Пропускная способность систем передачи информации

Одной из основных характеристик любой системы передачи информации, кроме перечисленных выше, является ее пропускная способность.

Пропускная способность – максимально возможное количество полезной информации, передаваемое в единицу времени:

c = max{Imax} / TC ,

c = [бит/с].

Иногда скорость передачи информации определяют как максимальное количество полезной информации в одно элементарном сигнале:

s = max{Imax} / n,

s = [бит/элемент].

Рассмотренные характеристики зависят только от канала связи и его характеристик и не зависят от источника.

Пропускная способность дискретного канала связи без помех. В канале связи без помех информацию можно передавать неизбыточным сигналом. При этом число n = m, а энтропия элементарного сигнала HCmax = logK.

max{IC} = nHCmax= mHCmax .

Длительность элементарного сигнала , где – длительность элементарного сигнала.

где FC – спектр сигнала.

Пропускная способность канала связи без помех

Введем понятие скорости генерации элементарного сигнала источником информации:

Тогда, используя новое понятие, можно преобразовать формулу для скорости передачи информации:

Полученная формула определяет максимально возможную скорость передачи информации в дискретном канале связи без помех. Это следует из предположения о том, что энтропия сигнала максимальна.

Если HC < HCmax, то c = BHC и не является максимально возможной для данного канала связи.

Пропускная способность дискретного канала связи с помехами. В дискретном канале связи с помехами наблюдается ситуация, изображенная на рис. 6.

Учитывая свойство аддитивности, а также формулы Шеннона для определения количества информации, рассмотренные выше, можно записать

IC = TC FC log(AK PC),

IПОМ = TП FП log(APП).

Для получателя источник полезной информации и источник помехи равноценны, поэтому нельзя на приемной стороне выделить составляющую помехи в сигнале с результирующей информацией

IРЕЗ = TC FC log(AK (PП + PC)), если TC = TП, FC = FП.

Приемник может быть узкополосным, а помеха находиться в других интервалах частот. В этом случае она не будет влиять на сигнал.

Будем определять результирующий сигнал для наиболее “неприятного” случая, когда параметры сигнала и помехи близки друг к другу или совпадают. Полезная информация определяется выражением

Эта формула получена Шенноном. Она определяет скорость передачи информации по каналу связи в случае, если сигнал имеет мощность PC, а помеха – мощность PП. Все сообщения при такой скорости передадутся с абсолютной достоверностью. Формула не содержит ответа на вопрос о способе достижения такой скорости, но дает максимально возможное значение с в канале связи с помехами, то есть такое значение скорости передачи, при которой полученная информация будет абсолютно достоверной. На практике экономичнее допустить определенную долю ошибочности сообщения, хотя скорость передачи при этом увеличится.

Рассмотрим случай PC >> PП. Если ввести понятие отношения сигнал/шум

PC >> PП означает, что . Тогда

Полученная формула отражает предельную скорость мощного сигнала в канале связи. Если PC << PП, то с стремится к нулю. То есть сигнал принимается на фоне помех. В таком канале в единицу времени сигнал получить не удается. В реальных ситуациях полностью помеху отфильтровать нельзя. Поэтому приемник получает полезную информацию с некоторым набором ошибочных символов. Канал связи для такой ситуации можно представить в виде, изображенном на рис. 7, приняв источник информации за множество передаваемых символов {X}, а приемник – за множество получаемых символов {Y}.

Рис.7 Граф переходных вероятностей K- ичного канала связи

Между существует определенное однозначное соответствие. Если помех нет, то вероятность однозначного соответствия равна единице, в противном случае она меньше единицы.

Если qi – вероятность принятия yi за xi, a pij = p{yi / xi} – вероятность ошибки, то

.

Граф переходных вероятностей отражает конечный результат влияния помехи на сигнал. Как правило, он получается экспериментально.

Полезная информация может быть оценена как IПОЛ = nH(X · Y), где n – количество элементарных символов в сигнале; H(X · Y) – взаимная энтропия источника X и источника Y.

В данном случае источником X является источник полезной информации, а источником Y является приемник. Соотношение, определяющее полезную информацию, можно получить исходя из смысла взаимной энтропии: заштрихованный участок диаграммы определяет сообщения, переданные источником Xи полученные приемником Y; незаштрихованные участки отображают сигналы источника X, не дошедшие до приемника и полученные приемником посторонние сигналы, не передаваемые источником.

B – скорость генерации элементарных символов на выходе источника.

Для получения max нужно по возможности увеличить H(Y) и уменьшить H(Y/X). Графически эта ситуация может быть представлена совмещением кругов на диаграмме (Рис. 2г).

Если же круги вообще не пересекаются, X и Y существуют независимо друг от друга. В дальнейшем будет показано, как можно использовать общее выражение для максимальной скорости передачи при анализе конкретных каналов связи.

Характеризуя дискретный канал, используют два понятия скорости: техническая и информационная.

Под технической скоростью передачи RT, называемой также скоростью манипуляции, подразумевают число символов (элементарных сигналов), передаваемых по каналу в единицу времени. Она зависит от свойств линии связи и быстродействия аппаратуры канала.

С учетом различий в длительности символов техническая скорость определяется как

где - среднее время длительности символа.

Единицей измерения служит »бод» - это скорость, при которой за одну секунду передается один символ.

Информационная скорость или скорость передачи информации определяется средним количеством информации, которое передается по каналу за единицу времени. Она зависит как от характеристик конкретного канала (таких как объем алфавита используемых символов, технической скорости их передачи, статистического свойства помех в линии), так и от вероятностей поступающих на вход символов и их статистической взаимосвязи.

При известной скорости манипуляции скорость передачи информации по каналу задается соотношением:

,

где – среднее количество информации, переносимое одним символом.

Для практики важно выяснить, до какого предела и каким путем можно повысить скорость передачи информации по конкретному каналу. Предельные возможности канала по передаче информации характеризуются его пропускной способностью.

Пропускная способность канала с заданными переходными вероятностями равна максимуму передаваемой информации по всем входным распределениям символов источника X:

С математической точки зрения поиск пропускной способности дискретного канала без памяти сводится к поиску распределения вероятностей входных символов источника Х, обеспечивающего максимум переданной информации . При этом, на вероятности входных символов накладывается ограничение: , .

В общем случае, определение максимума при заданных ограничениях возможно с помощью мультипликативного метода Лагранжа. Однако такое решение требует чрезмерно больших затрат.

В частном случае для дискретных симметричных каналов без памяти пропускная способность (максимум , достигается при равномерном распределении входных символов источника X.

Тогда для ДСК без памяти, считая заданной вероятность ошибки ε и для равновероятных входных символов = = = =1/2, можно получить пропускную способность такого канала по известному выражению для :

где = – энтропия двоичного симметричного канала при заданной вероятности ошибки ε.

Интерес представляют граничные случаи:

1. Передача информации по бесшумному каналу (без помех):

, [бит/символ].

При фиксированных основных технических характеристиках канала (например, полосе частот, средней и пиковой мощности передатчика), которые определяют значение технической скорости, пропускная способность канала без помех будет равна [бит/сек].

Существует множество факторов, способных исказить или повредить сигнал. Наиболее распространенные из них – помехи или шумы, представляющие собой любой нежелательный сигнал, который смешивается с сигналом, предназначенным для передачи или приема, и искажает его. Для цифровых данных возникает вопрос: насколько эти искажения ограничивают возможную скорость передачи данных. Максимально возможная при определенных условиях скорость, при которой информация может передаваться по конкретному тракту связи, или каналу, называется пропускной способностью канала.

Существуют четыре понятия, которые мы попытаемся связать воедино.

Скорость передачи данных – скорость в битах в се к у нду (бит / с), с которой мо г у т

передаваться данны е;

Ширина полосы – ширина полосы передаваемого сигнал а, ограничиваемая передатчи к ом и природой передающей среды. Выраж а ется в периодах в се к унд у, или герцах (Гц).

Ш ум. Средний у рове н ь ш у м а в канале связи.

Уровень ошибок – частота появления ош и бок. Ошибкой счита е тся прием 1 п р и переданном 0 и наоборот.

Проблема, заключается в следующем: средства связи недешевы и, в общем случае, чем шире их полоса, тем дороже они стоят. Более того, все каналы передачи, представляющие практический интерес, имеют ограниченную ширину полосы. Ограничения обусловлены физическими свойствами передающей среды или преднамеренными ограничениями ширины полосы в самом передатчике, сделанными для предотвращения интерференции с другими источниками.

Естественно, нам хотелось бы максимально эффективно использовать имеющуюся полосу. Для цифровых данных это означает, что для определенной полосы желательно получить максимально возможную при существующем уровне ошибок скорость передачи данных. Главным ограничением при достижении такой эффективности являются помехи.

1. Методы доступа к среде в беспроводных сетях

Одна из основных проблем построения беспроводных систем – это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача уплотнения – выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.

Уплотнение с пространственным разделением

Основано на разделении сигналов в пространстве, когда передатчик посылает сигнал, используя код с , время t и частоту f в области s i . To есть каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.

К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга. Характерный пример – системы сотовой телефонной связи.

Уплотнение с частотным разде л ением (Frequency Division Multiplexing, FDM)

Каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории (рисунок 3.2.6). Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи.

Рисунок 3.2.6 – Принцип частотного разделения каналов

Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения - функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

Уплотнение с временным разд е лением (Time Division Multiplexing, TDM)

В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте f в области s , но в различные промежутки времени t i (как правило, циклически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи (рисунок 3.2.7).

Рисунок 3.2.7 – Принцип временного разделения каналов

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.

Основной недостаток систем с временным уплотнением – это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.

Уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM)

В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте f , в области s и во время t , но с разными кодами c i .

Именем основанного на CDM механизма разделения каналов (CDMA, CDM Access)

даже назван стандарт сотовой телефонной связи IS-95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем связи (cdma2000, WCDMA и др.).

В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ - кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика. Как правило, если для замены «1» в исходном потоке данных используют некий CDM-код, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.

Приемник знает CDM-код передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе) производит операцию свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнал с известным ему CDM-кодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция скалярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDM-кодом.

Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDM-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум.

Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов), мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума. Похожести CDM-сигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDM-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), о расширении спектра будет рассказано ниже.

Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев - и обнаружить его присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код.

Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.

Механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот (Orthogonal Frequency Div i sion Multiplexing , OFDM )

Весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N – число поднесущих, назначенных данному передатчику.

Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм не менее гибким, чем метод временного уплотнения.

Схема OFDM имеет несколько преимуществ. Во-первых, селективному замиранию будут подвержены только некоторые подканалы, а не весь сигнал. Если поток данных защищен кодом прямого исправления ошибок, то с этим замиранием легко бороться. Но что более важно, OFDM позволяет подавить межсимвольную интерференцию. Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, так как расстояние между битами (или символами) является малым.

В схеме OFDM скорость передачи данных уменьшается в N раз, что позволяет увеличить время передачи символа в N раз. Таким образом, если время передачи символа для исходного потока составляет T s , то период сигнала OFDM будет равен NT s . Это позволяет существенно снизить влияние межсимвольных помех. При проектировании системы N выбирается таким образом, чтобы величина NT s значительно превышала среднеквадратичный разброс задержек канала.