Методи та засоби адаптивного передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп’ютерних системах
Ефективність використання каналу зв’язку у проблемно-орієнтованих розподілених системах. Підхід до визначення параметрів передавання інформації при складних умовах обміну даними. Параметри каналу зв’язку при забезпеченні якості приймання в реальному часі.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 26.08.2015 |
| Размер файла | 72,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Вінницький національний технічний університет
УДК 621.3
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Методи та засоби адаптивного передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах
Спеціальність 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти
Кулик Анатолій Ярославович
Вінниця - 2009
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант - доктор технічних наук, професор
Квєтний Роман Наумович,
Вінницький національний технічний університет,
завідувач кафедри автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки.
Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор
Філіпський Юрій Костянтинович,
Одеський національний політехнічний університет,
професор кафедри радіотехнічних пристроїв;
доктор технічних наук, професор
Мельник Анатолій Олексійович,
Національний університет „Львівська політехніка”,
завідувач кафедри електронних обчислювальних машин;
доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Яковлєв Юрій Сергійович,
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України,
завідувач відділом проблемно-орієнтованих комп'ютерів та систем.
Захист відбудеться „_19_” ___червня___ 2009 р. о _930__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210 ГУК.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
Автореферат розісланий „_18_” ____травня______ 2009 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради С.М. Захарченко
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Терміни „комп'ютерні системи” та „комп'ютерні мережі” сформувались останнім часом і підкреслюють спорідненість (за певними ознаками) структур процесорних засобів, призначених для збирання та оброблювання інформації. Так, всі сучасні системи будуються з використанням мікропроцесорних засобів, а це, в свою чергу, передбачає використання типових модулів, що призначаються для виконання певних чітко окреслених функцій. Вони можуть входити до складу комп'ютера або розроблятись для використання у мікропроцесорних контролерах.
Для розподілених систем прийнятне все висловлене вище, але особливого значення набуває процес передавання інформації. Суто інформаційні системи призначаються для циркулярного виведення інформації і передбачають використання симплексного режиму. Адресне опитування давачів або каналів у розподілених інформаційно-вимірювальних системах та автоматизованих системах управління вимагає використання напівдуплексного режиму. Комп'ютерні мережі потребують задіяння повнодуплексного режиму.
Серед вищевказаних розподілених комп'ютерних систем і мереж можна виділити мережі загального призначення, які формуються для вирішення задач інформаційного характеру; проблемно-орієнтовані системи, які використовуються для вирішення обмеженого кола прикладних задач певного виду (системи автоматизованого управління та контролю, інформаційно-вимірювальні та довідкові, системи охоронної сигналізації, відеоспостереження тощо); спеціалізовані системи, призначені для вирішення конкретних задач з фіксованими алгоритмами функціонування (зв'язкові процесори, технологічні контролери тощо).
Процес передавання інформації регламентований стандартами, протоколами та рекомендаціями, які визначають відповідні технології побудови технічних засобів. Вони завдають необхідні умови зв'язку, параметри та характеристики каналу та сигналів. Так, технологія xDSL вимагає співвідношення сигнал/шум на рівні 21,3 дБ, що забезпечує імовірність появи помилок (BER - Bit Error Rate) не більше 10-7. Зменшення співвідношення сигнал/шум визначає складні умови обміну даними і, відповідно, нештатний режим роботи обладнання, яке гарантовано забезпечити необхідну вірогідність передавання даних не може. Для таких випадків розглядаються питання визначення окремих параметрів передавання, але основною проблемою є недостатньо ефективне передавання інформації у розподілених комп'ютерних системах при складних умовах зв'язку внаслідок обмеженого регулювання параметрів передавання інформації між компонентами систем в режимі реального часу.
Особливо гострою вона є для проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем та мереж завдяки різноманітності їх функціонального призначення, відмінності природи використовуваних каналів, великій кількості стандартів, протоколів та рекомендацій різного рівня, а також відсутності зацікавленості великих компаній-розробників у розробленні єдиної концепції побудови засобів зв'язку для використання у вищезгаданих галузях. Саме для цих випадків використання адаптивних методів управління процесом передавання інформації є необхідним і може дати найбільший ефект.
2
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні задачі дисертації відповідають державним науково-технічним програмам, що визначені Законами України “Про наукову і науково-технічну діяльність”, “Про національну програму інформатизації” та планам науково-технічних робіт Міністерства освіти і науки України: 6 - Інформатика, автоматизація і приладобудування, 6.2.1 - Інтелектуалізація процесів прийняття рішень, 6.2.2 - Перспективні інформаційні технології і системи.
Робота виконувалась на кафедрі автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки Вінницького національного технічного університету відповідно планам науково-дослідної роботи в рамках договорів № 41/28 (№ державної реєстрації 0206U007320), № 41/29 (№ державної реєстрації 0106U006439), № 41/30 (№ державної реєстрації 0106U006438), при виконанні яких автор брав участь як науковий керівник. Основні методи побудови засобів передавання інформації з тестуванням каналу зв'язку були впроваджені під час розроблення розподілених комп'ютерних систем різного функціонального призначення, про що свідчать відповідні акти і довідки.
Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є підвищення ефективності використання каналу зв'язку у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах шляхом розроблення методології для формування єдиного підходу до визначення параметрів передавання інформації при складних умовах обміну даними з урахуванням оцінки параметрів каналу зв'язку при забезпеченні необхідної якості приймання в реальному часі. канал зв'язок розподілений приймання
Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати задачі:
1. Провести порівняльний аналіз існуючих засобів передавання інформації з урахуванням особливостей архітектури проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем і систематизувати відомі теоретичні підходи до їх побудови, визначивши найбільш перспективні.
2. Створити теоретичні засади побудови приймача у проблемно-орієнтованій розподіленій комп'ютерній системі, а також комплекс математичних моделей для забезпечення ефективного управління процесом обміну даними за параметрами, які визначають умови передавання.
3. Провести оцінку ефективності використання методів та реалізації параметрів кодування з урахуванням можливості їх вибору за результатами тестування каналу зв'язку проблемно-орієнтованої розподіленої комп'ютерної системи.
4. Проаналізувати вплив завад різного типу в каналі зв'язку проблемно-орієнтованої розподіленої комп'ютерної системи на інформативні сигнали і визначити ефективні заходи для забезпечення стійкої ідентифікації інформативних сигналів.
5. Розробити методологічні основи у вигляді комплексу моделей, методів, способів та методик проектування адаптивних засобів передавання інформації в структурах проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем.
6. Розробити, експериментально дослідити і впровадити адаптивні засоби передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах і мережах.
3
Об'єкт дослідження - процес передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах з урахуванням існуючих рекомендацій, протоколів та технологій побудови засобів зв'язку.
Предмет дослідження - методи адаптивного управління процесом передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах на засадах отриманих результатів тестування каналу зв'язку.
Методи дослідження. Під час досліджень в дисертаційній роботі використовувались аналітичні методи, які базуються на теорії автоматичного управління, теорії інформації і кодування. При аналізі підходів до побудови цифрових систем передавання інформації використовувались методи імітаційного і математичного моделювання, а також імовірнісного аналізу. Для теоретичної побудови оптимального приймача Котельнікова використовувались методи теорії імовірностей та теорії інформації. При врахуванні обмеженого обсягу статистичних вибірок результатів передавання використовувався метод оцінки Парзена. Для розроблення математичної моделі каналу зв'язку цифрової системи передавання використовувались методи, які базуються на теорії автоматичного управління. Під час аналізу методів кодування використовувались математичні та обчислювальні методи для рішення диференціальних рівнянь, методи теорії кодування та теорії інформації. Для ідентифікації інформативних сигналів та побудови фільтрів використовувались методи спектрального, секвентного та вейвлет-аналізу, методи теорії інформації та фільтрації сигналів. Для аналізу, побудови та випробування структур, які реалізують методи адаптації, використовувались методи функціонального, схемотехнічного та математичного моделювання, фізичні експерименти на макетах та експериментальних зразках, методи теорії імовірності і математичної статистики.
Наукова новизна одержаних результатів і положень полягає в подальшому розвитку теорії передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах, спрямованої на створення методології побудови відповідних технічних засобів, які забезпечують необхідну вірогідність передавання в режимі реального часу за рахунок регулювання параметрів передавання на засадах визначення параметрів каналу зв'язку в результаті його тестування.
4
В роботі отримані такі наукові результати:
1. Вперше вирішено проблему передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах при складних умовах зв'язку за рахунок забезпечення регулювання параметрів передавання інформації між компонентами систем в режимі реального часу.
2. Вперше запропоновано єдиний підхід до побудови засобів цифрового зв'язку між компонентами проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем на нижніх рівнях зі зміною основних параметрів передавання залежно від результатів тестування і моніторингу каналу.
3. Дістала подальшого розвитку методологія побудови засобів передавання інформації, яка, на відміну від існуючої, забезпечує підвищення ефективності обміну даними за рахунок адаптації пристроїв до параметрів каналу зв'язку на засадах його тестування з урахуванням вимог фізичного та канального рівнів взаємодії відкритих систем.
4. Вперше розроблено математичну модель каналу зв'язку проблемно-орієнтованої розподіленої комп'ютерної системи як автоматизованої системи управління процесом передавання, яка, на відміну від існуючих, дозволила визначити показник якості передавання даних для випадків мажоритарного і завадозахищеного (п, k)-кодування залежно від складу вектора інформативного сигналу та параметрів передавання, що дозволяє використовувати для аналізу, синтезу і управління роботою комп'ютерної системи на канальному рівні математичний апарат теорії автоматичного управління.
5. Вперше розроблено математичну модель приймача в структурі проблемно-орієнтованої розподіленої комп'ютерної системи, яка на відміну від існуючих, пов'язує комплекс параметрів передавання та ідентифікації інформативних сигналів з параметрами каналу зв'язку, що дозволяє вибирати за результатами тестування каналу і адаптивно змінювати під час моніторингу пороги ідентифікації інформативних сигналів на фізичному рівні. Вибрано інформаційний критерій, який дозволяє визначати необхідність введення додаткових регулюючих параметрів для ефективного управління процесом передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах.
6. Вперше розроблено математичну модель, яка, на відміну від існуючих, пов'язує ефективну швидкість передавання з параметрами каналу, передавання та коду при мажоритарному і завадозахищеному (п, k)-кодуванні на канальному рівні, що дозволяє за результатами тестування вибрати оптимальний метод кодування для визначених умов передавання і параметрів каналу зв'язку.
7. Проведено дослідження впливу завад різного типу на інформативний сигнал під час передавання даних в умовах широкосмугової модуляції, в результаті якого вперше, на відміну від існуючих, запропоновано двоетапну фільтрацію з вилученням імпульсних завад за допомогою медіанного фільтра та флуктуаційних - за допомогою вейвлет-пакетів, а також вперше запропоновано використання швидкої медіанної фільтрації сигналів з урахуванням вимог двох нижніх рівнів взаємодії відкритих систем.
8. Запропоновано нові методи передавання інформації, які, на відміну від існуючих, забезпечують підвищення ефективності обміну даними у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах з урахуванням вимог фізичного та канального рівнів.
5
Практичне значення одержаних результатів роботи полягає, насамперед, у розробленні методики, яка забезпечує можливість використання результатів теоретичних досліджень під час створення засобів передавання інформації, які призначені для застосування при складних умовах зв'язку в проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах і мережах. Запропоновані та обґрунтовані в дисертаційній роботі методи адаптивного управління процесом передавання інформації з урахуванням вимог трьох нижніх рівнів взаємодії відкритих систем дали можливість розробити і впровадити апаратні та програмні засоби, які забезпечують підвищення ефективності роботи комп'ютерних систем при завданій вірогідності приймання інформації.
На основі наукових положень розроблено програмні продукти для забезпечення зберігання, оброблювання, захисту та адаптивного передавання інформації каналами зв'язку колективного користування, які впроваджено в обласній дирекції АППБ “Аваль” (м. Вінниця), у відділенні № 1 банку “Петрокоммерц Україна” (м. Вінниця), у приватному підприємстві “Інтехсервіс-В” для забезпечення ефективного функціонування мереж при використанні модемних, дротових та радіоканалів, а також використано під час побудови комп'ютерних систем охоронно-пожежної сигналізації (ТОВ „Пожежне спостереження - Вінниця”), відеоспостереження (ТОВ „Ліана”, м. Вінниця), навігаційних (ТОВ „Навіоніка”, м. Київ) та розподілених інформаційно-вимірювальних (ВАТ „Вінницягаз”, ДП „ВТМ”).
Результати роботи також використовуються на кафедрі автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки ВНТУ для підготовки бакалаврів, інженерів та магістрів за спеціальністю 0914 “Системи управління і автоматики”.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані здобувачем самостійно і опубліковано в роботах [1, 3, 5, 8, 13, 17, 30 - 32, 41, 53, 58, 59, 70, 72, 75].
З робіт, опублікованих у співавторстві, використовуються результати, отримані особисто здобувачем: [4, 6, 11, 12, 14 - 16, 19 - 29, 33 - 40, 44 - 47, 50 - 52, 54, 55] - визначено концепцію, поставлено наукову задачу і визначено шляхи її розв'язання; [2] - розроблено теоретичні засади і запропоновано методи передавання інформації, проведено експериментальні дослідження; [9, 10, 18] - запропоновано методику і проведено розрахунки; [7, 42, 43] - отримано математичні співвідношення, розроблено структуру пристрою; [56, 57, 60 - 69, 73, 74] - отримано математичні співвідношення, розроблено структурну схема пристрою та визначено порядок виконання дій; [48] - сформульовано ідею і визначено шляхи її розв'язання; [49] - визначено концепцію, отримано математичні співвідношення.
6
Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати було апробовано на 16 науково-технічних конференціях різного рівня. Серед них: міжнародна науково-технічна конференція “Контроль та управління в складних системах” (м. Вінниця, 2001, 2003, 2005 рр.); міжнародна конференція “Інтернет-Освіта-Наука” (м. Вінниця, 2004, 2006 рр.); республіканська науково-технічна конференція конференція „Информатика и автоматизация в регионе” (м. Вінниця, 1988 р.), Українська конференція з автоматичного керування “Автоматика-96” (м. Севастополь, 1996 р.); міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології” (м. Чернівці, 2001 р.); ІХ науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2002 р.); міжнародна науково-практична конференція “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2003 р.); міжнародна наукова конференція “Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій” (м. Євпаторія, 2005 р.); міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології в освіті та управлінні” (м. Нова Каховка, 2005 р.), міжнародні науково-практичні інтернет-конференції „Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте” та „Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития” (м. Одеса, 2007 р.), IV міжнародна науково-практична конференція „Військова освіта та наука: сьогодення і майбутнє” (м. Київ, 2008 р.), IV міжнародна науково-практична конференція „Nauka і inovacja” (м. Пршемишль, Польща, 2008 р.), IV міжнародна науково-практична конференція „Новости научной мысли” (м. Прага, Чехія, 2008 р.), IV міжнародна науково-практична конференція „Vedecky prumysl evropskeho kontinentu” (м. Прага, Чехія, 2008 р.), IV міжнародна науково-практична конференція „Zpravy Vedecke” (м. Прага, Чехія, 2008 р.), IV міжнародна науково-практична конференція „Постигането на висшето образование” (м. Софія, Болгарія, 2008 р.). Результати дисертаційної роботи представлялись і обговорювались на щорічних науково-технічних конференціях ВНТУ, міжкафедральних науково-технічних семінарах ВНТУ та ХНУРЕ, міжуніверситетському науково-технічному семінарі професорсько-викладацького складу інституту автоматики, електроніки та комп'ютерних систем управління Вінницького національного технічного університету (Україна) та факультету комп'ютерних наук технологічного університету (Хайфа, Ізраїль).
Публікації. Результати дисертації опубліковано в 75 наукових працях. Серед них: 2 монографії, 44 статті, з яких 32 - у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 9 тез доповідей на конференціях, 20 патентів України. Видано 1 підручник, 10 навчальних посібників та зареєстровано 29 свідоцтв на програмні продукти, що є інтелектуальною власністю, для використання результатів досліджень у навчальному процесі.
7
Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 448 сторінок, в тому числі 349 сторінок основного тексту (з яких 51 містить рисунки та таблиці), 142 рисунки і 13 таблиць. Бібліографія нараховує 430 джерел і викладена на 51 сторінці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми і сформульована основна проблема, яка вимагає розв'язання, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано мету і основні задачі досліджень, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів, основні праці, опубліковані за темою дисертації, структуру та об'єм роботи.
Перший розділ присвячений аналізу методів та засобів адаптивного передавання інформації у комп'ютерних системах. Аналіз принципів розподілу каналів зв'язку, проведений за коефіцієнтом ефективності використання каналу, який показав, що найбільш ефективним принципом розподілу каналів потенційно є кодовий, який, крім цього, забезпечує забезпечує високу порогову чутливість.
Далі проведений детальний аналіз методів широкосмугової модуляції, оскільки кодовий розподіл каналів використовується саме для її організації. Проведена класифікація методів побудови широкосмугових модульованих сигналів та їх порівняльний аналіз, для чого використана база сигналу.
Оскільки величина бази визначає, в першу чергу, завадозахищеність передавання даних, то вона повинна бути якнайширшою. З цієї точки зору, аналіз виразів, що характеризують бази для розглянутих видів сигналів, показує перспективність реалізації ортогонального кодування.
8
Проведена класифікація ортогональних послідовностей для утворення широкосмугових сигналів і їх кореляційний аналіз дозволили довести перспективність використання вейвлет-функцій.
Проведено аналіз завадозахищеності систем зв'язку для різних умов передавання і отримано залежності імовірності помилок від співвідношення сигнал/шум в умовах різних видів модуляції. Отримано залежності імовірності помилок від співвідношення сигнал/шум при використанні двійкових і недвійкових сигналів при когерентному та некогерентному прийманні. Визначено найбільш ефективні апріорні умови передавання.
Проведено аналіз методів адаптивного передавання і виявлено їх основні переваги та недоліки. Показано, що розглянуті методи і алгоритми не вирішують проблеми в цілому, оптимізуючи процес передавання лише за одним параметром, а в деяких випадках просто вибираючи підканали з найкращими характеристиками.
Таким чином основна проблема полягає в недостатньо ефективному передаванні інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах при складних умовах зв'язку внаслідок обмеженого регулювання параметрів передавання інформації між компонентами систем в режимі реального часу. Особливі складнощі при обміні інформацією викликають неоднорідні розподілені комп'ютерні системи, оскільки для їх реалізації часто використовують канали зв'язку різної природи, їх апаратна частина вміщує обладнання різного функціонального призначення, часто несерійного виробництва, яке хоча і сертифіковане, але вимагає оригінального програмного забезпечення. Це властиво, в першу чергу, інформаційно-вимірювальним системам, певним системам сигналізації тощо. Передавання інформації в них здійснюється в складних умовах, при високому рівні завад, часто в нештатних режимах. Саме для них необхідно використовувати адаптацію пристроїв передавання до параметрів каналу зв'язку з урахуванням вимог трьох нижніх рівнів взаємодії відкритих систем.
На підставі вищевикладеного визначено напрямок і сформульовано задачі досліджень.
У другому розділі розроблено комплекс математичних моделей процесу передавання інформації у проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних системах.
Розглянуто загальні теоретичні передумови побудови приймача і показано, що найбільш простим і природним для ідентифікації прийнятих сигналів є критерій В.А. Котельникова. Отримані співвідношення, які пов'язують імовірності помилок з апріорними параметрами передавання для уніполярних і біполярних сигналів. Розглянута задача приймання інформативних сигналів Хі на фоні завад з апріорно невідомими параметрами. Для випадку використання одного з імпульсних видів модуляції можна припустити, що всі спостереження підпорядковуються релеєвському закону. Тоді відношення правдоподібності для даного випадку можна звести до відношення композицій статистичних значень інформативного сигналу і завади.
Таким чином, поріг визначення результату Л вибирається адаптивно залежно від інтенсивності завад , а для визначення інформативного сигналу фіксується його різниця порівняно із завадами.
Основною задачею приймача є ідентифікація прийнятої кодової комбінації, якій надані певні ознаки посилання. Таким чином, процес приймання кодової комбінації можна розділити на дві частини: ідентифікацію ознак посилання і визначення значень інформативних розрядів. Перший етап відповідає критерію Неймана-Пірсона, а другий - критерію Котельнікова. Проведені наближені розрахунки імовірностей правильної ідентифікації ознаки посилання аналітичними методами, з розрахунком відстані Бхатачарія та границі Чернова для імовірностей помилок Рп = 10-3 та Рп = 10-5 при різних умовах передавання. Результати показують, що найвища точність притаманна аналітичному методу оцінювання. Можна також проводити розрахунки в умовах апроксимації законів розподілу нормальними. Здійснювати ж ідентифікацію з використанням відстані Бхатачарія та границь Чернова в даному випадку недоцільно завдяки низькій точності отримуваних результатів.
Якщо у вигляді показника якості передавання інформації каналом Ek взяти об'єм сигналу, то його мінімізація за умови забезпечення необхідної вірогідності обміну інформацією повністю відповідає поставленій меті. Виходячи з цього, можна сформувати цільову функцію.
Умова F = const показує, що смуга частот для формування каналу зв'язку визначається нормативно і змінюватися не може, а потужність сигналу передавача Рс.пер не може перевищувати граничного значення для забезпечення працездатності системи в цілому. Швидкість передавання інформації теж не повинна перевищувати граничного значення, яке визначається циклом оброблювання даних на приймачі.
Переходячи до логарифмічних осей координат, задачу оптимізації можна звести до розв'язання задачі лінійного програмування симплекс-методом.
Таким чином, визначення локальних оптимумів за окремими складовими визначає досягнення оптимальних умов передавання інформації в цілому і дозволяє здійснити як параметричну, так і структурно-алгоритмічну оптимізацію.
Розроблена математична модель системи обміну інформацією як автоматизованої системи управління процесом передавання у вигляді системи різницевих рівнянь з використанням матриць перехідних імовірностей, які визначають помилки приймання даних, що дозволяє використовувати класичні методи аналізу і синтезу автоматизованих систем управління.
Вираз для визначення умовної імовірності відповідно до формули Байєса з урахуванням структури повідомлення може бути використаний як для прямого, так і для зворотного каналу, тому ідентифікатор каналу не використовується.
Оскільки за час ф приймається лише один сигнал чи констатується їх відсутність, повна апостеріорна імовірність приймання сигналів дорівнює сумі апостеріорних імовірностей ідентифікації імпульсу позитивного рівня за умови приймання сигналу , імпульсу негативного рівня за умови приймання сигналу та сигналу нульового рівня за умови приймання сигналу .
Виходячи з цього, показано, що кінцева умова співвідношення сигнал/шум при формуванні інформативного сигналу передавача дозволяє визначити співвідношення сигнал/шум на виході передавача відносно входу приймача з урахуванням впливу білого шуму на інформативний сигнал та апріорних імовірностей інформативних сигналів без врахування згасання сигналу в каналі зв'язку. Отриманий вираз дозволяє визначення помилки ідентифікації інформативного сигналу.
В літературі наведено застосування дискримінантної процедури для хаотичного кодування, але область її застосування можна поширити і на широкосмугову модуляцію з урахуванням того, що в даному випадку визначається зміна не частоти сигналу, а його амплітуди в каналі зв'язку. При цьому зберігаються всі переваги вказаної процедури оброблювання сигналу приймача, що відповідає фізичному рівню взаємодії відкритих систем.
Вибраний інформаційний критерій, за допомогою якого оцінюються пороги, при яких потрібно змінювати параметр регулювання для адаптивного управління процесом передавання інформації, а при необхідності вводити додатковий. Розрахунки інформаційної ефективності, а також імовірнісні розрахунки згідно з формулами Байєса передбачають використання умовних щільностей імовірностей параметрів регулювання, що відповідають різним станам об'єкту. Визначення закону розподілу вимагає набору великої кількості значень, що в реальних умовах не завжди можна здійснити. Для цих випадків доцільно користуватися методами, призначеними для оброблювання малих вибірок, до яких відноситься побудова щільності імовірності методом суми нормальних ядер (оцінювання Парзена). Визначена необхідна послідовність розрахунків і запропонований відповідний алгоритм. Проведена оцінка ефективності регулювання для різних випадків, що пов'язано з канальним рівнем взаємодії відкритих систем.
В третьому розділі проведений аналіз особливостей завадозахищеного кодування в системах передавання даних, визначені формати їх представлення, для яких сформульовані цільові функції ефективного передавання. Проведена оцінка параметрів передавання для різних методів кодування і форматів даних.
Розроблена математична модель, співвідношення якої пов'язують ефективну швидкість передавання з параметрами (n, k)-коду (кількістю інформаційних розрядів, загальною кількістю розрядів та кодовою відстанню) залежно від імовірності спотворення елементарного сигналу для різних методів кодування.
Критерієм необхідності зміни алгоритму кодування є досягнення співвідношенням критичного значення на одну кодову комбінацію, що передається каналом зв'язку.
Розроблена математична модель, співвідношення якої пов'язують ефективну швидкість передавання з параметрами каналу, передавання і необхідною кількістю повторювань при мажоритарному декодуванні. Розв'язання цього рівняння дає змогу визначити кількість повторювань r кодової комбінації довжини п, оптимальну для імовірності спотворення елементарного сигналу р0.
Проведена оцінка імовірності безпомилкового передавання залежно від параметрів передавання та вигляду кодової комбінації. Їх аналіз для вищевказаних методів залежно від імовірності спотворення елементарного сигналу кодової комбінації р0, показує, що границя мінімально допустимого значення ргр чітко визначає різницю у потенційній корегувальній здатності методів кодування, що дозволяє ввести їх чітку градацію за цим показником.
Підготовка даних до процесу передавання вимагає стиснення їх об'єму. Це суттєво впливає на час передавання і, як наслідок, на об'єм сигналу. Розроблений ряд методів стиснення з використанням апроксимації ортогональними функціями різного типу. Розроблені методи завадозахищеного кодування з використанням функцій Уолша-Адамара та Хаара, показана ефективність їх використання для конкретних умов. Проведена оцінка криптографічної стійкості завадозахищених кодів без використання додаткових алгоритмів шифрування і запропоновані заходи для її підвищення.
Таким чином, розв'язана задача створення теоретичних засад для розроблення адаптивних засобів передавання інформації у складі проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем, що відповідає канальному рівню взаємодії відкритих систем.
У четвертому розділі розглянуто методи і засоби фільтрації шумів в адаптивних цифрових засобах передавання інформації між компонентами проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем і мереж.
Проведений спектральний аналіз формованих сигналів і визначена їх взаємодія з каналом зв'язку для різних умов передавання і базисів, що дозволило оцінити взаємний вплив каналу зв'язку і сигналів, що передаються. Визначені умови виникнення вторинних сигналів в каналі зв'язку і проведена оцінка їх впливу як в базисі функцій Фур'є, так і в базисі ортогональних функцій; показані умови звільнення від них каналу зв'язку.
Визначені умови приймання інформації з урахуванням впливу завад та взаємодії із сигналами різних видів маніпуляції. Завадозахищеність приймача дискретної інформації визначається співвідношенням сигнал/шум на вході детектора. Це показує, що за рахунок збільшення об'єму сигналу завжди можна досягти значення достатнього для надійного приймання інформації.
Тобто в обох випадках за рахунок зміни бази сигналу можна забезпечити необхідне співвідношення сигнал/шум. Другий випадок характеризується тим, що завадозахищеність залежить від співвідношення . Цей випадок можна розглядати як суперпозицію сигналів широкосмугової та якогось з видів імпульсної модуляції у каналі зв'язку. Другий сигнал в цьому випадку виступає в ролі завади, але вони не є ортогональними. Таким чином, якщо передбачається сумісне проходження цих сигналів однією лінією зв'язку, то є велика імовірність, що їх смуги частот будуть перекриватися. При цьому необхідно добиватись якнайвужчої смуги частот для супутніх імпульсних видів модуляції. Забезпечення мінімальної смуги частот запропоновано для кодово-імпульсної, широтно-імпульсної, фазово-імпульсної та частотно-імпульсної модуляцій.
Умови роботи сучасних засобів передавання інформації такі, що в каналі зв'язку крім флуктуаційних шумів о(t) і мультиплікативної завади н(t) наявний імпульсний потік з регулярною чи хаотичною структурою. Причиною виникнення імпульсного потоку ч(t) можуть бути як зовнішні імпульсні завади, так і неінформативні імпульси (за рахунок перегонів та вторинних сигналів), які можуть формуватися самою схемою передавача. Для цих умов ідентифікацію інформативного сигналу необхідно здійснювати згідно з теоремою Котельнікова. Проведена оцінка показала, що ідентифікація імпульсу за принципом визначення одного середнього значення знижує завадозахищеність в разів. Отримані результати показують порівняно незначний вплив на завадозахищеність, але побудова приймача при цьому значно спрощується.
Для виділення інформативного сигналу на фоні завад пропонується двоетапна фільтрація, при якій імпульсні завади вилучаються за допомогою медіанного фільтру, а при необхідності вилучення ще й флуктуаційних завад використовуються вейвлет-пакетні фільтри. Визначені необхідні параметри засобів для їх реалізації. Проведені розрахунки імовірностей вилучення імпульсної завади від імовірності рч для рекурсивних медіанних фільтрів з різними апертурами. Отримані результати показують високу ефективність використання фільтрів такого типу.
Проведений аналіз імовірності помилок першого рІ та другого рІІ роду залежно від співвідношення сигнал/шум. З урахуванням того, що передавання здійснюється в біполярному режимі, імовірності помилок підтверджують високу ефективність двоетапної фільтрації сигналів.
В цьому розділі розв'язана задача аналізу впливу завад різного типу в каналі зв'язку на інформативні сигнали і визначення ефективних заходів ідентифікації інформативних сигналів з урахуванням особливостей побудови розподілених комп'ютерних систем, що відповідає двом нижнім рівням взаємодії відкритих систем.
У п'ятому розділі розглянуті питання методології побудови адаптивних пристроїв передавання інформації для проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем.
Організація управління процесом передавання базується на результатах тестування каналу зв'язку, тому в роботі докладно розглянута ця процедура. Отримані аналітичні співвідношення вимагають визначення реальних параметрів потужності шуму, а також імовірності спотворення елементарного сигналу р0.
Виходячи з того, що оцінювання цих параметрів вимагає різних режимів роботи каналу зв'язку, процес тестування каналу з вимкненням доцільно реалізовувати в два етапи: вимірювання параметрів шуму в пасивному режимі та з передаванням двійкових тестових послідовностей для розрахунку імовірностей спотворення елементарних сигналів. Оскільки в якості бази для ідентифікації сигналів на приймальній частині вибраний кореляційний аналіз, то і необхідні параметри для реалізації процесу необхідно визначати за оцінкою кореляційної функції. При цьому вибір параметрів залежить від оцінки очікуваних статистичних похибок, зумовлених кінцевим часом реалізації та точністю апроксимації. Природно, що за характеристику точності оцінки кореляційної функції R*(T, ф) доцільно прийняти середній квадрат похибки СКВ у2(Ф, ф). Якщо апроксимувати кореляційну функцію гаусівськими вейвлетами парних порядків, які за своїм виглядом вже нагадують кореляційну функцію і описуються аналітично, що є необхідним для подальшого аналізу. Параметром, який характеризує властивості кореляційної функції є час її затухання фз. Задавшись значенням кореляційної функції для моменту згасання R(фз) = 0,005, можна визначити значення фз. Для гаусівського вейвлету другого порядку параметр п0 визначається , звідки достатньо просто визначити Дф.
Розроблена система передавання інформації з використанням вейвлет-функцій, що дозволяє зберегти всі переваги методу передавання з використанням функцій Уолша, значно спростивши використовуване обладнання. Кожна із функцій може виступати у вигляді ідентифікатора каналу, як цього потребує принцип асинхронно-адресового обміну інформацією, що пов'язано з машрутизацією і відповідає мережному рівню взаємодії відкритих систем.
Розроблений метод підвищення швидкості передавання інформації з наближенням до межі Найквіста при використанні вейвлет-сигналів непрямокутного вигляду із мінімізацією утворюваних вторинних сигналів.
Можна вибрати оптимальне значення затримки між імпульсами ф таким чином, щоб смуга частот, яку займає сигнал, відповідала умовам використання каналу. Аналіз показує, що зсув імпульсів на чверть періоду залишає лише одну складову , тобто канал зв'язку буде передавати лише одну гармоніку.
Оскільки під час приймання інформації немає необхідності у відновленні форми імпульсів, а задача зводиться лише до визначення амплітуди сигналу, що надійшов з каналу у фіксовані проміжки часу, то на якість передавання інформації це абсолютно не впливатиме. Швидкість передавання при цьому збільшується у півтори рази, а потужність сигналу в каналі не збільшується.
20
Розроблений метод адаптації системи передавання до параметрів каналу зв'язку з визначенням швидкості передавання та потужності сигналів. Параметри передавання визначаються з урахуванням граничних завад і стрімкості фронтів інформативних сигналів. Виходячи з отриманого виразу, середньоквадратичне відхилення степені граничного спотворення імпульсів визначається співвідношенням, до якого входить швидкість передавання інформації та різниця між рівнями напруги логічних “одиниці ” та “нуля”, тобто параметри, які можуть варіюватися під час передавання, що відповідає фізичному рівню взаємодії відкритих систем.
Розроблений метод адаптації пристрою передавання інформації до параметрів каналу в умовах його несиметричності який дозволяє після тестування визначити необхідні рівні ідентифікації сигналів, що відповідає фізичному рівню взаємодії відкритих систем.
Розроблений метод передавання інформації в умовах кодування з повторюванням і арбітражем, який дозволяє чітко визначити необхідну кількість повторювань для мажоритарного декодування згідно з отриманими співвідношеннями, що відповідає канальному рівню взаємодії відкритих систем.
Розроблений метод передавання, який дозволяє визначити параметри (n, k)-коду за рахунок тестування каналу і оцінки імовірності спотворення елементарного сигналу, що відповідає канальному рівню взаємодії відкритих систем.
В цьому розділі розв'язана задача створення методології у складі комплексу моделей, методів, способів, алгоритмів та методик проектування адаптивних засобів передавання інформації для проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем та мереж. Отриманий ряд спрощених математичних моделей, які можуть бути використані для реалізації розроблених методів адаптивного управління процесом передавання інформації.
Шостий розділ присвячено розгляду питань реалізації адаптивних пристроїв передавання інформації для проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем і мереж, а також експериментальній перевірці отриманих результатів. Визначені основні шляхи реалізації пристроїв передавання інформації. Показано, що велику роль для побудови засобів передавання і оброблювання інформації відіграє не лише середовище передавання, але й можливість достатньо простої модернізації обладнання і програмного забезпечення. Витрати на заміну та переналаштування апаратури і програмного забезпечення при цьому повинні бути мінімальними. Крім цього, в реальних умовах експлуатації проблемно-орієнтованих розподілених комп'ютерних систем і мереж передавання інформації можуть сумісно використовуватись канали різного типу, що теж викликає певні складнощі. Виходячи з вищевикладеного, необхідно реалізувати модуль ідентифікації з виконанням кореляційного оброблення маніпульованих сигналів з визначенням рівнів за значеннями порогу, критеріальним оброблюванням для вилучення вторинних сигналів тощо. Базою для оброблювання сигналів під час приймання даних є виконання перетворення типу = К , де - процес на виході модуля оброблювання, К - набір вагових коефіцієнтів, необхідних для оптимального оброблювання сигналів, - дані, що поступають на вхід модуля.
Розроблений медіанний фільтр зі швидким оброблюванням значень, алгоритм роботи якого полягає в тому, що для фільтра з апертурою N = 5 при перших п'яти значеннях потрібно розраховувати лише дев'ять значень, розташованих у виділеній області. Сума різниць значень Fij за стовпчиками
показує номер значення по величині і дає можливість сортувати зареєстровані значення хj за величиною.
В середовищі MatLab проведене моделювання алгоритмів вейвлет-пакетної фільтрації. Для порівняння вибрані найбільш розповсюджені вейвлети Добеши порядку 1 - 10 з використанням жорсткої та м'якої порогової фільтрації. Для моделювання вибрані прямокутні імпульси, які піддавались впливу білого шуму малої, середньої та великої інтенсивності. Для порівняння наведені такі самі результати для оброблювання сигналу з шумом малої інтенсивності, але очищеного з використанням мінімаксного критерію, вбудованого до середовища MatLab. Таким чином, підтверджуються теоретичні припущення щодо необхідності ідентифікації сигналу у формі прямокутного імпульсу посередині інтервалу його тривалості, доцільності використання функцій Хаара та ефективності вейвлет-пакетного оброблювання сигналу.
Середовище MatLab дозволило змоделювати вузькосмугові фільтри для різних умов передавання. За центральну була вибрана частота фільтра, яка відповідає сигналу одного інформативного біта на стандартній швидкості передавання. Результати моделювання показують не лише можливість реалізації вузькосмугових фільтрів, але і їх високу ефективність, що передбачає можливість використання під час побудови пристроїв передавання інформації. Необхідно відзначити також порівняно невисокий порядок модельованих фільтрів, що дозволяє достатньо просто реалізувати їх.
...Подобные документы
Апаратні та програмні засоби комп'ютерних мереж, необхідність об'єднання ПК у одне ціле - локальну обчислювальну мережу. Вимоги, які висуваються до сучасних технологій обміну даними. Середовище обміну, канали, пристрої передавання та приймання даних.
реферат [549,2 K], добавлен 18.03.2010Описання видів загроз безпеки інформації. Комп’ютерні віруси як особливий клас руйнуючих програмних дій, їх життєвий цикл та стадії виконання. Засоби і методи захисту інформації у комп’ютерних системах, механізм їх дії. Класифікація антивірусних програм.
курсовая работа [48,9 K], добавлен 28.09.2011Визначення кількості інформації в повідомленні, ентропії повідомлень в каналі зв’язку, ентропії двох джерел повідомлень. Продуктивність джерела повідомлень, швидкість передачі інформації та пропускна здатність каналу зв’язку. Кодування, стиснення даних.
контрольная работа [590,8 K], добавлен 07.06.2012Програма розрахунку інформаційних характеристик каналу зв'язку. Побудова коду для передачі повідомлень. Процедури кодування, декодування та оцінка ефективності кодів. Програма на алгоритмічній мові Паскаль. Канальна матриця, що визначає втрати інформації.
курсовая работа [147,7 K], добавлен 09.07.2009Способи здійснення атак на відмову та пароль. Захист інформації від несанкціонованого доступу та від її витоку в комп'ютерних системах. Використання міжмережевих екранів, системи виявлення вторгнень, засобів аналізу захищеності в комунікаційних системах.
презентация [300,2 K], добавлен 14.08.2013Принципи інформаційної безпеки. Статистика атак в Інтернеті. Засоби захисту інформації у системах передачі даних. Загальні поняття та визначення в галузі проектування захищених автоматизованих систем. Захист телефонної лінії від прослуховування.
магистерская работа [1,2 M], добавлен 07.03.2011Основи безпеки даних в комп'ютерних системах. Розробка програми для забезпечення захисту інформації від несанкціонованого доступу: шифрування та дешифрування даних за допомогою криптографічних алгоритмів RSA та DES. Проблеми і перспективи криптографії.
дипломная работа [823,1 K], добавлен 11.01.2011Широке використання інформаційних технологій у всіх сферах життя суспільства. Інформація як об’єкт захисту. Основні види загроз безпеки інформації в комп’ютерних мережах. Несанкційований доступ до інформації і його мета. Порушники безпеки інформації.
реферат [253,2 K], добавлен 19.12.2010Дослідження криптографічних методів захисту даних від небажаного доступу. Основи безпеки даних в комп'ютерних системах. Класифікаційні складові загроз безпеки інформації. Характеристика алгоритмів симетричного та асиметричного шифрування інформації.
курсовая работа [245,8 K], добавлен 01.06.2014Види носіїв інформації у комп'ютерних системах. Класифікація носіїв економічної інформації. Перфораційні, магнітні носії, касетні мікрофільми і карткові мікрофіші. Розробка АРМ прибуток підприємства на основі баз данних надходження та вибуття коштів.
контрольная работа [422,7 K], добавлен 15.09.2009Основи безпеки даних в комп'ютерних системах. Канали проникнення та принципи побудови систем захисту. Ідентифікація і аутентифікація користувачів. Захист даних від несанкціонованого доступу. Технічні можливості зловмисника і засоби знімання інформації.
курс лекций [555,1 K], добавлен 05.12.2010Криптологія - захист інформації шляхом перетворення, основні положення і визначення. Криптографія - передача конфіденційної інформації через канали зв'язку у зашифрованому виді. Системи ідентифікації, характеристика алгоритмів шифрування; криптоаналіз.
реферат [125,8 K], добавлен 19.12.2010Терміни та визначення в галузі інформаційної безпеки, напрями її забезпечення (правовий, організаційний, інженерно-технічний). Захист інформації у комп’ютерних системах. Види загроз та можливі наслідки від їх реалізації. Суб’єкти та об’єкти захисту.
презентация [481,4 K], добавлен 21.10.2014Класифікація комп'ютерних мереж. Забезпечення функціонування локальної мережі за допомогою сервера. Топологія локальної мережі. Оптоволоконний інтерфейс до розподілених даних FDDI. Бездротові технології Wi-Fi, Bluetooth, GPRS. Мережеві апаратні засоби.
реферат [561,2 K], добавлен 15.03.2013Класифікація комп’ютерних мереж і топологій. Побудова функціональної схеми локальної мережі. Організація каналів зв’язку. Вибір способу керування мережею. Вибір конфігурації робочих станцій. Програмне забезпечення локальної мережі та захист інформації.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 15.06.2015Особливості та методика пошуку інформації та об’єктів у зовнішній пам’яті комп’ютера, в мережі або операційній системі Windows. Специфіка використання автономної й онлайнової довідки операційної системи. Параметри пошуку в прихованих або системних папках.
конспект урока [885,7 K], добавлен 03.01.2010Концепція розподілених систем управління народним господарством та локальна обробка інформації. Принципи створення автоматизованих робочих місць. Технико-экономічне обґрунтовування вибору системного та прикладного програмного забезпечення і комп'ютерів.
реферат [16,6 K], добавлен 15.06.2009Можливі канали витоку інформації. Джерела виникнення електромагнітних полів. Основні параметри можливого витоку інформації каналами ПЕМВН. Розроблення системи захисту інформації. Захист інформації блокуванням загроз без використання засобів ТЗІ.
дипломная работа [80,0 K], добавлен 13.03.2012Аналіз аналогової системи передачі. Порівняння завадостійкості системи зв’язку. Розрахунок інформаційних характеристик системи передачі. Декодування коректуючого коду. Шифрування кодами Цезаря та Віженера. Структурна схема цифрової системи передачі.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.04.2013Загальна характеристика ТОВ "WED". Програмне забезпечення і система документообігу підприємства. Технічні засоби охорони об’єктів від витоку інформації. Резервне копіювання інформації. Встановлення антивірусу. Впровадження криптографічного захисту.
курсовая работа [697,1 K], добавлен 01.06.2010
