1.2.  Каноническая схема построения звена передачи данных

Ключевыми понятиями современных сетевых структур являются связность сети и коммутационные способности ее узлов, при этом в значительной степени возможности сети определяются свойствами звеньев передачи данных. Уровень звена данных предоставляет сетевому уровню соединение между двумя терминалами.

В теории и практике сетевых структур широко используется семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) [87].  В такой модели информационная сеть рассматривается как совокупность функций (протоколов), которые делятся на уровни, что создает условия для применения новых и постоянно меняющихся во времени эффективных технологий обмена данными. Это обеспечивает вполне определенный порядок распределения функций, исключающий их дублирование и соревнование в ходе использования сетевых ресурсов. Кроме того, расширяется возможности по обнаружению и устранению ошибок, например, путем управления процессом повторной передачи принятых с искажениями сообщений. Наиболее полно ЭМВОС согласуется с пакетной передачей данных. Для других информационных образований подходят лишь нижние уровни (сетевой, канальный, физический), которые,  по сути,  и  образуют звено передачи данных.

Структурная схема звена цифровой системы связи (см. рис. 1.3)   широко  известна и   неоднократно  обсуждалась во  многих  фундаментальных работах, посвященных проблеме повышения достоверности цифровых систем обмена  информацией или ее хранения   [9, 27, 29, 65, 69, 82]. Анализ такой системы основывается на  понятии математической модели канала связи [18]. В свою очередь, модель  трактуется как система с определенными каким-либо образом детерминированными или стохастическими характеристиками, связывающими множества передаваемых и принимаемых сигналов [13, 26, 65, 70, 88, 94].

 Сигналы от источника сообщений поступают на вход кодера,      задачей которого является   преобразование   сообщений, генерируемых источником, в последовательность комбинаций избыточного кода. Преобразования совершаются таким образом, чтобы первоначальное сообщение, переданное по каналу с помехами, было восстановлено приемником с заданной степенью точности.

В ряде случаев кодер строится  по каскадному принципу  и может содержать несколько устройств, включенных последовательно или параллельно [82, 87, 95, 103].  Выход  кодера передачи подключается к входу модулятора или устройству преобразования сигналов (УПС).    Задачей УПС передачи  является преобразование дискретной -ичной последовательности к виду удобному для передачи на физическом уровне. Приемная сторона осуществляет обратные преобразования. При этом декодер в целях улучшения общих показателей по достоверности может иметь цепь обратной связи для итеративного использования апостериорных оценок декодирования в процедуре обработки кодовых комбинаций [82, 87, 91].  В зависимости от целей исследования  множества входных  и выходных  сигналов могут  быть дискретными, и тогда рассматривается модель с дискретным каналом. Если  множества  и   континуальны, тогда анализу подвергается  модель с непрерывным каналом.

Определенная часть современных систем связи реализует двухсторонний информационный обмен, позволяющий использовать алгоритмические методы  повышения достоверности. На схеме это отражено двусторонними стрелками между блоками системы. Однако в основе этих методов лежат кодовые методы повышения достоверности, характерные для однонаправленных систем.  Их развитие  является достаточным условием для совершенствования   первых, поэтому в работе рассматриваются только  однонаправленные системы обмена данными.

Практика эксплуатации сетевого оборудования современных гетерогенных сетей показала, что использование односторонних каналов позволяет более эффективно использовать сетевые ресурсы. Поэтому прогрессивные технологии телекоммуникаций используют каналы обратной связи в большей степени для управления сетевыми ресурсами, но не для повышения достоверности обрабатываемых в сети данных. Например, подобный подход  отличает современную технологию асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode – АТМ) от уходящей технологии Х.25.

Преднамеренные  помехи  носят специфический характер и их влияние на процесс передачи данных до последнего времени рассматривался только в системах связи силовых структур.  Как будет показано ниже, борьба с таким видом помех представляет собой самостоятельную задачу, решение которой  лежит в русле теории игр. 

Значительно большее распространение в современных сетевых структурах получил несанкционированный перехват информации.  Именно поэтому в перспективных  мобильных системах обмена данными вопросу защиты информации уделяется возрастающее внимание.

Математически непрерывный канал определяется совокупностью множества передаваемых сигналов  , множества принимаемых сигналов  и условного распределения вероятностей  , , заданного на некоторых подмножествах множества  [69]. В большинстве  моделей систем связи из непрерывного множества  выделяется дискретное подмножество разрешенных сигналов и сигналы, не входящие в него, считаются запрещенными. В ряде работ подобная структура интерпретируется как полунепрерывный канал, а процедура декодирования в них как  канал со стираниями элементов или канальными измерениями [21, 22, 23, 27, 82, 85, 99].

На схеме (рис. 1.3) сигналы стирания обозначены через , а символы, сопровождаемые оценками  канальных измерений, обозначены через . Свойства оценок  и  однозначно зависят от потенциальных возможностей непрерывного канала и изучение его особенностей, в этой связи, прямо отвечает целям  исследований свойств мягких декодеров. Очевидно, что от степени соответствия низких значений   ошибочным символам зависит успех процедуры восстановления кодовых векторов в  мягком декодере.

Идея мягкого декодирования непосредственно вытекает из теоремы Л.М. Финка [13, 94]: при любом коде имеет место неравенство

                                             ,                                    (1.1)

где – вероятность того, что при посимвольном  методе приема (суть жесткого декодера) кодовая комбинация принята с ошибкой (независимо от того, можно ли эту ошибку исправить или обнаружить); – вероятность того, что  при посимвольном методе приема  в ходе исправления максимально возможного числа ошибок произошла неисправимая ошибка;  –  вероятность того, что при идеальном приме в целом (аналог мягкого декодера) комбинация ошибочна; –  вероятность того, что при посимвольном приеме принятая комбинация окажется совпадающей с одной из комбинаций кода, но не с той,  которая передавалась.

Выражение (1.1) переходит в равенство только для безызбыточных кодов. Условие  (1.1) верно для широкого класса помех. Его суть состоит в том, что вероятность ошибочного декодирования зашумленного сложного сигнала при приеме в целом меньше, чем при посимвольном  методе  приема с исправлением возможного максимального числа ошибок, но она оказывается больше, чем суммарная вероятность трансформации одной комбинации в любую другую данного кода. Вероятность  совпадает с вероятностью необнаруженной ошибки на комбинацию. Учитывая условие равенства в (1.1), минимизация   возможна только за счет увеличения избыточности, что отрицательно сказывается на скорости передачи информации. Следовательно, изменение одного из параметров звена передачи данных в большую (меньшую) сторону  приводит к изменению  других параметров его параметров  в меньшую (большую) сторону, т.е. оптимизация  параметров звена передачи данных  в каком-либо смысле  представляет минимаксную задачу. Главными рабочими параметрами звена передачи данных являются высокая пропускная способность (основная потребительская характеристика), минимальная задержка передаваемой информации при обязательном обеспечении требуемого уровня достоверности обрабатываемых  в нем данных.