CC BY
38СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 621.396.24: 621.371.38
Использование частотного ресурса системой декаметровой связи в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты
Панин Р.С., Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С.
Аннотация. В статье рассматривается постановка задачи совместной оптимизации выбора рабочих частот и параметров алгоритма множественного доступа для сети декаметровой связи. Исследуется режим псевдослучайной перестройки рабочей частоты с частотно-временным разделением радиоканалов различных абонентов. В системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты отсутствует традиционно использовавшееся закрепление рабочих частот за радиолиниями, что делает существующие методы назначения рабочих частот не эффективными. Целью работы является постановка задачи совместной оптимизации выбора рабочих частот и параметров алгоритма множественного доступа в сети декаметровой радиосвязи. Используются теоретический и практический заделы в области цифровой передачи данных по декаметровому каналу связи. Новизна работы состоит в формулировке задачи совместной оптимизации выбора рабочих частот и параметров алгоритмов множественного доступа. Практический результат работы определяет появляющаяся возможность автоматизации процесса подготовки радиоданных в автоматизированной системе управления связи. Также групповое использование частот обеспечивает существенный прирост эффективности функционирования сети декаметровой радиосвязи.
Ключевые слова: декаметровая радиосвязь; псевдослучайная перестройка рабочей частоты; частотный ресурс; алгоритм множественного доступа.
Введение
Сети дальней радиосвязи используются критическими инфраструктурами управления как аварийные в чрезвычайных ситуациях, когда основная сеть связи выходит из строя, вследствие природной катастрофы или военного конфликта. Наибольшие возможности для этого предоставляет декаметровая радиосвязь, поскольку она обеспечивает информационный обмен с высокими скоростями на большие расстояния. Однако, готовность и надёжность сетей декаметровой радиосвязи, в настоящее время, не соответствуют предъявляемым требованиям.
Причина заключается в низком уровне автоматизации установления, поддержания, восстановления и разрыва сеансов радиосвязи в автоматизированных системах управления связью (АСУС). Имеет место фиксированное закрепление рабочих частот, определяемых радиоданными, за радиоканалами при их организации.
Под радиоканалом в рамках данной работы, в соответствии с Рекомендацией ITU-R F.1487 [1] будем понимать комплекты передающих и приёмных радиосредств с выхода модулятора до входа демодулятора, функционирующие в заранее определенном рабочем режиме, который характеризуется шириной спектра формируемого сигнала, видом и кратностью модуляции, используемым канальным кодированием, последовательностью использования закрепленных рабочих частот.
Радиоканал может использоваться для организации радионаправления или радиосети. В настоящее время, при неудовлетворительном качестве прохождения радиосигнала, нужна коррекция рабочих частот со стороны должностных лиц АСУС. Поэтому необходим переход от ручного и автоматизированного установления и поддержания соединений к автоматическому, при свободном использовании всех разрешенных рабочих частот радиостанциями, в режиме множественного доступа.
В качестве частного примера реализации такого подхода можно привести самоорганизующиеся сети радиосвязи (ССР). Это радиосети с децентрализованным
управлением, не имеющие постоянной структуры. При наличии доступности, любые радиостанции могут соединяться в произвольном порядке. Частотный ресурс используется коллективно. Каждая абонентская радиостанция может быть ретранслятором, динамически определяя направления пересылки чужих данных. ССР не разделяются на подсети абонентского доступа и магистральные транспортные каналы между станциями доступа, что имеет место для большинства существующих в РФ сетей дальней радиосвязи. Как правило, данные сети строятся на технологии коммутации пакетов, и развертываются для обслуживания мобильных абонентов.
В англоязычной литературе для их обозначения часто используется термин «мобильная сеть с ситуационным управлением», Mobile Ad hoc Network (MANET). Они обеспечивают возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика, устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети, простоту и высокую скорость развертывания. Существующие реализации ССР основаны на технологиях Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, не использующих декаметровый диапазон. Перспективная военная радиосистема связи армии США Joint Tactical Radio System (JTRS) использует закрытый сетевой протокол радиосвязи Wideband Networking Waveform (WNW), обеспечивающий возможность создания ССР на радиосредствах декаметрового диапазона. Отечественные протоколы функционирования ССР декаметрового диапазона и их реализации, на настоящее время, отсутствуют.
В декаметровом диапазоне на пути использования частотного ресурса сети в режиме множественного доступа возникает ключевая проблема. Это анизотропия радиоканалов декаметрового диапазона как по направлению передачи, так и по рабочей частоте. Она обусловлена тем, что вследствие использования отражения радиоволн от ионосферы, одни и те же рабочие частоты обеспечивают различные уровни сигнала на приёме в разных направлениях связи. Рабочая частота, пригодная для обмена данными в одном направлении, может быть совершенно непригодной для обмена в другом направлении. В приведенных выше примерах ССР имеет место преимущественная изотропия, то есть любая рабочая частота на любом направлении передачи имеет, примерно, одинаковое качество. Анизотропия рабочих частот и направлений передачи приводит к невозможности использования радиостанциями сети свободных рабочих частот в произвольном порядке. Данный выбор должен быть обусловлен состоянием ионосферы, взаимным положением корреспондирующих радиостанций, а также характеристиками их радиосредств.
Острота данной проблемы снижается при использовании всеми станциями сети сигналов с последовательным расширением спектра, то есть систем радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Эти системы используют для установления соединения не одну частоту, а группу стартовых рабочих частот. После установления соединения по каналу обратной связи передаются служебные данные для автоматической замены непригодных стартовых рабочих частот на запасные рабочие частоты. Вероятность наличия для любого направления связи хотя бы одной пригодной рабочей частоты растет с увеличением числа стартовых частот. С другой стороны, увеличение этого числа выше потребностей радиосети, определяемых входной нагрузкой, приводит к нерациональному использованию частотного ресурса, вследствие простоя радиоканалов. В работах [4-6] приведено описание технологии функционирования защищенной пакетной сети декаметровой радиосвязи с ППРЧ.
Выбор группы рабочих частот (ГРЧ) для установления и поддержания соединения в сети режима ППРЧ и алгоритм множественного доступа (АМД), определяющий порядок их использования радиостанцией, непосредственно связаны и взаимно зависимы. Для различных подсетей и направлений связи рабочие частоты и АМД могут различаться.
Так, например, в ближней и дальней зонах будут оптимальны ГРЧ различных поддиапазонов. Оптимальная вероятность захвата АМД канала доступа или «настойчивость протокола» будет зависеть от количества частот в группе.
При данном выборе должны быть учтены следующие факторы:
- пригодность каждой рабочей частоты для установления соединения в различных направлениях радиосвязи и радиосетях, образуемых в соответствии со схемой организации связи (СхОС);
- доля нагрузки, передаваемой в данном направлении или подсети.
Последовательность решения задачи нахождения оптимальных ГРЧ и АМД:
- математическое описание параметров, определяющих свойства среды распространения для сети;
- математическое описание параметров, определяющих порядок функционирования радиостанций как элементов сети;
- математическое описание параметров, описывающих возникновение нагрузки в сети;
- математическое описание параметров, описывающих рассматриваемый класс АМД;
- предложения по оценке эффективности функционирования сети;
- формулировка задачи оптимизации рассматриваемых АМД;
- разработка методики оптимизации данных алгоритмов;
- разработка предложений по подбору оптимальных ГРЧ и АМД.
В работе предлагается к рассмотрению формализованная постановка данной задачи.
1 Технология передачи данных в декаметровом диапазоне в режиме ППРЧ
В данном разделе приведены только ключевые моменты технологии передачи данных в декаметровом диапазоне в режиме ППРЧ, существенные для представленной работы. Подробное изложение построения представленной технологии приведено в работах [4-6].
1.1 Разделение каналов
Разделение каналов многих пользователей на едином пакете частот в режиме защиты от преднамеренных помех путем псевдослучайного переключения рабочих частот (ППРЧ) происходит следующим образом:
- в радиостанциях сети реализуется единое время;
- двоичные датчики случайных чисел (ДСЧ) запускаются синхронно во всех радиостанциях;
- изменение состояния ДСЧ происходит синхронно с окончанием слота - времени, выделяемого на передачу одного пакета данных;
- из перечня разрешённых частот выбирается упорядоченное подмножество из 2 рабочих частот, использующихся для установления соединения, а остальные частоты становятся запасными;
- текущее содержимое K последних бит ДСЧ - R принимает значения от 0 до ^ 1 и определяет циклический сдвиг рабочей частоты нулевого канала;
- текущая частота рабочего канала с номером L определяется как \Я + L|K.
Для предотвращения наложения во времени пакетов (слотов) радиостанций, удаленных от приёмника на различное расстояние, разделяются частоты четных и нечетных слотов. Это сокращает в два раза количество рабочих каналов.
При введении в слоте защитных интервалов, исключающих наложение пакетов различных станций, количество рабочих каналов равно количеству рабочих частот, что удваивает потенциальную производительность сети. Так защитный интервал в 10 мс обеспечивает отсутствие наложений пакетов радиостанций в радиусе 3000 км, что приблизительно соответствует предельной дальности односкачковых трасс. Введение защитных интервалов снижает скорость передачи на коэффициент, равный отношению длины защитного интервала к длине слота.
На рис. 1 приведен трехмерный спектр, поясняющий псевдослучайное частотно-временное разделение сигналов двух пар радиостанций. По оси Y расположены спектры сигнала в канале тональной частоты (КТЧ) на частотах от 0 до 15. Можно видеть различные уровни шума на различных частотах. По оси Х - временные слоты. Длительность одного слота - 50 мс. Число рабочих частот равно 8, то есть К = 3. Заняты два различных канала, поэтому столкновения посылок не происходит.
1.2 Режимы установления соединения Режимы установления соединения определяют порядок использования выделенного радиоканала: симплекс, полудуплекс и дуплекс. В первом режиме происходит вещание одной радиостанции, всем прослушивающим канал. Во втором режиме происходит переключение направления передачи в канале между корреспондирующими радиостанциями по заранее оговорённому таймауту или приёму в потоке данных специального символа, называемого «тангента». В третьем режиме происходит одновременная передача данных между двумя радиостанциями в двух разных каналах на одном пакете частот.
Рис. 1. Трехмерный спектр сигналов двух радиостанций
Быстрое переключение направления передачи в режиме полудуплекс может эмулировать для пользователя установление соединения в режиме дуплекс с вдвое меньшей скоростью. Это обеспечивается за счет временного разделения направления передачи в радиолинии - Time Division Duplex (TDD).
1.3 Установление соединения в режиме радио-АТС Установление соединения в режиме радио-АТС происходит следующим образом. Приёмники станций синхронно переключаются по рабочим частотам вызывного канала с номером «0», который используется для установления соединений. При занятии чужой корреспондирующей парой нулевого канала приёмники сканируют рабочие каналы для определения их свободы или занятости. При возникновении потребности в установлении соединения вызывающая станция дожидается освобождения нулевого канала, затем вызывает корреспондента, повторяя вызов на различных частотах, и переключает направление передачи. После получения ответа корреспонденты уходят с нулевого канала на свободный канал с наименьшим номером. При занятости всех каналов, сеанс связи продолжается на нулевом канале до освобождения одного из занятых.
1.4 Адаптация по рабочим режимам Адаптация по рабочим режимам подразумевает изменение кратности модуляции, ширины полосы, скорости корректирующего кода, мощности передачи или по части названных параметров. В процессе функционирования радиолинии приёмником измеряются:
- дисперсия разброса точек сигнального созвездия на фазовой плоскости IQ, по которой происходит оценка текущего отношения сигнал/помеха (SNR, signal/noise ratio);
- дисперсия оценок сдвигов несущей частоты, определяющая стабильность частотной синхронизации;
- дисперсия оценок сдвигов начала слота, определяющая стабильность временной синхронизации.
Все рабочие режимы упорядочиваются по возрастанию скорости в соответствии с требованиями к значениям указанных параметров. Если текущая оценка параметров позволяет увеличить скорость, то приёмник формирует передатчику корреспондирующего абонента команду на изменение рабочего режима.
1.5 Адаптация по рабочим частотам при установлении соединения Адаптация по рабочим частотам при установлении соединения происходит следующим образом. Передаваемые в пакете данные закрываются корректирующим кодом. На приёме определяется число исправленных в слоте ошибок для каждой частоты отдельно. Если оно приближается к максимальному значению, то принимается решение на замену данной частоты. Резервная частота выбирается из запасных частот.
Процесс адаптации по рабочим частотам поясняет рис. 2. По оси абсцисс обозначены используемые частыfô,..., f15. По оси ординат - номера временных слотов. Поскольку К=3, то количество стартовых рабочих частот - 8. Режим установления соединения -полудуплекс. Первая пара установила соединение и перешла в режим частотной адаптации, в процессе которой частоты f - f3 и f заменены на f8, fn, f12, fi4, fis. Произошел переход соединения на первый канал. Вторая пара находится в режиме установления соединения на нулевом канале, поэтому она использует только стартовые (начальные) частоты f - fi. Совместно всеми радиостанциями используются частоты f4 - f6. За счет использования корреспондирующими парами различных каналов наложения посылок не происходит.
fo fl 6 fj f4 fi fi f7 fs f. flû fil fl! fu fl4 fl!
Рис. 2. Сонограмма псевдослучайного частотно-временного разделения сигналов двух
корреспондирующих пар в процессе частотной адаптации и установления соединения
1.6 Перечень требуемых радиоданных
В соответствии с изложенными выше в описательной форме алгоритмами, для организации функционирования описываемой сети радиосвязи необходимо, в соответствии с единым замыслом, во все радиостанции ввести для каждого направления следующие данные:
- упорядоченный перечень стартовых и запасных частот с указанием количества стартовых частот, находящихся в начале перечня;
- ключ псевдослучайного переключения рабочих частот;
- ключ формирования имитостойкой вставки;
- перечень разрешенных рабочих режимов, определяющий полосы, кратности модуляции и режимы канального кодирования.
В рамках настоящей работы к радиоданным будем относить первый массив в указанном перечне.
Необходимо обеспечить функционирование сетевой системы единого времени, обеспечивающей во всех условиях функционирования для радиостанций сети точность определения текущего времени не хуже ± 1-3 мс.
2 Формализованное описание сети декаметровой радиосвязи и среды распространения
Для формулировки задачи необходимо формализованное описание исследуемой системы радиосвязи.
2.1 Структура сети
Структура рассматриваемой сети пакетной декаметровой радиосвязи определяется следующими параметрами. В сети имеется S радиоцентров. В соответствии с СхОС, в сети Dd - направления передачи данных.
Время занятия передатчиком рабочей частоты называется слотом: Ts Е {Tp; Tp + td }, где Tp - время передачи пакета или длительность посылки, td = const (от 2 до 100 мс) -длительность защитного интервала. Защитный интервал необходим для переключения передатчика на следующую частоту, а также он обеспечивает исключение наложения посылок разноудаленных радиостанций в соседних слотах на одной частоте. Будем полагать время дискретным по слотам передачи. Если защитный интервал меньше времени распространения сигнала на односкачковых трассах, то наложение посылок обеспечивается разделением используемых частот на две группы: для четных и нечётных слотов. Поэтому, количество одновременно устанавливаемых на пакете из Fk частот равно Nk = Fk/ 2. В противном случае, Nk = Fk. В зависимости от режима работы, определяемого шириной полосы низкочастотного (НЧ) сигнала, кратности модуляции и кода, на слоте может передаваться L Е [L\, ..., LV} бит. Скорость передачи в одном радиоканале в пакетах R = 1 / Ts, в битах V = L / Ts.
Коэффициент связности сети С = 2Dd /(S(S - 1)), 0 < С < 1, где S(S - 1)/2 - количество каналов в полносвязной сети. Таким образом, множество параметров, описывающих структуру сети, определяется как а = (S, Dd, Ts, Lp).
2.2 Среда передачи
Среда передачи в сети декаметровой радиосвязи описывается следующими параметрами. В сети разрешено использование Fs - комплекта из Fc частот [4-6], находящихся в разных участках декаметрового диапазона. Ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службой (ИВ ЧДС) при организации функционирования сети, априорно определена матрица вероятностей установления соединения в направлении передачи данных d на частоте f при скорости V:
P (d, f V),
где d Е {1, ..., Dd}, f Е{1, ..., Fc}, а V определено выше. Эти данные могут быть получены путем экспертных оценок, из модели IRI-2012, зондированием рабочих частот, использованием методов зондирования ионосферы, на основе статистики прохождения радиоволн от спутников систем ГЛОНАС, GSM, Галилео и BeeDo, прослушиванием сигналов маркерных станций и станций точного времени, а также другими методами. Динамика изменения матрицы P (d, f, V) во времени в работе не рассматривается ввиду существования периодов стационарности состояния матрицы P, на основе которых решается рассматриваемая задача оптимизации. В соответствии с числом таких периодов, в течение суток, можно подготовить соответствующее число массивов радиоданных. Следует отметить, что описание среды распространения ориентировано на использование в сети определенных типов радиосредств и модемов, поскольку только знание их характеристик позволяет определить значения вероятности для конкретной скорости передачи. Воздействие преднамеренных или системных помех на радиосеть предлагается описать количеством непригодных для каждого направления передачи частот - Fj (d) [2]. Таким образом, среда передачи описывается множеством параметров 5 = (P (d,f V), Fj (d)).
Пример: рассмотрим сеть из пяти радиоцентров с классической топологией «домик на боку», приведенной на рис. 3.
Рис. 3. Топология сети декаметровой радиосвязи (пример)
В сети 12 направлений связи. Для упрощения будем полагать одинаковое качество прохождения сигнала на встречных направлениях (что не всегда имеет место), объединяя их в одно направление. Упорядочим их номера следующим образом: 1 - МС (СМ), 2 - МЕ (ЕМ), 3 - СЕ (ЕС), 4 - МХ (ХМ), 5 - ЕУ (УЕ), 6 - ХУ (УХ). В матрице Р индекс направления будет меняться сверху вниз, а индекс рабочей частоты - слева направо. На сеть выделено 9 рабочих частот. В примере будем полагать, что обмен во всех направлениях ведется только на одной скорости, то есть N = 1. Это позволит представлять матрицы Р двумерными. Данную сеть можно масштабировать как по рабочим частотам, добавлением дополнительных, рядом расположенных по спектру частот, так и по направлениям связи, полагая возможность одновременного параллельного установления соединений между радиоцентрами.
Следует определить четыре возможных типа матриц Р (й, /, V).
Тип 1: радиосеть изотропна по направлениям и радиоканалам. Р (й, V) = Р (V) для всех й и /. Ситуация типична для работы радиосети с антеннами зенитного излучения (АЗИ) на дальности до 600 км на частотах 2...8 МГц или для работы радиосети при отсутствии прогноза по оценке качества радиоканалов. Это может иметь место при отсутствии службы ИВ ЧДС или невозможности достоверного прогноза вследствие чрезвычайных условий. Именно для такого типа сети, были созданы классические алгоритмы множественного доступа, и разработаны протоколы ССР. Возможный вид матрицы Р (пример):
РШ, 1) =
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Тип 2: радиосеть изотропна по направлениям и анизотропна по частотам. Р (й, /, V) = Р (/, V) для всех й. Ситуация типична для работы сети из двух групп абонентов, имеющих локальные области расположения, в которых они связаны между собой альтернативными каналами: провод, оптоволокно, УКВ и прочее. Типичным примером является взаимодействие двух АСУ, разделенных в пространстве: группировка МЧС в районе локального бедствия, взаимодействующая со штабом; группа надводных кораблей в походе, взаимодействующая со штабом флота и прочее.
Возможный вид матрицы Р (пример):
р{А,Г, 1)
0,4 0,6 0,7 0,8 0,0 0,1 0,4 0,7 0,9
0,4 0,6 0,7 0,8 0,0 0,1 0,4 0,7 0,9
0,4 0,6 0,7 0,8 0,0 0,1 0,4 0,7 0,9
0,4 0,6 0,7 0,8 0,0 0,1 0,4 0,7 0,9
0,4 0,6 0,7 0,8 0,0 0,1 0,4 0,7 0,9
0,4 0,6 0,7 0,8 0,0 од 0,4 0,7 0,9
Тип 3: радиосеть изотропна по частотам и анизотропна по направлениям. Р (ё, / V) = Р (ё, V) для всех /. Это разновидность радиосети типа 1 при наличии сосредоточенных по направлениям помех искусственного или естественного происхождения. Возможный вид матрицы Р (пример):
0,4 0,0 0,9 ; 5 • 0,4 0,7
Тип 4: сеть анизотропна по направлениям и частотам (общий случай). Степень анизотропии существенно влияет на эффективность функционирования сети. Гипотетически возможны варианты фрагментации сети на несколько независимых подсетей или направлений радиосвязи: для различных групп направлений связи все рабочие частоты различны. Возможный вид матрицы Р (пример):
0,0 0,0 0,0
•
0,0 0,8
Для различных групп направлений связи пригодны различные частоты. Физика данного явления может объясняться просто. Области отражения трасс для первой группы радионаправлений {1, 2, 3} находятся в одном районе. Все трассы односкачковые с примерно одинаковыми дальностями. Текущее время - день. Оптимальные частоты будут лежать в одном участке спектра от 9 до 16 МГц. Радионаправления второй группы {4, 5} имеют большую протяженность трасс. Для них оптимальными будут частоты выше 20 МГц. Радионаправление(я) третьей группы {6} находится в другом районе. Для него текущее время - ночь. Оптимальны частоты от 2 до 9 МГц.
Нулевая вероятность установления соединения за пределами указанных диапазонов в трех выделенных группах радионаправлений - некоторая натяжка, преднамеренно внесенная в данный пример для иллюстрации влияния анизотропии рабочих частот в рассматриваемой радиосети. Тем не менее, приведенный вид матрицы Р четвертого типа фактически указывает, что в сети должны готовиться три комплекта радиоданных, назначаемых для различных групп направлений связи. Для радиоцентра М должны назначаться радиоданные 1 и 2 групп, для радиоцентра С - только первой группы, для радиоцентра У - 2 и 3 групп.
2.3 Нагрузка и требования к её обслуживанию
Поступающая в сеть нагрузка определяется следующими параметрами. Среднее число сообщений, поступающих в сеть в единицу времени (слот) 0 < Ат < Д/, нормированное число сообщений 0 < X < 1, где X = Ат / Д/. Поток сообщений стохастический без памяти, направление передачи данных, в которое поступает сообщение, выбирается случайно. Закон распределения времени между окончанием и возникновением сообщений - геометрический (экспонента в дискретном времени). Математическое ожидание и дисперсия длин сообщений, нормированные по длине пакета - Мт и Дт. Требуемое время доставки пакета в сети - Т^ Требуемая вероятность доставки пакета в сети - Рг. Множество параметров, описывающих нагрузку в сети и требования к её обслуживанию, определяется как в = (Ат, Мт, Дт, Т/, Рг)•
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7
0,8 0,9 0,8 0,7 0,0 0,0 0,0 0,0
0,7 0,8 0,9 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0
0,9 0,7 0,7 0,8 0,0 0,0 0,0 0,0
0,0 0,0 0,0 0,0 0,4 0,3 0,5 0,0
0,0 0,0 0,0 0,0 0,6 0,4 0,5 0,0
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,9
2.4 Выбор группы рабочих частот и алгоритм множественного доступа
Назначение радиоданных: закрепление ГРЧ за направлениями передачи или подсетями в рассматриваемой радиосети и АМД целесообразно рассматривать и оптимизировать совместно.
В рассматриваемой технологии ППРЧ из комплекта Fs из Fc частот для каждого направления передачи d производится упорядоченная выборка пакета рабочих частот FBd, в котором на первых местах находится Fb (d) стартовых частот, на которых происходит установление сеансов связи. Радиоданные сети определяют множество упорядоченных выборок частот, с указанием количества стартовых частот FB = {FBk, Fk}, k G {1,..., Nf}, где Nf
- количество ГРЧ в сети, которое может меняться от 1 до Dd. Если комплекты FBd и FBg совпадают для d±g, то направления d и g работают на одной ГРЧ. Если не совпадают, то эти направления находятся в разных ГРЧ. Как было указано выше в п. 1.1, Fd и наличие защитного интервала определяет, сколько радиоканалов может одновременно работать в ГРЧ с номером k.
Предлагается рассмотрение двух вариантов построения АМД.
Вариант 1: метод доступа с контролем занятости (МДКЗ) [3]. Процедура доступа состоит в разделении канала доступа на Nk каналов и выбора Pu вероятности занятия свободного канала. Приёмники радиостанций должны контролировать все каналы. При возникновении заявки на установление соединения, радиостанция выбирает один из свободных каналов, и с вероятностью Pu принимает решение о его занятии до начала слота. Если решение отрицательное, то в этом же временном слоте выбирается следующий свободный канал. Процедура повторяется до последнего свободного канала. В случае отрицательного результата, станция доступа ожидает следующий слот, и процедура повторяется. Возникновение коллизии, то есть столкновения пакетов различных станций определяется по отсутствию квитанции об установлении соединения со стороны вызываемого абонента. После детектирования коллизии процедура возобновляется.
МДКЗ обеспечивает высокую производительность сети в условиях взрывной и регулярной нагрузки. Его производительность (доля обслуженной нагрузки) для любого трафика выше 0,868 [3]. Это характеристика жесткого МДКЗ, без адаптивного снижения Pu при возникновении пучностей трафика. Гибкий МДКЗ с большей производительностью не рассматривается, ввиду произвольного увеличения в нем времени занятия канала. При малых нагрузках и большом числе свободных каналов велика вероятность немедленного занятия. При высоких нагрузках вероятность занятия автоматически становится меньше. Во всех случаях вероятность коллизии невысока.
Вариант 2: метод доступа «Радио-АТС», широко используемый в системах спутниковой связи. Метод подразумевает выделение из Nk каналов служебного канала для передачи заявок на установление соединения в режиме множественного доступа по протоколу CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) с настойчивостью занятия Pu и последующим детерминированным предоставлением свободного рабочего канала на время сеанса. Радиостанции наблюдают в эфире только служебный (вызывной) канал. Свободный рабочий канал определяется вызывающей радиостанцией. При занятости всех рабочих каналов, может быть разрешено использование служебного канала как рабочего на один сеанс. В процессе сеанса связи вызывающая станция обязана контролировать процесс освобождения рабочих каналов для перехода в первый освободившийся рабочий канал и предотвращение блокировки фрагмента сети на данной ГРЧ.
Для начала сеанса связи должно произойти два события: занятие служебного канала, верное детектирование наличия свободного рабочего канала для его использования. Производительность такой системы растет с увеличением длительности сеансов связи, с её уменьшением она снижается до производительности жесткого варианта протокола CSMA-CD
- 0,531. Гибкий CSMA-CD или МДКН в терминах работы [3] имеет производительность выше до 0,81, однако, не рассматривается ввиду произвольного увеличения в нем времени занятия канала.
Априорно представляется, что МДКЗ имеет преимущество перед системой радио-АТС. В сети радиосвязи указанные выше параметры АМД определяются следующим образом: радиостанция при работе в направлении ё может занять один из Ык свободных радиоканалов, образуемых к ГРЧ, назначенной для обслуживания данного направления. Интенсивность занятия определяется вероятностями Ри = {Ри (к)}, к £ {1,..., Ы/}, оптимизируемыми для каждой ГРЧ. В процессе установления и ведения связи в каждом направлении связи, частоты могут заменяться независимо, однако, число используемых частот для каждого направления остается прежним.
Таким образом, множество параметров алгоритма множественного доступа и назначения радиоданных есть у = (РВ, Ри). Эти параметры являются предметом оптимизации.
3 Оценка эффективности функционирования сети декаметровой радиосвязи с ППРЧ
Для оценки эффективности функционирования сети представляется достаточным использование следующих показателей качества.
1) Вероятность своевременной доставки пакета в направлении ё за требуемое время
Р/ (а, в, у, 5) = Р/ (Р)*РС (а, в, у, 5^ (а, в, 5), где Р/ (в) - вероятность наличия свободного канала при возникновении заявки за требуемое время,
Рс (а, в, У, 5) - вероятность установления соединения в направлении,
Рё (а, в, 5) - вероятность отсутствия разрыва соединения за время передачи пакета.
2) Производительность сети Рп (а, в, У, 5) £ [0,1] - доля пакетов, переданных своевременно.
В соответствии с методом выбора доминирующего показателя качества, наиболее обоснованным представляется выбор производительности сети в качестве показателя эффективности функционирования сети радиосвязи при ограничении на вероятность своевременной доставки пакета:
где Тт (а, в, У, 5) - среднее время доставки пакета в направлении ё, V (а, 5) - скорость передачи в направлении ё на выбранных частотах.
Это и есть формулировка задачи анализа рассматриваемой системы радиосвязи.
4 Задача оптимизации алгоритма множественного доступа и назначения радиоданных
Задача оптимизации параметров сети радиосвязи или задача синтеза состоит в определении:
у* = а^ тах5), если Рй(а,р,у, 5) > РлУЛ
уеУ
Заключение
Предложенный подход позволяет построить формализованную модель, направленную на решение задачи параметрического синтеза алгоритма множественного доступа и назначения радиоданных для сети декаметровой радиосвязи, функционирующей в режиме ППРЧ. Он разделяет группы параметров, описывающих структуру сети, среду передачи, поступающую нагрузку и, собственно, алгоритм множественного доступа и назначения радиоданных. Такое разделение позволяет, при необходимости, выполнить независимую корректировку исходных данных по любой из названных четырех составных частей.
Представлена общая формулировка задач анализа и синтеза рассматриваемой системы связи, которая является методической основой для построения математической модели функционирования и разработки методики оптимизации параметров алгоритма множественного доступа и назначения радиоданных в сети декаметровой радиосвязи, функционирующей в режиме ППРЧ.
На основе общей формулировки возможна постановка частных задач, например:
- задачи построения сети, использующей только одну ГРЧ;
- задачи построения сети с постоянно закрепленными за направлениями радиоканалами ГРЧ;
- задачи оптимизации радиоданных при заранее заданном алгоритме множественного доступа;
- рассмотренной выше задачи оптимизации с ограничениями по дополнительно вводимым показателям качества функционирования сети.
Отдельному подробному рассмотрению подлежат возможные варианты:
- поиска и определения ключевой для данной работы матрицы P(d,f V);
- решения рассмотренной задачи оценки эффективности функционирования сети декаметровой радиосвязи с ППРЧ;
- решения приведенной выше задачи совместной оптимизации алгоритма множественного доступа и назначения радиоданных.
Литература
1. Recommendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionosfpheric cannel simulators, 2000: [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int.
2. Путилин А.Н. Модель взаимодействия линии радиосвязи и станции радиоэлектронного подавления / Доклад на конф. «Региональная информатика-2012», 24-26 октября 2012 г. -СПб.: СПОИСУ, 2012.
3. Бунин С.Г., Войтер А.П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. - Киев: Тэхника, 1989. - 129 с.
4. Хвостунов Ю.С. Реализации сетевой синхронизации в автоматизированной сети радиосвязи декаметрового диапазона. Техника средств связи. 2020. № 2 (150). С. 63-70.
5. Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С. Концепция телекоммуникационной технологии сети дальней радиосвязи // Материалы XI Санкт-Петербургской Международной конференции «Региональная информатика-2010», Санкт-Петербург, 20-22 октября 2010 г.
6. Гук И.И., Путилин А.Н., Сиротинин И.В., Хвостунов Ю.С. Адаптивная система декаметровой радиосвязи с полнодиапазонной псевдослучайной перестройкой рабочей частотой. Предварительные результаты трассовых испытаний ее фрагмента // Материалы VI Санкт-Петербургской Межрегиональной конференции «Региональная информатика-2011», Санкт-Петербург, 26-28 октября 2011 г.
References
1. Recommendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionosfpheric cannel simulators, 2000: URL: https://www.itu.int.
2. Putilin A.N. Model' vzaimodejstviya linii radiosvyazi i stancii radioelektronnogo podavleniya [Model of interaction between a radio communication line and an electronic suppression station]. Report on the conf. "Regional Informatics 2012," October 24-26, 2012 - St. Petersburg: SPOISU, 2012 (in Russian).
3. Bunin S.G., Voiter A.P. Vychislitel'nye seti s paketnoj radiosvyaz'yu [Computing networks with packet radio communication] - Kiev: Tehnika, 1989. - 129 s. (in Russian).
4. Khvostunov Yu.S. Realizacii setevoj sinhronizacii v avtomatizirovannoj seti radiosvyazi dekametrovogo diapazona [Implementation of network synchronization in the automated radio network of the decameter range]. Means of communication equipment. 2020. No 2 (150). Pp. 63-70 (in Russian).
5. Putilin A.N., Khvostunov Yu.S. Koncepciya telekommunikacionnoj tekhnologii seti dal'nej radiosvyazi [Concept of telecommunications technology of long-distance radio communication network]. Materials of the XI St. Petersburg International Conference "Regional Informatics" RI-2010, "St. Petersburg, October 20-22, 2010 (in Russian).
6. Guk I.I., Putilin A.N., Sirotinin I.V., Khvostunov Yu.S. Adaptivnaya sistema dekametrovoj radiosvyazi s polnodiapazonnoj psevdosluchajnoj perestrojkoj rabochej chastotoj. Predvaritel'nye rezul'taty trassovyh ispytanij ee fragmenta [Adaptive system of decameter radio communication with full-range pseudo-random rearrangement of working frequency. Preliminary results of track tests of its fragment]. Materials of the VI St. Petersburg Interregional Conference "Regional Informatics" RI-2011, "St. Petersburg, October 26-28, 2011 (in Russian).
Статья поступила 05 августа 2020 г.
Информация об авторах
Панин Роман Сергеевич - Адьюнкт Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М.Буденного. Тел.: +7 (952) 373-50-71. E-mail: Zzz822@mail.ru.
Путилин Алексей Николаевич - Доктор технических наук, профессор. Главный научный сотрудник научно-технического центра ПАО «Интелтех». Тел.: +7 (812) 448-19-01. E-mail: PutilinAN@inteltech.ru.
Хвостунов Юрий Сергеевич - Кандидат технических наук. Заместитель начальника научно-технического центра ПАО «Интелтех». Тел.: +7 (812) 448-96-30. E-mail: HvostunovYS@inteltech.ru.
Use of frequency resource by decameter communication system in pseudorandom operation frequency
tuning mode
R.S.Panin, A.N. Putilin, Yu.S. Khvostunov
Annotation. The article deals with the formulation of the problem ofjoint optimization of the choice of operating frequencies and parameters of the multiple access algorithm for a decameter communication network. The mode of frequency-hopping spread spectrum (FHSS) with time-frequency separation of radio channels of different subscribers is investigated. In radio communication systems with FHSS, there is no traditionally used assignment of operating frequencies to radio lines, which makes the existing methods of assigning operating frequencies ineffective. The aim of this work is to formulate the problem of joint optimization of operating frequencies and parameters of the multiple access algorithm in the decameter radio network. Theoretical and practical groundwork in the field of digital data transmission over a decameter communication channel is used. The novelty of the work consists in the formulation of the problem of joint optimization of the choice of operating frequencies and parameters of multiple access algorithms. The practical result of the work is determined by the emerging possibility of automating the process of preparing radio data in an automated communication control system. Also, the group use of frequencies provides a significant increase in the efficiency of the decameter radio network.
Keywords: decameter radio communication; pseudorandom tuning of the operating frequency; frequency resource; multiple access algorithm.
Information about authors
Panin Roman Sergeevitch - Adjunct of the Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny. Tel. +7 (952) 373-50-71. E-mail: Zzz822@mail.ru.
Putilin Alexey Nikolaevith - Doctor of technical Sciences, Professor. Chief research officer of the scientific and technical center of PJSC «Inteltech». Tel.: +7 (812) 448-19-01. E-mail: PutilinAN@inteltech.ru.
Khvostunov Yuri Sergeevith - Candidate of technical Sciences. Deputy head of the scientific and technical center of PJSC «Inteltech». Tel.: +7 (812) 448-96-30. E-mail: HvostunovYS@inteltech.ru.
Для цитирования: Панин Р.С., Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С. Использование частотного ресурса системой декаметровой связи в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты // Техника средств связи. 2020. N° 3 (151). С. 2-13.
For citation: Panin R.S., Putilin A.N., Khvostunov Yu.S. Use of frequency resource by decameter communication system in pseudorandom operation frequency tuning
mode. Means of communication equipment. 2020. No 3 (151). Pp. 2-13 (in Russian).
