по} большому
числу
блоков,
благодаря
чему
становится
возможным
исправление
ошибок.
Чередование
выполняется
с
помощью
чтения
и
записи
данных
в
различном
порядке.
Если
во
время
передачи
пакет
помех
воздействует
на
некоторую
последовательность
битов,
то все
эти
биты
оказываются
разнесенными
по
различным
блокам.
Следовательно,
от
любой
_{контрольной
последовательности
требуется
возможность
исправления
лишь
небольшой
части
от
общего
количества
инвертированных
битов.}

Соседние файлы в папке Методические материалы

• #
• #
• #
• #

  16.03.2016785.94 Кб14605 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.1.1_СОС.ppsx

• #

  16.03.2016842.38 Кб11505 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.1.2_СОС.ppsx

• #

  16.03.2016244.08 Кб10005 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.1.3_СОС.ppsx

• #

  16.03.2016237.31 Кб9105 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.2.1_СОС.ppsx

• #

  16.03.2016297.49 Кб9105 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.2.2_СОС.ppsx

Кодирование и защита от ошибок

Существует три наиболее распространенных орудия борьбы с ошибками в процессе передачи данных:

• коды обнаружения ошибок;
• коды с коррекцией ошибок, называемые также схемами прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction — FEC);
• протоколы с автоматическим запросом повторной передачи (Automatic Repeat Request — ARQ).

Код обнаружения ошибок позволяет довольно легко установить наличие ошибки. Как правило, подобные коды используются совместно с определенными протоколами канального или транспортного уровней, имеющими схему ARQ. В схеме ARQ приемник попросту отклоняет блок данных, в котором была обнаружена ошибка, после чего передатчик передает этот блок повторно. Коды с прямой коррекцией ошибок позволяют не только обнаружить ошибки, но и исправить их, не прибегая к повторной передаче. Схемы FEC часто используются в беспроводной передаче, где повторная передача крайне неэффективна, а уровень ошибок довольно высок.

1) Методы обнаружения ошибок

Методы обнаружения ошибок основаны на передаче в составе блока данных избыточной служебной информации, по которой можно судить с некоторой степенью вероятности о достоверности принятых данных.

Избыточную служебную информацию принято называть контрольной суммой, или контрольной последовательностью кадра (Frame Check Sequence, FCS). Контрольная сумма вычисляется как функция от основной информации, причем не обязательно путем суммирования. Принимающая сторона повторно вычисляет контрольную сумму кадра по известному алгоритму и в случае ее совпадения с контрольной суммой, вычисленной передающей стороной, делает вывод о том, что данные были переданы через сеть корректно. Рассмотрим несколько распространенных алгоритмов вычисления контрольной суммы, отличающихся вычислительной сложностью и способностью обнаруживать ошибки в данных.

Контроль по паритету представляет собой наиболее простой метод контроля данных. В то же время это наименее мощный алгоритм контроля, так как с его помощью можно обнаружить только одиночные ошибки в проверяемых данных. Метод заключается в суммировании по модулю 2 всех битов контролируемой информации. Нетрудно заметить, что для информации, состоящей из нечетного числа единиц, контрольная сумма всегда равна 1, а при четном числе единиц — 0. Например, для данных 100101011 результатом контрольного суммирования будет значение 1. Результат суммирования также представляет собой один дополнительный бит данных, который пересылается вместе с контролируемой информацией. При искажении в процессе пересылки любого бита исходных данных (или контрольного разряда) результат суммирования будет отличаться от принятого контрольного разряда, что говорит об ошибке.
Однако двойная ошибка, например 110101010, будет неверно принята за корректные данные. Поэтому контроль по паритету применяется к небольшим порциям данных, как правило, к каждому байту, что дает коэффициент избыточности для этого метода 1/8. Метод редко применяется в компьютерных сетях из-за значительной избыточности и невысоких диагностических способностей.

Вертикальный и горизонтальный контроль по паритету представляет собой модификацию описанного выше метода. Его отличие состоит в том, что исходные данные рассматриваются в виде матрицы, строки которой составляют байты данных. Контрольный разряд подсчитывается отдельно для каждой строки и для каждого столбца матрицы. Этот метод обнаруживает значительную часть двойных ошибок, однако обладает еще большей избыточностью. Он сейчас также почти не применяется при передаче информации по сети.

Циклический избыточный контроль (Cyclic Redundancy Check — CRC) является в настоящее время наиболее популярным методом контроля в вычислительных сетях (и не только в сетях; в частности, этот метод широко применяется при записи данных на гибкие и жесткие диски). Метод основан на рассмотрении исходных данных в виде одного многоразрядного двоичного числа. Например, кадр стандарта Ethernet, состоящий из 1024 байт, будет рассматриваться как одно число, состоящее из 8192 бит. Контрольной информацией считается остаток от деления этого числа на известный делитель R. Обычно в качестве делителя выбирается семнадцати- или тридцатитрехразрядное число, чтобы остаток от деления имел длину 16 разрядов (2 байт) или 32 разряда (4 байт). При получении кадра данных снова вычисляется остаток от деления на тот же делитель R, но при этом к данным кадра добавляется и содержащаяся в нем контрольная сумма.
Если остаток от деления на R равен нулю, то делается вывод об отсутствии ошибок в полученном кадре, в противном случае кадр считается искаженным.

Этот метод обладает более высокой вычислительной сложностью, но его диагностические возможности гораздо шире, чем у методов контроля по паритету. Метод CRC обнаруживает все одиночные ошибки, двойные ошибки и ошибки в нечетном числе битов. Метод также обладает невысокой степенью избыточности. Например, для кадра Ethernet размером 1024 байта контрольная информация длиной 4 байта составляет только 0,4 %.

2) Методы коррекции ошибок

Техника кодирования, которая позволяет приемнику не только понять, что присланные данные содержат ошибки, но и исправить их, называется прямой коррекцией ошибок (Forward Error Correction — FEC). Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.

При применении любого избыточного кода не все комбинации кодов являются разрешенными. Например, контроль по паритету делает разрешенными только половину кодов. Если мы контролируем три информационных бита, то разрешенными 4-битными кодами с дополнением до нечетного количества единиц будут:

000 1, 001 0, 010 0, 011 1, 100 0, 101 1, 110 1, 111 0, то есть всего 8 кодов из 16 возможных.

Для того чтобы оценить количество дополнительных битов, необходимых для исправления ошибок, нужно знать так называемое расстояние Хемминга между разрешенными комбинациями кода. Расстоянием Хемминга называется минимальное число битовых разрядов, в которых отличается любая пара разрешенных кодов. Для схем контроля по паритету расстояние Хемминга равно 2.

Можно доказать, что если мы сконструировали избыточный код с расстоянием Хемминга, равным n, такой код будет в состоянии распознавать (n-1) -кратные ошибки и исправлять (n-1)/2 -кратные ошибки. Так как коды с контролем по паритету имеют расстояние Хемминга, равное 2, они могут только обнаруживать однократные ошибки и не могут исправлять ошибки.

Коды Хемминга эффективно обнаруживают и исправляют изолированные ошибки, то есть отдельные искаженные биты, которые разделены большим количеством корректных битов. Однако при появлении длинной последовательности искаженных битов (пульсации ошибок) коды Хемминга не работают.

Наиболее часто в современных системах связи применяется тип кодирования, реализуемый сверхточным кодирующим устройством (Сonvolutional coder), потому что такое кодирование несложно реализовать аппаратно с использованием линий задержки (delay) и сумматоров. В отличие от рассмотренного выше кода, который относится к блочным кодам без памяти, сверточный код относится к кодам с конечной памятью (Finite memory code); это означает, что выходная последовательность кодера является функцией не только текущего входного сигнала, но также нескольких из числа последних предшествующих битов. Длина кодового ограничения (Constraint length of a code) показывает, как много выходных элементов выходит из системы в пересчете на один входной. Коды часто характеризуются их эффективной степенью (или коэффициентом) кодирования (Code rate). Вам может встретиться сверточный код с коэффициентом кодирования 1/2.
Этот коэффициент указывает, что на каждый входной бит приходится два выходных. При сравнении кодов обращайте внимание на то, что, хотя коды с более высокой эффективной степенью кодирования позволяют передавать данные с более высокой скоростью, они, соответственно, более чувствительны к шуму.

В беспроводных системах с блочными кодами широко используется метод чередования блоков. Преимущество чередования состоит в том, что приемник распределяет пакет ошибок, исказивший некоторую последовательность битов, по большому числу блоков, благодаря чему становится возможным исправление ошибок. Чередование выполняется с помощью чтения и записи данных в различном порядке. Если во время передачи пакет помех воздействует на некоторую последовательность битов, то все эти биты оказываются разнесенными по различным блокам. Следовательно, от любой контрольной последовательности требуется возможность исправить лишь небольшую часть от общего количества инвертированных битов.

3) Методы автоматического запроса повторной передачи

В простейшем случае защита от ошибок заключается только в их обнаружении. Система должна предупредить передатчик об обнаружении ошибки и необходимости повторной передачи. Такие процедуры защиты от ошибок известны как методы автоматического запроса повторной передачи (Automatic Repeat Request — ARQ). В беспроводных локальных сетях применяется процедура «запрос ARQ с остановками» (stop-and-wait ARQ).

В этом случае источник, пославший кадр, ожидает получения подтверждения (Acknowledgement — ACK), или, как еще его называют, квитанции, от приемника и только после этого посылает следующий кадр. Если же подтверждение не приходит в течение тайм-аута, то кадр (или подтверждение) считается утерянным и его передача повторяется. На
рис.
1.13 видно, что в этом случае производительность обмена данными ниже потенциально возможной; хотя передатчик и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, он обязан ждать прихода подтверждения.