CC BY
12
Арбузов В.В.1, Бережная О.В.2, Лопатченко Б.К.3 ©
Старший преподаватель; доцент, к.т.н.; доцент, к.т.н.
Кафедра электроники и компьютерной техники,
Сумский государственный университет
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ
Аннотация
В статье приводится алгоритм оценки состояния канала связи, позволяющий вырабатывать адаптирующее воздействие на способы передачи информации с целью повышения эффективности передачи информации в распределенных информационноизмерительных системах.
Ключевые слова: система, канал связи, модель ошибок, оптимизация.
Keywords: system, communication channel, model of errors, optimization.
Построение распределенных информационно-измерительных систем, предназначенных для сбора, обработки и передачи измерительной, технологической и коммерческой информации, предполагает все более активное использование каналов связи и коммуникационного оборудования для организации эффективного обмена телемеханическими данными. Особенностями использования внедряемых систем передачи информации (СПИ) являются высокие требования к скорости и достоверности передаваемой информации с одной стороны, и высокий уровень искажений, характерный для индустриальных систем, с другой стороны. Высокая степень априорной неопределенности характера и параметров искажений информации, изменение этих параметров во времени, затрудняют применение СПИ с заранее определенной структурой и параметрами. Наиболее целесообразным, в этом случае, представляется использование адаптивных СПИ, позволяющих целенаправленно изменять свою структуру и параметры на основании информации, получаемой в процессе выполнения своих основных функций и устраняющей априорную неопределенность о характере и параметрах источников искажений на протяжении всего процесса передачи информации [1]. При этом адаптивные СПИ отличаются в основном способами решения трех основных задач: определения типа модели искажений и ее параметров; определения эффективной стратегии достижения оптимизации; изменения структуры и параметров для оптимизации ее работы.
Построение адаптивной СПИ представляется целесообразным производить используя СПИ с решающей обратной связью (РОС) на основе применения векторного переспроса (ВП), как СПИ, имеющей возможность гибкого изменения своей структуры и параметров. При выборе стратегии достижения оптимальных параметров передачи информации предлагается применять математическую модель СПИ с использованием алгоритмов оптимального оценивания состояния каналов связи.
Поиск оптимальных режимов передачи информации в адаптивных СПИ с ВП связан с постоянной обработкой результатов статистических наблюдений за параметрами канала связи, с процедурой выдвижения и подтверждения статистических гипотез и с выбором требуемых адаптирующих воздействий на способы передачи информации. Материалом для статистического исследования служит совокупность результатов наблюдений в виде значений случайной величины X, распределение которой Pq и его параметры q частично или полностью неизвестны. Задача оптимального оценивания состояния канала связи в рамках обеспечения оптимальных режимов передачи связана с выбором случайной величины X, анализ состояния которой позволит принимать соответствующие адаптирующие воздействия
© Арбузов В.В., Бережная О.В., Лопатченко Б.К., 2015 г.
в виде изменения структуры и параметров СПИ, когда каждому возможному значению х случайной величины можно поставить в соответствие решение d=f(x). Областью определения функции f(x) является множество значений X, а областью значений - множество возможных решений D. Таким образом, задача поиска оптимальных режимов передачи информации сводится к выбору решающей функции, минимизирующей риск от принятия неоптимальных решений d.
Для выбора типа случайной величины, подлежащей статистическому исследованию, рассмотрим характерные особенности построения адаптивных СПИ с ВП.
При синтезе системы передачи информации S на основе применения ВП в зависимости от i-го номера варианта СПИ, весь передаваемый информационный массив разбивается на требуемое число двоичных последовательностей, содержащих информационные разряды, в каждую из которых вводится искусственная избыточность в виде избыточных разрядов. Это позволяет по определенному алгоритму оценить вносимые каналом связи искажения. При получении переданных последовательностей приемник, исходя из анализа уровня искажений, формирует вектор ошибки и информирует передатчик о необходимости и характере повторного переспроса, о структуре передаваемого информационного массива, о способе защиты информации, определяя тем самым i-й номер варианта СПИ.
Синтез систем передачи данных СПИ, устойчиво функционирующих при непрогнозируемых изменениях параметров каналов передачи информации, связан с построением эффективно действующего устройства контроля состояния канала связи. Основной функцией такого устройства является восполнение недостающей априорной информации в процессе передачи и использование этой информации для перестройки структуры СПИ и ее параметров с целью поддержания заданного качества функционирования.
Таким образом, эффективная работа СПИ с ВП осуществляется за счет гибкого изменения ее структуры и параметров на основании контроля вероятности искажения одного информационного разряда, величина которой определяется в зависимости от типа модели ошибок. Недостоверность оценивания этой вероятности или неточность идентификации типа модели искажений приводит к нерациональному выбору как структуры, так и параметров СПИ, влечет за собой понижение скорости передачи информации и снижает степень контроля за достоверностью передачи.
Исследование и анализ различных типов моделей искажений и режимов передачи информации показали, что для обобщенной модели СПИ на основе ВП в условиях как стационарного, так и нестационарного канала связи целесообразно применить кусочностационарную модель потока ошибок с переменными параметрами. При этом с достаточной степенью приближения можно использовать биномиальный закон распределения ошибок, когда каждое i-е состояние канала связи характеризуется вероятностью искажения одного информационного разряда. При этом основной целью контроля состояния дискретного канала связи является определение номера и длительности i-го стационарного состояния канала с характерными для него типом модели искажения и числовым значением параметра распределения случайной величины, составляющими множество значений X. Каждому i-му состоянию канала приводится в соответствие i-я эффективная структура СПИ с оптимальными параметрами, составляющими множество решений D.
Пусть канал связи характеризуется рядом i-ых состояний, в рамках которых можно исходить из предположения о независимости возникающих искажений двоичных разрядов. Это означает, что число искаженных разрядов можно отнести к случайной величине X, распределенной по биномиальному закону распределения, в соответствии с которым вероятность искажения x разрядов в и-разрядных двоичных комбинациях с вероятностью искажения одного разрядаp определяется из следующего выражения:
P(X = x) = Clpx (1 - p )n - x (1)
Основной задачей статистического анализа является установление закономерностей такого случайного процесса, как возникновения числа искажений в канале связи, на основе специально поставленного эксперимента, в ходе которого необходимо решить две задачи:
- установление характера распределения;
- оценка численных значений вероятности искажения одного разряда p для каждого i-го стационарного состояния канала.
Для того чтобы удостовериться в характере распределения необходимо проверить гипотезу H о биномиальности распределения и ввести критерий - меру расхождения между теоретической и экспериментальной функциями распределений. В качестве такого критерия может служить критерий Пирсона.
Утверждение 1. Если для наблюдаемого значения вектора искаженных п-разрядных
— п (у — NP )2
слов кратности х у = (у1,у2,..ух,...,уп) критерий согласия Пирсона С = £ * <с
х=0 NPx
то с уровнем доверия pD = 1 — a = p{n£ Em /H) можно считать, что экспериментальное
распределение искажений соответствует биномиальному закону. При этом N- число переданных слов, Em - область браковки гипотезы, Рх - вероятность возникновения искажений кратности х в и-разрядных словах, определяемая в соответствии с выражением (1), ух- число и-разрядных слов с искажениями кратности х.
Утверждение 2. Оценкой p параметра биномиального распределения p является
п
частота появления искажений одного разряда, определяемая как: p = (£хух)/Nn. Оценка
[ х=1
является состоятельной, несмещенной и эффективной.
Приведенная точечная оценка являясь функцией выборки представляет собой случайную величину, надежность оценки которой при небольшом объеме выборки будет невелика. Поэтому, с помощью теории доверительных интервалов дают количественную оценку надежности определения параметров биномиального распределения.
__ п
Утверждение 3. Пусть параметр p оценивается выражением p = (£хух)/Nn на
[ х=1
основании наблюдаемого вектора искаженных слов у = (уу2,.ух,...,уп), биномиальность которого подтверждается с помощью критерия Пирсона. Тогда с доверительной вероятностью w = p(pH < p < pe) можно утверждать, что оценка p будет находиться в
пределах доверительного интервала (pe - pH) и соответствовать параметру p с точностью 5= (pe - pH)/2, при этом объем выборки может не превышать значения Nn ,определяемого из выражения:
2 ^Ух
pe — ph
2d-
Ух2
1
2 +—p(1 — p). 4(N^2 т
(2)
т+y2x\
гдеух - значение аргумента функции Крампа, принятое равным 1,96;
pe и pH - соответственно, верхняя и нижняя границы доверительного интервала.
Исходя из анализа приведенных утверждений, можно предложить следующий алгоритм оценки состояния канала связи:
1. По результатам обработки искаженных и исправленных массивов информации сформировать результирующий двоичный вектор ошибки, каждому нолю в котором соответствует правильно принятый бит информации, каждой единице - обнаруженный искаженный бит.
2. На основе анализа вектора ошибки сформировать вектор искаженных п- разрядных слов кратности х у = (у,у2,...у.,... уп).
3. В соответствии с Утверждением 1 осуществить идентификацию типа модели источника ошибок.
4. Если гипотеза о биномиальности эмпирического распределения не подтверждается, изменить стратегию поиска оптимальных решений (применить метод поисковой адаптации) и осуществить возврат к пункту 1.
5. Если гипотеза о биномиальности подтверждается осуществить переход к пункту 6.
6. На основе анализа вектора ошибки в соответствии с Утверждением 2 определить
Р ■
7. На основании заданной точности оценки 8 доверительной вероятности w и полученного значения p - определить из выражения (2) требуемое значение Nn. Сравнить полученный результат с текущим значением мощности анализируемого вектора ошибок. Если мощность вектора недостаточна - перейти к пункту 1. Если достаточна - перейти к пункту 8.
8. Значению p из области X поставить в соответствие номер стационарного канала связи, тип структуры СПИ, ее параметры из области решений D. Возврат к пункту 1.
Предложенный алгоритм оценки состояния канала связи позволяет более полно использовать возможности адаптивной системы передачи информации с векторным переспросом и осуществлять передачу информации с выбором решающей функции, минимизирующей возникающий риск.
Литература
1. Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. - Л.: Энегроиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 120 с.
