автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и разработка алгоритмов функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона с применением сети вынесенных радиоцентров-ретрансляторов

На правах рукописи

НАЗАРОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ РАДИОСВЯЗИ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ СЕТИ ВЫНЕСЕННЫХ РАДИОЦЕНТРОВ-РЕТРАНСЛЯТОРОВ

Специальности: 05.13.18 Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ 05.12.13 Системы, сети и телекоммуникации

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск -2005

Работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления войсками и связи Ульяновского высшего военного инженерного училища связи

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Пятаков А.И. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Валеев С.Г. (Ульяновский государственный технический университет) доктор технических наук, профессор Смагин А. А. (Ульяновский государственный университет)

Ведущая организация - 29-й испытательный полигон министерства обороны Российской Федерации, г.Ульяновск

Защита диссертации состоится/^июня 2005 г. в/Ужасов на заседании диссертационного совета Д 212.277.02 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г.Ульяновск, ул.Северный Венец 32, аудитория 211.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим высылать по указанному адресу в двух экземплярах.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_"__2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ¿Цг/ Крашенинников В.Р.

Л ^ О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При организации связи и предоставлении телекоммуникационных услуг абонентам учитывается1

- многообразие и сложность географических и климатических условий;

- большое пространственное разнесение корреспондентов;

- сохраняющийся низкий уровень оснащенности средствами электросвязи большинства регионов;

- низкий уровень финансирования разработок и внедрения новых систем и комплексов обмена информации, особенно в удаленных от центра регионах РФ.

В этих условиях развитие телекоммуникационных сетей удаленных районов и подключение их к сети центральных регионов возможно путем организации доступа удаленных пользователей при помощи средств радиосвязи декаметрового диапазона. Это позволит:

- организовать прямые каналы связи на расстояния от 30 до 3000 км без применения ретрансляторов;

- обеспечить высокую мобильность абонентских станций и коммутации-онных центров. При смене местоположения возможна быстрая организация связи на удаленные расстояния и снижение затрат на организацию каналов связи.

- низкая помехоустойчивость образуемых каналов за счет доступности среды распространения сигналов и взаимного влияния средств декаметровой радиосвязи и, как следствие, низкая пропускная способность;

- жесткое закрепление выделенных частот за одним радионаправлением;

- отсутствие современных телекоммуникационных услуг обработки информации и оперативного доступа к ресурсам и абонентам других информационных систем

снижают эффективность функционирования сетей радиосвязи декаметрового (ДКМ) диапазона (Д) и затрудняют их широкое использование.

Преодоление указанных недостатков возможно за счет применения сети радиоцентров-ретрансляторов (РЦР), вынесенных за зону связи на расстояние более 2000 км и взаимодействующих между собой через современную телекоммуникационную систему обмена данными; разнесения в пространстве РЦР на расстояние, обеспечивающее некоррелированность изменения значений отношения уровня сигнала к уровню помех на одной частоте; перераспределения пространственно-частотного ресурса (ПЧР) сети РЦР между абонентами сети радиосвязи (СРС) ДКМД с учетом сложившейся помеховой обстановки.

Цели и задачи исследований. Основной целью работы является исследование и разработка способов повышения эффективности функционирования СРС ДКМД на основе динамического перераспределения пространственного ресурса ДКМД в условиях сложной радиоэлектронной обстановки

Однако:

(УСРЭО).

Основной практической целью работы является разработка эффективных алгоритмов повышения пропускной способности СРС ДКМД за счет динамического распределения пространственных ресурсов в УСРЭО.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи

1. Провести анализ условий функционирования СРС ДКМД.

2. Рассмотреть систему показателей и провести оценку эффективности функционирования существующих СРС ДКМД.

3. Рассмотреть основные направления повышения эффективности функционирования существующих СРС ДКМД.

4. Разработать концептуальную модель СРС ДКМД с использованием вынесенных за зону связи сети пространственно некоррелированных РЦР.

5. Разработать алгоритм и определить вероятностные показатели своевременности установления соединения между абонентскими станциями, осуществляющими передачу сообщений через сеть удаленных РЦР.

6. Разработать алгоритм динамического распределения пространственных ресурсов СРС ДКМД для обеспечения бесперебойного обслуживания сообщений пользователей, передаваемых по сети.

7. Разработать алгоритм повышения эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории вероятностей, теории случайных процессов, теории массового обслуживания, линейного и динамического программирования, методы теории игр и математической статистики.

Научная новизна.

1. Разработана и исследована новая концептуальная модель СРС ДКМД с применением сети вынесенных за зону связи РЦР.

2. Разработан и исследован новый алгоритм оценки временных затрат установления соединений в составном радиоканале СРС ДКМД с применением вынесенных за зону связи РЦР.

3. Разработан и исследован новый алгоритм динамического распределения пространственных ресурсов ДКМД в соответствии с требованиями пользователей на качество обслуживания передаваемых по сети сообщений.

4. Разработана новая методика применения теории игр для повышения эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

5. Разработана новая методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД с применением вынесенных за зону связи РЦР.

Практическая значимость.

К практическим результатам, полученным в диссер1ационной работе, относятся:

- способы формирования данных о пространственном ресурсе радионаправления и его динамическом распределении с учетом требований на обслуживание всех пользователей сети;

- программный, комплекс определения оптимальных стратегий функции-онирования СРС ДКМД в УСРЭО;

- методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

Реализация и внедрение.

Полученные в процессе исследований результаты использованы при проведении испытаний КТС АПД Т-236 29 ИП МО РФ, НИР "Сеть", "Тренажер" УФВУС, Ульяновск 2001, 2002 г., НИР "ПОЛЕ 2005" ФГУП "НПО МАРС", Ульяновск, 2003 г.

На защиту выносятся следующие научные результаты исследований.

¡.Концептуальная модель сети СРС ДКМД с применением РЦР, вынесенных за зону связи на расстояние не менее 2000 км и разнесенных между собой на расстояние, обеспечивающее отсутствие между ними пространственной корреляции на одной частоте приема сигнала от одного абонента. Данная модель представляет собой формальный инструментарий, применяемый при моделировании и разработке алгоритмов функционирования СРС ДКМД.

2. Алгоритм установления соединения в направлении связи, образуемом между абонентскими станциями СРС ДКМД через сеть базовых станций радиодоступа, использование которого позволяет получить требуемые вероятностные характеристики своевременности установления соединения в образуемом радионаправлении.

3. Алгоритм обслуживания потоков сообщений, передаваемых по СРС ДКМД. Применение данного алгоритма позволяет оптимально распределять доступные пространственные ресурсы между образуемыми направлениями связи в СРС ДКМД с учетом требований пользователей на качество обслуживания передаваемых сообщений и обеспечивать требуемые вероятностные значения своевременности доставки сообщений в СРС ДКМД.

4. Методика применения теории игр при управлении выделенным пространственным ресурсом в УСРЭО, позволяющая обеспечить повышение пропускной способности СРС ДКМД в УСРЭО.

5. Методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД, позволяющая оценить параметры радиосети произвольной структуры в УСРЭО.

Личный вклад. В диссертации изложены результаты работы, которые были выполнены соискателем лично под научным руководством доцента Пятакова А.И.. Автор разрабатывал методики исследований, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.

Апробации работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: III Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск 2001); VI научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования 29 испытательного полигона МО РФ (Ульяновск, 2001г.); ежегодных научно-технических конференциях на 29 испытательном полигоне МО Российской Федерации (Ульяновск, 2002-2005); межвузовской научно-технической конференции "Развитие средств и комплексов связи. Подготовка специалистов связи" (Новочеркасск, 2002, 2004); ежегодных научно-технических, научно-практических конференциях профессорско-преподава-

тельского состава Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (Ульяновск, 2002-2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в сборниках научных трудов и материалов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 102 названий. Общий объем диссертации составляет 190 листов без приложений. Приложения оформлены отдельной книгой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности рассмотренных в диссертации вопросов. Здесь же определяются цели исследования, задачи, научная новизна работы и кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена анализу условий функционирования существующих СРС ДКМД. Рассматриваются требования к СРС ДКМД по обслуживанию передаваемой в сети информации. СРС ДКМД, являясь элементом военной системы связи, должна обеспечивать выполнение требований, предъявляемых системой управления к связи, как к процессу передачи информации, таких как своевременность, достоверность и безопасность передачи сообщений.

Требования к своевременности передачи сообщений, определяемые в виде допустимого времени передачи сообщения при заданной вероятности передачи или в виде допустимой вероятности передачи при заданном времени передачи, зависят от вида сообщений, категории срочности и составляют значения, приведенные в таблице 1. Достоверность передачи сообщения характеризует степень соответствия сигналов на входе и выходе канала радиосвязи.

Таблица 1 Требования по своевременности передачи

Виды связи Параметры Приоритеты сообщений

1 2 3

ТФ Тож доп .(МИН) 8 15 25

РС^ОЖ^ТдОЛ ) 0.96 0.93 0 88

ГГ Тсс доп .(МИН) 10 30 90

Р(1сс<Тд„„)(У=100гр) 0.96 0.93

пд 1лоП (С) 20 60 80-200

Р(^ДОВ <ТдоП ) 0 96 0 93 0.88

Предложена система показателей эффективное га сети. Система критериев эффективности вариантов построения СРС ДКМД является иерархической:

- на физическом уровне показателем эффективности является вероятность обеспечения радиосвязи с заданной достоверностью, требуемые значения показателей для сообщений 1-го приоритета лежат в пределах 0.95 - 0.99, для сообщений 2-го приоритета 0.9 - 0.95, для сообщений 3-го приоритета 0.85 - 0.9. Критерий эффективности описывается формулой (1):

Р (О £ О

) а Р

треб

(1)

гдеБдоп - допустимое значение достоверности принимаемой информации;

-на уровне звена управления данными - вероятность своевременной передачи сообщений заданного объема Ус за время, не превышающее Тдоп при обеспечении достоверности 1ЭЛ11П (2):

р <'.

} г

треб

(2)

- на сетевом уровне определяется пропускная способность СРС ДКМД, под которой понимается суммарное количество сообщений, своевременно передаваемых в СРС ДКМД. Обобщенного требования к значению пропускной способности сети неопределенно, лучший вариант построения сети должен иметь большее значение показателя пропускной способности при выполнении требований на значения показателей вероятностей осуществления радиосвязи и своевременности передачи сообщений пользователей (3):

п

п

(3)

где Пек

дкмд

пропускная способность СРС ДКМД; ПцС1_, - пропускная

способность (Iо)-го направления связи; N - количество РЦ в сети, Ь - количество НС, инцендентных ¡-му РЦ.

На примере региональной СРС ДКМД Северо-Западного региона проведена оценка эффективности функционирования существующих СРС ДКМД. Результаты расчетов значений вероятностей осуществления радиосвязи с требуемой достоверностью в радиолиниях сети показаны в таблице 2. В числителе указаны значения вероятностей осуществления радиосвязи при воздействии случайных помех, в знаменателе - при воздействии преднамеренных помех.

Таблица 2 Результаты расчета вероятностей установления радиосвязи в радиолиниях сети ДКМ диапазона Северо-Западного региона от старшего

Петрозаводск Сортавала Печенга Кандалакша Мурманск Выборг

Рев (2>£д0п) 0.7/0 6 0.7/0.6 0 6/0.45 0.6/0.45 0 7/0.6 0.5/0 4

По полученным результатам делается вывод, что существующие СРС ДКМД не обеспечивают требуемого качества обслуживания, а в условиях воздействия комплексов преднамеренных помех до 80 % радиолиний сети будут обнаружены и подавлены.

Проведенный анализ возможных способов повышения эффективности СРС ДКМД, таких как:

- использование одиночного РЦР;

- использование группы РЦР;

- использование сети взаимосвязанных РЦР, вынесенных за зону связи на значительное расстояние;

показал, что одним из основных направлений повышения эффективности функционирования существующих сетей радиосвязи ДКМ диапазона является построение СРС ДКМД с применением вынесенных за зону связи на расстояние не менее 2000 км сети РЦР, разнесенных между собой на расстояние, обеспечивающее отсутствие пространственной корреляции между точками приема.

В условия воздействия комплексов радиопомех (КРП) предлагается рассматривать СРС ДКМД и систему внешних воздействий (СВВ) как противоборствующие стороны, которые для достижения целей будут реализовывать оптимальные стратегии своих действий, позволяющие повысить их выигрыш.

Вторая глава содержит основные положения концептуальной модели СРС ДКМД, которая включает описания преимущественно на качественном уровне принципов построения, архитектуры и процесса функционирования сети.

Принципы построения СРС ДКМД определяются назначением, условиями функционирования, предъявляемыми требованиями и современным состоянием научно-технического прогресса в области связи, микроэлектроники и вычислительной техники. Основными из них являются:

- сочетание прямых (непосредственных) связей между пользователями сети и связей с применением ретрансляции сообщений по оперативно составленным обходным маршрутам;

- иерархичность процессов функционирования;

- оперативное распределение ресурсов сети по запросам пользователей;

- широкое применение способов пространственно-частотной адаптации;

- построение СРС ДКМД на основе технологии глобальной сети, объеди-няяющей подсети с различными телекоммуникационными технологиями.

Под архитектурой СРС ДКМД понимается совокупность физической, логической и информационных структур сети.

Физическая структура СРС ДКМД включает такие основные элементы

как:

- абонентские станции (АС);

- базовые станции радиодоступа (БСРД);

- центры коммутации (ЦК).

Физическая структура СРС ДКМД показана на рисунке 1.

Основой функционирования СРС ДКМД является формирование канала радиодоступа от АС к сети БСРД. При этом используется пространственный резерв ДКМ радиосвязи, который определяется случайным характером значений отношений уровней сш налов к уровням помех 2(1) при приеме в N разнесенных зонах на одной частоте связи, и алгоритм программной перестройки рабочих частот радиоканалов.

Рисунок 1 - Структура СРС ДКМД с применением удаленных взаимосвязанных РЦР

Использование пространственного резерва будет заключаться в том, что на одной и той же частоте на одном и том же интервале времени в М зонах из N возможен прием сигнала с 2{\) > Ъта. На рисунке 2 показан график осуществления радиосвязи при использовании пространственно-частотного ресурса (ПЧР) ДКМ диапазона. Наиболее полная реализация ПЧР ДКМ возможна, если зоны приема сети БСРД разнесены между собой на расстояние, обеспечивающее отсутствие пространственной корреляции между любыми парами БСРД. В этом случае для осуществления доступа к сети удаленный абонент передает запрос на установление соединения. Этот запрос содержит идентификатор абонента и требования к сети по качеству обслуживания передаваемых сообщений пользователей. При соблюдении указанных выше условий запрос принимают М из имеющихся N БСРД с Тлт. Принятый БСРД запрос в виде отдельных пакетов от каждой станции поступает на сервер управления радиодоступом (СУРД), осуществляющий централизованное управление сетью БСРД. В СУРД по требованию на качество обслуживания сообщений пользователей осуществляется выделение соответствующих ресурсов сети для образуемых направлений радиосвязи. Одним из основных ресурсов являются БСРД, у которых по условиям распространения сигнала и помех уровень принимаемого сигнала от удаленного абонента соответствует

Рисунок 2 - Использование пространственно-частотного резерва ДКМ диапазона

2{1)^поп. СУРД из М БСРД, принявших запрос с 7.(\)>2,лт:, определяет рабочую БСРД, которая передает ответную квитанцию удаленному абоненту. Прием данных рабочей БСРД будет осуществляться, пока качество связи буде1 больше или равно допустимому значению При снижении качества связи ниже допустимого значения данная БСРД передает на СУРД сигнал о потере связи с абонентом на частоте При получении этого сигнала СУРД определяет БСРД, которая может обеспечить прием данных на частоте ^ с заданным качеством, и передает управление этой станции. Длительность интервала задержки передачи (1|.Л2) будет определяться временем назначения новой рабочей БСРД и временем передачи ей управления. Готовность БСРД к осуществлению радиосвязи с АС на

частоте f, определяется опросом состояния станций, выделенных для обмена с данным абонентом. Снижение длительности интервала задержки передачи достигается за счет того, что БСРД и управляющий ЦК соединены виртуальными каналами с долговременной коммутацией на основе надежной высокоскоростной телекоммуникационной технологии (ATM, ISDN).

Логическая модель отображает взаимодействие прикладных процессов пользователей в СРС ДКМД. Транспортная система СРС ДКМД строится как глобальная сеть; она объединяет подсеть коммутационных узлов и подсеть доступа удаленных АС (рисунок 3).

На физическом уровне осуществляется формирование сигнала для передачи неориентированного потока бит в среде распространения. При этом осуществляется выбор вида передаваемого сигнала, его излучаемой мощности и настройка на рабочую частоту согласно программе перестройки частот сети. На уровне звена данных в СРС ДКМД обмен информацией между элементами сети осуществляется канальными кадрами (КК) формата протокола АХ.25. Их передача осуществляется на одном переприемном участке сети, и при этом реализуются процедуры двух подуровней:

- подуровня управления доступом к ресурсу канала, разделяемому между множеством АС;

- подуровня управления логической радиолинией.

На подуровне управления доступом в СРС ДКМД реализуется протокол множественного доступа. При снижении вероятности достоверной передачи информации в канале ниже требуемого значения СУРД осуществляет эстафетную передачу управления сеансом радиосвязи с удаленной АС другой БСРД. На сетевом уровне реализуются процедуры протокола Х.25. СРС ДКМД строится как глобальная сеть, взаимодействие составляющих ее подсетей осуществляет£Я-МйЗ£сетевыми протоколами сгека TCP/IP.

Прикладной процесс пользователя

FTP. SMTP FTP, SMTP

TCP. U0P TCP. UDP

IP. ARP IP. ARP

X 25 X 25

г» AX.25 AX 25

1 ФУ ФУ

t

Classical IP

X 25

AX25 AATM

ATM

ФУ

ФУ

БД соответствия ¡РиАТМ

ААТМ -КААТМ

ATM

ФУ

Блок управления ресу^Шйи^СРС

ААТМ КААТМ1

ATM

ФУ

Classical IP

«ААТМ КААТМ

AIM

ФУ

X 25

АХ 25

ФУ

Jf

Рисунок 3 - Логика взаимодействия элементов СРС ДКМД

Информационная структура СРС ДКМД представлена в виде структурно-декомпозиционной модели, отображающей процессы обработки, передачи сообщений пользователей и управления радиосвязью. СРС ДКМД по реализуемым функциям включает две основные подсистемы'

- обработки и передачи потоков оперативной информации;

- управления радиосвязью.

Система обработки и передачи информации (СОПИ) включает ООД пользователей, АС, БСРД, ЦК, каналы радиодоступа (КРД) и радиолинии (РЛ) СОПИ обеспечивает ввод оперативной информации в сеть, ее многоуровневое преобразование и передачу по образуемым каналам. Система управления радиосвязью (СУРС) включает совокупность территориально распределенных технических и программных средств и обслуживающего персонала, обеспечивающих эффективное функционирование СРС ДКМД в условиях изменяющихся внешних воздействий. СУРС реализует процесс управления радиосвязью, включающий в себя планирование, оперативное управление, учет состояния элементов СРС ДКМД, анализ поступающей оперативной информации о радиосвязи, выработки управляющих воздействий и их доведения до объектов исполнения.

Для формализации процессов функционирования СРС ДКМД представлена в виде неориентированного взвешенного стохастического графа Г=Г(К,Ь) (рисунок 4), множество вершин которого Я - (Я) при / = 1 N составляют АС и БСРД. Множество ребер (ц = 1 /V, / /-]) представляют

собой каналы связи, образуемые для передачи в них оперативной информации между элементами сети. Соединения между ЦК рассматриваются как высоконадежные прямые соединения между БСРД.

В третьей главе разработаны и исследованы алгоритмы функционирования СРС ДКМД:

- алгоритм установления соединения в направлении связи, образуемом между АС СРС ДКМД через сеть БСРД;

- алгоритм обслуживания потоков сообщений, передаваемых по СРС

Рисунок 4 - Представление СРС ДКМД в виде графа

ДКМД.

Алгоритм установления соединения в направлении связи, образуемого между абонентскими станциями сети радиосвязи декаметрового диапазона через сеть БСРД, включает:

- алгоритм определения вероятности своевременной доставки служебного кадра (СК) ВЫЗОВ 1 от АС к БСРД;

- алгоритм передачи СК ВЫЗОВ2 от сети БСРД к АС„.

Алгоритм определения вероятности своевременной доставки служебного кадра (СК) ВЫЗОВ1 от АС к БСРД заключается в том, что СК ВЫЗОВ 1 передается на программно установленной частоте с общим адресом опорной сети. Прием СК М БСРД из N можно представить как N независимых опытов с М успешными результатами. Однако, 1ак как рассюяния между АС и отдельными БСРД различны и различны условия установления связи, то для определения вероятности приема СК Рмы применяется общая теорема о повторении опытов. Согласно теореме (4):

П Се I, + Р? ) = £ рм ЫЧ> , (4)

и/ м - о

тогда вероятность своевременной доставки СК ВЫЗОВ 1 определяется (5):

Р (ш > 1, N ) = 1 - Р (О, N ), (5)

где Р{гп вероятность своевременной доставки хотя бы на одну БСРД,

Р(0, .V) - вероятность того, что СК не будет передан за требуемое время от АС в сеть БСРД. Последовательность осуществления доступа АС к БСРД показана на рисунке 5.

Рисунок 5 - Последовательность осуществления доступа АС к сети БСРД В формуле (4) Р¥К - вероятность того, что от ¡-ой АС СК будет доставлен своевременно к М БСРД (МбЫ), определяемая как произведение значений вероятностей своевременной доставки СК на БСРД (]=1..М).

Своевременность доставки СК "ВЫЗОВ 1" с учетом требований по достоверности в СРС ДКМД в основном определяется используемыми алгоритмами МД. Доставка СК будет завершена, если за определенное количество попыюк передачи кадр будет принят хотя бы один раз. Таким образом, процесс доставки кадра сводится к схеме последовательных испытаний, а функция распределения времени доставки кадра имеет вид (в)-

^ (0 = Р(п >!,!)• и(1-1Тп), (6)

где р(п>\,1) - вероятность того, что в / независимых испытаниях СК "ВЫЗОВ Г' будет передан хотя бы один раз;

1Т /1, яри Ч 1Т „

п \о, при I < 1Т „ - единичная функция, учитывающая, что кадр передан за время, не превышающее требуемое.

Значение вероятности своевременной доставки в у РЛ определим как (7):

С * ^ ) = ск (Т^)- Рг _ ,, (О. (7)

Из полученных значений формируется матрица, определяющая пространственный ресурс ДКМ диапазона, доступный для 1 - ой АС на временном интервале передачи сообщения.

Алгоритм передачи СК ВЫЗОВ 2 от сети БСРД к АСК заключается в том, что по этому алгоритму БСРД поочередно передают на станцию получатель АСК СК ВЫЗОВ 2 на заданной частоте Г Значение вероятности своевременной доставки СК ВЫЗОВ 2 от- ой БСРД к АСкпо формуле (8):

Р (7 <Т = 1 - е """""

ВЫЗОВ2 V"тр СК ВЫЮВ2 ~ тр Ыт ' * >

где Сэ - эксплуатационная скорость в канале радиосвязи; Р(^) - вероятностный интеграл Лапласа; )/ст2 - расчетный параметр.

Последовательность установления соединения в ]к - ой радиолинии показана на рисунке 6.

Вероятность своевременного установления соединения между АС, и АСк определяется формулой:

- Тдо„ )/1С1 -АС„ = Р(( - Тдо„ )АС, -сетьБСРД * ^ ~ ^доп ")сетьБСРД-АС, •

На основе разработанных алгоритмов была построена модель и проведено испытание данных алгоритмов. В качестве исходных данных использованы данные, приведенные в таблицах 3,4.

Таблица 3 Координаты элементов СРС ДКМД и КРП противоборствующей

стороны

АС1 АС2 АСЗ АС4 АС5 КРП 1 КРП 2 КРП 3 БСР Д1 БСР ДО БСР дз БСР Д4

X 650 550 665 668 770 660 550 442 555 660 445 550

НУ У60 550 555 660 665 445 443 448 990 1100 100 1100

Таблица 4 - Длины образуемых радиот расс

БСРД1 БСРД2 БСРДЗ БСРД4

АС1 2250 2750 2500 3200

АС2 2750 2500 3200 3500

АСЗ 2400 2500 2350 2700

АС4 2500 2400 3000 2750

АС 5 2600 2700 3000 2800

КРП1 2750 3250 2750 3500

КРП2 3250 3500 4000 4000

КРПЗ 3750 3700 4000 4000

Рисунок 6 - Последовательность передачи СК ВЫЗОВ2 На рисунке 7 показаны графики значений P{t < Тдоп ),,t bSnw.,

Pit <.Т 1

у дол ' лс, -сеть БСРД

АС2

О 12 3 4 Рисунок 7 - Графики значений вероятностей своевременного соединения от АС, к сети БСРД

N БСРД установления

На рисунке 8 показаны графики значений P(t < Тат )LtmbEU,u_AU , Р(кТдоп.)

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

к АС1 к АС4 к АС5 к АС2

к АСЗ

^БСРД

Рисунок 8 - Графики значений вероятностей своевременной доставки кадров от опорной сеть БСРД к АСК

На рисунке 9 показаны графики значений < Т )ЛСгАС/: в условиях воздействия непреднамеренных, а на рисунке 10 - в условиях воздействия преднамеренных помех.

Р(кТдоп.)

Рисунок 9 - Графики значений вероятностей своевременного установления соединения в НС АС, - АС* СРС ДКМ при воздействии непреднамеренных помех

Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы:

а) с увеличением требований пользователей на качество обслуживания передаваемых в сети сообщений образуемое радионаправление будет использовать больший пространственный ресурс СРС ДКМД;

б) в качестве дополнительного ресурса радиосвязи может быть использован частотный ресурс;

в) при воздействии КРТТ противоборствующей стороны СРС ДКМД предлашемой структуры, за счет использования пространственного ресурса,

позволяет получить требуемые значения вероятности осуществления радиосвязи в данном радионаправлении, а радиолинии существующей СРС ДКМД будут подавлены с вероятностью 0.8-0.9, т е. не обеспечат передачу требуемого

Рисунок 10 - Графики значений вероятностей своевременного установления соединения в НС АС, - АСК СРС ДКМ при воздействии преднамеренных помех

Алгоритм обслуживания потоков сообщений, передаваемых по СРС ДКМД, позволяет оптимально распределять пространственные ресурсы, доступные в образуемых радионаправлениях, при этом обеспечивая достижение максимального значения вероятности своевременной доставки сообщений пользователей в СРС ДКМД. В виду того, что к опорной сети БСРД осуществляют доступ одновременно несколько АС в режиме многостанционного доступа и то, что радиосвязь носит вероятностный характер, то под выделением пространственного ресурса сети в интересах отдельного пользователя понимается:

- процесс определения точек приема, обеспечивающих вероягност-• но-оптимальные условия ведения радиосвязи;

- решение задачи оптимального распределения ресурса по требованию пользователя;

- обеспечение на выделенном элементе сети приоритетного обслуживания сообщений пользователя.

Задача динамического распределения ресурсов СРС ДКМД между образуемыми радионаправлениями формулируется следующим образом:

определить вектор N=(N1, N2,.....,N0, обеспечивающий максимальное

значение вероятности своевременной доставки передаваемого через СРС ДКМД сообщения пользователя в ьм НС (9):

Р(1 < Г „ ) = £ (1 - П 9 ) ш ах ,

4 дост доп ' 4 * /Т

дост ....

к=1 1=1

1де qlr - вероятность несвоевременной доставки сообщения в ¡-ой радиолинии, Ым - пространственный ресурс, выделенный для к-го НС, J - количество направлении НС, образованных в СРС ДКМД на интервале времени Лг При ограничениях:

N , ^ £ г , ,,

I -1

р > р

¡г гг треб

где N. - число БСРД, выделенных для обслуживания сообщений 1-го пользователя, 7, - коэффициент матрицы пространственных ресурсов СРС ДКМД;

Р|г треб - минимальное требуемое значение на качество обслуживания обрабатываемых на ¡-ой БСРД сообщений с г-м приоритетом.

Решение задачи осуществляется методом динамического программирования путем выполнения прямой и обратной оптимизации распределения пространственных ресурсов СРС ДКМД с учетом доступных БСРД и полученного плана распределения приоритетов обслуживания сообщений пользователей на БСРД, выделенных в качестве пространственного ресурса БСРД для данного направления связи. Результаты моделирования динамического распределения пространственных ресурсов СРС ДКМД показаны в виде графиков на рисунке II, 12.

Рисунок 11 - Вероятность своевре- Рисунок 12 - Вероятность своевременной доставки сообщений при менной доставки сообщений при постоянном значении приоритета переменном значении приоритета обслуживания обслуживания

Из графиков, представленных на рисунках 11,12, видно, что при назначении постоянного приоритета обслуживания сообщений 1-го пользователя, сеть может обеспечить отдельному пользователю избыточные ресурсы и осуществить обслуживание его сообщений с требуемым качеством, но при этом качество обслуживания других пользователей не будет соответствовать требуемому, а эффективность функционирования сети в целом снизиться.

Применение гибкого механизма динамического поэтапного распределения пространственных ресурсов сети и приоритетов обслуживания сообщений на элементах выделенного ресурса позволяет оптимально учесть требования всех пользователей в сети и повысить эффективность ее функционирования.

В четвертой главе рассматривается возможность повышения эффективности функционирования СРС ДКМД в условиях противоборства с системой внешних воздействий за счет использования СРС ДКМД методов антагонистической матричной игры:

СРС ДКМД

(10)

где {и/< множество страте! ий управления СРС ДКМД, И - множество стратегий воздейс1вий на СРС ДКМД со стороны СВВ, IV антагонистическая матричная игра.

Тогда формирование оптимальных стратегий сводится к решению антагонистической матричной игры, в которой при выполнении условий:

[w (,) , ]= mm max П„с дкщ [w W , R0) ]

max mm П

W R R W

антагонистическая матричная игра имеет решение в чистых стратегиях. При

* II * II

этом решением игры для СРС ДКМД является матрица ж = \*"с1п\

и D'U

[Ж",*"]

W = arg mm max П срс даад Я If

При выполнении условий:

тттах11срсдшд

(') м] п \jv J'A

антагонистическая матричная игра (10) имеет решение в смешанных стратегиях. Тогда оптимальной стратегией управления СРС ДКМД является вектор: А in-' t*mm I элементы которого характеризуют вероятность реализации стратегии:

rain шах П СРС ^ [w (,) , R ]

Значение АМИ, определяющее потенциальную пропускную способность СРС ДКМД, рассчитывается по формуле:

1г "ч*"']-

г * = м ,П

s " s СРС дкм д

где ¡45, (Ля - оптимальные значения вероятностей применения сторонами 1-ои страте! ии.

Для оценки эффективносш применения рассмотренных предложений в диссертации разработана методика оценки эффективности функционирования

СРС ДКМД в условиях сложной радиоэлектронной обстановки. Последовательность выполнения методики показана на рисунке 13.

Ввод исходных данных

Расчет констант: Рор1, Ъ^

Стохастическое влияние среды _

Определение доступного пространственного ресурса для образуемого 1к-1 о радионаправления - {БСРД !} j~l.lv!, М<Ы, N - общее число БСРД.

Р(2ч>ггрс6.)>Ртре6

V.

АС, ""БСРД БСРД ,-АСк

Определение вероятности своевременного установления соединения в радионаправлении

р 1 дост у Руст

Определение вероятности своевременной передачи сообщения

Рпер I ^пер к

V

Распределение про-

странственного ресурса между абонентами сети

Я? _ } " 1 )->пи»

достЗоа , , , (.

Г"I

Блок решения задач обеспечения требуемой пропускной способности СРС ДКМД в условиях сложной диоэлектронной обстановки

Оценка эффективности

рсг^рев^Ртрй Р дост (Д—) Пере дкмд^Псрс дкмд

Рисунок 13 - Методика оценки эффективности СРС ДКМД

Оценка эффективности существующей и предлагаемой структуры СРС ДКМД рассмотрена по трем показателям:

1.Р(^ггреб) - вероятность осуществления радиосвязи в радиолиния СРС ДКМД в условия воздействия случайных и преднамеренных помех. Результаты показаны в виде графика на рисунке 14. РС&г^)

ри Р(^Оаи1 )т)мв1,в0-8

При воздействии непреднамеренных помех При воздействии преднамеренных помех (предлагаемая структура

При воздействии «преднамеренных помех

При воздействии преднамеренных омех (существующая сеть)

БСРД 12 3 4

Рисунок 14 - Значения вероятностей осуществления радиосвязи в радиолинии СРС ДКМД Как видно из графиков значений вероятностей радиосвязи (рисунок 14) использование пространственного ресурса позволяет получить более высокие значения вероятностей осуществления радиосвязи, чем в существующих сетях, особенно при воздействии преднамеренных помех. Так, применение дополнительно 3-х БСРД позволяет повысить значение вероятности радиосвязи в условиях непреднамеренных помех на 15-25%, а при воздействии преднамеренных помех 40-50 %.

2. Р0 <ТД0П) - вероятность своевременной доставки сообщений. График значений вероятности своевременной доставки сообщений в СРС ДКМД с предлагаемой и существующей структур показан на рисунке 15.

1 вариант распределения приоритетов

при Р(0<0д0п )=0.85 в СРС ДКМ предлагаемой структурой

Р(1 <Тдол )треб

2 вариант распределения приоритетов

при Р(0<Пда,)-0 85 в существующей СРС ДКМ

1 2 3 4 5 6 N БСРД

Рисунок 15 - Значения вероятностей своевременной доставки сообщений в существующих СРС ДКМД и с предлагаемой структурой Как видно из графиков значений вероятностей своевременной доставки сообщений (рисунок 15) применение дополнительно 4-6-х БСРД позволяет повысить значение вероятности своевременной доставки в условиях непреднамеренных помех на 10-15 %, а при воздействии преднамеренных помех 50-70 % в зависимости от принятого плана распределения приоритетов обслуживания сообщений пользователей на элементах выделенного пространственного ресурса

3. Значение пропускной способности существующих СРС ДКМД с увеличением требований на своевременность доставки сообщений снижается при заданной достоверности передачи информации. Увеличение пропускной способности возможно за счет снижения качества обслуживания абонентов. Как видно из ¡рафиков на рисунке 16 предлагаемая СРС ДКМД с применением вынесенной за зону связи сети радиоцентров-ретрансляторов и распределением пространственного ресурса ДКМ диапазона по сравнению с существующей сетью позволяет при использовании 4-6 БСРД в условиях воздействия КРП повысить пропускную способность в 2-3 раза.

95 90 85

50

Псссдкм (сооб/час)

¡при Р(КТдол )-0 4 КРП ■ '" существующей 'СРС ДКМД

при Р(К1доп )=0 8

СРС ДКМД с структурой

предлагаемой

при Р(1<Тдоп.)=0.8 в существующей СРС ДКМ

1 2 4 6 БСРД

Рисунок 16-Значение пропускной способности СРС

ДКМД от количества используемых БСРД

Результаты моделирования (рисунки 14, 15, 16) показывают, что при использовании СРС ДКМД с вынесенными за зону связи пространственно некоррелированными БСРД эффективность функционирования СРС ДКМД будет значительно выше по сравнению с существующей сетью.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Анализ условий функционирования существующих СРС ДКМД показал, что они не обеспечивают требуемого качества обслуживания передаваемых сообщений.

2. Разработана концептуальная модель СРС ДКМД с применением сети вынесенных за зону связи на расстояние не менее 2000 км сети РЦР, удаленных друг от друга на расстояние, обеспечивающее отсутствие между ними пространственной корреляции.

3. Разработан алгоритм доступа удаленного абонента к сети БСРД.

4. Разработан алгоритм динамического распределения пространственных ресурсов.

5. Разработана методика применения методов теории игр при управлении пространственным ресурсом ДКМ диапазона.

6. Разрабошна методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

7. Проведенная оценка эффективности функционирования СРС ДКМД с предлагаемой структурой показала, что использование составных каналов через сеть вынесенных за зону связи пространственно некоррелированных БСРД

позволяет обеспечить повышение пропускной способности существующих СРС ДКМД в условиях сложной радиоэлектронной обстановки в 2-3 раза.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1 .Комашинский В.И., Назаров С.Н. Пятаков А.И. Пакетный способ передачи информации в радиосвязи декаметрового диапазона// Сборник научных трудов УФВУС. - Ульяновск:, 2003. С.25-27.

2.Пятаков А.И. Назаров С.Н., Комашинский В.И Интеллектуальные элементы в составе радиосетей декаметрового диапазона с пакетной передачей информации // Сборник научных трудов УФВУС. - Ульяновск:, 2003. С.28-32.

3.Назаров С.Н. Протокол физического уровня стека протоколов, реализуемых опорной сетью базовых станций радиодоступа в радиосвязи декаметрового диапазона //Сборник материалов Межвузовской научно-технической конференции. Новочеркасск: НВИС, 2004. С. 59-64.

4. Назаров С.Н. Анализ алгоритмов множественного доступа, реализуемых в радиосвязи декаметрового диапазона при передаче информации по составным каналам, образованным через удаленные радиоцентры-ретрансляторы II Сборник материалов VIIВНТК 29 ИП МО РФ. - Ульяновск:, 2001. С. 37 - 39.

5. Назаров С.Н., Пятаков А И., Михайлов В.В. Применение технологии активной сети в радиосвязи декаметрового диапазона с пакетной передачей информации // Сборник материалов VI ВНТК, посвященной 40 - летаю образования испытательного полигона МО РФ. Ульяновск: 29 ИП МО РФ. 2003. С.27-28.

6. Назаров С.Н., Комчаров Н.А., Пятаков А.И., Швец С.И. Модель активной сети пакетной радиосвязи декаметрового диапазона //Сборник научных трудов III Всероссийской НПК "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем". Ульяновск: УЛГТУ, 2001. С. 257 - 258

7. Назаров С.Н., Черторийский С.Ю. Теоретические основы построения активных сетей // Сборник материалов VII ВНТК 29 ИП МО РФ. - Ульяновск, 2003. С. 17-19.

8. Назаров С.Н. Применение базовых станций радиодоступа при организации радиосвязи декаметрового диапазона через опорную сеть удаленных радиоцентров-ретрансляторов //Сборник материалов Межвузовской научно-технической конференции. Новочеркасск: НВИС, 2004. С. 53-58.

9. Назаров С.Н., Гусев C.B. Алгоритм осуществления доступа удаленного абонента к опорной сети базовых станций радиодоступа с использованием частотного ресурса и ресурса выбора направления основного излучения // Сборник научных трудов УФВУС. - Ульяновск:, 2001. С.20-25

10. Назаров С.Н. Пятаков А.И., Швец С.И. Активные технологии передачи в сетях пакетной радиосвязи декаметрового диапазона // Сборник научных трудов УФВУС. - Ульяновск:, 2002. С.15-17.

11. Назаров С.Н., Пятаков А.И., Черторийский С.Ю. Гарантированное качество обслуживания трафика приложения на узле активной сети //Сборник материалов Межвузовской научно-практической конференции. Ульяновск: УФВУС, 2002. С. 56-59.

»11589

РНБ Русский фонд

2006-4 7602

г

Подписано в печать 11.05.2005. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,40. Уч.-изд. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ í^X .

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 Современное состояние и тенденции развития сетей радиосвязи декаметрового диапазона.

1.1 Роль и место связи при решении Вооруженными силами задач по обеспечению военной безопасности РФ на современном этапе.

1.2 Требования, предъявляемые к сетям радиосвязи декаметрового диапазона.

1.3 Система показателей эффективности функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона.

1.4 Оценка эффективности функционирования существующей сети радиосвязи декаметрового диапазона.

1.5 Анализ условий функционирования радиосвязи декаметрового диапазона.

1.5.1 Характеристика сигналов и случайных помех в линиях радиосвязи декаметрового диапазона.

1.5.2 Возможность радиоподавления сети радиосвязи декаметрового диапазона.

1.6 Пути повышения эффективности функционирования региональных сетей радиосвязи декаметрового диапазона.

1.6.1 Использование вынесенных радиоцентров-ретрансляторов.

1.6.2 Применение сети взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов, вынесенных за зону связи на значительное расстояние.

1.6.3 Использование сети взаимосвязанных ретрансляторов, вынесенных на расстояние более 2000 км за зону связи, в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

Выводы.

2. Концептуальная модель сети радиосвязи декаметрового диапазона с применением удаленных взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов.

2.1 Принципы построения сети радиосвязи декаметрового диапазона с использованием удаленных взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов.

2.2 Архитектура сети радиосвязи декаметрового диапазона.

2.2.1 Физическая структура сети радиосвязи декаметрового диапазона.

2.2.2 Логическая структура сети радиосвязи декаметрового диапазона.

2.3 Декомпозиционная модель сети радиосвязи декаметрового диапазона.

2.3.1 Структурно-декомпозиционная модель сети радиосвязи декаметрового диапазона.

2.3.2 Функционально-декомпозиционная модель системы управления сети радиосвязи декаметрового диапазона.

Выводы.

3 Алгоритмы функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона с применением вынесенных взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов.

3.1 Алгоритм установления соединения в направлении связи, образуемом между абонентскими станциями сети радиосвязи декаметрового диапазона через сеть базовых станций радиодоступа.

3.1.1 Алгоритм установления связи в составном канале, образованном через сеть базовых станций радиодоступа.

3.1.2 Алгоритм определения вероятности своевременной доставки СК "ВЫЗОВ 1".

3.1.3 Алгоритм СК "ВЫЗОВ2" от сети БСРД к АС.

3.2 Алгоритм обслуживания потоков сообщений, передаваемых по сети радиосвязи декаметрового диапазона.

3.2.1 Алгоритм определения вероятности своевременной передачи сообщения в одноканальном направлении связи, образуемом через базовую станцию радиодоступа.

3.2.2 Формализованная модель удаленного доступа к базовым станциям радиодоступа.

3.2.3 Алгоритм распределение пространственного ресурса сети радиосвязи декаметрового диапазона по запросам пользователей.

3.3 Алгоритм определения вероятности своевременной доставки сообщений пользователя к опорной сети базовых станций радиодоступа.

Выводы.

4 Методика применения теории игр при управлении выделенным пространственным ресурсом в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

4.1 Формализация процессов управления сети радиосвязи декаметрового диапазона в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

4.1.1 Агрегативная динамическая модель процесса управления сетью радиосвязи декаметрового диапазона в конфликтной ситуации с системой внешних воздействий.

4.1.2 Формализация процесса формирования управляющих воздействий сети радиосвязи декаметрового диапазона в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

4.1.3 Обобщенная схема разработки алгоритма управления сети радиосвязи декаметрового диапазона при ее функционировании в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

4.2 Анализ игровых методов формирования оптимальных стратегий управления сетью радиосвязи декаметрового диапазона

4.3 Управление ресурсами сети радиосвязи декаметрового диапазона в условиях сложной радиоэлектронной обстановки на основе игрового подхода.

4.3.1 Управление пространственным ресурсом в условиях сложной радиоэлектронной обстановки.

4.3.2 Постановка задачи управления пространственным ресурсом радиосвязи декаметрового диапазона на основе игрового подхода.

4.3.3 Определение аналитического выражения критериального функционала при управлении пространственным ресурсом сети радиосвязи декаметрового диапазона.

4.3.4 Формирование множества стратегий управления сети радиосвязи дека-метрового диапазона и системы внешних воздействий при управлении пространственным ресурсом.

4.3.5 Представление процесса противоборства сети радиосвязи декаметрового диапазона и системы внешних воздействий при управлении пространственным ресурсом антагонистической матричной игрой.

4.4 Методика оценки эффективности функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона с применением вынесенных за зону связи радиоцентров-ретрансляторов.

Выводы.

В условиях быстрого развития систем радио, радиорелейной, спутниковой, тропосферной и проводной связей неоднократно изменялось как отношение к декаметровой радиосвязи, так и взгляды на ее роль и место в общей системе связи. Тем не менее, благодаря преимуществам этого рода связи перед другими, до настоящего времени не ослабевает ни внимание к ней, ни усилия специалистов, направленные на ликвидацию или, по крайней мере, на уменьшение присущих ей недостатков[1, 2, 3, 4].

4 Организацию связи и предоставление пользователям услуг по обмену информацией характеризует прежде всего:

- многообразие и сложность географических и климатических условий;

- большое пространственное разнесение корреспондентов;

-сохраняющийся низкий уровень оснащенности средствами электросвязи большинства регионов;

- низкий уровень финансирования разработок и внедрения новых систем и комплексов обмена информации, особенно в удаленных от центра регионов РФ.

В этих условиях развитие телекоммуникационных сетей удаленных районов и подключение их к сети центральных регионов возможно путем организации доступа удаленных пользователей при помощи средств радиосвязи декаметрового диапазона. Это позволит:

- организовать прямые каналы связи на расстояния от 30 до 3000 км без применения ретрансляторов;

- обеспечить высокую мобильность абонентских станций, коммутационных центров. При смене местоположения возможна быстрая организация связи на удаленные расстояния, снижение затрат на организацию каналов связи. Однако: - низкая помехоустойчивость образуемых каналов за счет доступности среды распространения сигналов и взаимного влияния средств декаметровой радиосвязи;

- жесткое закрепление выделенных частот за одним радионаправлением;

- отсутствие возможности предоставлять современные услуги по обмену информацией, оперативному доступу к ресурсам и абонентам других систем обмена информацией снижает эффективность функционирования радиосвязи декаметрового (ДКМ) диапазона (Д) и затрудняет ее использование в современных телекоммуникационных системах.

Преодоление указанных недостатков возможно за счет применения цифровой обработки сигналов и пакетной передачи информации. При этом обеспечение требуемого качества предоставляемых услуг ДКМ радиосвязи (PC) может быть достигнуто путем совершенствования алгоритмов работы протоколов уровней транспортной сети:

- на физическом уровне: алгоритмов функционирования частотно-адаптируемых радиолиний, динамического распределения пространственного ресурса ДКМД при осуществлении доступа удаленного абонента к сети радиоцентров-ретрансляторов (РЦР);

- на уровне звена данных: алгоритмов многостанционного доступа к ресурсу общего радиоканала, помехоустойчивого кодирования, алгоритмов повышения достоверности;

- на сетевом уровне: алгоритмов маршрутизации, эстафетной передачи абонентов, передачи пакетов в дейтаграмном режиме или режиме виртуального соединения.

Исследованию процессов функционирования сети PC (СРС) ДКМД посвящено много работ [5,6,7,8,9], однако в них не отражен целый ряд вопросов, таких как применение сети РЦР, вынесенных за зону связи на расстояние более 2000 км и взаимодействующих между собой через сеть обмена информацией, которая построена на основе современных телекоммуникационных технологий; повышения вероятности связи с качеством не ниже заданного между станцией удаленного абонента и множеством точек приема за счет перераспределения пространственно-частотного ресурса ДКМД при разнесении в пространстве точек приема друг от друга на расстояние, обеспечивающее некоррелированность изменения значений отношения уровня сигнала к уровню помехи на одной частоте приема.

В связи с этим основной целью работы является исследование и разработка способов повышения эффективности функционирования СРС ДКМД на основе динамического перераспределения пространственного ресурса ДКМД в условиях сложной радиоэлектронной обстановки (УСРЭО).

Основной практической целью работы является разработка эффективных алгоритмов повышения пропускной способности СРС ДКМД за счет динамического распределения пространственных ресурсов в УСРЭО.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи.

1.Провести анализ условий функционирования СРС ДКМД.

2. Рассмотреть систему показателей и провести оценку эффективности функционирования существующих СРС ДКМД.

3. Рассмотреть основные направления повышения эффективности функционирования существующих СРС ДКМД.

4. Разработать концептуальную модель СРС ДКМД с использованием вынесенных за зону связи сети пространственно некоррелированных РЦР.

5. Разработать алгоритм и определить вероятностные показатели своевременности установления соединения между абонентскими станциями, осуществляющими передачу сообщений через сеть удаленных РЦР.

6. Разработать алгоритм динамического распределения пространственных ресурсов СРС ДКМД для обеспечения бесперебойного обслуживания сообщений пользователей, передаваемых по сети.

7.Разработать алгоритм повышения эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории вероятностей, теории случайных процессов, теории массового обслуживания, линейного и динамического программирования, методы теории игр и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана и исследована новая концептуальная модель СРС ДКМД с применением сети вынесенных за зону связи РЦР.

2. Разработан и исследован новый алгоритм оценки временных затрат

11 установления соединений в составном радиоканале СРС ДКМД с применением вынесенных за зону связи РЦР.

3. Разработан и исследован новый алгоритм динамического распределения пространственных ресурсов ДКМД в соответствии с требованиями пользователей на качество обслуживания передаваемых по сети сообщений.

4. Разработана новая методика применения теории игр для повышения эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

5. Разработана новая методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД с применением вынесенных за зону связи РЦР.

Практическая значимость работы заключается в том, что в диссертационной работе получены следующие практические результаты:

- способы формирования данных о пространственном ресурсе радионаправления и его динамическом распределении с учетом требований на обслуживание всех пользователей сети;

- программный комплекс определения оптимальных стратегий функции-онирования СРС ДКМД в УСРЭО;

- методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

Реализация и внедрение. Полученные в процессе исследований результаты использованы при проведении испытаний КТС АПД Т-236 29 ИП МО РФ, НИР "Сеть", "Тренажер" УФВУС, Ульяновск 2001, 2002 г., НИР "ПОЛЕ 2005" ФГУП "НПО МАРС", Ульяновск, 2003 г.

На защиту выносятся следующие научные результаты исследований.

1. Концептуальная модель сети СРС ДКМД с применением РЦР, вынесенных за зону связи на расстояние не менее 2000 км и разнесенных между собой на расстояние, обеспечивающее отсутствие между ними пространственной корреляции на одной частоте приема сигнала от одного абонента. Данная модель представляет собой формальный инструментарий, применяемый при моделировании и разработке алгоритмов функционирования СРС ДКМД.

2.Алгоритм установления соединения в направлении связи, образуемом между абонентскими станциями СРС ДКМД через сеть базовых станций

12 радиодоступа, использование которого позволяет получить требуемые вероятностные характеристики своевременности установления соединения в образуемом радионаправлении.

3.Алгоритм обслуживания потоков сообщений, передаваемых по СРС ДКМД. Применение данного алгоритма позволяет оптимально распределять доступные пространственные ресурсы между образуемыми направлениями связи в СРС ДКМД с учетом требований пользователей на качество обслуживания передаваемых сообщений и обеспечивать требуемые вероятностные значения своевременности доставки сообщений в СРС ДКМД.

4. Методика применения теории игр при управлении выделенным пространственным ресурсом в УСРЭО, позволяющая обеспечить повышение пропускной способности СРС ДКМД в УСРЭО.

5. Методика оценки эффективности функционирования СРС ДКМД, позволяющая оценить параметры радиосети произвольной структуры в УСРЭО.

Личный вклад. В диссертации изложены результаты работы, которые были выполнены соискателем лично под научным руководством доцента Пятакова А.И. Автор разрабатывал методики исследований, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.

Апробации работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск 2001); VI научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования 29 испытательного полигона МО РФ (Ульяновск, 2001г.); ежегодных научно-технических конференциях на 29 испытательном полигоне МО Российской Федерации (Ульяновск, 2002-2005); межвузовской научно-технической конференции "Развитие средств и комплексов связи. Подготовка специалистов связи" (Новочеркасск, 2002, 2004); ежегодных научно-технических, научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (Ульяновск, 20022004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в сборниках « научных трудов и материалов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 102 названий. Общий объем диссертации составляет 190 листов без приложений. Приложения оформлены отдельной книгой.

Выводы:

1. В главе рассмотрена формализованная модель взаимодействия СВВ и СРС ДКМД при управлении пространственным ресурсом. Данное взаимодействием предложено рассматривать в виде антагонистической матричной игры.

2. Рассмотрены способы формирования стратегий противоборствующих сторон. Определено, что наиболее оптимальным решением будет использование для формирования оптимальных стратегий на основе решения матричных игр методами линейного программирования.

3. Решение антагонистической матричной игры может быть в виде чистых стратегий, тогда каждая сторона использует свою оптимальную стратегию, или решение получается в смешанных стратегиях, тогда в результате решения для АСУ СРС ДКМД прямой задачи линейного программирования, для СВВ - обратной, используя симплекс - метод, получаем множество значений вероятностей применения сторонами различных своих стратегий. Выигрыш определяется как сумма произведений вероятностей на значение выигрыша при применении данной стратегии.

4. Применение игрового метода позволяет наиболее эффективно использовать пространственный ресурс, выделяемые радионаправлению, которое образуется между двумя абонентскими станциями в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, так как позволяет осуществлять передачу по оптимальным маршрутам сети сообщений пользователей.

Заключение

Таким образом, в диссертационной работе решались задачи:

- анализа условий функционирования СРС ДКМД;

- определения системы показателей и оценки эффективности функционирования существующих СРС ДКМД.

- рассмотрения основных направлений повышения эффективности функционирования существующих СРС ДКМД.

- разработки концептуальной модели СРС ДКМД с использованием вынесенных за зону связи сети пространственно некоррелированных РЦР;

- разработки алгоритма определения вероятностных показателей своевременности установления соединения между абонентскими станциями, осуществляющими передачу сообщений через сеть удаленных РЦР;

- разработки алгоритма динамического распределения пространственных ресурсов СРС ДКМД для обеспечения бесперебойного обслуживания сообщений пользователей, передаваемых по сети.

- разработатки алгоритма повышения эффективности функционирования СРС ДКМД в УСРЭО.

К основным результатам, полученным в работе, следует отнести:

1. Проведен анализ условий функционирования существующих сетей ДКМ радиосвязи, который показал, что в настоящее время изменились задачи, решаемые ВС РФ и связью. Одновременно с сохранение задач по отражению широкомасштабной агрессии, возросли задачи, решаемые ВС РФ в условиях региональных, локальных войн и конфликтов. Возросла роль мобильной компоненты войск, действующих в отрыве от основных сил в составе объединенных группировок в районах необорудованных в отношении связи. Для обеспечения управления в этих условиях важнейшим направлением современного развития системы связи ВС РФ является создание территориальной системы связи (ТСС) как сети связи общего пользования (ССОП).

Существующий принцип организации радиосвязи ДКМ обуславливает применение ионосферного способа распространения радиоволн и использование узкого диапазона частот, который сильно подвержен влиянию случайных непреднамеренных помех, в основном других радиостанций. Образуемые радиоканалы являются ненадежными и не обеспечивающими передачу поступающей в сеть нагрузки с требуемой достоверностью и своевременностью.

Среди существующих в настоящее время направлений повышения эффективности функционирования СРС ДКМ наиболее перспективным является применение в рамках СРС сети удаленных радиоцентров-ретрансляторов. Это позволяет использовать пространственный ресурс сети. Основным перераспределяемым ресурсом выступают элементы вынесенной за зону связи на значительное расстояние сети радиоцентров-ретрансляторов, взаимодействующих между собой через сеть центров коммутации. Это обеспечить передачу хотя бы ограниченного объема в условиях применения воздействия КРП. При этом процесс взаимодействия СРС и СВВ рассматривается как антагонистическая матричная игра при управлении пространственно-частотным ресурсом.

2. Разработана концептуальная модель функционирования СРС ДКМД, которая включает:

- физическую структуру, определяемую как совокупность АС, БСРД, ЦК;

- логическую структуры, описывающую логику взаимодействия элементов сети: сеть строится по технологии глобальной сети, подсеть доступа и сеть ЦК объединяется стеком протоколов TCP/IP, сеть доступа реализуется на основе стека протоколов Х.25 с расширенными функциями эстафетной передачи управления радиосвязью в НС, образуемых в СРС ДКМ, между БСРД структурно — декомпозиционную модель СРС ДКМД, которая включает: систему обработки и передачи потоков оперативной информации, систему управления радиосвязью; функциональную модель СРС ДКМ, учитывающую топологическую структуру сети, динамические процессы передачи потоков оперативных сообщений между пользователями, воздействие внешней среды и системы управления на сеть.

3. Осуществлена разработка алгоритма доступа удаленного абонента к опорной сети БСРД СРС ДКМД. Данный алгоритм включает подалгоритм определения вероятности своевременной доставки служебного кадра ВЫЗОВ I от АС к БСРД и подалгоритм передачи служебного кадра от сети БСРД к АС. Использование этого алгоритма позволяет определить значения вероятностей своевременного установления соединения в образуемом направлении связи.

4. Разработан и исследован алгоритм обслуживания потоков сообщений, передаваемых по СРС ДКМД. Данный алгоритм позволяет осуществлять оптимальное распределение доступных в радионаправлении пространственных ресурсов декаметрового диапазона с использованием методов динамического программирования, обеспечивая максимальную пропускную способность в сети с учетом требований всех абонентов сети на качество обслуживания передаваемых сообщений.

Распределение пространственно-частотных ресурсов осуществляется методами динамического программирования. Применение гибкого механизма динамического поэтапного распределения пространственных ресурсов сети и приоритетов обслуживания сообщений на элементе выделенного ресурса позволяет оптимально учитывать требования всех пользователей сети.

5. В УСРЭО процесс управления радиосвязью протекает под воздействием на объект управления — СРС - комплекса дестабилизирующих факторов, основным из которых являются преднамеренные помехи от КРП противника. Их воздействие носит преднамеренный антагонистический характер, поэтому в работе процесс управления СРС ДКМ в УСРЭО рассмотрен как процесс противоборства двух антагонистичных систем с противоположными целями, где с одной стороны выступает СРС ДКМ, а с другой - противостоящая ей система внешних воздействий (СВВ), и осуществлена разработка алгоритма формирования управляющих воздействий СУ СРС ДКМД при воздействии на сеть КРП противника. Математическая модель процесса противоборства СРС ДКМД и СВВ в конфликтной ситуации при условия наличия полной информации о характеристиках противостоящей стороны представлена матричной игрой, а формирования управляющих воздействий реализован на основе методов решения матричных игр таких как:

- решение игры при наличие ситуации равновесия;

- смешанного расширения антагонистической матричной игры.

Решение при ситуации равновесия осуществляется на основе оптимальных чистых стратегий в антагонистичной матричной игре (АМИ). Существование оптимальных чистых стратегий определяется равенством нижнего и верхнего значения АМИ: У = V* } где У* нижнееЦф<,у| - верхнее значение АМИ. В этом случае определяются седловая точка и оптимальные чистые стратегии, соответствующие / - ой строке и j - ому столбцу матрицы, на пересечении которых, расположен элемент ^sC^s^r) = s .

При у ф у+ и при У < К+решение АМИ определятся на основе смешанного расширения АМИ. В этом случае стратегии сторон определяются как вероятностные меры, выражаемые в виде векторов Ms J, Mr =||//«iJ , элементы которых характеризуют выбор чистых стратегий Usi (i=l.m), Urj т п j=l.п), и удовлетворяют условиям нормировки: X Мщ =).

1 1

6. Разработана методика оценки эффективности функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона любой структуры.

Лично автором предложены:

1. модель функционирования сети радиосвязи с распределением пространственно-частотного ресурса опорной сети базовых станций, разнесенных между собой на расстояние, обеспечивающее некоррелированность приема сигнала от одного абонента на одной частоте;

2. алгоритм доступа удаленного абонента к сети, вынесенных за зону связи на расстояние более 2000 км РЦР и взаимодействующих через сеть центров коммутации, построенной на основе современной телекоммуникационной технологии;

3. методика применения методов динамического программирования при распределении пространственно-частотных ресурсов сети по запросам приложений пользователей;

4. методика применения теории игр при управлении выделенным пространственно - частотным ресурсом сети;

5. методика оценки эффективности функционирования сети радиосвязи различной структуры.

Результаты исследований опубликованы в 11 статьях, апробированы на конференциях: НПК, НМК, НТК УФВУС, Ульяновск, 2000 - 2004 г.; ВНТК 29 ИП МО РФ, Ульяновск, 2001 - 2004г.; 3 Всероссийская НПК " Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем", УлГТУ, Ульяновск, 2001 г.; Межвузовская НТК "Развитие средств и комплексов связи, подготовка специалистов связи", ВИС, Новочеркасск, 2002-2004 г., реализованы в НИР "Сеть", "Тренажер".

Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования средств и комплексов радиосвязи военного назначения. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

1. Концепция развития Российской Федерации. Технологии электронных коммуникаций. Т. 161, под редакцией Булгакова В.Б., Москва, 1996 г.

2. Концепция развития системы и войск связи ВС РФ (проект). М: МО, 1994.- 165 с.

3. Организация связи в операциях фронта / Под ред. А.Н. Олейникова -СПб.: ВАС, 1994,-224 с.

4. Сети радиосвязи с пакетной передачей информации. А.Н. Шаров, В.А. Степанец, В.И. Комашинский / Под ред. А.Н. Шарова. С.Пб.: ВАС, 1994,216 с.

5. Адаптивные автоматизированные системы военной радиосвязи. Ю.П. Килимник, Е.В. Лебединский, В.К. Прохоров, А.Н. Шаров -Л.: ВАС, 1978,284 с.

6. Бунин С.Г., Войтер А.П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. К.: Техника, 1989.-223 с.

7. Военная доктрина Российской Федерации. Утверждена указом Президента РФ от 21 апреля 2000 г. №706, Наставление ВС РФ.-М.: МО РФ, 2000 г., (Проект), 2000 г. Наставление по связи соединений и частей сухопутных войск М: МО РФ (проект), 2002 г.

8. Игнатов В.И. Системы радиосвязи, часть 1. М: ВАС, Ленинград, 1989 г.

9. Бертсекас Д., Галагер Р. Сети передачи данных. Пер.с анг. М.: Мир, 1989.- 485 с.

10. Основы теории управления в системах военного назначения (часть I)/ Под ред. А.Ю. Рунеева и И.В. Котенко, СПб.: ВУС. 2000. - 194 с.

11. АнтонюкЛ. Я., Игнатов В.В. Эффективность радиосвязи и методы ее оценки. СПб.: ВАС, 1994. - 138 с.

12. Сейдж Э. П., Уайт III Ч.С. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь. 1982. 392 с.

13. Клейнрок Л. Коммуникационные сети (стохастические потоки изадержки сообщений). М.: Наука, 1970. - 256 с.

14. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Сов. Радио, 1966.-678с.

15. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации21