УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ДИСКРЕТНОГО КАНАЛА СВЯЗИ

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано для контроля качества дискретного канала связи.

Известно устройство для контроля качества дискретных каналов связи, содержащее блок согласования, блок выявления ошибок, счетчик ошибок, блок деления, регистр, второй счетчик, дешифратор, два элемента задержки и блок памяти (см. Патент РФ на изобретение №92008501 от 27.05.1995 г., кл. Н04В 3/46).

Недостатком данного устройства является низкая точность адаптации алгоритма прогнозирования ошибок в канале связи и большие интервалы времени прогнозирования.

Известно устройство для прогнозирования состояния дискретного канала связи, содержащее блок выявления ошибок, блок прогнозирования, дешифратор, формирователь временных интервалов и блок оценки прогноза (см. авторское свидетельство СССР №1497749 от 30.07.1989 г. кл. Н04В 3/46).

Недостатком данного устройства является низкая точность адаптации алгоритма прогнозирования ошибок в канале связи, низкая надежность блока прогнозирования из-за сложности алгоритма прогнозирования фиксируемых параметров канала связи.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для прогнозирования состояния дискретного канала связи (см. авторское свидетельство СССР №1501288 от 15.08.1989 г., кл. Н04В 3/46), содержащее последовательно соединенные блок выявления ошибок и счетчик ошибок, n - блоков прогнозирования, n - блоков памяти и n - блоков оценки прогноза, причем вход i блока прогнозирования соединен с выходом счетчика ошибок, а выход через i блок памяти соединен со вторым информационным входом i блока оценки прогноза, первый информационный вход которого соединен с выходом счетчика ошибок, формирователь интервала времени, первый информационный вход которого соединен со входом опроса счетчика ошибок и тактовым входом i блока памяти, второй выход с тактовым входом i блока оценки прогноза, последовательно соединенный блок, имеющий 2n входов, каждый вход соединен с выходом соответствующего блока прогнозирования и блока оценки прогноза, первый и второй выход соответственно с первым и вторым дополнительными входами формирователя интервала времени и блок отображения.

Недостатком данного устройства является относительно низкая точность адаптации алгоритма прогнозирования ошибок в канале связи и большие интервалы времени прогнозирования, обусловленные отсутствием учета распределений ошибок прогнозирования.

Техническим результатом от использования заявленного технического решения является повышение точности адаптации алгоритма прогнозирования ошибок в канале связи и уменьшение времени прогнозирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для прогнозирования состояния дискретного канала связи, содержащее блок выявления ошибок, информационный вход которого является входом устройства, а выход подключен к информационному входу счетчика ошибок, вход управления которого соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с задающим выходом формирователя интервала времени, управляющими входами N блоков прогнозирования и тактовыми входами N блоков памяти; n-й выход первой группы выходов счетчика ошибок, где n=1, 2, …, N, соединен со вторым входом n-го блока прогнозирования, n-й выход второй группы выходов счетчика ошибок соединен с первым информационным входом n-го блока оценки прогноза, выход n-го блока прогнозирования соединен со вторым входом n-го блока памяти и n-м информационным входом дешифратора, установочный выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, а первый информационный выход соединен со вторым информационным входом решающего блока; выход n-го блока памяти соединен со вторым информационным входом n-го блока оценки прогноза, выход которого соединен с n-м формирующим входом решающего блока, а второй выход формирователя интервала времени соединен с тактовыми входами N блоков оценки прогноза, а первый и второй управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами решающего блока, третий выход которого соединен с первым информационным входом блока отображения, второй информационный вход которого соединен со вторым информационным выходом дешифратора. Дополнительно введены элемент задержки, вход которого соединен с вторым выходом формирователя интервала времени, а выход соединен со управляющим входом решающего блока. Блок оценки прогноза состоит из вычитателя, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, а выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя, первый выход которого соединен с входом измерителя среднеквадратического значения, выход которого соединен с первым входом дополнительного делителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя средневыпрямленного значения, вход которого соединен со вторым выходом цифроаналогового преобразователя и вторым входом управляемого нелинейного элемента; выход дополнительного делителя соединен со входом регистра памяти, выход которого соединен с управляющим входом управляемого нелинейного элемента, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого является тактовым входом блока, а выход соединен со входом делителя, выход которого является выходом блока. Управляемый нелинейный элемент состоит из прямого логарифмического преобразователя, вход которого является вторым входом управляемого нелинейного элемента, а выход соединен с первым входом умножителя, второй вход которого является управляющим входом управляемого нелинейного элемента, а выход соединен со входом обратного логарифмического преобразователя, выход которого является выходом управляемого нелинейного элемента.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве обеспечивается повышение точности адаптации алгоритма и уменьшение времени прогнозирования, за счет работы блоков оценки прогноза, формирующих сигнал выбора алгоритма и решающего блока, адаптирующего алгоритм прогнозирования и изменяющего интервалы времени прогнозирования по сигналам оценки прогноза, что позволяет увеличить сменяемость алгоритма прогнозирования, а также повысить качество канала связи за счет сокращения времени перерыва между прогнозами.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:

фиг. 1 - общая структурная схема устройства;

фиг. 2 - структурная схема блока оценки прогноза;

фиг. 3 - структурная схема управляемого нелинейного элемента.

Устройство для прогнозирования состояния дискретного канала связи, показанное на фиг. 1, содержит блок выявления ошибок 1, информационный вход которого является входом устройства. Выход блока выявления ошибок 1 подключен к информационному входу счетчика ошибок 2, вход управления которого соединен с выходом элемента ИЛИ 9, первый вход которого соединен с задающим выходом формирователя интервала времени 6, управляющими входами N блоков прогнозирования 3.n и тактовыми входами N блоков памяти 4.n. n-й выход первой группы выходов счетчика ошибок 2, где n=1, 2, …, N, соединен со вторым входом n-го блока прогнозирования 3.n (n - количество используемых алгоритмов прогнозирования), n-й выход второй группы выходов счетчика ошибок 2 соединен с первым информационным входом n-го блока оценки прогноза 5.n. Выход n-го блока прогнозирования 3.n соединен с вторым входом n-го блока памяти 4.n и n-м информационным входом дешифратора 11, установочный выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 9, а первый информационный выход соединен с вторым информационным входом решающего блока 7; выход n-го блока памяти 4.n соединен с вторым информационным входом n-го блока оценки прогноза 5.n, выход которого соединен с n-м формирующим входом решающего блока 7. Второй выход формирователя интервала времени 6 соединен с тактовыми входами N блоков оценки прогноза 5.n и входом элемента задержки 9, а первый и второй управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами решающего блока 7, третий выход которого соединен с первым информационным входом блока отображения 8, второй информационный вход которого соединен с вторым информационным выходом дешифратора 11. Управляющий вход решающего блока 7 соединен с выходом элемента задержки 10.

Блок оценки прогноза 5 предназначен для оценки точности прогноза, которая зависит от выбранного алгоритма прогнозирования и интервала времени и формирует сигнал выбора алгоритма и прогнозирования. Он может быть реализован различным способом, например, показанным на фиг. 2. Блок оценки прогноза 5 состоит из вычитателя 5.1, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым информационными входами блока. Выход вычитателя 5.1 соединен со входом цифроаналогового преобразователя 5.5, первый выход которого соединен со входом измерителя среднеквадратического значения 5.6, выход которого соединен с первым входом дополнительного делителя 5.8, второй вход которого соединен с выходом измерителя средневыпрямленного значения 5.7. Вход измерителя средневыпрямленного значения 5.7 соединен со вторым выходом цифроаналогового преобразователя 5.5 и вторым входом управляемого нелинейного элемента 5.2. Выход дополнительного делителя 5.8 соединен со входом регистра памяти 5.9, выход которого соединен с управляющим входом управляемого нелинейного элемента 5.2. Выход управляемого нелинейного элемента 5.2 соединен с первым входом сумматора 5.3, второй вход которого является тактовым входом блока. Выход сумматора 5.3 соединен со входом делителя 5.4, выход которого является информационным выходом блока.

Управляемый нелинейный элемент 5.2 предназначен для преобразования полученного сигнала по логарифмическому закону, перемножения его на коэффициент формы распределения ошибок прогнозирования и подачи его на сумматор 5.3. Он может быть реализован различным способом, например, показанным на фиг. 3. Управляемый нелинейный элемент 5.2 состоит из прямого логарифмического преобразователя 5.2.1, вход которого является вторым входом управляемого нелинейного элемента 5.2 и подключен к второму выходу цифроаналогового преобразователя 5.5 и входу измерителя средневыпрямленного значения 5.7, а выход соединен с первым входом умножителя 5.2.2, второй вход которого является управляющим входом управляемого нелинейного элемента 5.2 и подключен к выходу блока памяти 5.9. Выход умножителя 5.2.2 соединен со входом обратного логарифмического преобразователя 5.2.3, выход которого является выходом управляемого нелинейного элемента 5.2.

Блок выявления ошибок 1 предназначен для анализа полученного сигнала из канала связи на предмет наличия в нем ошибок.

Счетчик ошибок 2 предназначен для определения количества ошибок k_Т за интервал времени контроля t_k.

Блоки прогнозирования 3.n (где n - общее количество блоков прогнозирования) предназначены для прогнозирования количества ошибок канала связи на последующий интервал времени различными алгоритмами прогнозирования.

Блоки памяти 4.n предназначены для записи количества ошибок , спрогнозированного в j интервале работы устройства.

Блоки оценки прогноза 5.n предназначены для оценки точности прогноза, зависящей от выбранного алгоритма прогнозирования и интервала времени, и формирования сигнала выбора алгоритма прогнозирования.

Формирователь интервала времени 6 предназначен для задания задержки сигнала блоку памяти 4.n для передачи его блоку оценки прогноза 5.n и синхронизации работы устройства в целом.

Решающий блок 7 предназначен для адаптации алгоритма прогнозирования и изменения интервала времени прогнозирования по сигналам оценки прогноза, а также для управления формирователем интервала времени 6, увеличивая или уменьшая интервал времени контроля.

Блок отображения 8 предназначен для формирования дополнительных исполнительных команд соответственно «прогноз авария» и «прогноз недостоверен», в случае резкого ухудшения точности прогнозирования качества канала связи и несоответствия алгоритмов прогнозирования заданной точности.

Элемент ИЛИ 9 предназначен для задания команды счетчику ошибок 2 на пересчет ошибок или подачи задающего сигнала с формирователя интервала времени.

Элемент задержки 10 предназначен для задержки импульса на время, необходимое для формирования ошибки прогнозирования делителя 5.4.

Дешифратор 11 предназначен для остановки самоконтроля 3.n блока прогнозирования и передачи спрогнозированного количества ошибок решающему блоку.

Вычитатель 5.1 предназначен для исключения ошибки прогнозирования, нахождения разности значения количества ошибок канала связи и спрогнозированного значения количества ошибок канала связи в j момент времени.

Прямой логарифмический преобразователь 5.2.1 предназначен для преобразования полученного сигнала по логарифмическому закону.

Умножитель 5.2.2 предназначен для перемножения сигнала, преобразованного по логарифмическому закону, на значение, k_ф, соответствующее определенным значениям параметра формы распределения ошибок прогнозирования.

Обратный логарифмический преобразователь 5.2.3 предназначен для обратного преобразования полученного сигнала по логарифмическому закону.

Сумматор 5.3 предназначен для суммирования полученного значения с блока управляемой нелинейности в течение интервала времени, заданного формирователем интервала времени.

Делитель 5.4 предназначен для деления количества ошибок, поступивших на его вход с постоянным коэффициентом деления.

Цифроаналоговый преобразователь 5.5 предназначен для преобразования дискретного сигнала со значением ошибки прогнозирования на его входе в аналоговый сигнал на его выходе.

Измеритель среднеквадратического значения 5.6 предназначен для определения среднеквадратического значения ошибок прогнозирования.

Измеритель средневыпрямленного значения 5.7 предназначен для определения средневыпрямленного значения ошибок прогнозирования.

Дополнительный делитель 5.8 предназначен для деления среднего значения ошибок прогнозирования и получения значения коэффициента формы распределения ошибок прогнозирования.

Регистр памяти 5.9 предназначен для записи значений параметра формы распределения ошибок прогнозирования.

Принцип работы предлагаемого устройства основан на адаптации алгоритма прогнозирования и времени прогнозирования с целью повышения достоверности прогнозирования. Адаптация основана на методе максимума правдоподобия, при котором для выбора критерия прогнозирования используется определенное распределение ошибок прогнозирования.

В качестве распределения ошибок прогнозирования предлагается использовать обобщенное распределение вида:

где - гамма функция;

Δn - мгновенное значение ошибок прогнозирования;

k - параметр формы распределения (1);

σ - энергетический параметр распределения (1).

Используя метод максимума правдоподобия, критерий адаптации примет вид:

где kT_j - значение количества ошибок канала связи в j момент времени;

kT_jпр - прогнозированное значение качества ошибок канала связи в n момент времени.

Следовательно, для реализации критерия адаптации (оценки прогноза) необходимо определить разность kТ_j-kT_jпр=Δn и параметр k.

Значению параметра k соответствует определенный вид обобщенного распределения (1). Например, при k=1 распределение (1) примет вид симметричного логарифмического распределения,

при k=2 - нормального распределения;

при k=3 - распределение Рэлея;

при k=10÷12 - равномерного распределения и т.д. Поэтому для различных k критерий адаптации (оценки прогноза) примет вид:

при k=1 ;

при k=2 - данный критерий используется в устройстве-прототипе;

при k=3 ;

при k=10÷12 .

Для определения параметра k ему в соответствие ставится другой параметр формы распределения - коэффициент формы кривой распределения , где х_ср.в - средневыпрямленное значение ошибки прогнозирования, которое может определяться с помощью вольтметра с двухполупериодной схемой выпрямления; σ - среднеквадратическое значение ошибки прогнозирования.

Для логарифмического распределения k=1, k_ф=1,36.

Для нормального распределения k=2, k_ф=1,25.

Для равномерного распределения k=10÷12, k_ф=1,15.

Для распределения Релея k=3, k_ф=1,27.

Поэтому, используя регистр памяти 5.9, в котором для определенных значений k_ф поставлено в соответствие определенное значение k, представляется возможным определить значение параметра k формы распределения, на основе которого осуществляется оценка (2).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Сигнал из канала связи поступает в блок выявления ошибок 1, с выхода которого проанализированный сигнал (с точки зрения наличия в нем ошибок) поступает в счетчик ошибок 2. Счетчик ошибок 2 определяет количество ошибок k_T за интервал времени контроля t_k, задаваемый с первого выхода формирователя интервала времени 6, через элемент ИЛИ 9 либо осуществляет их пересчет, при поступлении команды с выхода дешифратора, также через элемент ИЛИ 9. Количество ошибок k_T за интервал времени t_k поступает на входы каждого блока прогнозирования 3.i-3.n, где n - общее количество блоков прогнозирования, которые выбираются исходя из требования, предъявляемых к точности прогноза. Соответствующий блок прогнозирования 3.i осуществляет прогнозирование количества ошибок канала связи на последующий интервал времени, согласно i алгоритму прогнозирования. Следовательно, блоки прогнозирования 3.i-3.n осуществляют прогнозирование количества ошибок канала связи на последующий интервал времени различными алгоритмами прогнозирования. Соответствующий блок памяти 4.i выполняет роль элемента задержки. В блок памяти 4.i записывается количество ошибок , спрогнозированное в j интервале работы устройства. По сигналу формирователя интервала времени 6 спрогнозированное количество ошибок на j интервал времени с выхода соответствующего блока памяти 4.n поступает на второй информационный вход блока оценки прогноза 5.n, на первый информационный вход которого поступает измеренное блоком выявления ошибок 1 и счетчиком ошибок 2 в j интервале времени количество ошибок. Блок оценки прогноза 5.n производит оценку точности прогноза, которая зависит от выбранного алгоритма прогнозирования и интервала времени и формирует сигнал выбора алгоритма и прогнозирования, который поступает на вход дешифратора 11, осуществляющего либо остановку самоконтроля n блока прогнозирования 3.n, или передачи сигнала выбора алгоритма и прогнозирования решающему блоку 7. Решающий блок 7 предназначен для адаптации алгоритма прогнозирования и изменения интервала времени прогнозирования по сигналам оценки прогноза, поступающих с выходов n блоков оценки прогноза 5.1-5.n. Значение спрогнозированного количества ошибок дискретного канала радиосвязи, полученное с помощью алгоритма прогнозирования, применение которого приводит к минимальному сигналу оценки прогноза, поступает на вход блока отображения 8. Блок отображения 8 в случае резкого ухудшения точности прогнозирования качества канала связи и несоответствия алгоритмов прогнозирования заданной точности формирует дополнительные исполнительные команды соответственно «прогноз авария» и «прогноз недостоверен», в зависимости от поступающих сигналов с дешифратора 11 или решающего блока 7. Кроме того, в зависимости от оценки прогноза решающий блок 7 управляет формирователем интервала времени 6, увеличивая или уменьшая интервал времени контроля. Например, при снижении точности прогнозирования, интервал времени контроля уменьшается. Для синхронизации работы устройства используют выходные сигналы (первый и второй выход) формирователя интервала времени 6.

Блок оценки прогноза 5.n работает следующим образом.

Значение ошибки прогнозирования kТ_j-kТ_jпр=Δn с выхода вычитателя 5.1 поступает на вход цифроаналогового преобразователя 5.5 и далее на вход управляемого нелинейного элемента 5.2 вида y=x^k (y и x соответственно выходной и входной сигналы, а k - параметр формы распределения ошибок прогнозирования) и измерителей среднеквадратического значения 5.6 и средневыпрямленного значения 5.7. Измеритель среднеквадратического значения 5.6 предназначен для определения среднеквадратического значения ошибок прогнозирования. Измеритель средневыпрямленного значения 5.7 предназначен для определения средневыпрямленного значения ошибок прогнозирования. На выходе дополнительного делителя 5.8 значение коэффициента формы распределения ошибок прогнозирования:

.

Значениям k_ф соответствуют определенные значения параметра формы распределения ошибок прогнозирования, записанные в блоке памяти 5.9. На выходе регистра памяти 5.9 значения k_ф, поступающие на управляющий вход управляемого нелинейного элемента 5.2. На выходе управляемого нелинейного элемента 5.2 сигнал

равный значению ошибки прогнозирования в j момент времени.

Сумматор 5.3 суммирует значение (3) в течение интервала времени τ=(3÷4)T_k, задаваемого со второго выхода формирователя интервала времени 6. По истечении интервала времени формирователь интервала времени 6 опрашивает сумматор 5.3 и количество ошибок поступает на вход делителя 5.4 с постоянным коэффициентом деления. С выхода делителя 5.4 ошибка прогнозирования поступает на i вход решающего блока 7. Длительность задержки элемента задержки 9 выбирается исходя из быстродействия делителя 5.4.

Принцип работы управляемого нелинейного элемента 5.2 основан на равенстве

где е - основание натурального логарифма. Значение (kT_j-kT_jпр) поступает на вход прямого логарифмического преобразователя 5.2.1, реализующего преобразование y=lnх, то есть ln(kT_j-kT_jпр). Данное значение перемножается на величину k, поступающую с выхода регистра памяти 5.9. На выходе умножителя 5.2.2 сигнал k₁ln(kT_j-kT_jпр), который поступает на вход обратного логарифмического преобразователя 5.2.3, на выходе которого сигнал .

Предлагаемое устройство, по сравнению с известным, позволит повысить точность адаптации алгоритма и интервала времени прогнозирования. Положительный эффект достигается за счет учета распределений ошибок прогнозирования. Известное устройство основано на учете только нормального распределения ошибок прогнозирования, поэтому в качестве критерия выбран метод наименьших квадратов. Однако нестационарный характер изменения качества ошибок канала связи приводит к тому, что и изменение ошибок прогнозирования будет иметь нестационарный характер. Следовательно, распределение ошибок прогнозирования будет отлично от нормального, поэтому и метод наименьших квадратов приведет к снижению точности адаптации алгоритма и интервала времени прогнозирования. В предлагаемом изобретении в качестве распределения ошибок прогнозирования выбрано обобщенное распределение. Критерий адаптации будет зависеть от параметра k обобщенного распределения ошибок прогнозирования. Предлагаемое изобретение позволит увеличить сменяемость алгоритма прогнозирования по причине его низкой точности, по сравнению с устройством в прототипе. Использование данного устройства позволяет повысить качество канала связи за счет сокращения интервала времени перерыва между прогнозами в 1,2-1,3 раза, определяемое сравнением параметра k с коэффициентом формы распределения (найденного опытным путем), с учетом обобщенного распределения ошибок прогнозирования (см. Блохин А.В. Аппаратурный анализ характеристик случайных процессов. М., Энергия, 1976 г.), что позволит увеличить коэффициент исправного действия канала связи.