автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения процедур непараметрической идентификации текущего состояния дискретных каналов информационно-вычислительных сетей

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Московская государственная академия приборостроения и информатики

НОВИКОВ Геннадий Александрович РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРОЦЕДУР НЕПАРАМЕТРИЧЕСКОИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ДИСКРЕТНЫХ КАНАЛОВ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

С

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пылькин А.Н.

Научный консультант: Засл. деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Коричнев Л.П.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 4

1. АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ............................................. 10

1.1. Структура системы передачи информации и основные

вероятностно-временные характеристики....................................... 10

1.2. Методы передачи данных по каналам связи..................................... 17

1.3. Процедуры идентификации состояний дискретного канала........... 24

2. РАЗРАБОТКА НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕДУР ИДЕНТИФИКАЦИИ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ ДИСКРЕТНОГО КАНАЛА СВЯЗИ........................................................ 32

2.1. Идентификация квазистационарных состояний дискретного

канала с помощью процедуры "скользящего среднего"................ 32

2.2. Непараметрический подход к идентификации состояний

дискретного канала связи.................................................................. 37

2.3. Процедура контроля состояния дискретного канала по критерию

"хи-квадрат"........................................................................................ 38

2.4. Метод уменьшения числа ложных решений в процедурах

идентификации квазистационарных состояний дискретного канала................................................................................................... 48

2.5. Устройство для контроля качества дискретных каналов связи...... 54

2.6. Модифицированная процедура повышения устойчивости

принятия решения в процедурах идентификации состояний дискретного канала............................................................................ 57

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ДИСКРЕТНОГО КАНАЛА НА ОСНОВЕ НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ....................................................................................................................................................................................60

3.1. Общие замечания..................................................................................................................................................................60

3.2. Основные положения теории нейронных сетей................................................................61

3.3. Нейросетевое решение задачи идентификации состояний

дискретного канала связи....................................................................................................................................65

3.4. Обучение нейронной сети на предыстории состояния

дискретного канала........................................................................................................................................................76

4. ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕДУР ИДЕНТИФИКАЦИИ..........................................81

4.1. Имитационное моделирование процедур идентификации

состояний дискретного канала....................................................................................................................81

4.2. Общая характеристика и структура пакета программ............................................83

4.3. Программные модули и классы программы............................................................................85

4.4. Принципы построения пользовательского интерфейса......................................92

4.5. Руководство пользователя......................................................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................................................104

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................................................................................................................113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Создание распределенных информационно-вычислительных систем и их эффективное использование напрямую связано с развитой структурой территориально удаленных пользователей, использующих коммуникационные каналы различной физической природы (проводные, радиоканалы, спутниковые и т.п.). Возрастающие объемы передаваемой информации предъявляют к каналам связи высокие требования по обеспечению вероятностно-временных характеристик системы передачи данных в целом (скорости, достоверности передачи информации). Несмотря на достижения в области высокоскоростных цифровых систем передачи данных, проблема по обеспечению максимальной пропускной способности канала связи при заданной достоверности является актуальной и на сегодняшний день.

Каналы связи характеризуются двумя основными особенностями: сложным групповым характером ошибок и нестационарностью параметров во времени. Решение задачи повышения эффективности передачи данных в этих условиях заключается в применении адаптивных методов передачи данных. Адаптивные методы в сочетании с обоснованно выбранными параметрами процедур передачи и защиты информации от ошибок позволяют эффективно передавать данные практически по любым каналам связи. В составе современных средств телекоммуникационного взаимодействия (модемы, протоколы) предусмотрены адаптивные стратегии управления передачей информации и адаптивные методы обработки информации. Такие средства используются в протоколах, реализованных в соответствии с международными рекомендациями V.34, MNP, Х.25, V.42, V.42bis и др. Вопросам повышения эффективности средств и систем передачи данных посвящены работы таких ученых России, как В.В.Котельникова, В.М.Глушкова, Л.Ф.Финка, Б.Р.Левина, А.Д.Харкевича, Н.Т.Петровича, А.Г.Зюко, В.О.Шварцмана, И.А.Мизина, Г.П.Захарова, В.П.Шувалова, Л.П.Коричнева, Б.Я.Советова, Э.А.Якубайтиса, В.В.Золоторева и др., а также зарубежных специалистов К.Шеннона, Р.Фано, У.Питерсона, Ф.Куо, Р.Галлагера и др.

Важнейшим элементом адаптивных протоколов передачи данных являются процедуры идентификации текущего состояния канала связи. В практических приложениях наибольшее распространение получили процедуры идентификации, основанные на выводах теории оценивания процессов (статистические процедуры) и, в частности, процедуры, описываемые в терминах проверки статистических гипотез. Однако наряду с достоинствами статистические процедуры имеют ряд недостатков, обусловленных сложностью и громоздкостью аналитических методов исследования и программной реализации алгоритмов обработки информации. В настоящее время в нашей стране и за рубежом предпринимаются попытки разработки и внедрения принципиально новых методов идентификации текущего состояния дискретных каналов. В первую очередь к ним относятся методы, базирующиеся на использовании результатов и выводов непараметрического оценивания, теории нечетких множеств, нейросетевых технологий и других подходов, использующих принципы искусственного интеллекта.

Цель диссертационной работы состоит в разработке эффективных процедур идентификации, позволяющих максимально возможно устранить недостатки статистических процедур, обеспечивая при этом заданную надежность и высокую оперативность идентификации текущего состояния дискретного канала; разработке процедур повышения устойчивости принятия решения; создании средств исследования процедур идентификации в составе современных программных комплексов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ принципов использования и мест приложения адаптивных методов передачи информации в информационно-вычислительных сетях.

2. Выявить перспективные направления в области разработки процедур идентификации, обеспечивающих надежную и высокоэффективную идентификацию текущего состояния дискретного канала.

3. Разработать и провести сравнительный анализ непараметрических процедур идентификации.

4. Разработать процедуру повышения устойчивости принятия решения относительно текущего состояния дискретного канала связи и устройство идентификации, реализованное в соответствии с этой процедурой.

5. Разработать программные средства имитационного моделирования процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала, позволяющие проводить сравнительный анализ эффективности процедур и изучать процессы передачи данных, формирования оценок контролируемого параметра и принятия соответствующего решения.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Рассмотрены различные процедуры идентификации и проведен их качественный сравнительный анализ в соответствии с классификацией процедур с целью выявления перспективных направлений разработок в данной области.

2. Показано, что применение непараметрических критериев проверки гипотез при построении процедур идентификации позволяет устранить ряд недостатков статистических параметрических процедур.

3. Разработаны процедуры идентификации текущего состояния дискретных каналов связи на основе непараметрических критериев проверки статистических гипотез, а также методика расчета параметров этих процедур.

4. Разработана процедура повышения устойчивости принятия решения и устройство для контроля качества канала связи, реализующее эту процедуру (получено положительное решение ФИПС о выдаче патента Российской Федерации по заявке № 98113088/09(014308) от 20.01.99 г.).

5. Предложено проводить оценку текущего состояния дискретного канала при помощи процедур идентификации, построенных на основе нейросете-вых технологий.

6. Проведен сравнительный анализ эффективности процедур идентификации по результатам машинного имитационного моделирования.

Практическая ценность работы. Разработан ряд процедур непараметрической идентификации, позволяющих повысить эффективность принятия решения о смене квазистационарного состояния, а также методика расчета параметров процедур. Разработаны процедура повышения устойчивости принятия решения и устройство идентификации, реализующее эту процедуру. Разработан пакет прикладных программ для имитационного моделирования процессов получения оценок контролируемого параметра и принятия решения о смене квазистационарного состояния; моделирование может быть проведено в режиме получения статистических оценок времени запаздывания в принятии решения о смене состояния или в режиме изучения процессов идентификации; разработана библиотека классов процедур идентификации, предусматривающая дальнейшее развитие пакета программ.

Результаты диссертационной работы использованы в информационно-вычислительном центре Рязанского отделения Московской железной дороги при организации трактов телекоммуникационного взаимодействия для решения задач сбора и передачи информации товарных контор. Методика использования нейросетевых технологий для анализа сложных систем и принятия решений внедрена в учебный процесс Рязанской государственной радиотехнической академии для студентов специальности 2204 - "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем" по курсам "Системный анализ и машинное моделирование" и "Теория принятия решений", специальности 0719 - "Информационные системы в экономике" по курсу "Системный анализ и исследование операций в экономике", специальности 2101 - "Управление и информация в технических системах" по курсу "Передача данных в информационно-управляющих системах".

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается:

• использованием методов и алгоритмов передачи и защиты информации, рекомендованных международными стандартами;

• использованием выводов и результатов теории вероятностей и математической статистики;

• использованием понятий и выводов теории нейронных сетей;

• верификацией разработанных программных средств имитационного моделирования;

• результатами машинных экспериментов, полученными при имитационном статистическом моделировании исследуемых процессов передачи и защиты информации в дискретном канале передачи.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. 1-й Международный молодежный форум "Электроника и молодежь в XXI веке", 22-24 апреля 1997 г., г. Харьков.

2. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники", 21-24 мая 1997 г., г. Рязань.

3. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники", 20-22 мая 1998 г., г. Рязань.

4. 52-я научная сессия РНТОРЭС им. А.С.Попова, посвященная Дню Радио (секция "Теория и техника передачи дискретных сигналов"), 21-22 мая 1997 г., г. Москва.

5. 2-я Всероссийская научно-практическая конференция "Современные информационные технологии в образовании", 13-14 мая 1998 г., г. Рязань.

6. 2-я Международная научно-техническая конференция "Моделирование и исследование сложных систем", 10-11 июня 1998 г., г. Москва.

7. Международная научно-техническая конференция "К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика.", октябрь 1997 г., г. Рязань.

8. 2-я Международная научно-техническая конференция "Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика.", 30 октября - 1 ноября 1998 г., г. Рязань.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 11 в соавторстве. В их числе 2 статьи в межвузовских сборниках, 1 доклад и 7 тезисов докладов Международных и Всероссийских конференций, 1 положительное решение ФИПС о выдаче патента Российской Федерации, 1 методические указания к лабораторным работам.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 115 страниц, 8 таблиц, 43 рисунка. Список литературы состоит из 79 наименований.

1. АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ

1.1. Структура системы передачи информации и основные вероятностно-временные характеристики

В общем случае система передачи информации (СПИ) представляет собой сложный комплекс технических средств и алгоритмов управления информационными потоками. Составляющие компоненты СПИ (элементы, группы элементов, связи и пр.) также имеют сложную структуру и позволяют выделить в них такие компоненты, как вертикальную соподчиненность, взаимосвязь действий, управление подсистемами нижних уровней со стороны и др. Это позволяет говорить о СПИ как о "большой системе" и/или "сложной системе" и применять при разработке и исследовании основные положения математической теории многоуровневых иерархических систем [1; 2].

Примером многоуровневого описания СПИ служит семиуровневая базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), определенная международным стандартом ISO 7498 [3; 6; 12]. Для удобства описания процессов управления передачей информации при решении задач анализа и синтеза СПИ целесообразно использовать понятия, связанные с физическим (первым) и канальным (вторым) уровнями эталонной модели. Выделяют следующие уровни иерархической структуры системы [4; 20]:

• непрерывный канал;

• дискретный канал;

• блоковый канал;

• канал передачи данных;

• звено данных.

Совокупность вышеперечисленных понятий позволяет получить известную и широко используемую структуру системы передачи дискретной информации (СПДИ) [14]. Простейшая структура СПДИ приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Современные СПДИ представляют собой, как правило, систему с обратной связью, в которой управление передачей дискретной информацией осуществляется в каждый момент времени по текущему состоянию объекта. Такое управление называется оперативным. Объектом управления в таких системах является совокупность приемо-передающей аппаратуры и прямой канал связи. Управление осуществляется по состоянию объекта и внешнему воздействию. В системах с решающей обратной связью (Automatic Repeat reQuest systems или ARQ-системах) значение оперативного управления является функцией от значения помехи, являющейся случайной величиной [8]. При проектировании подобных систем в качестве априорной информации используется среднее значение помехи. В большинстве случаев в реальных ситуациях априорной информации недостаточно для разработки эффективных алгоритмов функционирования ARQ-систем из-за нестационарности внешнего воздействия. Для управления в таких условиях требуются алгоритмы управления, в которых недостаток априорной информации восполняется в процессе функционирования СПДИ. Этот класс алгоритмов носит название алгоритмов адаптивного управления СПДИ. В зависимости от значения внешнего воздействия алгоритмы этого типа обеспечивают не только управление самим объектом, но и подс�