信息傳輸原理與應(yīng)用-信息傳輸-資料包-教案1-第二章

1、第2章 差錯控制基本原理差錯原因:信道存在的噪聲及信道特性不理想造成碼間干擾。加上外界各種干擾。改善：1、改善傳輸信道傳輸特性。2、控制技術(shù)，抵消外界干擾。噪聲干擾（外界干擾）熱噪聲：電子熱運動產(chǎn)生，幅值小、均勻沖擊噪聲：外界干擾，幅度大、時間短，可波及解決方法1、調(diào)制方法2、差錯控制：將有錯的物理信道變換成相對無差錯的邏輯信道。差錯控制的核心抗干擾編碼監(jiān)督碼的出現(xiàn)：提高傳輸?shù)目煽啃允且誀奚鼈鬏數(shù)挠行詾榇鷥r換取的。2.1差錯類型及差錯控制方法 2.1.1差錯控制的類型 2.1.2差錯控制的方法差錯控制方法，常用的有以下幾種：1檢錯重發(fā)法發(fā)送端發(fā)出能夠檢錯的碼（即檢錯碼），若傳輸中發(fā)生了差錯，

2、則接收端能檢驗出傳輸有錯，然后通過反饋信道要求發(fā)送端重發(fā)已出錯的信息，直到接收端認可為止，從而達到糾錯的目的。 2前向糾錯法（Forward Error Correct簡稱FEC） 發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的碼（即糾錯碼），接收端在收到的信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)差錯，而且能夠確定差錯的具體位置。 但是糾錯設(shè)備要比檢錯設(shè)備復(fù)雜。 3反饋校驗法 接收端將收到的信碼原封不動地發(fā)回發(fā)送端，與原發(fā)送的信碼相比較，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，發(fā)送端再進行重發(fā)。這種方法原理和設(shè)備都比較簡單，但需要雙向信道，而且傳輸效率較低，因為每一信碼都相當(dāng)于至少傳送了兩次。 2.2差錯控制ARQ原理2.2.1等待式ARQ等待式ARQ是指發(fā)送站發(fā)出一

3、幀信息后，就等待接收站的確認。 1丟幀之后的系統(tǒng)恢復(fù)。在發(fā)送端設(shè)置一個計時器 2防止重復(fù)幀 。對信息幀進行編號 2.2.2退回N步ARQ對等待式ARQ，由于每發(fā)一信息幀后都要停下來等待應(yīng)答，所以信道的利用率很低。解決的辦法是在發(fā)完一個信息幀之后，不是停下來等待應(yīng)答，而是繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。故稱之為連續(xù)式ARQ。根據(jù)出錯后重發(fā)機制的不同分為退N步ARQ和選擇重ARQ兩種。 退N步ARQ，N7 在發(fā)完一個信息幀之后，不是停下來等待應(yīng)答，而是繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。故稱之為連續(xù)式ARQ。 2.2.3選擇重傳ARQ 在退N步ARQ基礎(chǔ)上，當(dāng)一個幀有錯時，設(shè)法只發(fā)有錯的這一幀，其余個正確幀先接收存儲起來

4、，發(fā)送端不再隨有錯幀一并重發(fā)，省下的時間用來傳送新的幀，這樣即使信道質(zhì)量稍差（易出錯）仍可有較高的傳輸效率。 選擇重傳ARQ 選擇重傳ARQ方式的接收端可以接收亂序幀，而退N步ARQ方式的接收端只能接收順序幀。 2.2.4滑動窗口協(xié)議 給幀編號后，使得連續(xù)式ARQ得以實現(xiàn)，但這樣一來，編號越來越大，以至無窮。在數(shù)據(jù)和應(yīng)答幀中，編號會占去很多信道容量，實際上行不通。我們從等待式協(xié)議中可以得到啟發(fā)。在這個協(xié)議中，無論發(fā)送多少幀，使用1bit來編號就足夠了。在連續(xù)發(fā)送的情況下，也可以采用同樣的原理，即利用模數(shù)運算，讓編號循環(huán)地被使用。這樣只需很少幾個比特就足夠了。 滑動窗口（Sliding Wind

5、ows）的概念。假定用3個比特進行編號。于是，發(fā)端從0幀起按序發(fā)送。當(dāng)7號幀發(fā)送完后。序號開始循環(huán)，發(fā)送0號和1號幀 現(xiàn)在的問題是 ：接收端怎樣判斷后面收到的0號和1號幀是超時重發(fā)的還是新的兩個幀？ 解決這個問題的辦法是：對發(fā)送端發(fā)出去的未經(jīng)確認的幀的數(shù)目加以限制。這個受限制的數(shù)目稱為發(fā)送窗口，發(fā)送窗口是一張允許連續(xù)發(fā)送的幀的序號表。只有幀的序號落在發(fā)送窗口所包含的序號之間的幀才能不等應(yīng)答返回就可發(fā)送。并稱這些幀落在窗口內(nèi)。 發(fā)送窗口控制發(fā)端的發(fā)送速率 接收窗口的意義 關(guān)于滑動窗口協(xié)議當(dāng)而時，滑動窗口協(xié)議即退N步ARQ當(dāng)而時，滑動窗口協(xié)議即選擇重傳AEQ。當(dāng)時，滑動窗口協(xié)議即等待式ARQ。 “

6、捎帶”（piggybacking）確認為進一步提高信道利用率，本協(xié)議在全雙工通信時，可以采用“捎帶”方法返回應(yīng)答幀。當(dāng)A方發(fā)一數(shù)據(jù)幀到達B方，若B方正確接收，且序號落在B方的接收窗口內(nèi)，B方并不馬上發(fā)送一個單獨的ACK給A方，而是等待。等到B方主機有數(shù)據(jù)要發(fā)送給A方時，將這個ACK信息附在從B方發(fā)往A的數(shù)據(jù)幀上一起發(fā)往A方，這就是“捎帶”的含義。 窗口大小 窗口的大小是在設(shè)計中主要考慮的因素。窗口越大，在接收端的響應(yīng)返回之前可以發(fā)送的幀越多。但是窗口大就意味著接收端必須分配更多的資源和更大的緩沖空間來應(yīng)付輸入的數(shù)據(jù)。 2.2.5流量控制 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于諸多因素的影響，例如帶寬、各種各樣

7、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的速率不匹配導(dǎo)致的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備間速率差異帶來的延遲等等，網(wǎng)絡(luò)有可能在源主機和終端主機之間的任何一點產(chǎn)生擁塞。網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象有可能導(dǎo)致更大的網(wǎng)絡(luò)延遲以及數(shù)據(jù)包的丟棄，所以必須實施流量控制。目前有三種常用的流量控制技術(shù)：緩存（buffering）技術(shù)、源抑制報文（sourcequench messages）、窗口機制（windowing）等。 2.3抗干擾編碼的基本原理 2.3.1抗干擾編碼的原理 1不具有抗干擾能力的信息碼 當(dāng)發(fā)生這種差錯時，接收端是無法辨別的 2具有檢錯能力的編碼 在傳輸過程中當(dāng)任何碼組受到干擾而出現(xiàn)一個差錯時，不論差錯的具體位置如何，接收端都能容易發(fā)現(xiàn)這個錯誤的碼

8、組。 3具有糾錯能力的編碼 有用碼組在傳輸過程中無論在哪一個位置上出現(xiàn)一個差錯都能自動地加以糾正。對于一種編碼：（1） 為檢測e個錯碼，要求碼集的漢明距離 （2） 為糾正t個錯碼，要求碼集的漢明距離 （3） 如果這種編碼用來檢測e個差錯，而錯碼在t個以下時可以進行糾正，則應(yīng)滿足2.3.2抗干擾編碼的分類 1按照對信息源輸出的信號序列處理方式的不同，可分為分組碼與卷積碼兩大類。 2根據(jù)監(jiān)督元與信息元之間的關(guān)系分為線性碼與非線性碼。 3按編碼后每個碼字的結(jié)構(gòu)可分為系統(tǒng)碼和非系統(tǒng)碼。 4按糾正差錯的類型可分為糾正隨機錯誤的碼和糾正突發(fā)錯誤的碼。5按照每個碼元取值來分，可分為二進制碼與多（q）進制碼，

9、這里q=pm(p是素數(shù)，m為任意正整數(shù))。2.4幾種常用抗干擾編碼介紹 2.4.1奇偶校驗碼 在各組的數(shù)據(jù)后面附加一位校驗碼，使得該組碼連校驗位在內(nèi)的碼字中的“1”的個數(shù)為偶數(shù)（稱為偶校驗）或奇數(shù)（稱為奇校驗），在接收端按同樣的規(guī)律檢查，如發(fā)現(xiàn)不符就說明產(chǎn)生了差錯，但是不能確定差錯的具體位置。2.4.2恒比碼 恒比碼是指一個碼字中“1”碼元和“0”碼元的個數(shù)成一定比例的一種編碼，也就是說，它是選用二進制序列中“1”和“0”碼元之比例為定值的序列作為碼字的，所以又稱為定比碼。恒比碼是一種很有用的檢錯碼，國際上通用的ARQ電報通信系統(tǒng)就是采用7中取3恒比碼。 2.4.3循環(huán)碼 一、什么是循環(huán)碼具有

10、系統(tǒng)性、封閉性、循環(huán)性的抗干擾編碼。二、循環(huán)在通信中有什么作用？讓接收端可以更好的進行檢錯。結(jié)論：利用循環(huán)碼的特點，在通信的發(fā)端發(fā)送時采用循環(huán)碼，接收端利用循環(huán)碼的循環(huán)性和封閉性，可以方便的進行檢錯甚至糾錯，更好的進行差錯控制，而差錯控制的核心就是抗干擾編碼，而循環(huán)碼就是一個較好的抗干擾編碼之一，廣泛用于數(shù)據(jù)通信之中。 循環(huán)碼三、循環(huán)碼編碼1、編碼概念：1)、循環(huán)碼的組成 包括兩部分：循環(huán)碼F(X)=xrm(x)+r(x) m(x)-信息碼元 k r r(x)-監(jiān)督碼元n=k+r k r k- 信息碼位數(shù)長度 n r - 監(jiān)督碼位數(shù)長度 n- 循環(huán)碼碼組位數(shù)長度 (循環(huán)碼一般稱為(n,k)循環(huán)

11、碼投影(7,3)循環(huán)碼表解釋它的意義)2)、生成多項式G(x)：為特殊碼多項式。不同的生成多項式將會生成不同的循環(huán)碼表。循環(huán)碼編碼2、循環(huán)碼表編碼步驟：(利用生成多項式二進制算法)1)、在信息碼元后加上r位的0，(完成假設(shè)的循環(huán)碼)2)、除以生成多項式(二進制數(shù))，得余數(shù)(即為監(jiān)督碼元)另：余數(shù)不夠r位的在余數(shù)前補0做為監(jiān)督碼元。3)、信息碼元加上監(jiān)督碼元，即得一個循環(huán)碼組5循環(huán)碼的譯碼 接收端譯碼的要求有兩種：檢錯和糾錯。達到檢錯目的的譯碼原理十分簡單，由前面編碼原理的討論可知，編碼電路輸出的循環(huán)碼多項式，接收端可以根據(jù)接收碼多項式除以生成多項式，得到的余式是否為零來判斷接收碼字是否有錯，如

12、果得到的余式為零表示接收碼無錯，否則表示接收碼有錯。當(dāng)然，有錯碼的接收碼組也有可能被整除，這時的錯碼就不能檢出了。這種錯誤稱為不可檢錯誤。不可檢錯誤中的錯碼數(shù)必定超過了這種編碼的檢錯能力。關(guān)于檢錯實現(xiàn)方法與編碼類似。6縮短循環(huán)碼 在（n，k）循環(huán)碼的個碼字集合中，挑選前i個信息位的值為0的碼字，共有個，組成一個新的碼字集合，它是原碼字集合中的一個子集，由于該子集所有碼字的前i位的值為0，故發(fā)送時可以不送這 i個0，僅只要傳輸后面的位碼元即可。這樣，該子集就構(gòu)成了一個循環(huán)碼，稱為（n，k）的縮短循環(huán)碼。 7循環(huán)碼的檢錯能力 能檢查全部單個錯，即一位錯。 能檢查全部離散的二位錯，即雙錯。 能檢查全

13、部的奇數(shù)個錯。能檢查全部長度等于或小于的突發(fā)錯。 2.4.4漢明（Hamming）碼 是第一個設(shè)計用來糾錯的線性分組碼，漢明碼及其變型已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在數(shù)字通信及其在數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中用于控制差錯2.4.5 卷積碼的基本概念 本組的個校驗元不僅與本組的個信息元有關(guān)，而且還與以前各時刻輸入到編碼器的信息組有關(guān)。同樣，在卷積碼譯碼過程中，不僅從此刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以后各時刻收到的碼組中提取的有關(guān)信息。 卷積碼子碼之間的約束關(guān)系 一個子碼既與其前面?zhèn)€子碼發(fā)生關(guān)聯(lián)，而且也與其后面的子碼相關(guān)聯(lián)，這樣一環(huán)扣一環(huán)就組成了卷積碼的一個碼序列。因此，這種卷積碼也稱為連環(huán)碼，稱其為卷積碼是因

14、為卷積碼的這種運算在數(shù)學(xué)上稱為卷積運算。 本章小結(jié) 1 差錯控制的方法：檢錯重發(fā)法、前向糾錯法、反饋校驗法。2 ARQ原理： 等待式ARQ 退回N步ARQ ARQ 連續(xù)式ARQ 選擇重發(fā)ARQ滑動窗口協(xié)議31 編碼的抗干擾能力是與它的漢明距離相關(guān)：（1） 為檢測e個錯碼，要求碼集的漢明距離 （2） 為糾正t個錯碼，要求碼集的漢明距離 （3）如果這種編碼用來檢測e個差錯，而錯碼在t個以下時可以進行糾正，則應(yīng)滿足編碼的抗干擾能力是與它的漢明距離相關(guān)： 本章小結(jié)4分組碼的結(jié)構(gòu)：其中n為碼長，k為信息位長度，r為監(jiān)督位長度。5 幾種常用的抗干擾編碼：奇偶校驗碼、恒比碼、循環(huán)碼、漢明碼、卷積碼等。6 循環(huán)碼的代數(shù)式表示方法： 式中，n-k為監(jiān)督位的位數(shù)m(x)為信息碼多項式r(x)為余式，即的余式多項式g(x)為生成多項式本章小結(jié)7循環(huán)碼的基本特性：封閉性、系統(tǒng)性、循環(huán)性。