Метод та засоби формування і оброблення широкосмугових сигналів зі змінною ентропією в розподілених комп’ютерних системах

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню в області створення нових високоефективних комунікаційних технологій в розподілених комп’ютерних системах та мережах загального і спеціального призначення. В роботі проведено огляд сучасного стану розвитку розподілених комп’ютерних систем та мереж промислового призначення, обґрунтовано доцільність застосування широкосмугових сигналів для організації обміну даними в них. Вперше розроблено новий метод формування та оброблення широкосмугових сигналів, який ґрунтується на використанні реалізацій випадкового процесу, як розширюючого спектр сигналу, значення ентропії розподілу ймовірностей амплітуд якого поставлено у відповідність до символів інформаційного повідомлення, а виділення символів повідомлення відбувається шляхом статистичного оцінювання значень ентропії фрагментів сигналів. Висока ефективність розробленого методу теоретично обґрунтована і практично підтверджена. Одержано показники завадостійкості та часової складності реалізації розробленого методу. Встановлено покращення завадостійкості в порівнянні з традиційними кореляційними методами при обробленні сигналів в умовах однакової часової складності. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження під час проектування розподіленої комп’ютерної системи контролю критичних параметрів віддалених об’єктів розташованих в місцях промислового газо- та нафтовидобутку з проявами аномальної загазованості.The thesis is dedicated to creating a new high performance communication technology in distributed computer systems and networks. Modern industrial distributed computer systems and networks development state, their main characteristics and parameters have been examined. The analysis of different information channels in such systems as low frequency channels, high frequency manipulation channels, radio channels and others has been presented. The new methods and ways of the spread spectrum signals forming and processing has been developed. Expediency of spread spectrum signals using for data exchange organizing in distributed systems and networks has been motivated. The new method of spread spectrum signals forming and their processing has been developed. The essence of the elaborated method concerns using spectrum spreading signal as the realization of random process. The entropy of probability distribution of this process realizations is made to correspond to transmitted information symbols. Detection of the received message symbols is conducted by the statistical estimation of the values of fragments entropy of the processed signals with further deciding of the descrete value of the received information symbol. The elaborated method using does not need signal form templates storing on processing side and compicated algorithms do not huge to be used for pseudorandom sequences forming. Frequency resource using evenness has been evaluated for forming such signals and spread spectrum signals formed on the basis of the offered method have been estimated to use the frequency band more evenly than in comparison with traditional methods. The effectivness examination of various probable characteristics have been done such as variance, root mean square standard deviation, central moments of various exponents, entropy. The differential entropy formula by variance has been proved the most effective entropy estimation for the method developed. Intermediate signal sample values regeneration influencing these signal processing effectivness has been researched. This procedure positive influencing processing effectiveness while using Shennon and Hartly formulas for the entropy estimation has been proved. At the same time, effectiveness depending on intermediate calculation ways has been proved to be of no serious importance. Signal using possibilitties and effectiveness of various time domain forms have been examined. The random signal with a flat power spectral density and a gaussian probability distribution has been proved the most effective for the method developed. Time complexity of the method developed has been obtained. It has been proved that the time needed for signal processing according to this methods is 8 times less that that index in traditional correlative signal processing. Noise proof feature index of the developed method in form of dependens of bit error probability on normalized signal/noise ratio has been obtained. It has been proved that the noise proof feature index (needed normalized signal/noise ratio) improvement is at least 2 dB better under condition of equal time complexity by the bit error probability level of 10-6. Analogue and digital methods of random signals generation have been researched. The high efficiency of the developed method has been confirmed by the theoretical investigations and by the results of the practical experiments. The results of the work have found the utility in creations of the distributed computer system for control of critical parameters of distant objects of industrial, corporate and domestic purpose. The structure of specialized communication signal processor has been developed. The communication components of such system based on the universal one-chip microcomputers have been realized. The developed computer system is intended for control of gas contamination condition of the premises basements in population aggregates where there are cases of gas contamination of ground layers as a result of industrial oil and gas recovery. Диссертационная работа посвящена исследованию в области создания новых высокоэффективных коммуникационных технологий в распределенных компьютерных системах и сетях. В работе проведен обзор современного состояния развития промышленных распределенных компьютерных систем и сетей. Обоснована целесообразность применения широкополосных сигналов для обмена данными в таких системах. Впервые разработан новый метод формирования и обработки широкополосных сигналов, с использованием расширяющего спектр сигнала в виде реализаций случайного процесса, значение энтропии распределения амплитуд которых поставлено в соответствие символам информационного сообщения. Выделение символов принятого сообщения происходит путем статистического оценивания значений энтропии фрагментов сигналов. Высокая эффективность метода теоретически обоснована и подтверждена практически. Установлено улучшение помехоустойчивости, в условиях одинаковой временной сложности устройств, по сравнению с традиционными корреляционными методами. Результаты работы нашли применение при создании распределенной компьютерной системы контроля критических параметров удаленных объектов размещенных в местах промышленного газо- и нефтедобычи з проявлениями аномальной загазованности.