автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Эффективность транкинговых технологических систем радиосвязи

^ На правах рукописи

ХИЗГИЛОВ ВАДИМ АРИИЛОВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНКИНГОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Специальность: 05.12.13 - "Системы радиотехники и связи"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника и радиотехнические системы» Государственной Академии сферы быта и услуг.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

О.И.ШЕЛУХИН

Научный консультант - к.т.н., доцент А.В.ЛЕДНЕВ Официальные оппоненты - член корреспондент академии транспорта РФ доктор технических наук, профессор А.Е. КРАСКОВСКИЙ - кандидат технических наук А.Ю. KOPABJIFB Ведущее предприятие - Научно исследовательский институт железнодорожной автоматики НИИЖА

Защита диссертации состоится « > ff ■>■>£)tP^Q.^Jj'SL- 1998 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 072.05.03 в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125493 г. Москва, ул. Пулковская, д. 6а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан » OKFJ^JH'f98 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доцент, кандидат технических наук A.C. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Экономические преобразования привели к развитию в России рынка систем мобильной ведомственной радиосвязи, на котором активно действуют многочисленные поставщики разнообразных систем и услуг радиосвязи, соответствующих различным стандартам в этой области. На рынке ведомственного пользователя в настоящее время развиты два сектора -сотовая и транкинговая связь.

Сотовая связь могла бы быть использована, как основа для технологической радиосвязи, что подтверждается происходящими в Европе процессам по формированию стандарта цифровой сотовой радиосвязи для железных дорог GSM/R, который мыслится не только как стандарт технологической связи, но и в качестве звена связи в составе безопасной системы управления и интервального регулирования движения поездов. Однако •в России отсутствует инфраструктура сетей мобильной связи GSM, которыми Европа начала покрываться с 1991 года, а развёртывание такой инфраструктуры потребует больших начальных вложений, которые в несколько раз превышают начальные расходы на создание транкинговых систем с аналогичными возможностями.

Таким образом, выбор средств для совершенствования технологической радиосвязи сводится, по существу, к выбору той или иной системы транкинговой радиосвязи.

Анализ рынка позволяет увидеть, что в России устанавливаются прежде всего аналоговые транкинговые системы, причём предпочтение отдаётся системам стандарта МРТ-1327, которые поставляются различными производителями и которые являются лучшими в классе аналоговых транкинговых систем.

Транкинговые системы предназначены для увеличения пропускной способности сетей радиосвязи. При эксплуатации обычных радиосистем абонент вынужден сам искать свободный канал. Транкинговая связь предполагает объединение нескольких каналов в систему. При этом абоненту, желающему произвести вызов, предоставляется любой из имеющихся каналов, который оказывается свободным в данный момент времени.

Этим достигается гораздо более высокая загрузка системы и, соответственно, значительное увеличение количества абонентов на каждый канал. Такие системы делают процедуру связи предельно простой (практически, как пользование телефонным аппаратом). Специальное оборудование автоматически распределяет имеющиеся свободные радиоканалы в интересах всех абонентов, выходящих на связь (динамическое распределение свободных каналов).

Системы транкинговой связи предоставляют гораздо больше функциональных возможностей, чем обычные системы радиосвязи, и по сравнению с ними, обладают рядом преимуществ:

• в радиоканале могут размещаться больше пользователей, обычно это преимущество возрастает при расширении системы, так например, система транкинговой радиосвязи с одной десятиканальной базовой станцией может обеспечивать обслуживание трафика объемом, значительно больше на один канал, чем обычная система радиосвязи;

• обслуживание транкинговой системой более надежно, так как краткосрочная потеря канала, вызванная помехами или другими причинами, скажется только на качестве обслуживания, но не приведет к общей потери связи;

• динамическое распределение каналов требует информации относительно местоположения, статуса, безопасности и работы служащих, поль-■ зующихся передвижными станциями;

• большие возможности по конфигурированию, что позволяет ввести ¡ючти неограниченное число пользователей. Зона покрытия позволяет обеспечивать связь как с одиночной базовой станцией, так и в пределах сети связи регионального масштаба.

• сопряжение с телефонной сетью — пользователи транкннговой радиосистемы имеют возможность связываться с абонентами телефонной ссш и наоборот;

• экстренные и циркулярные вызовы — режим, позволяющий в чрезвычайных случаях оперативно оповещать всех членов группы или всей системы;

• предотвращение несанкционированного доступа в систему радиосвязи — только действительные абоненты могут входить в транкинговую систему. Все похищенные или утерянные абонентские радиостанции отключаются дистанционно «по радио»;

• сигнализация о выходе из зоны действия системы;

• передача кодовых сообщений (поддержка режима пейджинга);

• приоритетность пользователей — каждому абоненту может быть предоставлен определенный уровень допуска в системе;

• фиксация всех имевших место сеансов радиосвязи с целью их учета при составлении абонентской платы.

Таким образом, транкинговые системы представляют собой системы распределения информации, наделенные значительными интеллектуальными способностями, которые определяются наличием мощных вычислительных и коммуникационных средств контроллеров различного уровня и программным обеспечением систем управления.

Методика оценки характеристик транкинговых систем требует использования сложных моделей систем массового обслуживания, учитывающих структуру сети, связанность трафика с обслуживаемым техноло-

гическим процессом, наличие коммутации каналов и возможности управления трафиком.

Актуальность решения задачи разработки научно обоснованных методов оценки пропускной способности транкинговых систем радиосвязи подчеркивается их широким внедрением в различных отраслях человеческой деятельности и тем фактом, что частотные ресурсы страны являются стратегическими и требуется их рациональное использование.

II ель к» диссертационной работы является разработка научно обоснованных методов оценки пропускной способности и помехоустойчивости транкинговых систем радиосвязи, а также разработка рекомендаций по их эффективному использованию в народном хозяйстве и частном бизнесе.

В соответствии с этим, поставлены следующие основные задачи дабихы;

1. Анализ условий работы, вариантов построения технологической радиосвязи, сравнительный анализ тактико-технических данных транкинговых систем радиосвязи, выбор оптимального стандарта и типа аппаратуры, осуществленный в соответствии с предложенными системными критериями;

2- Разработка статистических моделей сигналов в канале передачи информации транкинговых систем радиосвязи, а также характеристик сигналов и помех возникающих в тракте управления, в том числе помех вызванных многолучевым распространением радиоволн необходимых для теоретической оценки качества передачи информации по транкинговым системам радиосвязи; 3. Оценка помехоустойчивости сигналов в информационном канале и канале управления транкишовых систем с учетом статистических характеристик аддитивных и мультипликативных помех;

4. Оценка влияния реального вида распределения длительности занятия радио канала на характеристики пропускной способности транкинговой системы радиосвязи при заданном качестве обслуживания;

5. Построение математических моделей и соответствующих алгоритмов имитационного моделирования систем массового обслуживании с очередями учитывающая особенности функционирования тралкинговых систем радиосвязи стандарта МРТ1327 и возможности управления трафиком;

6. Разработка алгоритма работы и устройств сопряжения транкинговых систем радиосвязи всех типов стандарта МРТ 1327 и SMARTRUNK II с ведомственными телефонными сетями в режиме входящей и исходящей связи.

7. Разработка реализационных основ и результаты внедрения технологической транкинговой радиосвязи.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей случайных процессов, математической статистики, статистической радиотехники, математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования в реальных эксплуатационных условиях.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:

• осуществлен статистический анализ сигналов и получены математические модели сигналов и помех в информационном тракте'и тракте управления транкинговых систем стандарта МРТ1327, адекватные реальным физическим явлениям;

• разработаны системные критерии и даны оценки показателей эффективности транкинговых радиотехнических систем, позволяющие оптимизиро-

вать выбор стандарта и типа аппаратуры применительно к технологической радиосвязи железнодорожного транспорта;

• впервые получены оценки влияния реального вида распределения длительности занятия радио канала на характеристики пропускной способности транкинговых систем радиосвязи при заданном качестве обслуживания;

• построены математические модели и разработаны алгоритмы имитационного моделирования систем массового обслуживания с очередями учитывающие особенности функционирования транкинговых систем радиосвязи стандарта МРТ1327 с различными процедурами управления трафиком;

Практическая ценность заключается в следующем:

• Разработаны алгоритмы работы и практически реализованы устройства сопряжения транкинговых систем радиосвязи всех типов стандарта МРТ1327 и SMAR.TR.UNK. II с ведомственными телефонными сетями в режиме входящей и исходящей связи.

• Разработанные методики оценки качества радиосвязи с использованием транкинговых систем реализованы при развертывании ряда зон технологической транкинговой радиосвязи.

На защиту выносятся;

• результаты статистического анализа помеховой обстановки и математические модели сигналов и помех в информационном тракте и тракте управления транкинговых систем стандарта МРТ1327;

• системные критерии и оценки показателей эффективности транкинговых радиотехнических систем, позволяющие оптимизировать выбор стандарта и тина аппаратуры применительно к технологической радиосвязи железнодорожного транспорта;

• оценки влияния реального вида распределения длительности занятия радио канала на характеристики пропускной способности транкинговых систем радиосвязи при заданном качестве обслуживания;

• математические модели и алгоритмы имитационного моделирования систем массового обслуживания с очередями учитывающие особенности функционирования транкинговых систем радиосвязи стандарта МРТ1327 с различными процедурами управления трафиком (динамическое управление очередью, резервирование канальных ресурсов);

• алгоритмы работы и практически реализованные устройства сопряжения аналоговых транкинговых систем радиосвязи всех типов стандарта МРТ 1327 и SMARTRUNK II с ведомственными телефонными сетями в режиме входящей и исходящей связи.

• методики оценки качества радиосвязи с использованием транкинговых систем реализованные при развертывании ряда зон технологической транкинговой радиосвязи.

Внедрение результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках «Концепции использования в России транкинговых систем при организации сетей связи» принятых постановлением Коллегии Минсвязи РФ №6-3 от 21.03.94;

«Основных положений по организации сетей транкинговой и пейджнн-говой радиосвязи МПС» принятых МПС 31.01.97',

«Концепции создания цифровой связи МПС России. Раздел 2» принятой МПС 28.06ю1997 г.

Результаты диссертационной работы использованы при создании транкинговых систем связи на Московской железной дороге, что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Результаты исследовании иепольчовань| в курсе « Радиотехнические системы » Государственной

академии сферы быта и услуг (ГАСБУ), что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

докладывались и обсуждались:

• на Межвузовской научно - технической конференции «Проблемы повышения качества и эффективности в сфере сервиса» (Москва, 1997 г.);

• на Межвузовской научно - технической конференции «Техника и технология сервиса» (Москва, 1997 г.);

• на совместном заседании кафедр ГАСБУ «Компьютерный сервис» и «Радиотехника и радиотехнические системы и устройства» (Москва,

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 97 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 9 таблиц. В двух приложениях, объемом 18 страниц, содержатся.

цель и основные задачи исследования, определены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Дается краткое описание по главам основных рассматриваемых вопросов. Приводятся сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ существующих систем транкинго-вой связи и осуществлен выбор оптимального стандарта и типа аппаратуры в соответствии с предложенными критериями. Анализ различных ти пов аппаратуры позволяет предложить следующие критерии :

Основные положения диссертационной работы

1998г.)

Диссертационная работа состоит из

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обоснована актуальность работы, сформулированы

• максимальное количество абонентов в системе - дает представление о возможности включения в сеть всех категорий работников ж.д. транспорта и перспективах развития системы;

• время установления соединений- показывает оперативность связи и возможности применения ее в технологических процессах управления, ремонта и обслуживания железнодорожного комплекса.

• число уровней приоритетов - позволяет создавать мноГонерархиче-скую систему, повышает оперативность управления;

• наличие аварийного и групповых вызовов - обязательно для тран-кинговых систем железнодорожной радиосвязи;

• максимальное число диспетчерских рабочих мест;

• скорость передачи данных по управляющему каналу- является показателем оперативности управления;

• совместимость системы с другими видами связи- характеризует возможность выхода в ЖАТС, сопряжение с ВОЛС и ЦРРЛ, с другими системами мобильной радиосвязи;

• перспективы развития системы - определяется годом разработки стандарта системы, распространенностью стандарта и темпами внедрения.

На основании предложенных критериев были составлены сравнительные таблицы показателей систем и аппаратуры транкинговой радиосвязи, предлагаемых на Российском рынке.

Как показывает проведенный анализ, рынок транкинговой связи в России представлен в основном аналоговыми системами различных конкурирующих между собой стандартов.

Анализ структуры транкинговых систем связи (ТСС) показывает, что в аналоговых системах стандарта МРТ1327 можно выделить два типа трактов: тракт передачи информационных сигналов (информационный

тракт) и тракт передачи сигналов управления (тракт управления). Сигналы, передаваемые в этих трактах, значительно отличаются друг от друга.

Анализ помех, создаваемых радиоустановками (взаимных) по данным проводившихся за рубежом исследований электромагнитной обстановки в районах больших городов показал, что наиболее загруженными является диапазон 450-470 МГц. Именно в этом диапазоне планируется развитие средств связи с подвижными объектами. Ввиду загруженности этой части эфира имеет определенный интерес рассмотрение вопроса о повышении эффективности использования отводимого спектра частот. Критерием эффективности может быть количество корреспондентов, которое может одновременно работать в заданной области пространства и заданном диапазоне частот, при условии создания или минимального уровня помех.

Замирания и затенения приводят к получению высокой вероятности взаимных помех даже при большом разнесении абонентов по частоте. Так .например, при разнесении каналов с ЧМ на 12.5кГц и коэффициентом защиты 12дБ воздействию помехи подвергаются абоненты, занимающие 10% площади зоны; допустимое расстояние между абонентами, использующими 1 канал, в 5.62 раза превосходит радиус зоны обслуживания.

В главе дается анализ причин и характеристик помех и мешающих воздействий, действующих в каналах транкинговой радиосвязи. Отмечено что, применение радиосвязи в городских условиях связано со значительными трудностями, что обусловлено существованием, как высокого уровня индустриальных помех, так и многолучевым распространением радиоволн.

Значительное воздействие на качество радиосвязи в транкинговых системах оказывает специфика распространения электромагнитных волн, связанная с их многократным отражением от зданий и рассеянием.

При связи с движущимися объектами имеют место замирания, механизм возникновения которых различен, но причина одна - движение объектов.

Замирания, связанные с уходом частоты сигнала обусловлены доп-леровским сдвигом. По оценкам испытаний при скорости подвижного объекта порядка 60 км/час доплеровский сдвиг сигнала достигает десятков герц. Многолучевость распространения радиоволн порождает интерференционную картину распределения поля в пространстве. При перемещении подвижного объекта внутри зоны с интерференцией возникают быстрые замирания принимаемого сигнала.

На основании проведенного анализа в главе сформулирована проблема работы.

Во второй главе рассмотрены вопросы помехоустойчивости систем транкинговой радиосвязи стандарта МРТ1327. В частности показано, что при работе транкингового канала определяющее действие на его помехоустойчивость оказывают замирания сигналов. Они возникают в результате интерференции прямого Ёпр и отраженного от подстилающей поверхности Еотр электромагнитного поля в приемной антенне. Используя метод стационарной фазы , в главе рассчитаны статистические характеристики результатов интерференции прямой волны и многолучевого сигнала сформированного в результате отражений от подстилающей поверхности и местных предметов. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить помехоустойчивость информационного сигнала и сигнала в канале управления.

Отмечено, что при неизвестном законе изменения доплеровского сдвига частот, в приемнике можно применить автоматическую подстройку частоты, компенсирующую этот сдвиг. В этом случае помехоустойчивость 4-468 1 ]

будет такая же, как и в системе с фиксированной частотой и неизвестной начальной фазой.

Если автоматическая подстройка частоты не применяется, то необходимо увеличить полосу пропускания приемника на величину 2АГ[)т>1 .Расширение полосы пропускания приводит к увеличению п„ - числа помех синусоидального типа, воздействующих на приемник.

Так как при медленных замираниях сигнала приемник в принципе может отслеживать изменения амплитуды и фазы сигнала, то потенциальную помехоустойчивость предложено оценивать по формулам статистически усредненными в соответствии с законом изменения замирающего напряжения.

При анализе результатов исследований нарушений связи между подвижной и стационарной станциями было выяснено, что при увеличении уровня сигнала значительное уменьшение вероятности ошибок кратности М в блоке длиной N - Рп(ш) получается только при использовании ФМ.

Измерения временных задержек, вызванных многолучевостью распространения, показали, что интервал корреляции, зависящий от диапазона задержек сигналов и представляющий собой полосу частот, в которой фединг имеет корреляцию не менее 0.9, превышает 40 кГц (для городских районов) и достигает 250кГц (для пригородов).

-В главе найдены оценки погрешности фильтрации аналоговых сообщений в информационном тракте транкинговых систем связи с учетом модуляции при наличии замираний.

Воспользовавшись методами квазистационарной нелинейной фильтрации в главе, в отличие от известных результатов, получен алгоритм оптимальной нелинейной фильтрации информационного процесса

при воздействии на радиосигнал мультипликативной помехи с ПРВ

Накагамн, Показано, что для оценки качества демодуляции информационного сигнала достаточно ограничиться рассмотрением стационарной квазилинейной фильтрации. Получены формулы для апостериорной относительной погрешности демодуляции сообщения из ЧМ - сигнала в слу-

где Рчм=МчмСТх/а - индекс частотной модуляции; 0<1>=М,р/2а - характеризует дисперсию случайного набега фазы высокочастотного колебания за время корреляции сообщения ткор=1/а;

Анализ показал, что при фиксированных значениях Ц и рчм ошибка фильтрации минимальна, когда 0^=0. При заданных q и 0(? ошибка уменьшается с увеличением «индекса» модуляции (3,ш, однако при этом расширяется спектр радиосигнала. Поэтому, в каждом конкретном случае следует выбирать компромиссные значения Рчм, исходя из требуемой точности воспроизведения и допустимой полосы частот канала радиосвязи.

Аналогичным образом получено уравнение для дисперсии погрешности оценки информационного параметра при использовании фазовой модуляции:

чае замираний по закону Накатами - 5?щ:

х

Я=П/(2<х1Ч0)- ОСП.

8фМ = —2 (1 + ^/2qD;){^/(l + + ~(1 + д/^)},

где а* = МфМст£ = МфМ —1; л 4а

0<р~1^ф/2а - характеризует дисперсию случайного набега фазы высокочастотного колебания за время корреляции сообщения ткир=1/а.

Показано, что для заданных значений ОСП и ст^ ошибки фильтрации минимальны при 1)^=0 и увеличиваются с ростом

В третьей главе рассмотрены вопросы оценки характеристик тран-кинговых систем с учетом особенностей их функционирования.

Глава посвящена исследованию основных характеристик транкинго-вых систем при учете особенностей их функционирования. Основное влияние уделено следующим вопросам:

расчет зон радиопокрытия с учетом реальных условий распространения радиоволн и низкого качества приема; ^ оценка влияния на характеристики систем закона распределения длительности занятия канала;

оценка возможности увеличения пропускной способности системы при использовании динамического ограничения длительности разговоров;

^ оценка влияния резервирования канальных ресурсов на характеристики системы;

При распространении радиосигнала от базовой станции к абонентам сети, которые находятся на одинаковом расстоянии, но в разных направлениях - напряженность принимаемого ими сигнала может значительно Различаться, если они находятся ближе к границе зоны действия радиосети. На это влияют ряд факторов такие как: характер и процент застройки, неровность местности, наличие железной дороги. Учет этих факторов при проектировании транкинговой системы связи для конкретно определенной

местности, позволяет произвести расчеты для предполагаемой площади 14

действия системы и с требуемой достоверностью судить о реальной площади охвата.

В главе разработана методика расчета зон охвата и произведены расчеты на примере транкинговых систем связи внедренных в районах г. Тулы и Тульской области.

В данной главе приведены результаты исследования влияния на пропускную способность транкинговых систем, параметров трафика и эффективности использования возможности управления трафиком.

Часто используемые для анализа транкинговых систем результаты теории телетрафика справедливы при определенных условиях, в частности, предполагается:

• экспоненциальное распределение длительности занятия канала с одинаковым временем Т для всех абонентов;

• постоянство процедуры обслуживания;

Из технического описания транкинговых систем ясно, что указанные предположения не соответствуют реальным системам, характеристики которых в широких пределах могут быть изменены при программировании управляющих устройств. Поэтому, более точные оценки качества в реальных системах могут быть получены, например, используя имитационное моделирование, с учетом реальных особенностей системы.

Наибольший практический интерес с точки зрения расчета потребной канальной емкости системы транкинговой радиосвязи представляет определение зависимости времени задержки соединения, т.е. времени ожидания свободного канала абонента в очереди от количества каналов базовой радиостанции при различных уровнях качества обслуживания.

Анализ характеристик трафика реальных транкинговых систем показал, что распределение времени занятия канала в значительной степени отличается от экспоненциального. Для увеличения пропускной способности, в транкинговых системах вводится ограничение длительности разго-

вора, что при малых (по сравнению с телефонными сетями общего пользования) средних значениях длительности занятия канала, существенно влияет на характеристики трафика.

С помощью специально разработанных программ, были обработаны данные накапливаемые в файлах, программного обеспечения систем тарификации, где фиксируется продолжительность каждого разговора и номера связывающихся абонентов. В качестве примера на Рис.1 показана гистограмма распределения длительности занятия канала для трехзоновой транкинговой сети стандарта МРТ1327, не имеющей соединения с телефонной сетью. Сеть построена на базе оборудования фирмы Fyld Microsystems Ltd. , оснащенной системным терминалом SYSCON с программным обеспечением SYSCON47, что позволило получить информацию для анализа распределения длительности занятия канала.

Следует отметить, что экспериментальные данные получены для транкинговых систем, с малым сроком эксплуатации и имеющих значительный резерв пропускной способности. Поэтому, в них не используется возможность ограничения продолжительности разговора, и возможно появление редких соединений с продолжительностью до 242с, что сказывается на увеличении расчетного значения среднего времени занятия канала - т. В системах, работающих с полной нагрузкой, такое ограничение вводится.

Полученные в результате статистической обработки характеристики позволяют сделать вывод о том, что параметры трафика транкинговых систем значительно отличаются от аналогичных, обычно используемых при расчетах телефонной нагрузки. В транкинговых сетях средняя длительность занятия канала - Ш, при соединении мобильных абонентов, составляет 15-25 секунд. При таких значениях т, ограничение распределений длительности занятия сверху и снизу имеет существенное значение 16

и должно учитываться при анализе пропускной способности транкинго-вых систем.

При наличии в системе нескольких зон обслуживания, при подключении транкинговой радиосети к телефонной сети, параметры распределения времени занятия канала различны для каждого типа вызовов. В связи с этим, с целью более наглядной оценки влияния именно распределения длительности занятия канала и процедур управления трафиком на пропускную способность системы, в проведенном исследование, полагалось, что все вызовы однотипны, с одинаковыми статистическими характеристиками создаваемой нагрузки.

В главе приводятся результаты оценки влияния вида распределения длительности занятия канала на характеристики пропускной способности транкииговой системы при заданном качестве обслуживания. Качество обслуживания оценивалось вероятностью ожидания соединения в очереди -Р„ор, более заданного времени - Тп<,р.

Поскольку, для произвольного закона распределения продолжительности разговоров, теория телетрафика не дает аналитического решения , для оценки характеристик транкинговых систем была разработана программа имитационного моделирования системы массового обслуживания с очередями с различным числом каналов , учитывающая особенности функционирования систем стандарта МРТ1327.

Сущность метода имитационного (статистического) моделирования заключается в построении математической модели и соответствующих алгоритмов, с помощью которых реализуется моделируемый процесс обслуживания. Алгоритмы формализованы с помощью языка программирования Turbo Pascal. Полученная информация , в результате многократного использования алгоритмов, подвергалась статистической обработке для оценки искомых величин, характеризующих показатели качества обслуживания исследуемой системы.

Существенная разница между характеристиками систем с реальными, усеченными распределениями времени занятия канала и характеристиками системы, рассчитанными с использованием экспоненциального распределения, показывает, что анализ пропускной способности и качества обслуживания транкинговых систем, обычно применяемыми методами теории телетрафика не дает точных результатов.

На рис.2 приводятся результаты моделирования пятиканальной транкинговой системы при использовании трех законов распределения длительности занятия канала: экспоненциального (кривая 1), усеченного экспоненциального (кривая 2), усеченного нормального (кривая 3). Для возможности оценки влияния именно характера распределения, характеристики системы определялись для различных значений средней длительности занятия канала - Ш, при фиксированном качестве обслуживания, задаваемыми параметрами: Тпор =20с и Рпор = 0,05. При моделировании с использованием усеченного экспоненциального распределения, полагалось, что длительности разговоров лежат в пределах от 1тш=1с до Шах — 2т. Нормальное распределение усекалось только снизу значением 1гтп=Тс, поскольку моделирование проводилось при значении СКО среднего времени занятия канала равным 5с.

В главе приводятся результаты анализа эффеетивности двух методов управления трафиком в транкинговых сетях с использованием динамического ограничения длительности разговоров и в сетях с резервированием канальных ресурсов.

0, t. J19.

i

Длительность cum я секунду

Рис .1

Рис.2

Таймер динамического перераспределения времени соединения определяет максимальную длительность данного соединения в зависимости от текущей загруженности системы. Для всех вызовов, находящихся в очереди на местах с 1-го по место (Qnop - 1), предоставляемое максимальное время соединения - Т лежит в пределах от Тзт„ до ТзЫл и пропорционально текущему значению глубины очереди - Q. Возможный алгоритм динамического ограничения максимальной длительности разговора определяется выражением:

Т=Тзв„, при Q=0,

Т=Тзи„ - (( Тзго„ - Тзт111)/ Qnop)Q , при Q<= Qnop, Т=Тзю1„ , при Q> Qnop.

В диссертации получены оценки характеристик систем для двух стратегий управления динамическим ограничением длительности разговоров.

Анализ полученных характеристик позволяет сделать ряд выводов. Первое, использование динамического таймера в транкинговых системах стандарта МРТ является эффективным средством увеличения пропускной способности системы.

Возможность распределения каналов по идентификаторам абонентов в аппаратуре транкинговых систем стандарта МРТ1327 позволяет реализовать метод управления трафиком, при котором вводится резервирование канальных ресурсов (РКР) для приоритетных абонентов. В этом случае рассматривается система с потерями и приоритетами, в которой осуществляется пороговое ограничение доступа к каналам пользователей с низким приоритетом. Очевидно, что ,как и в случае систем с динамическим таймером, расчет характеристик систем с РКР методами теории теле-

трафика невозможен. Поэтому, оценка эффективности использования РКР так же проводилась с помощью имитационного моделирования.

Проведенные исследования показали, что использование РКР может значительно улучшить качество обслуживания большинства абонентов сети, а получаемые с помощью моделирования характеристики системы позволяют выбрать необходимый компромисс в качестве обслуживания абонентов с различными приоритетами.,

В четвертой главе рассмотрены вопросы практического внедрения транкинговых систем, в составе действующих систем технологической радиосвязи

Основной проблемой при использовании транкинговых сетей радиотелефонной связи в России является их стыковка с ведомственными сетями телефонной связи. При исходящей связи транкинговых абонентов в телефонную сеть проблема заключается в невозможности некоторых транкинговых "систем производить набор номера по абонентским линиям в АТС электромеханической системы в импульсном режиме. Таким образом, возникает необходимость использования дополнительных устройств преобразования тонального набора номера, в импульсный. Проблема входящей связи от абонентов телефонной сети к транкинговым абонентам заключается в том, что большинство телефонных коммутаторов транкинговых систем сопрягаются с телефонными сетями по 2 проводным абонентским линиям. Такое сопряжение при осуществлении входящей связи от абонентов ведомственной АТС требует донабора номера тр'анкингового абонента после набора полного номера телефонной сети. Известно, что после полного набора номера абонентской линии и замыкания шлейфа коммутатором транкинговой системы телефонное соединение считается установленным и дальнейший набор номера в импульсном режиме проблематичен, а в некоторых случаях невозможен. Применяемый в сиотеме

БМАЯТЯиМК II детектор "щелчков" не гарантирует достоверности им-

21

пульсного донабора номера транкингового абонента, так как качество приходящих из абонентской линии "импульсов - щелчков" зависит от ее электрических параметров, длины и т.д. Использование же для донабора номера телефонных аппаратов с тональным набором сильно ограничивает возможное число абонентов телефонной сети.

Для выхода из сложившейся ситуации разработано устройство сопряжения транкинговых систем связи всех типов с ведомственной телефонной сетью. Используя такой телефонный интерфейс, становится возможной стыковка транкинговых систем связи и телефонных сетей по 3 проводным соединительным линиям с декадным набором номера, а так же по 4 проводным каналам ТЧ с сигнализациями различных ведомств.

В главе разработана схема организации связи в многозоновой тран-кинговой сети с использованием устройства сопряжения и рассмотрен алгоритм и принцип функционирования многозоновой системы SMARTRUNK II на примере установления следующих видов соединений: внутрисистемное (локальное или межзональное) соединение

"радиоабонент - радиоабонент исходящее соединение радиоабонента в телефонную сеть, входящее из телефонной сети соединение.

Рассмотрен алгоритм работы устройства сопряжения системы тран-кинговой связи стандарта МРТ 1327 и ведомственной телефонной сети в режиме входящей и исходящей связи. Алгоритм " осуществления исходящей связи в телефонную сеть в транкинговой системе МРТ сходен с алгоритмом для системы SMARTRUNKII. Устройство сопряжения занимает свой исходящий линейный комплект только после приема от абонентского комплекта со стороны ИКМ коммутатора префикса выхода на него, состоящего из трех цифр (DTMF).

Для организации связи с местом проведения работ по текущему содержанию и капитальному ремонту устройств и оборудования железных

дорог, а также при проведении аварийно-восстановительных работ разра-22

ботан переносной комплект оперативной радиотелефонной связи ОРС-1.' Использование радиоканала вместо проводных линий связи, дает руководителю свободу перемещения по фронту работ при сохранении возможности в любой момент связаться с руководителями других служб железной дороги.

Преимущества использования подобного комплекта ОРС-1 заключаются в следующем:

• организацию радиотелефонной связи ремонтных бригад с поездным диспетчером, диспетчерами служб при подключении изделия к цепям избирательной связи через цепи перегонной связи (ПГС);

• сокращение времени организации канала связи с местом проведения работ;

• увеличение дальности радиосвязи внутри фронта работ между абонентами, оснащенными носимыми или возимыми радиостанциями за счет ис-пользованйя режима ретрансляции.

Комплект ОРС-1 успешно выдержал приемочные испытания и рекомендован МПС к внедрению на сети дорог для оперативной радиотелефонной связи восстановительных поездов, ремонтных бригад с поездным диспетчером. Комплект может использоваться при проведении работ по текущему содержанию и ремонту железнодорожных путей, сооружений и устройств, а также при проведении аварийно-восстановительных работ. Использование радиоканала вместо проводной линии связи дает руководителю свободу перемещения по фронту работ в радиусе действия ретранслятора с возможностью немедленной связи с нужной ему службой.

Приложения содержат результаты статистической обработки длительностей пропаданий огибающей сигнала ниже заданного порогового уровня; разработанные в диссертации программы, результаты расчетов, а также материалы внедрения результатов диссертационной работы.

Р заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему.

В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, состоящая в разработке и проведении, на основе предложенных критериев, исследований эффективности транкинговых технологических систем радиосвязи, выработке рекомендаций по проектированию и развертыванию подобных систем.

1. Проведенный сравнительный анализ различных систем транкин-говой связи показал, что более 80% существующих систем работает в аналоговых стандартах, наиболее распространенным представителем среди которых является стандарт МРТ-1327. В настоящее время аппаратура стандарта МРТ-1327 обладает наилучшими технико-экономическими показателями среди систем такого класса и может быть рекомендована для организации технологической радиосвязи.

2. Внедрение систем транкинговой радиосвязи сдерживается, в основном, относительно большими капитальными затратами на их организацию. Однако, вложение этих средств приносит значительную экономию эксплуатационных расходов при малом сроке окупаемости, а, следовательно, с экономической точки зрения транкинговые системы наиболее эффективны.

3. Анализ структуры транкинговых систем "связи показывает, что в них можно выделить два вида каналов связи - информационных- для передачи речевых сообщений аналоговыми методами, и каналы управления, в которых информация передается цифровыми методами. Рассмотренные особенности позволили конкретизировать математические модели информационных сообщений, а также сигналов в каналах передачи информации и в служебном каналах.

4. При работе транкингового канала на определяющее действие на

его помехоустойчивость оказывают замирания сигналов, возникающие в 24

результате интерференции прямого и отраженного от подстилающей поверхности электромагнитного поля в приемной антенПе. Проведенный анализ помех в каналах связи транкинговых систем показывает, что наибольшее влияние на качество связи имеют интерференционные замирания сигналов подчиняющиеся негауссовским распределениям.

5.Показано, что при неизвестном законе изменения доплеровского сдвига частот, в приемнике можно применить автоматическую подстройку частоты, компенсирующую этот сдвиг. В этом случае помехоустойчивость будет такая же, как и в системе с фиксированной частотой и неизвестной начальной фазой. Если автоматическая подстройка частоты не применяется, то необходимо увеличить полосу пропускания приемника на величину 2ДГВт„. Наличие некомпенсированного эффекта Доплера приводит к усложнению схемы приемника, но возможность полного устранения мешающего действия синусоидальных помех сохраняется.

6. Анализ помех, создаваемых радиоустановками (взаимных) по данным проводившихся за рубежом исследований электромагнитной обстановки в районах больших городов показал, что наиболее загруженными является диапазон 450-470 МГц.

7. Для оценки качества демодуляции информационного сигнала предложено воспользоваться методами стационарной квазилинейной фильтрации. Путем распространения известных результатов на случай ПРВ Накагами, получены формулы для апостериорной относительной погрешности демодуляции сообщения из ЧМ - сигнала в случае замираний по закону Накагами.

8. Исследование транкинговых систем требует использования сложных моделей СМО, достаточно точный анализ которых, рационально проводить методом имитационного (статистического) моделирования на базе разработанных программ моделирования транкинговых систем, учиты-

вающих особенности их функционирования. Правильность выбранных алгоритмов моделирования подтверждена совпадением результатов моделирования и расчетов, проведенных при одинаковых условиях, для которых расчет возможен. Доказано, что анализ пропускной способности и качества обслуживания в транкинговых системах, обычно применяемыми методами теории телетрафика, с использованием формул Эрланга, не дает точных результатов и является необоснованным.

9 Показано, что в зависимости от характера распределения времени занятия канала и параметров системы, выигрыш в величине допустимой нагрузки на систему может достигать 20 и более процентов.

Использование динамического управления обслуживанием очереди (динамического таймера) в транкинговых системах стандарта МРТ является дополнительным средством увеличения пропускной способности системы в условиях перегрузки. Полученные в диссертации результаты моделирования транкинговых систем с динамическим таймером, для двух стратегий управления системой, показывают, что дополнительное увеличение допустимой нагрузки на систему достигает 11% и 26% соответственно, при средней длительности занятия канала 15с.

10. Предложенный метод резервирования канальных ресурсов (РКР) позволяет значительно улучшить качество обслуживания большинства (приоритетных) абонентов сети. В частности, полученные характеристики для пяти канальной системы со значением Тпор=20с показывают, что при доле приоритетных абонентов 0.84, значение вероятности задержки вызова более Тпор-Рпор снижается более чем на порядок по сравнению с системой без РКР.

11. Полученные, с помощью разработанной в диссертации программы моделирования систем с РКР, характеристики позволяют выбрать не-

обходимый компромисс в качестве обслуживания абонентов с различными приоритетами.

12. Для стыковки транкинговых сетей радиотелефонной связи в России с ведомственными сетями телефонной связи разработано устройство сопряжения транкинговых систем связи всех типов с ведомственной телефонной сетью. Используя такой телефонный интерфейс, становится возможной стыковка транкинговых ?истем связи и телефонных сетей по 3 проводным соединительным линиям с декадным набором номера, а так же по 4 проводным каналам ТЧ с сигнализациями различных ведомств.

13. Предложен путь усовершенствования устройства сопряжения транкинговой системы SMARTRUNK II с телефонной сетью , которое выполняет дополнительные функции межзонового управляющего устройства. Предложен способ и пути технической реализации устройств сопряжения транкинговых систем связи стандарта SMARTRUNK II и МРТ 1327 с ведомственными телефонными сетями связи.

14. Разработан переносной комплект оперативной радиотелефонной связи ОРС-1 предназначенный для организации связи с местом проведения работ по текущему содержанию и капитальному ремонту устройств и оборудования железных дорог, а также при проведении аварийно-восстановительных работ. Использование ОРС-1 дает руководителю свободу перемещения по фронту работ при сохранении возможности в любой момент связаться с руководителями других служб железной дороги.

15. На основе устройств и алгоритмов разработанных'автором на Московской железной дороге внедрены системы транкинговой радиосвязи стандарта МРТ, о чем свидетельствуют акты о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Леднев A.B., Мелеев С.М., Хизгилов В.А. Методика расчета зон охвата транкинговых систем. ГАСБУ. Проблемы повышения качества и эффективности в сфере сервиса. Сборник научных трудов.1997, стр.29-33.

2.Мелеев С.М., Леднев A.B., Хизгилов В.А. Моделирование зон охвата транковых систем. ГАСБУ. Проблемы повышения качества и эффективности в сфере сервиса. Сборник научных трудов. 1997 , стр.34-46.

3. Шелухин О.И.,Хизгилов В.А.,Мелеев С.М. Оценка качества передачи информационных сообщений в транкинговых системах связи стандарта МПТ. Научные исследования в сфере сервиса. Межвуз. сб. научных трудов ГАСБУ. М.,1998.стр.30-36

4. Хизгилов В.А. Оценка качества обслуживания вызовов в сетях транкин-говой связи. Научные исследования в сфере сервиса. Межвуз. сб. научных трудов ГАСБУ. М.,1998.стр.37-41

5. Хизгилов В.А. Сопряжение транкинговых систем связи с ведомственными телефонными сетями связи. Научные исследования в сфере сервиса Межвуз. сб. научных трудов ГАСБУ. М.,1998.стр.42-51

6. Хизгилов В.А. Комплект оперативной радиосвязи ОРС-1.// Автоматика связь и информатика. М: 1998, №4, стр 32-34.

7. Шелухин О.И., Хизгилов В.А.., Чивилев C.B. Системы радиодоступа. ГАСБУ .М., 1998 г. 150 с.

Соискатель:

Хизгилов В.А.