Устройство для моделирования состояния канала связи

Полезная модель относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использована для научных исследований, в которых необходимо проведение моделирования параметров канала связи, описывающих его состояние в условиях внешних воздействий, в том числе и информационно-технических воздействий (ИТВ).
Устройство предназначено для имитационного моделирования состояния дискретного симметричного двоичного канала с памятью в условиях внешних воздействий и ИТВ, а также для непосредственной оценки вероятности возникновения ошибок в канале связи, вызванных внешними воздействиями или ИТВ.
Известно устройство для моделирования системы связи (Патент РФ на полезную модель №191159, опубликовано 25.07.2019, бюл. №21). Данное устройство позволяет осуществлять расчет характеристик качества информационного обмена в системах связи, функционирующих в режиме незакрепленных каналов. Однако в данном устройстве не учитываются влияние внешних воздействий на параметры каналов связи.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической реализации и выполняемым функциям аналогом (прототипом) является устройство для моделирования канала связи со сжатием без потерь (Патент РФ на полезную модель №78383, опубликовано 20.11.2008, бюл. №32), содержащее сумматор по модулю два, коммутатор источника ошибок, блок источника ошибок, два датчика случайных чисел, запоминающее устройство, коммутатор состояний, дешифратор нуля, кодер Хаффмана, декодер Хаффмана, блок сравнения, причем вход кодера Хаффмана является информационным входом, информационный выход которого соединен с сумматором по модулю два, а выход сумматора по модулю два соединен со входом декодера Хаффмана, выход которого является информационным выходом устройства, один вход блока сравнения является вторым информационным входом, второй вход блока сравнения соединен с информационным выходом устройства, причем выход блока сравнения является вторым информационным выходом для рассчитанной вероятности ошибки. Другой вход сумматора по модулю два соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, выход коммутатора источников ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел и входом дешифратора нуля, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого и второго постоянного запоминающего устройства, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок, выход сумматора по модулю два является выходом устройства.
Однако в данном устройстве не учтены параметры описывающие память канала, а также влияние дополнительных внешних воздействий (в том числе ИТВ) в совокупности с независимыми и группирующимися ошибками в канале связи.
Цель создания полезной модели - создание технического средства, позволяющего повысить достоверность моделирования состояния дискретного симметричного двоичного канала с памятью в условиях внешних воздействий и ИТВ, за счет учета вероятностных параметров, описывающих состояние канала связи, а также проводить оценку вероятности возникновения ошибок в канале связи в условиях внешних воздействий и ИТВ.
ε0
ε1
В основу работы устройства положена модель дискретного симметричного двоичного канала с памятью с глубиной памяти l=1 и числом состояний канала R=2 (модель Гильберта-Эллиота). Динамику смены состояния данного канала связи можно описать элементарной цепью Маркова, имеющей два состояния канала: «хорошее состояние» (G), в котором возникают ошибки, не связанные с внешними воздействиями (ИТВ), и «плохое состояние» (В), в котором ошибки обусловлены наличием внешнего воздействия (ИТВ). Вероятность ошибки в одном разряде составляет в состоянии (G) - P, а в состоянии (В) - P. На рисунке фиг. 1 представлен граф переходов и состояний модели канала связи.
П
Матрица памяти (М) представленного графа имеет следующий вид:
О
Матрицы ошибок (М), существующие в обоих состояниях B и G, имеют вид:
ε0
ε1
GB
BG
Таким образом, состояние дискретного симметричного двоичного канала с памятью полностью описывается четырьмя параметрами: P, P, P, P. Эти параметры могут быть определены экспериментально, в том числе с помощью имитационного моделирования.
Имея указанные параметры, можно аналитически вычислить вероятностные показатели, характеризующие условия передачи информации по дискретному симметричному двоичному каналу с памятью с глубиной памяти l=1.
Вероятности пребывания канала в состояниях (G) и (В) определяются как финальные вероятности Марковской цепи:
Для вычисления вероятности возникновения ошибок определенной кратности в большинстве моделей с памятью, используемых на практике и описываемых простыми цепями Маркова, принимают следующее допущение. Считается, что в различных состояниях памяти канала имеет место биномиальное распределение ошибок с соответствующей вероятностью ошибок. Тогда вероятность ошибки на символ в представленном канале (коэффициент ошибок) определяется по формуле:
ε0
ε1
GB
BG
В устройстве реализовано имитационное моделирование параметров P, P, P, P, a также оценка вероятности возникновения ошибок в канале связи в соответствии с формулой (6).
На рисунке фиг. 2 представлена структурная схема устройства.
Устройство содержит блок ввода информации 1, первый, второй, третий, четвертый и пятый регистры 2, 3, 4, 5, 6, реверсивный счетчик 7, первый, второй, третий и четвертый компараторы 8, 9, 10, 11, генератор случайных чисел 12, блок элементов ИЛИ 13, первый и второй сумматоры 14, 17, первый и второй блоки умножения 15, 16, элемент задержки 18, первый и второй блоки элементов И 19, 22, первый и второй блоки деления 20, 23, накапливающий сумматор 21, блок отображения и выдачи результата 24.
Выходы блока ввода информации 1 соединены со входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого регистров 2, 3, 4, 5, 6, выход первого регистра 2 параллельно соединен со входами реверсивного счетчика 7 и второго блока деления 23, выходы второго, третьего, четвертого и пятого регистров 3, 4, 5, 6 соединены со входами первого, второго, третьего и четвертого компараторов 8, 9, 10, 11 соответственно, выходы реверсивного счетчика 7 соединены со входами генератора случайных чисел 12 и второго блока элементов И 22, выходы генератора случайных чисел 12 соединены со входами первого, второго, третьего и четвертого компараторов 8, 9, 10, 11, выходы первого, второго, третьего и четвертого компараторов 8, 9, 10, 11 соединены со входами блока элементов ИЛИ 13, выход первого компаратора 8 параллельно соединен со входами первого сумматора 14 и второго блока умножения 16, выход второго компаратора 9 параллельно соединен со входами первого сумматора 14 и первого блока умножения 15, выход третьего компаратора 10 соединен со входом первого блока умножения 15, выход четвертого компаратора 11 соединен со входом второго блока умножения 16, выход блока элементов ИЛИ 13 соединен со входом реверсивного счетчика 7, выходы первого и второго блоков умножения 15, 16 соединены со входами второго сумматора 17, выходы первого и второго сумматоров 14, 17 через первый блок элементов И 19 соединены со входами первого блока деления 20, выход первого блока элементов И 19 через элемент задержки 18 соединен со входом реверсивного счетчика 7, выход первого блока деления 20 соединен со входом накапливающего сумматора 21, выход накапливающего сумматора 21 соединен со входом второго блока элементов И 22, выход второго блока элементов И 22 соединен со входом второго блока деления 23, выход второго блока деления 23 соединен со входом блока отображения и выдачи результата 24.
GB
BG
ε0
ε1
GB
GB
BG
BG
ε0
ε0
ε1
ε1
Устройство функционирует следующим образом. С помощью блока ввода информации 1, представляющего собой наборное поле, устанавливаются значения первого, второго, третьего, четвертого и пятого регистров 2, 3, 4, 5, 6. В первый регистр 2 записывается значение количества проводимых экспериментов, во второй регистр 3 записывается значение вероятности P, в третий регистр 4 записывается значение вероятности P, в четвертый регистр 5 записывается значение вероятности P, в пятый регистр 6 записывается значение вероятности P. С первого регистра 2 данные поступают на реверсивный счетчик 7 и на второй блок деления в качестве делителя. С реверсивного счетчика 7 поступает сигнал на вход генератора случайных чисел 12, при этом значение реверсивного счетчика 7 уменьшается на единицу. С генератор случайных чисел 12 поступают данные на входы первого, второго, третьего и четвертого компараторов 8, 9, 10, 11. Со второго регистра 3 данные поступают на вход первого компаратора 8. В случае, когда значение вероятности P, поступившее со второго регистра 3, окажется больше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, первый компаратор 8 выдает данное значение на первый сумматор 14 и на второй блок умножения 16. В случае, когда значение вероятности P, поступившее со второго регистра 3, окажется меньше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, первый компаратор 8 выдает сигнал на блок элементов ИЛИ 13. С третьего регистра 4 данные поступают на вход второго компаратора 9. В случае, когда значение вероятности P, поступившее с третьего регистра 4, окажется больше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, второй компаратор 9 выдает данное значение на первый сумматор 14 и на первый блок умножения 15. В случае, когда значение вероятности P, поступившее с третьего регистра 4, окажется меньше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, второй компаратор 9 выдает сигнал на второй блок элементов ИЛИ 13. С четвертого регистра 5 данные поступают на вход третьего компаратора 10. В случае, когда значение вероятности P, поступившее с четвертого регистра 5, окажется больше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, третий компаратор 10 выдает данное значение на первый блок умножения 15. В случае, когда значение вероятности P, поступившее с четвертого регистра 5, окажется меньше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, третий компаратор 10 выдает сигнал на блок элементов ИЛИ 13. С пятого регистра 6 данные поступают на вход четвертого компаратора 11. В случае, когда значение вероятности P, поступившее с пятого регистра 6, окажется больше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, четвертый компаратор 11 выдает данное значение на второй блок умножения 16. В случае, когда значение вероятности P, поступившее с пятого регистра 6, окажется меньше значения числа, поступившего с генератора случайных чисел 12, четвертый компаратор 11 выдает сигнал на блок элементов ИЛИ 13. При поступлении на блок элементов ИЛИ 13 сигналов с первого, второго, третьего или четвертого компараторов 8, 9, 10, 11 блок элементов ИЛИ 13 выдает сигнал на реверсивный счетчик 7, при этом значение реверсивного счетчика 7 увеличивается на единицу. С первого и второго блоков умножения 15, 16 данные поступают на второй сумматор 17. С первого и второго сумматоров 14, 17 данные поступают через первый блок элементов И 19 на первый блок деления 20 в качестве делителя и делимого соответственно, при этом первый блок элементов И 19 выдает сигнал через элемент задержки 18 на реверсивный счетчик 7 по которому счетчик приступает к новому циклу моделирования. С первого блока деления 20 данные поступают на накапливающий сумматор 21. При возникновении ситуации, когда значение реверсивного счетчика 7 становится равным нулю реверсивный счетчик 7 посылает положительный сигнал на второй блок элементов И 22, при этом данные с накапливающего сумматора 21 через второй блок элементов И 22 поступают на второй блок деления 23 в качестве делимого. Со второго блока деления 23 данные поступают на блок отображения и выдачи результата 24.
ОШ
Таким образом на выходе устройства имеем усредненное значение вероятности ошибки на символ в представленном канале P.
Таким образом, поставленная цель - создание технического средства, позволяющего повысить достоверность моделирования состояния дискретного симметричного двоичного канала с памятью в условиях внешних воздействий и ИТВ, за счет учета вероятностных параметров, описывающих состояние канала связи, а также проводить оценку вероятности возникновения ошибок в канале связи в условиях внешних воздействий и ИТВ - достигнута.
Заявленная полезная модель является техническим решением, относящимся к устройству, т.к. формула полезной модели содержит совокупность относящихся к устройству существенных признаков (а именно, перечень используемых элементов и связей между ними) достаточную для решения указанной задачи и достижения технического результата. Приведенные признаки относятся к существенным, т.к. они влияют на возможность получения технического результата, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом. Отсутствие одного или нескольких признаков приведет к неработоспособности устройства и не позволит получить заявленный результат.
Реализация и использование предлагаемой полезной модели позволяет проводить моделирование параметров канала связи, описывающих его состояние в условиях внешних воздействий, в том числе и ИТВ, а также проводить оценку коэффициента ошибок в канале связи в условиях внешних воздействий и ИТВ.
Технический результат данной полезной модели заключается в том, что при реализации и использовании данного устройства обеспечивается повышение достоверности моделирования состояния дискретного симметричного двоичного канала с памятью в условиях внешних воздействий и ИТВ за счет учета ряда вероятностных параметров, описывающих состояние канала связи в данных условия.
Описанное устройство может быть осуществлено с применением известных в области радиоэлектроники узлов и блоков, соединенных между собой, обеспечивающих конструктивное и функциональное единство.