Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 2
ОГЛАВЛЕНИЕ З
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ
ЭФФЕКТОВ В СИСТЕМАХ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 17
1.1 ТЕХНОЛОГИИ ЛИНЕАРИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК 19
1.1.1 Квадратурная петля (Cartesian Loop) 19
Ч'і 1.1.2 Высокочастотная обратная связь (RF Feedback) 20
1.1.3 Упреждение (Feedforward) 21
1.1.4 Удаление и восстановление огибающей (Envelope
elimination and restoration) 24
Линейное усиление с использованием нелинейных компонент (Linear Amplification Using Nonlinear Components) 26
Высокочастотное предыскажение (RF Predistortion) 27
Адаптивное цифровое предыскажение в основной полосе частот (Adaptive Digital Baseband Predistortion) 28
1.2 МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ПЕРЕГРУЗКОЙ В СЕТЯХ 30
Общие принципы борьбы с перегрузкой в сетях с коммутацией пакетов и их классификация 30
Современные протоколы транспортного уровня глобальных IP-сетей и их методы борьбы с перегрузкой 38
1.3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 47
1.4 ВЫВОДЫ 49
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ
ОПЕРАТОРОМ УРЫСОНА И ЕГО ДИСКРЕТНЫМ АНАЛОГОМ 50
ЗАДАЧИ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ И РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ 50
ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ МОДЕЛИ УРЫСОНА 58
ВЫВОДЫ 64
4 ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЛИНЕАРИЗАЦИИ
НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ 65
3.1 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ 70
Корреляционный анализ экспериментальных данных 70
Математическая модель на базе модели Урысона 71
Построение урысоновской модели усилителя на основе кусочно-линейных сплайнов 72
Построение урысоновской модели усилителя на основе полиномиальных функций 79
3.2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
СИСТЕМЫ ЛИНЕАРИЗАЦИИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ 86
Построение обратной математической модели усилителя мощности 89
Построение математической модели механизма адаптации параметров системы линеаризации 90
Алгоритм адаптации, основанный на методе стохастической аппроксимации 92
3.3 ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ И СИСТЕМЫ ЛИНЕАРИЗАЦИИ 98
Исходные данные 98
Модель усилителя 99
Результаты работы модели усилителя с базовыми функциями в виде кусочно-линейных сплайнов 100
Результаты работы модели усилителя с базовыми функциями в виде полиномов 100
Модель системы линеаризации без учета механизма адаптации параметров 101
3.3.6 Результаты работы модели системы линеаризации без
учета механизма адаптации параметров с базовыми функциями в
виде полиномов 103
3.3.7 Результаты работы модели системы линеаризации без
учета механизма адаптации параметров с базовыми функциями в
виде кусочно-линейных сплайнов 105
Модель системы линеаризации с учетом механизма адаптации параметров (полная модель) 106
Результаты работы полной модели системы линеаризации
с базовыми функциями в виде полиномов 108
3.3.10 Результаты работы полной модели системы
линеаризации с базовыми функциями в виде кусочно-линейных
сплайнов 115
3,4 ВЫВОДЫ 123
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕГРУЗКОЙ В
IP-СЕТИ 126
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ И ЗАДАЧИ СИСТЕМЫ БОРЬБЫ С ПЕРЕГРУЗКОЙ 126
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИРТУАЛЬНОГО
КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 133
Получение экспериментальных данных и их корреляционный анализ 135
Математическая модель виртуального канала связи на базе модели Урысона 149
4.3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ БОРЬБЫ С
ПЕРЕГРУЗКОЙ В ВИРТУАЛЬНОМ КАНАЛЕ СВЯЗИ 158
4.3.1 Алгоритм адаптации, основанный на методе
стохастической аппроксимации 161
4.4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ БОРЬБЫ С
ПЕРЕГРУЗКОЙ 163
Управление частотой потерь пакетов в процессе передачи данных 166
Работа системы борьбы с перегрузкой в области малых значений управляющего параметра 169
Работа системы борьбы с перегрузкой при изменении пропускной способности канала передачи данных 175
4.5 ВЫВОДЫ 193
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 197
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 201
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.
В теории управления одной из наиболее сложных и трудно решаемых задач является эффективное управление работой динамических систем в режиме перегрузки. Под перегрузкой, в данном случае, понимается такой режим работы, при котором характеристики системы начинают значительно отличаться от требуемых в силу наличия нелинейных эффектов. При этом последние проявляются вне определенной области входных воздействий, которые система в состоянии обработать корректно и самостоятельно [14]. Режимы перегрузки существуют практически в любой системе, что в большинстве случаев накладывает ряд жестких ограничений на ее работу, и в частности, на диапазон разрешенных входных воздействий. Перегрузка отражается на результатах работы системы обработки и передачи информации, прежде всего, в появлении нежелательных нелинейных эффектов, которые искажают результирующий поток выходных данных и тем самым ухудшают качество передаваемой информации.
На данный момент большинство задач разделения и восстановления сигналов, спектрального анализа, идентификации и распознавания образов основываются на алгоритмах обработки линейного типа, т.е. на таких преобразованиях, параметры которых не зависят от самих обрабатываемых сигналов. Данные алгоритмы хорошо изучены и математически обоснованы, но в случае наличия нелинейных эффектов в системе обработки не могут дать ожидаемого результата. Это особенно остро заметно, когда исследуемая
8 система также является динамической системой реального времени и требует
адаптивной подстройки своих параметров в процессе работы [1]. Основным
этапом в построении системы управления является задача создания
адекватной математической модели исследуемой системы. В настоящее
время общих эффективных подходов к ее решению для нелинейных
динамических систем неизвестно [20].
V' В диссертационной работе рассматриваются актуальные задачи
построения моделей нелинейных динамических систем в режимах
перегрузки, линеаризация этих систем, а также адаптивное управление их
работой. В качестве исследуемых объектов рассматриваются две системы в
области обработки и передачи информации: усилитель мощности сложных
сигналов и виртуальный канал связи транспортного уровня IP-сети с
коммутацией пакетов. В первом случае перегрузка порождается наличием
сигналов непредсказуемой амплитуды в сложном широкополосном сигнале
на входе усилителя [11], во втором случае - попыткой источников трафика
превысить пропускную способность канала передачи данных [16].
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью данной работы является анализ и разработка алгоритмов управления нелинейными динамическими системами на основе выбранной модели анализа и идентификации, разработанной П.С. Урысоном с целью компенсации эффектов динамической нелинейности [1].
9 ЗАДАЧИ РАБОТЫ.
В данной работе поставлены следующие задачи:
Исследование нелинейной модели Урысона дискретного времени для описания динамических систем в режимах перегрузки;
Разработка алгоритма обращения дискретной модели Урысона;
Построение математической модели амплитудной характеристики высокочастотного широкополосного усилителя мощности на основе дискретного аналога интегрального оператора Урысона;
Разработка математической и имитационной моделей системы линеаризации усилителя мощности на основе обратной дискретной модели Урысона. Усилитель мощности рассматривается как устройство, которое вносит нелинейные искажения в сигнал основной полосы частот. Добиться линейности амплитудной характеристики полной системы (усилитель + система линеаризации);
Построение алгоритма динамической адаптации параметров системы линеаризации усилителя, обеспечивающего эффективную линеаризацию при изменении параметров усилителя мощности в процессе работы;
Построение математической модели виртуального канала связи транспортного уровня IP-сети на основе дискретного аналога интегрального оператора Урысона;
Построение математической и имитационной моделей системы борьбы с перегрузкой в виртуальном канале. Система борьбы с перегрузкой должна
10 обеспечивать выполнение следующих критериев качества передачи
информации:
частота потерь пакетов в канале связи не должна превышать некоторое допустимое значение, которое задается пользователем протокола связи;
система борьбы с перегрузкой должна поддерживать максимальную скорость передачи информации при допустимой частоте потерь пакетов (критерий максимального использования сетевого ресурса).
8. Разработка алгоритма динамической адаптации параметров модели канала связи, который необходим для соблюдения приведенных критериев качества передачи информации при изменении пропускной способности рассматриваемого виртуального канала связи.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Для решения поставленных задач использовался математический аппарат идентификации нелинейных систем средствами многомерного регрессионного анализа, методами стохастической аппроксимации и последовательного обучения. Имитационное моделирование работы систем управления производилась средствами ЭВМ в пакетах математического (MATLAB) и сетевого (J-SIM) моделирования [36].
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
В диссертационной работе доказаны и продемонстрированы возможности построения моделей систем с нелинейностью и динамической памятью на базе дискретного аналога интегрального оператора Урысона, обладающего более высоким уровнем адекватности при описании эффектов перегрузки, чем известные методы.
В работе был впервые разработан алгоритм обращения дискретного аналога нелинейного интегрального оператора Урысона, что является результатом, позволяющим выполнить построение эффективных алгоритмов управления работой динамических систем, когда они входят в режим перегрузки.
В качестве прикладного результата был разработан новый подход к линеаризации широкополосного усилителя мощности стандарта WCDMA, который основывается на использовании оператора Урысона дискретного времени и его обращения для создания модели этого усилителя и построения системы компенсации нелинейных искажений в каналах связи на его выходе. В отличие от существующих подходов к решению этой задачи, описанных в главе 1, новый метод обладает более высокой точностью линеаризации за счет применения сложного алгоритма предыскажения сигнала в основной полосе частот, позволяющего добиться малого процента остаточной нелинейности в выходном сигнале усилителя мощности.
Второй практически важной задачей явилось создание не имеющей аналогов системы борьбы с перегрузкой в канале связи транспортного уровня
12 ІР-сети, которая основывается на использовании дискретного аналога
интегрального оператора Урысона для создания модели виртуального канала
связи. В отличие от систем борьбы с перегрузкой, используемых в
современных протоколах транспортного уровня ІР-сети, новая разработка
содержит эффективный механизм нелинейного предсказания скорости
передачи данных, обеспечивающий более рациональное использование
доступного сетевого ресурса.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
В работе создана имитационная модель и выполнено моделирование системы линеаризации высокочастотного широкополосного усилителя мощности с динамической адаптацией параметров, основанной на методике предыскажения входного сигнала с использованием обратной модели Урысона. Данная методика может быть использована в качестве рекомендаций к внедрению данной системы в реальные усилители мощности передатчиков базовых станций широкополосных стандартов беспроводной радиосвязи, что повысит их коэффициент полезного действия и понизит шумы в каналах радиосвязи. Разработана модель алгоритма борьбы с перегрузкой для нового протокола транспортного уровня ІР-сети, который может быть использован в различных сетевых приложениях, использующих виртуальные IP-каналы и чувствительных к скачкам в скорости передачи данных, а также требующих максимального использования пропускной способности сети передачи данных при высоком уровне потерь пакетов.
13 Проведено имитационное моделирование работы созданного алгоритма
борьбы с перегрузкой.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Основные результаты работы были доложены на:
5-й международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" DSPA-2003 (г. Москва, 2003);
научно-технической конференции "Технические, программные и математические аспекты управления сложными распределенными системами" ООО "ТЕКОМ" (г. Н. Новгород, 2003);
6-й международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Системный анализ и информационные технологии" (г. Киев, 2004);
4-ой международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки" (г. Н. Новгород, 2005).
7-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2004).
конференции "Информационные системы и технологии ИСТ-2005" (г. Н. Новгород, 2005)
ПУБЛИКАЦИИ.
Основное содержание диссертации отражено в 8 печатных работах [II-18].
14 ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.
Впервые разработанный рекурсивный алгоритм обращения дискретного аналога нелинейного интегрального оператора Урысона. Оценка обусловленности задачи обращения;
Применение дискретной модели Урысона с базовыми функциями в виде кусочно-линейных сплайнов и полиномов для построения математической модели динамической амплитудной характеристики высокочастотного широкополосного усилителя мощности;
Математическая и имитационная модели системы линеаризации высокочастотного широкополосного усилителя мощности, которая обеспечивает требуемую линейность амплитудной характеристики полной системы (система линеаризации + усилитель);
Применение дискретной модели Урысона с базовыми функциями в виде кусочно-линейных сплайнов и полиномов для построения математической модели виртуального канала связи транспортного уровня IP-сети в виде зависимости средней частоты потерь пакетов Рср от фактора нагрузки LF;
Математическая и имитационная модели системы борьбы с перегрузкой в виртуальном канале связи, которые используют эффективный механизм регулирования скорости передачи данных, обеспечивающий более рациональное использование свободного сетевого ресурса, чем в существующих протоколах связи транспортного уровня ІР-сетей.
15 СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Текст диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, результатов внедрения, заключения и списка литературы.
В первой главе дан обзор существующих методов компенсации нелинейных эффектов в системах обработки информации. Детально рассмотрены известные методы линеаризации усилителей мощности, а также методы управления перегрузкой в IP-сетях. Здесь даны характеристические оценки существующим подходам, обозначены их достоинства и недостатки, приведены решаемые ими задачи, а также сформулирована задача диссертационной работы.
Во второй главе осуществляется выбор математического аппарата для моделирования нелинейных систем. Производится сравнительный анализ нескольких математических моделей и выносится объективное решение в пользу оператора Урысона и его дискретного аналога. Доказывается возможность обращения выбранной модели, что является очень важным результатом, используемым при создании алгоритмов компенсации нелинейных эффектов в системах обработки и передачи информации.
В третьей главе на основе дискретного аналога интегрального оператора Урысона разработана математическая модель высокочастотного широкополосного усилителя мощности, как устройства, которое вносит нелинейные искажения в сигнал основной полосы частот, а также построена математическая модель системы линеаризации этого усилителя с использованием обратной модели Урысона. Успешно проводится
имитационное моделирование полной системы (корректор + усилитель мощности) с учетом и без учета механизма адаптации параметров системы линеаризации. В итоге представлены положительные результаты работы корректора нелинейных искажений, который уменьшает результирующие кросс- и интермодуляционные помехи в каналах связи на выходе усилителя.
В четвертой главе представлены результаты построения математической модели виртуального канала связи транспортного уровня IP-сети, основанной на дискретном аналоге нелинейного интегрального оператора Урысона. Разработана математическая модель системы борьбы с перегрузкой в данном канале связи, которая использует обратную модель Урысона. Проводится имитационное моделирование разработанной системы борьбы' с перегрузкой и ее сравнительный анализ с существующими решениями, которые используются для реальных протоколов связи ІР-сетей.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
