автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и устройств прогнозирования смены тенденции изменения параметров каналов систем радиосвязи

На правах рукописи УДК 621.396.029.55

Репинская Татьяна Владимировна

Исследование и разработка методов и устройств прогнозирования смены тенденции изменения параметров каналов систем радиосвязи

Специальность 05.12.13. - Системы, сети связи и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств Московского технического университета связи и информатики Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Головин Олег Валентинович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Петрович Николай Тимофеевич

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Овчинников Леон Михайлович

Ведущая организация - ФГУП Научно-исследовательский институт радио (Москва)

Защита состоится « 02 » марта 200S г. на заседании Специализированного совета К219.001.03 при Московском техническом университете связи и информатики по присуждению ученой степени кандидата технических наук (111024, Москва, Авиамоторная ул. д.8а, МТУСИ, тел. 273-27-62)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного с

Кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В декаметровом (ДКМ) диапазоне можно передавать на далекие расстояния при небольших затратах энергии лишь относительно небольшие объемы информации из-за естественных ограничений, связанных с особенностями распространения волн. Но неоспоримое преимущество систем связи ДКМ диапазона перед системами других диапазонов заключается в относительной простоте и мобильности средств передачи и приема, высокой живучести и надежности в чрезвычайных условиях.

Актуальность работы. Для повышения надежности и живучести систем связи уже использованы почти все ресурсы - оптимизированы виды сигналов несущих информацию, трассы распространения волн, введены различные адаптивные механизмы, помехоустойчивое кодирование. Однако все эти достижения не всегда могут помочь в ситуации, когда радиостанции сети расположены неудачно и каналы связи в большой степени подвержены действию помех. Исследования, проводимые коллективом лаборатории систем автоматизированной радиосвязи под руководством профессора О.В.Головина, посвящены разработке методов повышения помехозащищенности сетей радиосвязи в ограниченных зонах с затрудненным приемом радиосигналов. В рамках этих исследований была поставлена задача оптимизации управления параметрами, алгоритмами и структурами сетей радиосвязи для достижения максимальной эффективности их функционирования.

Особенно большие потери времени на восстановление каналов возникают в неустойчивых режимах работы - при смене времени суток, магнитных бурях и т.д. В транкинговых системах, близкий по условиям режим наблюдается при организации связи с подвижными объектами в условиях мегаполиса в часы наибольшей нагрузки.

Переход на новые рабочие частоты происходит тем реже, чем точнее произведен выбор рабочей частоты - новый канал должен обладать не только хорошими эксплуатационными параметрами, но и достаточно долго их сохранять. Самым неудачным следует признать переход на частоту, на которой в данный момент условия передачи удовлетворительные, но уже идет процесс ухудшения - возрастает уровень помех, ухудшается прохождение сигнала.

Для повышения эффективности управления работой системы связи необходим не только контроль параметров каналов, но и прогноз тенденции

развития процесса изменения этих параметров во времени (тренда процесса). Наибольший интерес представляет случай кардинального изменения тенденции (тренда), называемого "переломом тенденции" или "разворотом тренда".

В последние годы широкое применение находят методы прогнозирования, основанные на анализе прошлых значений процесса, получивших название «технического анализа». Этот анализ основан на технической обработке прошлых данных, без затрат времени и вычислительного ресурса на исследование причинно-следственных связей различных явлений, определяющих текущее состояние системы. Эти методы с большим эффектом реализуется при управлении экономическими и социальными системами, но до сих пор не нашли применения в системах связи. Достоверное обнаружение кардинальных изменений в ходе тренда процесса, как показывает опыт, полученный в упомянутых областях, поможет существенно сократить технологические затраты времени в системе связи и, следовательно, повысить ее надежность и пропускную способность.

В настоящей работе предпринята попытка впервые распространить эти методы анализа на прикладные задачи управления системами связи.

Актуальность работы подтверждается выполнением фундаментальных и прикладных НИР «Трибуна», «Спасение».

Целью работы является разработка методов и устройств прогнозирования процессов в каналах систем ^ связи, путем развития теории технического анализа тренда временного процесса в направлении разработки новых методов прогнозирования, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики существующих систем связи с ретрансляцией сигналов всего трафика сети и создать принципиально новые перспективные системы. Основные задачи исследования можно перечислить в такой последовательности:

1. Исследование временных процессов в каналах связи и построение рабочей гипотезы прогнозирования изменения тенденции в канале. Для решения этой задачи необходимо исследование известных методов технического анализа в приложении к исследованию процессов в каналах систем связи с ретрансляцией сигналов;

2. Разработка новых методов технического анализа, специально предназначенных для прогнозирования смены

тенденции временных процессов на трассах систем радиосвязи;

3. Экспериментальное исследование процессов в каналах реальной системы связи;

4. Разработка устройства управления выбором канала связи с наилучшими тенденциями и его практическое использование в системах автоматизированной радиосвязи.

Объект и предмет исследования Объект исследования в данной работе - это канал системы радиосвязи, представленный по результатам измерений параметров, осуществленных в определенные, равноотстоящие моменты времени. Исследуемые каналы представляют собой сочетание трактов передачи и обработки радиосигналов, которые удовлетворяют требованиям:

1. Рассматриваемые тракты относятся к классу трактов с аналоговой обработкой сигнала, работающих в нестационарном режиме;

2. Временные модели каналов построены по кусочно-стационарной схеме. На отдельных временных отрезках случайные величины из множества сечений случайного процесса принадлежат одной генеральной совокупности с некоторым законом распределения вероятностей (знание которого для применения разработанных методов необязательно).

Предметом исследования диссертационной работы являются трендовые зависимости уровней сигналов и помех, наблюдаемые в каналах связи, а также их аномальные изменения.

Проведенные исследования базируется на использовании методов теоретической статистики, которые наиболее адекватны поставленным задачам, а также на известных приемах технического анализа и методологии их применения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Значимое несогласие смежных скользящих выборок нестационарного случайного процесса есть признак возможного кардинального изменения тенденции развития процесса - перелома тренда.

2. Непараметрический критерий согласия на экстремальных статистиках, разработанный автором диссертации, обеспечивает раннее обнаружение признаков разворота тренда процесса с достоверностью,

б

достаточной для построения состоятельного прогноза тенденции развития процесса.

3. Использование в системе управления сетью связи принципа управления ресурсами, основанного на прогнозе кардинального изменения тенденции, снижает количество переключений и, в конечном счете, приводит при прочих равных условиях к экономии ресурса.

4. Управление частотным ресурсом сети радиосвязи на основе прогноза тенденции процессов в каналах не всегда улучшает характеристики системы, а только в режимах, которые могут характеризоваться как неустойчивые, нестационарные. В стационарном режиме такое управление может привести к снижению эффективности системы.

5. Прогноз кардинального изменения тенденции эффективен для любых процессов, модели которых могут быть представлены нестационарными временными рядами.

Научная новизна работы заключается:

в создании и экспериментальной проверке эффективности рабочей гипотезы прогнозирования состояния системы связи, которая состоит в предположении о том, что кардинальному изменению тенденции процессов соответствует значимое различие смежных скользящих выборок, полученных из совокупностей случайных величин - периодических сечений рассматриваемого случайного процесса.

в разработке нового критерия согласия на экстремальных статистиках для выявления этого различия;

в использовании предложенной гипотезы и разработанного критерия для построения прогноза тенденции процесса временного хода напряженности поля в точке приема;

в создании программы управления банком частот и ее успешное испытание на действующей системе радиосвязи;

в доказательстве того, что раннее обнаружение изменения тенденции процесса в радиоканале с вероятностью ошибки второго рода, отличной от нуля, повышает пропускную способность системы при относительно нестабильном состоянии ионосферы и снижает пропускную способность в период стабильности;

в обнаружении связи между изменением тренда нестационарного случайного процесса и изменением закона распределения вероятностей значений в сечениях этого случайного процесса и экспериментальном подтверждении значимости выборочных оценок этих изменений. Научная значимость работы состоит в принципиально новом подходе к прогнозированию состояния системы связи, когда прогноз базируется на раннем обнаружении признаков кардинального изменения тенденции процесса. Научная новизна состоит также в выборе основного пути построения обнаружителя изменения тенденции процесса -последовательном комбинировании статистических тестов. Разработанная методика имеет универсальный характер и может быть использована для управления любыми системами на любом уровне - от простейшего параметрического до алгоритмического и структурного уровней.

Практическая значимость работы состоит в том, что основные научные положения работы доведены до такого уровня, который позволяет широко применять их в инженерной практике. При этом широко используются табличные и графические справочные материалы, разработанные алгоритмы прогнозирования изменений трендов случайных процессов, для которых составлены программы расчетов с использованием специализированных вычислителей - контроллеров системы управления банком рабочих частот системы связи с частотной адаптацией.

Проведен статистический анализ большого числа экспериментальных зависимостей временного хода уровня помех, установлена значимая связь между переломом тенденции процесса и наблюдаемым примерно в то же самое время аномальным несогласием смежных выборок. Это позволило предложить новый класс методов обнаружения признаков изменения тенденции процесса и повысить достоверность прогноза состояния канала связи.

Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались:

1. На международном конгрессе "Коммуникационные технологии и сети" Москва 1998 г.

2. На научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1999,2000,2002,2003,2004 гг.

3. На ЬУШ научной сессии, посвященной дню радио, Москва, 2003г.

Внедрение результатов диссертации. Результаты работы в виде программы выбора рабочего канала системы связи, полученные на основе прогноза тенденции развития процессов в нем, внедрены в систему управления транкинговой сети связи. Использование данной программы в часы наибольшей нагрузки для связи с подвижными абонентами привело к сокращению доли используемых каналов связи, то есть к экономии ресурса.

Результаты работы внедрены в учебный процесс МТУСИ и используются при курсовом проектировании по дисциплине «стратегическое планирование».

Публикации. По основным результатам выполненных исследований и итогам их внедрения автором сделано 13 научных публикаций и написаны методические указания для курсового проектирования студентов МТУСИ. Из них:

6 - статей в центральных научных изданиях;

2 - статьи в сборниках трудов всероссийских и международных симпозиумов и конференций;

1 - статья в ведомственном сборнике по итогам научной конференции;

4 - депонированные статьи в ЦНТИ

1 - методические указания для студентов;

Кроме того, проведенные исследования отражены в 3 отчетах по НИР.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрено состояние вопросов по существу избранной проблемы, определены цель и задачи исследований.

Высокая надежность радиосвязи пространственными волнами ДКМ диапазона возможна лишь при рациональном выборе и использовании рабочих частот, применимых по условиям распространения радиоволн и обеспечивающих необходимое превышение уровней сигнал/помеха. Поэтому наиболее эффективной из динамических регулировок параметров является смена рабочих частот.

Однако такая смена эффективна только в случае достоверной оценки состояния канала, то есть достаточно точной идентификации положения системы в пространстве параметров. В настоящее время, когда все ресурсы повышения помехоустойчивости передачи информации в диапазоне коротких волн практически исчерпаны, неиспользованной осталась лишь возможность увеличения пропускной способности системы путем

сокращения до минимума потерь времени на зондирование трассы и перестройку аппаратуры.

Решение этой задачи в оптимизации оценки качества канала без прерывания процесса передачи информации и в получения достоверного прогноза состояния канала или тенденции изменений в нем в ближайшем будущем.

Прогнозирование смены тенденции на противоположную -предмет исследования технического анализа. Он основан на обнаружении некоторых формальных признаков в прошлом и настоящем процесса, которые с некоторой (желательно большой) вероятностью указывают на смену тенденции в будущем.

Применение методов технического анализа к техногенным процессам случайного характера впервые осуществлено автором диссертации.

В 1 главе диссертации рассмотрены возможности повышение верности передачи информации благодаря прогнозу изменения тенденции процессов в канале ^ связи. Высокая надежность, по некоторым оценкам сравнимая с надежностью систем проводной связи, обеспечивается комплексом мер: достоверным прогнозом изменения максимально применимых частот (МПЧ), применением систем частотной адаптации, обеспечивающих своевременный переход на запасную рабочую частоту с низким уровнем помех, применением различных адаптивных подсистем. Пример последней - система определения оптимального порога решающего устройства обнаружителя сигнала.

Эффективная частотная адаптация в ДКМ диапазоне волн возможна лишь при наличии возможности выбора из банка нескольких пригодных для связи частот. Высвобождение частотного ресурса, достаточного для осуществления эффективной частотной адаптации, возможно при коллективном пользовании системой. Непродолжительность стабильных условий распространения волн - основная причина снижения надежности канала, и единственный способ избежать его - это сменить канал, что может выражаться в смене частоты, трассы распространения (разнесенный прием), времени передачи (прием с накоплением). Минимизация потерь времени на перестройку и идентификацию текущего состояния является наиболее актуальной. Идея организации связи в ограниченной зоне, путем передачи всех сигналов через вынесенный из зоны на расстояние оптимальной односкачковой трассы мощный ретранслирующий центр, принадлежит

Е.Ф.Камневу и О.В.Головину. Она оказалась плодотворной и привела к решению важных хозяйственных задач. Актуальность использования таких систем для телефонизации труднодоступных районов России в последние годы только возрастала. Эти идеи позже легли в основу транкинговых систем, использующих те же принципы структурного построения сети связи, но на более высоких частотах и на меньших расстояниях. Такие системы могут успешно функционировать в случае, когда в банке рабочих частот коллективного пользования можно указать с вероятностью, отличной от нуля, достаточное количество частот с «хорошим» будущим. Определим условия, когда такое предположение может оказаться выгодным. Удобную форму оценки можно получить, применив известные результаты, полученные для Марковской модели процесса цепи состояний для оценки функционирования системы связи.

Применимость Марковской модели определяется условной независимостью алгебр переходов системы из прошлого в настоящее состояние и из настоящего в будущее. Эти условия соблюдаются, если рассматриваемые состояния системы разделены отрезком времени, для которого справедливы следующие утверждения:

1. Помехи всех видов, разделенные этим интервалом времени, независимы;

2. Количество запасных рабочих частот, пригодных для работы с точки зрения уровня помех в текущем состоянии системы связи, не зависит от количества таких рабочих частот в предыдущем состоянии.

Первое справедливо в О радиоканале, если рассматриваемые состояния разделены интервалом времени более двух-трех минут. Второе справедливо при гораздо большем разносе состояний по времени. Однако в транкинговых системах подвижной связи оба утверждения могут считаться истинными для разноса в две-три минуты. Таким образом, оценка выигрыша от применения прогнозирования тенденции по Марковской модели может считаться адекватной для систем транкинговой радиосвязи и «оценкой сверху» для систем О радиосвязи.

Отношение времен пребывания в рабочем состоянии систем с прогнозом перелома тенденции и без такого прогноза равно отношению финальных вероятностей соответствующей Марковской цепи рабочих и нерабочих состояний. В конечном итоге, это отношение сводится к виду:

^2+1'

(1)

где Р^ - вероятность перехода канала передачи информации в нерабочее состояние при использовании управления параметрами канала без

Р'

-42

в системе с

прогноза тенденции, - та же вероятность,

прогнозированием тенденции (1 — Я12) можно считать вероятностью

правильного прогноза положительной тенденции в канале передачи информации).

Рис. 1. Относительный выигрыш от применения прогнозирования смены тенденции в системе связи с частотной адаптацией.

Как видно, система частотной адаптации с прогнозом далеко не всегда дает выигрыш по сравнению с системой без прогноза. Если ситуация достаточно стабильна (вероятность перемены к худшему мала, т.е. рг «1), то возможны перестройки из-за ошибочного прогноза. Такие ошибки приводят к новым перестройкам и, как следствие, система находится в

нерабочем состоянии дольше, чем система без прогноза, которая просто «ждёт» ухудшения, а затем перестраивается на новую частоту.

Если ситуация неустойчива (0.5<р2<1), выигрыш в системе с прогнозом начинает наблюдаться уже при вероятности достоверного прогноза выше 0.5.

В диапазоне ДКМ волн периоды повышенной нестабильности, сменяющие периоды относительной стабильности, возникают достаточно часто. Для того чтобы система прогнозирования при частотной адаптации, применяемая в периоды повышенной нестабильности, повысила эффективность зоновой сети ДКМ радиосвязи, необходимо строить прогнозы, достоверность которых превышает 60-70%.

Основная гипотеза, которая легла в основу настоящей работы, заключается в том, что состояние каналов связи на различных частотах можно не только оценивать постфактум, но и предсказывать развитие ситуации с большой долей достоверности и упреждающе управлять системой, не дожидаясь порогового ухудшения качества связи.

Во 2 главе диссертации выдвигается и обосновывается гипотеза прогнозирования тенденции, состоящая в том, что при смене тенденции процесса наблюдается значимое несогласие смежных скользящих выборок. Здесь же рассматриваются способы ее реализации не только известными методами технического анализа, но и с помощью специальных методов, разработанных автором, в том числе и нового статистического непараметрического критерия согласия.

Исследование состояния частотного канала связи состоит в серии измерений значений случайного процесса хода помехи, или смеси сигнала с помехой. Полученные значения случайных величин в сечениях случайного процесса образуют выборки из некоторой генеральной совокупности случайных величин, распределенной по определенному закону. Главная

рабочая гипотеза предлагаемой методики прогнозирования состоит в том, что при изменении тенденции между смежными выборками, одна из которых целиком находится в области тренда одного знака производной, а другая, соответственно, в области тренда другого знака производной, наблюдается значимое несогласие. Проверка данной гипотезы лежит в основе метода обнаружения признаков разворота тренда исследуемой зависимости.

Автором диссертации предложен и разработан способ использования статистических критериев в «скользящем» режиме, позволяющим получить

временную зависимость уровня значимости несогласия смежных скользящих выборок. Протестированы различные параметрические и непараметрические критерии и выбраны наиболее эффективные для использования в «скользящем» режиме, ими оказались критерии Колмогорова-Смирнова и Манна-Уитни.

Кроме того, автором диссертации разработан новый тест-критерий для проверки гипотезы об однородности выборок с очень простой статистикой, основанный на вычислении экстремальных отношений порядковых статистик в выборках. Этот критерий прост в применении и обладает достаточной мощностью для решения задачи обнаружения признаков изменения тенденции процесса.

Экстремальное отношение - это отношение максимального значения, содержащегося в выборке, к минимальному значению из той же выборки.

Согласно теореме Гнеденко, функция распределения наибольшего значения в случайной выборке объемом п при неограниченном увеличении объема выборки стремится к предельным распределениям только трех типов, в зависимости от того, каким было распределение генеральной совокупности:

(2)

Известно, что если распределение генеральной совокупности симметрично, а распределение экстремальных значений относятся ко второму и третьему типам предельных распределений (по Б.В.Гнеденко), то функция плотности распределения приведенного экстремального отношения имеет вид:

(3)

где к - параметр распределения, который можно связать с объемом выборки экстремальных значений. Параметр к - с увеличением объема выборки может вести себя по-разному - увеличиваться, уменьшаться, оставаться прежним. Для наиболее часто встречающихся в рассматриваемых

задачах анализа временных зависимостей параметров КБ и УКВ радиоканалов распределений: нормального, логнормального, релеевского - с увеличением объема выборки к растет, поэтому примем самую простую модель вида к-п.

Взяв в качестве статистики частное от деления экстремального отношения одной выборки на экстремальное отношение другой, получим:

где

Выбор статистики в виде отношения экстремальных значений удобен тем, что отпадает нужда в приведении (нормировании) выборочных значений.

Для построения критерия необходимо найти интегральную функцию распределения статистики. Это можно сделать в два приема, используя известную формулу для плотности частного от деления двух случайных величин:

00

(6)

Интеграл (6) может быть вычислен в общем виде для значений к, кратных . Для четных автору диссертации удалось получить выражение для функции плотности отношения экстремальных статистик:

Ы*)=2А*ы 1ф)т—V" 2*лгт

Vе ~ V (*-Ч

(7)

Интегральные функции распределения для четных к также найдены автором в замкнутое форме:

X1+/) (1+/Уу

\+2хк 1п(*)-х*

(Х-1Г й (1+х*у

I-о

(8)

Заметим, что получить результат в замкнутом виде для некратных к не удается, аналитическое решение существует только для

к = 2". Графики плотности вероятностей (7) и функций распределений (8),

Рис 2 Функции распределения экстремальных статистик По графикам функций распределения рис 2 можно построить таблицу критических величин частного экстремальных отношений двух выборок, соответствующих заданному уровню значимости (вероятности ошибочного отклонения решения о принадлежности их к одной генеральной совокупности) для сравнения двух выборок по критерию согласия Такая таблица построена для трех уровней значимости - 001, 0 05 и 01 и приведена ниже (таблица 1)

Таблица 1

к Р X к Р X к Р X

0,01 мин 0,044500 0,01 мин 0,208501 0,01 мин 0,456630

макс 23,100000 макс 4,796805 макс 2,190150

2 0,05 мин 0,122990 0,05 мин 0,350690 8 0,05 мин 0,592200

макс 8,134500 макс 2,851430 макс 1,688660

0,1 мин 0,203040 0,1 мин 0,450594 0,1 мин 0,671260

макс 4,925310 макс 2,219310 макс 1,489740

16 0,01 мин 0,675720 32 0,01 мин 0,822030 64 0,01 мин 0,906660

макс 1,479900 макс 1,216500 макс 1,102965

0,05 мин 0,769540 0,05 мин 0,877235 0,05 мин 0,936608

макс 1,299476 макс 1,139950 макс 1,067685

0,1 мин 0,819306 0,1 мин 0,905156 0,1 мин 0,951397

макс 1,220543 макс 1,104785 макс 1,051086

Схема использования критерия, который мы назовем критерием размахов, такова:

В каждой из двух выборок находим максимальное и минимальное значения, а затем делим их друг на друга, вычисляя д для каждой из выборок.

1. Вычисляем отношение ц '

2. Для заданного уровня значимости и заданного к в таблице 1 находим критические значения статистики затем проверяем выполнение неравенства

ХМАКС <х< ХМИН ■ (9)

Если неравенство выполняется, то нулевая гипотеза, состоящая в том, что обе выборки взяты из одной генеральной совокупности, не отклоняется.

Статистика в виде частного экстремальных отношений двух выборок имеет приведенную форму (нормирована), не требует построения вариационного ряда (нужно только найти максимальное и минимальное значения в выборке), не требует построения гистограммы, как например, при использовании статистики Колмогорова.

Описанный выше экстремальный тест позволил реализовать соответствующий обнаружитель изменения тенденции процесса в радиоканале.

В третьей главе диссертации приведены алгоритмы функционирования обнаружителей значимого несогласия смежных скользящих выборок. Эти алгоритмы позволяют построить прогноз тенденции состояния канала и принять на его основе решения об оптимальных управляющих воздействиях. На основании алгоритмов обнаружения значимого несогласия создана программа оптимального управления банком рабочих частот системы связи с централизованным управлением.

В основе данного обнаружителя изменения тенденции процесса лежит критерий согласия, разработанный автором диссертации. Алгоритм работает следующим образом:

• В каждой выборке определяется максимальное и минимальное значения и вычисляется статистика в виде частного экстремальных отношений.

• С помощью выражения для интегральной функции распределения статистики вычисляется соответствующая ей величина уровня значимости.

Анализируется временная зависимость уровня значимости и при пошаговых изменениях, превышающих пороговое значение, принимается решение об обнаружении признаков, указывающих на кардинальное изменение тенденции процесса.

Структурная схема алгоритма обнаружителя по критерию размахов приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема алгоритма обнаружителя признаков смены тенденции по критерию размахов.

Анализ возможностей различных известных критериев (Манна-Уитни, Колмогорова-Смирнова), которые могут быть использованы в обнаружителях аномальных отклонений выборочных характеристик процессов в каналах КВ связи, позволил определить место каждого из них в системе построения прогноза. Так, мощные чувствительные критерии Колмогорова-Смирнова и Манна-Уитни дают заметную задержку в прогнозе, в некоторых случаях недопустимо большую. С другой стороны, моментные критерии не требуют выборок большого объема, но обладают меньшей мощностью (большей вероятностью ошибки второго рода). Критерий размаха занимает промежуточное положение. Так, при выборках небольшого объема он имеет лучшую разрешающую способность, чем моментные критерии, а при выборках большого объема - небольшую вероятность ошибки второго рода.

На основании сравнения критериев и тестирования их на реальных каналах связи было принято решение в алгоритме устройства прогнозирования изменения тенденции использовать совместно критерии Колмогорова-Смирнова, Манна-Уитни и критерий размахов.

С помощью критерия размахов классифицируется режим использования устройства - стационарный или нестационарный. Если критерий размахов дает повторяющиеся сигналы об обнаруженных «несогласиях» в выборках, то комбинирование сигналов критериев Колмогорова-Смирнова и Манна-Уитни при принятии решения о наличии или отсутствии изменения тенденции происходит по принципу «ИЛИ» Если же сигналов от критерия размахов не поступает (количество сигналов в заданном промежутке времени меньше порогового), то комбинирование сигналов от критериев Колмогорова-Смирнова и Манна-Уитни происходит по принципу «И».

Структурная схема алгоритма работы устройства прогнозирования приведена на рисунке 4. Система прогнозирования, внедренная в транкинговую сеть связи, построена по алгоритму рис.4 и показала в условиях городской подвижной связи положительный эффект.

Рис. 4. Обнаружение признаков смены тенденции с использованием трех критериев согласия.

В 4 главе диссертации приведено обоснование выбора программного комплекса для работы в канале связи из нескольких альтернативных. Выбор производится на основании прогноза тенденции состояния каждого из каналов, полученного по результатам измерений и моделирования. Глава содержит описание:

- возможности прогнозирования изменения тенденции процесса в канале связи путем обработки известных результатов наблюдений;

- работы программы выбора частот на основе прогноза тенденции в составе программного комплекса управления транкинговой системой связи в г. Москве.

Интерфейс программы для построения прогноза состояния запасных каналов (по уровню помех) приведен на рисунке 5.

Порядок работы с программой в режиме экспериментального исследования следующий:

1) Ввод данных. Вызов поиска данных производится нажатием кнопки «ОБЗОР» (рис. 5). Затем нажатием кнопки с номером канала прогнозирования вводим данные. Система

допускает как полный ввод данных по всем шести каналам, так и частичный, когда часть каналов прогнозирования остается пустыми.

2) Установка объема выборки. Как во 2 главе диссертации, оптимальный объем выборки для составления прогноза с высокой достоверностью равен примерно 20. В отдельных случаях может потребоваться иной объем. Установка объема осуществляется прокруткой данных соответствующего окна.

3) Начало вычислений совмещено с выбором прогнозирующего теста. Можно выбрать режим тестирования процесса с помощью только одного критерия (Колмогорова-Смирнова или Манна-Уитни), можно запустить интегрированный тест с предварительной проверкой характера исследуемого процесса по критерию размахов.

4) Выход из программы осуществляется путем двукратного нажатия кнопки «Выход». При однократном нажатии этой кнопки происходит останов и появляется возможность изменения параметров (п.п. 1,2).

Управление программой, с помощью которой производится прогнозирование тенденции в работающем канале передачи данных, принципиально не отличается от только что описанного, что связано с использованием одной и той же платформы. Изменен только интерфейс программы, структура вычисления остается прежней. Отсутствует только одна функция - ручной выбор способа конечной обработки прогнозов, полученных по разным каналам - комбинирования по принципу «И» -альтернативно «ИЛИ».

Устройства прогнозирования изменения тенденции были проверены с помощью тестовых временных рядов, причем тщательной проверке подвергались как отдельные элементы пакета программ, так и вся система в целом.

7

' ' Ш23Г " ...... ВЕЯ ШИЛ К2Л

щцЛ НЕЯ ' Щ55Я"' -

■ -IV»'* ■

Рис 5. Графический интерфейс программы прогнозирования смены тенденции процесса изменения уровня помех в канале радиосвязи

Основные научные и практические результаты диссертации

Основные научные положения работы доведены до уровня, позволяющего применять их в инженерной практике При этом широко используются составленные автором табличные и графические справочные материалы, а также разработанные алгоритмы прогнозирования изменений трендов случайных процессов, для которых составлены программы расчетов

1 Разработан новый подход к прогнозированию состояния каналов и систем связи, основанный на раннем обнаружении признаков кардинального изменения тенденции процессов в них

2 Разработана методика раннего обнаружения признаков смены тенденции развития процесса, в основе которой выявление признаков значимого несогласия двух смежных скользящих выборок

3 Для реализации обнаружителя признаков смены тенденции развития процесса разработан оригинальный непараметрический статистический критерий согласия, рассчитаны и опубликованы таблицы для его практического использования

4. Проведен статистический анализ большого числа экспериментальных зависимостей временного хода уровня помех, установлена значимая связь между переломом тенденции процесса и аномальным несогласием смежных выборок.

5. Разработан и опробован комплекс индикаторов разворота тренда, основанных на анализе характера зависимостей скользящих выборочных моментов, показана возможность их использования для раннего обнаружения признаков изменения тенденции развития процессов в канале связи.

6. Разработанный метод составления прогноза состояния канала введен в систему управления транкинговой системы связи и показал хорошие результаты, выразившиеся в уменьшении количества переключений при сменах рабочих частот.

7. Разработанный метод прогнозирования тенденции является универсальным и эффективен при анализе любых процессов, которые могут быть описаны временными рядами. Метод внедрен в учебный процесс МТУСИ и используется при курсовом проектировании по дисциплине «стратегическое планирование».

Основные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях:

1. Репинская Т.В. Адаптивная маршрутизация с применением осцилляторных методов технического анализа в многопрофильных мультисервисных сетях//Электросвязь.- №7.- 2003.- с. 41-42.

2. Головин О.В., Репинская Т.В., Шварц В. Прогнозирование разворота тренда суточного хода напряженности поля с помощью осцилляторов скользящей дисперсии.//Радиотехника.- №6.- 2002.- с. 4143.

3. Головин О.В., Репинская Т.В., Шварц В. Эффективность прогнозирования помехоустойчивости приема в КВ каналах методами технического анализа//Электросвязь.-№12.- 2001.-с. 15-16.

4. Головин О.В., Репинская Т.В. Возможности искусственной ионизации ионосферы в целях дальней радиосвязи//Наукоемкие технологии.- №3.- 2003.- т. 4.- с. 33-37.

5. Репинская Т.В. Прогнозирование разворота тренда суточного хода напряженности поля//Радиотехника.- №4.- 2004.- с. 35-36.

6. Репинская Т.В. Непараметрический критерий согласия на экстремальных статистиках//Электросвязь.- №8,- 2004.- с. 16-17.

7. Репинская Т.В. Корректировка прогноза будущего состояния нестационарного случайного процесса путем обнаружения

кардинального изменения тенденции// Сб. науч. трудов МТУСИ.- М.-2004 г.- с. 122-128.

8. Репинская Т.В. Генерация последовательности случайных чисел с нормальным распределением в Mathcad-7//C6. науч. трудов международного конгресса "Коммуникационные технологии и сети".-М-1998 г.- с. 23-24.

9. Репинская Т.В. Прогнозирование разворота тренда изменения отношения сигнал/помеха на входе KB радиоприемника с помощью индикатора скользящей оценки ковариационного типа//Сб науч трудов LVIII научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню радио.- М.- 2003.- с. 176-177.

10. Репинская Т.В. Прогнозирование суточного хода напряженности поля с применением осцилляторных методов технического анализа// Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь" 14.06.2003.- №2229св2003.-с.81-85.

11. Репинская Т.В, Прогнозирование тенденции поведения нечетких систем методами технического анализа//Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь" 14.06.2003.- №2229свВ2003.-с.81-85.

12. Репинская Т.В. Применение экономико-статистических методов анализа

для прогнозирования стоимости бумаг организаций связи//Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь" 27.04.99.- №2150св99.- с. 12-37

13. Репинская Т,В. Прогнозирование суточного хода отношения сигнал/помеха с помощью осциллирующих индикаторов нестационарности//Депонировано в ЦНТИ "Информсвязь" 04.07.2004.-№2251св2004.-с. 86-100.

Подписано в печать 29.12.04. Формат 60x84/16. Объем 1,4 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ '¿.

000 "йнсвязьиздат". Москва, ул. Авиамоторная, 8

¿7/72 - ûâ-./З

reí

\

1. Введение.

1. Повышение верности передачи информации путем прогнозирования изменения тенденции процессов изменения параметров каналов систем радиосвязи.

1.1. Способы выбора рабочих частот с низким уровнем помех в системах радиосвязи.

1.2. Обзор реализованных возможностей прогнозирования уровней помех на парциальных частотах системы ДКМ радиосвязи.

1.3. Адаптивное прогнозирование уровня помех на рабочей и запасных частотах и влияние раннего обнаружения признаков разворота тренда процесса на точность прогноза.

1.4. Прогнозирование изменения тенденции процесса (разворота тренда).

1.5. Выигрыш в пропускной способности системы ДКМ радиосвязи от применения трендового предсказателя.

Выводы к главе 1.

2. Исследование и разработка методов прогнозирования изменения тенденции процессов в каналах системы радиосвязи.

2.1. Прогнозирование тенденции классическими методами технического анализа.

2.1.1. Осциллирующие индикаторы технического анализа.

2.1.2. Осциллятор скользящих средних.

2.1.3. Моментные осциллирующие индикаторы.

2.2 Прогнозирование тенденции с помощью статистических критериев согласия

2.2.1 Прогнозирование тенденции с помощью параметрических критериев.

2.2.2. Прогнозирование тенденции с помощью критериев непараметрической статистики.

2.3. Универсальный непараметрический критерий для прогнозирования изменений тенденции процесса.

2.4. Использование критерия частного экстремальных отношений для обнаружения разворота тренда.

2.5. Определение объема скользящей выборки.

Выводы к главе 2.

3. Алгоритм функционирования и реализация устройства для раннего обнаружения признаков кардинального изменения тенденции изменения параметров каналов систем радиосвязи.

3.1 Оценка качества канала радиосвязи по результатам наблюдений.

3.2. Алгоритм выделения тренда временного ряда прогнозируемой последовательности.

3.3. Обнаружитель изменения тенденции на основе критерия согласия Колмогорова-Смирнова.

3.4. Обнаружитель изменения тенденции на основе критерия согласия Манна-Уитни

3.5. Обнаружитель изменения тенденции процесса на основе комбинации критериев Колмогорова-Смирнова и Манна-Уитни.

3.6. Обнаружитель сигнала индикатора скользящих средних.

3.7. Обнаружитель изменения тенденции на основе пороговых оценок скользящей выборочной дисперсии.

3.8. Обнаружитель изменения тенденции на основе пороговых оценок скользящих коэффициентов асимметрии и эксцесса.

3.9. Обнаружитель изменения тенденции на основе критерия размахов.

ЗЛО. Структурная схема устройства прогнозирования изменения тенденции процесса.

Выводы к главе 3.

4. Экспериментальное исследование методов прогнозирования тенденции процесса в канале радиосвязи.

4.1. Необходимое число каналов для системы частотной адаптацией с прогнозированием.

4.2. Основные технические характеристики программного прогнозирующего комплекса.

4.3. Испытания обнаружителя Колмогорова-Смирнова аномальных отклонений уровней значимости статистик сравнения двух скользящих выборок.

4.4. Испытания обнаружителя Манна-Уитни аномальных отклонений уровней значимости статистик сравнения двух скользящих выборок.

4.5. Натурные испытания пакета программ для прогнозирования изменения тенденции процессов в канале радиосвязи.

Выводы к главе 4.

Системы связи, использующие для переноса сигнала декаметровые волны (ДКМВ), в многолетней установившейся терминологии - короткие волны (KB), доставляют небольшие объемы информации потребителю гораздо дешевле, чем любые другие системы, работающие в других диапазонах волн. Нет равных таким системам и по сочетанию параметров мобильности и живучести при различных воздействиях, в том числе и злонамеренных. Правда, система ДКМ радиосвязи уступает системам связи других диапазонов в пропускной способности, естественно ограниченной особенностями механизма дальнего распространения волн. Живучесть систем ДКМ радиосвязи в условиях активного противодействия во много раз выше, чем у всех прочих систем передачи информации. Эти преимущества будут иметь место, по крайней мере, до тех пор, пока не будут открыты новые среды и способы передачи информации, а, следовательно, ДКМ радиосвязь еще долго будет уверенно занимать свою нишу среди успешных, эффективных, высокоскоростных, но уязвимых систем связи различных диапазонов волн.

Научные разработки в области создания новых систем ДКМ радиосвязи и jg совершенствования существующих вели в России на протяжении последнего столетия

В.Л.Гинзбург, О.В.Головин, Е.Ф.Камнев, В.Ф.Комарович, Е.Н.Коноплева, Н.С.Мамаев, Н.Т.Петрович, А.А.Пирогов, В.М.Розов, Л.М.Финк, Н.П.Хворостенко, Е.А.Хмельницкий, Н.И.Чистяков, А.Н.Щукин и многие другие. Работы велись то интенсивно, то с меньшей активностью, но никогда не прерывались. В результате удалось поднять надежность магистральных каналов декаметровой радиосвязи до уровня надежности проводных систем [88].

В деле повышения надежности и живучести систем связи декаметрового диапазона волн были использованы почти все возможности: оптимизированы виды сигналов несущих информацию, трассы распространения волн, введены различные адаптивные механизмы, помехоустойчивое кодирование. Последние достижения связаны с использованием вынесенного ретранслятора сигналов декаметровой системы связи, что делает чрезвычайно эффективной частотную адаптацию в радиосети, располагающей некоторым банком запасных частот [17,18,24]. А Однако имеется еще, по крайней мере, один ресурс оптимизации системы декаметровой радиосвязи, заключающийся в сокращении потерь времени на идентификацию и перестройку системы, оказавшейся в разрушающей помеховой обстановке. Основная гипотеза, которая легла в основу настоящей работы, заключается в том, что состояние каналов связи на различных частотах можно не только оценивать постфактум, но и предсказывать развитие ситуации с большой долей достоверности и упреждающе управлять системой, не дожидаясь порогового ухудшения качества связи.

Главное отличие канала системы связи ДКМ диапазона от прочих заключается в гораздо большей подверженности воздействию случайных факторов, чем это имеет место в каналах связи других диапазонов.

Для того, чтобы связь на коротких волнах соответствовала общим требованиям, предъявляемым к каналам связи по вероятности ошибки и по надежности, необходимо принимать комплекс мер, к которым относятся:

• выбор оптимальных параметров трасс распространения волн;

• использование нескольких независимых каналов приема: из таких методов наиболее распространено пространственное разнесение приемных антенн;

• динамический выбор оптимальных параметров. Это может быть выбор частоты из банка рабочих частот, на которой наблюдается наибольшее отношение сигнал/помеха или наименьшая частота появления ошибок или иных признаков ухудшения качества связи, например, временных искажений радиоимпульсов, или при отсутствии частотного ресурса — снижение скорости передачи информации, путем повторения переданных информационных блоков.

Высокая надежность радиосвязи пространственными волнами декаметрового диапазона возможна лишь при рациональном выборе и использовании рабочих частот, применимых по условиям распространения радиоволн и обеспечивающих необходимое превышение уровней сигнал/помеха. Поэтому наиболее эффективной из динамических регулировок параметров является смена рабочих частот [50].

Однако такая смена эффективна только в случае достоверной оценки состояния канала, то есть достаточно точной идентификации положения системы в пространстве параметров.

Широко распространенные месячные прогнозы применимых частот и текущие сведения о результатах вертикального зондирования для разнообразных трасс дают лишь ориентировочные значения максимальной применимой частоты (МПЧ) и недостаточно характеризуют реальные текущие изменения ионосферы на конкретных трассах. Кроме того, загрузка декаметрового диапазона работающими станциями не отражается этими прогнозами. Поэтому применяют наклонное, трассовое зондирование, дающее информацию для данной трассы не только о МПЧ, но и об изменениях уровней сигнала, а также об уровнях помех на контролируемых частотах. Такое зондирование, осуществляемое достаточно быстро на группе разрешенных для данной трассы частот, должно проводиться на антеннах, используемых для связи, и давать возможность ♦ определить частоту, оптимальную по соотношению сигнал/помеха, по замираниям многолучевости) для обеспечения надежности приема информации с заданной достоверностью на предстоящий отрезок времени.

Зондирование трассы может быть активным и пассивным. Активное зондирование проводится с помощью специальных приемопередающих устройств, сканирующих всю допустимую область частот, в другом случае можно использовать рабочие радиолинии, посылая по ним испытательные сигнальные последовательности. Очевидно, что второй способ можно применять на больших комплексах, где одновременно функционирует достаточно большая группировка частотных каналов. В обоих случаях на зондирование и соответствующую перестройку приемопередающей системы расходуется время, то есть ресурс пропускной способности системы.

Пассивное зондирование - это контроль рабочего диапазона с помощью панорамных приемных устройств с целью определения частот, наименее загруженных помехами. Такой контроль не снижает пропускной способности системы, но не дает информации и замираниях в канале и других особенностях распространения волны на ф направлении передачи данных.

В настоящее время, когда все ресурсы повышения помехоустойчивости передачи информации в диапазоне декаметровых волн практически исчерпаны, неиспользованной осталась лишь возможность увеличения пропускной способности системы путкм сокращения до минимума потерь времени на зондирование трассы и перестройку аппаратуры.

Решение такой задачи лежит в двух плоскостях - оптимизации оценки качества канала без прерывания процесса передачи информации и получения достоверного прогноза состояния канала или тенденции изменений в нем в ближайшем будущем.

Настоящая работа посвящена решению двух этих задач. Прогноз изменения или сохранения тенденции развития процесса (тренда) может быть осуществлен техническими методами (методами технического анализа), оперирующими прошлыми значениями процесса, без анализа причинно-следственных связей и лишь на основе оценки некоторых выборочных статистических характеристик процесса. Методы технического анализа ф прошли многолетнюю проверку при анализе различных временных рядов [61,68,69] и показали достаточно высокую эффективность в сферах приложения, где формальное описание системы невозможно, и где прогноз изменения тенденции позволяет повысить эффективность ее функционирования.

В диссертации проводится исследование и разработке методов и устройств прогнозирования процессов изменения параметров каналов связи.

Прогнозирование будущих значений процесса - задача регрессионного анализа, широко используемая и глубоко разработанная, вошедшая в стандартные пакеты статистического анализа. Отличие и новое в данном случае заключается в том, что данное исследование посвящено прогнозированию не самого процесса и его будущих значений, а прогнозированию смены тенденции процесса на противоположную.

Прогнозирование разворота тренда, смены тенденции на противоположную -предмет исследования технического анализа, основанного на идее обнаружения некоторых формальных признаков в прошлом процесса, с некоторой (желательно большой) вероятностью указывающих на смену тенденции в будущем.

Применение методов технического анализа к техногенным процессам случайного характера впервые осуществлено автором диссертации.

В качестве предмета исследования в работе были использованы временные зависимости уровней помех в частотных каналах, полученные В.Ф. Комаровичем [50], а также измерения отношения сигнал/помеха на коротковолновых трассах, полученные при проведении НИР в НИЛ-2 НИЧ МТУ СИ в период 1970-1993 гг.

В ходе работы были протестированы известные методы технического анализа, некоторые из них были модифицированы, добавлен новый класс методов, основанный на применении статистических критериев согласия, разработан и успешно использован новый статистический критерий для проверки принадлежности двух выборок значений временного ряда помех к одной генеральной совокупности.

В процессе проведения работы были исследованы более сотни реализаций случайных процессов временного хода уровня помех с разворотами тренда в различных частотных каналах (общее время наблюдения более 300 часов в различное время на различных частотах), построены выборочные гистограммы, вычислены скользящие выборочные моменты (дисперсия, асимметрия и эксцесс). Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

- аномальные изменения скользящих выборочных параметров примерно в 80% случаев свидетельствуют о наступающем развороте тренда, то есть о смене тенденции. Это объясняется, по-видимому, изменением физических процессов в каналах связи, изменяющих, в соответствии с причинно-следственными связями, статистические характеристики выборочной совокупности измеряемых значений прогнозируемого параметра;

- один из наиболее успешных классических методов технического анализа -метод скользящих выборочных средних различного объема позволяет получить верный прогноз тенденции процесса примерно в 60% случаев. Примерно в 30% случаев происходит ошибка второго рода - ложное обнаружение разворота тренда. Примерно такие же оценочные значения вероятностей ошибок первого и второго рода получены для индикаторов других типов - осциллятора Вильямса, индикатора %R, %К. Невысокий процент правильных прогнозов и низкая мощность критерия не позволяют построить эффективную систему управления частотным ресурсом, поэтому были разработаны иные критерии, позволяющие обнаружить аномальные изменения в процессах в каналах связи;

- аномальные изменения выборочной дисперсии, коэффициента асимметрии и коэффициента эксцесса примерно в 65-70% случаев предшествуют смене тенденции, а 30-35% случаев являются ложным прогнозом.

Невысокий процент верных прогнозов, а также малая мощность критериев, основанных на моментных скользящих функциях и классических методах технического анализа, заставили попытаться использовать статистические критерии согласия скользящих выборок. Были протестированы параметрические и непараметрические критерии, такие как t-тест и F-тест, критерии Колмогорова-Смирнова, Манна-Уитни, корреляционный тест Спирмена. Наилучшие результаты в обнаружении аномальных изменений показали критерии, основанные на порядковых статистиках (критерий Вальда-Вольфовица и Манна-Уитни), а также критерий Колмогорова-Смирнова.

Результаты применения критериев Колмогорова-Смирнова, Манна-Уитни и теста Спирмена для обнаружения критического расхождения в скользящих соседних выборках, сигнализирующего о смене тенденции исследуемого процесса, показали, что указанные критерии имеют высокую разрешающую способность. Обнаружение разворота тренда было зафиксировано примерно в 80% от всех рассматриваемых случаев, то есть можно говорить о практически безошибочном обнаружении аномальных отклонений в скользящих выборках исследуемого процесса. Ложное обнаружение не превышало 5% случаев. Такие результаты следует считать очень хорошими.

Однако, построение статистик для этих критериев технически сложно, для них необходимы выборки большого объема. Так, например, для построения статистики критерия Колмогорова-Смирнова необходимо строить две гистограммы по двум выборкам, что приводит к таким задержкам в процессе обнаружения, при • которых результат получен только тогда, когда тенденция уже явно определилась, а прогноз запоздал.

По этой причине возникла необходимость построения нового критерия, основанного на порядковых статистиках, то есть непараметрического, и в то же время относительно простого, не требующего выборок большого объема, то есть не приводящего к недопустимым задержкам в процессе обнаружения аномальных отклонений.

Такой критерий был разработан в процессе работы над диссертацией. В его основу было положено сравнение двух соседних скользящих выборок по значимости частного экстремальных отношений двух выборок. Экстремальное отношение - это отношение максимального значения измеряемого параметра в выборке к минимальному значению. Разработка критерия включает в себя две основные операции - построение статистики, то есть некоторого аналитического преобразования данных выборочных измерений, и нахождение интегральной функции распределения этой статистики. Последнее является наиболее сложной ф задачей, которая чаще всего решается численно. В рассматриваемом случае удалось решить задачу нахождения функции распределения в общем виде, хотя и при определенных ограничениях.

Для получения функции распределения вероятностей этой статистики и ее функции плотности был использован результат Б.В.Гнеденко [16], который получил выражение для функции плотности экстремального отношения в выборке и показал, что максимальное и минимальное значения в выборке в пределе распределены одинаково. Это дало возможность рассчитать функцию распределения и функцию плотности и построить критерий по статистике частного экстремальных отношений, который был назван критерием отношения размахов.

Многократное применение критерия отношения размахов к анализу выборок из временной зависимости помех в каналах ДКМ радиосвязи показало, что вероятность правильного прогноза составляет около 75%, а вероятность ложного обнаружения примерно 10%. Такие параметры критерия позволяют считать его Ф пригодным к использованию в системе прогнозирования разворота тренда. И хотя по мощности он несколько уступает критериям Колмогорова-Смирнова и Манна-Уитни, зато по простоте использования значительно превосходит их.

На основе выбранных методов прогнозирования разработан алгоритм и составлена программа для устройства выбора частот из банка, наиболее подходящих для использования в канале связи. В программе предусмотрено использование критериев Колмогорова-Смирнова, Манна-Уитни и критерия отношения размахов.

Испытания программы на экспериментальных данных реальных каналов связи показали возможность ее использования в системах связи, после чего она была передана в ЗАО «АСТРУМ-РТВ» и внедрена в управляющем комплексе транкинговой сети связи. За время эксплуатации отмечено улучшение качества связи и повышение верности передачи информации, что подтверждено соответствующим актом.

Результаты диссертационной работы были также внедрены при проведении НИР «Трибуна» ХРП НИЛ-48 НИЧ МТУСИ и НИР «Спасение», что подтверждено актом внедрения.

Результаты диссертации внедрены также в учебный процесс - написана глава в изданных методических указаниях для студентов заочного факультета «Стратегические планирование» (соавтор Е.Ю.Клесарева), имеется соответствующий акт внедрения.

Результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах: в журналах «Радиотехника» (2 статьи), «Электросвязь» (3 статьи), «Наукоемкие технологии» (1), в Трудах Академии информатизации (1), в Трудах LVIII научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню Радио (1), в трудах МТУСИ (1), депонированы в ЦНТИ Информсвязь (4).

Результаты работы внедрены в учебный процесс МТУСИ и вошли в методические указания для студентов (1).

Новые научные результаты: Научная новизна работы заключается:

• в создании и экспериментальной проверке эффективности рабочей гипотезы прогнозирования состояния системы связи, которая состоит в предположении о том, что кардинальному изменению тенденции процессов соответствует значимое различие смежных скользящих выборок, полученных из совокупностей случайных величин - периодических сечений рассматриваемого случайного процесса;

• в разработке нового критерия согласия на экстремальных статистиках для выявления этого различия;

• в использовании предложенной гипотезы и разработанного критерия для построения прогноза тенденции процесса временного хода напряженности поля в точке приема;

• в создании программы управления банком частот и ее успешное испытание на действующей системе радиосвязи;

• в доказательстве того, что раннее обнаружение изменения тенденции процесса в радиоканале с вероятностью ошибки второго рода, отличной от нуля, повышает пропускную способность системы при относительно нестабильном состоянии ионосферы и снижает пропускную способность в период стабильности;

• в обнаружении связи между изменением тренда нестационарного случайного процесса и изменением закона распределения вероятностей значений в сечениях этого случайного процесса и экспериментальном подтверждении значимости выборочных оценок этих изменений.

Распределение материала диссертации по главам:

В первой главе диссертации проведена постановка задачи исследования и разработки методов и устройств прогнозирования изменения тенденции процессов в каналах систем ДКМ радиосвязи. Проведен обзор систем связи, эффективность которых можно повысить применением в них разрабатываемых устройств для прогнозирования тенденции. Определен примерный круг условий, при выполнении которых использование прогноза приводит к повышению эффективности системы связи.

Вторая глава посвящена разработке методов прогнозирования изменения (сохранения) тенденции (тренда) в случайном процессе, представляющем собой временную реализацию помех в каналах ДКМ радиосвязи или смеси сигнала и помехи в приемной антенне тех же систем. Проведен анализ наиболее часто используемых классических индикаторов разворота тренда и сравнительный анализ их эффективности. Предложен новый класс индикаторов, основанных на использовании статистических критериев согласия, рассмотрены способы их реализации при анализе временных рядов значений уровней помех в каналах ДКМ радиосвязи. Проведены проверки их работоспособности и оценены вероятности достоверных прогнозов.

В третьей главе приводится описание оригинального критерия согласия, разработанного автором специально для рассматриваемых задач прогнозирования тенденции процессов в каналах ДКМ радиосвязи. Приводится полное теоретическое обоснование и результаты применения критерия в реальных условиях. # В четвертой главе приведены результаты разработки устройства построения прогноза разворота тренда процессов в каналах ДКМ радиосвязи. Приведены схемы алгоритмов и показан интерфейс финальной версии программы прогнозирования. В этой же главе приведены данные тестирования программы на временных рядах экспериментов прошлых лет и ее работы в составе реальной транкинговой сети связи.

Выводы к главе 4

1. Эксплуатация системы прогнозирования изменения тенденции в составе управляющего программного обеспечения системы транкинговой связи показала, что гипотеза о развороте тренда, принятая на основе обнаружения аномальных расхождений в параметрах смежных скользящих выборок подтверждается. Управление частотным ресурсом на основе данных прогноза приводит к повышению качества связи и повышению пропускной способности.

2. Тестирование алгоритмов раннего обнаружения изменения тенденции на данных экспериментального исследования процессов в каналах ДКМ радиосвязи на трассе Москва-Алма-Ата показало эффективность метода и перспективность реализующего его программного комплекса.

110

Заключение

Основные научные и практические результаты диссертации

Основные научные положения работы доведены до уровня, позволяющего применять их в инженерной практике. При этом широко используются составленные автором табличные и графические справочные материалы, а также разработанные алгоритмы прогнозирования изменений трендов случайных процессов, для которых составлены программы расчетов:

1. Разработан новый подход к прогнозированию состояния каналов и систем связи, основанный на раннем обнаружении признаков кардинального изменения тенденции процессов в них.

2. Разработана методика раннего обнаружения признаков смены тенденции развития процесса, в основе которой выявление признаков значимого несогласия двух смежных скользящих выборок.

3. Для реализации обнаружителя признаков смены тенденции развития процесса разработан оригинальный непараметрический статистический критерий согласия, рассчитаны и опубликованы таблицы для его практического использования.

4. Проведен статистический анализ большого числа экспериментальных зависимостей временного хода уровня помех, установлена значимая связь между переломом тенденции процесса и аномальным несогласием смежных выборок.

5. Разработан и опробован комплекс индикаторов разворота тренда, основанных на анализе характера зависимостей скользящих выборочных моментов, показана возможность их использования для раннего обнаружения признаков изменения тенденции развития процессов в канале связи.

6. Разработанный метод составления прогноза состояния канала введен в систему управления транкинговой системы связи и показал хорошие результаты, выразившиеся в уменьшении количества переключений при сменах рабочих частот.

Разработанный метод прогнозирования тенденции является универсальным и эффективен при анализе любых процессов, которые могут быть описаны временными рядами. Метод внедрен в учебный процесс МТУСИ и используется при курсовом проектировании по дисциплине «стратегическое планирование». 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов, М., Мир,-1976.: 752 с. Арзуманян Ю.В., Захаров А. А. Оценка энергетических соотношений сигнала и помехи при передаче дискретной информации// Изв. Вузов СССР. Радиоэлектроника.-1983.-т.26.-№9.

2. Арипов М.Н. Передача дискретной информации по низкоскоростным каналам связи. -М.: Связь, 1980.- 127 с.

3. Боярский А.Я. Введение в теорию порядковых статистик. М.: Статистика.-1970,412 с.

4. Боярский Э.А. Порядковые статистики. М.: Статистика.-1972,117 с.

5. Бухвинер В.Е. Оценка качества радиосвязи. М. «Связь», 1974. 224 с.

6. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т.1.: Советское радио.-1972,743 с.

7. Введение в теорию порядковых статистик: П.р. Боярского А.Я.-М.: Статистика, 1970.-414 с.

8. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории вероятностей. М.: Радио и связь, 1983.-416 с.

9. Вероятность и математическая статистика. Энциклопедия. Научное издательство «Большая российская энциклопедия», М. 1999., 910 с.

10. Вертлиб М.Я., Гордон Ф.Г., Нурмухамедов Л.Х. Авторское свидетельство 860337 (СССР). Устройство для измерения среднеквадратического отклонения краевых искажений импульсов.

11. Гнеденко Б.В. «Ann. Math.», 1943. v.44, №3, p. 423-453. Головин O.B. Декаметровая радиосвязь. М.- Радио и связь, 1990 г., 239 с. Головин О.В. Структуры сетей зоновой ДКМ радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом//Э лектросвязь. -1988.-№2.19