CC BY
126
УДК 621.39
В. А. МАЙСТРЕНКО С.Д.КОРОВИН
Омский государственный технический университет
АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫМ РЕСУРСОМ АДАПТИВНОЙ РАДИОЛИНИИ ДЕКАМЕТРОВОЙ СВЯЗИ С ППРЧ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ОБСТАНОВКИ
Процесс управления частотно-временным ресурсом радиолинии с ППРЧ в условиях сложной радиоэлектронной обстановки рассматривается как процесс противоборства двух антагонистических систем с противоположными целями. Предложен алгоритм управления, основанный на использовании методов теории игр при наличии информации о текущей стратегии противоборствующей системы. При реализации процесса управления частотно-временным ресурсом радиолинии с ППРЧ предлагается учитывать вектор коэффициентов использования частот.
Высокие требования, предъявляемые к современным системам декаметровой связи по помехоустойчивости и пропускной способности, вызывают необходимость поиска новых путей их совершенствования. Одним из направлений совершенствования систем декаметровой связи, функционирующих в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, является создание автоматизированных сетей радиосвязи (АСРС) [1, 2, 3, 4, 5].
В известных работах [5,8, 10,11,14], посвященных построению АСРС, алгоритмы, реализующие основные функции управления АРА, имеют ограниченное применение, так как разработаны либо без учета моделей конфликтного взаимодействия противодействующих систем, либо предлагают наличие полной взаимной информированности о стратегии друг друга.
Отмеченные обстоятельства вызывают необходимость использования для решения проблемы управления АРА в условиях сложной радиоэлектронной обстановки (РЭО) нового подхода к проектированию с позиций противоборства друг с другом антагонистических систем с противоположными целями в условиях различного рода неопределенностей относительно стратегии противодействующей системы.
Решение указанной проблемы предполагает рассмотрение целого ряда задач, одной из которых является синтез алгоритмов управления ресурсами адаптивных радиолиний при их функционировании в условиях различной информированности относительно характеристик системы внешних воздействий. Одной из важнейших является задача оптимального управления частотным ресурсом. Это обусловлено, прежде всего, особой ролью и специфическими особенностями частотного ресурса в декаметровой связи.
Управление частотным ресурсом АРЛ решает задачи оптимального выбора рабочих частот в динамике ведения связи, обеспечивающего экстремум вы-
бранного показателя эффективности линии радиосвязи. Правила выбора и смены рабочих частот в совокупности составляют алгоритм управления АРЛ и в большей мере определяют ее эффективность. С точки зрения повышения разведзащищенности наиболее перспективными считаются системы с ППРЧ. Оценка разведзащищенности таких систем занимает ведущее место среди других показателей эффективности функционирования.
Однако из анализа работ [14; 15] следует, что применение режима медленной ППРЧ в канале декаметровой связи приводит к снижению достоверности и своевременности передачи сообщений в таких радиолиниях и в целом эффективности. В связи с этим актуальной задачей является повышение показателей достоверности и своевременности передачи сообщений в линиях декаметровой связи с применением режима ППРЧ. Поставленная задача может быть решена за счет оптимального управления частотно-временным ресурсом (ЧВР) радиолинии с ППРЧ в условиях сложной РЭО.
В качестве показателя, характеризующего степень использования ЧВР радиолинии с ППРЧ, выберем коэффициент (вес) использования рабочей частоты, под которым будем понимать отношение суммарного времени работы радиолинии на частоте программной перестройки (у к общему времени работы радиолинии (Т) при постоянной скорости программной перестройки:
а^Ь/Т. (1)
При выполнении условия:
а1 = а2 = ...= 1/ш, (2)
где ш - количество используемых рабочих частот, в радиолинии с ППРЧ реализуется равномерный закон использования рабочих частот.
Если условие (2) не выполняется, то закон использования частот является неравномерным. Радиоли-
нию, в которой реализован равномерный закон использования рабочих частот, будем называть радиолинией с равномерной ППРЧ, а радиолинию, реализующую неравномерный закон, — радиолинией с неравномерной ППРЧ. Физически неравномерный закон использования частот означает, что радиолиния на каждую из рабочих частот перестраивается различное число раз. Сумма коэффициентов использования частот равна единице.
При постоянной скорости передачи информации в радиолинии, а также неизменном времени работы радиолинии на одной частоте и времени перестройки коэффициент использования рабочей частоты определим как
ai= Sj/S= H/N,
(3)
где S, — количество перестроек радиолинии на i-тую частоту из общего количества перестроек S; Nj — суммарное количество переданных символов на i-той частоте; N — общее количество переданных символов в радиолинии за рассчитываемый интервал времени.
Предполагается осуществление технологического управления ЧВР радиолинии с ППРЧ посредством изменения коэффициентов использования рабочих частот с целью повышения эффективности функционирования радиолинии.
В целях формализации процесса управления ЧВР радиолинии с ППРЧ рассмотрим взаимодействие системы управления радиолинией с ППРЧ и системы управления комплекса радиоподавления (КРП). Поскольку с позиций противоборства в паре «система управления радиолинией — система управления КРП» рассматривается только радиоканал, а в самой РЭО интересует, прежде всего, отображение стратегии использования рабочих частот, то формализованное представление РЭО в виде частотно-временной матрицы (ЧВМ) представляется наиболее целесообразным [12]. В зависимости от использования частот матрица может быть либо ленточной, либо прямоугольной. В [12] введено понятие — матрица связного ресурса (MCP), являющееся основой для математической модели процесса эксплуатации ресурса рабочих частот при функционировании радиолинии.
Полагаем, что в процессе принятия решения системам управления противоборствующих сторон известны реальное состояние своего объекта управления ZR (Zs), объекта управления противника Zs (ZR), где Z — множество состояний объекта [13], а также
априорные данные, на основе которых формализуются стратегии управления противоборствующих сторон, На рис.1 представлена обобщенная модель процесса формирования управляющих воздействий длл радиолинии с ППРЧ и КРП при их противоборстве.
На основе имеющейся информации о реальном состоянии противоборствующих сторон и априорной информации о радиолинии с ппрч и крп посредством операции оценивания системой управления радиолинией с ппрч и системой управления крп осуществляется оценка текущего состояния радиолинии г5|Н; и крп г„т, г„й.
Полученные оценки 7.3|?!, Zk{R], Т-^'1 совместно с априорной информацией о множестве возможных стратегий противоборствующих сторон используются для формирования стратегий управления их,;ч1 и ик|К|, которые получаются на основе решения оптимизационных задач, обеспечивающих достижение экстремума выбранного функционала Фи(51.
Учитывая противоположность целей функционирования радиолинии с ППРЧ и КРП, в качестве критериального функционала при управлении радиолинией с ППРЧ будем использовать один и тот же показатель Ф^1 = Фи(Н) = Ф= Р1111р„ (Р1Ш1<Р0ШД,„1), где Р,.......
(., .) — вероятность того, что в радиолинии с ППРЧ вероятность ошибки приема не превысит допустимого значения Р0шл(ш.
Физически это означает, что если формируемые стратегии управления радиолинии с ППРЧ ичи направлены на максимизацию функционала Ф, то управляющее воздействие КРП на его минимизацию
Us' . Фу1 '-»шах,
Us
IV1": Ф,
(ni-
HI
(5)
Стратегии управления и/4' зависят от вида преднамеренных помех, тактико-технических характеристик КРП, вида каналов радиосвязи, радиоподавления и определяются вектором коэффициентов использования частот А = ||а,а2...ат||.
Таким образом, для реализации процесса управления ЧВР радиолинии с ППРЧ определим вектор коэффициентов использования частот А , при котором функционал Ф= Р,,,,,,,, (Р„„^Р0111Д<„,) принимает экстремальное значение. При этом рассмотрим функционирование радиолинии с ППРЧ в сложных условиях РЭО (воздействия случайных помех, одновременного воздействия случайных и шумовых, по-
Доведение принятого решения U1,'
Рис. 1. Представление процесса управления радиолинии с ППРЧ в условиях радиоподавления в виде противоборства двух антагонистических систем
Начало
Составление матрицы игры
Формализация задачи линейного прежрамюфовання
Определен * , А =!«,„< ie вектора
Расчет
РщиСР.йР.,,. U..V)
■ 11 -Вывод результатов
Конец
Да
Ограничен не^ а. с учетом ='
Рис. 2. Алгоритм принятия решения на управление частотно-временным ресурсом в радиолинии с ППРЧ в условиях воздействия преднамеренной помехи в режиме ППРЧ
лигармонических, имитационных преднамеренных помех, а также помех в виде сигнала с ППРЧ).
Пусть программная перестройка осуществляется по ш рабочим частотам. При этом и, стратегия радиолинии с ППРЧ заключается в использовании для передачи информации 1-той частоты, ¿=1,2, ..., ш.
Совокупность возможных стратегий управления радиолинией с ППРЧ представляет множество {и,} мощностью |{и,}| = т, а стратегия КРП заключающаяся в постановке помехи на }-той частоте, — множество {У(} мощностью |{\^}| = т.
Предположим, что при воздействии на линию радиосвязи КРП использует шумовую, гармоническую или имитационную преднамеренную помеху в виде сигнала ППРЧ на частотах работы радиолинии. Причем скорости программной перестройки преднамеренной помехи КРП и в радиолинии, а также начальное время излучения преднамеренной помехи и сигналов в радиолинии совпадают. При этом отсутствует информация о применяемой в данный момент стратегии управления.
Определим стратегию управления ЧВР радиолинии с ППРЧ в условиях радиоподавления в виде вектора коэффициентов использования частот А= ||а|а:...ат(1, где значения с^ характеризуют вероятность использования в радиолинии стратегии ¡= 1,2,...,т; а стратегию воздействия КРП, заключающуюся в постановке преднамеренных помех в виде сигнала с ППРЧ, - вектором В = ||р1р2...(3П1||, где значение Р) характеризует вероятность использования КРП стратегии ^ = 1, 2.....ш.
Значения вероятностей обеспечения радиосвязи в радиолинии с ППРЧ на т рабочих частотах в усло-
виях воздействия случайных помех представим матрицей
Реп = IIPa, |(Р(Ш|-Р ОШЛОпЬ-"- Реи mlPuui-PoLU ДОп) II' а в условиях преднамеренных помех — матрицей
Pfin = 1|Рцп |(Рош-Р ОШ ДОпЬ---' Р|Ш т(Р|1Ш-РоШ ДОп) II-
В качестве функционала при формировании оптимальных стратегий управления ЧВР радиолинии с ППРЧ выберем вероятность радиосвязи с достоверностью не хуже заданной при i-той стратегии управления радиолинией Ц и j-той стратегии воздействия КРП Vj:
= Рппрч(Рош<Р ош Aor/Ui.Vj). (6)
При формировании оптимальных стратегий управления ЧВР радиолинии с ППРЧ будем считать, что стратегия управления Uig {U,} направлена на максимизацию функционала 0(UU V,), а стратегия Vjg {Vj) на его минимизацию.
В такой постановке задача управления ЧВР радиолинии с ППРЧ является задачей теории игр. При этом оптимальной стратегией управления ЧВР радиолинии, формируемой в условиях неопределенности используемой в данный момент стратегии воздействия КРП, является стратегия:
UiorlT = Arg max min(P<P ошдоп/Ui.Vj) (7)
Ui Vj
Вероятность РППРЧ (Рош < РиЦ1д0П /и„ V,) представим следующим образом:
Рппрч(Рош - Рошдоп /U¡, Vj = =
(8)
[Реп, при i * j 1Рпш при i = j
Тогда вероятность радиосвязи с достоверностью не хуже заданной в радиолинии с ППРЧ в условиях воздействия КРП определим матрицей Р= llP¡jllm)<
Для формирования оптимальной стратегии управления ЧВР радиолинии с ППРЧ при ее функционировании в конфликтной ситуации с противостоящим КРП представим процесс взаимодействия радиолинии и КРП антагонистической матричной игрой:
Г=<{Ц},{^},Р(Р1)Ш<Рошдоп/и1,У])>. (9)
Согласно основной теореме теории игр, конечная игра имеет хотя бы одно решение, возможно, в области смешанных стратегий. Оптимальная стратегия управления ЧВР радиолинии с ППРЧ обладает тем свойством, что при любой стратегии КРП обеспечивается гарантированный выигрыш не меньше, чем цена игры v. Таким образом:
а1опт Р| пп+ а2опт Рзсп + ■■■ + ОСшопт Рщсп о loiTT р| cn+ <*2oin р2пп +■ • •+ ö-mont р|чсп
а 1опт Р| СП+ а2от Р2сп + - ■•+ ат0ПТ Pmnn >V
(10)
Разделим неравенства (10) на положительную величину V и обозначим= а1опт/у; ат„„.г/у. Тогда условия (10) запишутся в виде:
^1р1сп+ №„„+...+ UPmcn>l
(11)
Кроме того, !;, + +... + Е,т = 1 /у.
. Задачей управления ЧВР радиолинии с ППРЧ является получение максимально возможного гарантированного выигрыша (V), Таким образом, решение задачи теории игр приводится к решению задачи линейного программирования: минимизации функционала
t
(12)
Значение коэффициента использования частоты определяет время реакции КРП. При малых значениях времени реакции на рабочих частотах КРП может использовать более эффективную «помеху вслед». Поэтому при принятии решения на управление ЧВР радиолинии с ППРЧ методом теории игр целесообразно ограничить полученные значения коэффициентов использования частот: а,<ато, при соблюдении условия, что сумма коэффициентов использования частот равна единице.
Алгоритм принятия решения на управление ЧВР радиолинии с ППРЧ в условиях воздействия помехи в режиме ППРЧ представлен на рис.2. В первом блоке алгоритма осуществляется ввод исходных данных, во втором — расчет вероятностей радиосвязи на рабочих частотах в условиях воздействия случайных и преднамеренных помех. Формализация матричной игры производится в третьем блоке.
Решение игры определяют блоки 4 и 5. При этом для решения матричной игры используется метод линейного программирования. В блоках 6-7 производится ограничение значений коэффициентов использования частот. В блоке 10 производится расчет вероятности радиосвязи с достоверностью не хуже заданной в радиолинии с ППРЧ с учетом стратегий управления преднамеренной помехи и радиолинии с ППРЧ.
В блоке 11 выводятся значение сформированного вектора А= IIa, а2 ...ajl, определяющего оптимальную стратегию управления ЧВР радиолинии с ППРЧ, и значение вероятности радиосвязи с достоверностью не хуже заданной с учетом стратегии воздействия преднамеренной помехи Рппрч (Ршц<Р„шлоп//1Н,У]).
Предположим, что ППРЧ осуществляется по т= 10. КРП осуществляет постановку шумовой преднамеренной помехи в режиме ППРЧ на всех рабочих частотах. Определим оптимальные стра тегии управления ЧВР радиолинии с ППРЧ и ЧВР КРП, а также вероятность радиосвязи с достоверностью не хуже заданной радиолинии с ППРЧ при оптимальных управлениях противоборствующих сторон.
Составим матрицу игры:
при ограничениях (11).
Рассуждая аналогичным образом, можно решить задачу теории игр для противника: максимизировать значение функционала.
Решение игры <Г> определяет гарантированное значение вероятности радиосвязи с достоверностью не хуже заданной в радиолинии с ППРЧ:
Р'(Р„ш<Рошл„п/ и„У;) = Уа1Г, а также вектор коэффициентов А'= ||а,мп.а2тгг.....ага01П.|| и вектор коэффициентов В'= 11(3, „ш.р2опт.....Рт„пт11, задающие оптимальную стратегию управления ЧВР радиолинии с ППРЧ и преднамеренной помехи.
Если стратегия управления ЧВР КРП не оптимальна, то значение вероятности радиосвязи в радиолинии с ППРЧ превышает гарантированное значение Уа1Г при оптимальной стратегии управления ЧВР радиолинии с ППРЧ. При произвольных стратегиях управления ЧВР радиолинии с ППРЧ и КРП вероятность радиосвязи с достоверностью не хуже заданной в радиолинии с ППРЧ определим выражением:
IVV, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 0.7 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 082 0.82 082 0.82
2 0.94 0.85 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94
3 0.82 0.82 0.65 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82 0.82
0.97 0.97 0.97 0.9 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97
5 0.94 0.94 0.94 0.94 0.84 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94
6 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.5 0.78 0.78 0.78 0.78
7 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.82 0.96 0.96 0.96
а 0.87 0.87 0.87 0.87 0.87 0.87 0.87 0.67 0.87 0.87
9 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.78 0.92
10 0.98 0.98 0.98 0.9В 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.82
Р(Р,
ош^РоШ ДОП
/Ui,Vj) = IIa,PjP1J
(13)
Вероятности радиосвязи на рабочих частотах примем на каждой частоте соответственно: в условиях воздействия случайных помех 0.82 0.94 0.82 0.97 0.94 0.78 0.96 0.87 0.92 0.98; в условиях дополнительного воздействия преднамеренной помехи - 0.7 0.85 0.65 0.9 0.84 0.5 0.82 0.67 0.78 0.82 [10]. Решением игры будет
Уа1Г = Рппрч'(Р.„^Р„шд„„ и„У,) = 0.936
при А" =110 0.228 0 0.293 0.205 0 0.146 0 0 0.128 II и В- = 110 0.041 00.481 0.037 00.1690 00.273Ц.
При равномерном законе управления ЧВР КРП и оптимальном управлении ЧВР радиолинии с ППРЧ Рппрч(Р^Рошд„п/ и„У,) = 0.95 (на 1000 переданных элементов сигнала ожидается 50 ошибок на приеме). При равномерном управлении ЧВР в радиолинии с ППРЧ и оптимальном управлении ЧВР КРП Рппрч (Р„Ш<РОШД011 ЦЛ^) = 0.87 (на 1000 переданных элементов сигнала ожидается 130 ошибок на приеме).
Существенным достоинством предлагаемого подхода к формированию оптимальной стратегии управления ЧВР является возможность реализации динамического управления в реальном масштабе времени с использованием принципа «ситуационного управления», что позволит существенно сократить временной цикл управления. Вместе с тем применение стратегии управления ЧВР радиолинии с ППРЧ, отличной от оптимальной, возможно для обеспечения разведзащищенности функционирования радиолинии с ППРЧ. Результаты сравнительного анализа эффективности функционирования радиолиний, использующих рассмотренный алгоритм управления ЧВР, и радиолиний, функционирующих без использования данного алгоритма, свидетельствуют о том, что применение предлагаемого алгоритма в условиях сложной РЭО обеспечивает повышение вероятности радиосвязи с достоверностью не хуже заданной на рабочих частотах на 10...15%. Это объясняется, прежде всего, преимущественным использованием частот, на которых затруднено воздействие КРП [10].
Необходимо отметить, что при значительном превышении времени реакции в радиолинии с ППРЧ времени реакции КРП противоборствующей стороны значение критериального функционала определяется величиной показателя эффективности при завершении цикла управления КРП противоборствующей стороны. Поэтому необходимо добиваться уменьшения времени реакции в радиолинии с ППРЧ, повышения эффективности ее функционирования при применяемых стратегиях.
Библиографический список
1. Автоматизированные системы декаметровой связи: Сб. статей / Составитель Б.И. Кузьмин. — М: Знание, 1986. - 64 с.
2. Адаптивные автоматизированные системы военной радиосвязи / Ю.П. Климник, Е.В. Лебединский, В.К. Прохоров, А.Н. Шаров. - Д.: ВАС, 1978. - 284 с.
3. Военная КВ радиосвязь: достижения, направления совершенствования / Е.Ф. Комарович, В.Г. Романенко. - Л.:ВАС, 1989. - 34 с.
4. Военно-технические проблемы совершенствования сетей радиосвязи СЗУ ВС РФ / В.П. Покровский, C.B. Прохоров, C.B. Скворцов // Научно-технический сборник №2. — М.: 16 ЦНИИИ МО, 1994. - С. 3-7.
5. Автоматизированные сети радиосвязи / А.Н. Шаров. -Л.: ВАС, 1988. - 178 с.
6. Пути повышения уровня автоматизации на полевых радиоцентрах / И.Ю. Денисов // Научно-технический сборник № 2. - М.: 16 ЦНИИИ МО, 1994. - С. 13-16.
7. Принципы построения систем управления информационными сетями / Под ред. Н.И. Буренина. — А.: ВАС, 1985. -47 с.
8. Автоматизированные системы управления сетями многоканальной радиосвязи / В.М. Терентьев. — Д.: ВАС, 1986. — 159 с.
9. Оптимизация организационного построения систем управления сетями многоканальной радиосвязи / В.М. Терентьев. - Л.: ВАС, 1988. - 70 с.
10. Управление автоматизированными сетями декаметро-вой связи в условиях сложной радиоэлектронной обстановки / М.А Семисошенко. - СПб.: ВАС, 1997. - 22 с.
11. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи «МАРС» / В.Л. Хазан // Техника радиосвязи. 1998. Вып, 4. - С. 59-66.
12. Демаскирующие признаки управления частотным ресурсом радиолинии декаметровой связи / С.Д. Коровин // 111 Межрегиональная научно-практическая конференция «Броня-2006». - Омск, 2006. - С. 5-8.
13. Моделирование сложных систем / Н. П. Бусленко. — М.: Сов. радио, 1973. - 440 с.
14. Управление ресурсом сетей ДКМ радиосвязи с использованием удаленных ретрансляторов / С.Д. Коровин // Материалы XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь».— Воронеж, 2006. — С. 1057-1062.
МАЙСТРЕНКО Василий Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Средства связи и информационная безопасность», проректор по информатизации ОмГТУ. КОРОВИН Сергей Дмитриевич, старший преподаватель кафедры «Тактика и тактико-специальная подготовка» Омского танкового инженерного института, аспирант Омского государственного технического университета.
Статья поступила в редакцию 16.11.06 г. © Майстренко В. А., Коровин С. Д.
Книжная полка
Сорокин В. Материалы и элементы электронной техники: В 2 т. / В. Сорокин, Б.Л. Антипов, Н.П. Лазарева. - М.: ИЦ «Академия», 2006. - 2384 с.
В учебнике рассмотрены физические процессы и явления, протекающие в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Выявлены основные закономерности изменения свойств в зависимости от состава веществ и внешних возмущающих факторов. Значительное внимание уделено новым материалам электроники: высокотемпературным сверхпроводникам, полупроводниковым твердым растворам и сверхрешеткам на их основе, фуллеренам и углеродным нанотрубкам, аморфным полупроводниковым материалам и металлическим сплавам.
Для студентов вузов. Рекомендовано УМО.
