автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Оптимизация процессов приемо-передачи сигналов в радиосистемах

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОПУСКНЫЕ СПОСОБНОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1 Пропускная способность одноаппаратных радиосистем с бесприоритетными дисциплинами обслуживания.

1.2 Пропускная способность систем с полноприоритетными дисциплинами приема сигналов.

1.3 Пропускная способность систем с плавными приоритетами и малой неоднородностью потоков.

1.4 Пропускная способность систем с плавными приоритетами и высокой неоднородностью потоков.

2. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОДНОАППАРАТНЫХ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ РАДИОСИСТЕМ.

2.10 методах оценки эффективности радиотехнических систем, целевые функции, методы оптимизации.

2.2 Выбор оптимальных интенсивностей потоков в системах с однородными потоками сигналов.

2.3 Выбор оптимальных интенсивностей потоков в системах с неоднородными потоками.

2.4 Повышение эффективности систем с потоками малой неоднородности за счет перераспределения парциальных пропускных способностей.

2.5 Повышение эффективности систем с потоками высокой степени неоднородности.

3. МНОГОАППАРАТНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

3.1 Вопросы комплексирования многоаппаратных систем, их пропускная способность.

3.2 Выбор оптимального и необходимого значений числа аппаратов.

3.3 Многоаппаратные приемные радиосистемы с неоднородными потоками сигналов.

3.4 О двухуровневой организации приоритетов в многоаппаратных приемных радиосистемах.

4. ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ДВУХ БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫХ САЗО.

4.1 Системы с взаимосвязями, их пропускная способность.

4.2 Алгоритмы повышения пропускной способности систем с взаимосвязями.

Существует целый ряд специализированных радиосистем, посылающих сигналы в ответ на радиосигналы, поступающие от большого количества передатчиков (источников). В таких запросно-ответных радиосистемах радиосигналы поступают на вход приемника не регламентировано во времени, т.е. случайно. Приведем некоторые из таких радиосистем [1], [2], [3]:

• радиотелеметрическая система, служащая для передачи с борта летательного аппарата информации о состоянии и работе различных бортовых агрегатов, приборов и устройств, и т.д.;

• радиосистемы управления полетом летательных аппаратов (J1A) путем подачи на их борт команд и программ управления и контроля их прохождения и исполнения;

•радиосистемы связи, предназначенные для поддержания телефонной, телеграфной и телевизионной связи между абонентами, расположенными в различных пунктах земной поверхности или между экипажем и землей;

• радиосистемы управления воздушным движением;

• радиосистемы ближней навигации;

• радиосистемы межсамолетной навигации;

• радиосистемы предупреждения столкновения самолетов;

• радиоситемы радиолокационного опознавания и другие.

Различные или однотипные радиосистемы могут объединяться в радиотехнические комплексы.

Такие радиосистемы работают в диалоговом режиме, поэтому, если радиосигнал поступает на вход приемника в то время, когда приемное устройство ведет прием и обработку другого радиосигнала, то один из этих радиосигналов не обрабатывается т.е. не принимается и теряется (который - зависит от правила приема радиосигнала в системе). В силу этого условиями, определяющими прием сигнала и излучение ответного ему сигнала будут не спектрально-энергетические соотношения, а временные (спектрально-энергетические соотношения могут влиять на искажение информации, содержащиеся в принимаемом сигнале).

Для анализа процессов приема радиосигналов в таких системах возникла необходимость разработки математической модели, адекватной этим радиосистемам, и ее исследование.

В работах [4], [5] было показано, что математическими моделями таких приемопередающих радиосистем являются системы массового обслуживания без ожидания (т.е. с потерями) с бернуллиевскими потоками заявок на обслуживание и постоянным, по крайней мере для однородных источников, временем обслуживания.

Наиболее подробный анализ функционирования таких радиосистем был сделан в работе [5], отдельные фрагменты которой были выполнены с участием автора. Эта работа в основном была посвящена доказательству существования финальных вероятностей в системах массового обслуживания (СМО) и, естественно, потеряла свою актуальность после выхода работы Колмогорова [6].

В дальнейших работах кафедры радиофизики КГУ с участием автора был расширен круг задач , рассматриваемых в связи с проблемами проектирования и эксплуатации радиосистем такого типа.

Актуальность темы. Рассмотрение тактико-технических характеристик и алгоритмов функционирования таких систем позволяет сделать вывод о том, что выбор числа абонентов, участвующих в создании той электромагнитной ситуации, в которой функционируют эти системы, весьма произволен, что требует решения задач, связанных с количественной оценкой качества функционирования таких систем и определения оптимальных значений числа запросчиков, создающих электромагнитную ситуацию, в условиях которой функционирует система, а также выбора дисциплин приема радиосигналов, обеспечивающего наибольшую эффективность функционирования приемо-передающих радиосистем.

Кроме того возникла необходимость в детальном выяснении механизма процесса взаимовлияния как однотиповых, так и разнотиповых радиотехнических комплексов с целью снижения этого взаимовлияния.

Поэтому целью диссертационной работы явились разработка методик оценки пропускных способностей радиотехнических систем, работающих с потоками сигналов широкого спектра степеней неоднородности при разнообразных дисциплинах приема и обслуживания сигналов, оценки оптимального абонентного состава радиотехнического комплекса и разработки алгоритма снижения взаимовлияния разноцелевых комплексов друг на друга. Причем результаты работы не должны ограничиваться идеолого-рекомендательным уровнем, а должны быть представлены в виде инженерных формул, пригодных для непосредственных практических расчетов.

Объект исследования. В качестве объекта исследования были выбраны радиосистемы активного «запроса-ответа» (САЗО) широкого круга назначения, с потоками сигналов, подчиняющихся бернуллиевскому распределению.

Предметом исследования являлось выяснение влияния вероятностных характеристик систем на их пропускную способность, эффективность и способность функционирования в условиях электромагнитной ситуации, создаваемой как однотиповыми системами САЗО, так и системами разноцелевого назначения.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые детально рассмотрена пропускная способность радиосистем с широким спектром степени неоднородности потока радиосигналов и дисциплин приема в радиосистемах.

2. Показана несостоятельность попыток оптимизации функционирования радиосистем с использованием параметров сугубо свойственных только теории массового обслуживания. Следствием этого явилось привлечение параметров в условном масштабе эквивалентным стоимости сигнала: энергетической, информационной и т.д. С использованием этих параметров были предложены целевые функции, позволяющие оценить степень эффективности функционирования радиосистем.

3. Впервые были рассмотрены многоаппаратные приемные радиосистемы, работающие с бернуллиевскими потоками сигналов высокой степени неоднородности.

4. Впервые были выявлены вероятностные характеристики, определяющие характер и степень взаимодействия двух близкорасположенных радиокомплексов друг на друга.

Практическая значимость работы.

1. Разработанные методики позволяют оценить допустимые пределы уменьшения длительности времени обслуживания сигналов на стадии проектирования, выбор числа абонентов, оптимальных дисциплин приема сигналов в эксплуатируемых запросно-ответных радиосистемах.

2. Выбор оптимального числа приемников и дисциплин обслуживания сигналов в многоаппаратных системах сбора и обработки информации.

3. Выбор наиболее приемлемых алгоритмов диспетчеризации функционирования близкорасположенных приемо-передающих радиокомплексов.

Достоверность результатов и выводов.

Все предложенные в работе методики не остановлены на уровне идеолого-методических рекомендаций, а доведены до формул, пригодных для инженерных расчетов.

Правильность полученных формул для расчетов пропускных способностей систем при различных дисциплинах обслуживания, различных степенях неоднородностей потоков сигналов и различных алгоритмов диспетчеризации приема сигналов была подтверждена методами имитационного моделирования на ЭВМ [7].

Практическая ценность полученных результатов была подтверждена расчетами, проведенными для гипотетических аналогов рассмотренных радиотехнических систем.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Заключение.

Исследована проблема повышения эффективности залросно-ответных радиосистем, работающих как с однородными потоками радиосигналов, так и с потоками различной степени неоднородности.

Кратко итоги вышеприведенной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана методика расчета пропускных способностей одноаппаратных систем, обслуживающих неоднородные потоки бернуллиевских сигналов с различными видами приоритетов. Предложена методика построения приоритетов для систем с очень высокой степенью неоднородности потоков и разработан общий алгоритм построения размеченных графов состояний систем. Благодаря этому была показана возможность повышения пропускной способности запросно-ответных радиосистем за счет введения приоритетности и получены формулы для определения целесообразности введения приоритетности. Полученные формулы были проверены расчетами, проведенными для гипотетических запросно-ответных радиосистем и результаты расчетов подтверждены имитационным моделированием на ЭВМ [7].

2. Предложена целевая функция, построенная по критерию "пропускная способность-стоимость", и получены формулы для расчета оптимального числа запросчиков запросно-ответных радиосистем с однородными потоками сигналов.

Предложена оригинальная методика оценки оптимального числа запросчиков для запросно-ответных радиосистем с неоднородными потоками сигналов и различными дисциплинами обслуживания. Получены формулы, позволяющие оценить границы многомерной области, в которой могут находиться оптимальные значения чисел запросчиков, излучающих неоднородные потоки сигналов. Проведенные по методикам расчеты показали, что обоснованный выбор числа запросчиков в системах с однородными потоками сигналов позволяет уменьшить убыточную целевую функцию почти на 30%. В системах с неоднородными потоками эти методики позволили оценить возможное подключение дополнительного числа источников (бесприоритетных), не нарушающих прием сигналов основного числа источников (приоритетных).

3. Разработана методика расчета пропускных способностей многоаппаратных приемных радиосистем с неоднородными потоками сигналов, с бесприоритетными и приоритетными дисциплинами обслуживания. Разработана рецептура составления размеченных графов и систем уравнений состояний системы для любого числа аппаратов. Это позволило получить

93 условия, определяющие целесообразность введения приоритетов в многоаппаратных системах с неоднородными потоками сигналов. Справедливость этих условий была проверена расчетами и имитационным моделированием.

Разработана методика оценки оптимального числа приемников с учетом стоимости организации дополнительного «канала», что позволило обоснованно подойти к выбору числа приемников в системах сбора информации.

4. Выяснены факторы, снижающие пропускные способности двух близкорасположенных приемо-передающих радиосистем; получены формулы, позволяющие количественно оценить это взаимовлияние, а также выяснен основной недостаток обычного алгоритма функционирования таких систем.

Предложено несколько алгоритмов функционирования двух близкорасположенных приемо-передающих радиосистем, позволяющих снизить отрицательный эффект взаимовлияния друг на друга и позволяющих повысить их суммарную пропускную способность. В результате этого получены условия, определяющие целесообразность введения того или иного алгоритма функционирования по суммарной пропускной способности комплекса в целом. Для систем, в которых известны штрафные стоимостные коэффициенты за потерю сигналов, была составлена целевая функция, зависящая от парциальных пропускных способностей каждой из двух близкорасположенных систем. Введение того или иного алгоритма функционирования перераспределяет парциальные пропускные способности, что позволило обоснованно подойти к выбору наиболее приемлемого алгоритма функционирования близкорасположенных приемо-передающих радиосистем.

В заключении хочу выразить глубокую благодарность кандидату физикои доктору физико-математических математических наук, доценту

Плеухову А.Н. наук, профессору Сидорову В.В. за ценные советы и помощь в написании этой работы.

1. Сосновский А.А., Хаймович И.А. Радиотехнические средства ближней навигации и посадки летательных аппаратов. - М. : Машиностроение, 1975. - 270с.

2. Бычков С.И., Пахолков Г. А., Яковлев В.Н. Радиотехнические системы предупреждения столкновения самолетов, М.: Сов. Радио, 1977. - 272с.

3. Самолетные навигационные системы / Под ред. М. Кейтона и В. Фрайда: Перевод с анг. М.: Воениздат, 1973. 462с.

4. Романов И.М., Кобчиков А.В., Нежметдинов Т.К., Нугманов И.С. Введение в теорию проектирования асинхронных импульсных радиосистем. Казань, 1971. - 230с.

5. Таюрский А.Г. Дифференциация приема радиосигналов в системах с неоднородными потоками. Автореферат кандидатской диссертации, Казань, 1972.

6. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология.- М., Наука, 1988,- 208с.

7. Таюрский А.Г. Имитационное моделирование радиотехнических и электронных систем массового обслуживания. Казань : Издательство КГУ, 1998 -60с.

8. Таюрский А.Г., Таюрская Г.В. Пропускная способность систем, обслуживающих потоки сигналов с приоритетами разных степеней. // Сборник Статистическая радиотехника: Тезисы докладов Куйбышев, 1970. С 150-151.

9. Чумаков Н.М., Серебряный Е.И. Оценка эффективности сложных технических устройств. М.: Советское радио, 1980 - 192с.

10. Гуткин JI.C. Оптимизация радиоэлектронных устройсв по совокупности показателей качества. М.: Сов. Радио, 1975. - 368с.

11. Гуревич В.Э. О показателях технической эффективности систем передачи // Радиотехнические системы связи: Сб. Научных трудов институтов связи/ ЛЭИС. -Jl:1989.

12. Емельянов С.В., Борисов В.И., Малевич А.Н., Черкашин A.M. Модели и методы векторной оптимизации //Техническая кибернетика. 1973, N5 с 386-448.

13. Плеухов А.Н., Таюрская Г.В., Таюрский А.Г. Оценка целесообразности повышения пропускной способности приемо-передающих радиосистем на стадии проектирования. // Когерентная оптика и оптическая спектроскопия.: Сборник статей Казань. - 1999. - С.102 -107.

14. Нежметдинов Т.К., Таюрский А.Г., Таюрская Г.В. Прогнозирование сложных антагонистических систем. // Прием и обработка информации в сложных информационных системах. Сборник. Казань: Изд - во Казан, гос. ун -та, 1982. - Вып. 12. -С 11-18.

15. Таюрская Г.В. Выбор оптимальных загрузок в приоритетных системах.// Прием и обработка информации в сложных информационных системах. Сборник Казань: Изд-во Казан, гос. ун - та, 1985. - Вып. 14 - С 39-44.

16. Лебедев А.Н., Таюрская Г.В. Оптимизация СМО с частичным приоритетом. //Прием и обработка информации в сложных информационных системах. Сборник. Казань: Изд -во Казан, гос. ун -т а, 1985. - Вып.16. -С 23-25

17. Чуев Ю.В., Спехова Г.П. Технические задачи исследования операций. М.: Сов.радио, 1971,244с.

18. Плеухов А.Н., Таюрская Г.В., Таюрский А.Г. Повышение эффективности функционирования запросно-ответных радиосистем. // Когерентная оптика и оптическая спектроскопия.: Сборник статей Казань. - 1999. - С. 107 -114.

19. Таюрский А.Г., Таюрская Г.В. Повышение эффективности радиосистем за счет введения приоритетных дисциплин обслуживания. //Четвертая всесоюзная конференция по проблемам управления развитием систем : Тез. докл. Рига 1986. - С 227 - 228.

20. Таюрская Г.В., Таюрский А.Г. Исследование взаимовлияния двух близкорасположенных приемо-передающих радиосистем методами ТМО. // Материалы Всесоюзной научно-технической школы по ЭМС : Тез. докл. Москва - 1987.- С 110 - 111.98