CC BY
39
ФОРМИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ РАДИОСЕТИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
П. А. Будко, А. В. Мухин
DEVELOPING TOPOLOGY OF MOBILE OBJECTS' RADIO-NETWORK BASING ON GEO-INFORMATION SYSTEMS
Budko P. A., Mukhin A. V.
There has been elaborated a technique of developing topological resource of radionetwork of mobile objects under varied conditions of conducting communication with the use of geo-information systems.
Разработана методика формирования топологического ресурса радиосети подвижных объектов при изменяющихся условиях ведения связи с использованием геоин-формационны/х систем
The technique formation a topological resource radionetwork of mobile objects is developed under varied conditions of conducting communication with use а geoinformation systems
Нлючевыэ1е слова: радиосредство, радиолиния, топология сети, геоинформационны/е системы!, синтез сети связи.
УДК 681.518(075.32)
Современные сети связи и особенно радиосети относятся к классу антропогенных систем большого масштаба, размерности и наивысшей сложности [1]. Такая специфика радиосетей, как ярко выраженная нестационарность среды распространения радиоволн, подверженность сигнала значительному числу дестабилизирующих факторов естественного и искусственного характера, нечетко (или противоречиво) заданные параметры анализируемой сети в условиях обеспечения радиосвязи с подвижными объектами на пересеченной местности и в городских условиях, на деградирующей сети предполагает динамичность и непредсказуемость изменений связности радиосети [2].
В последние годы все шире используются современные компьютерные технологии, позволяющие значительно снизить временные и вычислительные затраты при проектировании радиосетей. Нового качественного уровня методология синтеза современных телекоммуникационных сетей смогла достичь, опираясь на широкие возможности современных ЭВМ, позволяющие резко снизить вычислительные трудозатраты и сделать доступными и популярными среди исследователей даже такие громоздкие (с точки зрения вычислительной емкости) методы, как динамическая и многокритериальная оценка эффективности - пошаговый анализ интегрального показателя эффективности, учитывающего все (или почти все) многообразие свойств радиосвязи [1]. На начальном этапе синтеза радиосети проектировщик
1
зачастую сталкивается с трудностями в определении топологии будущей сети при нечетко заданных исходных данных и местоположении подвижных модулей корреспондентов сети, распределенных (перемещающихся) на значительной территории. В этом случае при планировании связи наряду с другими параметрами будущей сети необходимо задаться и топологическими ресурсами возможных (доступных) мест стоянок, маршрутов перемещения подвижных модулей абонентов.
Цель статьи - разработка методики формирования топологического ресурса сети подвижных объектов при изменяющихся условиях ведения связи.
Возможности геоинформационных систем при формировании топологии сетей связи
По сравнению с существующими методами формирования топологии сетей связи поставленная цель достигается путем использования математического аппарата более полного учета дестабилизирующих факторов, воздействующих на радиосигнал (комплексное воздействие аппаратурных искажений, шумов и сосредоточенных по спектру помех [3-5]), а также путем применения в качестве инструмента решения данной задачи геоинформационных систем и технологии в виде цифровых карт местности [6].
Современные геоинформационные системы позволяют наряду с вводом в базу данных географических координат радиоэлектронных средств и измерениями на топографических картах проводить анализ рельефа местности с построением сечения рельефа между выбранными точками на карте; многофункциональный анализ напряженности электромагнитных полей с построением зон уверенного радиоприема и радиосвязи, в том числе, с учетом десятков, сотен и тысяч мешающих источников излучений; расчет электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, с ведением соответствующих баз данных; выдачей рекомендаций по частотным присвоениям и использованию частотного, энергетического, аппаратурного и других видов ресурсов радиосетей.
Решение задачи формирования топологического ресурса радиосети рассмотрим с использованием цифровых карт местности Ставропольского края масштабом 1:200 000 на примере двух способов размещения Базового радиосредства: при нахождении его на стационаре, либо при перемещении на определенной территории (на подвижных модулях). Подвижные модули абонентов могут также перемещаться и занимать определенные места стоянок на значительной территории, определяемой зоной радиовидимости метрового диапазона или зоной действия земной волны при использовании декаметровой радиосвязи.
Пусть координаты стационарной БРЭС заданы по широте - 45о 41' 55", по долготе - 42о 58' 36" (см. рисунок 1).
Подвижные радиомодули абонентов сети, функционирующие в административно-территориальных образованиях края, могут иметь несколько мест стоянок по всей их территории.
При первом способе использования стационарного базового радиосредства расчет формируемых радиолиний необходимо производить между базовым радиосредством и по маршруту движения (по основным автомагистралям) к каждой стоянке абонентов радиосети. На рисунке 1 приведены расчеты уровня сигнала в точках приема при высоте подъема антенны базового радиосредства на 20 метров, мобильных радиосредств на 3 метра и выходной мощности радиопередающих устройств 50 Вт. Зона уверенного радиоприема для этих условий ведения связи на рисунке показана ломанной линией и заливкой. При использовании мобильного варианта базового радиосредства необходим расчет радиолиний для каждого варианта размещения на стоянках базового радиосредства и всеми вариантами размещения абонентов как на стоянках так и на маршрутах их перемещения в рамках выделенного ресурса.
........—
^мищылгО \ ав \ \ \
■ \ ^ ^ТбЛйяогиче
т ОйГ' 1- I Л
X Топологическим . '
^ ре—: - ...... -
^ресурс РЭС№1~
она ~~
1 .......I Уг Шя*1 С
Рисунок 1. Пример построения топологии сети радиосвязи с использованием геоинформационной системы
Число рассчитываемых радиолиний математически можно выразить для первого способа как 51 = X ", а для второго как 52 = X т7 ' п , где т - число мест стоянок (ресурс стоянок)
И р
. X т1 , а для второго как 52 = Х т(
7=1 7=1
абонентов, п - число мест стоянок (ресурс стоянок) базового радиосредства, 7 - номер абонента, р - количество абонентов.
Задача оптимального распределения топологического ресурса стоянок базового радиосредства в общей постановке формируется следующим образом. Требуется найти вектор распределения ресурса X = (Хь ••• ,Ха} между А стоянками, при котором будет обеспечено максимально возможное качество связи во всех радиолиниях. При этом показателем качества радиолинии выступает вероятность ошибочного приема элемента сигнала рош, а критерием эффективности - вероятность приема с заданными требованиями (рош тр.), т. е. Рпр(рош<рош.тр.)
Анализ известных работ по децентрализованному использованию топологических ресурсов системы связи [7, 8] показывает, что такие задачи решались с целью максимизации среднего числа радиолиний, обслуживаемых с требуемым качеством. Оптимизация качества связи осуществлялась по аддитивным критериям, что может привести к тому, что в одни радиолинии выделяется топологический, аппаратурный и другие виды ресурсов, обеспечивающие достоверность передачи сообщений, значительно превышающую требуемое значение, а в другие - не обеспечивающий качество связи. Поэтому оптимальное распределение топологического, частотного и аппаратурного ресурсов на сети радиосвязи необходимо осуществлять по критерию гарантированной надежности связи, который обеспечит равномерность распределения качества в радиолиниях между базовым радиосредством и абонентами на различных стоянках. При этом размещение базового радиосредства на каждой из своих стоянок предполагает подбор опти-
1
мальной топологии размещения абонентов сети из выделенных топологических ресурсов стоянок для каждого административно-территориального образования. Смена стоянки базового радиосредства влечет за собой выбор другой оптимальной топологии размещения абонентов сети, поскольку использование старых стоянок абонентов может привести не только к потере оптимальности (максимума показателя качества) связи в радиолинии, но даже и выхода ее из множества пригодных радиолиний по допустимому значению показателя качества. Если ни одна из стоянок абонента какого-либо административно-территориального образования не удовлетворяет требованию по показателю качества при формировании радиолинии, то для возвращения в множество пригодных линий связи необходимо задействовать все имеющиеся ресурсы корреспондирующих станций (аппаратурный, энергетический, частотный, сигнальный и др.[3-5]). Если управление всеми имеющимися в распоряжении сети ресурсами не обеспечивает требуемых значений качества связи, то необходимо изменить топологию путем замены мест стоянок абонентов (перемещение подвижного модуля базового радиосредства) на такие, которые обеспечат данные требования к связи в формируемых радиолиниях, т. е. занять одну из стоянок, принадлежащих множеству 52, или расширить топологический ресурс новыми стоянками.
При рассмотрении варианта выбора оптимальной топологической структуры сети связи, на которой каждый абонент и базовое радиосредство имеет несколько доступных стоянок в рамках выделенных топологических ресурсов, смена места стоянки базового радиосредства не обязательно повлечет смену мест стоянок корреспондентов. Некоторые стоянки абонентов сети могут в этом случае продолжать обеспечивать допустимые значения показателя качества радиосвязи, какие-то обеспечат максимальные значения показателя качества, и только те места стоянок, с которых невозможно обеспечить требуемое качество связи, необходимо заменить.
Использование методик повышения эффективности радиолиний за счет учета таких дестабилизирующих факторов, как шумов, сосредоточенных по спектру помех, замираний сигнала, аппаратурных искажений [3-5], позволяет сформировать рекомендации по использованию различных видов ресурсов сети, необходимых для формирования топологии, обеспечивающей как наилучшие так и допустимые значения показателя качества на сети. Для этого могут изменяться частоты, типы и высоты антенн, виды и способы передачи радиосигналов, методы кодирования, энергетические характеристики и т. д.
Алгоритм выбора оптимальной стоянки подвижного модуля базового радиосредства
В целях повышения живучести сети в административно-территориальном образовании могут выделяться несколько стоянок базового радиосредства. Формирование радиолиний осуществляется между данными N стоянками базового радиосредства, и М стоянками из состава топологического ресурса абонентов при размещении на них радиосредств.
Задача заключается в следующем: из заданного ресурса стоянок базового радиосредства требуется выбрать такую (для организации связи с абонентами), при использовании которой качество связи для абонента, находящегося в наихудших условиях ведения связи, оказывается наилучшим.
В данной постановке решения задачи в качестве критерия оптимальности принимаем максиминный критерий. Обозначим через Р} - значение уровня сигнала на входе приемного устройства радиосредства, размещенной на }-ой стоянке абонента при организации связи с 7-ой стоянкой базового радиосредства. Для выбора оптимальной стоянки абонента из полученных значений Р7} построим матрицу (1), где 7-я строка соответствует 7-й стоянке абонента, }-й столбец - }-й стоянке базового радиосредства.
£ • вм
Я1 р11 • ри * р Г1М
• • • ... • •
я • р • ри • р •
ЯЛТ р рщ • р
(1)
Математически задача формулируется следующим образом: требуется выбрать такую стоянку подвижного модуля абонента 5 при использовании которой в сформированной радиолинии обеспечивается максимальное Ру, т. е.
шахшт
Р* (я* ) =
Номер оптимальной стоянки абонента определяем следующим образом:
(2)
- в каждой строке матрицы (1) отыскивается минимальный элемент р т1П р ,
который записывается справа от исходной матрицы;
- среди найденных в п. 1 значений уровня сигнала на входе приемного устройства
выбирается наибольшее
Р = тах Р
- номер стоянки абонента, использование которой в сформированной радиолинии обеспечивает р максимальным, выбираем в качестве оптимальной для организации радиосвязи между абонентом и базовым радиосредством.
Таким образом, при обеспечении связи между базовым радиосредством и абонентом их подвижные модули должны находиться на оптимальных стоянках (из возможного топологического ресурса).
Алгоритм формирования топологического ресурса сети
Рассмотрим задачу оптимального распределения топологических ресурсов базового радиосредства и абонентов с одинаковыми требованиями к качеству связи. Учитывая, что между базовым радиосредством и каждым абонентом сети при нахождения их на своих стоянках может быть организована только одна радиолиния, а некоторые стоянки могут оказаться наилучшими одновременно для нескольких радиолиний, обеспечение максимально возможного качества связи в каждой радиолинии путем распределения позиций См в большинстве случаев оказывается невозможным из-за топографических особенностей местности и иных факторов, влияющих на качество связи. В этом случае формирование топологии сети целесообразно осуществлять по максиминному критерию венгерским методом [8]. В качестве цели оптимального распределения принимается максимум качества связи в радиолинии, работающей в наихудших условиях
*и=
тахтт Р; (К •)
{Я} I 14 •7'
(3)
где 5 - оптимальный план распределения топологических ресурсов сети, р (К * ) - уровень
сигнала на входе приемного устройства радиосредства в радиолинии, образованной между 7-ой стоянкой базового радиосредства и у-ой позицией абонента.
Пусть имеется М стоянок абонента и N стоянок базового радиосредства, причем М<Ы. При построении радиотрассы между 7-ой стоянкой базового радиосредства и у-ой стоянкой абонента в ней обеспечивается уровень сигнала на входе приемного устройства Ру. Задача заклю-
Р (к• )
/
чается в таком выборе мест стоянок корреспондентов, при котором обеспечивается максимальное значение уровня сигнала на входе приемного устройства в радиолинии, находящейся в наихудших условиях.
Для решения задачи оптимального распределения топологического ресурса необходимо предварительно рассчитать значение уровня сигнала на входе приемника Р7у в каждой радиолинии при всех возможных вариантах выбора позиции С м , которые представим в виде матрицы (1). При этом расчет Р7у производится с учетом технического состояния радиосредств [3-5]. Для сокращения вычислительных затрат можно использовать программу анализа и расчета радиосетей - ПИАР-4.5 [6].
К
Обозначим через "у индикатор выборау-й стоянки абонентом и 7-й стоянки базового радиосредства при построении радиолинии, при этом
1, если 7 - я стоянка назначается в паре с 7 - ой стоянкой;
К. =
и
0, если Ц - я стоянка не назначается в паре с 7 - ой стоянкой.
Задача оптимального распределения топологического ресурса при этом сводится к отысканию такой матрицы ^ выбора мест стоянок корреспондентов, при которой
N N п
min Pi (к j ) ^ max, при условии, что Z ZKj = м.
[S ]
i=1j=1
^11 ^ 21 К • 12 К • 22L < • К 1 К "2 M
5 = • К • • К • ^i 2 • • К • • К м , (4)
К1 К • 2 К NM
Алгоритм решения задачи выбора мест стоянок корреспондентов (распределения топологического ресурса) представим в виде последовательности следующих операций:
1. Из элементов матрицы [Ру] построить вариационный ряд
>Г У )
р? > p(e > •
> ppg} > -
>р
у -не - -р? - - ЛГ/ > гдер < М-Ы; 7, к,..., г = 1Д ; Ц, е, ...,/= 1М.
2. На первом шаге принять у =Ж
3. Составить матрицу £(7 ) = [кУ полагая
\ если (Ру - Р(})> 0;
0, если (Ру - рУ))< 0. (5)
4. Определить число М независимых единичных элементов матрицы &у>, т. е. таких, что никакие два из указанных элементов не лежат в одной и той же строке и в одном и том же столбце этой матрицы: если М <М, то у = у + (М - М) и перейти к пункту 3; если М =М, то перейти к пункту 5.
ч
5. Составить матрицу назначений выбора мест стоянок корреспондентов £0 = [Кк ], в
V»0
которой значения К у = 1 должны соответствовать положениям независимых единичных элементов матрицы остальные значения К- положить равными нулю. Очевидно, что процесс
поиска оптимального решения содержит не более чем М итераций.
Блок-схема алгоритма выбора оптимальных мест стоянок корреспондентов сети представлен на рисунке 2.
■24 • ЛД /„21 р
N (а2) М (а2)
Мч пр доп
I
Расчет значений {Р 11У , , т ,
пр 1=1.. гТ; .
М
Нег-
Построение вариационного ряда
р (1)>р (2)> >р (7)> >р (V) у к1 pq гГ 5
где 1, к, ..., р,...д=1 И; ..., ^...,£=1 ..М
Составление матрицы Э^1 — [%ч!'':']
>-Не т-
7 ™ АЧ = 0
X 0
Определение числа щ независимых единичных элементов матрицы 3(7:)
7 = 7 + (111-111*)
Нет
Составление матрицы нахождения выбора оптимальных мест стоянок ПУ Э0 = [х .....]
Рисунок 2. Блок-схема алгоритма выбора оптимальных мест стоянок корреспондентов сети
Использование геоинформационных систем значительно снижает временные затраты при расчетах проектируемых радиосетей, позволяет осуществлять моделирование синтезируемых сетей с построением зон уверенного приема, что обеспечивает наглядность проекта. Такие возможности геоинформационных систем как анализ рельефа местности, напряженности электромагнитных полей, построение зон уверенного радиоприема, в том числе с учетом дестабилизирующих факторов, оценка влияния среды распространения радиоволн, учет метеоусловий на радиотрассах, значительно упрощает проектировщику решение задачи моделирования радиосетей. Автоматизация трудоемких вычислений на существующих радиосетях позволит лицу, принимающему решение по связи, в кратчайшие сроки формировать и изменять топологию сети без проведения контрольных измерений, что немаловажно в условиях динамично изменяющейся обстановки по связи, деградации сети, при обеспечении связи с подвижными объектами.
1. Томский В. С. Новые подходы к проектированию телекоммуникационных сетей // Электросвязь. -2000. - № 5. - С. 20-22.
2. Коффман А. Введение в теорию нечетких множеств. - М.: Наука, 1990. - 432 с.
3. Будко П. А. Повышение эффективности радиолиний при адаптивном управлении аппаратурным и частотным ресурсами на узлах связи //Радиотехника. - 2001. - № 8. - С. 28-31.
4. Федоренко В. В., Будко П. А. Помехоустойчивость некогерентного приема искаженных в аппаратуре сигналов при воздейтвии сосредоточенной помехи //Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1997. -№ 3. - С. 69-73.
5. Fedorenko V. V., Budko P. A., Vershkov N. A. Mathematical Model of Discrete Communication Channel under the Influence of Destabilizing Factors // Engineering Simulation, Overseas Publishers Association.-1998. - Vol.15. P. 77-83. (in India).
6. Программа исследования и анализа радиосетей. - Ярославль: ЯГУ, 1999. - 92 с.
7. Прохоров В. К., Шаров А. Н. Расчет показателей эффективности радиосвязи. - Л.: ВАС, 1990. -132 с.
8. Федоренко В. В., Будко П. А., Касторнова Т. А., Краснокутский А. В. Задачи оптимизации в информационно-телекоммуникационных системах: Учебное пособие. - М.: Изд-во физико-математической литературы, 2008. - 105 с.
Будко Павел Александрович, Ставропольский государственный университет, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры мировых информационных ресурсов и электронного бизнеса. Сфера научных интересов - синтез сетей связи. [email protected]
Мухин Александр Викторович, заместитель начальника филиала Голицынского пограничного института ФСБ России. Сфера научных интересов - синтез сетей связи. [email protected]
ЛИТЕРАТУРА
Об авторах
