Дослідження ефективності використання завадостійких кодів у системах зв’язку
Автор: Куранов Олег Юрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр (ОНП)
Спеціальність: Телекомунікації та радіотехніка (освітньо-наукова програма)
Інститут: Інститут інформаційно-комунікаційних технологій та електронної інженерії
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: У сучасних системах зв’язку одним із ключових завдань є забезпечення достовірності передавання інформації в умовах дії завад. Завадостійке кодування відіграє фундаментальну роль у підвищенні надійності передачі даних, що особливо важливо для телекомунікаційних мереж, супутникового зв’язку, бездротових комунікаційних систем та цифрових мовних і відеотехнологій [1-3]. Використання ефективних методів корекції помилок дозволяє зменшити негативний вплив шумів, інтерференцій та інших дестабілізуючих факторів, що виникають у реальних умовах експлуатації мереж зв’язку. Завадостійке кодування являє собою клас алгоритмічних і математичних перетворень сигналу, які дають змогу виявляти та виправляти помилки, що виникають під час передавання інформації каналами зв’язку. Ці перетворення є невід’ємною частиною сучасних систем цифрового зв’язку, оскільки дозволяють знизити необхідну потужність сигналу та підвищити ефективність використання смуги пропускання [4,5]. Умови, в яких функціонують сучасні комунікаційні системи, постійно змінюються: зростає обсяг переданих даних, підвищуються вимоги до швидкості обробки інформації, з’являються нові джерела завад. Це вимагає застосування вдосконалених методів кодування, здатних забезпечити високу точність передавання без значного збільшення складності апаратної реалізації та затримок у передачі. Одним із ефективних підходів до підвищення завадостійкості є застосування послідовних каскадних кодів, побудованих на основі зовнішнього згорткового коду. Такі коди поєднують два або більше рівнів кодування, що дозволяє досягти значного покращення виявлення та виправлення помилок. У подібних схемах зовнішній код, зазвичай представлений блоковим кодом (наприклад, кодом Ріда-Соломона), забезпечує виправлення групових помилок, тоді як внутрішній згортковий код покращує характеристики корекції окремих бітових помилок. Ця стратегія використовується в багатьох високонавантажених системах зв’язку, таких як супутниковий зв’язок, глибококосмічні місії та мобільні мережі. Доцільність використання згорткових кодів у каскадних схемах обумовлена їх здатністю забезпечувати ефективну корекцію помилок у режимі реального часу. Вони мають рекурентну структуру, що дозволяє обробляти потоки даних без поділу на фіксовані блоки, що є важливою перевагою для безперервних каналів зв’язку. Крім того, алгоритми декодування, такі як алгоритм Вітербі, забезпечують високу точність виправлення помилок при прийнятному рівні обчислювальної складності. Це робить згорткові коди оптимальним вибором для систем зв’язку з обмеженою пропускною здатністю або високим рівнем шумів. Згорткові коди є одним із найефективніших методів забезпечення стійкості до помилок у системах передавання даних, особливо в умовах каналів з низьким рівнем відношення сигнал/шум. Коригуюча здатність згорткових кодів визначається параметрами коду, зокрема, швидкістю кодування, довжиною об’єднання та мінімальною відстанню Хемінга між кодовими словами. Зазвичай чим більша довжина об’єднання та менша швидкість кодування, тим вища здатність коду виправляти помилки, проте за рахунок збільшення обсягу обчислень і затримок. Перфоровані згорткові коди є узагальненням класичних згорткових кодів і дозволяють гнучко змінювати швидкість кодування без необхідності перебудови. Перфорація досягається шляхом систематичного видалення деяких бітів з вихідної послідовності згорткового коду відповідно до заданої перфораційної матриці. Це дозволяє зменшити надлишковість даних, зберігаючи при цьому задовільні властивості корекції помилок. Такий підхід дозволяє зберігати коригуючі властивості базового згорткового коду при зміненій швидкості передачі. Слід зазначити, що перфоровані згорткові коди є широко застосовуваними у практиці мобільного зв’язку та супутникових комунікаціях, де вони забезпечують оптимальний компроміс між пропускною здатністю каналу та надійністю передачі даних. Таким чином, коригуюча здатність згорткових кодів, особливо у перфорованому вигляді, залишається ключовим інструментом підвищення ефективності сучасних цифрових систем зв’язку за умови правильного вибору параметрів коду та відповідного алгоритму декодування. Дослідження завадостійких кодів має велике значення для розвитку інформаційних технологій, оскільки вибір ефективного методу кодування безпосередньо впливає на продуктивність систем зв’язку. Існує велика кількість підходів до реалізації завадостійкого кодування, серед яких найпоширенішими є лінійні блокові коди, згорткові коди, турбокоди, а також коди на основі розріджених перевірочних матриць (LDPC-коди). Кожен з цих підходів має свої переваги та обмеження, які визначають доцільність його застосування в конкретних умовах. Таким чином, актуальним є дослідження ефективності використання завадостійких кодів у системах зв’язку. Об’єкт дослідження – системи зв’язку. Предмет дослідження – завадостійкі коди. Мета магістерської кваліфікаційної роботи – забезпечення достовірної передачі даних при застосуванні завадостійкого кодування у системах зв’язку. У роботі здійснено огляд сучасних підходів до підвищення ефективності завадостійких кодів. Проведено дослідження щодо ефективності використання послідовних каскадних та згорткових кодів. Здійснено оцінку коригувальної здатності блокових кодів. Здійснено техніко-економічне обгрунтування створення проєкту для аналізу надійності систем зв’язку. Представлено розрахунки щодо капітальних витрат на будівництво інфраструктури та експлуатаційні витрати для оренди хмарної інфраструктури.