Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Одной из важных составляющих могущества любого развитого Государства является его информационная инфраструктура, обеспечивающая информационное взаимодействие между собой как органов государственной власти, так и информационный обмен в интересах рядовых граждан.

В РФ основу информационной инфраструктуры составляет Единая сеть электросвязи (ЕСЭ), реализованная совокупностью различных операторов связи. К основным таким операторам относятся: Ростелеком, Транстелеком и др. Различные министерства и ведомства на базе арендованного коммуникационного ресурса операторов связи строят свои выделенные частные сети. Как правило, это сети стационарного характера, обеспечивающие информационные потребности стационарных абонентов.

Для удовлетворения потребностей мобильных абонентов в информационном обмене существуют совокупность беспроводных систем связи. К ним относятся сети сотовой связи стандарта GSM, а также сети сотовой связи стандарта CDMA. Их реализуют получившие признание пользователей операторы связи Билайн, МТС, Мегафон и др.

Профессиональная мобильная связь данного типа реализуется радиосетями транкинговых сетей связи типа TETRA, TETRApol, APCO.

На базе ЕСЭ в РФ реализован российский сегмент Всемирной сети связи с коммутацией пакетов Internet, обеспечивающего передачу любого трафика, в том числе и мультимедиа между различными пользователями.

Для входа в Internet существует много технологий ближнего и дальнего проводного и беспроводного доступа абонентского оборудования. Проводный доступ большей частью реализуется в виде широкополосных технологий типа xDSL. Беспроводный доступ чаще всего реализуется в рамках широкополосного доступа стандартов IЕЕЕ 802.11х. Конкретным и наиболее известным проявлением последнего являются сети беспроводного доступа WI-FI, Wimax и LTE.

Как мобильные сети связи, так и сети беспроводного доступа наряду с несомненными достоинствами обладают и общим недостатком: невысокая зона соты связи, обусловленная малой высотой размещения приемо-передающих антенн базовых станций соты (точек доступа). Данный недостаток усиливается в случае развертывания таких сетей на территориях с низкой плотностью населения (Сибирь, Дальний восток) или в труднодоступных районах.

Одной из трудно разрешимых задач практики является также создание сети радиосвязи различных объектов, рассредоточенных на большой территории в высокоширотных дрейфующих льдах научно-исследовательских станций и их инфраструктуры. Такая же задача возникает при освоении крупных месторождений полезных ископаемых (например, больших угольных разрезов), разрабатываемых открытым способом. В данном случае возникает задача совмещения в рамках одной системы радиосвязи оконечных радиоустройств различного типа.

Альтернативой традиционному варианту построения таких сетей является построение соты связи, базовая станция которой (или приемо-передающая антенна базовой станции (точки доступа)) расположена на летно-подъемном средстве (ЛПС). При этом в качестве ЛПС может выступать дирижабль, самолет, привязной аэростат. В этом случаи зона связи в зависимости от высоты стояния ЛПС может достигать в диаметре от 100 до 1000 км. Существенное значение такой подход имеет также и при оперативном разворачивании сети радиосвязи в интересах МЧС на значительных территориях при ликвидации последствий землетрясений, наводнений, техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций.

Опыт показывает, что наиболее просто высотный сегмент (ВС) системы беспроводной связи реализуется в случае использования в качестве ЛПС привязного аэростата и размещении на нем только приемо-передающей антенны (ППА). При этом базовая станция (ретранслятор сигналов) размещается на земле, а подвод высокочастотной энергии от передатчика ретранслятора к ППА и от ППА к приемнику ретранслятора осуществляется по линии поверхностной бегущей волны (ЛПБВ). В этом случае нужен аэростат объемом в 20 м3, который создает подъемную силу в 7-10 кг. Этого достаточно для подъема ППА с ЛПБВ на высоту до 1000- 2000 м. Последнее обеспечивает зону связи (ЗС) радиусом от 100 до 150 км, что вполне приемлемо для организации связи в районах с низкой плотностью населения и для других отмеченных условий.

Системы связи с ретрансляцией сигналов, у которых ретранслятор связи или базовая станция расположены на земле, а на привязном аэростате располагается только ППА, условимся называть беспроводными системами связи (БСС) с привязными аэростатными ретрансляционными комплексами (ПАРК) общего назначения (ОН).

Наиболее бурное развитие такие системы связи получили в конце 70-х и начале 80х годов, когда были найдены сверхпрочные и легкие материалы типа кевлара, майлара, с помощью которых удалось создать надежные и газонепроницаемые оболочки для привязных аэростатов. Анализ патентов по системам связи с ПАРК показывает значительный всплеск охранных документов и разработок по аэростатным системам в это время. Кроме того, на этот же период приходится значительное количество публикаций по созданию и эксплуатации систем связи с ПAPK, приводятся возможные типы ЛПС. Даются подходы к расчету напряженности электромагнитного поля с учетом интерференции радиосигналов метрового и дециметрового диапазонов волн, идущих от высотного ретранслятора (ВРТР) ко всей ЗС.

В целом, в 80Е90-х годах прошлого века был сформирован технический облик отдельного ПАРК связи, являющегося основой БСС с ПАРК. Разработана обобщенная структура наземного и высотного сегментов отдельного ПАРК. Однако, при этом отмечалось низкая надежность (безотказность) ВС БСС с ПАРК. Кроме того, не было единого мнения по алгоритмам работы БСС с ПАРК.

Организациями, имеющими существенные наработки в этой области, являются:

ЗАО НИВЦ АС (г. Москва), ФГУП НИИ ССУ (г. Москва), Институт проблем передачи информации РАН, РКК Энергия, Русское воздухоплавательное общество Авгуръ.

Дальнейшие исследования показали, что повышение надежности (безотказности) требует использования в БСС нескольких ПАРК. При этом БСС с несколькими ПАРК рассматривается как некоторая целостная структура ПАРК связи со своими алгоритмами функционирования. Отметим, что структура совокупности (системы) ПАРК связи и алгоритмы её функционирования составляют архитектуру ПАРК БСС ОН.

Атрибутивными свойствами БСС с ПАРК ОН в рамках настоящей работы являются: досягаемость, энергопотенциал (энергетико-спектральные характеристики) и надежность (безотказность). В работе обосновывается архитектура ПАРК БСС ОН по требуемому её качеству в рамках критерия пригодности.

Таким образом, существует противоречие: в потенциале БСС с одиночным ПАРК обеспечивает абонентские станции (АС) заданной зоны связи информационным обменом с требуемым качеством. Однако, одиночный ПАРК связи с ВРТР обладает недостаточной надежностью (безотказностью) при его длительном функционировании.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации Архитектура привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для беспроводной системы связи общего назначения.

Целью диссертационного исследования является обеспечение заданного качества системы ПАРК для БСС ОН.

Объектом исследования является структура и алгоритмы функционирования системы привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для БСС ОН.

Предметом исследования является научно-методический аппарат оценивания качества архитектуры привязных аэростатных ретрансляционных комплексов.

Научной задачей исследования является обоснование структуры и алгоритмов функционирования системы привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для беспроводной системы связи общего назначения с заданным качеством.

В ходе исследований были получены следующие научные результаты, представ ляемые к защите:

1. Математическая модель высотного бортового ретранслятора с кодовым многостанционным доступом без обработки на борту в условиях воздействия помех.

2. Методика выбора рациональной структуры и алгоритмов функционирования системы привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для беспроводной системы связи общего назначения.

3. Марковская модель запросно-вызывного канала беспроводной системы связи с привязным аэростатным ретрансляционным комплексом с временным многостанционным доступом.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

- математическая модель высотного бортового ретранслятора с кодовым многостанционным доступом (КМСД) АС без обработки на борту впервые позволяет находить оптимальное значение полосы пропускания ВРТР в фиксированной помеховой обстановке, доставляющее максимум скорости передачи информации при заданном значении отношения сигнал/(шум + помеха);

- методика выбора рациональной структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК для БСС ОН, в отличие от известных, позволяет синтезировать архитектуру БСС с ПАРК с заданным качеством по критерию пригодности;

- марковская модель запросно-вызывного канала (ЗВК) БСС с ПАРК с временным многостанционным доступом (ВМСД) АС впервые учитывает факт готовности (степень готовности, желание) абонента вести информационный обмен с вызывающей АС.

Достоверность результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата статистической теории связи, теории надежности, теории конечных марковских цепей, высокой согласованностью полученных результатов с физикой исследуемого процесса.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в том, что они доведены до уровня инженерной методики и позволяют на стадии проектирования БСС с ПАРК определять количество ПАРК, полосу пропускания ВРТР без обработки на борту, а также оперативность организации информационного обмена по ЗВК для текущих условий обстановки.

Результаты исследований представляют практический интерес для научноисследовательских учреждений и проектных организаций с целью усовершенствования существующих и создания перспективных БСС с ПАРК, особенно для территорий с низкой плотностью населения. Кроме того, результаты работы могут быть использованы в Вузах при изучении учебных дисциплин, соответствующих тематике данной диссертационной работы.

Результаты работы реализованы:

1. В ЗАО НИВЦ АС (г. Москва) при нахождении полосы пропускания ретранслятора сигналов и оценивании оперативности функционирования ЗВК подсистемы спутниковой связи специального назначения в рамках ОКР КорундЦМ1 (акт о реализации ЗАО НИВЦАС от 22.12.2011 г.).

2. В МОУ ИИФ при разработке схемотехнических решений высотного сегмента перспективной БСС с ПАРК в рамках ОКР Заполье-ИИФ (акт о реализации МОУ ИИФ от 08.09.2011 г.).

3. В Серпуховском ВИ РВ (г. Серпухов) в учебном процессе института по кафедре АСУ и связи в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины Информационные сети и телекоммуникации (акт о реализации СВИ РВ от 25.08.2012 г.).

Апробация работы и публикации: Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: пяти НТК Международного (сессия РНТОРЭС им.

А.С.Попова, г. Москва) и Всероссийского уровней (г. Калуга, г. Протвино, г. Серпухов, г. Владимир). По теме диссертации опубликовано 17 работ, 9 статей в научно-технических журналах и трудах конференций, из них 5 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень журналов ВАК, подготовлены материалы в эскизный и технический проекты ОКР, получен 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения, списка литературы, насчитывающего 125 наименования.

Работа изложена на 143 страницах и содержит 34 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы противоречие, цель, научная задача, а также основные научные результаты, представляемые к защите. Показаны научная новизна, практическая значимость и достоверность научных исследований.

В первом разделе проведен анализ современного состояния и перспектив развития БСС с ПАРК. Отмечена применимость таких БСС для территорий с низкой плотностью населения. Показано, что ПАРК связи включает высотный сегмент (ВС) и наземный сегмент (НС), соединенные между собой линией поверхностной бегущей волны (ЛПБВ), которая выполняет также роль привязного трос-фала (усилие на разрыв ЛПБВ 100 и более кг силы, а затухание- десятые доли дБ на км). При этом высотный ретранслятор (ВРТР) без обработки на борту размещается на НС, а ВС включает в себя малогабаритный привязной аэростат с объемом в 20 м3 и приемо-передающую антенну с устройством сопряжения с ЛПБВ. НС содержит также причальное устройство, устройство электропитания, устройство газонаполнения, устройство управления БСС с ПАРК, транспортные устройства с системой жизнеобеспечения обслуживающего персонала. Возможен также вариант построения БСС с ПАРК, когда базовая станция сети (точка доступа) расположена на привязном аэростате.

Рассмотрены возмущающие внешние факторы, в которых функционирует БСС с ПАРК: ветровые нагрузки, сезонные погодные условия, воздействие непреднамеренных помех от сторонних радиоэлектронных средств ЗС, приведенные на 1 МГц полосы (z).

БСС с ПАРК является аналогом сотовой системы связи с большой сотой, и на первом этапе ее реализации в ней будет использоваться метод ВМСД АС к ВРТР, на последующих этапах будет реализован метод КМСД (аналог режима CDMA сотовой связи).

Показано, что БСС с одиночным ПАРК при длительном её функционировании обладает недостаточной надежностью (безотказностью). Обеспечение требуемого уровня безотказности требует наличия в такой БСС нескольких ПАРК (совокупности, структуры ПАРК) с их алгоритмами функционирования.

Известно, что в системах связи структура элементов и их алгоритмы функционирования называются архитектурой системы связи. Исходя из изложенного, ставится задача обоснования структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК для БСС ОН с заданным качеством. Данная задача формулируется и решается в рамках теории сложных систем с использованием критерия пригодности.

Качество БСС с ПАРК есть совокупность ее следующих атрибутивных (основных) свойств: досягаемость, энергопотенциал, надежность (безотказность).

Досягаемость или потенциальная связность всех АС есть способность БСС с ПАРК обеспечивать связью всех АС зоны связи. Показателем досягаемости является радиус её зоны связи RД.

Энергопотенциал (энергетико-спектральные характеристики) есть способность БСС с ПАРК обеспечить заданный уровень полезного сигнала в зоне связи. Показателем энергопотенциала является отношение сигнал/шум на входе демодулятора любой АС в зоне связи h0 при фиксированном уровне шума.

Надежность (безотказность) есть способность БСС с ПАРК выполнять свои функции по обеспечению связью АС зоны связи в условиях воздействия непреднамеренных факторов. Показателем надежности БСС с ПАРК является её коэффициент готовности KГ, который есть вероятность работоспособного состояния БСС с ПАРК для различных условий её применения.

Тогда, показатель качества БСС с ПАРК есть трехмерный вектор:

, (1) F3 = RД,h0, КГ каждая компонента есть показатель её существенного атрибутивного свойства.

Архитектура системы ПАРК в формализованном виде представлена на рисунке 1 и определяется структурой ПАРК, структурой отдельного ПAPK, а также алгоритмами функционирования как отдельного ПАРК, так и их системы.

Количество Состав и топология Отдельного ПАРК ПАРК элементов ВС+НС ЭнергетикоСистемы ПАРК спектральные характеристики Архитектура системы Структура Алгоритмы Структура ПАРК ПАРК для БСС = отдельного ПАРК функционирования Имеются Д множества: N L M S Рисунок 1 - Архитектура системы ПАРК для БСС ОН в формализованном виде Тогда можно выделить:

- множество N структур ПАРК, различающихся количеством ПАРК;

- множество L структур отдельного ПАРК, различающихся составом и топологией элементов высотного и наземного оборудования отдельного ПАРК, а также энергетикоспектральными характеристиками;

- множество M алгоритмов функционирования как отдельного ПАРК, так и их системы (совокупности).

В таких предположениях множество всех возможных (допустимых) вариантов архитектур системы ПАРК и представляет собой декартово произведение указанных множеств, т.е.:

d Д (2) S = N L M () где = - по определению.

Синтезируемая архитектура должна обладать качеством, задаваемым допустимым (требуемым Заказчиком) показателем качества:

( 2 ( (3) F3d ) = R(d ),h0 (d),kГd) Д ( где R(d ),h0 (d),kГd ) - допустимые (требуемые) значения показателей атрибутивных Д свойств БСС с ПАРК.

Тогда задача синтеза рациональной архитектуры БСС с ПАРК по требуемому качеp ству имеет следующий вид: найти множество рациональных вариантов архитектур S, Д являющееся подмножеством множества всех допустимых архитектур S, каждый элеp Д p мент которого удовлетворяет критерию пригодности G, т.е. найти S S, s S :

2 2 ( ( (4) G : R(s) R(d) h0 (s) h0 (d) kГs) kГd) = ( ) ( ) ( ) Д Д где - символ логического умножения, - символ истинности.

При этом накладываются ограничения на число ПАРК, состав радиосредств АС, излучаемую ими мощность РАС, спектр частот fAC и скорость передачи информации VПИ, т.е. N N(d) (совокупность АС штатная), а также:

d ( PАС РАС) d ( (5) fAC = fAC) d ( VПИ = VПИ) Исходя из вышеизложенного, ставится задача: найти количественную взаимосвязь между архитектурой ПАРК для БСС ОН и её качеством и затем по заданному качеству синтезировать по критерию пригодности архитектуру для конкретных условий функционирования рассматриваемой БСС с ПАРК ОН.

Целесообразность использования критерия пригодности для оценки качества системы связи с ПАРК обуславливается тем, что он, во-первых, позволяет из совокупности всех архитектур выделить пригодные (обладающие допустимым (требуемым) качеством) и, во-вторых, выделить архитектуру, обладающую допустимым качеством из всех пригодных при минимуме её элементов (стоимости), если таковая имеется. Последняя архитектура будет являться также рациональной. Кроме того, данный критерий позволяет при необходимости сформировать дополнительные требования к качеству БСС.

Во втором разделе приводятся математические модели оценивания атрибутивных свойств БСС с ПАРК ОН в условиях воздействия внешней среды на ВС и непреднамеренных помех на ВРТР.

Показано, что досягаемость БСС с ПАРК целесообразно оценивать радиусом гарантированной ЗС относительно работающего в настоящий момент времени ПАРК. Известно, что радиус ЗС зависит от требуемой величины высоты размещения ЛПС, т.е.

RД RЗ cos + ЗАКР - sin -( ЗАКР + () ) , (6) 2 RЗ Н = RД sin - ( ЗАКР + ) 2 RЗ где, RЗ - радиус Земли; RД - радиус зоны связи (досягаемости); - угол места антенны АС; ЗАКР - угол закрытия (определяется характером рельефа местности).

Энергопотенциал БСС с ПАРК оценивается отношением сигнал/шум ( h0 ) на входе демодулятора АС, которое определяется многими факторами и, в частности: видом многостанционного доступа АС к ВРТР, количеством АС и их мощностью, мощностью передатчика ВРТР, мощностью и количеством узкополосных (УПП) и широкополосных помех (ШПП), шумами приемника ВРТР и АС. ВРТР для простоты рассматривается сквозным.

На первом этапе создания БСС с ПАРК для территорий с низкой плотностью населения целесообразно использовать ВМСД АС к ВРТР (аналогично системе сотовой связи типа GSM). В таких условиях расчет величины h0 аналогичен расчету этой величины для систем спутниковой связи (ССС) с ретранслятором без обработки сигналов, и особенностей не вызывает, так как в каждом временном окне кадра БСС с ПАРК через ВРТР в ходе информационного обмена будет проходить сигнал только одной АС.

На последующих этапах в БСС с ПАРК будет реализован метод КМСД (аналог режима CDMA сотовой связи). В этом случае в БСС с ПАРК через ВРТР будут проходить широкополосные сигналы (ШПС) всех АС, участвующих в информационном обмене.

ВРТР в целом является нелинейным устройством, в котором происходит подавление слабых сигналов сильными при совместном их прохождении. БСС с ПАРК обладает по отношению к ССС существенной отличительной особенностью, которая заключается в том, что имеется большой разброс расстояний от различных АС до ВРТР. Последние приводят к большому разбросу и уровней сигналов, приходящих на вход ВРТР от этих АС, причем разброс уровней сигналов будет равен квадрату разбросов расстояний, что в БСС с ПАРК является существенной величиной. Это означает, что сигналы от дальних АС ЗС будут по давляться сигналами от ближних АС при их совместном прохождении через ВРТР, что затруднит обеспечение требуемого h0 для каждой АС рассматриваемой БСС с ПАРК.

В работе предложены два варианта выравнивателей мощностей сигналов, приходящих от АС, находящихся на разных расстояниях от ВРТР. Оба выравнивателя представляют собой специальные приемные антенны, располагаемые на ЛПС, которые обладают такой диаграммой направленности в вертикальной плоскости, что хорошо принимают сигналы от дальних АС и плохо от ближних АС. Первый выравниватель представляет собой антенну типа симметричный волновой вибратор, расположенный вертикально на трос-фале.

Второй выравниватель представляет собой комбинацию двух одиннадцати полуволновых дипольных фазированных антенных решеток (ФАР), размещенных также вертикально на трос-фале, при этом диполи первой ФАР располагаются на расстоянии 0,54, а диполи второй ФАР - 0,46, где - средняя длина волны (по отношению к полосе частот ВРТР).

Сравнительная характеристика выравнивателей показала, что второй выравниватель близок к идеальному и является инвариантным к точке стояния ПАРК в ЗС. Данный выравниватель защищен патентом на полезную модель.

При построении БСС с ПАРК, функционирующей в режиме КМСД АС к ВРТР, искомая величина h0 будет выражаться через основные параметры рассматриваемой системы связи. Обобщенная структура ВРТР сквозного типа представлена на рисунке 2.

FС, PБ, RИМВ, Б, КПС,КПП, ККС, ККП ВРТР PCвыхi;PПвыхj;PШвых PCi; PПj;TC ;

i = 1, n; j = 1,m () () ; i = 1,n; j = 1,m АС Рисунок 2 - Обобщенная структура ВРТР сквозного типа На рисунке 2 обозначено: PCi, PCвыхi - мощность сигнала от i - ой АС на входе и на выходе ВРТР соответственно; PПj, PПвыхj - мощность помехи от i - ой АС на входе и на выходе ВРТР соответственно; PШвых - мощность гауссовского шума на выходе ВРТР; PБ - мощность передатчика борта ВРТР, приведенная ко входу приемника АС; Б - спектральная плотность мощности шума приемника ВРТР; АС - спектральная плотность мощности флуктуационного шума на входе приемника АС; RИМВ - коэффициент использования мощности передатчика ВРТР; FС - полоса частот сигнала от АС и ВРТР; - коэффициент подавления шума в ВРТР; - есть коэффициенты подавлеКПС, КПП, ККС, ККП ния сигнала, помехи, комбинационных составляющих сигнала и помехи соответственно; n - количество АС в БСС с ПАРК; m - количество действующих помех на входе ВРТР.

База ШПС БСС с ПАРК есть:

, (7) В = ТС FС где ТС - длительность информационного сигнала.

Для ВРТР со сквозной ретрансляцией сигналов, работающего в нелинейном режиме усиления, мощности сигнала, помехи и шума на выходе ВРТР, приведенные ко входу приемника i, АС имеют вид:

Rимв РБ Р / К, (8) ск пс PС = nm i вых К кс кп Б Fc + + P К Р К ci nl К i=1 l=пс пп Rимв РБ Рn / К, (9) пп PП = nm i вых К кс кп Б Fc + + P К Р К ci nl К i=1 l=пс пп Rимв РБ Б Fc. (10) PШ = nm i вых К кс кп Б Fc + + P К Р К ci nl К i=1 l=пс пп Положим:, тогда искомая величина h0 равна:

КПС = КПП = ККС = ККП = RИМВ = =PБ РСК В h0 = (11) пп п АС Б Fc2 + [Б (РПАС + РБ ) +АС (РАС + )] Fc + PПАС (РПБ + ) + РБ (РПБ + ) Р Р Р сi сi сi i=1 i=1 i=jк m где РПБ = Р - суммарная мощность помех на входе приемника ВРТР;

nj i=m PПАС = Р - суммарная мощность помех, воздействующих непосредстПАСi i=венно на вход приемника АС.

Обеспечение требуемого отношения h0 тр для каждого парциального канала запишем в виде неравенства:

2. (12) h0 h0 тр Приведем неравенство (12) с учетом (11) к неявному виду:

пп п hотр РПАС (РПБ + ) + РБ (РПБ + ) (13) P P ci ci hотр (Б (РПАС + РБ ) +АС (РПБ + )) i=1 i=2 Рci h0 АС Б 2 j i= FС + -ТС FС + РБ РСК РБ РСК РБ РСК Очевидно, что неравенство (13) имеет квадратичную форму относительно параметра Fc :

. (14) Ф(Fс ) = аFс2 + вFс + с На основании (13) и (14) можно доказать следующее утверждение.

Утверждение. Необходимым и достаточным условием существования базы сигналов, обеспечивающей требуемое отношение h0 в каналах БСС с ПАРК и КМСД АС к ВРТР, является:

2 (15) ММ М hотр Р ТС (РПАС + РБ ) +АС (РПБ + ) + 2 Б АС РПБ + + РБ РПБ + Р ПАС P P ci ci ci РБ РС Б i=1 i=1 i= j= где M - число занятых каналов в системе связи.

Доказательство.

Поскольку все переменные неравенства (13) являются действительными и положительными числами, то для того, что бы оно имело смысл, парабола, определяемая уравнением Ф FС = 0 и соответствующему граничному значению отношения сигнал/шум, долж( ) на располагаться в правой полуплоскости оси координат. Это и есть необходимое условие существования базы ШПС, которое математически выражается неравенством:

М b = hотрБ РПАС + РБ +АС РПАС + -ТС < () P 0, (16) ci i=1 или М Б РПАС + РБ +АС РПБ +ci () P 2 i=1 . (17) TC > hотр РБ РС Как видно, неравенство (17) одновременно является и ограничением на скорость передачи информации в канале связи с заданным отношением сигнал/шум. Достаточным условием выполнением неравенства (13) является наличие корней квадратного уравнения (14). Это имеет место в том случае, если дискриминант квадратного уравнения больше. Выделив коэффициенты a, b, из (случай 1) или равен (случай 2) нулю, т.е. - 4ас в(13) и составив данное неравенство можно путем несложных преобразований получить из него (15), что и является достаточным условием утверждения.

Если уравнение (14) имеет только один корень, (парабола касается оси ), то его FС значение представляет собой оптимальную ширину спектра ШПС и полосу пропускания ВРТР соответственно, которая равна:

ММ РПАС РПБ + ci + P РБ РПБ +P ci i=1 i= j. (18) F = АС Б В результате доказательства утверждения получен вывод о том, что в БСС с ПАРК и КМСД к ВРТР существует единственное значение базы сигналов, удовлетворяющее условию по отношению сигнал/шум в каналах и обеспечивающее максимально возможную при этом скорость передачи информации.

Значение оптимальной полосы (18) можно получить и другим путем. Для этого выражение (13) нужно продифференцировать по, результат приравнять к нулю и найти FС корень полученного уравнения. Последний и будет идентичен выражению (18).

Таким образом, построена математическая модель, позволяющая находить оптимальную полосу ВРТР при известных других параметрах, обеспечивающую h0 тр.

Надежность (безотказность) совокупности (структуры) ПАРК БСС ОН определяется как безотказностью одиночного ПАРК, так и безотказностью их совокупности. Высокую надежность функционирования совокупности ПАРК можно обеспечить только процессом резервирования работающего ПАРК с последующим восстановлением вышедших из строя его элементов. Для получения высокого коэффициента готовности совокупности ПАРК предположим, что будут использоваться все виды резервирования: нагруженное, облегченное, ненагруженное. При этом совокупность (система) ПАРК включает в себя:

один ПАРК, являющийся рабочим, через который в данный момент ведется информационный обмен, n1 ПАРК, находящихся в режиме нагруженного резерва, у которого включены все элементы ВРТР, за исключением выходного усилителя мощности, n2 ПАРК, находящихся в облегченном резерве (все элементы ВРТР - обесточены), n3 ПАРК, находящихся в свернутом положении и готовых к развертыванию. Таким образом, в рассматриваемой системе ПАРК имеется один рабочий и n=n1+n2+n3 резервных ПАРК. Тогда рассматриваемая БСС с ПАРК ОН будет находиться в работоспособном состоянии в том случае, когда имеется хотя бы один исправный ПАРК независимо от степени его эксплуатационной готовности, поскольку предположим, что переход из одной степени в другую происходит крайне быстро и абсолютно надежно.

Опыт эксплуатации сложных технических систем связи, к которым относится ПАРК, показывает, что поток его отказов есть пуассоновский поток с интенсивностью а время его восстановления подчинено экспоненциальному закону с интенсивностью .

0 1 n- n j-j Е Е H0 H1 Hj Hn Hn+Е Е М1 М2 М Мn М Мn+j j+Рисунок 3 - Граф состояний и переходов процесса функционирования системы ПАРК В таких предположениях процесс функционирования системы ПАРК будет представлять собой марковский процесс гибели и размножении, изображенный в виде графа переходов на рисунке 3.

В этом графе выделены такие состояния: H0 - все ПАРК находятся в работоспособном состоянии; H1 - один ПАРК вышел из стоя и восстанавливается; Hj - j ПАРК вышло из строя и восстанавливаются; Hn+1 - все ПАРК неработоспособны и восстанавливаются, система неработоспособна.

Искомый коэффициент готовности рассматриваемой системы ПАРК представляет собой стационарную вероятность того, что в системе имеется хотя бы один работоспособный ПАРК. Данная вероятность равна:

1 0 1Еi-КГ = 1- lim Pn+1 t =, (19) где i =, (20) ( ) t n+M1 M2 ЕMi 1+ n i i=а i и Mi - обобщенные интенсивности перехода рассматриваемого процесса вправо и влево, выраженные через параметры и и номер состояния i, учитывающие факт облегченной нагрузки ПАРК облегченного резерва (выражения (21) и (22)). Величины и определены методами теории надежности из рассмотрения надежности отдельного ПАРК.

0 = + n1 + n2 1 = + n1 + n2 = 0 2 = + n1 + n2 = 0 3 = + n1 + n2 = 0 М1 = .......................................

М2 = 2 n3 = + n1 + n2 = 0 n3+1 = + n1 + n2 -1 ( ) Мl = l (22) n3+2 = + n1 + n2 - 2 ( )(21) Ml+1 = l +1 ....................................... ( ) n3+n2 = + n1 n3+n2+1 = + n1 -1 Mn+1 = n +1 ( ) ( ) n3+n2+2 = + n1 - 2 ( ) ........................................

n3+n2+n1 = Основным принципом использования коммуникационного ресурса БСС с ПАРК как и в системах сотовой связи является применение в ней режима незакрепленных каналов. Расширение ЗС за счет увеличение высоты размещение базовой станции или ВРТР существенно увеличивает потенциальное число АС БСС с ПАРК. И в таких условиях необходимо обеспечить оперативность организации информационного обмена (ИО) не хуже, чем у существующих систем. Основным лузким (проблемным) местом в этом отношении является ЗВК. Обобщенная структура системы связи и временная диаграмма функционирования её ЗВК при проключении соединения между двумя АС представлены на рисунке 4 (а,б). Обобщенный алгоритм проключения заключается в следующем.

Вызывающая АС (АС1) посылает по ЗВК запросно-адресную группу (ЗАГ) ЗАПРОС, в которой указывают номер вызываемой АС (АС2). Центр управления ИО (ЦУИО), расположенный совместно с ВРТР, анализирует занятость АС2 и наличие свободных каналов. Если АС2 свободна и имеются незанятые каналы, то ЦУИО выдает в адрес АС1 ЗАГ ЖДИТЕ и в адрес АС2 ЗАГ ВЫЗОВ. АС2 анализирует адрес АС1 и при наличии готовности вести ИО с АС1 выдает в адрес ЦУИО ЗАГ СОГЛАСЕН. ЦУИО в ответ на согласие АС2 выдает обеим сторонам ЗАГ ДАННЫЕ, в которой содержатся номера рабочих каналов для ИО. При искажениях ЗАГ передающая сторона повторяет передачу по тайм-ауту.

Математическая модель процесса проключения соединения по ЗВК в БСС с ПАРК построена на основе аппарата конечных марковских цепей (КМЦ). Граф перехода КМЦ моделируемого процесса представлен на рисунке 5.

АС1 ЦУИО АСВРТР б) а) ЗАПРОС ЗАГ ЖДИТЕ ВЫЗОВ АСАССОГЛАСЕН АСАСЦУИО АСДАННЫЕ ДАННЫЕ АСАСi Е АСm АСt t t Рисунок 4 - Обобщенная структура системы связи (а); временная диаграмма функционирования ЗВК при проключении соединения между двумя АС (б) Рисунок 5 - Граф переходов КМЦ процесса проключения соединения по ЗВК Граф переходов (рисунок 5) содержит следующие состояния: x1 - АС1 выдает на ЦУИО ЗАГ ЗАПРОС; x2 - ЦУИО принял от АС1 эту ЗАГ и выдает на АС1 ЗАГ ЖДИТЕ, а на АС2 - ЗАГ ВЫЗОВ от АС1; x3 - АС1 и АС2 приняли от ЦУИО ЗАГ ЖДИТЕ и ВЫЗОВ; x4 - ЦУИО принял от АС2 ЗАГ СОГЛАСЕН и выдает АС1 и АС2 номера каналов на прием и передачу; x6 - АС1 и АС2 приняли от ЦУИО номера каналов на прием и передачу и ведут ИО; x5 - АС1 приняла от ЦУИО ЗАГ ОТКАЗ В СОЕДИНЕНИИ.

Оперативность организации ИО оценивается по вероятностно- временным характеристикам (ВВХ) и по временным характеристикам (ВХ). ВВХ есть зависимость искомой вероятности организации ИО от времени (числа шагов процесса), а ВХ оцениваются математическим ожиданием (МО (M[t])) времени организации ИО и дисперсией времени (D[t]). Матрица переходные вероятностей (МПВ) процесса установления ИО представлена выражением (23), а ВВХ находятся по уравнению Колмогорова-Чепмена - выражение (24).

р11 р12 0 0 0 р21 р22 р23 0 р25 0 0 р33 р34 0 Р[6,6] = (23) P6 (i) = P6 (i -1) P[6,6] (24) 0 0 р43 р44 0 р0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ВХ находятся из фундаментальной и дисперсионной матриц КМЦ и представлены в виде выражений (25), (27), (28).

p12 p23( p34 + p46) + p34( p46 - p43)(1+ p12 - p22 Tш [ ] M[t] = (25) Tш =з + Т (26) к p12 p34( p46 - p43)( p23 + p25) где Tш - длина шага переходов; з - длительность задержки распространения сигнала между АС и ВРТР; Тк - длительность кадра при реализации ВМСД АС к ВРТР.

Компоненты МПВ находятся через основные системные параметры БСС с ПАРК ОН с учетом общей информационной нагрузки от всех АС ЗС.

p23 p23(1- p46 + p43) + p25(2 - p46 + p43) 1- p22 p21 + ( p23 + p25)(1- p12) [ ] ( )[ ] Dt] =+ + [ ( p46 - p43)2( p23 + p25)2 p12( p23 + p25), (27) p46 p23 p23 p46 - p34 p46 + p34 p43 + p25 2 p46 - p34 p46 + p34 p43 () ( ) + p22 p23 + p25 + p21 () Т + 2 2 ш p34( p46 - p43)2( p23 + p25)1- p22 p23 + p25 ( )() (28) t = D t.

[ ] [ ] На базе данных моделей была разработана методика выбора рациональной структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК для БСС ОН. Разработанная методика включает в себя 8 этапов и представлена на рисунке 6.

Постановка задачи синтеза архитектуры ПАРК для БСС ОН. Обоснование показателей качества БСС с ПАРК и критерия его оценивания Ввод исходных данных и ограничений:

доп доп доп ( ) ( ) ( F<(тр ); ; ; m ; n; Р ; Р ; z; N ; Р ; FАС ) 3 > закр П У П Ш А С Нахождение высоты размещения ВРТР, обеспечивающей требуемую досягаемость (по оценке досягаемости) Нахождение энергетико-спектральных характеристик, обеспечивающих требуемую величину h0 (по математической модели ВРТР с КМСД) Нахождение числа ПАРК и алгоритма их совместного функционирования, обеспечивающих требуемую безотказность (по математической модели оценки надежности) пригоден Оценивание конкретного варианта БСС с ПАРК по критерию пригодности не пригоден 7 Коррекция исходных данных и ограничений Вывод полученных параметров системы ПАРК, отдельного ПАРК и алгоритмов их функционирования Рисунок 6 - Методика выбора рациональной структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК для БСС ОН В третьем разделе проведены расчеты характеристик по разработанным моделям и был осуществлен синтез архитектуры системы ПАРК для БСС ОН для типовых условий её функционирования. На рисунке 7а приведена зависимость степени выравнивания уровней сигналов АС на входе ВРТР выравнивателем второго типа. Для сравнения приведена зависимость разброса уровней сигналов двух АС находящихся на разных расстояниях от ВРТР.

На рисунке 7б приведена зависимость зоны радиовидимости от высоты размещения ВРТР для углов закрытия ЗАКР =(00 и 30). На рисунке 8а и 8б приведены зависимости оптимальной полосы ВРТР от числа помех Z на 1 МГц полосы при разных мощностях передатчиков АС и ВРТР и разных требуемых величинах h0 тр.

d, RЗР, км Условие: станция 1 находится на краю 4700 ЗАКР =00, а) мертвой зоны км 3б) 6 ЗАКР =3d (без выравнивателя) 5242312H=10 км 1H=5 км 1 (с выравнивателем) H=3 км H=1 км 0 1 2 3 4 0 10 30 50 70 90 110 130 1170 1L, км ,град Рисунок 7 а) - Зависимость степени выравнивания уровней сигналов АС на входе ВРТР выравнивателем второго типа; б) зависимость зоны радиовидимости от высоты размещения ВРТР для углов закрытия ЗАКР =(00 и 30) Fc, Fc, МГц МГц h0(тр) = VM=9600 Бод h0(тр) =РАС=1 Вт VM=9600 Бод РВРТР=20 Вт РАС=5 Вт 15 а) РВРТР=50 Вт б) 12 PП=10 Вт PП=10 Вт 9 PП=20 Вт PП=20 Вт 6 3 Z, Z, 1 2 3 4 5 1 2 3 4 кол кол -во помех -во помех 1МГц 1МГц Рисунок 8 а), б) - Зависимости оптимальной полосы ВРТР от числа помех на 1 МГц полосы при разных мощностях передатчиков АС, ВРТР, помех и разных требуемых величинах h0 тр На рисунке 9а и 9б приведены ВВХ и ВХ проключения соединения между двумя АС при таких исходных данных: количество АС в ЗС 5000; информационная нагрузка от одной АС 0,1 Эрланг; количество временных окон в кадре ВРТР (количество незакрепленных Рисунок 9 а), б) - Зависимости ВВХ и ВХ проключения соединения между двумя АС каналов) 100; длительность кадра в ВРТР Tk =100 мс; количество символов в ЗАГ m=1бит; вероятность ошибочного приема одиночного символа в восходящей и нисходящей радиолиниях p0=510-3 Е10-5; радиус ЗС км. Из графиков следует, что оперативRД =1ность проключения соединения при числе АС (1000 - 5000) в ЗС составляет не более одной секунды, что сравнимо с оперативностью существующих систем.

Показано, что ЗС с радиусом 150 км ВРТР должен располагаться на высоте до 3-х км, что является реальным для современного развития аэростатной техники. Показано, что при реализации в БСС с ПАРК КМСД полоса пропускания ВРТР составляет около 10 МГц при мощности передатчика ВРТР равной 50 Вт.

Обеспечение надежности (безотказности) системы ПАРК по коэффициенту готовности на уровне 0,999 требует, что бы в БСС было два ПАРК: один в рабочем состоянии, другой ненагруженном резерве и один в свернутом состоянии. Управление совокупностью ПАРК реализует ЦУИО работающего ПАРК. Функции работающего ЦУИО дублирует ЦУИО нагруженного (облегченного) резерва, при этом резервный ЦУИО постоянно актуализирует базу данных по состоянию АС ЗС и соединениях между ними.

Алгоритм функционирования совокупности ПАРК в БСС ОН таков.

1. При выходе из строя работающего ПАРК ЦУИО включает в работу ПАРК нагруженного резерва и переводит ИО на этот ПАРК.

2. ПАРК облегченного резерва ЦУИО переводит в ПАРК нагруженного резерва.

3. ПАРК свернутого состояния переводится в состояние облегченного резерва.

4. ПАРК, вышедший из строя, опускается и ремонтируется в ремонтном органе.

После ремонта переводится в множество ПАРК свернутого состояния.

5. ЦУИО резерва после взятия управления ИО на себя становится основным, а ЦУИО ПАРК нагруженного резерва становится резервным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящей диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача обоснования структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК для БСС ОН с заданным качеством. При этом разработаны математические модели для оценивания таких основных свойств рассматриваемой системы как досягаемость, энергетикоспектральные характеристики, надежность, (безотказность). Построена также математическая марковская модель функционирования ЗВК, что позволило оценить оперативность проключения соединения между двумя АС. Проведен синтез (выбор) структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК БСС ОН для конкретных условий.

Показано, что применение БСС с ПАРК позволит увеличить традиционную зону сотовой cвязи от радиуса в 30 км до радиуса в 150 км при приемлемых энергетикоспектральных характеристиках, типичных для традиционных систем сотовой связи. Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении:

- создания и исследования системы управления переводом информационного обмена с одного ПАРК БСС ОН на другой;

- решения задачи интеграции БСС с ПАРК ОН с телекоммуникационной сетью общего пользования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Цимбал В.А., Ваганов И.Н., Апонасенко А.А. Марковская модель функционирования запросно-вызывного канала системы связи с ретрансляцией сигналов и предоставлением каналов по требованию // Научн. техн. журнал Известия ИИФ, №1. - МОУ ИИФ - Серпухов, 2012 г. - С. 60-64. (соиск.-40%) 2. Ваганов И.Н., Орехов С.Е., Романов А.М. Теория диссипативных структур и ее приложение к методам приема и обработки широкополосных сигналов с непосредственным расширением спектра // Научн. техн. журнал Известия ИИФ, №1. - МОУ ИИФ - Серпухов, 2010 г. - С. 28-32. (соиск.-30%) 3. Цимбал В.А., Ваганов И.Н., Косарева Л.Н., Исаева Т.А., Потапов С.Е. Математическая модель доставки многопакетных сообщений в соединении точка-точка на сети передачи данных с процедурой скользящее окно // Научн. техн. журнал Известия ИИФ, №3. - МОУ ИИФ - Серпухов, 2009 г. - С. 13-19. (соиск.-20%) 4. Ваганов И.Н., Павлов А.А., Хоруженко О.В., Вальваков А.М. Метод повышения достоверности функционирования устройств хранения информации автоматизированных систем контроля и управления // Научн. техн. журнал Известия ИИФ, №2. - МОУ ИИФ - Серпухов, 2009 г. - С. 59-62. (соиск.-25%) 5. Ваганов И.Н., Орехов С.Е. Концептуальная модель пакетной сети радиосвязи метрового диапазона с многомерными маршрутами сообщений // Научн. техн. журнал Известия ИИФ, №1. - МОУ ИИФ - Серпухов, 2009 г. - С. 57-61. (соиск.-30%) В других изданиях:

6. Ваганов И.Н., Ковальков Д.А. Математическая модель информационного обмена многопакетными сообщениями в сети передачи данных с адресным переспросом// Проблемы обеспечения эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем. Сборник №4. Труды XXVII Всероссийской НТК. - Серпухов, 2008. С.116-119. (соиск.-50%) 7. Пашинцев В.П., Ваганов И.Н. Влияние возмущенной ионосферы на первичную обработку информации в аппаратуре потребителя спутниковых радионавигационных систем. // Проблемы обеспечения эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем. Сборник №4. Труды XXX Всероссийской НТК. - Серпухов, 2011. С.183-187. (соиск.-30%) 8. Ваганов И.Н. Оптимизация полосы пропускания ретранслятора системы связи с кодовым многостанционным доступом и высотной ретрансляцией сигналов. // Труды IX Российской НТК. Новые информационные технологии в системах связи и управления. - 3 июня 2010 г. - Калуга: изд-во ООО Ноосфера. С. 617-620. (соиск.-100%) 9. Ваганов И.Н. Постановка задачи синтеза архитектуры системы радиосвязи с привязными аэростатными ретрансляционными комплексами с заданным качеством функционирования и направления ее решения. // Труды X Российской НТК. Новые информационные технологии в системах связи и управления. 1 - 2 июня 2011 г. - Калуга:

изд-во ООО Ноосфера. С. 329-332. (соиск.-100%) 10. Ваганов И.Н., Попов М.Ю. Математическая модель доведения сообщений в радиосети с ретранслятором на базе параллельных конечных марковских цепей // LХV Научная сессия, посвященная дню радио. Труды. Т.1. - М: Радиотехника. 2010. С. 409-411.

(соиск.-50%) 11. Ваганов И.Н., Манаенко С.С. Специфика применения способа синдромного декодирования в системе спутниковой связи // V Международная НПК. Сборник трудов. Т.2.

Ц Протвино 2011. С. 122-125. (соиск.-50%) 12. Ваганов И.Н. Математическая модель ретранслятора системы связи, функционирующей в режиме CDMA // IV Международная НТК. Сборник трудов. Т.2. - Серпухов 2010. С. 239-241. (соиск.-100%) 13. Ваганов И.Н. Архитектура системы радиосвязи с привязными аэростатными ретрансляционными комплексами // Проблемы обеспечения эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем. Сборник №4.

Труды XXIX Всероссийской НТК. - Серпухов, 2010. С.33-35. (соиск.-100%) 14. Ваганов И.Н. Математическая модель запросно-вызывного канала системы спутниковой связи // Материалы 8Цй Международной НТК Перспективные технологии в средствах передачи информации - Том 1. г. Владимир, 2009 г. С. 211-213. (соиск.-100%) 15. Патент № 110501 на полезную модель РФ, МПК H04B 7/00. Устройство для моделирования системы связи / Заявитель и патентообладатель МОУ ИИФ. - № 2011114398; заявл. 14.04.2011. Ваганов И.Н., Вальваков А.М., Цимбал В.А. (соиск.-30%) 16. Пояснительная записка ОКР Заполье-ИИФ Главный конструктор Шиманов С.Н. Эскизный проект. - Серпухов МОУ ИИФ, 2010. С. 67-91.

17. Пояснительная записка ОКР. Заполье-ИИФ. Главный конструктор Шиманов С.Н. Технический проект. - Серпухов МОУ ИИФ, 2011. С. 65-78.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям