Вероятностный автомат
Изобретение относится к области вычислительной техники и радиотехники и предназначено для использования в комплексах автоматизированных систем управления сетями спутниковой связи. Целью изобретения является создание управляемого вероятностного автомата с расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения моделирования управляемых полумарковских цепей, формируемых на основе гауссова представления процессов, реально протекающих в управляемой системе связи. Вероятностный автомат содержит датчик случайной последовательности 1, блок формирования корректирующей последовательности 2, блок коррекции 3, блок формирования значений матрицы 4 переходных вероятностей, блок управления 5, блок формирования значений индикаторов 6, генератор тактовых импульсов 7, элемент И 8, блок элементов И 9, блок памяти 10, дешифратор 11, блок задания времени 12 и элемент ИЛИ 13. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области вычислительной техники и радиотехники и предназначено для использования в комплексах автоматизированных систем управления военными сетями спутниковой связи с радио-АТС Единой системы спутниковой связи второго этапа развития (УССС-2) Известен автономный вероятный автомат, содержащий генератор тактовых импульсов, два генератора случайных импульсов, два блока элементов И, три регистра, блоки задания закона распределения и памяти (см. авт. св. СССР N 734701, G 06 F 15/20, 1980, бюл.18).
Однако данный вероятностный автомат моделирует однородную цепь Маркова, что сужает его функциональные возможности. Известен вероятный автомат, содержащий генератор пуанссоновского потока импульсов, генератор тактовых импульсов, элемент И, регистр, блоки задания закона распределения, элементов И и памяти (см. авт. св. СССР N 645162, G 06 F 15/20, 1979). Однако известный вероятностный автомат моделирует цепь Маркова, в которой переход из состояния в состояние не зависит от времени пребывания в предыдущем состоянии, что ограниивает функциональные возможности автомата. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является вероятностный автомат (см. авт. св. СССР N 1045232, G 06 F 15/36, 1983, бюл.36), содержащий генератор тактовых импульсов, элементы И и ИЛИ, регистр сдвига, блока памяти и задания времени. Недостатком прототипа является то, что выбор состояния регистром сдвига производится без учета внешних управляющих воздействий, вследствие чего вероятностный автомат не может моделировать управляемые цепи Маркова, что исключает его применение для анализа реальных сетей связи. Данный вероятностный автомат позволяет моделировать неуправляемые полумарковские цепи, в то время как большинство процессов, реально протекающих в сетях спутниковой связи (СС) с радио-АТС ECCC-2, являются управляемыми. Реализация управляющих воздействий приводит к изменению вероятностно-временного механизма процесса перехода системы из одного состояния в другое. Например, ограничение доступа абонентов к радиоресурсу ретранслятора или же ограничение их по времени информационного обмена, вводимые при резком возрастании пользовательского трафика с целью предотвращения перегрузки сети СС с радио-АТС, приводит к изменению вероятности перегрузки сети и времени ее пребывания в нормальном состоянии. Кроме того, анализируя процесс без учета шумов наблюдения, устройство -прототип не позволяет моделировать марковские цепи на основе гауссовских последовательностей, являющихся наиболее общей моделью вероятности процессов, реально протекающих в системе связи (с учетом канальных шумов, шумов трактов приема и т.п.). Моделирование марковских последовательностей на основе гауссовских процессов позволяет использовать для проверки правильности принимаемых решений наиболее мощные из известных в настоящее время методов оптимизации методов, основанных на принципе оптимальности Беллмана и принципе максимума Понтрягина [1, 2, 3] Целью предлагаемого изобретения является создание управляемого вероятностного автомата с расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения моделирования управляемых полумарковских цепей, формируемых на основе гауссова представления процессов, реально протекающих в системе связи. Указанная цель достигается тем, что в известный вероятностный автомат, содержащий генератор тактовых импульсов, элементы И и ИЛИ, блоки элементов И, памяти, задания времени, дополнительно введены датчик случайной последовательности, блоки формирования корректирующей последовательности, коррекции, формирования значений элементов матрицы, формирования значений индикаторов, управления и дешифратор. Выход генератора тактовых импульсов подключен к прямому входу элемента И и первому входу блока задания времени, выход элементы И соединен с входом блока элементов И, с синхронизирующим входом блока формирования значений индикаторов и с вторым входом устройства управления. Группа выходов блока элементов И соединена с входами блока памяти, группа выходов которого соединена с группой входов блока задания времени, группа выходов которого подключена к входам элемента ИЛИ и является выходами устройства. Выход элемента ИЛИ соединен с инверсным входом элемента И, выход датчика случайной последовательности подключен к первой группе входов блока коррекции, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока формирования значений индикаторов. Вторая группа входов блока коррекции подключена к группе выходов блока формирования корректирующей последовательности. Группа выходов блока формирования значений элементов матрицы параллельно подключена к группе входов блока формирования корректирующей последовательности, к третьей группе входов блока коррекции и к второй группе входов блока формирования значений индикаторов. Выход блока управления соединен с входом блока формирования значений элементов матрицы и с входом дешифратора. Группа выходов блока формирования значений индикаторов соединена с группой входов блока элементов И. Третья группа входов блока формирования значений индикаторов соединена с группой выходов блока памяти. Выход дешифратора подключен к второму входу блока задания времени. Первый вход блока управления является входом управляемого вероятностного автомата. Блок формирования корректирующей последовательности состоит из групп умножителей, сумматоров, решающего устройства, вычислителя корректирующей последовательности. Группа входов блока формирования корректирующей последовательности соединена с первыми входами умножителей, выходы которых соединены с входами сумматоров. Выходы сумматоров параллельно подключены ко вторым входам умножителей и к входам решающего устройства, выходы которого соединены с входами вычислителя корректирующей последовательности. Выходы вычислителя корректирующей последовательности являются выходами блока формирования корректирующей последовательности. Блок коррекции состоит из групп сумматоров и умножителей на два. Первая группа входов блока коррекции подключена к первым входам сумматоров. Вторая группа входов блока коррекции подключена к первым входам умножителей на два, ко вторым входам которых подключена третья группа входов блока коррекции. Выходы умножителей на два соединены с вторыми входами сумматоров, выходы которых являются выходами блока коррекции. Блок управления состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и счетчика обращения к ПЗУ. Первый вход ПЗУ является первым входом блока управления. Второй вход блока управления подключен к первому входу счетчика обращений к ПЗУ, выход которого подключен ко второму ПЗУ. Второй вход счетчика обращений к ПЗУ соединен с первым выходом ПЗУ, второй выход которого является выходом блока управления. Блок формирования значений индикаторов состоит из группы вычислителей значений индикаторов. Первая и вторая группа входов каждого из вычислителей значений индикаторов являются первой и второй группой входов блока формирования значений индикаторов, каждый вход третьей группы входов которого является третьим входом каждого из вычислителей значений индикаторов. К четвертому входу каждого из вычислителей значений индикаторов подключен четвертый вход блока формирования значений индикаторов. Выход каждого из вычислителей значений индикаторов образуют группу выходов блока формирования значений индикаторов. Принцип создания предлагаемого управляемого вероятностного автомата основан на известных результатах теории марковских процессов и теории переменных состояния, когда процесс изменения состояний сети многоканальной радиосвязи (сети спутниковой связи с радио-АТС) можно представить в виде [1]








группа умножителей 210оо 201мм [4]
сумматоры 202о 202м Пяткин О.А. Проектирование микроэлектронных цифровых устройств. -М. Сов. Радио, 1977, с. 123, рис. 4.12;
решающее устройство 203 реализуется в виде конструктивного известного компаратора, описанного в книге Сидорова А.И. и Лебедева О.И. Импульсные и цифровые устройства. -Л. BAC, 1980, с. 34, рис.19;
вычислитель корректирующей последовательности 204 реализуется в виде универсального арифметико -логического устройства описанного в [5]
Блок коррекции 3, представленный на фиг. 4, состоит из группы сумматоров 301о 301м и группы умножителей на два 302о - 302м. Первая группа входов 31о 31м блока коррекции 3 подключена к первым входам сумматоров 301о 301м. Вторая группа входов 32о 32м блока коррекции 3 подключена к первым входам умножителей на два 302о 302м, ко втором входам которых подключена третья группа входов 34о 34м блока коррекции 3. Выходы умножителей на два 302о 302м соединены с вторыми входами сумматоров, 301о 301м выходы которых 33о - 33м является выходами блока коррекции 3. Технически сумматоры 301о 301м и умножители 302о 302м реализуются аналогично сумматорам и умножителям блока формирования корректирующей последовательности 2. Блок управления 5, представленный на фиг. 5 состоит из постоянного запоминающего устройства 501 и счетчика обращения к ПЗУ 502. Первый вход ПЗУ 5.1 является первым входом 51 блока управления 5. Второй вход 52 блока управления 5 подключен к первому входу 5.7 счетчика обращений к ПЗУ 502, выход 5.5 которого подключен ко второму входу 5.2 ПЗУ 501. Второй вход 5.6 счетчика обращений к ПЗУ 502 соединен с первым выходом 5.4 ПЗУ 501, второй выход 5.3 которого является выходом 53 блока управления 5. Частый случай технической реализации ПЗУ 501 и счетчика обращений к ПЗУ 502 представлен в работе Соботка 3. Стары Я. Микропроцессорные системы. -М. Энергоиздат, 1981, с. 96-100. Блок формирования значений индикаторов 6 (фиг. 6) состоит из группы вычислителей значений индикаторов 601о 601м. Первая 61о 61м и вторая 62о 62м группа входов каждого из вычислителей значений индикаторов 601о 601м являются первой и второй группой входов блока формирования значений индикаторов 6, каждый вход третьей группы входов 63о 63м которого является третьим входом каждого из вычислителей значений индикаторов 601о 601м. К четвертому входу каждого из вычислителей значений индикаторов параллельно подключен четвертый вход 64 блока формирования значений индикаторов 6. Выходы каждого из вычислителей значений индикаторов 601о 601м образуют группу выходов 65о 65м блока формирования значений индикаторов 6. Вычислители 601о 601м блока вычисления индикаторов 6 могут быть реализованы в виде универсальных АЛУ, известных и описанных в [5] или же на перемножителях, описанных в [4]
Датчик случайной последовательности 1, входящий в общую структурную схему, может быть реализован в виде известного и описанного в [6, с. 42, рис. 25]
Блок формирования значений матрицы 4, входящий в общую структурную схему, реализуется в виде запоминающего устройства, аналогично описанному в книге Якубовского В. С. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. -М. Сов. радио, 1979, с. 137, рис. 3.51. Генератор тактовых импульсов 7, входящий в общую структурную схему, реализуется в виде известного и описанного в работе Благин И.А. Кудрявцев В.А. Илинюта Н. Ф. Передача дискретной информации и телеграфия. М. Транспорт и связь, 1971, с.203, рис. 203. Элементы И 8, 9, и элемент ИЛИ 13, входящие в общую структурную схему, могут быть построены в соответствии с описанными в [6, с. 20-24, рис. 9,11]
Блок памяти 10, входящий в общую структурную схему, реализуется в соответствии с описанием, представленным в работе: Старос Ф.Г. Крайзнер Л.П. Интегральные запоминающие устройства. М. Энергия, 1973, с. 98, рис. 5.16. Дешифратор 11, входящий в общую структурную схему, построен в виде известного и описанного в книге Шляпоберского В.И. Основы техники передачи дискретных сообщений, М. Связь, 1973, с. 152, рис. 3.43. Блок задания времени 12, входящий в общую структурную схему, реализуется в виде таймера, аналогично описанному в работе Гольденберг А.М. Импульсные устройства, М. Радио и связь, 1981, с. 78, рис. 3.11. Вероятностный автомат работает следующим образом. С выхода датчика случайной последовательности 1 значения случайной вспомогательной последовательности v' с нормальной плоскостью распределения в двоичном коде поступают на вход блока коррекции 3. В блоке 2 формируются значения корректирующих последовательностей в соответствии с правилом "трех сигм", изложенном в работе Корн Г. Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения. теоремы. формулы. М. Наука, 1984, - 833 с.

где pmf финальная вероятность нахождения автомата в m м состоянии, определяемая с заданной точностью блоком 2 при аппаратурной реализации уравнения Колмогорова-Чепмена:








Блок вычисления значений индикаторов 6 может быть реализован по схеме, представленной на фиг. 6. Вычисление значений индикаторов производится следующим образом. Вычислители 601о 601м значений индикаторов по значениям откорректированных последовательностей ГmVm, поступающих на входы 63о 63м, по значениям индикаторов предыдущего состояния автомата, поступающих на группу входов 62о - 62м с выходов блока 10, и по значениям элементов матрицы ПВ, поступающих на входы 61о 61м от блока 4, в момент появления синхронизирующего импульса на входе 64 реализуют расчет значений М индикаторов в соответствии с выражением (4). Моменты выхода автомата из предыдущего состояния определяются тактовым генератором 7, элементом ИЛИ 13, элементом И 8 при формировании нулевой комбинации на выходе блока задания времени 12. С помощью блока элементов И 9 производится запись вычислительных значений индикаторов


1. Сэйдж Э, Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. М. Связь, 1976, 496 с. 2. Сэйдж Э. Уайт Ч. Оптимальное управление системы. М. Радио и связь, 1982, 92 с. 3. Segall A. Optimal Control of Noise Finit State Markov Process IEEE Trans. Automat Contr. 1977, v. 22, N 2, p. 179-186;
4. Паперков А.А. Логические основы ЦВТ. М. Связь, 1973, с. 203, рис. 4;
5. Дроздов Е.А. Комарницкий В.А. Пятибратов А.П. ЭВМ ЕС. -М. Машиностроение, 1981, с. 158-170. 6. Мальцева Л.А. Франберг Э.М. Ямпольский В.С. Основы цифровой техники. М. Радио и связь, 1980.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7