автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование систем цикловой синхронизации с параллельным поиском в условиях интенсивных помех

Панкратов Павел Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПОИСКОМ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНЫХ ПОМЕХ

ии344 ВСЬ1

Специальности 05 13 18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 2008

? 2 СЕН 2003

003446651

Работа выполнена на кафедре «Многоканальная электропроводная и волоконно-оптическая связь» Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (военного института)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ташлннский Александр Григорьевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор

Самохвалов Михаил Константинович

кандидат технических наук, доцент Пятаков Анатолии Иванович

Ведущая организация- ФНПЦ ОАО «НПО «Марс» (г Ульяновск)

Защита состоится 15 октября 2008 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д212 277 02 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу 432027, Ульяновск, ул Северный Венец, 32, ауд 211

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета

Автореферат разослан « /у» сентября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В Р Крашенинников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современном мире все возрастающую роль играют цифровые системы передачи (ЦСП), использующие в зависимости от решаемых задач разнообразные линии передачи, волоконно-оптические, радиорелейные, тропосферные, спутниковые, симметричный и коаксиальный кабель и др

В первичных сетях связи общего пользования Единой сети электросвязи Российской Федерации интенсивно развиваются ЦСП на основе синхронной цифровой иерархии, использующие в качестве основной среды распространения сигнала оптические волокна и создаваемые на их основе волоконно-оптические кабели 1акие системы характеризуются очень низкой вероятностью ошибки (10"9-10"п) С другой стороны, все большее развитие получают также выделенные, технологические и особенно сети связи специального назначения, где используются, как правило, ЦСП плезиохронной иерархии, работающие по цифровым трактам, характеризующимся высокой вероятностью ошибки (Рош > 10"3), пакетированием ошибок, фазовыми дрожаниями, задержками, проскальзываниями и т д

Важным элементом ЦСП, определяющим во многом помехоустойчивость связи и качество цифровых каналов, предоставляемых пользователям, является система цикловой синхронизации (СЦС) В настоящее время большинство СЦС, находящихся в эксплуатации, построены по принципу скользящего поиска синхросигнала с адаптацией к помеховой обстановке Однако в условиях интенсивных помех они имеют невысокие показатели по быстродействию и помехоустойчивости Более перспективными в этом смысле являются СЦС с параллельным поиском, но известные технические решения таких систем уже не удовлетворяют современным и перспективным требованиям к их помехоустойчивости Поэтому задача проектирования СЦС, обеспечивающих функционирование ЦСП в условиях интенсивных нестационарных помех, является актуальной Одним из ключевых вопросов при проектировании СЦС является разработка их математических моделей и создание на их основе методики синтеза и параметрической оптимизации систем для заданных условий эксплуатации

Цель и задачи исследовании

Целью диссертационной работы является повышение эффективности СЦС с параллельным поиском синхросигнала в условиях интенсивных помех

Дчч достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи

1 Разработать аналитические математические модели подсистем поиска и удержания синхросигнала, ориентированные на обеспечение высокой помехоустойчивости

2 Разработать имитационную математическую модель СЦС с параллельным поиском с возможностью моделирования сложной помеховой обстановки, приводящей к проскальзываниям цифрового сигнала, высокой вероятности и пакетированию ошибок

3 На основе аналитической и имитационной моделей разработать методику определения внутренних параметров для синтеза СЦС по заданным критериям помехоустойчивости и быстродействия

Методы исследований

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории вероятностей, теории случайных процессов, математического моделирования, статистических испытаний и комбинаторной оптимизации

Научная новизна работы

1. На базе математического аппарата теории марковских цепей разработана новая аналитическая математическая модель подсистемы удержания СЦС с параллельным поиском синхросигнала, позволяющая по сравнению с известными моделями повысить точность расчета функции распределения вероятностей времени удержания синхронизма и увеличить среднее время удержания синхронизма в условиях интенсивных помех

2 Для аналитической модели подсистемы поиска СЦС предложен новый принцип учета весов откликов опознавателя синхросигнала, что позволило уменьшить вероятность обнаружения ложного синхросигнала, особенно при высокой вероятности и пакетировании ошибок.

3 На основе аналитических моделей подсистем поиска и удержания синхросигнала впервые получены зависимости, связывающие функциональные показатели СЦС (вероятность ложного обнаружения, время восстановления и удержания циклового синхросигнала) с ее внутренними параметрами (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов)

4 Разработана новая имитационная математическая модель СЦС с параллельным поиском синхросигнала, позволяющая находить характеристики восстановления и удержания синхронизма, а также внутренние параметры системы в условиях изменяющейся динамической помеховой обстановки с учетом структуры синхрогрупп, их размещения в цикле и различных законов группирования ошибок Имитационная модель может быть использована также для оценки адекватности аналитических моделей СЦС

Практическая ценность и использование результатов работы

1 В рамках имитационной модели разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее посредством статистического моделирования найти основные показатели СЦС с параллельным поиском синхросигнала в режимах как истинных, так и ложных сбоев синхронизма с учетом пакетирования ошибок и проскальзывания сигнала в цифровом линейном тракте

2 Разработана методика, позволяющая проектировать новые помехоустойчивые СЦС с параллельным поиском синхросигнала, предназначенные для функционирования в условиях сложного комплекса помех, приводящего к высокой вероятности и пакетированию ошибок, а также проскальзыванию сигнала в цифровом линейном тракте

3 С использованием методики разработаны новые запатентованные устройства цикловой синхронизации и временного группообразования, имеющие по сравнению с известными аналогами меньшее время восстановления синхронизма и обеспечивающие минимизацию потерь информации в условиях сбоя циклового синхронизма за счет адаптации внутренних параметров к изменению качества канала связи

Реализация результатов работы

Разработанные модели и методика, реализованные в форме алгоритмического и программного обеспечения, внедрены в деятельность 29-го Испытательного полигона МО РФ (г Ульяновск) и ФНПЦ ОАО «НПО «Марс» (г Ульяновск)

Полученные результаты и разработанное программное обеспечение применяются также в учебном процессе Ульяновского высшего военного инженерного училища связи при изучении дисциплины «Цифровые системы передачи» для специальности «Эксплуатация систем, средств и комплексов электросвязи»

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, 2006), на XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006), на Научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники Радиотехнические системы», (Красноярск, 2006), на международной «Конференции по логике, информатике, науковедению» (Ульяновск, 2007), на научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2007), на XIV военно научной-технической конференции 29 испытательного полигона МО РФ (Ульяновск, 2007), на научно-технических конференциях Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (2006,2007)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 7 статей, две из которых в изданиях из перечня ВАК, и 8 работ в трудах и материалах Международных и Всероссийских конференций, патент на изобретение, всего 8,4 печатных листа Некоторые результаты работы отражены в учебном пособии

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований и двух приложений Содержит 155 страниц текста, 31 рисунок и 4 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об использовании, реализации и апробации результатов работы, структуре диссертации

В первой главе рассмотрено влияние СЦС на параметры цифровых каналов и трактов цифровых систем передачи Проанализированы модели сбоев цикловои синхронизации, основные требования к СЦС и способы их построения Выбраны показатели качества функционирования в условиях интенсивных помех Сформулированы цель и задачи исследований

Качество функционирования СЦС оказывает влияние на все основные параметры цифрового канала, особенно на кратковременные перерывы цифрового сигнала на выходе канала Для численной оценки этого показателя принято использовать частость возникновения перерывов и их среднюю длительность В свою очередь, значения этих параметров в значительной мере определяются распределениями вероятностей времен удержания и восстановления циклового синхронизма Поэтому эти показатели наряду со средними временами удержания и восстановления приняты в качестве основных показателей качества СЦС

Проанализированы причины, приводящие к истинному и ложному сбоям синхронизма Источником ложных сбоев являются искажения символов цифрового сигнала, истинные сбои могут быть обусловлены сбоями тактовой синхронизации, проскальзываниями цифрового сигнала, сбоями цикловой синхронизации в верхних ступенях иерархии цифровых систем передачи, искажениями команд согласования скоростей в системах плезиохронной цифровой иерархии, изменением времени прохождения сигнала и другими факторами Наиболее подвержены истинному сбою циклового синхронизма линии многоканальной радиосвязи и атмосферной оптической связи

Известно, что СЦС, основанные на параллельном поиске синхросигнала, по сравнению с адаптивными системами со скользящим поиском обладают более высокими быстродействием и помехоустойчивостью. Однако известные решения в условиях интенсивных помех уже не удовлетворяют современным и перспективным требованиям к быстродействию и помехоустойчивости В частности, требованию по времени восстановления синхронизма, которое при вероятности ошибочного обнаружения одиночного символа Рош=5 102 должно не более чем вдвое превышать время восстановления при отсутствии ошибок. Указанные обстоятельства и определили цель диссертационной работы

Во второй главе проанализированы известные методы и модели аналитического математического моделирования СЦС с параллельным поиском Для модели подсистемы поиска предложен и реализован новый принцип формирования весов отклика опознавателя циклового синхросигнала Разработана новая аналитическая модель подсистемы удержания Получены зависимости, связывающие функциональные показатели с внутренними параметрами СЦС

СЦС традиционно представлена состоящей из подсистем поиска и удержания С учетом специфики функционирования для их моделирования целесооб-

разным является использование математического аппарата цепей Маркова, на базе которого построен обобщенный граф состояний СЦС

Анализ математических моделей известных подсистем параллельного поиска синхросигнала показал, что к их недостаткам можно отнести не удовлетворяющие современным требованиям быстродействие и помехоустойчивость, в частности, высокую вероятность обнаружения ложного синхросигнала Для улучшения характеристик быстродействия и помехоустойчивости подсистемы поиска предложено изменить правило обработки синхрогрупп, поступающих на определитель циклового синхросигнала

В известных подсистемах поиска, результаты опознания синхросигнала (отклики опознавателя) регистрируются либо в виде факта отклика на синхросигнал (бинарное значение), либо в виде последовательности чисел и>=0,и, формируемых по правилу:

\\> = т-таш? (3)

где т - длина синхрогруппы, тои1 - число искаженных синхросимволов

При формировании веса отклика правило (3) использует линейную зависимость веса от числа искаженных синхросимволов Однако наличие искаженных синхросимволов при формировании отклика приводит к увеличению вероятности обнаружения ложного синхросигнала При превышении числом ошибочно принятых синхросимволов некоторого порога вероятность обнаружения ложного синхросигнала резко увеличивается, что делает целесообразным использование нелинейного уменьшение величины отклика Для этой цели можно применить степенную или обратную логарифмическую зависимости Однако исследования показали, что для решаемой задачи целесообразнее использовать зависимость, обеспечивающую целочисленные значения весов отклика

¡д т-к тош, если> О, V =1 . (4)

[О, если \у < О,

где <7 - целое число, используемое для нахождения минимума времени обнаружения синхросигнала, И- весовой коэффициент, обеспечивающий минимизацию вероятности обнаружения ложного синхросигнала, т - длина синхрогруппы, тош = 0,тошт!Я Введение в правило (4) весового коэффициента А позволяет формировать шаг изменения отклика ш больший единицы, что также в ряде случаев уменьшает вероятность обнаружения ложного синхросигнала Как видно из (4) до некоторого числа тош тах ошибочно принятых синхросимволов правило (4) предполагает формирование ненулевого отклика на синхросигнал Если же число ошибок превышает отоштах, то формируется нулевой отклик Синхросигнал считается идентифицированным, когда сумма откликов опознавателя, накопленных для одной из позиций цикла, превышает сумму откликов для других позиций не менее чем на некоторый заданный порог обнаружения синхросигнала с1ж Показано, что предложенный подход позволяет снизить вероятность обнаружения ложного синхросигнала.

Заметим, что увеличение коэффициента д ведет к сокращению времени обнаружения циклового синхросигнала, однако увеличивает вероятность обнаружения ложного синхросигнала Для уменьшения последней необходимо увеличивать порог с1ж, что, в свою очередь, ведет к снижению быстродействия системы Поэтому для оптимизации времени обнаружения циклового синхросигнала необходим поиск оптимальных параметров доггг и с}^.^ при ограничении на среднюю вероятность обнаружения ложного синхросигнала Рлсср

Предложенная процедура поиска циклового синхросигнала предполагает непрерывную проверку всех битовых позиций цикла, в том числе и в случае нахождения СЦС в синхронизме Это позволяет при обнаружении потери циклового синхронизма сразу же установить новую позицию синхронизма, благодаря чему среднее время вхождения в синхронизм значительно уменьшается Кроме того, результаты непрерывного поиска синхросигнала могут быть использованы как дополнительная информация при нахождении условий выхода из состояния синхронизма

В соответствии с математической моделью подсистемы поиска зависимость вероятности обнаружения ложного синхросигнала Рпс(£) от числа циклов поиска Ь определяется как

ч\«-л>

¡-¡¡ос

Р,с(ь)=1- 1- I рн»,(£)1р™.Ащ , (5)

;=о ))

а функция Рос (¿) распределения вероятностей времени обнаружения синхросигнала - как

РоД£)= 1и Р-ио/М ЕРнлоДЬ) Ы« ^ ;=0

(6)

где N - длина цикла передачи, итах (ь) - максимальная сумма весовых коэффициентов за Ь циклов наблюдения, рнло,(^) - вероятность того, что накопленная за I циклов сумма ложных откликов будет равна г, рни0 ,(•£.) - вероятность того, что накопленная сумма истинных откликов будет равна у

Вероятности р,„юу (¿) определяются по уравнению Маркова с

помощью матриц вероятностей одношаговых переходов ложных и истинных откликов СЦС

Величина итах(1) зависит от допустимого числа искаженных синхросим-волов £доп и номера текущего цикла поиска синхросигнала Ь, например, по следующему правилу.

и^Мд-ш-й-*«,^ (7)

Среднее время Ь0с обнаружения циклового синхросигнала, выраженное в циклах, можно найти по функции Р0С(Ь) распределения вероятностей времени обнаружения

U = YL{l~F0C(L)).

(8)

При известной LK помехоустойчивость подсистемы поиска можно оценить по средней вероятности обнаружения ложного синхросигнала Рлсср Геометрически искомая величина будет соответствовать пересечению вертикальной линии ¿ос и линейно аппроксимированной зависимости РЛС(Л)

На рис 1 для примера приведены зависимости средней вероятности Рлсср обнаружения ложного синхросигнала от веса отклика и при формировании отклика в соответствии с правилом (3) регистрации отклика опознавателя синхросигнала для Роц1=0 01, 0 05 и 0 1 (пунктирные линии), а также зависимости Р,сср от веса отклика w при предложенном правиле (4) (сплошные линии) Результаты получены при длине цикла передачи N = 1200, длине синхрогруппы т = 9, и = 1,9, w = 1, 3, 5, 7 и 9. Видно, что при использовании предложенного правила вероятность Рлсср при и = w = 1 не изменяется, а при и = w=3, 5, 7, 9 и Рош=0,01 уменьшается соответственно в 1.05, 1 16, 1 32 и 1 6 раза, при Рош=0,05 - в 1.12, 1 22, 1 6 и 1 9 раза, при Po^O.l - 1 15, 1 8, 2 1 и 2 5 раза На рис 2 для тех же условий эксперимента показан выигрыш А в уменьшении среднего времени обнаружения синхронизма при использовании правил (3) и (4) соответственно Из рисунка видно, что например при Рош =0 1 выигрыш достигает 1 7 раза

0 01

0 001

-1- Р.ш^0 1 1 'ош = 0 05

" Рош =0.01 V

1 1 1

3 5 7

Рис. 1

16-

14-

Рош =0 1

/

1.2 -

/

/ Рош =0 05

10^

Рош =0 01

3 5 7

Рис 2

u(w)

В математической модели подсистемы удержания предложен новый критерий определения состояния выхода СЦС из синхронизма система вышла из синхронизма, если за очередной цикл накопления сумма накопленных откликов опознавателя синхросигнала на позиции истинного синхросигнала будет меньше некоторого порога потери синхронизма с1т=иты(ь), определяемого выражением (7)

Предложенный критерий удержания циклового синхронизма отличается от алгоритмов известных СЦС тем, что проверка состояния синхронизма осущест-

вляется после каждого цикла испытания, а не через фиксированное число г циклов, выбираемое в зависимости от среднего качества принимаемого группового сигнала Традиционный подход при локальном ухудшении качества принимаемого группового сигнала, вызвавшем истинный сбой циклового синхросигнала, приводит к задержке определения потери синхронизма до (г - 1) цикла Предложенный алгоритм позволяет определять состояние выхода из синхронизма быстрее, что в свою очередь, сокращает время восстановления синхронизма.

Математическая модель подсистемы удержания построена на базе цепей Маркова, что по сравнению с известными моделями, использующими вероятностно-временные графы и производящие функции, позволило повысить точность нахождения распределения вероятностей РВЬ1Х (¿) времени обнаружения выхода из синхронизма

á„M-l

F.mx(¿)= Ep„.,o,(¿). (9)

(а соответственно и средних времен обнаружения выхода из синхронизма и восстановления циклового синхронизма) при меньшей вычислительной сложности

Получены выражения для среднего времени Ь„ восстановления

Ьвых ,если Ьу >Ьос,

Lí _ -У --ОС, .JQV

[Loe , если Ly < Loe

и среднего времени Lv удержания синхронизма-

£1(1-^,(1))

*лсср *лсср

v LeblX

где Loe и L„b,x - средние времена обнаружения синхросигнала и обнаружения выхода из синхронизма соответственно, Рлсср - средняя вероятность обнаружения ложного синхронизма, FBblx (i) - функция распределения вероятностей времени обнаружения выхода из синхронизма

На основе разработанных математических моделей подсистем поиска и удержания синтезирована обобщенная структурная схема приемника циклового синхросигнала с параллельным поиском, представленная на рис 3

Полученные зависимости (5), (6), (8)-(11) связывают функциональные показатели быстродействия и помехоустойчивости СЦС с внутренними параметрами (с/0С, Um„(¿), кяа„, h)

и

Групповой

Решающее устройство

Определитель

циклового синхросигнала

Блок оценки качества тракта

Формирователь цикловых импульсов

Тактовый синхросигнал

Накопитель откликов синхросигнала

Блок сравнения

Блок выбора

внутренних -

параметров

Импульсы циклового синхросигнала

Рис 3

В третьей главе с использованием полученной обобщенной структурной схемы и предложенных моделей цикла передачи, воздействий на 1(икл передачи, приема и обработки сигналов синхронизации разработана и исследована имитационная модель СЦС

Имитационная модель СЦС построена с использованием пакета моделирования динамических систем БнтшЬпк системы МАТЬАВ на основе обобщенной структурной схемы, синтезированной по результатам аналитического моделирования Поскольку СЦС является составной частью ЦСП, имитационная модель охватывает и ряд других элементов СЦС Так, цикловая структура многоканального цифрового сигнала имитируется модулем формирования цикла передачи Модуль опознания циклового синхросигнала осуществляет идентификацию в принимаемом многоканальном сигнале кодовых комбинаций, полностью или частично совпадающих с кодом синхрогруппы Моделирование поиска, определения и удержания циклового синхронизма производится модулем поиска и удержания За нахождение времени восстановления и удержания циклового синхронизма отвечает модуль определения параметров СЦС Определение и регистрация истинности или ложности обнаруженного циклового синхронизма производится в модуле определения истинности синхрогруппы Взаимодействие модулей поясняется рис 4

Для примера рассмотрим подробнее модуль внесения ошибок, являющийся одним из ключевых в имитационной модели (рис. 5). Он позволяет имитировать как одиночные ошибки, так и пачки ошибок случайной длины и закона распределения Исходными данными являются вероятность ошибки одиночного символа Р01Л в цифровом линейном тракте, максимальная длина пачки ошибок и закон распределения ошибок в пачке Исходя из Рош формируется псевдопериод

ошибки Тош = 1/Р0Ш (в тактовых интервалах), задаваемый счетчиком 1. В каждом псевдопериоде с равновероятным местоположением определяется позиция одиночной ошибки либо начала пачки ошибок, что реализуется посредством генератора тактовых импульсов и генератора псевдослучайных чисел. Максимальная длина пачки ошибок устанавливается счетчиком 2, а стохастичность длины обеспечивается случайностью состояния счетчика в момент внесения пачки.

ОиП от2 J 1п1 ОиП

о|

Модуль внесения Модуль Индикатор' проскальзываний определения исг

истинности о-лег синхрогруппы

Рис. 4.

I 0 ОиП 1п 1 1п2 1п 3 Ои12 1п 4 1

2

3

4

I 0 45-

Модуль определения параметров СЦС

Модуль внесения проскальзываний, имеющий похожую структуру, предназначен для внесения так называемых положительных проскальзываний (выпадение импульсов) различной величины. Выбор этого вида проскальзывания объясняется простотой его имитации, а также эквивалентностью негативности воздействия отрицательных и положительных проскальзываний на синфазность обработки цифровых потоков в системах передачи. Проскальзывание многоканального цифрового сигнала в тракте моделируется прекращением формирова-

ния текущего цикла передачи с одновременным началом нового цикла, что сокращает длину текущего цикла и нарушает периодичность циклов

Генератор случайных чисел

Ж

Тактовый генератор

Коммутатор!

Логический элемент ИЛИ 1

Генератор одиночного импульса

_ Модуль

Счетчик 1

N01

С1к ир Нй

АШ

Логический Модуль

элемент ИЛИ2 управления -►

Осцилограф

Счетчик 2

Логический элемент И Рис. 5

Разработанная имитационная модель СЦС с параллельным поиском по сравнению с известными моделями полнее отражает процессы, протекающие при функционировании моделируемой системы, и позволяет получить оценки характеристик быстродействия и помехоустойчивости в условиях нестационарной помеховой обстановки Легко изменяющаяся структура модели дает возможность проводить моделирование СЦС с различными правилами формирования откликов опознавателя циклового синхросигнала в режимах поиска и удержания циклового синхронизма с учетом структуры синхросигнала и способа его передачи Модель цифрового линейного тракта позволяет имитировать как одиночные ошибки, так и пачки ошибок случайной длины, а также проскальзывания цифрового сигнала

Анализ результатов имитационного моделирования показал, что оно отражает процессы, протекающие в исследуемых СЦС с точностью до погрешности эксперимента Средние времена восстановления и удержания синхронизма соответствуют результатам, полученным в ходе аналитического моделирования Проверка адекватности аналитических моделей при уровне значимости 0,05 и числе проведенных экспериментов 200-350 показала, что значения ^статистик не превышают критических

Проведено имитационное моделирование СЦС, разработанной на основе предложенных аналитических моделей и использующей новые алгоритмы формирования отклика на синхросигнал и обнаружения выхода из состояния синхронизма Эксперимент показал, что предложенная система по сравнению с

известными обеспечивает меньшее среднее время обнаружения циклового синхросигнала В частности, при N = 1200, т= 9, дП1ГТ = 1, ¿/пс =4, допустимой

средней вероятности обнаружения ложного синхросигнала Рлс ср = 5 • 10"3 и вероятности ошибочного обнаружения одиночного символа Рош = 5 10~2 среднее время восстановления циклового синхросигнала уменьшается в 1,5 раза по сравнению с СЦС, использующей правило (3) Для той же Рош при пакетировании ошибок в канале связи длиною до 10 элементов среднее время восстановления циклового синхросигнала уменьшается в 1,8 раза При этом время восстановления синхронизма при Рош = 5 • 10~2 и пакетировании ошибок в канале связи длиною до 10 элементов увеличивается в 1,9 раза по сравнению со временем восстановления при Рош —> 0 Тогда как для СЦС, использующей правило (3), время восстановления синхронизма при названных условиях увеличивается в 3,5 раза

Применение разработанной имитационной модели СЦС при исследовании процессов восстановления синхронизма особенно целесообразно, если необходимо учесть влияние структуры синхросигнала и его размещения в цикле, а также эффект группирования ошибок Что же касается исследования процессов удержания синхронного состояния, то применение имитационного моделирования имеет смысл только при больших вероятностях ошибочного приема одиночного символа (больше 103), поскольку в противном случае среднее время удержания циклового синхронизма весьма велико и его оценка требует больших временных затрат

В четвертой главе разработана методика нахождения внутренних параметров помехоустойчивых СЦС с параллельным поиском, приведены примеры систем, синтезированных с помощью методики, проведен сравнительный анализ синтезированной и известных СЦС

Методика нахождения внутренних параметров СЦС основана на разработанных аналитической и имитационной моделях и использует найденные зависимости между функциональными показателями СЦС (вероятность ложного обнаружения, время установления и удержания циклового синхросигнала) и ее внутренними параметрами (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов)

Отметим, что быстродействие СЦС характеризует среднее время восстановления, а помехоустойчивость - среднее время удержания и вероятность обнаружения ложного синхронизма. Эти показатели носят противоречивый характер, поэтому находить внутренние параметры СЦС приходится, исходя из компромиссных требований, т е решать задачу параметрической оптимизации при ограничениях. Например, добиваясь минимального среднего времени восстановления циклового синхронизма при обеспечении требуемой помехоустойчивости

Приведены примеры систем, разработанных с использованием предложенной методики, в частности, системы цикловой синхронизации (заявка на выдачу патента на изобретение РФ № 2007134056)

Проведен сравнительный анализ синтезированной и известных СЦС Не-

которые результаты анализа представлены на рис. 6, где приведены зависимости среднего времени восстановления синхронизма Ьв от вероятности Рош ошибочного приема одиночного символа при N = 1200, т= 9 Кривая 1 соответствует адаптивной СЦС (с коэффициентами по входу в синхронизм и выходу из синхронизма, равными 3), кривая 2 - многоканальной СЦС (с такими же коэффициентами и 3 каналами поиска), кривая 3 - рециркуляционной СЦС (с порогом по входу в синхронизм, равном 1, и коэффициентом по выходу из синхронизма, равном 4), кривые 4 и 5 - СЦС с параллельным поиском, использующих правила (3) и (4), соответственно Из рисунка видно, что синтезированная СЦС обладает лучшим быстродействием. Так, при Рош =5 10~2 и допустимой средней вероятности обнаружения ложного синхросигнала Р =5 10~3 выигрыш в уменьшении времени восстановления по сравнению с адаптивной, рециркуляционной и многоканальной системами составляет соответственно 6 1, 5 5 и 4.5 раза, а относительно СЦС с параллельным поиском использующей правило (3), - в 1,45 раза На рис 7 приведены зависимости Ьв от Рош в условиях группирования ошибок для СЦС с параллельным поиском, использующих правила (3) (кривая 1) и (4) (кривая 2), соответственно Из графика видно, что в этом случае при изменении Рош от 10~3 до 7 Ю~2 предложенная система обеспечивает уменьшение Ьв примерно от 1,3 до 2 раз

Показано, что разработанная методика может быть использована при разработке различных цифровых систем, использующих при своем функционировании цикловую синхронизацию В качестве примера описано разработанное устройство временного группообразования, обеспечивающего передачу информации с минимальными потерями в условиях сбоя циклового синхронизма, защищенное патентом РФ № 2306674 на изобретение

В приложении приведено описание модулей имитационной модели СЦС и акты внедрения результатов работы

В заключении приведены основные результаты и выводы, имеющие научную и практическую ценность

В диссертации разработаны математические модели СЦС с параллельным поиском синхросигнала в условиях интенсивных помех и на их основе создана методика синтеза СЦС, таким образом, поставленная в диссертации цель достигнута

Основные результаты работы

1 С использованием теории марковских цепей разработана аналитическая математическая модель СЦС с параллельным поиском, что по сравнению с моделями, основанными на теории вероятностно-временных графов и производящих функций, дало увеличение точности расчета функции распределения времени обнаружения выхода из синхронизма при сокращении вычислительных затрат

2. Предложены новые алгоритмы формирования отклика на синхросигнал и обнаружения выхода из состояния синхронизма, позволившие уменьшить среднее время восстановления синхронизма и вероятность обнаружения ложного синхросигнала

3 Построена имитационная модель СЦС с параллельным поиском, позволяющая проводить моделирование с учетом высокой вероятности и пакетирования ошибок, эффекта проскальзывания цифрового сигнала, структуры синхрогрупп и их размещения в цикле, что позволило увеличить ее адекватность реальным системам в ситуации воздействия интенсивных нестационарных помех

4 На основе аналитической и имитационной моделей разработана методика оптимизации внутренних параметров СЦС (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов) в зависимости от требуемых функциональных показателей (вероятность ложного обнаружения, время установления и удержания циклового синхросигнала) и помехоустойчивости цифрового тракта С использованием этой методики синтезирована новая охраноспособная СЦС, обеспечивающая в условиях сложной помеховой обстановки высокие показатели быстродействия и помехоустойчивости

5 Проведенное моделирование показало, что разработанная в диссертации СЦС имеет лучшие показатели быстродействия и помехоустойчивости в условиях интенсивных помех по сравнению с известными аналогами Так, например, при длине цикла передачи 1200, длине синхрогруппы 9 и вероятности ошибочного обнаружения символа 5 10~2 выигрыш в уменьшении среднего времени восстановления синхронизма по сравнению с лучшим из аналогов составляет 1 45 раза, а при пакетировании ошибок в канале связи до 10 элементов - в 1,8 раза

Опубликованные работы по теме диссертации:

В изданиях из списка ВАК

1 Панкратов ПА Математическое моделирование системы цикловой синхронизации с параллельным поиском / П А Панкратов, В В Малов // Известия Волгоградского государственного технического университета Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь» 2007, № 6 — С 85-89

2 Ташлинский А Г Математическое моделирование системы цикловой синхронизации с параллельным поиском / А Г Ташлинский, П А Панкратов, В В Кальников //Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Актуальные проблемы управления «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах», 2008, №5 -С 79-81

В других изданиях

3 Панкратов П А Имитационное моделирование системы цикловой синхронизации с параллельным поиском сиихросигнала / П А Панкратов, В В Кальников, А Г Ташлинский // ЦСИФ МО РФ Сборник рефератов депонированных рукописей Серия Б Выпуск № 77 - М ЦВНИ МО РФ, 2006 - 54 с

4 Панкратов П А Постановка задачи математического моделирования систем цикловой синхронизации цифровых систем передачи информации // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем Сборник трудов на-уч-технич конф - Ульяновск-УВВИУС, 2006 - С. 23-26.

5 Панкратов П А Выбор характеристик качества функционирования систем цикловой синхронизации / П.А.Панкратов А Г Ташлинский // Современные проблемы науки и образования, 2006, № 2 - С 76

6 Панкратов П А Адаптивный к изменению условий связи алгоритм поиска циклового синхросигнала /ПА Панкратов А Г Ташлинский // Современные проблемы радиоэлектроники. Радиотехнические системы: Сб. научн тр - Красноярск ИПЦКГТУ,2006.-С 72-73

7 Панкратов П. А Имитационное моделирование системы цикловой синхронизации цифровой системы передачи /ПА Панкратов, А Г Ташлинский // Приборостроение и электроника Труды международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» -Ульяновск 2006, том 5 -С 119-120

8 Панкратов П А Математическое моделирование систем цикловой синхронизации цифровых систем передачи с учетом опыта организации связи в антитеррористических операциях /ПА Панкратов, В В Кальников // Проблемы и пути совершенствования систем связи различных звеньев управления в условиях проведения антитеррористических операций- Сборник трудов науч.-технич конф -Ульяновск УВВИУС, 2006 -С 62-64

9 Панкратов П А Компьютерное моделирование систем цикловой синхронизации ЦСП / ПА. Панкратов, В. В. Кальников // Сборник научных трудов Ульяновского высшего военного инженерного училища связи - Ульяновск УВВИУС, 2007.-С. 133-139.

10 Панкратов П А Разработка устройства временного группообразования, обеспечивающего передачу информации без потерь в условиях сбоя циклового синхронизма /ПА Панкратов, В В Кальников // Сборник научных трудов XIV военно научной-технической конференции 29 испытательного полигона МО РФ -Ульяновск, 2007 - С 107-109

11 Панкратов П А Математическая модель быстродействующей системы цикловой синхронизации с параллельным поиском / ПА Панкратов, В В Кальников, А Г Ташлинский // Математические методы и модели в науке, технике, естествознании и экономике Труды международной «Конференции по логике, информатике, науковедению» -Ульяновск УлГТУ, 2007, том 4 -С 107-110

12 Панкратов П А Математическое моделирование системы цикловой синхронизации с параллельным поиском синхросигнала / ПА Панкратов, В В Кальников // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем- труды V научно-практической конференции (с участием стран СНГ) - Ульяновск УлГТУ, 2007 - С. 173-176.

13 Кальников В В Математическое моделирование системы цикловой синхронизации цифровых систем передачи / В. В. Кальников, П А Панкратов // Автоматизация процессов управления, 2008, № 1 - С 37-39

14. Кальников В В Имитационное моделирование цифрового линейного тракта / В В Кальников, П А Панкратов // Схемно-алгебраические модели активных электрических цепей синтез, анализ, диагностика- Труды международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» - Ульяновск УлГТУ, 2006, том 3 - С 90-93

15 Кальников В В Основы проектирования цифровых систем передачи / В В Кальников, П А Панкратов, В В Малов // Учебное пособие по курсовому проектированию. - Ульяновск УВВИУС, 2006 - 72 с

16. Ташлинский А Г Алгоритм поиска циклового синхросигнала с адаптацией к изменению условий связи / А Г Ташлинский, В В Кальников, П А. Панкратов // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С Попова Серия «Научная сессия, посвященная дню радио» - M Инсвязьиздат - 2006,, Выпуск LXI. - С. 119-121

17 Ташлинский А Г Быстродействующий алгоритм поиска циклового синхросигнала / А. Г. Ташлинский, В В. Кальников, П А Панкратов // Радиолокация, навигация, связь Труды XII междун научн -техн конференции - Воронеж Сакво-ее, 2006 - С. 855-861

18 Ташлинский А Г Имитационное моделирование системы цикловой синхронизации систем передачи информации / А Г Ташлинский, П А Панкратов // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем труды V научно-практической конференции (с участием стран СНГ) - Ульяновск УлГТУ, 2007 - С. 164-167.

19 Пат 2306674 Российская Федерация, МГПС H 04 J 3/00 Устройство временного группообразования / Кальников В В, Панкратов П А, Ташлинский А Г., заявитель и патентообладатель Ульян, гос техн ун-т - № 2006107030/09, заявл 06 03 2006, опубл 20 09 2007, Бюл № 26. - 23 с.

20 Заявка на выдачу патента на изобретение Российской Федерации, МПК H 04 J 3/00 Устройство для цикловой синхронизации / Кидалов А А, Кальников В В., Ташлинский А Г, Егоров Ю. П., Панкратов П А , заявитель и патентообладатель ФНПЦ ОАО «НПО «Марс». - №2007134056, заявл 24 04 2007 - 29 с

ПАНКРАТОВ Павел Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПОИСКОМ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНЫХ ПОМЕХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать о/ 09 08 Формат 60x84/16 Бумага писчая Уел печ л 1,16 Уч-изд л 1,00 Тираж 100 экз Заказ 9 13 Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев Венец, 32

Список основных сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СИСТЕМЫ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ В ЦИФРОЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Роль системы цикловой синхронизации в первичной сети связи общего пользования.

1.3. Влияние системы цикловой синхронизации на параметры цифровых каналов и трактов.

1.4. Способы построения систем цикловой синхронизации.

1.5. Особенности аппаратного построения систем цикловой синхронизации.

1.6. Выбор критериев эффективности функционирования систем цикловой синхронизации.

1.7. Выводы и постановка задач исследований.

Глава 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПОИСКОМ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Обобщенный граф состояний системы цикловой синхронизации с параллельным поиском синхросигнала.

2.3. Анализ математических моделей подсистем поиска циклового синхронизма.

2.4. Характеристики и структура предлагаемой системы цикловой синхронизации.

2.5. Анализ результатов математического моделирования систем цикловой синхронизации.

В современном мире все возрастающую роль играют цифровые системы передачи (ДСП) [69, 79], использующие в зависимости от решаемых задач разнообразные линии, передачи: волоконно-оптические, радиорелейные, тропосферные, спутниковые, симметричный и коаксиальный фидеры и др.

В первичных сетях связи общего пользования Единой сети электросвязи Российской Федерации интенсивно развиваются ЦСП на основе синхронной цифровой иерархии, использующие в качестве основной среды распространения сигнала оптические волокна и создаваемые на их основе волоконно-оптические кабели [10, 47]. Такие системы характеризуются очень низкой вероятностью ошибки (10"94-10"n). С другой стороны все большее развитие получают также выделенные, технологические и особенно сети связи специального назначения, где используются, как правило, ЦСП плезиохронной иерархии, работающие по цифровым трактам, характеризующимся высокой вероятностью ошибки (Рош > 10"), пакетированием ошибок, фазовыми дрожаниями, задержками, проскальзываниями и т.д [11, 23].

Важным элементом ЦСП, определяющим во многом помехоустойчивость связи и качество цифровых каналов, предоставляемых пользователям, является система цикловой синхронизации (СЦС). В настоящее время большинство

СЦС, находящихся в эксплуатации, построены по принципу скользящего поi иска синхросигнала с адаптацией к помеховой обстановке [16, 41]. Однако в условиях интенсивных помех они имеют невысокие показатели по быстродействию и помехоустойчивости [24, 73, 74]. Более перспективными в этом смысле являются СЦС с параллельным поиском, но известные технические решения [2, 25-27, 54, 55] таких систем уже не удовлетворяют современным и перспективным требованиям к их помехоустойчивости [61, 62]. Поэтому задача I проектирования СЦС, обеспечивающих функционирование в условиях интенсивных нестационарных помех, является актуальной. Одним из ключевых вопросов при этом является разработка математических моделей СЦС и создание на их основе методики синтеза и параметрической оптимизации систем для заданных условий эксплуатации.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности СЦС с параллельным поиском синхросигнала в условиях интенсивных помех.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать аналитические математические модели подсистем поиска и удержания синхросигнала, ориентированные на обеспечение высокой помехоустойчивости.

2. Разработать имитационную математическую модель СЦС с параллельным поиском синхросигнала с возможностью моделирования сложной помеховой обстановки, приводящей к проскальзываниям цифрового сигнала; высокой вероятности и пакетированию ошибок.

3. На основе аналитической и имитационной моделей разработать методику определения внутренних параметров для синтеза СЦС по заданным критериям помехоустойчивости и быстродействия.

Для достижения цели исследований применялись следующие методы исследований: теории вероятностей, теории случайных процессов, теории марковских цепей, математического моделирования, статистических испытаний и комбинаторной оптимизации.

Научная новизна результатов

1. На базе математического аппарата теории марковских цепей разработана новая аналитическая математическая модель подсистемы удержания СЦС с параллельным поиском синхросигнала, позволяющая по сравнению с известными моделями повысить точность расчета функции распределения вероятностей времени удержания синхронизма и увеличить среднее время удержания синхронизма в условиях интенсивных помех.

2. Для аналитической модели подсистемы поиска СЦС предложен новый принцип учета весов откликов опознавателя синхросигнала, что позволило уменьшить вероятность обнаружения ложного синхросигнала, особенно при высокой вероятности и пакетировании ошибок.

3. На основе аналитических моделей подсистем поиска и удержания

I • синхросигнала впервые получены зависимости, связывающие функциональные показатели СЦС (вероятность ложного обнаружения, время установления и удержания циклового синхросигнала) с ее внутренними параметрами (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов).

4. Разработана новая имитационная математическая модель СЦС с параллельным поиском синхросигнала, позволяющая находить характеристики восстановления и удержания синхронизма, а также внутренние параметры, системы в условиях изменяющейся динамической помеховой обстановки с учетом структуры синхрогрупп, их размещения в цикле и различных законов группирования ошибок. Имитационная модель может быть использована также для оценки адекватности аналитических моделей СЦС.

Практическая ценность результатов работы

1. В рамках имитационной модели разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее посредством статистического моделирования найти основные показатели СЦС с параллельным поиском в режимах как истинных, так и ложных сбоев синхронизма с учетом пакетирования ошибок, а также проскальзывания сигнала в цифровом линейном тракте.

2. Разработана методика, позволяющая проектировать новые помехоустойчивые СЦС с параллельным поиском синхросигнала, предназначенные для функционирования в условиях сложного комплекса помех, приводящего в высокой вероятности и пакетированию ошибок, а также проскальзыванию сигнала в цифровом линеином тракте.

3. С использованием методики разработаны новые запатентованные устройства цикловой синхронизации и временного группообразования, имеющие по сравнению с известными аналогами меньшее время восстановления синхронизма и обеспечивающие минимизацию потерь информации в условиях сбоя циклового синхронизма за счет адаптации внутренних параметров к изменению качества канала связи. I

Реализация результатов. Разработанные модели и методика, реализованные в форме алгоритмического и программного обеспечения внедрены в деятельность 29-го Испытательного полигона МО РФ (г. Ульяновск) и ФГУП НПО «Марс» (г. Ульяновск).

Полученные результаты и разработанное программное обеспечение применяются также в учебном процессе Ульяновского высшего военного инженерного училища связи при изучении дисциплины «Цифровые системы передачи» для специальности «Эксплуатация систем, средств и комплексов электросвязи».

Полученные результаты не противоречат известным взглядам на вопросы синтеза и оптимизации СЦС; их достоверность обеспечивается применением хорошо апробированного математического аппарата, полнотой учета влияющих факторов, высокой степенью детализации математических моделей процесса цикловой синхронизации.

На защиту выносится:

1. Аналитическая математическая модель подсистемы удержания СЦС с параллельным поиском синхросигнала, дающая по сравнению с известными моделями возможность увеличить среднее время удержания синхронизма в условиях интенсивных помех.

2. Новый принцип учета весов откликов опознавателя синхросигнала подсистемы поиска СЦС, обеспечивающий уменьшение вероятности обнаружения ложного синхросигнала при высокой вероятности и пакетировании ошибок.

3. Имитационная математическая модель СЦС с параллельным поиском, позволяющая находить характеристики восстановления и удержания синхронизма, а также внутренние параметры системы в условиях изменяющейся динамической помеховой обстановки.

4. Методика параметрического синтеза помехоустойчивых СЦС с параллельным поиском синхросигнала, предназначенных для функционирования в условиях сложного комплекса помех, приводящего в высокой вероятности и пакетированию ошибок, а также проскальзыванию сигнала в цифро вом линейном тракте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, 2006), на XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006), на Научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники: Радиотехнические системы», (Красноярск, 2006), на международной «Конференции по логике, информатике, науковедению» (Ульяновск: 2007), на научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2007), на XIV военно научной-технической конференции 29 испытательного полигона МО РФ (Ульяновск, 2007), на научно-технических конференциях Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (2006, 2007).

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликованы 20 работ, в том числе 7 статей, две из которых в изданиях из перечня ВАК, и 8 работ в трудах и материалах международных и всероссийских конференций, 2 патента на изобретение, всего 8,4 печатных листа. Некоторые результаты работы отражены в учебном пособии.

Структура и объем работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 133 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований и двух приложений

4.6. Основные результаты и выводы

1. На основе аналитической и имитационной моделей разработана методика оптимизации внутренних параметров СЦС с параллельным поиском по критерию минимума среднего времени восстановления при ограничениях на допустимую вероятность обнаружения ложного синхронизма и среднее время удержания состояния циклового синхронизма. Оптимизируемыми параметрами являются пороги обнаружения и потери синхросигнала, весовые коэффициенты откликов на синхросигнал и допустимое число искаженных синхросимволов.

2. С использованием методики синтезирована новая охраноспособная СЦС, обеспечивающая в условиях сложной помеховой обстановки высокие показатели быстродействия и помехоустойчивости. Методика позволяет разрабатывать и другие устройства, в состав которых входит СЦС. В качестве примера разработана приемная часть системы временного группообразова-ния, обеспечивающая передачу информации с минимальными потерями в условиях сбоя циклового синхронизма. Разработанные системы защищены патентами на изобретения.

3. Разработана методика анализа помехоустойчивости СЦС, использующая аналитическую модель и статистические данные группирования ошибок в цифровом линейном тракте. Анализ СЦС на основе данных группирования ошибок в тропосферной линии Р-423 показал, что разработанная система несколько (на 1,7 %) проигрывает лучшей из известных СЦС с параллельным поиском [14] по среднему времени удержания циклового синхронизма, однако ее быстродействие существенно выше. Так, выигрыш по среднему времени восстановления составил 45,7 % (4,2 и 7,7 циклов соответственно).

4. Показано, что частость возникновения и длительность кратковременных перерывов на выходе цифрового канала, обусловленные сбоями циклового синхронизма, полностью определяется параметрами СЦС. При этом разработанная СЦС оказывает меньшее влияние на ухудшение качества канала. Так, например, при допустимой частости возникновения кратковременных перерывов 0,125 1/час, коэффициент ошибки на выходе цифрового канала при использовании разработанной СЦС в 1,8 раза меньше, чем при использовании известной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны математические модели СЦС с параллельным поиском синхросигнала в условиях интенсивных помех и на их основе создана методика синтеза СЦС, таким образом, поставленная в диссертации цель достигнута.

1. С использованием теории марковских цепей разработана аналитическая математическая модель СЦС с параллельным поиском, что по сравнению с моделями, основанными на теории вероятностно-временных графов и производящих функций, дало увеличение точности расчета функции распределения времени обнаружения выхода из синхронизма при сокращении вычислительных затрат.

2. Предложены новые алгоритмы формирования отклика на синхросигнал и обнаружения выхода из состояния синхронизма, позволившие уменьшить среднее время восстановления синхронизма и вероятность обнаружения ложного синхросигнала.

3. Построена имитационная модель СЦС с параллельным поиском, позволяющая проводить моделирование с учетом высокой вероятности и пакетирования ошибок, эффекта проскальзывания цифрового сигнала, структуры синхрогрупп и их размещения в цикле, что позволило увеличить ее адекватность реальным системам в ситуации воздействия интенсивных нестационарных помех.

4. На основе аналитической и имитационной моделей разработана методика оптимизации внутренних параметров СЦС (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов) в зависимости от требуемых функциональных показателей (вероятность ложного обнаружения, время установления и удержания циклового синхросигнала) и помехоустойчивости цифрового тракта. С использованием этой методики синтезирована новая охраноспособная СЦС, обеспечивающая в условиях сложной помеховой обстановки высокие показатели быстродействия и помехоустойчивости.

5. Проведенное моделирование показало, что разработанная в диссертации СЦС имеет лучшие показатели быстродействия и помехоустойчивости в условиях интенсивных помех по сравнению с известными аналогами. Так, например, при длине цикла передачи 1200, длине синхрогруппы 9 и вероятности ошибочного обнаружения символа 5-Ю-2 выигрыш в уменьшении среднего времени восстановления синхронизма по сравнению с лучшим из аналогов составляет 1,45 раза, а при пакетировании ошибок в канале связи до 10 элементов - в 1,8 раза.

1. Алексеев Е. Б. Проектирование и техническая эксплуатация цифровых телекоммуникационных систем сетей. Учебное пособие для вузов / Алексеев Е.Б., Гордиенко В.Н., В. В. Крухмалев. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 392 с.

2. А. с. 1172052. МПК4 H04L 7/08. Устройство для синхронизации по циклам / Б. Г. Шадрин; заявл. 21.07.83, опубл. 07.08.85. Бюл. № 29. 8 с. ил.

3. Ашихин В. Н. Введение в математическое моделирование / В. Н. Ашихин, М. Б. Гитман, И. Э. Келлер и др. М. : Университетская книга, Лот гос, 2007. - 440 с.

4. Батищев Д. И. Методы оптимального проектирования: учебное пособие для вузов Д. И. Батищев. М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

5. Битнер В. И. Нормирование качества телекоммуникационных услуг: учебное пособие. / В. И. Битнер ; под ред. проф. В. П. Шувалова. М. : Горячая линия - Телеком, 2004. - 312 с.

6. Бирюков Н. Л. Транспортные сети и системы электросвязи. Системы мультиплексирования / Н. Л.Бирюков, В. К. Стеклов ; под ред. В. К. Стекло-ва.-К. 2003,-352 с.

7. Бородюк В. П. Статистические методы в инженерных исследованиях / В. П. Бородюк, А. П. Волошин, А. 3. Иванова ; под ред. Г. К. Круга.- М. : Высшая школа, 1983. 216 с.

8. Бочаров К. П. Решение на персональных ЭВМ задач с использовать ем пакета символьной математики MathCAD / К. П. Бочаров, А. И. Кудрявцев, В. А., Куликов В. Н. Цюман. СПб. : ВАС, 1995. - 154 с.

9. Брени С. Синхронизация цифровых сетей связи / С. Брени ; пер. с англ. М. : Мир, 2003. - 456 с.

10. Васильев А. В. Направляющие системы электросвязи: учебное пособие. Часть 1 / А. В. Васильев, С. П. Шабанов, А. Е. Загайчук и др. Ульяновск: УФВУС, 2003. - 104 с.

11. Васильев А. В. Основы построения цифровых систем передачи военного назначения: Учебник / А. В. Васильев, А. Е., Загайчук, В. В. Кальников.- Ульяновск: УФВУС, 2003. 302 с.

12. Вентцель Е. С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, JL А. Овчаров. М. : Высш. шк.,2000. 480 с.

13. Вентцель Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. -М. : Наука, 1969.-368 с.

14. Вентцель Е.С. Овчаров JI.A. Теория вероятностей: учеб. для вузов /

15. Е.С. Вентцель, Л. А. Овчаров. -М. : Высш. шк., 2002. 575 с.

16. Султанов А. X. Волоконно-оптические системы передачи: вопросы оценки работоспособности / А. X. Султанов, Р. Г. Усманов, И. А. Шарифга-лиев, И. Л. Виноградова. М. : Радио и связь, 2000. - 373 с.

17. Гордиенко В. Н. Многоканальные телекоммуникационные системы: учебник для вузов / В. Н. Гордиенко, М. С. Тверецкий. М. : Горячая линия-Телеком, 2005. — 416с.'

18. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс. М. : Техносфера. 2005. - 1072 с.

19. Гультяев А.К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows: практическое пособие / А. К. Гультяев. Спб.: КОРОНА принт,2001.-400 с.

20. Гуревич В. Э. Импульсно-кодовая модуляция в многоканальной телефонной связи / В. Э. Гуревич, Ю. Г. Лопушнян, Г. В. Рабинович. — М.: Связь, 1973.-336 с.

21. Давыдкин П. Н. Тактовая сетевая синхронизация / П. Н.Давыдкин, М. Н. Колтунов, А, В. Рыжков ; под ред. М.Н. Колтунова. М. : Эко-Трендз, 2004. - 205 с.

22. Захаров А. И. Основы передачи данных / А. И. Захаров. Л. : ВАС, 1985.- 156 с.

23. Кальников В. В. Математическое моделирование системы цикловой синхронизации цифровых систем передачи / В. В. Кальников, П. А. Панкратов // Автоматизация процессов управления, 2008, № 1.— С. 3739.1

24. Кальников В. В. Разработка системы цикловой синхронизации интегральной цифровой системы передачи военного назначения : отчет о НИР (заключ.) / В. В. Кальников. Ульяновск: УВВИУС, 1997.-193 с.

25. Кальников В. В. Быстродействующий алгоритм обнаружения циклового синхросигнала / В. В. Кальников // Состояние и перспективы развития военной связи : тр. воен.-научн. конф. 25 декабря 1998 г. / УФВУС. — Ульяновск, 1998.- С. 45-46.

26. Кальников В. В. Математическое моделирование устройств обработки откликов дискретного опознавателя циклового синхросигнала / В. В. Кальников. Ульяновск: УВВИУС, 1996. - 26 с. : ил. - Деп. в ЦВНИ МО РФ 5.11.96, №БЗ022.

27. Кальников В.В. Аналитические модели систем цикловой синхронизации с параллельным и рёциркулярным поиском синхросигнала / В. В. Кальников, А. Г.Ташлинский. Ульяновск: УФВУС, 2002. - 28 с. : ил. - Деп. в ЦВНИ МО РФ 02.10.02, № Б4901.

28. Кальников В.В. Имитационное моделирование СЦС с параллельным и рёциркулярным поиском синхросигнала / В. В. Кальников // Системы искусственного интеллекта: алгоритмы обработки и модели: тр. междун. конф. КЛИН-2002. Ульяновск: УлГТУ, 2002. Т.З. С. 35-36/

29. Кальников В.В. Моделирование воздействия помех на цикл передачи / В. В. Кальников // Системы искусственного интеллекта: алгоритмы обработки и модели: тр. междун. конф. КЛИН-2002. Ульяновск: УлГТУ, 2002. Т.З.-С. 37-38.

30. Кальников В.В. Имитационная модель систем цикловой синхронизации с параллельным и рёциркулярным поиском синхросигнала / В. В. Кальников, А. Г. Ташлинский. Ульяновск: УФВУС, 2002. - 32 с. : ил. - Деп. в ЦВНИ МО РФ 02.10.02, №Б4900.

31. Кальников В. В. Математическое моделирование систем цикловой синхронизации с параллельным поиском синхросигнала / В. В. Кальников // Электронная техника: межвуз. сб. научн. тр. Ульяновск: УлГТУ, 2002. - С. 54-61.

32. Кальников В. В. Математическое моделирование и оптимизация систем цикловой синхронизации цифровых систем передачи информации : дис. : канд. техн. наук : 05.13.18, 05.12.13 : защищена 14.05.03. Ульяновск: 2002. -186 с.

33. Кальников В. В. Основы проектирования цифровых систем передачи : учебное пособие по курсовому проектированию / В. В. Кальников, П. А. Панкратов, В. В. Малов. Ульяновск: УВВИУС, 2006. - 72 с.

34. Карлов А. А. Моделирование многоканальных систем передачи информации / А. А. Карлов. М.: МАИ, 1984. - 46 с.

35. Кислюк JI. Д. Оптимизация инерционных устройств кадровой синхронизации / JL Д. Кислюк // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРС. 1972. -Вып.З. — С. 35-42.

36. Колтунов М. Н. Синхронизация по циклам в цифровых системах связи / М.Н. Колтунов, Г. В. Коновалов, 3. И. Лангуров. М. : Связь, 1980. - 152 с.

37. Королюк В. С. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / В. С. Королюк, Н. И. Портаненко, А. В. Скороход, А.Ф. Турбин. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.-640 с. 1

38. Крухмалев В. В. Цифровые системы передачи: учебное пособие для вузов / В. В. Крухмалев, !В. Н. Гордиенко, А. Д. Моченов ; под ред. А. Д. Моченов. М. : Горячая линия - Телеком, 2007. - 352 с.

39. Левин Л.С. Цифровые системы передачи информации / Л. С. Левин, М. А. Плоткин. М. : Радио и связь, 1982. - 216 с.

40. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ / И. В. Мак-симей. М. : Радио и связь, 1988. — 271 с.

41. Методика оценки влияния СЦС на частные параметры цифрового канала : отчет по НИР «Зона-А» (заключ.) / ВАС ; рук. Папшин В. А. ; ис-полн.: Тимошкин А.И.

42. Минкин В. М. Экспериментальное исследование ошибок в цифро-выхлинейных трактах / В. М. Минкин, Г. Е. Иткис // Труды НИИР, Сер. Радиорелейная и спутниковая связь. 1989. - Вып. 1. - С. 65-71.

43. Новиков Ф. А. Дискретная математика / Ф. А. Новиков. — СПб.: Питер, 2001.-304 с.

44. Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновых первичных сетей. М. : МС РФ, 1996. - 108 с. •

45. Оганян JI. Н. Показатели качества системы цикловой синхронизации / Л. Н. Оганян // Радиотехника. 1985. - № 9. - С. 32-35.

46. Отчет о НИР «Диамант». Л.: ВАС, 1983. - 301 с.

47. Отчет о НИР «Редут» 2005". - Кн.4. - Л.: НПО «Красная заря», 1989.-287 с.

48. Паршин В.А. Алгоритм и имитационная модель СЦС для ЦСП специального назначения / В. А. Паршин, А. И. Тимошкин // Совершенствование технических средств связи: тр. Всесоюз. научн.-техн. конф. Л.: НПО «Дальняя связь», 1991. - С. 21-22.

49. Пат. 2239953 Российская Федерация, МПК7 Н 04 L 7/08. Устройство для синхронизации по циклам / Кальников В. В., Ташлинский А. Г.; заявитель и патентообладатель Ульян, техн. ун-т.; заявл. 26.11.02. опубл. 10.11.04. Бюл. № 31. 33 с. ил.

50. Пат. 2284665 Российская Федерация, МПК7 Н 04 L 7/08. Устройство для синхронизации по циклам / Кальников В. В., Бережной С. Л.; заявитель ипатентообладатель ФНПЦ ОАО «НПО «Марс»; заявл. 12.04.05, опубл. 27.09.06. Бюл. № 27. 22 с. ил.

51. Панкратов П. А. Выбор характеристик качества функционирования систем цикловой синхронизации / П. А. Панкратов А. Г. Ташлинский // Современные проблемы науки и образования, 2006, № 2. С. 76.

52. Панкратов П.А. Компьютерное моделирование систем цикловой синхронизации ЦСП / П. А. Панкратов, В. В. Кальников // Сб. научн. тр. УВВИУС. Ульяновск: УВВИУС, 2007. - С. 133-139.

53. Понкратов А. П. Синтез квазиоптимального устройства цикловой синхронизации / А. П. Понкратов // Техника средств связи. Сер. ТРС. 1978. -Вып.2. - С. 57-62.

54. РТМ по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи РФ. М.:ЦНИИС, Первая редакция, 1994. - 50 с.

55. РТМ по внедрению цифровых систем передачи по металлическим и оптическим кабелям на магистральной и внутризоновых сетях общего пользования ВСС РФ. М.:ЦНИИС, 1994. - 74 с.

56. Слепов Н. Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи / Н. Н. Слепов. — М.: Радио и связь, 2000. — 468 с.

57. Сирота А. А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем / А. А.Сирота. М.: Техносфера, 2006. - 280 с.

58. Скляров O.K. Волоконно-оптические сети и системы связи / О. К. Скляров. М: СОЛОН-Пресс., 2004. - 272 с.

59. Статистика ошибок при передаче цифровой информации ; пер. с англ. / Под ред. М. Н. Самойленко. М. : Мир, 1986. - 304 с.

60. Ташлинский А. Г. Быстродействующий алгоритм поиска циклового синхросигнала / А. Г. Ташлинский, В. В. Кальников, П. А. Панкратов // Радиолокация, навигация, связь: Труды XII междун. научн.-техн. конференции Воронеж: Саквоее, 2006. - С. 855-861.

61. Тихонов В. И. Марковские процессы / В. И Тихонов. М. : Советское радио, 1977. - 488 с.

62. Уойлд Д. Дж. Методы поиска экстремума / Д. Дж. Уойлд ; пер. с англ.; под ред. Фельдбаума. М.: Наука, 1967. - 267 с.

63. Федеральный закон "О связи". М. 2005. - 49 с.

64. Хардин B.JI. К вопросу аналитического моделирования системы цикловой синхронизации / Хардин B.JI. С - Пб.: ВАС, 1997. - 22 с. - Деп. в ЦВНИ МО РФ 5.11.97, № В3468.

65. Шарипов Ю. К. Отечественные телекоммуникационные системы / Ю. К. Шарипов, В. К. Кобляков. М.: Логос, 2005. - 832 с.

66. Шур А. А. Характеристики сигнала на тропосферных радиолиниях / Шур А. А. М.: Связь, 19721 - 105 с.

67. Recommendation G.821. Error performance of an international digitalconnection forming part of an integrated services digital network. ITU-T.i i

68. Recommendation G.826. Error performance parameters and objectives for international, constant bit rate digital paths at or above the primary rate. ITU-T.

69. Recommendation G.823. The control of jitter and wander within digital networks which are based on the 2048 kbit/s hierarchy. ITU-T.