信息传输原理与应用-信息传输-资料包-教案1-第二章

1、第2章 差错控制基本原理差错原因:信道存在的噪声及信道特性不理想造成码间干扰。加上外界各种干扰。改善：1、改善传输信道传输特性。2、控制技术，抵消外界干扰。噪声干扰（外界干扰）热噪声：电子热运动产生，幅值小、均匀冲击噪声：外界干扰，幅度大、时间短，可波及解决方法1、调制方法2、差错控制：将有错的物理信道变换成相对无差错的逻辑信道。差错控制的核心抗干扰编码监督码的出现：提高传输的可靠性是以牺牲传输的有效性为代价换取的。2.1差错类型及差错控制方法 2.1.1差错控制的类型 2.1.2差错控制的方法差错控制方法，常用的有以下几种：1检错重发法发送端发出能够检错的码（即检错码），若传输中发生了差错，

2、则接收端能检验出传输有错，然后通过反馈信道要求发送端重发已出错的信息，直到接收端认可为止，从而达到纠错的目的。 2前向纠错法（Forward Error Correct简称FEC） 发送端发送能够纠错的码（即纠错码），接收端在收到的信码中不仅能发现差错，而且能够确定差错的具体位置。 但是纠错设备要比检错设备复杂。 3反馈校验法 接收端将收到的信码原封不动地发回发送端，与原发送的信码相比较，如果发现错误，发送端再进行重发。这种方法原理和设备都比较简单，但需要双向信道，而且传输效率较低，因为每一信码都相当于至少传送了两次。 2.2差错控制ARQ原理2.2.1等待式ARQ等待式ARQ是指发送站发出一

3、帧信息后，就等待接收站的确认。 1丢帧之后的系统恢复。在发送端设置一个计时器 2防止重复帧 。对信息帧进行编号 2.2.2退回N步ARQ对等待式ARQ，由于每发一信息帧后都要停下来等待应答，所以信道的利用率很低。解决的办法是在发完一个信息帧之后，不是停下来等待应答，而是继续发送下一个数据帧。故称之为连续式ARQ。根据出错后重发机制的不同分为退N步ARQ和选择重ARQ两种。 退N步ARQ，N7 在发完一个信息帧之后，不是停下来等待应答，而是继续发送下一个数据帧。故称之为连续式ARQ。 2.2.3选择重传ARQ 在退N步ARQ基础上，当一个帧有错时，设法只发有错的这一帧，其余个正确帧先接收存储起来

4、，发送端不再随有错帧一并重发，省下的时间用来传送新的帧，这样即使信道质量稍差（易出错）仍可有较高的传输效率。 选择重传ARQ 选择重传ARQ方式的接收端可以接收乱序帧，而退N步ARQ方式的接收端只能接收顺序帧。 2.2.4滑动窗口协议 给帧编号后，使得连续式ARQ得以实现，但这样一来，编号越来越大，以至无穷。在数据和应答帧中，编号会占去很多信道容量，实际上行不通。我们从等待式协议中可以得到启发。在这个协议中，无论发送多少帧，使用1bit来编号就足够了。在连续发送的情况下，也可以采用同样的原理，即利用模数运算，让编号循环地被使用。这样只需很少几个比特就足够了。 滑动窗口（Sliding Wind

5、ows）的概念。假定用3个比特进行编号。于是，发端从0帧起按序发送。当7号帧发送完后。序号开始循环，发送0号和1号帧 现在的问题是 ：接收端怎样判断后面收到的0号和1号帧是超时重发的还是新的两个帧？ 解决这个问题的办法是：对发送端发出去的未经确认的帧的数目加以限制。这个受限制的数目称为发送窗口，发送窗口是一张允许连续发送的帧的序号表。只有帧的序号落在发送窗口所包含的序号之间的帧才能不等应答返回就可发送。并称这些帧落在窗口内。 发送窗口控制发端的发送速率 接收窗口的意义 关于滑动窗口协议当而时，滑动窗口协议即退N步ARQ当而时，滑动窗口协议即选择重传AEQ。当时，滑动窗口协议即等待式ARQ。 “

6、捎带”（piggybacking）确认为进一步提高信道利用率，本协议在全双工通信时，可以采用“捎带”方法返回应答帧。当A方发一数据帧到达B方，若B方正确接收，且序号落在B方的接收窗口内，B方并不马上发送一个单独的ACK给A方，而是等待。等到B方主机有数据要发送给A方时，将这个ACK信息附在从B方发往A的数据帧上一起发往A方，这就是“捎带”的含义。 窗口大小 窗口的大小是在设计中主要考虑的因素。窗口越大，在接收端的响应返回之前可以发送的帧越多。但是窗口大就意味着接收端必须分配更多的资源和更大的缓冲空间来应付输入的数据。 2.2.5流量控制 在数据传输过程中，由于诸多因素的影响，例如带宽、各种各样

7、网络设备的速率不匹配导致的发送设备和接收设备间速率差异带来的延迟等等，网络有可能在源主机和终端主机之间的任何一点产生拥塞。网络拥塞现象有可能导致更大的网络延迟以及数据包的丢弃，所以必须实施流量控制。目前有三种常用的流量控制技术：缓存（buffering）技术、源抑制报文（sourcequench messages）、窗口机制（windowing）等。 2.3抗干扰编码的基本原理 2.3.1抗干扰编码的原理 1不具有抗干扰能力的信息码 当发生这种差错时，接收端是无法辨别的 2具有检错能力的编码 在传输过程中当任何码组受到干扰而出现一个差错时，不论差错的具体位置如何，接收端都能容易发现这个错误的码

8、组。 3具有纠错能力的编码 有用码组在传输过程中无论在哪一个位置上出现一个差错都能自动地加以纠正。对于一种编码：（1） 为检测e个错码，要求码集的汉明距离 （2） 为纠正t个错码，要求码集的汉明距离 （3） 如果这种编码用来检测e个差错，而错码在t个以下时可以进行纠正，则应满足2.3.2抗干扰编码的分类 1按照对信息源输出的信号序列处理方式的不同，可分为分组码与卷积码两大类。 2根据监督元与信息元之间的关系分为线性码与非线性码。 3按编码后每个码字的结构可分为系统码和非系统码。 4按纠正差错的类型可分为纠正随机错误的码和纠正突发错误的码。5按照每个码元取值来分，可分为二进制码与多（q）进制码，

9、这里q=pm(p是素数，m为任意正整数)。2.4几种常用抗干扰编码介绍 2.4.1奇偶校验码 在各组的数据后面附加一位校验码，使得该组码连校验位在内的码字中的“1”的个数为偶数（称为偶校验）或奇数（称为奇校验），在接收端按同样的规律检查，如发现不符就说明产生了差错，但是不能确定差错的具体位置。2.4.2恒比码 恒比码是指一个码字中“1”码元和“0”码元的个数成一定比例的一种编码，也就是说，它是选用二进制序列中“1”和“0”码元之比例为定值的序列作为码字的，所以又称为定比码。恒比码是一种很有用的检错码，国际上通用的ARQ电报通信系统就是采用7中取3恒比码。 2.4.3循环码 一、什么是循环码具有

10、系统性、封闭性、循环性的抗干扰编码。二、循环在通信中有什么作用？让接收端可以更好的进行检错。结论：利用循环码的特点，在通信的发端发送时采用循环码，接收端利用循环码的循环性和封闭性，可以方便的进行检错甚至纠错，更好的进行差错控制，而差错控制的核心就是抗干扰编码，而循环码就是一个较好的抗干扰编码之一，广泛用于数据通信之中。 循环码三、循环码编码1、编码概念：1)、循环码的组成 包括两部分：循环码F(X)=xrm(x)+r(x) m(x)-信息码元 k r r(x)-监督码元n=k+r k r k- 信息码位数长度 n r - 监督码位数长度 n- 循环码码组位数长度 (循环码一般称为(n,k)循环

11、码投影(7,3)循环码表解释它的意义)2)、生成多项式G(x)：为特殊码多项式。不同的生成多项式将会生成不同的循环码表。循环码编码2、循环码表编码步骤：(利用生成多项式二进制算法)1)、在信息码元后加上r位的0，(完成假设的循环码)2)、除以生成多项式(二进制数)，得余数(即为监督码元)另：余数不够r位的在余数前补0做为监督码元。3)、信息码元加上监督码元，即得一个循环码组5循环码的译码 接收端译码的要求有两种：检错和纠错。达到检错目的的译码原理十分简单，由前面编码原理的讨论可知，编码电路输出的循环码多项式，接收端可以根据接收码多项式除以生成多项式，得到的余式是否为零来判断接收码字是否有错，如

12、果得到的余式为零表示接收码无错，否则表示接收码有错。当然，有错码的接收码组也有可能被整除，这时的错码就不能检出了。这种错误称为不可检错误。不可检错误中的错码数必定超过了这种编码的检错能力。关于检错实现方法与编码类似。6缩短循环码 在（n，k）循环码的个码字集合中，挑选前i个信息位的值为0的码字，共有个，组成一个新的码字集合，它是原码字集合中的一个子集，由于该子集所有码字的前i位的值为0，故发送时可以不送这 i个0，仅只要传输后面的位码元即可。这样，该子集就构成了一个循环码，称为（n，k）的缩短循环码。 7循环码的检错能力 能检查全部单个错，即一位错。 能检查全部离散的二位错，即双错。 能检查全

13、部的奇数个错。能检查全部长度等于或小于的突发错。 2.4.4汉明（Hamming）码 是第一个设计用来纠错的线性分组码，汉明码及其变型已经广泛地应用在数字通信及其在数据存储系统中用于控制差错2.4.5 卷积码的基本概念 本组的个校验元不仅与本组的个信息元有关，而且还与以前各时刻输入到编码器的信息组有关。同样，在卷积码译码过程中，不仅从此刻收到的码组中提取译码信息，而且还要利用以前或以后各时刻收到的码组中提取的有关信息。 卷积码子码之间的约束关系 一个子码既与其前面个子码发生关联，而且也与其后面的子码相关联，这样一环扣一环就组成了卷积码的一个码序列。因此，这种卷积码也称为连环码，称其为卷积码是因

14、为卷积码的这种运算在数学上称为卷积运算。 本章小结 1 差错控制的方法：检错重发法、前向纠错法、反馈校验法。2 ARQ原理： 等待式ARQ 退回N步ARQ ARQ 连续式ARQ 选择重发ARQ滑动窗口协议31 编码的抗干扰能力是与它的汉明距离相关：（1） 为检测e个错码，要求码集的汉明距离 （2） 为纠正t个错码，要求码集的汉明距离 （3）如果这种编码用来检测e个差错，而错码在t个以下时可以进行纠正，则应满足编码的抗干扰能力是与它的汉明距离相关： 本章小结4分组码的结构：其中n为码长，k为信息位长度，r为监督位长度。5 几种常用的抗干扰编码：奇偶校验码、恒比码、循环码、汉明码、卷积码等。6 循环码的代数式表示方法： 式中，n-k为监督位的位数m(x)为信息码多项式r(x)为余式，即的余式多项式g(x)为生成多项式本章小结7循环码的基本特性：封闭性、系统性、循环性。