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Verfahren zur gesicherten Datenübertragung Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Erkennungssicherheit von Übertragungsfehlern
in mindestens aus einem Sender und einem Empfänger bestehenden Anlagen zur fehlergeschützten
Datenübertragung, wobei sender- und empfangsseitig die zu übertragenden bzw.
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übertragenen Informationsbits durch ein Generatorpolynom dividiert
werden und der bei der senderseitigen Division entstandene Rest als Prüfinformation
im Anschluß an die Informationsbits ausgegeben wird.
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Es ist bekannt, binär dargestellte Nachrichten unter Verwendung rückgekoppelter
Schieberegister, die eine Polynomdivision durchführen, zu codieren (vgl. Peterson,
Prüfbare und corrigierbare Codes, München/Wien 1967). Es ist auch eine Anordnung
zur gesicherten Übertragung binär verschliisselter Daten bekannt, bei der auf der
Empfangsseite und auf der Senderseite das gleiche rückgekoppelte Schieberegister
verwendet wird. Hierbei werden die Informationsworte auf der Sendeseite gleichzeitig
in das Register und auf den Übertragungskanal geschickt, anschließend die Rückführung
des
Registers aufgetrennt und dann der Registerinhalt als Prüfinformatiotn
in den Übertragungskanal gesendet. Das Codewort umfaßt also die uncodierten Informationsworte
und darauf folgend die Prüfinformation. Auf der Empfangsseite wird das Codewort
in das gleiche Schieberegister eingeschoben. Nach dem Empfang des vollständigen
Codeworts stehen alle Registerstufen auf !?O??, wenn die Übertragung fehlerfrei
war (vgl.
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Telefunken-Zeitung 1967, Heft 1/2, Seite 66).
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Es ist auch bereits bekannt, bei rückgekoppelten Schieberegistern
zur Prüfbarkeit langer Nullfolgen bei mindestens zwei aufeinanderfolgenden Registerstufen
Mittel vorzusehen, die die Polarität der von der einen zur nachfolgenden Registerstufe
geschobenen Bits umkehren (vgl. DT-AS 1 922 935).
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Die bekannten Anordnungen und Verfahren zur gesicherten Datenübertragung
sind beziiglich der Erkennungssicherheit von Übertragungsfehlern bei sogenannten
bitorientierten Datenübertragungssystemen nicht ausreichend. Diese bitorientierten
Systeme sind dadurch charakterisiert, daß der Sender hinsichtlich der Anzahl der
zusammengehörig zu iibertragenden Informations.
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bits keinen Beschränkungen unterworfen ist. Die Blocklänge eines Informationsworts
ist also variabel. Demgegenüber ist die Lange der vom Sender ausgegehenen Prüfinformation
konstant.
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Ein aus Informationswort und Prüfinformation zusammengesetztes Codewort
wird bei diesen bitorientierten Systemen stets durch mindestens ein Steuerzeichen
abgeschlossen.
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Zu diesem Zweck sind jeweils empfangsseitig Überwachungs schaltungen
vorgesehen, die den einlaufenden Strom von Informationsbits hinsichtlich des Auftretens
einer ganz bestimmten Bitkombination, des Steuerzeichens, überwachen.
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Wird ein Stsuerzeichen identifiziert, so besteht Gewißheit darüber,
daß die zwischen dem zuletzt identifizierten und dem gerade erkannten Steuerzeichen
empfangenen Bits zu einem übertragenen Codewort gehören. Mittels der Identifizierung
der Steuerzeichen laßt sich somit eine Blocksunchronisation der Codeworte erreichen.
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Werden nun beispielsweise dje Steuerzeichen auf der bertragungsstrecke
derart gestört, daß zwischen einer Prufinformation und einem identifizierten Steuerzeichen
eine Folge von Nullen empfangen wird, so wird dieser Fehler bei Verwendung der bekannten
Datensicherungsmethoden unerkannt bleiben. Es lassen sich noch weitere derartige,
unerkannt bleibende Übertragungsfehler konstruieren, deren Auswirkung auf die Informationsbits
darin besteht, daß ihre Anzahl aufgrund der konstanten Länge der Prüfinformation
um die Zahl der fälschlich als richtig gewerteten empfangenen Bits erhöht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben,
mit dem Ubertragungsfehler der genannten Art sicher erkennbar sind. Diese Aufgabe
wird durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert.
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Ausgehend von einem Informationswort I(x) und einem Generatorpolynom
P(x), das durch die entsprechende Verdrahtung eines rückgekoppelten Schieberegisters
verifiziert ist, führt der Sender einer Anlage zur fehlergeschützten Datenübertragung
zunächst eine Multiplikation des Informationswertes I(x) mit einem "Normierfaktor"
Xm aus. Dieser Normierfaktor repräsentiert gewissermaßen die Anzahl der Registerstufen
des rückgekoppelten Schieberegisters bzw. den Grad des Generatorpolynoms P(x) und
gewährleistet die Stellenrichtigkeit des als Prüfinformation zu verwendenden testes
der anschließend durchzuführenden Division.
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Das Generatorpolynom P(x) hat die allgemeine Form
wobei die Koeffizienten a die Werte 0 oder 1 annehmen können.
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Im Sender wird die Division I(x).Xm R(x) =Q(x) + P(x) P(x) durchgeführt
und unter Vernachlässigung des Quotienten Q(x) die Funktion F(x)-= X.I(x) O R(x)
auf die Übertragungsstrecke gegeben. R(x) ist dabei der bei der Division des normierten
Informationswortes durch das Generatorpolvnom verbleibende Rest und wird konventionsgemäß
im Anschluß an das zu übertragende Informationswort an den Empfänger ausgesandt.
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(Das Zeichen Q kennzeichnet eine modulo-2-Addition.)
Im
Empfänger wird die einlaufende Funktion F (x) wiederum durch Multiplikation mit
Xm normiert und das so gewonnene Codewort durch das Generatorpolynom P (x) dividiert.
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Bei den bakannten Nethodn wird nun die Prüfung auf Fthl3rfreiheit
der Übertragungen dadurch vorgenommen, daß das im Empfänger vorhandene rückgekoppelte
Schieberegister nach dem Einlaufen der Prüfinformation dahingehend abgefragt wird,
ob alle Registerstufen auf binär HO" stehen. Ist dies der Fall, dann war die Übertragung
sehr wahrscheinlich richtig. Hat eine Registerstufe einen von binär "O" verschiedenen
Wert, so war die Übertragung gestört.
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Entsprechend den obigen Ausführungen gibt es gewisse Übertragungsstörungen,
die mittels der beschriebenen "Null-Abfrage" als Störung unerkannt bleiben. Dies
resultiert daraus, daß ein Übertragungsfehler, der beispielsweise darin besteht,
daß zwischen der Prüfinformation und einem Steuerzeichen eine zusätzliche binäre
"Null" auftritt, bezüglich des gesamten übertragenen Codeworts nur einer Stellenverschiebung
um eine Stelle entspricht. Diese Stellenverschiebung entspricht im allgemeinen Fall
einer Multiplikation mit X. Im Falle des Binärcodes bedeutet dies eine Multiplikation
mit 2.
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Nach den bekannten Methoden werden im Empfänger also folgende Operationen
ausgeführt;
F (x) . Xm ~ Xm (Xm I (x) @ R R (x)) P (x) -
P (x)
dieser Term wird Null) Entsteht ein Ubertragungsfehler der einer Stellenverschiebung
um eine Stelle entspricht, so ergibt sich F (x) . X . Xm Xm . X (Xm . I (x) + R
(x)) P (x) P (x)
(dieser Term wird ebenfalls Null) Ein Übertragugsfehler der genannten Art bleibt,
wie oben im einzelnen bewiesen, unerkannt.
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In erfindungsgemäßer Weise wird nun dafür gesorgt, daß stets ein von
"Null" verschiedener Rest entsteht. Dies wird dadurch realisiert, daß der Empfänger
die einlaufende Prüfinformation vor ihrer Weitergabe an das rückgekoppelte Schieberegister
invertiert. Diese Inversion wird im mathematischen Modell dadurch verifiziert, daß
zur Prüfinformation R (x) eine entsprechende Anzahl von binären "L" modulo 2 -addiert.
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Damit erhält man im Empfänger aus dem vom Sender kommenden Codewort
Xm 1(x) @ R(x) = Xm.I(x) + R(x) + (Xm-1+Xm-2+...X¹+X°) Der Empfänger führt
nun folgende Divisidn durch: Xm.(Xm.I(x) + R(x) + (Xm-1+Xm-2+...X¹+X°)] P x Xm.R(x)
Xm.R(x) (Xm-1+Xm-2+...X¹+X°).Xm = Xm.Q(x) + + + P(x) P (x) P (x) Der letzte Anteil
dieser Summation führt zu einem Ausdruck
Daraus ersieht man, daß R' (x) stets ein von Null verschiedener Ausdruck sein muß
und ausschließlich vom speziellen verwendeten Generatorpolynom P(x) abhängt. Dies
erhellt daraus, daß sonst für R'(x) = 0 die Gleichung
gelten müßte.
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Kommt, wie im weiter oben gezeigten Beispiel, eine Null hinzu, so
erhält man nunmehr im Empfänger durch die entsprechenden Verknüpfungen
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Xm . X (Xm . I(x) + R(x) + (Xm-1 + Xm-2 +...+ X + 1) P(x)
Vergleicht man diesen Ausdruck mit dem vorstehenden, der Definition der Kontrollinformation
R' dienenden Ausdruck, so erkennt man, daß der letzte Summand eine von R' verschiedene
aktuelle Größe R'' ist, mit R" (x) (Xm-1 + Xm-2 + ... X¹ + X0) .
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Q'' (x) + = Xm-1 P(x) P(x) Diese aktuelle Größe R'' ist ebenfalls
ungleich Null und wie R' insbesondere vom Generatorpolynom P (x) abhängig jedoch
verschieden von R'.
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Durch Vergleich des nach Einlaufen und Codieren eines Codewort es
im Empfänger gebildeten Restes mit der ausschließlich vom Generatorpolynom P (x)
abhängigen Xontrollinformation R'(x) läßt sich jeweils ein Richtig- oder Falschsignal
für ein übertragenes Informationswert ableiten.
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Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß es senderseitig ohne Schaltungsänderungen und empfängerseitig mit geringfügigen
Anderungen in bestehenden Anlagen angewandt werden kann.
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Anhand eines Zahlenbeispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren
im weiteren nochmals erläutert werden: Unter Zugrundelegung des Generatorpolynoms
P (x) = x16 + x12 + X5 + 1 erhält man Q'(x) + R' (x) = . (Xm-1 + Xm-2 + .... X¹
+ X0) P(x) X16 (X15 + X14 + ... X¹ + X0) = X16 + X12 + X5 + X0 = (X15+X14+X13+X12+X7+X6+X5+X³+X²+X¹+X°)
(X12+X11+X10+X8+X³+X²+X¹+X° + X16+X12+X5+X° = Q'(x) + R' (x) P(x) Es ergibt sich
somit der Rest: =X12+X11+X10+X8+X³+X²+X¹+X° Ersetzt man die Basis X durch 2, so
ergibt sich: = L L L L O O O O L O L L L O O O 20 28 215
Unter
Verwendung des Polynoms P(x) = X16+X12+X5+ +1 steht im Codierwerk bei fehlerfreier
Übertragung der Rest R' zur Auswertung zur Verfügung4 und jedes falsch übertragene
Codewort läßt sich aufgrund der Abweichung zwischen der Kontrollinformation R' und
der aus dem verfälschten Codewort ermittelten aktuellen Größe R'' eliminieren.
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Für R''(x) ergibt sich gemäß dem obigen Zahlenbeispiel R''(x) = X13+X12+X11+X9+X4+X³+X²+X
# O L L L L O O O O L O L L L O O R'(x) und Rt'(x) unterscheiden sich also in 6
Bitpositionen.