Адаптивный метод компенсации задержки на границах разделения беспроводной среды и транспорта

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Кибернетика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Международный Научный Институт & quot-Educatio"- VII (14), 2015
43
Технические науки
Горелов В.П.- исполн. Данилов Г. А. [и др.]. — Новосибирск: [б.и. ], 2013. — 141 с.
10. Шилин, А. Н. Проблемы повышения надежности работы воздушных электрических сетей / А. Н. Шилин, А. А. Шилин, О. И. Доронина // Моделирова-
ние и создание объектов энергоресурсосберегающих технологий: сб. матер. межрегион. науч. -прак-тич. конф. (г. Волжский, 20−23 сент. 2011 г.) / Филиал МЭИ (ТУ) в г. Волжском. — Волжский, 2011. -С. 227−229
АДАПТИВНЫЙ МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ЗАДЕРЖКИ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛЕНИЯ
БЕСПРОВОДНОЙ СРЕДЫ И ТРАНСПОРТА
Москалец Николай Вадимович
Кандидат технических наук, докторант, Харьковский национальный университет радиоэлектроники, г. Харьков
ADAPTIVE METHOD DELAY COMPENSATION ON THE INTERFACE WIRELESS AND TRANSPORT NETWORKS Moskalets Nikolai, Candidate of Engineering Sciences, assistant professor of Kharkov National University of adioelectronics, Kharkov
АННОТАЦИЯ
Предложены алгоритмы предварительной компенсации джиттера при передаче потокового видео в беспроводных сетях, позволяющие улучшить качество передачи потокового видео. Метод реализован с помощью фильтра Кал-мана-Бьюси на основе концепции потокового агента.
ABSTRACT
The ovailable algoritms to preliminary delay compensation at the transmission of stream video in wireless networks, allowing to improve the quality of streaming video. The method is implemented using the Kalman-Bucy filter based on the concept of streaming agent.
Ключевые слова: потоковое видео, беспроводная сеть, компенсация джиттера, фильтр Калмана-Бьюси- потоковый агент.
Key words: streaming video, wireless network, jitter compensation, Kalman-Bucy filter- streaming agent.
Введение: задержки являются главным ограничением при определении качества предоставления информации. Особую критичность имеют задержки при передаче видео.
Цель данной статьи направлена на улучшение качества передачи потокового видео в беспроводных сетях.
В оверлейных сетях каждое изображение или кадр могут быть закодированы в один или несколько пакетов данных, которые отправляются с минимальной задержкой. Кадры, как правило, генерируются с постоянной кадровой скоростью, по этой причине пакетные кластеры отправляются с той же постоянной скоростью. На приемной стороне пакеты приходят с переменной задержкой. Эта задержка объясняется главным образом задержками, вызванными IP-сетью, и интерпретируется как джиттер. Критичность джиттера может значительно различаться в зависимости от типа сети и текущего состояния сети. Например, дисперсия задержки пакетов может меняться на несколько порядков от одного типа сети к другой, или даже в разное время по одному и тому же пути сети. Для мультимедийных потоков буфер воспроизведения приемника требует плавного изменения сетевой задержки. Известны решения, когда алгоритмы буфера воспроизведения, уменьшающие влияние джиттера, используют на конечном устройстве [1]. В данной статье предложен метод предварительной компенсации джиттера, что позволяет существенно улучшить качественные показатели у потребителя. Платформой для реализации компенсации джиттера выбран потоковый агент (ПА), находящийся на базовой станции беспроводной сети.
SА является популярной темой, а также имеет большой объем предыдущих исследований, сфокусированных на добавление дополнительных свойств ПА:
— ПА предоставляет обратную связь для контент сервера, используя различия между проводной и беспроводной частью сети [2]-
— ПА дает возможность определить место пакетной ошибки [2]-
— ретрансляция на прикладном уровне позволяет уменьшить пакетные искажения для приложений, невосприимчивых к задержке [3, 4]-
— прямая коррекция ошибок позволяет уменьшить битовые искажения для приложений, восприимчивых к задержке [3, 4].
1. Анализ архитектуры потокового агента.
При передаче мультимедийной информации по комбинированным сетям с учетом различных механизмов распространения с различными технологиями, важным является выполнение требований по качеству предоставления мультимедийной информации пользователю.
При этом, важными являются такие характеристики, как задержка и число потерянных и поврежденных пакетов. Как показывает практика, наибольшие потери качественных характеристик происходят на границах операторских сетей и сетей с различными механизмами распространения. Возникает необходимость установки соответствующих агентов, обеспечивающих мониторинг на том или ином промежутке сети. Вместе с тем, от числа и места этих агентов существенно зависит качество мониторинга.
ПА — это агент, который находится на базовой станции на пересечении проводной и беспроводной сети рис. 1.
Агент просматривает и распознает потоки и периодически посылает статистические и своевременные обратные сообщения на отправляющий сервер. Статистические обратные связи помогают отправителю проследить проводное состояние сети, что существенно для выполнения надлежащего контроля над перегрузками. С другой стороны, ПА отправляет своевременные обратные сообщения такие, как подтверждение пакетов (ACKs), что сигнализирует отправителю о прибытии каждого пакета к агенту корректно и вовремя.
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- VII (14), 2015
44
Технические науки
Рис. 1. Структурная схема функционирования потокового агента
Блок формирования находится перед ПА и ограничивает объем отправляемых сообщений, чтобы он не был больше, чем полоса пропускания беспроводной сети, храня пакеты, ожидающие фрагментации и передачи на более низкий уровень. Если состояние беспроводной сети плохое, число повторных передач будет расти, заставляя увеличиваться очередь пакетов. Блок формирования реагирует на заполненность очереди, отбрасывая пакеты до прибытия их к агенту.
Как показано на рис. 2, присутствие джиттера можно символически записать как:
t з (к)* t з (к + 1) ,
где t3 — это одностороннее время транзита.
Рис. 2. Взаимоотношения между частотой генерации пакетов и интервалами между прибывшими пакетами
Количественное соотношение, которое связывает время задержки t3, интервалы между Atia пакетами и частоту генерации пакетов f = 1/xr, выражено в виде:
Alatency = t3 (к + l) — t3 (к) = Atla (к) -1 • (1)
В этой модели, изменения Atia должны быть связаны с джиттером.
На самом деле, правая часть может быть использована в качестве показателя того, что последний пакет прибыл раньше, чем ожидалось Atia-----& lt- 0, позже, чем
f
ожидалось Atia-----& gt- 0 или джиттер задержки равен
f
1
нулю At------= 0 •
f
Уравнение (1) можно переписать таким образом, что позволит рассчитывать последнее t3 (к +1) на основе
предыдущей задержки пакета t3 (к) и измерении Atia.
t3 (к + 1)= t3 (к)+^Atia (к) — у
(2)
Данное уравнение (2) носит рекурсивную форму и может быть использовано в качестве основы для построения оптимальной процедуры оценки времени задержки
t (к) на каждом из к -шагов ее вычисления.
Представим уравнение в адаптированных к реальной задаче терминах:
t3 (к + 1) = t3 (к) + У3 (к) — te (к)], (3)
где
У3 (к) = H (к% (к) + Чк) = H (к) • (tn (к) -13 (к)) + Лк)
— измерение времени задержки прихода к -ого пакета- v (k) — погрешность измерений, которая появляется вследствие конечной точности измерения, конечной разрядности АЦП, обеспечивающего преобразование аналогового измерения tn (к) в цифровую форму, а также действие тепловых и иных шумов, действующих в цепях измерения- н (к) — весовой коэффициент, характеризующий усиление или ослабление измеряемой величины.
Процесс у (к) можно аппроксимировать гауссовским белым шумом в силу
множественности составляющих его компонент и выполнения условия центральной предельной теоремы. Если
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- VII (14), 2015
45
Технические науки
представить разность в квадратных скобках (3) как невязку, то данные уравнения по сути можно отнести к уравнениям стохастической аппроксимации, имеющей вид [5]:
x (k +1) = x (k) + a (k)[y (k) — H (k)x (k)], (4)
где a{k) — последовательность коэффициентов, обеспечивающих сходимость и устойчивость процедуры (4) к установившемуся состоянию, когда оценка
x (k +1) = x (k) — x{k)
Для коэффициентов должны выполнятся условия теоремы Дворецкого.
ж ж
Z a (k) -- ж — Za2(k)& lt-ж -0 & lt-a & lt- 1 (5)
k=1 k=1
Практика показывает, что и при более мягких ограничениях, по сравнению с (5) процедура (4) ведет себя также устойчиво [6]. Более того, она может быть выбрана
постоянной с учетом 0 & lt- a & lt- 1 и от величины a (k) зависит конечная точность оценки и скорость сходимости. Последнее свойство определило второе название данному коэффициенту как «шаговая постоянная».
Таким образом, процедура стохастической аппроксимации, применительно к терминам (3) принимает вид:
t 3 (k +1) = t 3 (k) + a (k)[y3 (k) -t г (k)], (6)
где Уз (k) = H (k & gt-3 (k) -v (k) — уравнение наблюдения.
Очевидно, в силу аддитивности элементов невязки, можно шум отнести к последнему слагаемому, поэтому (6) можно представить в классическом виде:
t 3 (k +1) = t 3 (k) + a (k)[h (k)F3 (k) — yp (k)] (7)
УГ (k) = H (k)tp (k) + v (k) (8)
где Ур (k) уравнение наблюдения.
Вместе с тем, получение оценки (6) и (7) в данном случае не является завершением задачи, поставленной в нашей работе. Главной задачей является получение алгоритма управления неким устройством, обеспечивающего компенсацию джиттера.
2. Синтез алгоритма управления джиттером
Из теории автоматического управления известна теорема о разделении [7, 8], утверждающая о том, что при среднеквадратичном критерии качества, которому удовлетворяют изложенные выше алгоритмы оценки (4),(6),(7), при гауссовской ситуации оптимальное уравнение можно построить из двух раздельных процедур: оптимальной стохастической оценки x (k), типа (6), (7), и детерминированной процедуры оценки типа:
u (k) = L (k)x (k).
Воспользуемся результатами данной теоремы.
Прежде, чем приступить к синтезу алгоритмов управления, следует уточнить, какие предполагается использовать электронные приборы, обеспечивающие
управление фазой поступающих пакетов. Очевидно, этот прибор может обеспечивать аддитивную коррекцию
tn ± 13 (9)
или мультипликативную коррекцию:
tn (lt 3) (10)
где — масштабирующий множитель.
Очевидно, как одна коррекция (8), так и вторая (9)
должны обеспечивать коррекцию tn с условием:
t2 — ж, (11)
Для разработки алгоритмов управления воспользуемся формальным аналогом данной задачи (4) с более общей задачей процедурой Калмана-Бьюси [6, 7], с учетом того, что переходной коэффициент (матрица)
Ф^ +1, k) = I:
x3 (k +1) = 0x (k)+K (k)[H (k)x (k)-y (k)], (12)
где K (k) = V (k)HT (k)^v1 коэффициент, имеющий
аналогичный a (k) смысл, при котором процедура (12) обладает оптимальным свойством по скорости сходимости, минимуму среднеквадратичной ошибки и др. [7, 8].
Апостериорная дисперсия V (k) определяется из решения уравнения Риккати:
V (k) = [I — K (k)H (k)V (k, k — 1),
V~(k, k — 1) = ФТ (k, k — 1) V (k — 1^(k, k — 1) + Щ. (13)
Очевидно, для решения задачи необходимо выбрать вариант управления наблюдением (8), поскольку именно наблюдаемую величину необходимо корректировать, выбирая или оценивая соответствующую величину
коэффициента H (k). В литературе [9,10] процедуры
оценки весовых коэффициентов известны как адаптивные алгоритмы Уидроу-Хоффа.
Следуя данной литературе, переобозначим
H (k) = W (k) и будем
находить оптимальную оценку
этого коэффициента на основании уравнений (6), (7), (12):
W (k +1) = W (k) + A (k)[tn (k) — W (k)tp (k)] (14)
где A (k) имеет тот же смысл, что a (k), K (k).
Весовой коэффициент W (k) может быть как вещественным, так и комплексным. В первом случае корректор фазы обеспечивает процедуру в соответствии с (9). Если
x (k) является гармоническим сигналом, то имеет смысл использовать фазу синусоиды и осуществлять более точное слежение.
Структурная схема устройства управления, реализующего алгоритм (14), представлена на рис 3.
Аналогично предыдущему алгоритму построим алгоритм управления джиттером с мультипликативной коррекцией фазы (рис. 4).
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- VII (14), 2015
46
Технические науки
Рис. 3. Алгоритм управления джиттером с аддитивной коррекцией фазы
Рис. 4. Алгоритм управления джиттером с мультипликативным управлением фазы
Алгоритм работает следующим образом. Каждый из i поступающих на устройство коррекции информационных пакетов E1 имеет соответствующее время прихода Хп () = tn (i) ±t3. На второй вход этого устройства
поступают управляющие сигналы tр ()W (к + l) = up, содержащие информацию о том, на сколько следует скорректировать фазу (задержку) стробирующего отчета
tr (i) с тем, чтобы в свою очередь скорректировать задержку (фазу пакета), tn ± t3 приходящего на устройство
E •
Поскольку задержка t3 носит случайный характер, то на выходе E1 всегда будет иметь место остаточная расстройка фазы ± At3. Сигнал этой расстройки поступает на перемножитель m2, на второй его вход поступает сигнал о i -ой фазе очередного стробирующего сигнала
tr•
В результате перемножения на выходе m2 имеем:
Um, = U," ± Ua3 + Ulltр,)=U, U, ±Uai3+UJJ, (15)
где Um — напряжение шума, имеющего место на выходе E1. Полученный сигнал Umпоступает далее на схему интеграции (сглаживания), образованную за счет линии задержки (ЛЗ) на 1 шаг (k), который предотвращает от резких скачков сигналов при формировании весового коэффициента W (к + 1). Другое назначение интегрирующей схемы в том, чтобы сформировать интегральные суммы. Очевидно, что только интеграл от второго слагаемого (15) останется отличным от нуля в силу наличия статистической связи между перемноженными сигналами.
Uu =±jUAt3Utr dt * 0 (16)
Остальные два крайних интеграла, в силу некоррелированности окажутся в среднем, равны нулю. Полученный сигнал (16) является, по сути, сигналом весового коэффициента:
Uu = W (k +1) •
Действующий на входе m1 сигнал W (к +1) обеспечивает коррекцию фазы tр. Таким образом, коррекция фазы tг будет корректироваться до тех пор, пока на 1 -й
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- VII (14), 2015
47
Технические науки
вход перемножителя m2 будет поступать сигнал Uд.
В результате действия такой кольцевой схемы с обратной связью постепенно уменьшается остаточное значение задержки At3 и после некоего минимального значения
наступает стабилизация. Данная структура (рис. 3) используется многими специалистами и хорошо зарекомендовала себя на практике в алгоритмах управления адаптивными антенными решетками (ААР) [6, 9, 10].
Близкой по принципу является работа другой адаптивной схемы рис. 4.
Здесь сигнал Uд рассогласования фаз между tn (i) и tг (i) формируется на выходе сумматора2.
Далее на выходе перемножителя m2 образуется суммарный сигнал рассогласования фаз, аналогичный (15) и после интегратора (^ и ЛЗ) формируется весовой коэф-
фициент W (к + 1), мультипликативно воздействующий на устройство m1, содержащий корректор фазы последовательности tn (i) до тех пор, пока на выходе2 будет действовать сигнал рассогласования фаз
U*.
3. Реализация алгоритма управления джиттера в пакете МаШЬ
Алгоритм управления джиттером с аддитивной коррекцией фазы рис. 4 реализован в пакете МайаЬ.
Входные данные — массив задержек, были получены с помощью сетевого симулятора NS2. Моделировался UDP трафик с постоянным битрейтом. Параллельно анализируемому потоку по каналу передавались два фоновых потока, сгенерированные с помощью Pareto On/Off Application.
Pareto OnOffApplication — это генератор unicast трафика согласно OnOff шаблона. Генератор работает следующим образом: приложение чередует состояния & quot-On"- и & quot-Off"-.
Время каждого состояния определяется следующими переменными onTime и offTime.
В течение состояния & quot-Off"- трафик не генерируется. В течение состояния & quot-On"- трафик соответствует распределению Pareto.
Фоновый трафик имеет случайный характер, который позволяет внести дрожание задержки в анализируемый трафик.
Фоновый трафик позволяет провести эксперимент, приближенный к реальным условиям. В качестве эталон-
t Г
ного сигнала 1, взята средняя задержка, для упрощения текущего эксперимента.
Для оценки эффективности работы алгоритма компенсации джиттера, оценка дрожания произведена до и после обработки (рис. 5).
О 200 400 600 ВЛО 1000 1200 1400
Рис. 5 Оценка дрожания задержки до и после компенсатора джиттера
Джиттер прибывшими пакетами оценивается непрерывно во время прибытия каждого i -го пакета дан-
ных от источника
J (i) = J (i -1)+(D (i -1, i) — J (i -1)/16), (17)
D (i, j) = (R — S,)-(R — Si)
где разница
между
задержкой j -го пакета и i -ого.
Выводы:
1. Предварительная компенсация джиттера при передаче потокового видео на границе операторских се-
тей и сетей с различными механизмами распространения не только позволяет обеспечить качество параметров на всем пути от источника к потребителю, но также разгружает буфер управления воспроизведения, где накопившийся джиттер часто приводит к срыву картинки.
2. Особую роль в алгоритмах предварительной компенсации джиттера играет ПА, что дает возможность анализировать поток на границах операторских сетей и сетей с различными механизмами распространения, где происходят наибольшие потери качественных характеристик.
3. Синтезированы адаптивные алгоритмы компенсации джиттера, построенные на базе фильтра Кал-мана-Бьюси, который обеспечивает оптимальность
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- VII (14), 2015
их характеристик: быстродействие, минимум среднего квадрата ошибки оценки весового коэффициента и управляет фазой контентного потока.
2. Рассмотрены два вида адаптивных компенсаторов джиттера с аддитивной и мультипликативной регулировкой фазы потока видео, что позволяет согласовывать выбранное устройство коррекции фазы с алгоритмом.
3. Анализ качества адаптивного компенсатора джиттера показывает, что время сходимости процедуры после рестарта к установившемуся состоянию составляет 5 — 10 шагов дискретизации и зависит от соотношения сигнал/шум в потоке. Остаточная расстройка, имеющая место в подобных системах управления типа Уатта, составляющая 3−5% от предполагаемого значения.
Список литературы:
1. BritaH. Hafskjold Gade. A statistically optimal algorithm for multimedia receiver buffers-AiTe-dit AS, Oslo, 2008. — 300 p.
2. Gene Cheung, Wai-Tian Tan, Takeshi Yoshimura Double feedback streaming agent for realtime delivery of media over 3G wireless networks. // IEEE transactions on multimedia. — Apr 2004. — Vol. 6, issue 2. — PP. 304−314.
3. Philip A. Chou, Zhourong Miao. Rate-distortion optimized streaming of packetized media. // IEEE
Технические науки
transactions on multimedia. — Apr. 2006. — Vol. 8, issue 2. — PP. 390−404.
2. Gene Cheung, Wai-Tian Tan, Takeshi Yoshimura. Real-time video transport optimization using streaming agent over 3G wireless networks. // IEEE transactions on multimedia. — Aug. 2005. — Vol. 7, issue 4. — PP. 777−785.
3. Невельсон М. Б. Стохастическая аппроксимация и рекуррентное оценивание / М. Б. Невельсон, Р. З. Хасьмински. — М.: Наука, 1972. — 298 с.
4. Поповский В. В. Математические основы управления и адаптации в телекоммуникационных системах / В. В. Поповский, В. Ф. Олейник. — Харьков: СМИТ, 2011. — 362 с.
5. Сейдж Э. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении / Сейдж Э., Мелс Дж. — М.: Связь, 1976. — 496 с.
6. Справочник по теории автоматического управления: под ред. Красовского А. А. — М.: Наука, 1982.
— 360 с.
7. Уидроу Б. Адаптивные компенсаторы помех. Принципы применения и построения // ТИИЭР, 1975. -69−99 с.
8. Монзинго Р. А. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию / Р. А. Монзинго, Т. У. Миллер.
— М.: Радио и связь, 1986. — 447 с.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРТИЗЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОТПАРНЫХ КОЛОНН
Мусиенко Лариса Викторовна, Науменко Петр Александрович, Некрасова Оксана Геннадьевна, Соболев Денис Андреевич
Ведущие специалисты ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», г. Санкт-Петербург
THE PROCESS OF THE EXPERT SAFETY REVIEW OF THE STRIPPING COLUMNS Musienko Larisa Viktorovna, Naumenko Petr Aleksandrovich,
Nekrasova Oksana Gennad’evna, Sobolev Denis Andreevich Lead specialists of ZAO NDC NPF «Russkaja laboratorija», Saint-Petersburg АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрены аспекты проведения экспертизы промышленной безопасности отпарных колонн. Приведен состав работ по промышленной экспертизе. Изложена методика прочностных расчетов отпарных колонн. Подробно изложена методика прочностных расчетов штуцеров отпарных колонн. Приведены критерии оценки технического состояния отпарных колонн и границы применимости расчетных методик.
ABSTRACT
In the present paper there were considered different aspects of the expert safety review of the stripping columns. The scope of the expert safety review was outlined. The method for the stripping columns strength prediction was outlined. The method for the strength prediction of the stripping columns chokes was outlined in details. There were considered the criteria for the integrity estimation of the stripping columns.
Ключевые слова: отпарные колонны, экспертиза промышленной безопасности, прочностные расчеты.
Keywords: stripping columns, expert safety review, strength prediction.
Отпарные колонны представляют собой тепломассообменные аппараты, предназначенные для выделения из жидких смесей лекголетучих примесей. В нефтяной и газовой промышленности отпарные колонны используют при стабилизации нефти и газового конденсата, а также при дегазации насыщенного абсорбента на маслоабсорбционных установках. При этом в качестве основных продуктов получают стабильную нефть, конденсат или регенерированный абсорбент. Колонна представляет собой
вертикальный цилиндрический сосуд внутренним диаметром 1200 мм с двумя эллиптическими днищами, технологическими штуцерами и внутренними устройствами (клапанные тарелки). Вместимость сосуда 10,5 м³. Высота 27 030 мм. Сосуд установлен на опорную обечайку и теплоизолирован.
Принцип работы отпарной колонны заключается в следующем (рис. 1).

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой