автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Федеральная база данных системы радиоконтроля и управления радиочастотным спектром

На правах рукописи

ПАНЧЕНКО Вячеслав Ефимович

ФЕДЕРАЛЬНАЯ БАЗА ДАННЫХ СИСТЕМЫ РАДИОКОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНЫМ СПЕКТРОМ

05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им.проф.М.А.Бонч-Бруевича

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор И.П.Харченко Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Н.Н.Буга кандидат технических наук, доцент Е.М.Виноградов Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт радио (НИИР)

Защита диссертации состоится «.....».............................1998 г.

в /.гл. час. На заседании диссертационного совета К 118.01.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им.проф.М.А.Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

В.Х.Харитонов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Внедрение новых технологий в системы связи привело к расширению сферы услуг, которые они могут предоставить пользователям этих систем. Это, в свою очередь, повлекло расширение числа пользователей и рост числа средств связи, находящихся в эксплуатации. Для работы радиосредств необходим такой ресурс, как радиочастотный спектр (РЧС). Ограниченность этого ресурса, наличие у радиоэлектронных средств (РЭС) таких параметров, как параметры электромагнитной совместимости (ЭМС), а также условия распространения радиоволн приводят к тому, что непреднамеренные помехи, возникающие между РЭС, могут снижать качество работы эксплуатируемых РЭС до недопустимых пределов. В связи с этим проблема управления использованием РЧС приобретает особую значимость. Существующие на сегодня средства управления являются явно недостаточными. Они опираются на упрощенные технические модели и правила управления и страдают недостатком информации о реальном использовании РЧС в нашей стране. Для ликвидации информационной недостаточности об имеющихся частотных присвоениях РЭС и реальной загрузке эфира электромагнитными излучениями необходимо создание полной базы данных таких присвоений и развитие системы радиоконтроля за использованием РЧС. Внедрение новых радиоэлектронных средств и связанные с этим частотные присвоения, а также разработка частотных планов должны проводиться на основе анализа их ЭМС. Решение этих проблем требует создания Федеральной базы данных (ФБД) частотных присвоений и развития системы радиоконтроля. Принятое коллегией Минсвязи Российской Федерации (РФ) постановление № 29-1 от 2 декабря 1994 г. определило в числе главных задач Главгоссвязьнадзора России задачу создания ФБД для средств гражданского назначения. ФБД должна обеспечивать решение информационно-справочных и расчетно-аналитических задач, необходимых Главгоссвязьнадзору для выполнения разрешительных (назначение рабочих частот) и надзорных (радиоконтроль) функций. Кроме того, учитывая большие размеры территории России, необходима проработка встросов о структуре национальной информационной сети связи с региональными отделениями Госсвязь-надзора и другими возможными потребителями ФБД. Перечисленные задачи позволяют говорить об актуальности вопроса разработки концепции и структуры ФБД для управления использованием РЧС и повышения эффективности систем радиоконтроля.

Цель работы. Целью работы является разработка общей структуры ФБД и ее расчетно-аналитического комплекса, решающего задачи анализа ЭМС РЭС и управления использованием РЧС, а также проработка вопросов организации информационной сети связи, построенной

на основе современных технологий обмена информацией и обеспечивающей эффективную связь ФБД с ее потребителями.

Основными задачами, решаемыми в диссертации являются:

- анализ проблем и структуры управления РЧС и радиоконтроля и определение состава информации, подлежащей сбору, хранению и обработке в ФБД;

- разработка структуры расчетно-аналитического комплекса ФБД, выбор методики и отбор математических моделей РЭС для решения задач ЭМС в системе управления РЧС;

- разработка модели сети связи ФБД с региональными управлениями Госсвязьнадзора и другими потребителями информации, оценка пропускной способности и необходимого числа цифровых каналов между узлами сети.

Научная новизна работы и тезисы, выносимые на защиту. Научная новизна работы заключается прежде всего в постановке задачи и новизне предмета исследования и может быть тезисно характеризована следующими результатами:

- проведен анализ задач радиоконтроля и управления использованием РЧС, который позволил определить и классифицировать данные Федерального и регионального уровней;

- определена структура ФБД как структура, состоящая из двух частей: информационно-справочной и расчетно-аналитической. Обладая определенной самостоятельностью в плане заполнения и поддержания, эти части оказываются взаимосвязанными при решении вопросов управления использованием РЧС;

- выполнен подробный анализ и определены области применения математических моделей элементов РЭС и критериев оценки ЭМС, которые могут быть использованы в процессе практической реализации расчетно-аналитического комплекса ФБД;

- предложена структура обобщенной системы анализа ЭМС;

- разработана модель сети связи ФБД с потребителями. Модель предполагает использование современных информационных и телекоммуникационных технологий для передачи данных по цифровым каналам;

- проведена оценка пропускной способности трактов и необходимого числа цифровых каналов между узлами сети.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработанная структура ФБД и предлагаемые к использованию в расчетно-аналитическом комплексе математические модели находят практическое применение в создаваемой Федеральной базе данных. Программное обеспечение, разработанное на первом этапе реализации ФБД, позволяет решать задачи обеспечения ЭМС и управления РЧС для систем сухопутной подвижной связи, телевидения и радиорелейной связи. Реализо-

ванный вариант расчетно-аналитической подсистемы находится в стадии предварительной эксплуатации. В период с 25.05 по 29.05 98 г. проведены приемо-сдаточные испытания и принята в эксплуатацию информационно-учетная подсистема ФБД частотных присвоений РЭС гражданского назначения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на 52-й научно-технической конференции научно-технического общества по радиоэлектронным средствам им.А.С.Попова (С-Петербург, 1998), на научно-технической конференции «Автоматизированные системы управления использованием радиочастотного спектра» (Москва, 1998), на семинаре сотрудников Госсвязьнадзора «Радиоконтроль и управление радиочастотным спектром» (С-Петербург, 1998).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы в научно-технических журналах, материалах научно-технических семинаров и конференций 7 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации содержит 143 страниц машинописного текста, 18 рисунков, 24 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные задачи работы.

В главе 1 дан подробный анализ задач радиоконтроля и управления использованием РЧС, определено место ФБД в системах контроля и управления и рассмотрена классификация задач и данных по уровням решений, определены задачи Федерального и регионального уровней.

Цель управления РЧС - максимизировать число пользователей выделенного диапазона РЧС при условии, что качество работы радиоэлектронных средств (РЭС) на присвоенных им частотах будет не хуже требуемого.

Управление использованием РЧС представляет собой сочетание административных, научных и технических процедур, основанных на законодательно-нормативных актах и международных соглашениях, обеспечивающих развитие РЭС и систем в соответствии с государственными приоритетами и гарантирующих, что работа радиостанций различных служб радиосвязи не будет сопровождаться недопустимыми помехами между средствами радиослужб. Составными элементами управления использованием РЧС являются распределение и учет радиочастот, а также радиоконтроль. Радиоконтроль наряду с информацией, посту-

пающей от потребителей радиоспектра о качестве работы их радиосредств, является важной составляющей обратной связи между потребителями спектра и администрацией, планирующей его использование, которая позволяет судить о качестве управления и корректировать используемые методы управления.

Управление использованием РЧС включает:

- определение долговременной политики и планирование использования РЧС путем совершенствования существующих и развития и внедрения новых радиосистем;

- разработку национального регламента и таблицы распределения радиочастот;

- присвоение частот вновь вводимым средствам и сетям связи;

- лицензирование РЭС и учет использования РЭС;

- разработку технических стандартов и поддержку технических средств контроля;

- инспекцию оборудования;

- контроль использования спектра. Цели контроля:

- обеспечение администраций данными, необходимыми для процесса управления;

- содействие в решении проблем при вводе в эксплуатацию новых систем радиосвязи, присвоении рабочих частот и составлении частотных планов;

- обеспечение администраций информацией при обращениях, связанных с решением конкретных задач, как-то: поиск источников помех, помощь в нахождении частот и т.п.

Возможность хранения и ведения информации о каждой отдельной системе связи, а также обеспечение доступа к ней являются составной частью процесса использованием РЧС. Такую возможность предоставляет база данных о зарегистрированных радиосредствах. В тоже время, несмотря на высокую загруженность хорошо освоенных диапазонов частот, в них продолжается внедрение новых радиосредств и сетей связи. В этих условиях требования беспомеховой работы могут быть удовлетворены только на основах частотного, пространственного и временного разделения работы средств и обработки радиосигналов, и требуется анализ их электромагнитной совместимости. Учитывая эти проблемы и то, что Госкомсвязи РФ в числе главных задач Госсвязьнадзора России определил задачу создания Федеральной базы данных радиосредств гражданского назначения, ФБД должна иметь сложную структуру и не только обеспечивать заинтересованные администрации справочной информацией, но и позволять получать оценки ЭМС РЭС в задачах управления использованием РЧС, в частности при присвоении частот новым РЭС и разработке частотных планов. В связи с этим в структуре ФБД можно

выделить два раздела: информационно-учетный и расчетно-аналитический. Первый раздел может быть использован самостоятельно для получения справочной информации. Второй использует информацию первого для выполнения анализа ЭМС. Результаты анализа могут храниться в информационно-справочном разделе и поставляться администрациям по их запросам. Связь ФБД с другими структурами в системе управления РЧС показана на рис.1.

Задачи, решаемые администрациями и данные об использовании РЧС, можно разделить на два уровня: федеральный и региональный.

На Федеральном уровне решаются задачи, которые затрагивают интересы использования РЧС большого числа регионов России и международные связи. Сюда же относятся РЭС централизованного назначения: передающие станции телевизионного и звукового вещания, радиорелейные станции, земные станции спутниковой связи, центральные и базовые станции сотовых, радиальных, радиально-зоновых и транкинго-вых систем радиотелефонной связи, имеющих большую зону действия и требующих разработки частотных планов в масштабах РФ.

Рис.1. Управление использованием РЧС

Децентрализованное назначение частот производится, как правило, для РЭС ведомственных систем радиосвязи, локальных систем радиовызова и других систем, имеющих малую мощность излучения (до 10 Вт) и ограниченную зону действия.

Данные, которые необходимо хранить в ФБД, по функциональному назначению можно разделить на следующие классы:

- основные данные о РЭС;

- данные, используемые для расчетов и проверок ЭМС РЭС;

- данные, необходимые для осуществления контрольных функций и слежения за радиочастотной обстановкой

- данные, отражающие ведение делопроизводства;

- служебные данные.

В главе подробно рассмотрен состав этих классов данных, при этом особое внимание уделено первым трем классам, заполнение которых встречает наибольшие трудности. Особенно это относится к данным, используемым для расчетов и проверок ЭМС РЭС, поскольку в состав этих данных входят параметры, измерение которых не регламентировано существующими ГОСТами, а также параметры, значения которых нужно знать в очень широкой полосе частот. Особое значение в перечне данных для расчетов ЭМС занимает картографическая информация. В частности, для повышения точности расчетов потерь на трассе распространения необходимо учитывать рельеф местности. Это можно сделать, используя цифровые карты местности и алгоритмы, основанные на них. При этом картографическая информация должна удовлетворять определенным требованиям.

В главе 2 разрабатывается структура расчетно-аналитического комплекса ФБД. Учитывая задачи радиоконтроля и управления РЧС, которые требуют использования расчетно-аналитического комплекса, рассмотрены возможные методы описания электромагнитной обстановки (ЭМО) и анализа ЭМС. В основу анализа положена модель дифференциального вклада, в которой влияние того или иного мешающего эффекта на качество работы РЭС рассматривается независимо о других эффектов. Анализ основан на последовательном переборе пар источник помехи — приемник помехи в анализируемой совокупности.

При анализе линейных каналов проникновения помех в поражаемый приемник РЭС источником помехи является одиночный передатчик, излучение которого по частотному признаку квалифицируется как потенциально опасное. При анализе нелинейных эффектов источником помехи является совокупность передатчиков, создающих этот эффект. Это, в первую очередь, относится к интермодуляционным эффектам.

Рассмотрены методы исследования нелинейных эффектов, которые используются для построения математических моделей этих эффектов.

Основными элементами модели анализа межсистемной ЭМС являются модели передатчиков, антенн, пространства распространения, радиоприемных устройств, а также критерии, на основе которых выносится решение о наличии или отсутствии электромагнитной совместимости анализируемой пары РЭС. Дан подробный анализ математических моделей перечисленных элементов, которые могут быть положены в основу расчетно-аналитического комплекса ФБД для анализа ЭМС, расчета зон обслуживания РЭС, разработки частотных планов и присвоения рабочих частот.

Математическая модель передатчика представляет собой совокупность математических моделей его излучений: основного, внеполосных (сигнального и шумового), побочных, характерных для одиночного передатчика (на гармониках, субгармониках и комбинационных) и для совокупности передатчиков (интермодуляционные излучения). Уровень интермодуляционных колебаний, которые образуются в выходном усилителе мощности передатчика, зависит от режима работы выходного каскада, поэтому для описания интермодуляционных излучений предложено использовать несколько математических моделей, каждая из которых связана с режимом работы выходного каскада передатчика.

Математическая модель радиоприемного устройства представлена совокупностью математических моделей возможных каналов проникновения помех (основного и побочных) и нелинейных эффектов в приемнике (интермодуляция, блокирование, перекрестная модуляция). Ряд моделей, используемых для расчета уровней продуктов интермодуляции в передатчиках, может быть использован для оценки интермодуляционных помех в приемнике.

Предлагаемые модели описывают характеристики радиоэлектронных средств в широком диапазоне частот, который характерен для задач анализа ЭМС.

Математическое описание диаграммы направленности антенны используется в качестве математической модели антенны в дальней зоне. Для описания взаимодействий между РЭС, антенные системы которых находятся в ближней зоне, более предпочтительным является использование коэффициента связи между антеннами, однако его расчет связан с решением достаточно сложных электродинамических задач. При предварительных расчетах в ряде ситуаций могут быть использованы приближенные выражения для оценки полей или усиления антенн в ближней зоне, которые рассмотрены в работе. Рассмотрены возможности и приведены модели детерминированного и статистического описания диаграмм направленности. Статистическое описание более адекватно отображает реальную ситуацию, однако для его использования не всегда имеется достаточно данных, поэтому при недостатке информации для применения статистического описания возможно применение де-

терминированных моделей, некоторые из которых представлены в работе. Представлены модели, учитывающие изменение параметров диаграммы направленности антенны за пределами ее рабочего диапазона частот.

Оценка потерь на трассе распространения электромагнитной волны является сложной задачей. Совокупность методик, опирающихся на подробную информацию о трассе распространения и на усредненные параметры трассы, необычайно велика. Имеет место многообразие математических моделей, используемых в этих методиках не только по диапазонам рабочих частот РЭС, но даже в пределах одного частотного диапазона. В работе рекомендованы к применению модели, построенные на использовании кривых распространения радиоволн, приведенных в рекомендациях МККР, и цифровых карт, дающих подробную информацию о трассе распространения сигнала или помехи. Для диапазонов ОВЧ/УВЧ рассмотрены модели потерь распространения, использующие усредненные параметры окружения и применяющиеся в условиях города, пригороде, сельской местности.

Критерии оценки ЭМС всегда связаны с качеством функционирования РЭС. Вероятность выполнения радиоэлектронным средством своего функционального назначения в исследуемой электромагнитной обстановке наилучшим образом определяет работоспособность РЭС. Однако для ее вычисления необходимо знать совместную плотность распределения сигнала и помехи. Поскольку информация такого рода известна далеко не всегда, то при принятии решения о наличии или отсутствии совместимости РЭС, по крайней мере на первом этапе развития расчетно-аналитического комплекса ФБД, предложено использовать защитное отношение, под которым понимается минимально допустимое отношение сигнал/помеха на входе приемника, при котором обеспечивается заданное качество его работы. При отсутствии собственных данных относительно значений защитных отношений для разных сочетаний сигналов и помех можно воспользоваться значениями, рекомендованными в документах МККР, которые охватывают сигналы различных служб связи.

Рассмотренные подходы к анализу ЭМС, а также множественность математических моделей, применяемых для получения оценок ЭМС в различных ситуациях, приводят к выводу о необходимости создания в ФБД специальной библиотеки, содержащей информацию о параметрах и моделях устройств, которые могут использоваться в процессе анализа. В работе представлено содержание основных разделов такой библиотеки.

Отмечено, что существующее в настоящее время в России методическое обеспечение решений задач ЭМС и управления использованием РЧС разрозненно, не унифицировано и не систематизировано. Пред-

ложен перечень категорий методик, которые необходимо реализовать по решению неотложных задач.

Анализ методик оценки ЭМС с точки зрения последовательности и характера операций, используемых для получения числового значения оценки, показывает, что все они имеют сходную структуру и различаются только формой математических операций, которая определяется математической моделью преобразующего элемента. Это позволяет предложить обобщенную структуру системы анализа ЭМС, опирающуюся на жесткую последовательность прохождения сигнала и помехи по цепи источник - антенна источника — пространство распространения — антенна приемника - приемник и гибкий выбор моделей элементов перечисленной структуры и критериев оценки ЭМС из библиотеки моделей. Структура такой системы в рамках ФБД представлена на рис.2.

Рис. 2. Структура обобщенной системы анализа ЭМС

Такая струкгура допускает поэтапную реализацию ФБД и отличается гибкостью в плане решаемых задач и методов описания РЭС и обстановки. Пополнение библиотеки математических моделей требует только коррекции блока правил выбора моделей без изменения алгоритма анализа ЭМС.

В главе 3 рассмотрены вопросы, связанные с созданием информационной сети потребителей ФБД на базе цифровой сети связи и современных технологий передачи данных. Определены подсистемы ФБД, при использовании которых возникает потребность в передаче данных. Подсистемы учета и радиоконтроля предъявляют наиболее высокие требования к каналам передачи данных. Первая подсистема определяет требования к пропускной способности каналов, вторая - ко времени ре-

акции системы связи (времени, которое необходимо для установления соединения между двумя территориально удаленными узлами передачи данных).

Архитектура построения подсистем ФБД предполагает наличие IP - соединения двух удаленных компьютеров для осуществления взаимодействия в режиме реального времени. Подобное соединение может осуществляться посредством коммутируемых и выделенных каналов. В главе определены требования к типам используемых каналов для различных подсистем ФБД. Учитывая эти требования, выбор технологии передачи данных целесообразно проводить из следующих технологий: ISDN, Frame Relay, ATM или использовать их комбинации. Сравнительны анализ технологий показывает несомненное превосходство технологии ATM, однако ее использование в современных условиях ограничивается экономическими соображениями. Наиболее развитыми в России являются сети ISDN, изначально предназначенные для передачи голоса, а в настоящее время активно используемые для передачи как голоса, так и данных. Происходит бурное развитие сетей с интеграцией услуг, построенных на технологии Frame Relay, которая обеспечивает высокоскоростную передачу данных, имеющих пачечный характер. Frame Relay позволяет организовать несколько виртуальных соединений через один порт устройства доступа пользователя, что резко сокращает количество арендованных линий.

Выбор в качестве базового стека протоколов TCP/IP позволяет использовать все разнообразие современных телекоммуникационных технологий, так как практически все технологии позволяют переносить IP трафик, поэтому окончательный выбор определяется экономическими возможностями.

Разрабатываемая глобальная корпоративная вычислительная сеть должна включать в себя локальные вычислительные сети структурных подразделений. Предложено строить архитектуру такой сети по типу так называемой «двойной звезды», которая предполагает наличие постоянных выделенных каналов связи между всеми узлами и теми пользователями сети, требования к каналам связи у которых вызывают такую необходимость. Другие конечные пользователи соединяются с узлом посредством коммутируемых каналов. Такая структура системы связи позволяет обеспечить связь между любыми пользователями. Связь между узлами и пользователями может осуществляться как в режиме реального времени, так и в режиме пакетной передачи данных. Если канал между пользователем и узлом отсутствует, то связь может быть осуществлена путем подключения к любому из узлов сети по коммутируемому каналу. При этом существует возможность передачи информации в режиме реального времени.

Рассмотренную концептуальную модель системы связи предлагается реализовать на основе существующих на территории Российской Федерации каналов связи, удовлетворяющих требованиям пропускной способности и времени реакции. Ядром системы передачи являются города, в которых расположены приемные центры радиосвязи и радиовещания (ПЦРР) и которые образуют магистральный канал связи. ПЦРР выбраны таким образом, что число пользователей, подключенных к каждому ПЦРР не будет значительно отличаться. Кроме того все ПЦРР расположены в непосредственной близости к крупным региональным управлениям Госсвязьнадзора. В число городов, составляющих магистральный канал входят: Санкт-Петербург, Екатеринбург, Архангельск, Ростов на Дону, Магадан, Новосибирск, Иркутск, Хабаровск, Якутск, Самара. Соединение узлов организовано так, что часть из них является транзитными. Для компенсации потерь в устойчивости предложено иметь в составе системы один резервный канал связи, дополняющий наиболее длинную цепочку транзитных узлов до кольца. В нормальных условиях этот канал не используется и вступает в действие лить при наступлении аварийной ситуации. Для резервного канала выбран иной физический маршрут передачи данных, не пересекающийся с основным ни в одной точке.

Используя данные о количестве областных узлов Госсвязьнадзора, связанных с магистральными узлами, типовую нагрузку, поступающую от областного узла, и задаваясь коэффициентами замыкания нагрузки на региональных и центральном узлах, а также на узлах одного уровня, выполнена оценка пропускных способностей трактов связи для предложенной структуры сети. Расчет показал, что количество цифровых каналов со скоростью 64 кбит/с, необходимых для передачи данных между узлами сети связи, определяется интенсивностью потока пакетов в соответствующем тракте и слабо зависит от среднесетевого времени достаз-ки пакета. Для организации сети достаточно 36-и цифровых каналов, при этом на 13 из 22 трактов достаточно 1 канала и только на одном необходимы 4 канала.

Что касается вопросов защиты информации, то при выборе в качестве базового протокола для построения сети протокола 1Р применение «Шифраторов 1Р потоков» позволяет наиболее просто и быстро решить эту проблему. Для дополнительного повышения защищенности информации целесообразно включить средства криптографической защиты непосредственно в программное обеспечение ФБД.

В главе 4 рассмотрены результаты практической реализации рас-четно-аналитического и справочного комплексов ФБД. На первом этапе реализации системы анализа ЭМС создана и внедрена для практического применения программа, позволяющая проводить оценку ЭМС средств радиосвязи, находящихся в дальних зонах. В программе учитываются

основные излучения передатчиков и излучения на гармониках. В приемных устройствах рассматриваются помехи по основному и соседнему каналам приема, а также эффекты блокирования и интермодуляции. В качестве математических моделей РЭС и пространства распространения использованы модели, прошедшие апробацию в России или рекомендованные к использованию в документах МСЭ. Представлен перечень используемых моделей. Решение о совместимости принимается сравнением расчетного отношения сигнал/помеха с защитным отношением. Реализованная часть расчетно-аналитического комплекса позволяет проводить исследования по управлению использованием РЧС в диапазоне частот 30 — 1000 МГц. Кроме того, разработана программа для расчета напряженности поля земной и пространственной радиоволн в диапазонах средних и низких частот. Все программы используют справочную подсистему ФБД, которая содержит список действующих частотных присвоений, технические параметры и географические координаты стационарных станций, использующих эти присвоения, а также информацию административного характера.

Реализованная часть расчетно-аналитического комплекса ФБД позволяет проводить анализ ЭМС и расчет зон обслуживания для систем сухопутной подвижной службы, радиорелейной связи и телевизионного вещания. В работе приведены примеры оценки ЭМС РЭС и расчета зон обслуживания для реально работающих станций. В частности, выполнена оценка влияния внешней сети станций сухопутной подвижной службы (СПС) на работу базовой станции, использующей частоту внешней сети СПС, и обратно, а также на мобильные средства, обслуживаемые соответствующими базовыми станциями. Приведен пример расчета зоны обслуживания для станции в г. Кемерово. Расчет проводится с учетом ЭМС с уже работающими станциями. Показано как влияет учет рельефа местности на форму и размеры зоны обслуживания. Расчет выполнен дважды: с использованием цифровой карты местности и без нее - на основе усредненных параметров окружения базовой станции.

Для одной из базовых станций в Подмосковье приведен пример, показывающий как изменится размер и форма зоны обслуживания при изменении коэффициента усиления антенны мешающей станции.

Выполненные расчеты позволяют говорить о хорошей работоспособности реализованной части ФБД. Эта часть прошла апробацию и эксплуатируется Госсвязьнадзором в целях управления использованием РЧС.

В главе представлены также результаты использования ФБД на постах радиоконтроля в Санкт-Петербурге. Информационная часть ФБД используется при решении большинства задач, выполняемых постом радиоконтроля - от отметки зарегистрированных частот на панораме обзо-

ра некоторого диапазона частот до выбора подозреваемых частот при поиске источников помех.

Заключение

Разработанная структура Федеральной базы данных и информационной сети потребителей ФБД прошла первый этап реализации. Приведенное в диссертационной работе исследование позволило получить следующие результаты:

1. Предложена структура ФБД, состоящая из двух разделов: информационно-учетного и расчетно-аналитического. Каждый из разделов имеет определенную самостоятельность в плане структурного развития и формы хранения информации. Однако при решении задач управления использованием радиочастотного спектра эти разделы взаимосвязаны. Основное назначение расчетно-аналитического раздела - экспертиза разрабатываемых частотных планов и присвоений рабочих частот, а также прогнозирование возможных последствий действий администраций по изменению существующего состояния в использовании РЧС. Задача информационно-учетного раздела - выдача справок о текущем использовании РЧС.

2. Проведена классификация задач по уровням решений и первичных данных, подлежащих сбору, хранению и обработке в ФБД, по функциональному назначению. Классификация позволяет очертить круг задач по управлению использованием РЧС, решаемых централизованно и в регионах, а также конкретизировать данные, хранимые и обрабатываемые в ФБД.

3. Проанализированы и предложены для использования в расчетно-аналитическом комплексе ФБД математические модели элементов РЭС, позволяющие в задачах исследования ЭМС учитывать практически все мешающие эффекты, встречающиеся в реальных ситуациях.

4. Предложена структура библиотеки модульных программ математических модулей РЭС, пространства распространения и критериев оценки ЭМС, которая может быть использована в процедуре анализа электромагнитной обстановки и ЭМС в задачах управления РЧС.

5. Предложена структура обобщенной системы анализа ЭМС, позволяющая на основе библиотеки модульных программ анализировать самый широкий круг ситуаций, встречающихся на практике. Структура позволяет проводить поэтапное расширение зоны охвата ситуаций рас-четно-аналитическим комплексом ФБД путем пополнения библиотеки моделей и коррекции правил выбора моделей без изменения алгоритма анализа ЭМС.

6. Определены требования к типам и качеству каналов связи ФБД с потребителями информации. Выбор типа сети, приспособленной для передачи данных по протоколу ТСР/1Р дает возможность использовать все разнообразие современных телекоммуникационных технологий.

7. Предложена струюура сети связи ФБД с пользователями в регионах. Сеть связи состоит из магистрального канала, узлы которого представляют систему из 11 приемных центров радиовещания и радиосвязи и пользователей сети, связанных с узлами постоянными или коммутируемыми каналами в зависимости от требований конечного пользователя к каналу передачи данных. Учитывая особенности географического размещения узлов, часть узлов сети предложено сделать транзитными. Для повышения устойчивости системы предложено иметь в ее составе один резервный канал, дополняющий наиболее длинную цепочку транзитных узлов до кольца.

8. Выполнена оценка необходимых пропускной способности и числа цифровых каналов для передачи данных между узлами сети.

9. Создана часть расчегно-аналитического комплекса ФБД, позволяющая проводить оценки ЭМС средств сухопутной подвижной связи, телевизионного вещания и радиорелейной связи, а также реализован информационно-справочный раздел ФБД, которые находят практическое применение для служб радиоконтроля и для решения задач управления использованием РЧС.

Публикации

1. Панченко В.Е. Порядок частотных присвоений для радиоэлектронных средств гражданского назначения // Электросвязь. - 1995. -№10. -С.8.

2. Панченко В.Е. Системные аспекты создания Федеральной базы данных радиоэлектронных средств // Электросвязь. - 1996. - № 9. -С.2-3.

3. Панченко В.Е., Логинов М.А. База данных частотных присвоений РЭС и радиоконтроль - основа управления радиочастотным спектром // Вестник связи. - 1997. - №6. - С.11-15.

4. Панченко В.Е., Гребенник В.А. Методика расчета дополнительных потерь при автоматизированной оценке ЭМС РЭС с целью оптимального выбора радиочастот // Электросвязь. - 1997. - №1. - С.23-25.

5. Панченко В.Е. Место Федеральной базы данных в задаче управления радиочастотным спектром // Семинар «Радиоконтроль и управление радиочастотным спектром» Госкомсвязи России и СПб ГУТ: Материалы.-СПб, 1998.-С.11-19.

6. Панченко В.Е., Антипин Б.М., Щепетков Н.П. Структуризация задач управления радиочастотным спектром для создания базы данных частотных присвоений // 52-я НТК им. A.C. Попова: Тез. докл. — СПб, 1998.

7. Панченко В.Е. Цели и состояние разработки Федеральной базы данных частотных присвоений РЭС гражданского назначения. // Материалы НТК «Автоматизированные системы управления исследованием радиочастотного спектра»: Тез. докл. - М., 1998.

Подписано к печати 9.09.98. ЛР № 020475 от 29.04.97 г.

Объем 1 печ.л. Тир. 50 экз.

Тип. СПбГУТ. 191186, СПб, наб.р.Мойки, 61

САЩТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

имени проф.М.А.Бонч-Бруевича

На правах рукописи

ПАНЧЕНКО Вячеслав Ефимович

ФЕДЕРАЛЬНАЯ БАЗА ДАННЫХ СИСТЕМЫ РАДИОКОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНЫМ СПЕКТРОМ

05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

>

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И.П.Харченко

Санкт-Петербург -1998

Оглавление

Список использованных сокращений 4

Введение 5 Глава 1. Определение предметной области ФБД радиоэлектронных

средств в системе управления РЧС 7

1.1. Определение задач радиоконтроля и управления РЧС 7

1.2. Федеральная база данных и управление использованием радиочастотного спектра 12

1.3. Классификация задач и данных по уровням решения 16

1.4. Первичные данные, подлежащие сбору, хранению и обработке

в ФБД 18

Выводы 25 Глава 2. Разработка структуры расчетно-аналитического комплекса

ФБД 27

2.1. Задачи радиоконтроля и управления РЧС, требующие использования расчетно-аналитического комплекса 27

2.2. Методы и модели оценки межсистемной ЭМС РЭС 29

2.2.1. Электромагнитная обстановка и анализ ЭМС 29

2.2.2. Нелинейные эффекты 33

2.2.3. Математические модели основных элементов анализа 38

2.2.3.1. Передатчик 38

2.2.3.2. Антенна 48

2.2.3.3. Пространство распространения 60

2.2.3.4. Приемник 65

2.2.4. Критерии оценки ЭМС 74

2.3. Отбор моделей оценки ЭМС и методическое обеспечение рас-четно-аналитических задач в структуре ФБД 77

2.4. Универсальная вычислительная структура анализа ЭМС 82 Выводы 83

Глава 3. Национальная информационная сеть потребителей ФБД на базе цифровой сети связи 85

3.1. Потребности Госсвязьнадзора в передаче данных и требования

к каналам передачи данных 85

3.2. Анализ новых информационных и телекоммуникационных технологий для построения корпоративной цифровой сети связи ГСН 90

3.3. Модель системы передачи данных 99

3.4. Расчет основных сетевых параметров корпоративной сети ГСН 104

3.4.1. Исходные данные, принятые при проведении численных исследований 104

3.4.2. Формирование матрицы информационного тяготения между узлами сети 107

3.4.3. Прогнозирование пропускных способностей трактов свя- 108 зи

3.5. Технические решения по защите информации в сети связи ГСН 114

Выводы 116

Глава 4. Практические результаты использования элементов ФБД в системах радиоконтроля и управления РЧС 118

4.1. Реализация расчетно-аналитического и справочного комплексов ФБД 118

4.2. Результаты практического применения расчетно-аналитического комплекса ФБД 123

4.2.1. Оценка ЭМС РЭС 123

4.2.2. Расчет зон обслуживания 127

4.3. Использование ФБД в системах радиоконтроля 133 Заключение 134 Литература 137

Список использованных сокращений

АФТ - антенно-фидерный тракт

БД - база данных

ГСН - Госсвязьнадзор

ГРКП - городской радиоконтрольный пункт

ДНА - диаграмма направленности антенны

ЛВС - локальная вычислительная сеть

МККР - Международный консультативный комитет по радио МСЭ - Международный союз электросвязи ОВЧ - очень высокие частоты

ПЦРР - приемный центр радиовещания и радиосвязи

РПД - радиопередатчик

РПУ - радиоприемное устройство

РФ - Российская Федерация

РЧС - радиочастотный спектр

РЭС - радиоэлектронное средство

СВЧ - сверхвысокие частоты

СКЗИ - средства криптографической защиты информации

СПС - сухопутная подвижная служба

ТРЧ - таблица радиочастот

УВЧ - ультравысокие частоты

ФБД - Федеральная база данных

ЦК - цифровой канал

ЧМ - частотная модуляция

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭМО - электромагнитная обстановка

Введение

Радиочастотный спектр (РЧС) является естественным природным ресурсом, который широко используется во всем мире. Однако этот ресурс ограничен. Нерациональное использование приводит к тому, что часть этого спектра оказывается недоступной для радиосредств, хотя потребности в спектре непрерывно растут. С развитием спутниковых систем связи в качестве такого ресурса выступает и геостационарная орбита. Для эффективного использования РЧС необходима система управления, которая обеспечит такую работу радиостанций различных служб радиосвязи, при которой, с одной стороны, отсутствуют неиспользованные и недоступные радиосредствам участки, а с другой - не возникают вредные помехи как между различными службами радиосвязи, так и между средствами внутри каждой службы.

Таким образом эффективное использование РЧС подразумевает такую координацию работы радиоэлектронных средств (РЭС), при которой будет обеспечена их электромагнитная совместимость (ЭМС). Кроме того, разработка частотных планов и присвоение радиочастот новым РЭС требуют информации как о возможной, так и о реальной загруженности эфира электромагнитными излучениями. Потенциально возможную загрузку можно оценить исходя из выполненных частотных присвоений, реальную - на основе измерений. Первая составляющая требует наличия полной базы данных о действующих частотных присвоениях, вторая может быть получена посредством наблюдения и контроля параметров реально существующих излучений.

Для решения задачи эффективного управления РЧС в качестве одного из основополагающих элементов этого управления Коллегией Минсвязи Российской Федерации (РФ) было принято постановление о создании Федеральной базы данных (ФБД), которая позволяла бы получать

необходимую для управления справочную информацию, а также помогала Администрации Госсвязьнадзора (ГСН) решать вопросы, связанные с частотными присвоениями и разработкой новых частотных планов для РЭС гражданского назначения.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка концепции ФБД, позволяющей Госсвязьнадзору решать задачи, возникающие в процессе управления использованием РЧС, и практическая проверка основных ее элементов. Учитывая огромные размеры Российской Федерации и невозможность контроля за работой РЭС из единого центра, сбор и обработка данных о всех имеющихся в стране РЭС осуществляется через 76 региональных управлений ГСН, между которыми поделена территория России. Разработка концепции ФБД подразумевает определение ее структуры и распределение задач, решаемых с помощью ФБД, в центре и на региональном уровне, а также проработку структуры национальной информационной сети потребителей ФБД на базе современной цифровой сети связи. Поскольку управление РЧС и частотные присвоения требуют обязательного анализа ЭМС РЭС, то в данной работе особое внимание уделено расчетно-аналитическому комплексу ФБД и математическим моделям, которые позволяют охватить все практически значимые помеховые ситуации, возникающие в процессе совместной работы радиоэлектронных средств, и выполнить достоверный анализ ЭМС.

Разработанная концепция ФБД уже находит свое практическое применение. В значительной мере реализован ее информационно-справочный раздел и частично расчетно-аналитический комплекс. Результаты практического использования этих разделов ФБД в применении к реально работающим средствам радиосвязи различных регионов РФ также являются предметом анализа данной диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ФБД РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ РЧС

1.1. Определение задач радиоконтроля и управления РЧС.

Одной из основных функций службы Госсвязьнадзора за связью в Российской Федерации (РФ) является функция управления использованием радиочастотного спектра (РЧС) средствами радиосвязи. Цель управления - максимизировать число пользователей выделенного диапазона РЧС при условии, что качество работы радиоэлектронных средств (РЭС) на присвоенных им частотах будет не хуже требуемого.

Управление использованием РЧС представляет собой сочетание административных, научных и технических процедур, основанных на законодательно-нормативных актах и международных соглашениях, обеспечивающих развитие РЭС и систем в соответствии с государственными приоритетами и гарантирующих, что работа радиостанций различных служб радиосвязи не будет сопровождаться недопустимыми помехами между средствами радиослужб. В соответствии с положениями Международного союза электросвязи (МСЭ) составными элементами государственной системы управления использованием РЧС являются распределение и учет радиочастот, а также радиоконтроль [1]. Без хорошо налаженной и постоянно обновляемой системы учета вообще невозможно никакое управление РЧС.

Важным звеном эффективного управления использованием РЧС является обратная связь между потребителями спектра и администрацией, планирующей его использование. Обратная связь осуществляется через информацию, поступающую от потребителей радиоспектра о работе РЭС (чаще всего это жалобы на электромагнитные помехи радиоэлектронным средствам) и посредством контроля радиоизлучений. Радиокон-

троль и управление РЧС неразрывно связаны друг с другом и совершенствование методов управления РЧС на сегодняшнем этапе развития радиосвязи связано с совершенствованием методов радиоконтроля.

Управление использованием РЧС включает:

- определение долговременной политики и планирование использования РЧС путем совершенствования существующих и развития и внедрения новых радиосистем;

- разработку национального регламента и таблицы распределения радиочастот (ТРЧ);

- присвоение частот вновь вводимым средствам и сетям связи;

- учет использования РЧС;

- разработку технических стандартов и поддержку технических средств контроля;

- инспекцию оборудования;

- контроль использования спектра.

Конкретными целями контроля являются:

A. Обеспечение администраций данными, необходимыми для процесса управления использованием РЧС, как-то:

- измерение степени занятости электромагнитными излучениями диапазонов и отдельных частот;

- проверка соответствия параметров передаваемых сигналов требованиям лицензий на передачу;

- ведение и проверка регистрации частот;

- обнаружение, опознавание и определение местоположения радиопередатчиков несанкционированных радиоизлучений.

B. Содействие в решении проблем электромагнитной совместимости при вводе в эксплуатацию новых систем радиосвязи, присвоении рабочих частот и составлении частотных планов посредством контроля

границ зон обслуживания, параметров РЭС и выявления источников помех конкретным радиосистемам.

С. Обеспечение администраций информацией при обращениях, связанных с решением конкретных задач:

- поиск источников помех по заявлениям и жалобам пользователей

РЧС;

- оказание помощи в нахождении частот и др.

Административной и технической основой процесса управления использованием РЧС являются информационные базы данных.

Радиоконтроль дает администрации и поставляет в базу данных информацию о параметрах излучения РЭС и реальной электромагнитной обстановке в эфире. Посты радионаблюдения осуществляют проверку технических и эксплуатационных характеристик сигналов, обнаружение и опознавание источников помех как среди передатчиков, имеющих разрешение на использование частоты, так и среди тех, которые такой санкции не имеют.

Радиоконтроль поддерживает общую деятельность по управлению использованием РЧС, предоставляет данные о фактической занятости спектра в сравнении с занятостью согласно выданным разрешениям, статистические данные загрузки и информацию об отклонениях от разрешенных параметров передач, статистику эффективности процедур управления использованием РЧС.

Данные, поставляемые постами радионаблюдения о реальной загрузке РЧС, могут быть использованы при анализе ЭМС РЭС для описания внешней электромагнитной обстановки (шумов окружения), на фоне которой происходит работа РЭС.

В современных условиях радиоконтроль и база данных являются важнейшими элементами структуры управления РЧС, без совершенствования которых невозможно эффективное дальнейшее развитие как сис-

тем радиосвязи, так и систем других назначений. В настоящее время система радиоконтроля в России с большим трудом справляется со своими задачами. В то же время Россия участвует в деятельности крупных международных организаций (МСЭ, 1САО, 1МО) и проводит работы по международно-правовой защите частотных присвоений для наземных и спутниковых систем различных радиослужб в МСЭ.

Определенное техническое отставание от быстро развивающихся систем радиосвязи негативно сказывается на наведение порядка по использованию радиочастот в новых конверсионных полосах частот (450, 800, 900, 1900 МГц), в которых работают интенсивно развивающиеся сети сотовой подвижной связи. Это отставание негативно сказывается на авторитете Администрации Российской Федерации (РФ) на международной арене и не дает ей возможности участвовать в полной мере в Международной системе радиоконтроля. Ликвидировать это отставание должна помочь разрабатываемая Федеральная программа по совершенствованию системы радиоконтроля за излучениями РЭС в стране, а также подготовленный совместными усилиями Минсвязи и специалистами Комитета по информационной политики и связи Государственной Думы проект закона «О радиоконтроле» [2].

Среди задач, которые нужно решать для совершенствования системы радиоконтроля, находятся такие, как:

1. Разработка и принятие на уровне Госстандарта методик по измерениям параметров радиоизлучений на станциях радиоконтроля.

2. Разработка измерительных приборов и систем для станций радиоконтроля, обеспечивающих измерения с требуемой точностью.

3. Автоматизация процессов измерения параметров и обработки результатов радиоконтроля.

4. Разработка и создание качественной сети радиопеленгации.

Решение указанных задач требует значительных материальных затрат. Одним из существенных рычагов, регулирующих использование РЧС и обеспечивающих поступление доходов для развития систем радиоконтроля и управления РЧС, становится экономический рычаг [3,4], составляющими которого являются:

1. Плата потребителей радиочастотного спектра за качественную

связь.

2. Штрафные санкции за нарушение правил радиобмена информацией и загрязнение радиоэфира.

3. Плата за предоставление частоты и лицензии на ее использование.

4. Плата за сертификацию изделий по параметрам ЭМС.

Хотя экономические меры и могут стимулировать потребителей РЧС к более рациональному использованию спектра, без совершенствования технических методов управления РЧС нельзя добиться существенного повышения эффективности его использования. Возможность хранения и сопровождения информации о каждом РЭС и сети связи, а также обеспечение доступа к ней являются составной частью процесса управления использованием РЧС. Такую возможность предоставляет база данных о зарегистрированных радиосредствах. В постановлении Коллегии Министерства связи РФ от 02.12.94 г. от № 29-1 создание Федеральной базы данных (ФБД) радиоэлектронных средств народнохозяйственного значения отмечено в числе главных задач Госсвязьнадзора России. Несмотря на высокую загруженность хорошо освоенных диапазонов частот (ОВЧ, УВЧ), в них продолжается внедрение новых радиосредств и сетей связи. В этих условиях требования беспомеховой работы могут быть удовлетворены только на основах частотного, территориального или временного разделения работы средств и обработки сигналов радиостанций, и требуется анализ электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС. В

связи с этим ФБД должна не только обеспечивать справочной информацией заинтересованные администрации, но и позволять получать оценки ЭМС РЭС в задачах управления использованием РЧС, в частности при присвоении частот новым РЭС и разработке частотных планов.

1.2. Федеральная база данных и управление использованием радиочастотного спектра.

Федеральная база данных предназначена для решения информационно-справочных и расчетно-аналитических задач, обеспечивающих Гос-связьнадзору выполнение надзорных и разрешительных функций в части управления использованием РЧС для РЭС гражданского назначения [5]. На рис. 1.1 показано место ФБД в системе управления РЧС и ее связи с другими элементами этой структуры, осуществляемыми как непосредственно (например, с системой радиоконтроля), так и через администрацию, принимающую окончательное решение относительно присвоения рабочей частоты конкретному РЭС или относительно использования частотно-территориального плана размещения РЭС.

Федеральная база данных представляет собой совокупность технических и программных средств хранения и обработки информации о частотных присвоениях РЭС гражданского назначения. В структуре ФБД можно выделить две основные части. Первая часть информационно-учетная. В ней хранится информация по частотным присвоениям РЭС, а для служб космической связи еще и информация об орбитальных позициях