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Reconstruction of the Coupling Architecture in the Ensembles of Radio-Engineering Oscillators by Their Signals Using the Methods of Granger Causality and Partial Directed Coherence
Radiophysics and Quantum Electronics ( IF 0.8 ) Pub Date : 2021-06-19 , DOI: 10.1007/s11141-021-10078-8
M. V. Kornilov , I. V. Sysoev , D. I. Astakhova , D. D. Kulminsky , B. P. Bezruchko , V. I. Ponomarenko

In this work, we solve the problem of detecting the connectivity in the ensemble of radioengineering oscillators of chaos with a delay in the own dynamics by two widespread methods, namely, the method of Granger conditional causality and the method of partial directed coherence. Both approaches are based on the empirical predictive models. The estimates are tested for significance using the surrogate time series obtained by reordering of realizations. Several experimental time series of the dynamics of all the ensemble elements, which were obtained in various experiments where the oscillators were connected in a chain and a ring, are considered. The abilities of the methods to reveal the existing couplings and rule out false detection of the indirect interactions are considered in detail. Both methods are shown to correctly reveal the connectivity on the whole. At the same time, the number of the missed and false couplings is significantly higher than that when using the special technique which was developed earlier with allowance for additional information on the node structure. The main missed couplings refer to the case where the leading oscillator operates in the oscillatory regime with a pronounced periodic component. In this case, the Granger causality method detects nonexisting indirect couplings. On the whole, the partial directed coherence yields a greater number of false conclusions on the indirect and direct couplings. The results of both methods varied from one experiment to another even for the same coupling architecture, and the variation was more pronounced for the method of partial directed coherence.



中文翻译:

使用格兰杰因果关系和部分定向相干方法重建无线电工程振荡器集合中的耦合架构

在这项工作中,我们通过两种广泛使用的方法,即格兰杰条件因果关系方法和部分定向相干方法,解决了在自身动力学中存在延迟的混沌无线电工程振荡器系综中检测连通性的问题。这两种方法都基于经验预测模型。使用通过对实现重新排序获得的替代时间序列来测试估计值的显着性。考虑了在振荡器连接成链和环的各种实验中获得的所有系综元素动力学的几个实验时间序列。详细考虑了这些方法揭示现有耦合并排除间接相互作用的错误检测的能力。两种方法都显示正确地揭示了整体的连通性。同时,遗漏和错误耦合的数量明显高于使用早期开发的特殊技术时的数量,并允许有关节点结构的附加信息。主要错过的耦合是指领先振荡器在具有明显周期性分量的振荡状态下运行的情况。在这种情况下,格兰杰因果关系方法检测不存在的间接耦合。总体而言,部分定向相干在间接和直接耦合上产生了更多的错误结论。即使对于相同的耦合架构,这两种方法的结果从一个实验到另一个实验有所不同,并且对于部分定向相干方法,差异更为明显。同时,遗漏和错误耦合的数量明显高于使用早期开发的特殊技术时的数量,并允许有关节点结构的附加信息。主要错过的耦合是指领先振荡器在具有明显周期性分量的振荡状态下运行的情况。在这种情况下,格兰杰因果关系方法检测不存在的间接耦合。总体而言,部分定向相干在间接和直接耦合上产生了更多的错误结论。即使对于相同的耦合架构,这两种方法的结果从一个实验到另一个实验有所不同,并且对于部分定向相干方法,差异更为明显。同时,遗漏和错误耦合的数量明显高于使用早期开发的特殊技术时的数量,并允许有关节点结构的附加信息。主要错过的耦合是指领先振荡器在具有明显周期性分量的振荡状态下运行的情况。在这种情况下,格兰杰因果关系方法检测不存在的间接耦合。总体而言,部分定向相干在间接和直接耦合上产生了更多的错误结论。即使对于相同的耦合架构,这两种方法的结果从一个实验到另一个实验有所不同,并且对于部分定向相干方法,差异更为明显。遗漏和错误耦合的数量明显高于使用早期开发的特殊技术时的数量,并允许有关节点结构的附加信息。主要错过的耦合是指领先振荡器在具有明显周期性分量的振荡状态下运行的情况。在这种情况下,格兰杰因果关系方法检测不存在的间接耦合。总体而言,部分定向相干在间接和直接耦合上产生了更多的错误结论。即使对于相同的耦合架构,这两种方法的结果从一个实验到另一个实验有所不同,并且对于部分定向相干方法,差异更为明显。遗漏和错误耦合的数量明显高于使用早期开发的特殊技术时的数量,并允许有关节点结构的附加信息。主要错过的耦合是指领先振荡器在具有明显周期性分量的振荡状态下运行的情况。在这种情况下,格兰杰因果关系方法检测不存在的间接耦合。总体而言,部分定向相干在间接和直接耦合上产生了更多的错误结论。即使对于相同的耦合架构,这两种方法的结果从一个实验到另一个实验有所不同,并且对于部分定向相干方法,差异更为明显。

更新日期:2021-06-19
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