автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Предоставление каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с ограниченным общим коммуникационным ресурсом служебных и рабочих каналов

На правах рукописи

005058071

ЛЛПШИН ВАДИМ ЮРЬЕВИЧ

ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ КАНАЛОВ ПО ТРЕБОВАНИЮ В ПЕРСПЕКТИВНОЙ РАДИОСЕТИ АСУ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ОГРАНИЧЕННЫМ ОБЩИМ КОММУНИКАЦИОННЫМ РЕСУРСОМ СЛУЖЕБНЫХ И РАБОЧИХ КАНАЛОВ

Специальность: 05.12.13 Системы, сети и устройства

телекомму ника ций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ 2013

Владимир 2013

005058071

Работа выполнена в МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Смородов Павел Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

профессор кафедры радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Полушин Петр Алексеевич

кандидат технических наук, профессор, главный специалист ОАО «Ангстрем», г.Москва, Зеленоград

Киселёв Владимир Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Воронежский опытный завод программной продукции», г. Воронеж.

Защита состоится «22» мая 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета ДС 212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых - ВлГУ

Автореферат разослан «_» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.025.04

доктор технических наук, профессор

А. Г. Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Основу могущества любого государства составляет его экономика, базирующаяся tía эффективной современной промышленности в основных её отраслях. В свою очередь, современные промышленные производства, как правило, оказываются сложными и включают в себя совокупность разнородных процессов, завязанных в единую технологическую цепь. Это справедливо для металлургии и химической промышленности нефте- и газодобычи с её транспортной системой, предприятий автопрома, энергетических сетей, огромных рудных и угольных разрезов, объектов атомной промышленности и коммунального хозяйства крупных городов. Особенностью современных производств и их инфраструктуры является значительная территориальная рассредоточенность объектов, включенных в единый технологический цикл.

Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации в системе в целом. Примером таких АСУ являются АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств.

АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект - АСУ промышленного назначения (АСУ Г1Н), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез ее информационной сети. Как правило, в АСУ ПН значительная часть звеньев управления (ЗУ) являются подвижными объектами (ПО). Необходимость обеспечения высокой динамики управления различными ПО в современных изменяющихся условиях требует совершенствования как АСУ ПН в целом, так и ее информационной сети связи, являющейся материальной базой управления.

Основу информационной сети для АСУ ПН территориально распределенных ПО составляет система радиосвязи метрового диапазона, спутниковая на бах подсистемы спутниковой связи, тропосферная, а также КВ связь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ГШ с ПО является система КВ радиосвязи, которая базируется на различных приемо-передагацих комплексах (ППК).

Информационные сети АСУ ПН, в основном, являются иерархическими сетями, имеющими рокадные связи, а также сетями решетчатой структуры. Скорости передачи информации радиоканалов, соединяющих узлы сети АСУ ПН, как правило, лежат в пределах от 1,2 кбит/с до 16 кбит/с.

В настоящее время промышленностью РФ ведутся работы по созданию перспективных цифровых ППК КВ диапазона, обеспечивающих передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 и даже 19,2 кбит/с. Его особенностью является то, что, во-первых, его пропускная способность (коммуникационный ресурс) есть цифровые потоки информации (по передаче и приему), во-вторых, эта пропускная способность является ресурсом, разделяемым во времени (по передаче) и разделяемым по времени и по пространству (по приему), в-третьих, формирование сигналов на передающей стороне и их прием и обработка на приемной стороне осуществляется методами цифровой обработки сигналов, в-четвертых,

обеспечение заданной помехозащищенности радиоканалов осуществляется за счет использования широкополосных сигналов (ШПС), реализуемых способом псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ).

В потенциале такая система способна обеспечить радиосвязь любых стационарных и ПО в рамках контура управления рассматриваемой АСУ ПН при сравнительно небольших излучаемых мощностях (-100 Вт). Применение современных антенн с технологией MIMO позволяет избежать в декаметровом диапазоне «мертвых» зон. Использование псевдослучайной перестройки рабочих частот (ППРЧ) в декаметровых радиоканалах в сочетании с адаптацией по частоте позволяет получить коэффициент готовности направления связи 0,99 и выше дазке в условиях по-меховых воздействий. Использование перспективных сигнально-кодовых конструкций (СКК) и цифровых методов их формирования и обработки позволяет в потенциале обеспечить в декаметровом радиоканале пропускную способность до 19,2 кбиг/с и более. Все это делает декаметровую радиосвязь чрезвычайно перспективной для применения в сети АСУ ПН.

Данные ППК и системы радиосвязи должны формировать первичную сеть связи для вторичных сетей территориально распределенных ПО: информационную сеть ЗУ АСУ ПН, вторичную сеть оперативною речевого управления (ОРУ), вторичную сеть межкомпьюгерного обмена (МКО).

Переход в сети АСУ ПН на перспективные радиосредства позволит увеличить суммарную пропускную способность информационной сети более чем в 2 раза (в пересчете на канал связи со скоростью 1,2 кбит/с). В то же время применение современных информационных технологий, используемых для построения АСУ ПН, приводит к значительному увеличению объема информационных потоков между ЗУ и, соответственно, в перспективной радиосети АСУ ПН При этом жесткие требования по вероятностно-временным характеристикам доведения информации, предъявляемые ЗУ АСУ ПН, однозначно приводят к требованию выделения им перспективной радиосетью нужного числа закрепленных каналов с фиксированной минимально достаточной пропускной способностью. Следствием указанного факта является невозможность предоставить остальным абонентам информационной сети (ОРУ и МКО) закрепленные каналы, которые бы обеспечили требуемые характеристики информационного обмена. Таким образом, возникает задача обслуживания абонентского трафика сети АСУ ПН с приемлемым качеством в условиях нехватки общего коммуникационного ресурса радиосети связи.

Как известно, существует два пути решения данной задачи: либо организация случайного множественного доступа (СМД), либо предоставление каналов по требованию (ГОСТ). Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим числом низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в подобных сетях исчисляется сотнями и тысячами единиц. Однако, протоколы случайного доступа не гарантируют заданное качество обслуживания (Quality of Service, QoS).

Протоколы предоставления каналов по требованию (Demand Assignment Multiple Access, DAMA), пытаются решить указанную задачу путем организации с главной станции (ГС) радиосети динамического распределения пропускной способности информационной сети в зависимости от требований абонентов. Запросы последних на выделение части коммуникационного ресурса должны бьгть переданы

в адрес ГС до начала передачи пользовательского трафика. Как правило, запросы передаются в режиме СМД. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме — частотного (FDMA), временного (TDMA) или кодового (CDMA) разделения каналов.

Анализ характера трафика абонентов в СПД ПН и требований по ВВХ его обслуживания показывает, что для абонентов ОРУ и МКО в перспективной радиосети должна быть организована процедура ПКТ. Такой подход в настоящее время успешно применяется в системах спутниковой связи (ССС), в мобильной саговой связи и тран-кинговых системах связи. Как правило, в таких системах общий коммуникационный ресурс (КР) жестко разделен между служебными каналами (СК), которые предназначены для организации процедуры обслуживания абонентов, и рабочими каналами (РК), предназначенными непосредственно для передата абонентского трафика.

Отметим, что для существующих систем связи с ГПСГ характерно, во-первых, наличие достаточно большого общего объема КР, что позволяет заранее назначить требуемое количество СК с учетом возможной динамики абонентской нагрузки, а, во-вторых, наличие большого числа абонентов, позволяющее пренебречь колебаниями входной нагрузки, связанными с началом и окончанием сеансов обслуживания.

В отличие от существующих систем рассматриваемая перспективная радиосеть сеть АСУ ПН ПО характеризуется малым количеством каналов, доступных для распределения (около 15), и относительно небольшим числом абонентов ОРУ и МКО (около 80-100). Кроме того, абонентский трафик не является стационарным, а объем доступного КР радиосети может изменяться в следствие наличия различных помеховых воздействий.

В таких условиях особенно остро стоит задача обеспечения эффективности использования каждой единицы КР. При фиксированном делении коммуникационного ресурса радиосети между служебными и рабочими каналами велика вероятность простаивания СК при перегрузке рабочих каналов (абоненты находятся на обслуживании или в очереди, ожидая начала обслуживания, и не генерируют вызывной трафик) либо обратная ситуация с простаиванием рабочих каналов в условиях блокировки СК. В обоих случаях оперативность информационного обмена заметно снижается. Таким образом, для поддержания нормального режима функционирования перспективной радиосети с ПКТ в условиях динамики трафика и доступного КР необходимо динамически перераспределять КР между служебными и рабочими каналами в зависимости от текущего состояния радиосети.

Вопросам построения радиосетей с ПКТ большое внимание уделено в школах таких ученых как Цыбаков Е.С., Лазарев В. Г., Присяжнкж С.П., Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В., Волков JLR, Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Аболиц А.И, Акимов А. А, Белов А.С., Цимбал В. А, Шиманов С.Н., Клейнрок Л., Д)вис Д., Барбер Д., Спилкер Дж., Степанов СИ, Тепляков И.М., Комашинекий В.И., Максимов А.В., Смородов ПС. и другие. Однако вопрос динамического перераспределения общего КР между пулами СК и РК в динамике абонентского трафика с целью обеспечения максимальной оперативности информационного обмена остается открытым.

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: в перспективной системе радиосвязи АСУ ПН ПО, реализующей режим ПКТ с малым общим КР при динамике нагрузки и нестационариости КР вероятными являются ситуации, когда наблюдается либо перегрузка рабочих каналов и простаивание СК, либо перегрузка

СК и простаивание рабочих каналов.

Разрешение этого противоречия заключается в разработке научно-методического аппарата динамического перераспределения общего КР между СК и РК в перспективной радиосети с ПКТ АСУ ПН.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертационной работы «Предоставление каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с ограниченным общим коммуникационным ресурсом служебных и рабочих каналов».

Цель работы: повышение оперативности предоставления каналов по требованию абонентам в перспективной радиосети АСУ ПН.

Объект исследования: режим предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ ПН.

Предмет исследования: методики, методы и модели использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в условиях динамики трафика абонентов.

Научная задача: разработка научно-методического аппарата оптимального использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ ПН, функционирующей в режиме с ПКТ, в условиях динамики трафика абонентов.

В ходе решения научной задачи были сформированы следующие результаты, представляемые к защите:

1. Математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с учетом совместного использования служебных и рабочих каналов.

2. Методика оптимизации использования общего изменяемого коммуникационного ресурса служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ промьпцленного назначения, функционирующей в режиме предоставления каналов по требованию, в условиях динамики трафика абонентов.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

1. Математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с учетом совместного использования служебных и рабочих каналов впервые рассматривает служебные и рабочие каналы как общий перераспределяемый коммуникационный ресурс радиосети, участвующий в информационном обмене разнородных абонентов.

2. Методика оптимизации использования общего изменяемого коммуникационного ресурса служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения, функционирующей в режиме предоставления каналов по требованию, в условиях динамики трафика абонентов в отличие от известных позволяет, во-первых, найти оптимальное деление общего КР между СК и РК, обеспечивающее минимум среднего времени обслуживания совокупного абонентского трафика, во-вторых, позволяет поддерживать данное оптимальное деление при динамике трафика и изменении доступного КР. Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью решенных частных подзадач, использованием апробированного математического аппарата теории конечных марков-

ских цепей, теории массового обслуживания, принятых допущений и ограничений, математического моделирования на основе пакета прикладных программ, подтверждается сходимостью аналитических результатов с результатами имитационного моделирования и их непротиворечивостью с фундаментальными положениями известных научных работ и физикой исследуемых процессов и, кроме тою, подтверждается получением при определенных условиях и допущениях частных решений, являющихся результатом применения ранее известных методик.

Практическая значимость тучных результатов заключается в том, что они доведены до уровня методики, алгоритмов и машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в программное обеспечение тавной и абонентских станций перспективной радиосети с ПКТ АСУ ПН процедуру перераспределения общего КР между СК и РК в условиях динамики совокупного абонентского трафика и изменения общего КЕ Использование результатов диссертации позволяет повысить оперативность информационного обмена абонентов ОРУ и МКО перспективной радиосети АСУ ПН до 20%, а также значительно снизить требования к ресурсам вычислительной системы ГС, реализующей данную процедуру, что свидетельствует о высокой реализуемости методики в контуре оперативного управления режимом ПКТ.

Результаты работы реализованы:

1. В МОУ «ИИФ» при обосновании алгоритмических решений модуля управления доступом модема ППРЧ в рамках ОКР «ППРЧ-ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 04.12.2012 г.).

2. В Военной академии РВСН имени Петра Великого (филиал в г. Серпухов Мясковской области) в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации») (акт о реализации ФВА РВСН от 21.12.2012 г.).

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 14 НТК различного уровня, в том числе 9 Международного уровня, 4 Всероссийского уровня, 1 Межрегионального уровня. Опубликованы в 24 работах, из них: 20 статей в тучно-технических сборниках и журналах, две из которых опубликованы в журнале из перечня ВАК, 3 отчета об ОКР, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка научных источников и приложения, изложена на 139 страницах машинописною текста. Список тучных источников содержит 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы противоречие, цель, научная задача, а также основные научные результаты, представляемые к защите. Показаны научная новизна, практическая значимость, реализация и достоверность научных исследований.

В первом разделе проведен анализ требований, предъявляемых к системе связи АСУ Г1Н ПО, информационной нагрузки и особенностей построения перспективных радиосетей.

Необходимость технологического управления исполнительными устройствами и ЗУ АСУ ПН ПО требует наличия двух информационных подсетей: сети, обслуживающей наиболее приоритетный трафик, а также подсеть ОРУ (речевая инфор-

мация) и МКО (трафик данных). При этом ЗУ АСУ должны быть связаны между собой в рамках первой информационной сети закрепленными (выделенными) каналами для обеспечения требований по ВВХ доведения информации, подсеть ОРУ и МКО допускает работу как по выделенным, так и по незакрепленным (предоставляемых по тргбованию) каналам.

КР перспективной радиосети АСУ ПН ПО, доступный для организации информационного обмена абонентов речевого трафика и трафика данных, в потенциале способен обеспечить обслуживание совокупного трафика этих абонентов с заданной оперативностью. .

Перспективной радиосеть АСУ ПН ПО, по сравнению с существующими системами ПКТ. имеет ряд особенностей, оказывающих существенное влияние на процесс ее функционирования:

- малый общий КР, доступный для обслуживания совокупного трафика абонентов ОРУ и МКО,

- относительно небольшое число абонентов определяет необходимость учитывать долю парциального трафика каждого из них в общей информационной нагрузке ш сеть;

- динамика абонентской нагрузки (взрывной фрактальный трафик);

- непостоянный объема доступного КР в первую очередь вследствие наличия случайных помеховых воздействий;

В связи с этим подход к построению систем ПКТ, основанный на жестком разделении общего КР между пулами служебных и рабочих каналов, ввиду особенностей рассматриваемой радиосети оказывается неэффективным с точки зрения обеспечения максимальной оперативности обслуживания абонентского трафика.

Для того, чтобы обеспечить реализацию потенциальной возможности КР перспективной радиосети АСУ ПН ПО обслуживать совокупный абонентский трафик с заданной оперативностью, необходимо организовать оптимальное динамическое перераспределение общего КР между служебными и рабочими каналами в условиях динамики трафика абонентов и доступного КР.

Под оперативностью информационного обмена будем понимать атрибутивное свойство связи, обуславливающее ее способность правильно и быстро осуществлять информационный обмен между абонентами.

В качестве показателя оперативности определим г«*» - среднее время обслуживания абонентского трафика.

Товда, с учетом известных способов формализации подобных задач, в общей постановке задача оптимизации перераспределения общего КР между служебными и рабочими каналами в радиосети с ПКТ может бьггь представлена в следующем виде:

— , вде

Тзвг -среднее время передачи требования в ЗВК;

Тсб, — среднее время обработки требования, принятого на обслуживание;

М{5,А1а,А1рк) - число единиц коммуникационного ресурса, выделенное под ЗВК;

известны:

А1„ - алгоритм функционирования ЗВК;

А1рк - алгоритм предоставления рабочих каналов;

5; {N,,N2, Уоб, Ь,, ¿2, г,, тг,у1,у1- совокупность заданных параметров системы обслуживания абонентов РГ и ТД, где

N1 — количество абонентов речевого трафика;

N2 - количество абонентов трафика данных;

Уов- объем доступного коммуникационного ресурса, выраженный в канальных единицах (к.е.);

Ь[ - число единиц КР, необходимого для обслуживания одного требования речевого трафика;

¿2 - число единиц КР, необходимого для обслуживания одного требования трафика данных;

т,-У —среднее время для обслуживания требования речевого трафика;

/ А

хг=у ~ среднее время для обслуживания требования трафика данных;

Уг ~ интенсивности первичных требований от каждого абонента речевого трафика и трафика данных;

В условиях нелинейных зависимостей необходимо сформировать методическое обеспечение решения в масштабе времени, близком к реальному, задачи выделения оптимального числа единиц КР под ЗВК — М"(8), обеспечивающего максимальную оперативность информационного обмена:

Г^Ж&А^А^А^А^) = ига(ГА. (£, М(8,А1т,А1р1), А!^, А/^))

Во втором разделе разработана математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ ПН ПО с учетом совместного функционирования служебных и рабочих каналов, позволяющая рассчитать среднее время обслуживания абонентского трафика в мультисервисной радиосети.

На основе анализа большого числа результатов математического и имитационного моделирования были получены достаточно простые выражения, позволяющие в пределах погрешности 10% оценить пропускную способность (в пакетах на временной сегмент) и время задержки передачи ЗВК (во временных сегментах) с тактированным СМД (неконтролируемого и с проверкой состояния канала) для каждой из групп разнородных абонентов в условиях поддержания протокола СМД в оптимальном режиме.

с1Яс0--ВС*Ь-

й-лг. + л-лг, , (1)

са„с0--—

р,-М1 + р2-М2

(м__м_

' р[Аг (у К,-Со '•) Г Д-Ц-(Д-р,)У>

ЛГ г1 /^ч+й-лд Г р^м^Р].^)) , (2) Гл__^_ТГиА-^-^-р,))

2 _ .(м 4ц 1 (, р,-к7-(р,-р,)Х\

где р1 =1—е'1" ,р2 = первичная активность абонентов соответствующего

потока, равная вероятности генерации первичного пакета на временном интервале; N1, N2 — количество абонентов, создающих соответствующий поток; у,, Г г - интенсивность первичных требований от каяедого абонента; /-длительность одного временного интервала;

С«—суммарная оптимальная пропускная способность ЗВК (в пакетах на временной интервал).

Полученная математическая модель ЗВК в отличие от известных позволяет оценивать искомые характеристики в масштабе реального времени и может использоваться как составная часть математической модели процесса ПКТ в контуре оперативного управления (динамического перераспределения КР).

В качестве основы для построения математической модели процесса ГОСТ была использована многопотоковая модель мультисервисной линии связи с динамически изменяемой скоростью передачи данных, для которой математическая модель ЗВК является моделью входной нафузки: Д„ =С„ Л,2 = С2.

Состояние модели задается вектором (/,/2), где /,<//,, /2 £ //2 - длина очереди для заявок каждого потока, ¿, < /V,, ;2 2 Л'2 - количество заявок, находящихся на обслуживании. Совокупность таких векторов образует пространство состояний модели 5. Вероятности р, ,/2, /2) интерпретируются как доля времени пребывания

системы в соответствующих состояниях. Стационарному режиму соответствует вектор финальных вероятностей я ц/.^л)««

(Р (/„/„/,,'2))-

Дня нахождения среднего времени обслуживания абонентского трафика необходимо составить и решить систему уравнений равновесия, для которой составлены правила автоматизированного синтеза. После нахождения финальных вероятностей, остальные характеристики находятся как средневзвешенное по всем состояниям.

РЦАлА) ■ {Л,('„О • /,+Ь, 5 V)+4,(1,,/,) • цу,++ ь, > V)+

Л) •++1 Й +) ■ Д»++1 > +а ■• = о,/,=0)+ +0«, ■ А + с■',) ■ Щ * 0)+Ло,,/)■ 1 «А - оэот-О"+>г + -! > ЮЛ - + +Л Ч • Щ = 0,/,*0) + ,/) ■ /((/, * С), 0 + /г + 6,-1> Пог(1, = 0)) +

+Л(<:,/) ■/(» + /,+ А -1 = ГА * 0) } =

= {/>(<,-1)4,(1,- Ц) • И* + к + ь, * V) + />(/, -1) -Л,^ -1,/,) -/(И. + ^ + Ь, > V) + +/>&-1)• Л,,Сь -1.'■)• 1(У» + к *V) + />{/, -1).(;2,/.-1)■/(«. + +1 >V) + +1) • д ' 0, + •) '(', = О,/, = 0) + /<(/, +1) ■ о, ■ + гт. (/, +1)) ■ /</, * 0) + +1,Л ■/((/, =0)оК»+1, + А, >ПЛ =0) +

+?(/,+0 • № (г, ,/)•/((»+/,+ А, -1 > = 0)Л*0)+ +/>(1, -1,/, +1,/, + 1) Л(/2+ !,/)■ /(у» + /2 + 6, = К,/, 0) + + /»с», +1,', - "Л + я) -О, + !)■ М ■ /(', = 0./, г о,/, + а <

, (3)

где:

- С» — суммарная огтгимальная пропускная способность ЗВК (в пакетах на временной интервал).

- -скорость передачи информации мультисервисной линии, выраженная в единицах канального (коммуникационного) ресурса (к.е.).

- Ъу — число единиц канального ресурса, необходимого для обслуживания одной заявки, причем для второго потока Ь2 = т ¡п(5) = 1;

- 1//// - среднее время обслуживания одной заявки речевого трафика (длительность обслуживания распределена экспоненциально);

- 11¡Лцг — среднее время обслуживания одной заявки трафика данных при минимальной пропускной способности выделенного канала;

- М — число элементарных каналов (к.е.), выделенных для функционирования

ЗВК;

V = УоС - М — объем КР, предназначенный непосредственно для обслуживания принятых заявок.

м = 1фх — число канальных единиц, занятых обслуживанием трафика реального времени; — оставшийся канальный ресурс. В общем случае средняя интенсивность обслуживания для потока заявок = ¿¿>(/,г2) и однозначно определяется для каждого состояния системы в соответствии с механизмом переменной скорости передачи данных.

(4)

с=м-с„, С]_А/-С0

К А + Рг -'4,2

при р, • + р1 -Ыа1>М-Са -

(5)

V с

где = (Л7,-1, -/,), -¿г -/2) - количество активных абонентов, создаю-

щих ^текущем состоянии соответствующий поток заявок в СК; Тавк = £ Н'Л^М-Ъзвк

5 (б)

Тгзвк = £ РО,,/,,/,,!,)-!,^

НАЛЬЮ

где Тавк - время передачи требования по ЗВК в текущем состоянии для А-го потока:

т =

1+

й

РГМ.2-(Р2-Р,)

+ 1

(7)

Л.

при рI+р2 -лг„, > м с0

Среднее время обработки полученного требования в подсистеме распределения рабочих каналов:

Т\а6р

_(¡1_шмхв_

V ра / ,• / \ (м'со _1)

=

Е Е ро.ил)-'*

_ДМДУв__

у ра I, I).Г___)

Среднее время обслуживания абонентского трафика складывается из

двух составляющих: Тзвк - среднего времени задержки при передаче требования в ЗВК и Тсбр — среднего времени обработки поступившей в подсистему распределения рабочих каналов заявки:

Тоба = Т ЗВК + Тобр . (8)

Ввиду сложности получения точных аналитических зависимостей среднего времени обслуживания от М, задача нахождения оптимального распределения КР между ЗВК и рабочими каналами решается численными методами. Типовые графики зависимостей Тебс(М), Тзвк(М), Тебр(М)дяя речевого трафика показаны на рисунке 1.

ТУДвт-Паг----

Г.с I»-

Рисунок 1 — Графики зависимостей среднего времени обслуживания заявок трафика реального времени от величины КР, выделенного под ЗВК

I-Л.-Ъ---Ь — ¡и

Рисунок 2 - Графики зависимости среднего времени обслуживания речевого трафика от количества каналов ЗВК при различной первичной нагрузке - а) и различном объеме доступного КР - б)

Из храфиков видно, что существует минимум функции Тл,(М), т.е. существует искомое оптимальное распределение КР.

Анализ результатов моделирования показал, что при изменении входной нагрузки и общего объема доступного КР радиосети количество каналов, необходимых для работы ЗВК, соответствующее оптимальному времени обслуживания трафика, также меняется. Следовательно, в условиях несгационарности первичной нагрузки и изменяемого объема КР радиосети необходимо осуществлять динамическое перераспределение КР между служебными и рабочими каналами для поддержания оптимальной оперативности информационного обмена.

В третьем разделе разработана методика оптимизации перераспределения общего КР между служебными и рабочими каналами в условиях динамики трафика и доступного КР. .

Стохастическая математическая модель системы ПКТ построена. Механизм воздействия первичного трафика и динамики общего объема КР на качество функционирования системы известен. Алгоритм определения объема доступного на текущий момент КР радиосети так же будем полагать известным. Неизвестным является уровень первичного трафика. Такая ситуация относится к классу ситуаций параметрической неопределенности функционирования стохастической динамической системы в стохастической среде. В подобных случаях уменьшение степени неопределенности возможно лишь при накоплении и обработке информации о выходном процессе системы.

Единственным измеряемым параметром в ходе функционирования ЗВК является его относительная пропускная способность, как по различным группам абонентов -С0м=2), так и по каналу в целом - С

где тс - наблюдаемая последовательная выборка временных сегментов канала; Хк- число временных сегментов из г,, в которых осуществлен успешный прием запросных пакетов абонентов к-й группы.

Необходимо искусственное расширение пространства измеряемых (фиксируемых) в БУ С ПКТ характеристик канала. Для этого потребуем от абонентов нумерации повторяемых ими в случае столкновений пакетов.

где кш - номер принятого пакета(/ = 1,^); рл- параметр канала по А-й группе абонентов.

Оценка общей средней задержки вызывных пакетов по каждой группе абонентов на интервале г, определяется по формуле

г.

с=2>;.

(9)

(10)

Рл

(И)

Подставим оценку пропускной способности по каждой группе абонентов в известное выражение

(12)

найдем оценку параметра первичного трафика (первичной активности абонентов):

/4= с'-., (А=0), (13)

где Л^ - количество абонентов каждой группы, создающих трафик в ЗВК в текущем состоянии.

_й»_(14)

С' ~ С"

Выражая из (5) находим оценку состояния канала по к-тл группе абонентов К=Т'С1 (* = М)

окончательное соотношение для оценки первичного трафика:

Поскольку измеряемые величины носят характер средних значений, то очевидно интервал наблюдения необходимо выбирать из условий сходимости характеристик процесса функционирования системы ПКТ к финальным средним. Таким образом, величина интервала наблюдения должна бьгть соизмерима с интервалом корреляции процесса функционирования системы ПКТ и находится в соответствии с проведенными с помощью имитационного моделирования исследованиями в пределах 700 < Г„ < 800 временных сегментов.

Функция распределения и СКО для оценки первичного трафика:

ЯРо.")=----ехр

1краа(,а-г

(16)

■ехр

__гТ

<тгрГ\р2оАРоЖ-(Р°)2- (17)

вп _

Анализ поведения зависимости Тоба*б,ч.(Мзвк), проведенный во втором разделе показывает целесообразность использования заведомо завышенной оценки первичного трафика, чтобы гарантированно избежать перегрузки ЗВК. Таким образом, в качестве окончательной оценки первичного трафика абонентов будем использовать величину:

Р<;=ро+'„ а»)

где квантиль нормального распределения (распределения Сгыодента). В качестве величины доверительной вероятности примем значение £=0.9. Выражение для оценки интенсивности первичного трафика:

г;=-т-р'п (19)

Исходными данными (ИД) для формирования методики перераспределения КР являются:

/V* - число абонентов каждой группы в перспективной радиосети;

ук — первичная активность абонентов каждой группы;

рл— параметр протокола для каждой группы абонентов;

общий объем КР радиосети;

ЬI,-число единиц канального ресурса, необходимого для обслуживания одного

требования соответствующей группы абонентов;

тк = у - среднее время для обслуживания требования соответствующей / Ик

группы абонентов.

Последовательность операций, выполняемых в ходе реализации методики представлена на рисунке 3.

Определение исходных данных

Рисунок 3 - Последовательность операций по оптимальному перераспределению КР между служебными и рабочими каналами

Количество итераций при поиске минимума для заданных интервалов изменения исходных данных не превышает 8.

Поскольку процесс динамического перераспределения КР осуществляется в реальном масштабе времени, то актуальным является вопрос затрат времени на соответствующие вычисления. Анализ временных затрат на реализацию разработанной методики показывает, что время расчетов не превышает одной минуты. Если учесть, что ожидаемый интервал наблюдения составляет несколько десятков минут, то относительная оперативность перераспределения будет находиться в пределах единиц процентов.

Результаты применения методики для случая изменения входной нагрузки показаны на рисунке ниже. Выигрыш по оперативности обслуживания речевого трафика достигает 20% (трафика данных для принятой дисциплины обслуживания 1429%) при относительном возрастании первичного трафика та 120%.

283 Той 163

149

220

200

Ю

160

149

120

123*567«® За

Л1згхс

Рисунок 4 - Эффект от применения методики при изменении входной нагрузки для

речевого трафика

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение современных информационных технологий при построении системы технологического управления исполнительными звеньями АСУ ПН ПО, приводит к значительному увеличению объема информационных потоков между всеми звеньями управления. Как следствие, основная часть КР перспективной радиосети АСУ ПН ПО будет задействована в виде закрепленных каналов для обслуживания трафика ЗУ АСУ, а остальные абоненты, такие как ОРУ и МКО, будут обслуживаться за счет оставшегося малого КР, распределяемого в режиме ПКТ. Таким образом, одной из важных задач построения перспективной радиосети АСУ ПН ПО является задача эффективной организации процесса ПКТ, обеспечивающей требуемую оперативность информационного обмена. Ввиду особенностей рассматриваемой радиосети не удается решить данную задачу в рамках существующего подхода к построению систем связи с ПКТ, основанном на жестком разделении доступного КР между служебными и рабочими каналами.

Решение задачи оптимизация перераспределения общего КР между служебными и

рабочими каналами в перспективной радиосети АСУ ПН ПО, функционирующей в режиме ПКТ, в условиях динамики трафика абонентов и доступного КР позволит:

- на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в программное обеспечение главной и абонентских станций перспективной радиосети АСУ ПН ПО, функционирующей в режиме ПКТ, процедуру перераспределения общего КР между служебными и рабочими в условиях динамики совокупного абонентского трафика и изменения общего КР,

- повысить оперативность информационного обмена абонентов ОРУ и МКО данной перспективной радиосети до 20%, а также значительно снизить требования к ресурсам вычислительной системы главной станции, реализующей данную процедуру.

Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:

- решение задачи обоснования минимально необходимого КР радиосети с ПКТ на основе учета совместного функционирования служебных и рабочих каналов;

- оптимизация разработанной математической модели путем замены экспоненциальной модели входной нагрузки на модель фрактального трафика;

- обобщение разработанной математической модели для произвольного числа групп разнородных абонентов с различной дисциплиной обслуживания трафика;

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лапшин, В.Ю. Оптимизация длительности обслуживания трафика в мульти-сервисной радиосети с динамическим выделением каналов по требованию /В.Ю. Лапшин, Д.А. Ковальков // Известия института инженерной физики. - Серпухов 2012. -№3. - С. 49-53. ^

2. Лапшин, В.Ю. Планирование применения средств систем спутниковой связи /В.Ю. Лапшин, Д. А. Ковальков // Известия института инженерной физики. - Се гулу хов, 2010.-№1.-С. 38-41. г

3. Лапшин, В.Ю. Математическая модель мультисервисной радиосети с динамическим распределением канального ресурса/ В.Ю. Лапшин, ДА. Ковальков // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. АС. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Вып. ЬХУИ. М: «Информпресс-94», 2012. С. 260-262с.

4. Лапшин, В.Ю. Моделирование и сравнительный анализ вариантов организации сбора информации в системе пиллинш с широковещательным каналом / В.Ю. Лапшин // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Вып. ЬХУ. М.: «Инсвязьиздат», 2010. С. 230-232с.

5. Лапшин, В.Ю. Особенности организации доступа к широковещательному каналу в пакетной радиосети с расширением спектра сигналов / В.Ю. Лапшин, ДА. Ковальков // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Вып. ЬХ1У. М.: «Инсвязьиздат», 2009. С. 14-16с.

6. Лапшин, В.Ю. Исследование параметров радиоканала со случайным множественным доступом для конечного числа разнородных абонентов / В.Ю. Лапшин, А.А Крикунов, ДА. Ковальков // Сб. тр. XI Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». -Калуга: КНИИТМУ, 2012. -С 134-137.

7. Лапшин, В.Ю. Расчет показателей качества обслуживания в мультисервисной радиосети с динамическим распределением канального ресурса / В.Ю. Лапшин, // Сб. тр. XI Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - Калуга: КНИИТМУ, 2012. - С 138-141.

8. Лапшин, В.Ю. Проблемы реализации кодового случайного множественного доступа к каналу в пакетной радиосети / В.Ю. Лапшин, Д.А. Ковальков // Сб. тр. VIII Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - ¡Калуга: КНИИТМУ, 2009. - С. 475-478.

9. Лапшин, В.Ю. Оптимизация длительности обслуживания трафика в мультисер-виеной радиосети с предоставлением каналов по требованию / В.Ю. Лапшин, A.A. Крикунов, ДА Ковальков // Сб. тр. XXXI Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». - Серпухов: ФВА РВСЦ 2012. -Т. 4. - Q 85-89.

10. Лапшин, В.Ю. Оценка характеристик радиоканала с тактированным случайным множественным доступом для конечного числа разнородных абонентов / В.Ю. Лапшин II Сб. тр. XXXI Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». - Серпухов: ФВА РВСН, 2012. - Т. 4. - С. 90-93.

11. Лапшин, В.Ю. Принципы формализации задач управления системой спутниковой связи / В.Ю. Лапшин // Сб. тр. XXVII Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». - Серпухов: СВИ РВ,

2008.-Т. 4.-С 113-115.

12. Лапшин, В.Ю. Обоснование протокола использования коммуникационного ресурса системы спутниковой связи и мониторинга / В.Ю. Лапшин // Сб. тр. XXVII Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». - Серпухов: СВИ РВ, 2008. -Т. 4. - С. 169-171.

13. Лапшин, В.Ю. Оптимальное распределение канального ресурса между служебными и рабочими каналами в мультисервисной радиосети / В.Ю. Лапшин // Сб. тр. VI Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». - Протвино, 2012. - С 179-182.

14. Лапшин, В.Ю. Методологические вопросы моделирования разнородной корпоративной сети связи с целью определения её характеристик / В.Ю. Лапшин, Н.Г. Зимин // Сб. тр. III Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». — Серпухов,

2009. - С 223-224.

15. Лапшин, В.Ю. Методика расчета характеристик доступа к широковещательному каналу в пакетной радиосети с расширением спектра сигнала / В.Ю. Лапшин, Д.А Ковальков // Сб. тр. VIII Международной научной конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации - ГГГСПИ-2011». -Владимир: ВлГУ, 2009. - С. 67-69.

16. Патент № 94737 на полезную модель РФ, МПК Н04В 7/00. Генератор двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100» / Заявитель и патентообладатель СВИ РВ. - № 2010102174; заявл. 25.01.2010. Лапшин В.Ю., Цимбал В. А, Попов МЮ., Зимин Н.Г.

17. «ППРЧ-ИИФ»: технический проект ОКР / МОУ «Институт инженерной физики»; га. конструктор С.Н. Шиманов. - Серпухов: МОУ «ИИФ», 2012. - С 35-44.

18. «Решка»: эскизный проект ОКР / МОУ «Институт инженерной физики»; гл. конструктор В. А. Цимбал. - Серпухов: МОУ «ИИФ», 2009. - С. 80-95. «Решка»: технический проект ОКР / МОУ «Институт инженерной физики»; ш. конструктор В. А Цимбал. - Серпухов: МОУ «ИИФ», 2010. - С. 65-88.

МОУ «Институт инженерной физики»

УДК 621.396 ББК 965.9

На правах рукописи

04201357809

ЛАПШИН Вадим Юрьевич

ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ КАНАЛОВ ПО ТРЕБОВАНИЮ В ПЕРСПЕКТИВНОЙ РАДИОСЕТИ АСУ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ОГРАНИЧЕННЫМ ОБЩИМ КОММУНИКАЦИОННЫМ РЕСУРСОМ СЛУЖЕБНЫХ И РАБОЧИХ КАНАЛОВ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникации

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Смородов П.С.

Соискатель:

Серпухов - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений и обозначений 4 Введение...................................................................... 5

1 Анализ особенностей информационного обмена в радиосети

АСУ ПН и задача оптимизации процедуры ПКТ в такой радиосети...................................................................... 13

1.1 Анализ структуры информационной сети АСУ промышленного назначения с подвижными объектами............................... 13

1.2 Особенности построения и функционирования перспективных информационных радиосетей, используемых в интересах АСУ

ПН ПО............................................................................... 17

1.3 Системный анализ особенностей перспективной радиосети.

Постановка задачи исследования...................................... 20

Выводы по первому разделу............................................. 32

2 Математическая модель процесса ПКТ в перспективной радиосети АСУ ПН с учетом совместного функционирования служебных и рабочих каналов.......................................... 34

2.1 Разработка математической модели запросно-вызывного канала со случайным множественным доступом для конечного числа разнородных абонентов........................................................... 37

2.2 Разработка математической модели подсистемы распределения рабочих каналов........................................................... 48

2.3 Разработка комплексной математической модели процесса предоставления каналов по требованию в мультисервисной радиосети.................................................................. 62

2.4 Результаты моделирования. Оптимизация распределения общего коммуникационного ресурса для повышения оперативности информационного обмена в радиосети с

предоставлением каналов по требованию........................... 74

Выводы по второму разделу.............................................. 84

3 Методика оптимизации использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ ПН, функционирующей в режиме ПКТ, в условиях динамики трафика абонентов....................86

3.1 Перераспределение общего изменяемого КР между служебными и рабочими каналами как способ повышения оперативности информационного обмена абонентов в условиях динамики их трафика..................................................... 86

3.2 Подготовка исходных данных. Статистическая оценка параметров системы предоставления каналов по требованию ... 93

3.2.1 Обоснование интервала наблюдения (измерения) параметров процесса предоставления каналов по требованию.................. 93

3.2.2 Определение параметров законов распределения характеристик запросно-вызывного канала............................................... 95

3.2.3 Оценка интенсивности парциального первичного трафика абонентов радиосети..................................................... 96

3.3 Алгоритм перераспределения изменяемого доступного коммуникационного ресурса радиосети между служебными и рабочими каналами в условиях динамики первичного трафика... 100

Выводы по третьему разделу............................................. 112

Заключение................................................................... 114

Список используемой литературы....................................... 121

Приложение А. Программа расчета оптимального распределения коммуникационного ресурса мультисервисной радиосети между служебными и рабочими каналами в режиме предоставления каналов по требованию............................... 132

Список сокращений и обозначений

АСУ автоматизированная система управления

АСУ ПН - АСУ промышленного назначения

ВЗУ верхнее звено управления

ГС главная станция

ЗВК запросно-вызывной канал

ЗВП запросно-вызывной пакет

ЗУ звено управления

ИЗУ исполнительное звено управления

ик информационные каналы

кмц конечная марковская цепь

КР коммуникационный ресурс

мко межкомпьютерный обмен

мм математическая модель

НЗУ нижнее звено управления

ОРУ оперативно-речевое управление

пкт предоставление каналов по требованию

по подвижный объект

ппк приемо-передающий комплекс

ППРЧ псевдослучайная перестройка рабочей частоты

СЗУ среднее звено управления

ск служебные каналы

СКУ служебный канал управления

смд случайный множественный доступ

спд система передачи данных

тд трафик данных

ТРВ трафик реального времени

чвм частотно-временная матрица

ВВЕДЕНИЕ

Основу могущества любого государства составляет его экономика, базирующаяся на эффективной современной промышленности в основных её отраслях. В свою очередь, современные промышленные производства, как правило, оказываются сложными и включают в себя совокупность разнородных процессов, завязанных в единую технологическую цепь. Это справедливо для металлургии и химической промышленности, нефте- и газодобычи с её транспортной системой, предприятий автопрома, энергетических сетей, огромных рудных и угольных разрезов, объектов атомной промышленности и коммунального хозяйства крупных городов. Особенностью современных производств и их инфраструктуры является значительная территориальная рассредоточенность объектов, включенных в единый технологический цикл.

Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации в системе в целом [21,24,43,46,47,75,78]. Примером таких АСУ являются АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств [43,75,87,103].

АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект - АСУ промышленного назначения (АСУ ПН), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез ее информационной сети. Как правило, в АСУ ПН значительная часть звеньев управления (ЗУ) являются подвижными объектами (ПО). Необходимость обеспечения высокой динамики управления различными ПО в современных изменяющихся условиях требует совершенствования как АСУ ПН в целом, так и ее информационной сети связи, являющейся материальной базой управления [102,103].

Основу информационной сети для АСУ ПН территориально распреде-

ленных ПО составляет система радиосвязи метрового диапазона, спутниковая на базе подсистемы спутниковой связи, тропосферная, а также КВ связь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ПН с ПО является система КВ радиосвязи, которая базируется на различных приемо-передающих комплексах (1JL1JLK) [16,102, 103,112].

Информационные сети АСУ ПН, в основном, являются иерархическими сетями, имеющими рокадные связи, а также сетями решетчатой структуры. Скорости передачи информации радиоканалов, соединяющих узлы сети АСУ ПН, как правило, лежат в пределах от 1,2 кбит/с до 16 кбит/с [112].

В настоящее время промышленностью РФ ведутся работы по созданию перспективных цифровых 111JLK КВ диапазона, обеспечивающих передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 и даже 19,2 кбит/с. Его особенностью является то, что, во-первых, его пропускная способность (коммуникационный ресурс) есть цифровые потоки информации (по передаче и приему), во-вторых, эта пропускная способность является ресурсом, разделяемым во времени (по передаче) и разделяемым по времени и по пространству (по приему), в-третьих, формирование сигналов на передающей стороне и их прием и обработка на приемной стороне осуществляется методами цифровой обработки сигналов, в-четвертых, обеспечение заданной помехозащищенности радиоканалов осуществляется за счет использования широкополосных сигналов (ШПС), реализуемых способом псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ) [101,102].

В потенциале такая система способна обеспечить радиосвязь любых стационарных и ПО в рамках контура управления рассматриваемой АСУ ПН при сравнительно небольших излучаемых мощностях (~100 Вт). Применение современных антенн с технологией MIMO позволяет избежать в декаметро-вом диапазоне «мертвых» зон. Использование псевдослучайной перестройки рабочих частот (ППРЧ) в декаметровых радиоканалах в сочетании с адаптацией по частоте позволяет получить коэффициент готовности направления

связи 0,99 и выше даже в условиях помеховых воздействий. Использование перспективных сигнально-кодовых конструкций (СКК) и цифровых методов их формирования и обработки позволяет в потенциале обеспечить в декамет-ровом радиоканале пропускную способность до 19,2 кбит/с и более. Все это делает декаметровую радиосвязь чрезвычайно перспективной для применения в сети АСУ ПН [103].

Данные ППК и системы радиосвязи должны формировать первичную сеть связи для вторичных сетей территориально распределенных ПО: информационную сеть ЗУ АСУ ПН, вторичную сеть оперативного речевого управления (ОРУ), вторичную сеть межкомпьютерного обмена (МКО) [103].

Переход в сети АСУ ПН на перспективные радиосредства позволит увеличить суммарную пропускную способность информационной сети более чем в 2 раза (в пересчете на канал связи со скоростью 1,2 кбит/с). В то же время применение современных информационных технологий, используемых для построения АСУ ПН, приводит к значительному увеличению объема информационных потоков между ЗУ и, соответственно, в перспективной радиосети АСУ ПН. При этом жесткие требования по вероятностно-временным характеристикам доведения информации, предъявляемые ЗУ АСУ ПН, однозначно приводят к требованию выделения им перспективной радиосетью нужного числа закрепленных каналов с фиксированной минимально достаточной пропускной способностью [112]. Следствием указанного факта является невозможность предоставить остальным абонентам информационной сети (ОРУ и МКО) закрепленные каналы, которые бы обеспечили требуемые характеристики информационного обмена. Таким образом, возникает задача обслуживания абонентского трафика сети АСУ ПН с приемлемым качеством в условиях нехватки общего коммуникационного ресурса радиосети связи [102,103].

Как известно, существует два пути решения данной задачи: либо организация случайного множественного доступа (СМД), либо предоставление каналов по требованию (ПКТ). Случайный доступ наиболее предпочтителен

для сетей с большим числом низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в подобных сетях исчисляется сотнями и тысячами единиц. Однако, протоколы случайного доступа не гарантируют заданное качество обслуживания (Quality of Service, QoS) [20,60].

Протоколы предоставления каналов по требованию (Demand Assignment Multiple Access, DAMA), пытаются решить указанную задачу путем организации с главной станции (ГС) радиосети динамического распределения пропускной способности информационной сети в зависимости от требований абонентов. Запросы последних на выделение части коммуникационного ресурса должны быть переданы в адрес ГС до начала передачи пользовательского трафика. Как правило, запросы передаются в режиме СМД. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме - частотного (FDMA), временного (TDMA) или кодового (CDMA) разделения каналов [35-37,93].

Анализ характера трафика абонентов в СПД ПН и требований по ВВХ его обслуживания показывает, что для абонентов ОРУ и МКО в перспективной радиосети должна быть организована процедура ПКТ. Такой подход в настоящее время успешно применяется в системах спутниковой связи (ССС), в мобильной сотовой связи и транкинговых системах связи. Как правило, в таких системах общий коммуникационный ресурс (КР) жестко разделен между служебными каналами (СК), которые предназначены для организации процедуры обслуживания абонентов, и рабочими каналами (РК), предназначенными непосредственно для передачи абонентского трафика [19,26,37].

Отметим, что для существующих систем связи с ПКТ характерно, во-первых, наличие достаточно большого общего объема КР, что позволяет заранее назначить тр ебуемое количество СК с учетом возможной динамики абонентской нагрузки, а, во-вторых, наличие большого числа абонентов, позволяющее пренебречь колебаниями входной нагрузки, связанными с началом и окончанием сеансов обслуживания [52,53,64].

В отличие от существующих систем рассматриваемая перспективная радиосеть сеть АСУ ПН ПО характеризуется малым количеством каналов, доступных для распределения (около 15), и относительно небольшим числом абонентов ОРУ и МКО (около 80-100). Кроме того, абонентский трафик не является стационарным, а объем доступного КР радиосети может изменяться в следствие наличия различных помеховых воздействий [56,102,103].

В таких условиях особенно остро стоит задача обеспечения эффективности использования каждой единицы КР. При фиксированном делении коммуникационного ресурса радиосети между служебными и рабочими каналами велика вероятность простаивания CK при перегрузке рабочих каналов (абоненты находятся на обслуживании или в очереди, ожидая начала обслуживания, и не генерируют вызывной трафик) либо обратная ситуация с простаиванием рабочих каналов в условиях блокировки СК [61,62]. В обоих случаях оперативность информационного обмена заметно снижается. Таким образом, для поддержания нормального режима функционирования перспективной радиосети с ПКТ в условиях динамики трафика и доступного КР необходимо динамически перераспределять КР между служебными и рабочими каналами в зависимости от текущего состояния радиосети.

Вопросам построения радиосетей с ПКТ большое внимание уделено в школах таких ученых как Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Присяжнюк С.П., Кам-нев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В., Волков Л.Н., Немировский М.С., Шина-ков Ю.С., Аболиц А.И., Акимов А.А., Белов А.С., Цимбал В.А., Шиманов С.Н., Клейнрок Л., Дэвис Д., Барбер Д., Спилкер Дж., Степанов С.Н., Тепляков И.М., Комашинский В.И., Максимов А.В., Смородов П.С. и другие. Однако вопрос динамического перераспределения общего КР между пулами СК и РК в динамике абонентского трафика с целью обеспечения максимальной оперативности информационного обмена остается открытым [56].

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: в перспективной системе радиосвязи АСУ ПН ПО, реализующей режим ПКТ с малым

общим КР при динамике нагрузки и нестационарности КР вероятными являются ситуации, когда наблюдается либо перегрузка рабочих каналов и простаивание СК, либо перегрузка СК и простаивание рабочих каналов.

Разрешение этого противоречия заключается в разработке научно-методического аппарата динамического перераспределения общего КР между СК и РК в перспективной радиосети с ПКТ АСУ ПН.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертационной работы «Предоставление каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с ограниченным общим коммуникационным ресурсом служебных и рабочих каналов».

Цель работы: повышение оперативности предоставления каналов по требованию абонентам в перспективной радиосети АСУ ПН.

Объект исследования: режим предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ ПН.

Предмет исследования: методики, методы и модели использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в условиях динамики трафика абонентов.

Научная задача: разработка научно-методического аппарата оптимального использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ ПН, функционирующей в режиме с ПКТ, в условиях динамики трафика абонентов.

В ходе решения научной задачи были сформированы следующие результаты, представляемые к защите:

1. Математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с учетом совместного использования служебных и рабочих каналов.

2. Методика оптимизации использования общего изменяемого коммуникационного ресурса служебных и рабочих каналов в перспективной радиосе-

ти АСУ промышленного назначения, функционирующей в режиме предоставления каналов по требованию, в условиях динамики трафика абонентов.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

1. Математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с учетом совместного использования служебных и рабочих каналов впервые рассматривает служебные и рабочие каналы как общий перераспределяемый коммуникационный ресурс радиосети, участвующий в информационном обмене разнородных абонентов