СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО АДАПТИВНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УРОВНЕЙ ПОМЕХ В ДЕКАМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2011 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования уровня помех в декаметровом диапазоне на анализируемых частотах на пунктах ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службы радиоцентров в условиях изменчивости помеховой обстановки.

Известен способ рангового прогнозирования на основе пропускной способности в MIMO-схеме, реализованный в патенте РФ №2378767, заявл. 22.12.2005, опубл. 10.01.2010, бюллетень №1, где осуществляется прогнозирование ранга канала для следующего временного интервала передачи, т.е осуществляется прогноз соотношения сигнал/помеха на одном из многих входах MIMO-схемы (схема со многими входами и выходами). Недостатком данного способа является отсутствие учета замираний и нестационарности помеховых процессов в канале связи при прогнозировании.

Известен также способ для точного прогнозирования отношения сигнала к помехе и коэффициента шума для улучшения функционирования системы связи, реализованный в патенте РФ №2255420, заявл. 12.09.2000, опубл. 27.06.2005, бюллетень №18, заключающийся в том, что осуществляется прогнозирование соотношения сигнала к помехе при различных скоростях передачи при условиях быстрого и медленного замираний на входе системы связи. Недостатком данного способа является тот факт, что прогнозирование соотношения сигнала к помехе осуществляется при постоянных коэффициентах фильтрации, не учитывающих нестационарность ионосферных процессов в декаметровых каналах связи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ прогнозирования уровней помех в коротковолновом диапазоне на отдельных частотах, описанный в книге Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность KB связи. - М.: Связь, 1977, с.34-37. Известный способ заключается в том, что на каждой из анализируемых частот измеряют К≥2 раз уровни помех, вычисляют их усредненные значения, по результатам которых прогнозируют уровни помех на малые интервалы времени, после чего оценивают величину ошибки прогноза.

Недостатком известного способа является то, что он требует знания параметров и вида корреляционной функции случайных последовательностей уровней помех Uⁿ(t), которые определяются из статистических исследований. Однако вид корреляционной функции меняется во времени для процессов Uⁿ(t), что в конечном итоге приводит к уменьшению достоверности прогноза уровня помехи на анализируемой частоте.

Целью настоящего изобретения является разработка способа краткосрочного адаптивного прогнозирования уровней помех в декаметровом диапазоне, обеспечивающего повышение достоверности прогнозирования уровня помехи на анализируемой частоте на некоторое время вперед.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе прогнозирования уровней помех в коротковолновом диапазоне на отдельных частотах уровни помех измеряют K раз в контрольном временном интервале ΔT=T_И-T₀, где T₀ и T_И - соответственно начальный и конечный моменты времени контрольного временного интервала ΔT с шагом Δt=ΔT/K, а усредненное значение уровня помех вычисляют в пределах контрольного временного интервала, по результатам всех измерений , где k=1, 2,…, К.

Затем методом адаптивного экспоненциального сглаживания , измеренного в момент времени Т_И, и усредненного значения вычисляют предварительные значения уровней прогнозируемых помех на момент времени ΔT+Δt по формуле

причем экспоненциальное сглаживание выполняют, последовательно принимая значение коэффициента экспоненциального сглаживания α_i с шагом Δα в интервале α_i=0÷1, вычисленные предварительно спрогнозированные уровни помех

при всех заданных α_i запоминают, после чего вычисляют среднеквадратичные ошибки между и дополнительно измеренным значением уровня помехи в момент времени ΔT+Δt по формуле

Выделяют наименьшее значение среднеквадратичной ошибки и соответствующее ему значение , после чего в p≥2 последующих за контрольным временных интервалах, где р=1, 2…Р, при выбранном параметре сглаживания для каждой i-ой частоты рассчитывают прогнозируемый уровень помех на момент времени (p+1)T_И+Δt методом экспоненциального сглаживания дополнительно измеренного уровня помех на момент времени pT_И+Δt и спрогнозированного

на момент времени pT_И+Δt

причем для временного интервала p=1 принимаем , а после наступления временного интервала p=P вычисление прогнозируемого уровня для следующего интервала и измерение уровня прекращают и выполняют измерения и вычисления, аналогичные контрольному временному интервалу ΔT и временным интервалам p=1…Р.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность краткосрочного адаптивного прогнозирования уровней помех в декаметровом диапазоне для повышения вероятности правильного краткосрочного прогнозирования развития помеховой обстановки на анализируемых частотах.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:

фиг.1 - временной ряд уровней помех на анализируемой частоте;

фиг.2 - результаты измерений уровней помех при различны коэффициентах адаптации на одной частоте.

В заявленном способе краткосрочного прогнозирования уровней помех в декаметровом диапазоне на каждой из N≥2 анализируемых частот производят прогноз уровней помех на заданное время вперед, для чего в контрольном временном интервале ΔT=Т_И-T₀, где T₀ и T_И - соответственно начальный и конечный моменты времени контрольного временного интервала ΔT с шагом Δt=ΔT/K, как показано на фиг.1, K≥2 раз измеряют уровень помех , где i=1, 2…, N. Затем вычисляют усредненное значение уровня помехи на каждой анализируемой частоте в пределах контрольного интервала времени по формуле

Затем методом адаптивного экспоненциального сглаживания , измеренного в момент времени Т_И (фиг.1), и усредненного значения вычисляют предварительные значения уровней прогнозируемых помех на момент времени ΔT+Δt по формуле (1), причем экспоненциальное сглаживание выполняют, последовательно принимая значение коэффициента экспоненциального сглаживания α_i с шагом Δα=0,1 в интервале α_i=0÷1, вычисленные предварительно спрогнозированные уровни помех при всех заданных α_i запоминают.

После предварительного прогнозирования вычисляют среднеквадратичные ошибки между и дополнительно измеренным значением уровня помехи в момент времени ΔT+Δt по формуле (2).

Выделяют наименьшее значение среднеквадратичной ошибки и соответствующее ему значение , после чего в p≥2 последующих за контрольным временных интервалах, где р=1, 2…Р, при выбранном параметре сглаживания для каждой i-ой частоты рассчитывают прогнозируемый уровень помех на момент времени (p+1)T_И+Δt методом экспоненциального сглаживания дополнительно измеренного уровня помех на момент времени pT_И+Δt и спрогнозированного на момент времени pT_И+Δt по формуле (3), причем для временного интервала p=1 принимаем . После наступления временного интервала p=P вычисление прогнозируемого уровня для следующего интервала и измерение уровня прекращают и выполняют измерения и вычисления аналогичные контрольному временному интервалу ΔT и временным интервалам p=1…Р.

Таким образом, заявленный способ дает возможность осуществлять краткосрочное адаптивное прогнозирование уровней помех в декаметровом диапазоне с учетом изменяющейся помеховой обстановки.

Выявление закономерностей динамического изменения уровней помех можно производить с помощью его выравнивания и сглаживания. Экспоненциальное сглаживание - один из простейших и распространенных приемов выравнивания ряда. В его основе лежит расчет экспоненциальных средних временного ряда уровней помех (ВР) [2]. Однако в каждом конкретном случае необходимо производить адаптивный подбор коэффициента адаптивного сглаживания α, при краткосрочном прогнозирований необходимо как можно скорее отобразить изменения α и в то же время как можно лучше «чистить» ряд от случайных колебаний. С одной стороны, необходимо увеличить вес более свежих наблюдений, что может быть достигнуто повышением α, с другой стороны, для сглаживания случайных отклонений величину α нужно уменьшить. Например, результаты вычислений уровней помех при α=0,1; 0,2; 0,9 на одной частоте приведены на фиг.2. Таким образом, правильность вычисления коэффициента адаптивного сглаживания а определяет достоверность прогноза.

Процессы, протекающие в ионосфере, являются нестационарными, но на коротких интервалах времени их можно рассматривать как квазистационарные [1]. Свойства ионосферы в обычных условиях изменяются относительно медленно. Это в основном предопределяет ограниченный во времени статистически устойчивый квазистационарный характер усредненных последовательностей уровней помех. Для учета длительности квазистационарности помеховой обстановки в заявленном способе есть возможность изменения длительности контрольного временного интервала ΔT=T_И-T₀, за время которого будет набираться статистика уровней помех на каждой анализируемой частоте, изменение шага Δt=ΔT/K определяет частоту выборок временного ряда, а изменение последующих за контрольным ΔT=T_И-T₀ временных интервалов p, где р=1, 2…Р, - определяет длительность прогноза.

Статистическая обработка результатов реальных измерений уровней помех, проведенная на ЭВМ, учитывала реальную нестационарность процесса радиопомех. При этом была получена оценка длительности предыстории, т.е. отрезка времени ΔT, в течение которого должны вычисляться текущие средние уровни помех на каждой частоте и при котором реализуется «в среднем» максимум апостериорной вероятности. Согласно [1] оказалось, что достаточно вычислить средний уровень помехи по результатам измерений примерно за 10 мин (в зависимости от частости отсчетов, времени суток и т.д.) до момента начала прогнозирования. Таким образом, статистические исследования показали, что для повышения вероятности правильного краткосрочного прогнозирования (на 10-20 мин) необходимо непрерывно, циклично вычислять средний уровень помехи по результатам измерений на каждой частоте и производить адаптивный подбор коэффициента адаптивного сглаживания α. Отмеченное подтверждает возможность достижения сформулированного технического результата.

Литература

1. Комарович В.Ф. Случайные радиопомехи и надежность KB связи (изд. «Связь» Госкомиздата СССР, Москва, 1977, с.1-132, с.12-15).

2. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования // Мат. Статистика для экономистов. - М.: Статистика, 1979. С.17-22, с.90-93).

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования уровня помех на анализируемых частотах на пунктах ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службы радиоцентров в условиях изменчивости помеховой обстановки. Достигаемый технический результат - повышение достоверности прогнозирования уровня помехи на анализируемой частоте на некоторое время вперед. Способ характеризуется тем, что на каждой из анализируемых частот измеряют уровни помех, вычисляют их усредненные значения, по результатам которых прогнозируют уровни помех на малые интервалы времени, после чего оценивают величину ошибки прогноза, причем прогнозирование осуществляется при различных коэффициентах адаптации и по результатам предварительного прогноза выбираются коэффициенты адаптации для каждой частоты, обеспечивающие минимальные среднеквадратичные ошибки прогноза. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ краткосрочного адаптивного прогнозирования уровней помех в декаметровом диапазоне, заключающийся в том, что на каждой из N≥2 анализируемых частот К≥2 раз измеряют уровни помех , где i=1, 2 …, N, вычисляют их усредненное значение , прогнозируют ожидаемый уровень помех на анализируемых частотах и оценивают величину ошибки прогноза, отличающийся тем, что уровни помех измеряют К раз в контрольном временном интервале ΔТ=Т_И-Т₀, где Т₀ и Т_И - соответственно начальный и конечный моменты времени контрольного временного интервала ΔT с шагом Δt=ΔT/K, а усредненное значение уровня помех
вычисляют в пределах контрольного временного интервала, по результатам всех измерений , где k=1, 2 …, К, затем вычисляют предварительные значения уровней прогнозируемых помех методом адаптивного экспоненциального сглаживания значения , измеренного в момент времени Т_И и усредненного значения , причем экспоненциальное сглаживание выполняют последовательно принимая значение коэффициента экспоненциального сглаживания α_i с шагом Δα в интервале α_i=0÷1, вычисленные предварительно спрогнозированные уровни помех при всех заданных а_i запоминают, после чего измеряют дополнительно уровень помех в момент времени ΔT+Δt и вычисляют среднеквадратичные ошибки между и , выделяют наименьшее значение среднеквадратичной ошибки , и соответствующее ему значение , после чего в p≥2 последующих за контрольным временных интервалах, где р=1, 2…Р при выбранном параметре сглаживания , для каждой i-й частоты рассчитывают прогнозируемый уровень помех на момент времени (р+1)Т_И+Δt методом адаптивного экспоненциального сглаживания дополнительно измеренного уровня помех на момент времени рТ_И+Δt и спрогнозированного на момент времени рТ_И+Δt, причем для временного интервала р=1 принимают , а после наступления временного интервала р=Р вычисление прогнозируемого уровня для следующего интервала и измерение уровня прекращают и выполняют измерения и вычисления аналогичные контрольному временному интервалу ΔТ и временным интервалам р=1…Р.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в контрольном временном интервале ΔT для прогнозирования на i-й частоте предварительных значений уровней прогнозируемых помех в момент времени ΔT+Δt с помощью экспоненциального сглаживания значения , измеренного в момент времени Т_И и усредненного значения рассчитывают значение предварительно прогнозируемого уровня помех в момент времени ΔT+Δt, последовательно для различных значений коэффициента экспоненциального сглаживания, задаваемого в интервале 0<α<1 с шагом 0,1 по формуле
,
а среднеквадратичную ошибку прогноза помех на i-й частоте вычисляют по формуле

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для интервалов р=1, 2, 3,…Р для прогнозирования на i-й частоте уровня ожидаемых помех в момент времени (p+1)T_И+Δt с помощью экспоненциального сглаживания уровней (для временного интервала р=1 ) и в момент времени рТ_И+Δt рассчитывают значение прогнозируемого уровня помех в момент времени (р+1)Т_И+Δt по формуле
.