Материал: Лекция 11

Лекция 11 методы борьбы с ошибками

11.1. Системы с обратной связью

11.2 Формат кадра протоколов с исправлением ошибок

11.3. Методы повторной передачи

11.4 Основные характеристики систем с решающей обратной связью

11.5 Показатели эффективности цифровой системы связи

11.1. Системы с обратной связью

При передаче данных по каналам связи всегда возникают ошибки. Причины их могут быть самые различные, но результат оказывается один — данные искажаются и не могут быть использованы на приемной стороне для дальнейшей обработки. Борьба с возникающими ошибками ведется на разных уровнях семиуровневой модели OSI (в основном на первых четырех). Для борьбы с возникающими ошибками известно много различных способов. Все их можно подразделить на две группы: не использующие обратную связь и использующие ее.

В первом случае на передающей стороне передаваемые данные кодируются одним из известных кодов с исправлением ошибок. На приемной стороне, соответственно, производится декодирование принимаемой информации и исправление обнаруженных ошибок. Исправляющая возможность применяемого кода зависит от числа избыточных битов, генерируемых кодером. Если вносимая избыточность невелика, то есть опасность того, что принимаемые данные будут содержать необнаруженные ошибки, которые могут привести к ошибкам в работе прикладного процесса. Если же использовать код с высокой исправляющей способностью (большой избыточностью), то это приводит к необоснованно низкой реальной скорости передачи данных.

Нередко встречаются случаи, когда информация может пере­даваться не только от одного корреспондента к другому (рис.11.1 а), но и в обратном направлении (рис.11.1.б).

В таких условиях появляется возможность использовать обратный поток информации для существенного по­вышения верности сообщений, переданных в прямом направлении. При этом не исключено, что по обоим каналам (прямому и обрат­ному) в основном непосредственно передаются сообщения в двух направлениях («дуплексная связь») и только часть пропускной способности каждого из каналов используют для передачи допол­нительных данных, предназначенных для повышения верности.

Возможны различные способы использования системы с обрат­ной связью в дискретном канале. Обычно их подразделяют на два типа: системы с информационной обратной связью и системы с управляющей обратной связью.

Системами с информационной обратной связью называются такие, в которых с приемного устройства на передающее поступает информация о том, в каком виде принято сообщение. На основании этой информации передающее устройство может вносить те или иные изменения в процесс передачи сообщения: например, повторить ошибочно принятые от­резки сообщения, изменить применяемый код (передав предвари­тельно соответствующий условный сигнал и убедившись в том, что он принят) либо вообще прекратить передачу при плохом со­стоянии канала до его улучшения.

В системах с управляющей обратной связью приемное устрой­ство на основании анализа принятого сигнала само принимает ре­шение о необходимости повторения, изменения способа передачи, временного перерыва связи и передает об этом приказание пере­дающему устройству. Возможны и смешанные методы использо­вания обратной связи, когда в некоторых случаях решение при­нимается на приемном устройстве, а в других случаях на переда­ющем устройстве на основании полученной по обратному каналу информации.

Простейшим по идее методом информационной обратной связи является метод полной обратной проверки и повторения (ОПП). В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. При этом принятый сигнал полностью ретранслируется на передающее устройство, где каждая принятая кодовая комбинация сверяется с переданной. В случае их несовпа­дения передающее устройство передает сигнал для стирания неправильно при­нятой комбинации, а затем повторяет нужную комбинацию. В качестве сиг­нала для стирания применяют специальную кодовую комбинацию, не исполь­зуемую при передаче сообщения.

Функциональная схема такой системы показана на рис. 11.2. Передаваемое сообщение, закодированное примитивным кодом, посылают в канал и одно­временно записывают в запоминающем устройстве (накопителе). Принятая ко­довая комбинация сразу не декодируется, а запоминается в приемном накопи­теле и возвращается по обратному каналу на передающую сторону, где она сравнивается с переданной комбинацией. Если они совпадают, то передается .следующая кодовая комбинация, в противном случае — сигнал стирания.

При этом методе окончательный ошибочный прием кодовой комбинации возможен лишь тогда, когда ошибки в принятой комбинации компенсируются ошибками, возникающими в канале обратной связи. Другими словами, для того чтобы некоторый символ в переданной кодовой комбинации был окончательно принят ошибочно, необходимо и достаточно, чтобы, во-первых, произошла ошибка в прямом канале и, во-вторых, при ретрансляции произошла такая ошибка, которая изменит неправильный ретранслируемый символ на действи­тельно переданный. Это позволяет сразу вычислить вероятность необнаружен­ной, а следовательно, и неисправленной ошибки (в расчете на один символ):

, (11.1)

где — вероятность ошибки в прямом канале; — вероятность противополож­ной ошибки в канале обратной связи.

С ледовательно, если и велики, то система с полной ретрансляцией дает неудовлетворительные результаты. Практически данный метод имеет смысл в тех случаях, когда канал обратной связи обеспечивает весьма высокую вер­ность (например, при передаче сообщений на спутник с Земли), а прямой канал имеет низкую верность (например, при передаче сообщений спутника на Землю ввиду того, что мощность передатчика на спутнике мала). Существен­ным недостатком системы с полной ретрансляцией является большая загрузка канала обратной связи. Существуют и более сложные системы с информа­ционной обратной связью, в которых используются помехоустойчивые коды.

Наиболее распространены системы с управляющей обратной связью (УОС) при использовании избыточных кодов для обнару­жения ошибок (рис. 113). Такие системы часто называют систе­мами с переспросом, или с автоматическим запросом ошибок, или с решающей обратной связью (РОС).

В большинстве случаев это системы дуплексные, т.е. инфор­мация в них передается в обоих направлениях. В кодере переда­ваемое сообщение кодируется кодом, позволяющим с большой вероятностью обнаруживать возникающие в канале ошибки. При­нятый кодовый блок декодируется с обнаружением ошибок. Если ошибки не обнаружены, то декодированный отрезок сообщения поступает к получателю. При обнаружении ошибок блок браку­ется и по обратному каналу передается специальный «сигнал пе­респроса». В большинстве систем этот сигнал представляет собой специальную кодовую комбинацию, на время передачи которой прерывается поток информации, идущей по обратному каналу. Прием сигнала переспроса вызывает повторение забракованного блока, который для этого хранится в накопителе-повторителе до тех пор, пока по обратному каналу не будет принята очередная кодовая комбинация, не содержащая переспроса.

В системах с решающей обратной связью применяются процедуры обнаружения ошибок и переспроса также называемые решающей обратной связью или обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения (АЗП, ARQ — Automatic Repeat Request). В этом случае код применяется только в режиме обнаружения ошибок, что позволяет достичь очень низкой вероятности необнаруженной ошибки при незначительном уровне вводимой избыточности.

Для реализации механизма ARQ передаваемые данные организуются в специальные блоки, которые называются кадрами.

11.2 Формат кадра протоколов с исправлением ошибок

Формат кадра зависит от своего функционального назначения, типа протокола и режима передачи. Тем не менее, можно выделить некую обобщенную структуру кадра. Такой кадр содержит два флага (FLAG), поле управления (CONTR), поле информации (INFORM) и контрольную последовательность кадра (FCS — Frame Check Sequense), часто называемую также полем циклического избыточного кода (CRC — Cyclical Redundancy Check):

Рис.11.4 Обобщенная структура кадра

Флаги состоят из уникальной последовательности <01111110> и предназначены для установления и поддержания синхронизации передачи. Флаговая последовательность позволяет приемнику распознать начало и конец принимаемого кадра.

Поле управления содержит команды, ответы, а также порядковые номера, используемые для контроля прохождения данных в канале между приемником и передатчиком. Формат и содержание поля управления могут варьировать в зависимости от конкретного типа кадра конкретного протокола.

Информационное поле содержит данные пользователя или прикладного процесса передаваемые получателю.

Контрольная последовательность кадра используется для обнаружения ошибок передачи между двумя устройствами. Передающее устройство вычисляет FCS и включает его в состав кадра. В свою очередь принимающее DCE производит аналогичные вычисления над принятым кадром и сравнивает полученный результат с полем FCS. Если имеет место совпадение, то считается, что передача прошла без ошибок. В случае несовпадения контрольных последовательностей кадра, считается, что была ошибка. Принимающее устройство посылает подтверждение на повторную передачу кадра.

11.3. Методы повторной передачи (arq)

Возможен ряд вариантов механизма повторной передачи ARQ. Каждый правильно принятый кадр может быть подтвержден отдельным специальным кадром, либо подтверждение может быть вставлено в управляющее поле информационных кадров, переносящих данные в обратном направлении. В последнем случае также должны применяться специальные кадры подтверждения, поскольку информационного кадра в нужный момент может не оказаться.

Существует два вида подтверждения о приеме: положительное (АСК) и отрицательное (NACK или NAK). Но в любом случае во избежание перегрузок должны применяться перерывы. Передающая сторона, не получившая ответа (АСК или NACK) в течение заданного промежутка времени после передачи, повторяет соответствующий кадр. Чтобы организовать процедуру перерывов, кадры должны сохраняться в накопителе передающей стороны до получения подтверждения правильности передачи.

Существует три основные способа обработки ответов на положительные и отрицательные подтверждения:

- Стартстопный, или передача с остановкой и ожиданием (SAW — Stop And Wait), часто называемый блочным методом передачи.

- С возвращением на N кадров (GBN — Go Back N), также называемый потоковым методом передачи.

- Метод выборочного (селективного) повтора (SR — Selective Repeat). Кратко рассмотрим принцип работы перечисленных процедур.

SAW

Согласно этой процедуре без подтверждения может быть передан только один кадр. После передачи очередного кадра передающая сторона ждет подтверждения. Если поступает отрицательное подтверждение или произойдет превышение времени тайм-аута, кадр передается повторно. Кадр сбрасывается (стирается) из накопителя передатчика лишь после получения положительного подтверждения. Временная диаграмма работы процедуры ARQ типа SAW изображена на рис. 11.5.

Данную процедуру удобно использовать при полудуплексной связи, когда передача сторон чередуется. Однако она неэффективна в случае организации полнодуплексной связи, особенно, если время распространения сигнала по каналу значительно больше времени передачи кадра, что типично для спутниковых и ряда других каналов.

Производительность СПД со схемой ARQ типа SAW определяется выражением:

, (11.2)

где — вероятность безошибочной передачи кадра из бит; — скорость передачи, выраженная в бит/с; — средняя задержка между двумя успешными передачами, (время ожидания) с.

Если время распространения пренебрежимо мало (при небольшой протяженности канала либо по причине низкой скорости передачи), процедура SAW не приведет к серьезному снижению производительности всей системы.

GBN

В данном случае кадры передаются непрерывно без ожидания подтверждения приема определенного количества кадров. При получении отрицательного подтверждения или по истечении установленного времени ожидания неподтвержденный и все последующие кадры передаются повторно. Пример такой передачи по процедуре GBN представлен на рис. 11.6.

Производительность схемы GBN может быть вычислена с помощью следующего выражения:

, (11.3)

где — задержка кругового распространения, т.е. промежуток времени от момента начала передачи кадра до момента получения подтверждения на него.

В практических версиях процедур GBN не все кадры требуют подтверждения. Положительное, подтверждение может служить подтверждением правильной передачи не только данного кадра, но и всех предшествующих ему.