Исследование и разработка комплексных методов оценки эффективности систем декаметровой радиосвязи

Современный этап развития связи характеризуется развитием всех видов систем связи: сотовых, транкинговых, подвижных, спутниковых, пейджинговых, волоконно-оптических, декаметровых и др. Переход к цифровым методам передачи и приёма привёл к широкому внедрению новых видов услуг связи — межкомпьютерному обмену, передаче неподвижных и подвижных изображений, передача факсов и т. д. В связи с этим резко возросла конкуренция между различными системами и сетями связи. Примерно одинаковые характеристики качества ставят перед пользователем нелёгкую задачу выбора.

Тенденция глобализации сетей связи сильно обострила проблему ограниченности частотного ресурса. Поэтому закономерен интерес к использованию де-каметрового (ДКМ) диапазона для полноценной передачи информации в соответствии с требованиями сегодняшнего дня и с предоставлением самых современных услуг. Этому способствовало внедрение в технику передачи цифровых сигнальных процессоров, работающих в режиме реального времени, что позволило значительно усложнить алгоритмы кодирования и передачи сообщений, которые обеспечивают их успешную передачу по таким нестационарным каналам, как де-каметровые. Основным преимуществом систем ДКМ радиосвязи является то, что из-за распространения радиоволн в ионосфере передача сообщений может быть осуществлена в любое время на любые расстояния. Использование ионосферы даёт возможность организации связи как на всей территории страны, так и для информационного обмена на территории размерами порядка 500×500 км [26]. При этом возможна организация связи как непосредственно между абонентами, так и через вынесенный ретрансляционный пункт (ВРП), а также комбинированная связь — сочетание связи непосредственно между абонентами со связью через ВРП.

Интерес к связи в ДКМ диапазоне обусловлен также тем, что стремительное развитие общества и бурная человеческая деятельность приводят к увеличению количества различного рода природных и техногенных чрезвычайных ситуаций (ЧС). Для устранения их последствий необходимым элементом является эффективно функционирующая система связи, разработанная для ЧС. При организации аварийно-спасательных и аварийно-восстановительных работ могут использоваться как специальные средства связи спасательных отрядов, так и существующие в данном районе (или уцелевшие) линии связи. В зависимости от характера и размера ЧС средства ДКМ радиосвязи могут оказаться единственно доступными для ор7 ганизации связи. В этих условиях особенно важны следующие преимущества ДКМ средств связи — возможность ведения связи поверхностной и пространственной волной, возможность передачи сигнала бедствия в любую точку мира, высокая живучесть системы связи, быстрая восстанавливаемость ионосферы после практически любого дестабилизирующего воздействия, включая даже высотный ядерный взрыв [26].

Современный этап развития средств и систем связи характеризуется ужесточением требований к качеству передачи информации. Наличие большого количества развитых высокоэффективных сетей связи делает особо актуальной проблему оценки эффективности системы связи как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации. Критерий оценки эффективности должен быть комплексным, включающим в себя весь жизненный цикл системы связи, учитывающим различные группы её параметров, а также условия её функционирования. Однако большинство критериев оценки эффективности не учитывает специфику функционирования системы связи, не охватывает весь её жизненный цикл. Практически все используемые в настоящее время критерии оценки эффективности можно разделить на технические, экономические и технико-экономические. Технические и экономические критерии основываются на технических и экономических параметрах системы связи соответственно, а остальные параметры учитываются косвенно с помощью некоторых коэффициентов. Технико-экономические критерии учитывают и технические, и экономические характеристики системы. Общим недостатком всех этих критериев является недостаточный учёт влияния параметров системы связи на процесс её функционирования, что делает их непригодными для анализа эффективности адаптационных механизмов, без использования которых не обходится сегодня ни одна высокоразвитая и эффективно функционирующая система связи, особенно система ДКМ радиосвязи.

Кроме того, в настоящее время чрезвычайно широко применяют методы математического моделирования при анализе процессов функционирования системы связи. Однако не всегда выбранный критерий оценки эффективности систем связи позволяет использовать моделирование. До сих пор зачастую при количественном расчёте значения оценки используют эвристические или аппроксимированные экспериментальные данные и зависимости, которые характеризуют реальное положение не во всех возможных условиях функционирования системы связи. По этой же причине используемые критерии невозможно применять при расчёте 8 эффективности различных механизмов адаптации. Существующие аналитические методы расчёта эффективности механизмов адаптации в большей степени характеризуют аппаратурную адаптацию и неприемлемы для оценки в масштабах системы связи.

Выходом из этой ситуации является использование существующих (или при их отсутствии разработка новых) комплексных критериев оценки эффективности функционирования систем связи. Расчёт количественного значения оценки эффективности должен быть несложным, физически ясным и опираться на использование результатов, полученных путём математического моделирования: аналитического, имитационного, аналитико-имитационного. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки и, соответственно, свою область применения. Аналитические методы могут использоваться для анализа качественных тенденций поведения системы связи при изменении условий функционирования и их предварительных количественных оценок. Имитационное моделирование может применяться для точных количественных расчётов выявленных тенденций.

Применение критериев, базирующихся на результатах математического моделирования, позволит избежать некоторой субъективности итогового результата, связанного с необходимостью использовать эвристические или аппроксимированные экспериментальные зависимости, а также экспертные оценки, которые не всегда адекватно характеризуют условия функционирования системы связи.

Всё вышеперечисленное приводит к тому, что изменившаяся роль систем связи в жизни и развитии общества требует новых подходов к оценке их эффективности. Кроме того, недостатки при оценке эффективности приводят к тому, что современное развитие систем связи как в области технологии производства, так и в области проектирования при использовании существующих критериев не позволяет достаточно однозначно выявить наиболее приемлемый для данных условий вариант системы связи. Это является препятствием для поиска методов дальнейшего повышения эффективности уже существующих и только проектируемых систем и средств связи.

Поэтому целью настоящей диссертационной работы является подробный анализ условий функционирования систем связи с учётом их возросшего значения для жизни общества и на основе этого сформулировать новые подходы к оценке их эффективности. Затем необходимо провести анализ существующих критериев оценки эффективности систем связи с целью проверки их соответствия сформули9 рованным требованиям и при отсутствии удовлетворяющего этим требованиям разработать новый. На основе выбранного или разработанного критерия нужно оценить эффективность функционирования систем связи с целью повышения их эффективности как на этапе разработки, так и на этапе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. проанализировать существующие критерии оценки эффективности систем связи и на основе анализа их достоинств и недостатков показать необходимость разработки нового критерия, сформулировать требования к разрабатываемому критерию;

2. разработать новый критерий оценки эффективности на основе сформулированных требований;

3. разработать методику расчёта количественного значения критерия, позволяющую с небольшими временными затратами получить достаточно достоверное значение оценки эффективности функционирования систем связи;

4. с помощью разработанного критерия проанализировать функционирование различных вариантов зоновой системы ДКМ радиосвязи с целью определения условий, при которых целесообразнее использовать тот или иной вариант;

5. с помощью разработанного критерия проанализировать функционирование вариантов зоновой системы ДКМ радиосвязи с целью определения эффективности различных адаптационных механизмов;

6. с помощью имитационного моделирования проверить адекватность разработанной методики с точки зрения проверки качественных тенденций изменения количественного значения критерия при изменении условий функционирования системы связи;

7. на основе количественного расчёта эффективности применения систем связи в условиях конкретной ЧС дать рекомендации по использованию систем связи для уменьшения последствий ЧС.

Решению этих задач и посвящена настоящая диссертационная работа, содержащая пять глав, заключение и приложение.

В первой главе определяются условия функционирования системы ДКМ связи и связанные с ними проблемы развития, проводится критический анализ используемых методов оценки эффективности систем связи, показывается необходи.

10 мость разработки нового критерия, формулируются требования, которым должен удовлетворять разрабатываемый критерий оценки эффективности.

Во второй главе на основе сформулированных требований обосновывается и разрабатывается комплексный критерий оценки эффективности, показывается область его применения, разрабатывается методика аналитического расчёта количественного значения критерия.

В третьей главе на основе разработанной методики по разработанному критерию сравниваются варианты зоновой системы ДКМ радиосвязи и определяются условия, при которых наиболее эффективно использовать тот или иной вариант системы связи в различных условиях функционирования.

В четвёртой главе анализируется эффективность различных адаптационных механизмов при функционировании вариантов зоновой системы ДКМ радиосвязи в различных условиях и на их основе даются рекомендации, которые могут быть полезны как на этапе проектирования системы связи, так и на этапе её эксплуатации.

В пятой главе с помощью имитационного моделирования показывается адекватность разработанной методики реальному поведению систем связи в различных условиях функционирования. На основе рассмотрения конкретной ЧС показывается эффективность использования зоновых систем ДКМ радиосвязи и формулируются рекомендации по их применению для уменьшения последствий ЧС.

В работе использовались методы математического анализа, теории вероятностей, теории телетрафика и системного анализа.

Научная новизна состоит в том, что:

1. предложена методика комплексной оценки эффективности функционирования систем связи, учитывающая абсолютное значение ценности и процесс «старения» информации, а также дополнительное снижение ценности из-за искажения информации при передаче;

2. для количественного расчёта оценки эффективности системы связи разработана аналитическая модель её функционирования, позволяющая рассчитать потери ценности сообщений из-за задержки, искажений и утраты в процессе переда.

3. с помощью разработанной аналитической модели проведён анализ систем ДКМ радиосвязи с получением как новых, так и подтверждающих известные результатов.

Практическая ценность выполненной работы состоит в том, что полученные в диссертации теоретические результаты и предложенные методики оценки эффективности на этапе проектирования и эксплуатации систем связи, работающих в различных условиях, позволяют более полно оценивать их эффективность. Результаты диссертационной работы имеют значение для научно-исследовательских и проектных институтов, занимающихся проектированием систем связи.

Результаты диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах, проводившихся по хоздоговорам с Государственным комитетом по связи и информатизации РФ и Министерством обороны РФ. Форма и объём внедрения результатов диссертации подтверждены соответствующими актами (см. приложение).

Апробация результатов диссертационной работы проведена в процессе 16 выступлений на научно-технических конференциях университетского, всероссийского и международного масштаба в 1996;1999 гг. и периодических изданиях. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 работах [5−19, 29−33, 37, 40, 42, 110].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. при реализации системного подхода к оценке эффективности функционирования системы связи с точки зрения интересов пользователя необходимо учитывать свойства информации, передаваемой по системе связи: абсолютное значение ценности передаваемых сообщений и временную зависимость изменения их ценности — процесс «старения» информации;

2. интегральная характеристика процесса «старения» информации является фундаментальным средством описания ценностно-временных свойств информации для различных групп абонентов, категории срочности и т. д., которую целесообразно использовать при сравнительной оценке систем связи;

3. итерационное построение алгоритма аналитической модели позволяет получить вероятностно-временную характеристику функционирования системы связи в явном виде с учётом всех основных внешних и внутренних факторов, действующих на систему связи;

4. необходимость использования разработанной методики особенно ярко проявляется при оценке эффективности систем связи, предназначенных для организации оповещения населения при наступлении чрезвычайной ситуации и спасательных работ по ликвидации её последствий.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Проведённый анализ существующих и используемых в настоящее время критериев оценки эффективности систем связи показал необходимость разработки нового критерия. Сформулированные на основе анализа потребностей пользователя требования к разрабатываемому критерию показали, что он должен основываться на учёте свойств передаваемой информации — начальной ценности и временной характеристики процесса «старения». Такой подход является системным, так как учитывает процессы функционирования пользователя. В результате проведённого анализа существующих критериев, учитывающих процессы прохождения информации по системам связи, разработан критерий общих материальных потерь пользователя. Он определяется суммой двух слагаемых — затрат на проектирование, производство, установку и техническую эксплуатацию системы связи и средних материальных потерь пользователя, возникающих из-за утраты, задержки и искажения сообщения при его передаче. Его количественный расчёт базируется на вероятностно-временной характеристике функционирования системы связи, временном процессе «старения» информации и расчёте затрат по известным экономическим методам.

2. Разработана аналитическая модель расчёта вероятностно-временной характеристики функционирования системы связи, позволяющая оценить влияние основных действующих факторов на её работу. Модель состоит из двух частей: модели системы связи, представляемой системой массового обслуживания, и модели канала передачи информации. Основной особенностью разработанного алгоритма является циклический метод расчёта выходных характеристик из-за их неявной взаимосвязи с входными.

3. Результаты расчёта средних материальных потерь пользователя для двух вариантов зоновой системы ДКМ радиосвязи — системы «прямых связей» и системы с ВРП показали, что в нормальных условиях функционирования выигрыш от применения ретранслятора в зоновой системе составляет от 16% до 90% при воздействии различных факторов и в среднем составляет около 60%. Результаты расчёта для условий ЧС показывают, что в этом случае значение выигрыша находится в пределах от 23% до 72% и в среднем составляет 50%.

4. Разработанная аналитическая модель позволяет дать предварительную качественную и количественную оценки используемых механизмов адаптации на.

182 различных уровнях: параметрическом, алгоритмическом и структурном. На параметрическом уровне вариация мощностью передатчика позволяет снизить СМП пользователя на 5−6% для системы «прямых связей» и до 10% для системы связи с ВРП. Изменение скорости телеграфирования уменьшает СМП до 20% при постоянной энергии сигнала и до 10% при постоянной мощности передатчика. Но конечная скорость замираний существенно влияет на значение выигрыша, уменьшая его соответственно до 11% и 5%. Эффективность адаптации изменением числа каналов обеспечивает выигрыш по СМП пользователя от 7% для системы «прямых связей» до 11% для системы с ВРП. Исследование эффективности применения различных кодов показало, что наиболее подходящим для ведения связи является код с проверкой на чётность. Выигрыш от его использования составляет в среднем 11%.

5. При анализе эффективности адаптационных механизмов алгоритмического уровня рассмотрена эффективность вариации количеством служебных каналов и интенсивностью повторных попыток. В системе «прямых связей» увеличение числа служебных каналов позволяет получить выигрыш по СМП пользователя до 36%, а в системе с ВРП их рост практически не влияет на эффективность функционирования — выигрыш составляет 3%. Повторные попытки в обеих системах связи позволяют получить выигрыш в среднем до 30% (для системы «прямых связей» такой выигрыш достигается при небольшой информационной нагрузке и малой временной интенсивности сосредоточенных помех).

6. Проведённый анализ эффективности различных вариантов организации радиообмена через вынесенный ретрансляционный пункт показал, что наименьшей эффективностью обладает система МЕЗОН из-за неидеальности прохождения радиоволн в радиолинии межретрансляторной связи. Системы РАСКАТ и ИСКРА имеют практически одинаковую эффективность, вызванную схожестью структуры и алгоритма работы. Наименьшее значение СМП пользователя у системы АСТРА.

7. С целью получения реальной оценки эффективности от применения зоновых систем ДКМ радиосвязи было проведено моделирование их функционирования на примере условной ЧС в Самарской области при прорыве Волжской ГЭС для двух вариантов использования — в качестве дополнительных систем при оповещении населения и при организации обходных направлений.

Расчёты эффективности применения зоновых систем ДКМ радиосвязи при оповещении населения показали, что при больших ожидаемых потерях они обеспечивают выигрыш до 30%. Расчёты эффективности применения зоновых систем ДКМ радиосвязи при их использовании для организации обходных направлений показали, что выигрыш от применения ВРП составляет 10−26%).

8. Проведённые расчёты свидетельствуют, что в условиях ЧС зоновые системы ДКМ радиосвязи позволяют существенно снизить людские и материальные потери как при оповещении населения, так и при организации обходных направлений. Решение об использовании ВРП должно выноситься в учётом конкретной обстановки, вида возможных на данной территории ЧС, насыщенности региона средствами связи и т. д.

Заключение

.