Анализатор сетей связи

Изобретение предназначено для решения задач анализа сетей, представляемых вероятностными графами. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет моделирования различных состояний каналов связи, а также повышение достоверности получаемых результатов за счет моделирования различных типов отказов узлов связи в процессе эксплуатации. Для этого устройство содержит генератор тактовых импульсов, счетчик циклов, наборное поле, группу элементов И, блок выходных счетчиков, элемент задержки, элемент И, элемент ИЛИ, блок управляющих сигналов, вторые элементы И, генераторы псевдослучайной последовательности, генераторы псевдослучайной последовательности, генераторы псевдослучайной последовательности. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет моделирования различных состояний каналов связи сети связи, а также повышение достоверности получаемых результатов за счет моделирования различных типов отказов узлов связи сети связи в процессе эксплуатации. 3 ил.

 

Изобретение предназначено для решения задач анализа сетей, представляемых вероятностными графами, в частности, оно позволяет определять вероятность существование связей между любым входным и любым из выходных элементов рассматриваемой вероятностной сети, а также моделировать на сети отказы различных типов.

Устройство позволяет определять структурную надежность (вероятность работоспособности) сложных разветвленных систем, структурно-надежностные схемы которых не могут быть представлены в виде параллельно-последовательного соединения элементов. Такие системы представляются множеством простых работоспособных состояний, каждое из которых включает минимальное количество элементов системы, необходимых для обеспечения данного работоспособного состояния, и может быть отождествлено с простым путем графа сети.

Известно устройство [1], содержащее сдвигающий регистр, блок элементов И, блок перебора сочетаний, первую группу регистров, группу элементов И, группу элементов ИЛИ, блок выделения единиц, группу блоков элементов И, вторую группу регистров, третий элемент ИЛИ, блок умножения, буферный регистр, сумматор, второй триггер, первый триггер, триггер знака, второй, третий, пятый, четвертый, первый элементы И, первый, второй элементы НЕ, второй, первый, четвертый элементы ИЛИ, первый, второй, третий, четвертый элементы задержки, переключатель, вход, выход устройства.

Известно также устройство [2], содержащее блок определения смежных вершин графа, группу элементов ИЛИ, группу счетчиков, матрицу генераторов случайных событий, вторую группу элементов ИЛИ, входы опроса вершин графа устройства, выходы признаков связности вершин графа устройства.

Однако оба эти устройства позволяют моделировать сеть с абсолютно надежными ветвями (каналами связи), при моделировании вершин сети (узлов связи) формируются отказы одного типа.

Наиболее близким к заявленному устройству по принципу действия и технической реализации является вероятностное устройство для анализа сетей [3], принятое за прототип, содержащее генератор тактовых импульсов, счетчик циклов, наборное поле, блок выходных счетчиков, блок преобразователей код-вероятность, элемент ИЛИ, элемент задержки, элементы И, клеммы, диодные перемычки, выходные счетчики, преобразователи, датчики псевдослучайных чисел, цифровые компараторы, регистры.

Однако устройство-прототип также позволяет моделировать сеть с абсолютно надежными ветвями (каналами связи), при моделировании вершин сети (узлов связи) формируются отказы одного типа.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей устройства за счет моделирования различных состояний ветвей (каналов связи) сети связи, а также повышение достоверности получаемых результатов за счет моделирования различных типов отказов вершин (узлов связи) сети связи в процессе эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, счетчик циклов, наборное поле, группу элементов И, блок выходных счетчиков, элемент задержки, элемент И, элемент ИЛИ, причем каждый выход группы выходов наборного поля соединен с первым входом одноименного элемента И группы, выход которого подключен к одноименному входу группы входов блоков выходных счетчиков, вход генератора тактовых импульсов является входом запуска устройства, выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к входу элемента задержки и к вычитающему входу счетчика циклов, а второй вход элемента И соединен с выходом элемента ИЛИ, группа входов которого соединена с группой разрядных выходов счетчика циклов, выход элемента задержки соединен с вторыми входами элементов И группы, дополнительно введены блок управляющих сигналов, вторые элементы И 1,...,N, генераторы псевдослучайной последовательности 1 (ГПСП-1) 1,...,N, генераторы псевдослучайной последовательности 2 (ГПСП-2) 1,...,N, генераторы псевдослучайной последовательности 3 (ГПСП-3) 1,...,К, выход элемента И подключен к информационным входам ГПСП-1 1,...,N, ГПСП-2 1,...,N и ГПСП-3 1,...,К, выходы ГПСП-1 и ГПСП-2 подключены соответственно к первому и второму входам вторых элементов И 1,...,N, выходы которых соединены с входами наборного поля, выходы ГПСП-3 1,...,К подключены к К входам наборного поля, шина данных от блока управляющих сигналов подключена к входам данных ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3, при этом наборное поле представляет матрицу смежности графа исследуемой сети, диагональными элементами которой являются элементы И, а недиагональными элементами являются пары клемм, первые входы элементов И являются входами наборного поля, а выходы элементов И являются выходами наборного поля, входы первого элемента И соединены между собой, второй вход k-го элемента И, k=2, 3...N, через пары клемм, образующие элементы матрицы смежности, расположенные выше диагонали, соединен с выходами j-х элементов И, где j=1, 2...k-1, выход j-го элемента И, где j=2, 3...N через пары клемм, образующие элементы матрицы смежности, расположенные ниже диагонали, подключен к вторым входам k-х элементов И, кроме того, соединение каждой пары клемм выполнено также элементами И, первые входы элементов которых подключены к выходам элементов матрицы смежности, а вторые входы являются соответствующими из К входов наборного поля.

Предлагаемое устройство позволяет моделировать отказы трех типов, наиболее характерных для элементов сетей связи [4, 5]:

внезапных отказов - отказов, характеризующихся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта;

постепенных отказов - отказов, возникающих в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта;

отказов ветвей (каналов связи), возникающих вследствие внешних воздействий.

Предлагаемое устройство позволяет моделировать отказы и повреждения, возникающие вследствие внешних воздействий. Повреждения - это события, заключающиеся в нарушении работоспособности техники вследствие внешних воздействий. Они возникают в результате нанесения механических ударов, изменения давления, введения агрессивных веществ в атмосферу, облучения, появления на входах аппаратуры электрических сигналов или напряжений, выходящих за пределы допуска. Возникающие в результате повреждения неисправности могут носить как общий, так и местный характер, что и определяется теми или иными особенностями внешних воздействий. Их уровень (величина внешних воздействий) определяет количество различных неисправностей в аппаратуре [5, стр.7].

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность выявления предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - структурная схема устройства;

фиг.2 - наборное поле;

фиг.3 - алгоритм работы системы цифровой обработки сигналов.

Анализатор сетей связи (фиг.1) содержит: генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, счетчик циклов 2, наборное поле 3, блок выходных счетчиков 4₁,...,4_N, элемент ИЛИ 5, элемент И 6, элемент задержки 7, элементы И группы 8₁,...,8_N, элементы И 9, клеммы 10, элементы И 11₁,...,11_N, блок цифровой обработки сигналов 12, блок управляющих сигналов 13, ГПСП-1 14₁,...,14_N, ГПСП-2 15₁,...,15_N, ГПСП-3 16₁,...,16_N, вторые элементы И 17₁,...,17_N. Каждый выход группы выходов наборного поля 3 соединен с первым входом одноименного элемента И группы 8₁,...,8_N, выход которого подключен к одноименному входу группы входов блоков выходных счетчиков 4₁,...,4_N, вход генератора тактовых импульсов 1 является входом запуска устройства, выход генератора тактовых импульсов 1 подключен к первому входу первого элемента И 6, выход которого подключен к входу элемента задержки 7 и к вычитающему входу счетчика циклов 2, а второй вход элемента И 6 соединен с выходом элемента ИЛИ 5, группа входов которого соединена с группой разрядных выходов счетчика циклов 2, выход элемента задержки 7 соединен с вторыми входами элементов И группы 8₁,...,8_N, выход первого элемента И 6 подключен к информационным входам ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3, выходы ГПСП-1 и ГПСП-2 подключены соответственно к первому и второму входам вторых элементов И 17₁,...,17_N, выходы которых соединены с входами наборного поля, выходы ГПСП-3 1,...,К подключены к К входам наборного поля, шина данных от блока управляющих сигналов подключена к входам данных ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3, при этом наборное поле представляет матрицу смежности графа исследуемой сети, диагональными элементами которой являются элементы И, а недиагональными элементами являются пары клемм, первые входы элементов И являются входами наборного поля, а выходы элементов И являются выходами наборного поля, входы первого элемента И соединены между собой, второй вход k-го элемента И, k=2, 3...N, через пары клемм, образующие элементы матрицы смежности, расположенные выше диагонали, соединен с выходами j-х элементов И, где j=1, 2...k-1, выход j-го элемента И, где j=2, 3...N через пары клемм, образующие элементы матрицы смежности, расположенные ниже диагонали, подключен к вторым входам k-х элементов И, кроме того, соединение каждой пары клемм выполнено также элементами И, первые входы элементов которых подключены к выходам элементов матрицы смежности, а вторые входы являются соответствующими из К входов наборного поля.

Наборное поле 3 (фиг.2) представляет собой матрицу смежности графа исследуемой сети, диагональными элементами которой являются элементы И 9, недиагональные элементы-пары клемм 10, соединение которых элементами И 11 соответствует единице матрице смежности, несоединение - нулю. Пример включения перемычки элементом И 11 показан на фиг.2 для узла графа (1, 2). Первые входы и выходы элементов И 9 являются соответственно входами и выходами наборного поля. Входы первого элемента И 9 соединены между собой. Второй вход k-го элемента И 9 (k∈|2, 3...N|) через пары клемм 10, образующие элементы матрицы смежности, расположенные выше диагонали, соединен с выходами j-x элементов И 9 (j=1, 2...k-1), выход j-го элемента И 9 (j∈|2, 3...N|) через пары клемм 10, образующие элементы матрицы смежности, расположенные ниже диагонали, подключен к вторым входам k-х элементов И 9. Перемычка элементом И 11 подключается к клеммам 10, первые входы элементов И 11 подключены к выходам элементов И 9, а вторые входы являются входами 1,...,К наборного поля.

Генератор псевдослучайной последовательности 1 14₁,...,14_N предназначен для формирования псевдослучайной последовательности, характеризующей внезапные отказы вершин (узлов связи) сети связи.

Генератор псевдослучайной последовательности 2 15₁,...,15_N предназначен для формирования псевдослучайной последовательности, характеризующей постепенные отказы вершин (узлов связи) сети связи.

Генератор псевдослучайной последовательности 3 16₁,...,16_K предназначен для формирования псевдослучайной последовательности, характеризующей отказы ветвей (каналов связи) сети связи, возникающих вследствие внешних воздействий.

Схемы ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3 известны и описаны, например, в книге: Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Криптография. - М.: Гелиос АРВ, 2001, стр.252, рис.36 [6].

Второй элемент И 17 предназначен для проключения псевдослучайной последовательности на входы наборного поля. Его схема известна и описана, например, в книге: Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил., стр.48, рис.3.2 [7].

Элемент И 11 предназначен для коммутации элементов вероятностной сети. Его схема известна и описана, например, в книге: Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил., стр.48, рис.3.2 [7].

ГПСП-1 14₁,...,14_N, ГПСП-2 15₁,...,15_N, ГПСП-3 16₁,...,16_K, блок управляющих сигналов 13, второй элемент И 17₁,...,17_N технически можно реализовать в виде системы цифровой обработки сигналов (ЦОС) 12 на основе микропроцессора. При этом ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3 реализуются программно с использованием постоянного запоминающего устройства (ПЗУ программ) системы ЦОС. В постоянном запоминающем устройстве хранятся элементы псевдослучайной последовательности, которые по команде системы ЦОС поступают в систему.

Принцип работы системы ЦОС описан во многих источниках. Наиболее близкой по своей технической сущности является система ЦОС, описанная в книге А.А.Ланнэ "Цифровой процессор обработки сигналов TMS 32010 и его применение" издательства Военной академии связи, Ленинград, 1990 г., стр.102-109, рис.3.34 [8].

Вместо детального раскрытия конструктивного выполнения системы ЦОС приведем блок-схему реализуемого им алгоритма работы, например в виде, представленном на фиг.3. Такой информации о блоке достаточно для его осуществления, поскольку в данном случае по приведенной блок-схеме может быть произведено программирование известной системы ЦОС с использованием известных приемов.

Устройство работает следующим образом.

Наборное поле 3 отображает граф исследуемой вероятностной сети путем соединения перемычками, замыкаемыми элементами ИИ, пар клемм 10, соответствующих единичным элементам матрицы смежности графа сети. Выходы элементов И 9, соответствующие выходным звеньям сети, подключаются к первым входам элементов И 11₁,...,11_N, а ко вторым входам подключаются выходы ГПСП-3. В каждый i-й регистр ГПСП-1 14₁,...,14_N, ГПСП-2 15₁,...,15_N, ГПСП-3 16₁,...,16_K записывается значение вероятности существования i-й вершины графа сети. Выходные счетчики 4₁,...,4_N устанавливаются в состояние "0". В счетчик 2 циклов записывается код числа планируемых экспериментов. Начало работы устройства осуществляется при поступлении сигнала на вход запуска устройства, разрешающего прохождение тактовых импульсов от ГТИ 1 через элемент И 6 на вход счетчика 2 циклов и на входы ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3.

При поступлении очередного импульса на входы ГПСП-1 14₁,...,14_N на его выходах формируется псевдослучайная последовательность, закон распределения которой соответствует внезапным отказам вершин сети. При поступлении очередного импульса на входы ГПСП-2 15₁,...,15_N на его выходах формируется псевдослучайная последовательность, закон распределения которой соответствует постепенным отказам вершин сети. При поступлении очередного импульса на входы ГПСП-3 16₁,...,16_K на его выходах формируется псевдослучайная последовательность, закон распределения которой соответствует отказам ветвей сети, возникающим вследствие внешних воздействий. Формирование псевдослучайной последовательности с произвольным законом распределения производится по методу Неймана [9]. Сформированные в ГПСП-1 и ГПСП-2 последовательности поступают на первые и вторые входы элементов И 17₁,...,17_N соответственно. С выходов элементов И 17₁,...,17_N последовательности поступают на первые входы i-х элементов И 9, причем сигнал сохраняется в течение всего элементарного цикла моделирования. Сформированные в ГПСП-3 последовательности поступают на вторые входы элементов И 11₁,...,11_N. Так, с помощью ГПСП в каждом из статических экспериментов формируется граф, в котором может существовать или отсутствовать путь от истока графа к каждой из соединенных с выходным счетчиком 4 вершин. При наличии такого пути на первом входе соответствующего элемента И 8 будет разрешающий потенциал, и задержанный элементом 7 задержки импульс поступит на вход счетчика 4 положительных исходов; при отсутствии пути на первом входе элемента И 8 разрешающего потенциала не будет, и таковой импульс от ГТИ 1 в счетчик 4 не поступит.

С формированием каждого импульса ГТИ 1 одновременно происходит вычитание содержимого счетчика 2 циклов. Затем описанный процесс повторяется. В момент, когда содержимое счетчика 2 становится равным нулю, на выходе элемента ИЛИ 5 появляется потенциал, запрещающий прохождение тактовых импульсов от ГТИ 1 через элемент И 6.

Устройство работает по следующему алгоритму (фиг.3).

Начало работы системы ЦОС осуществляется с задания значения принимаемого бита последовательности из V0 (n=1). Значение принимаемого бита последовательности записывается в регистры ГПСП. Производится ввод исходных данных: n - текущего значения бита ПСП, а - параметра закона распределения случайной величины. На следующем шаге ГПСП генерируют 2 последовательности ξ₁ и ξ₂, равномерно распределенные в интервале [0, 1]. Далее производится выбор пары чисел (ξ₁, ξ₂). Проверяется условие а·P_η(ξ₁)≥ξ₂. При совпадении осуществляется формирование псевдослучайной последовательности с заданным законом распределения Р_η(x). В противном случае генерация ξ₁ и ξ₂ повторяется заново. Ввод значений а производится по шине данных из блока управляющих сигналов. Таким образом, можно изменять параметр закона распределения случайных чисел в каждом из ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3. На следующем шаге производится запись значений псевдослучайной последовательности ГПСП-1 и ГПСП-2 на входы элементов И. Считывание значений псевдослучайной последовательности с выходов элементов И производится через выходы D1,...,DN системы ЦОС на N входы наборного поля. Считывание значений псевдослучайной последовательности с выходов ГПСП-3 производится через выходы V1,...,VK системы ЦОС на К входы наборного поля. Алгоритм считается выполненным полностью.

Таким образом, технический результат достигается за счет моделирования различных состояний ветвей (каналов связи) сети связи, а также повышение достоверности оценки полученных результатов производится за счет моделирования различных типов отказов вершин (узлов связи) сети связи в процессе эксплуатации.

Оценка эффективности предлагаемого устройства проводилась путем сравнения достоверности оценки полученных результатов при моделировании процесса отказов одного типа для существующих устройств и при моделировании отказов трех типов для предлагаемого устройства.

Из формулы 11.8.6, стр.463 [10]:

где Ф - функция Лапласа;

N - количество моделируемых событий;

Р_ош - реальное значение оценки;

- требуемое значение оценки;

ε - величина доверительного интервала.

Определим достоверность оценки технического состояния сложной системы, принимая :

Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу [11]:

Тогда: .

Для случая, когда р_ош, вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая , тогда:

Тогда, определим t_α1 и t_α2, принимая ε=0,05, а N=1 для прототипа (при моделировании отказов одного типа) и N=3 для заявленного устройства (при моделировании отказов трех типов):

Таким образом, можно оценить эффективность заявленного устройства:

Источники информации

1. Патент на изобретение "Устройство для вычисления характеристик графов". Авт. св. СССР №1244673, G06F 15/20, 1986.

2. Патент на изобретение "Устройство для операций над графом". Авт. св. СССР №1462349, G06F 15/20, 1989.

3. Патент на изобретение "Вероятностное устройство для анализа сетей". Авт. св. СССР №1256040, G06F 15/20, 1986.

4. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

5. Ксенз С.П. Основы технической диагностики средств и комплексов связи и автоматизации управления. - Л.: ВАС, 1989 г., 192 с.

6. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Криптография. - М.: Гелиос АРВ, 2001.

7. Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил.

8. Ланнэ А. А. Цифровой процессор обработки сигналов TMS 32010 и его применение. - Л.: ВАС, 1990 г.

9. Голенко Д.И. Моделирование и статистический анализ псевдослучайных чисел на электронных вычислительных машинах. - М.: Наука, 1965 г.

10. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988 г., 480 с.

11. Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992 г., 206 с.

Анализатор сетей связи, содержащий генератор тактовых импульсов, счетчик циклов, наборное поле, группу элементов И, блок выходных счетчиков, элемент задержки, элемент И, элемент ИЛИ, причем каждый выход группы выходов наборного поля соединен с первым входом одноименного элемента И группы, выход которого подключен к одноименному входу группы входов блоков выходных счетчиков, вход генератора тактовых импульсов является входом запуска устройства, выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к входу элемента задержки и к вычитающему входу счетчика циклов, а второй вход элемента И соединен с выходом элемента ИЛИ, группа входов которого соединена с группой разрядных выходов счетчика циклов, выход элемента задержки соединен с вторыми входами элементов И группы, отличающееся тем, что дополнительно введены блок управляющих сигналов, вторые элементы И 1,...,N, генераторы псевдослучайной последовательности 1 (ГПСП-1) 1,...,N, генераторы псевдослучайной последовательности 2 (ГПСП-2) 1,...,N, генераторы псевдослучайной последовательности 3 (ГПСП-3) 1,...,К, выход элемента И подключен к информационным входам ГПСП-1 1,...,N, ГПСП-2 1,...,N и ГПСП-3 1,...,К, выходы ГПСП-1 и ГПСП-2 подключены соответственно к первому и второму входам вторых элементов И 1,...,N, выходы которых соединены с входами наборного поля, выходы ГПСП-3 1,...,К подключены к К входам наборного поля, шина данных от блока управляющих сигналов подключена к входам данных ГПСП-1, ГПСП-2 и ГПСП-3, при этом наборное поле представляет матрицу смежности графа исследуемой сети, диагональными элементами которой являются элементы И, а недиагональными элементами являются пары клемм, первые входы элементов И являются входами наборного поля, а выходы элементов И являются выходами наборного поля, входы первого элемента И соединены между собой, второй вход k-го элемента И, k=2, 3...N, через пары клемм, образующие элементы матрицы смежности, расположенные выше диагонали, соединен с выходами j-x элементов И, где j=1, 2...k-1, выход j-го элемента И, где j=2, 3...N через пары клемм, образующие элементы матрицы смежности, расположенные ниже диагонали, подключен к вторым входам k-х элементов И, кроме того, соединение каждой пары клемм выполнено также элементами И, первые входы элементов которых подключены к выходам элементов матрицы смежности, а вторые входы являются соответствующими из К входов наборного поля.