Обоснование состава режимов функционирования перспективных приемо-передающих комплексов метрового диапазона волн для пакетных радиосетей

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется возрастанием объема информации, поступающей к руководителю производства и необходимой для принятия обоснованного управленческого решения. Повышение эффективности управления в настоящее время невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий, и прогрессивных математических моделей управления. Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации в системе в целом [34].

АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект — АСУ общего назначения (АСУ ОН), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез ее информационной сети. Отметим, что в АСУ ОН имеются звенья управления (ЗУ), состоящие друг с другом в иерархической зависимости и связанные информационной сетью. При этом, как правило, имеются: верхнее звено управления (ВЗУ), средние ЗУ (СЗУ), нижние ЗУ (НЗУ) и исполнительные ЗУ (ИЗУ). Как правило, в АСУ ОН все ЗУ являются подвижными объектами (ПО) [38, 45, 46, 66].

Решение задачи обеспечения требуемых вероятностно-временных характеристик (ВВХ) доведения сообщений в распределенных информационных радиосетях, а также повышение эффективности использования их каналов радиосвязи может быть обеспечено на основе применения распределенных пакетных радиосетей (РПРС). Последние способны сформировать информационную сеть, во-первых, с большим количеством рокадных связей, что существенно повышает ее связность, и, во-вторых, реализует принцип коммутации пакетов, что значительно повышает эффективность использования каналов связи пакетными радиоустановками (ПРУ) [47, 50, 86].

Реализация РПРС предусматривается в основном на базе перспективных приемо-передающих комплексов (ППК) метрового диапазона, разрабатываемых в настоящее время промышленностью (шифр «Бутон», ОАО' «Концерн «Созвездие», г. Воронеж) и обеспечивающих передачу разделяемого во времени цифрового потока информации со скоростью 16−32 кбит/с. Такой ППК способен формировать информационную сеть АСУ территориально распределенных ПО, сеть оперативного речевого управления (ОРУ), сеть межкомпьютерного обмена (МКО), а также решать задачи резервирования проводных каналов связи. Оснащение всех ЗУ АСУ ОН ПО будет происходить поэтапно, при этом первые образцы такого ППК согласно техническому заданию (ТЗ) на ОКР должны обеспечивать встречную работу с ППК старого парка «Бант» [48, 49, 76].

Необходимость устойчивой работы ППК старого парка («Бант») в условиях сложной помеховой обстановки обусловило в нем наличие четырех режимов функционирования [30, 37]:

• режим непосредственного предоставления! каналов (НПК) — режим заранее подготовленных частот (ЗПЧ) — режим адаптации (А);

• режим старого парка (СП).

Режим НПК позволяет создать радиоканал при поступлении запроса от устройства управления (УУ) комплексом или от оконечной аппаратуры (OA). В этом режиме происходит тестирование аппаратных средств, необходимых для создания радиоканала, их коммутация и настройка.

Режимы ЗПЧ и, А являются автоматическими. При работе в этих режимах ППК обмениваются служебными кодограммами (КД). По командам, полученным в КД, ППК переходят на одну из ЗПЧ. Смена частот происходит централизованно и синхронно. ЗПЧ хранятся в исходных данных (ИД), записанных в перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах. Обмен кодограммами осуществляется по командному каналу связи (КС) с передачей широкополосных сигналов (ШПС). База ШПС велика (-1023), передача каждой ШПС КД повторяется двадцать раз.

В режиме ЗПЧ смена рабочих частот происходит детерминировано. При поступлении сигнала «браковка» на одной из ЗПЧ системы радиосвязи (СРС) переходит на следующую по номеру частоту. При браковке на последней по номеру частоте СРС переводится на ЗПЧ, которой соответствует первый номер в ИД, либо ПГЖ переводятся в режим А.

Режим, А отличается тем, что при поступлении сигнала «браковка» центральный ПГЖ сети запрашивает у подчинённых ему комплексов состояние помеховой обстановки на всех ЗПЧ. Проведя анализ полученных от них данных, центральный ПГЖ принимает решение о назначении своей частоты передачи для всех подчинённых ПГЖ сети. Найденная частота передачи (общая частота приёма) доводится до всех комплексов СРС по командному КС.

Техническим заданием на ОКР «Бутон» в интересах встречной работы ПГЖ «Бутон» с ПГЖ старого парка предусмотрено обоснование целесообразности реализации в разрабатываемом изделии апробированных режимов НПК, ЗПЧ и А. Такое обоснование возможно осуществить на основе методологического аппарата адаптивного управления системой радиосвязи (СРС).

Адаптивному управлению СРС посвящены монографии и труды научных школ Варакина Л. Е., Финка Л. М., Кловского Д. Д., Борисова В. И., Бу-ги Н.Н., Директорова М. Ф., Воронина А. А., Ростовцева Ю. Г., Советова Б. Я., Злобина В. И., Цимбала В. А. и многих других [8, 9, 12, 31−33, 40, 42, 64, 65, 73]. Эти работы показали высокую эффективность методов адаптивного управления в системах радиосвязи различного назначения. Однако многообразие указанных методов требует проведения исследований применительно к конкретным системам передачи информации метрового диапазона волн.

В ТЗ на ОКР «Бутон» указано, что ПГЖ «Бутон» должен обеспечить встречную работу с ПГЖ старого парка во всех режимах функционирования. Однако практика эксплуатации ПГЖ «Бант» показала, что режимы функционирования НПК и ЗПЧ реализуются достаточно просто и эффективны (оперативны), реализация режима, А очень сложна, и его внедрение в ПГЖ «Бутон» является проблематичным [54].

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, реализация режимов ЗПЧ и, А в ППК «Бутон» в условиях помех приводит к повышению оперативности формирования сети радиосвязи. С другой стороны, реализация режимов ЗПЧ и, А в ППК «Бутон» в условиях помех приводит к увеличению его аппаратно-программной избыточности. Разрешение данного противоречия заключается в обосновании минимально достаточного состава режимов функционирования ППК «Бутон» в помехо-вой обстановке при встречной работе с ППК «Бант» по критерию оперативности формирования (сохранения) сети.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Обоснование состава режимов функционирования перспективных приемопередающих комплексов метрового диапазона волн для пакетных радиосетей».

Объектом исследования являются распределенные пакетные радиосети в процессе «встречной работы» ППК метрового диапазона волн нового и старого парков в условиях помеховой обстановки.

Предметом исследования являются математические модели процессов функционирования ППК метрового диапазона волн в штатных режимах работы.

Целью диссертационных исследований является обоснование состава режимов функционирования ППК метрового диапазона волн «Бутон» переходного периода при их встречной работе с ППК типа «Бант».

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена научная задача разработки программно-математического аппарата нахождения оперативности формирования сетей ППК метрового диапазона волн «Бутон» при их встречной работе с ППК типа «Бант» для штатных режимов работы ППК в условиях помеховой обстановки.

Основными направлениями исследования являются:

• анализ особенностей встречной работы ППК метрового диапазона волн «Бутон» с ППК старого парка «Бант»;

• разработка математической модели процесса функционирования радиосети на базе перспективных ППК «Бутон» — в режиме НПК;

• разработка математической модели процесса функционирования радиосети на базе перспективных ППК «Бутон» — в режиме ЗПЧ;

• разработка математической модели процесса функционирования, радиосети на базе перспективных ППК «Бутон» — в режиме А;

• исследование временных характеристик (ВХ) и ВВХ штатных режимов функционирования ППК метрового диапазона волн в. РПРС;

• разработка методики обоснования состава режимов, функционирования перспективных ППК метрового диапазона волн в РПРС;

• разработка рекомендаций по выбору конкретных параметров-обоснованных режимов функционирования! перспективных ППК.

Основные результаты, представляемые к защите:

1. Математические модели штатных режимов функционирования ППК метрового диапазона волн в распределенной пакетной радиосети.

2. Методика обоснования состава режимов функционирования перспективных ППК метрового диапазона волн в распределенной пакетной-радиосети.

Научная новизна полученных результатов:

1. Разработанные математические модели штатных режимов функционирования ППК метрового диапазона волн в распределенной пакетной радиосети, в отличие от известных, учитывают временные и вероятностно-временные характеристики как процесса* адаптации, так и процесса автоматической диагностики радиосредств.

2. Методика обоснования состава режимов функционирования, перспективных ППК метрового диапазона^ волн в распределенной^ пакетной радиосети впервые базируется на ВХ и ВВХ процесса формирования (сохранения) конфигурации радиосети.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории конечных марковских цепей и моделирования систем, высокой согласованностью полученных результатов с физикой исследуемого процесса.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в том, что они доведены до уровня инженерных моделей, методики и позволяют на стадии формирования технического облика 1JULIK «Бутон» переходного этапа закладывать в него обоснованный состав режимов функционирования при встречной работе с ППК старого парка типа «Бант». Кроме того, режим НПК базируется на технических решениях, защищенных авторскими свидетельствами на изобретение.

Результаты исследований представляют практический интерес для научно-исследовательских учреждений и проектных организаций с целью усовершенствования существующих и создания перспективных адаптивных ППК. Кроме того, результаты работы могут быть использованы в вузах при изучении учебных дисциплин, соответствующих тематике данной диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения.

Выводы по третьему разделу.

1. На основе разработанных обобщенного критерия превосходства и математических моделей были сформированы программы расчета характеристик формирования (сохранения) КРС, созданной на основе встречной работы ППК «Бутон"-"Бант», которые составили основу программно-математического аппарата обоснования состава режимов функционирования перспективных ППК метрового диапазона в комбинированных радиосетях АСУ ОН.

2. Расчеты, проведенные на основе сформированного программно-математического аппарата для конкретных условий помеховой обстановки, по- -казали, что в перспективном ППК целесообразно использовать режим ЗПЧ. Это обусловлено тем, что квантиль времени, соответствующий формированию (сохранению) КРС в режиме ЗПЧ с требуемой вероятностью Ртр, согласно предложенному обобщенному критерию превосходства меньше допустимого согласно ТЗ времени и, кроме того, обладает гораздо меньшей аппаратно-программной избыточностью по отношению к режиму А.

3. При достижении промышленностью нового уровня технологии реализации режима, А целесообразно для повышения оперативности формирования (сохранения) КРС в перспективных ППК нового поколения внедрять комбинированный режим А-ЗПЧ. Особенностью данного режима должно являться выявление лучших частот ОЧП из общего массива по техническим решениям режима, А варианта 2 (однократная оценка качества частот ОЧП из всего массива), их ранжирование по качеству и реализация режима ЗПЧ по варианту 2 на упорядоченном по качеству массиве частот ОЧП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Необходимость создания устойчивой информационной сети для основных абонентов (ЗУ АСУ, ТЛФ речь, межкомпьютерный обмен) АСУ ОН требует разработки новых ППК метрового диапазона волн типа «Бутон», эффективно функционирующих в условиях помеховой обстановки. Оснащение звеньев управления АСУ ОН ППК указанного типа будет происходить поэтапно, при этом первые образцы такого ППК согласно техническому заданию на ОКР должны обеспечивать встречную работу с ППК старого парка. Техническим заданием на ОКР «Бутон» предусмотрено в первых образцах такого ППК в интересах встречной работы с ППК старого парка обосновать для ППК «Бутон» целесообразность реализации в нем апробированных в ППК «Бант» режимов НПК, ЗПЧ и А, обеспечивающих отстройку от помех создаваемых ППК КРС. Последние являются основой информационной сети основных абонентов АСУ ОН.

Практика эксплуатации ППК «Бант» показала, что режимы функционирования НПК и ЗПЧ реализуются достаточно просто и эффективны (оперативны), реализация режима, А очень сложна, и его внедрение в ППК «Бутон» является проблематичным.

Диссертация посвящена обоснованию рационального состава режимов функционирования перспективного ППК «Бутон» при его встречной работе с ППК старого парка «Бант».

В ходе выполнения исследования получены следующие основные научные результаты, представляемые к защите:

1. Математические модели штатных режимов функционирования ППК метрового диапазона волн в распределенной пакетной радиосети.

2. Методика обоснования состава режимов функционирования перспективных ППК метрового диапазона волн в распределенной пакетной радиосети.

В результате исследования, проведенного в работе, выявлено, показано, доказано и разработано следующее:

• анализ существующей информационной сети основных абонентов АСУ ОН, построенной на основе ППК метрового диапазона волн, показал, что она формируется на базе КРС и вследствие этого обладает существенным достоинством — высокой оперативностью информационного обмена абонентов. Необходимость устойчивого функционирования КРС в условиях помеховой обстановки обусловил наличие в ППК старого парка «Бант» следующих режимов работы: режим синхронного перехода на заранее подготовленные частоты (режим ЗПЧ) и режим адаптации (режим А). Известно, что режим ЗПЧ достаточно прост в аппаратно-программной реализации и базируется на ненаправленном поиске оптимальной ОЧП из массива ЗПЧ. Режим, А основан на направленном поиске оптимальной ОЧП, из массива А, однако его аппаратно-программная, реализация сложна. Данный факт обуславливает наличие противоречия в диссертационном исследовании;

• спецификой функционирования перспективной РПРС типовой. АСУ По является то, что ее каналы могут быть подвержены влиянию непреднамеренных помех, создаваемых радиосредствами других министерств и ведомств вследствие* недостаточной координации работы их частотно-диспетчерских служб. В частности, в районах дислокации подвижных объектов могут работать на частотах рассматриваемой радиосети радиостанции такси, скорой медицинской помощи, МЧС, пожарной службы, милиции и др., что будет приводить к перерывам связи. Кроме того, возможно воздействие различных индустриальных помех.

При этом сторонние источники радиоизлучения способны формировать шумовые и узкополосные помехи с полосой частот AFi=50 МГц, AF2 = 5 МГц и AF3 = 1 МГц. Наиболее вероятной является узкополосная помеха с AF3 = 1 МГц, которой обеспечивается эффективное поражение частот из массивов ЗПЧ, А;

• разрешение сформулированного противоречия заключается в обосновании минимально достаточного состава режимов функционирования ППК «Бутон» в помеховой обстановке при встречной работе с ППК «Бант» по критерию оперативности формирования (сохранения) сети. При этом режим НПК должен присутствовать безусловно ввиду необходимости диагностики сформированных передающего и приемного трактов ППК;

• сформирован обобщенный критерий превосходства обоснования режимов (либо ЗПЧ, либо А), базирующийся на оперативности формирования (сохранения) КРС в условиях помеховой обстановки. Его применение требует знания ВВХ и ВХ исследуемых процессов;

• для решения поставленной научной задачи разработки программно-математического аппарата нахождения оперативности формирования сетей ППК метрового диапазона волн «Бутон» при их встречной работе с ППК типа «Бант» для штатных режимов работы ППК в условиях помеховой обстановки необходимо решить следующие подзадачи:

— анализ особенностей встречной работы ППК метрового диапазона волн «Бутон» с ППК старого парка «Бант»;

— разработка математической модели процесса функционирования радиосети на базе перспективных ППК «Бутон» — в режиме НПК;

— разработка математической модели процесса функционирования радиосети на базе перспективных ППК «Бутон» — в режиме ЗПЧ;

— разработка математической модели процесса функционирования радиосети на базе перспективных ППК «Бутон» — в режиме А;

— исследование временных характеристик (ВХ) и ВВХ штатных режимов функционирования ППК метрового диапазона волн в РПРС;

— разработка методики обоснования состава режимов функционирования перспективных ПИК метрового диапазона волн в РПРС;

— разработка рекомендаций по выбору конкретных параметров обоснованных режимов функционирования перспективных ППК;

• процесс формирования (сохранения) КРС, как физический процесс, является случайным с дискретными состояниями и дискретным временем, причем вероятность перехода из одного состояния в другое зависит только от того, в каком состоянии находится процесс, и не зависит от того, как он пришел в это состояние, т. е. для его исследования, а соответственно и нахождения искомых ВВХ и ВХ может быть использован математический аппарат конечных марковских цепей. Отличительной особенностью применения КМЦ при описании режимов функционирования КРС является наличие разных шагов перехода;

• из физики процесса формирования КРС в режиме НПК ясно, что в основе этого процесса лежат операции контроля основных устройств ППК, формирования его передающего и приемного трактов с использованием рабочих радиоданных и их реконфигурации при выявленных неисправностях. Процесс заканчивается выдачей в оконечную аппаратуру и на АРМ оператора сигнала «Готовность каналов». При браковке же организованных каналов КРС переходит либо в режим ЗПЧ, либо в режим А. Следовательно, получаемую для режима НПК с использованием моделирования оценку оперативности (ВВХ и ВХ) можно трактовать и как оценку надежности аппаратуры ППК, или как динамическую оценку готовности ППК к применению по назначению;

• моделирование процесса функционирования КРС в режиме ЗПЧ на основе теории конечных марковских цепей позволило получить аналитические выражения для ВВХ и ВХ процесса формирования (сохранения) КРС для случаев одинакового и разного качества частот в массивах ЗПЧ вплоть до произвольного их числа в массиве. Выявлена инвариантность ВХ к числу частот в массиве ЗПЧ при их одинаковом качестве. Полученные выражения позволяют находить оперативность формирования (сохранения) КРС при встречной работе ППК «Бутон"-"Бант» в различных условиях помеховой обстановки;

• моделирование процесса функционирования КРС в режиме, А на основе теории конечных марковских цепей позволило получить аналитические выражения для ВВХ и ВХ процесса формирования (сохранения) КРС для случаев одинакового и разного качества частот в массивах, А вплоть до произвольного их числа в массиве. Выявлено, что вариант функционирования КРС на двух частотах, разных по качеству, в режиме-А является общим для случая произвольного числа частот как одинакового, так и разного качества. При этом аналитические выражения для ВВХ и ВХ совпадают с выражениями для режима ЗПЧ, приведенными для. случая двух частот. Получен ные выражения позволяют находить оперативность формирования (сохранения) КРС при встречной работе ППК «Бутон"-"Бант» в различных условиях помеховой обстановки;

• на основе разработанных обобщенного критерия превосходства и математических моделей были сформированы программы расчета характеристик формирования (сохранения) КРС, созданной на основе встречной работы ППК «Бутон"-"Бант», которые составили основу программно-математического аппарата обоснования состава режимов функционирования перспективных ППК метрового диапазона в комбинированных радиосетях АСУ ОН;

• расчеты, проведенные на основе сформированного программно-математического аппарата для конкретных условий помеховой обстановки, показали, что в перспективном ППК целесообразно использовать режим ЗПЧ. Это обусловлено тем, что квантиль времени, соответствующий формированию (сохранению) КРС в режиме ЗПЧ с требуемой вероятностью Ртр, согласно предложенному обобщенному критерию превосходства меньше допустимого согласно ТЗ времени и, кроме того, обладает гораздо меньшей аппаратно-программной избыточностью по отношению к режиму А;

• при достижении промышленностью нового уровня технологии peaлизации режима, А целесообразно для повышения оперативности формирования (сохранения) КРС в перспективных ППК нового поколения внедрять комбинированный режим А-ЗПЧ. Особенностью данного режима должно являться выявление лучших частот ОЧП из общего массива по техническим решениям режима, А варианта 2 (однократная оценка качества частот ОЧП из всего массива), их ранжирование по качеству и реализация режима ЗПЧ по варианту 2 на упорядоченном по качеству массиве частот ОЧП.

Представляемые к защите научные результаты доведены до несложных аналитических выражений и алгоритма расчета, что позволяет их использовать в существующих и перспективных системах связи общего назначения.

Результаты диссертационной работы внедрены в организациях МО РФ и промышленности при разработке новых систем и сетей связи в интересах оперативного управления подвижными объектами, а также в учебный процесс ввуза. Эти результаты были использованы, в частности, при выполнении следующих работ:

•при разработке ТТЗ на перспективный приемо-передающий комплекс метрового диапазона волн в рамках ОКР «Бутон» (в.ч. 8 310);

•при обосновании ТТТ и разработке технического облика на ППК метрового диапазона волн «Бутон» (ЗАО «НИВЦ АС»);

•при изучении дисциплин «Информационные сети и телекоммуникации» и «Цифровые сети интегрального обслуживания» (СВИ РВ).

В дальнейшем полученные научные результаты и практические рекомендации могут быть использованы предприятиями промышленности следующим образом:

•при обосновании ТТТ и ТТЗ на НИР и ОКР по перспективным системам и сетям метрового диапазона волн;

•при проектировании и оценивании эффективности и качества функционирования разрабатываемых и перспективных систем и сетей связи различного назначения;

•в учебном процессе ввузов.

В рамках сформулированной в диссертационной работе научной задачи дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:

•направлении повышения оперативности формирования (сохранения) КРС путем реализации в перспективных ППК нового поколения комбинированного режима А-ЗПЧ и оценки его системных характеристик;

•направлении модификации протоколов информационного обмена в служебном канале, обеспечивающих повышение его оперативности;

•направлении использования в сигнально-кодовых конструкциях рабочих каналов сигналов с расширением спектра;

•направлении внедрения цифровых методов формирования и обработки сигналов в передающих и приемных трактах ППК;

•направлении перевода формируемых КРС с аналоговых принципов на цифровые и конвергенции информационной сети в сеть интегрального обслуживания абонентов.