CC BY
192
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЛИНИИ РАДИОСВЯЗИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧИХ ЧАСТОТ
MATHEMATICAL MODEL OF EVALUATION OF RELIABILITY OF TELECOMMUNICATION SYSTEM THAT USE WIRELESS COMMUNICATION WITH PSEUDO ACCIDENTIAL RECONSTRUCTION OF WORKING FREQUENCIES
В данной статье представлена модель оценки надежности информационнотелекоммуникационной системы, использующей линии радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочих частот, позволяющая учесть надежность технических устройств, технической эксплуатации и среды передачи сигналов в условиях воздействия преднамеренных и взаимных помех.
The model of evaluation of reliability of telecommunication system that use wireless communication with pseudo accidential reconstruction of working frequencies which let consider reliability of (technical) gadgets, technical operation and range of broadcast under influence of premeditated and mutual interferences is offered in this article.
Создание высоконадежных информационно-телекоммуникационных систем (ИТКС) для подразделений силовых структур, предполагающих функционирование в сложной оперативной обстановке при условии активного противодействия со стороны противника (криминальных структур), обуславливает необходимость разработки математических моделей, позволяющих максимально точно учесть возможные деструктивные воздействия на ИТКС в процессе их эксплуатации и исследовать возможности и эффективность управления параметрами ИТКС в интересах обеспечения требуемой надежности.
Целью данной статьи является разработка моделей надежности ИТКС, использующих линии радиосвязи (ЛРС) с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Надежность ИТКС, использующей ЛРС с ППРЧ, определяется структурой (схемой организации связи) ИТКС и надежностями образующих ее ЛРС, которые, в свою очередь, зависят от надежности технических средств, технической эксплуатации и среды передачи сигнала этих ЛРС.
*т — КглрсД (1)
где КглРС' — коэффициент готовности ЛРС, i=l(l)NjiPC, Njipc — количество ЛРС, образующих ИТКС, — оператор оценки структурной надежности ИТКС. В свою очередь
Яглрс ~~ ^гтс^гтэКгспс, (2)
где Kf тс — коэффициент готовности технической составляющей ЛРС;
— коэффициент готовности персонала ЛРС к технической эксплуатации;
— коэффициент готовности среды распространения сигнала ЛРС.
Таким образом, модель оценки надежности ИТКС с ППРЧ должна содержать четыре основных блока (рис. 1).
1.Оценка структурной надежности ИТКС с ППРЧ Кг=Бстр(Кглрсі) /i=1(1)Nnpc
----------------------------------------------------------------------------------------------
,-------------------------------------------------------------------------------------------,
2.Оценка надежности ЛРС Кглрс = Кгтс Кгэ Кгспс
А А А
3.Оценка 4.Оценка 5.Оценка
надежности надежности надежности
технической технической среды передачи
составляющей эксплуатации сигнала Кгспс
і----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nnpc
Рис.1. Модель оценки надежности ИТКС с ППРЧ
Структурная надежность ИТКС определяется надежностью составляющих ее ЛРС, наличием параллельных каналов, дублированием передаваемых сообщений и т.п. В случае последовательного соединения і ЛРС
(3)
(4)
А'г - П?=1Кп , а при параллельном соединении
кт- і-п^а-кл).
В качестве основных типовых структур ИТКС следует рассматривать следующие:
1) линии прямой радиосвязи
*nz *r JJPC1Z і
2) ИТКС с ретрансляцией и резервированием, например
Ктп= 1-(1-К гЛРСіз К глрсзг) (І-Л' гЛРСіг) (1-К глрсм К гЛРС4г); (5)
3) ИТКС на базе систем общего пользования (системы мобильной или транкинговой связи, телефонная сеть и т.п.)
Система связи общего пользования
^ ГІ2 — К ,14 К К
г13 л г42 гССОП.
Надежность технической составляющей ЛРС — это надежность радиостанций, составляющих линию радиосвязи.
Аг ТС ~~ ^гТСРС1^гГСРС2- (6)
В свою очередь, надежность радиостанций определяется надежностью
составляющих их технических устройств: надежностью приемопередающего устройства
(К гппу), ИСТОЧНИКОВ питания {К гип), коммутирующих устройств (К гку), антенны (^гАнт):
Лг PC К
г ППУ^г
г КУРГАНІ
(7)
2
Значения вышеназванных показателей задаются на этапе разработки и реализуются на этапе производства с учетом используемых схемных решений и надежности комплектующих [1].
Надежность технической эксплуатации ЛРС определяется умением и готовностью операторов выполнять свои функции в различных условиях оперативной обстановки. Поскольку ЛРС включает две радиостанции, то
кттъ ~ ^гтэсп^гтэсгг (8)
Коэффициент готовности персонала может быть оценен на основе статистических данных, полученных в ходе учений и тренировок, либо с использованием метода экспертных оценок.
Надежность среды передачи сигнала определяется готовностью среды к доставке сигнала от передающей радиостанции до принимающей с необходимым качеством. Организация связи предполагает обеспечение требуемого значения коэффициента готовности, т.е.
Кг - КгТР- (9)
При этом наличие связи предполагает обеспечение как энергетического, так и информационного критериев
«г - КгЭйКгНн* (Ю)
Обязательным условием наличия связи является обеспечение требуемого уровня сигнала Рс.тр (отношения сигнал/помеха Рс/Рп) в точке приема ЛРС (энергетический критерий), т.е.
КтЗу.~р(Гс > ^р). (П)
Поскольку в процессе передачи сигнала на него воздействуют помехи, часть сигнала теряется. Для обеспечения требуемой надежности необходимо обеспечить, чтобы доля сигнала, пораженная помехами, не превышала допустимое значение (информационный критерий), т.е.
ДОчек. — Рчик,—дин э (12)
где — вероятность частотно-временного контакта сигнала и помехи, численно равная доле сигнала, пораженной помехой [2].
В свою очередь, коэффициент готовности равен доле сигнала, не пораженной помехами
КгЦнф - 1 -Ршк , (13)
а допустимое значение вероятности частотно-временного контакта помехи и сигнала
Рчвк-дгш ^тТР , (14)
При этом следует помнить, что помехи на входе приемного устройства ЛРС складываются из взаимных помех (ВП), возникающих в зоне радиовидимости, и преднамеренных помех, создаваемых средствами помех (СП) противника.
Аек _ ^'ШКВП ^ЧИЖСП — ^чшгВГТ^шигГП, (15)
где /'чвьбп и ^чнксп — вероятности частотно-временного контакта сигнала с взаимными и преднамеренными помехами, соответственно.
Для телефонных систем связи коэффициент готовности, а значит и допустимое значение вероятности частотно-временного контакта сигнала и помехи, определяется требованиями к разборчивости принимаемого сигнала (для цифровых систем радиосвязи — допустимым значением вероятности ошибки p0ш-д0n) и, в общем случае, зависит от требований, предъявляемых
ИТКС, от избыточности используемого кодирования, наличия перемежения символов и т.п.
Оценка надежности среды передачи радиосигнала предполагает учет взаимных помех, создаваемых другими ИТКС, работающими в зоне радиовидимости, учет возможностей противника по радиопротиводействию работе ИТКС, а также учет возможностей ИТКС по повышению надежности связи за счет управления своими параметрами.
Необходимость управления параметрами сигналов в ИТКС в интересах обеспечения требуемой надежности возникает, как правило, в случае
радиопротиводействия (РП). Поэтому модель оценки надежности среды передачи сигнала в ИТКС с ППРЧ при воздействии преднамеренных помех должна включать в себя модель системы радиопротиводействия, которая обеспечит номенклатуру управляемых параметров передаваемых сигналов, а также
диапазонов возможного их изменения с учетом технических возможностей ИТКС и требований к связи.
Модель, в интересах определения допустимых пределов изменения
исследуемых параметров, при которых электромагнитное противодействие неэффективно, должна обеспечивать расчет границ эффективного применения систем радиопротиводействия. Также модель должна позволять осуществлять расчет оптимальных в условиях радиопротиводействия значений управляемых параметров передаваемых сигналов с целью обеспечения надежности. Кроме того, модель должна обеспечивать проведение исследований, выявление зависимостей и обоснование предложений и рекомендаций по совершенствованию ИТКС, средств связи и методов их применения для обеспечения требуемой надежности.
С учетом сказанного структура математической модели исследования
надежности среды передачи сигналов ИТКС с ППРЧ должна содержать пять основных блоков (рис. 2).
Рис. 2. Структура математической модели исследования надежности среды передачи сигналов ИТКС с ППРЧ
Обоснование номенклатуры и потенциальных границ варьирования управляемых параметров ИТКС, средств связи и передаваемых сигналов осуществляется на этапе их проектирования. При этом решение по каждому управляемому параметру должно приниматься с учетом целого ряда факторов, к которым относятся:
- технологические возможности реализации управления параметром в разрабатываемых ИТКС и средствах связи;
- возможность получения необходимой информации для управления параметром в интересах повышения надежности;
- влияние варьирования параметра на функционирование ИТКС;
- результаты оценки эффективности управления параметром, как меры повышения надежности;
- экономическая целесообразность и др.
Функционирование ИТКС с ППРЧ в условиях меняющейся радиоэлектронной обстановки и радиопротиводействия сопровождается действиями по выбору управляемых параметров и обоснованием (расчетом, подбором) их значений, обеспечивающих требуемую надежность. При этом также следует учитывать целый ряд факторов, таких как
- эффективность применяемой меры обеспечения надежности;
- точность и оперативность получения исходных данных для принятия решения по управлению параметром;
- влияние применяемой меры на надежность ИТКС и т.д.
Функционирование ИТКС с ППРЧ предполагает коллективное использование частот, то есть одновременно различные ЛРС работают в пределах взаимной радиовидимости на одном наборе частот, используя при этом различные программы перестройки по частотам. Это приводит к тому, что с некоторой интенсивностью возникают ситуации, когда на одной и той же частоте одновременно излучаются сигналы двух и более ЛРС. В этом случае в приемных трактах ЛРС возникают взаимные (внутрисистемные) помехи.
Взаимные помехи негативно влияют на надежность ИТКС. Их учет необходим при проектировании ИТКС и средств связи, а также при принятии решений о мерах повышения надежности в процессе их эксплуатации.
При проектировании новых ИТКС и для оценки ожидаемых взаимных помех необходимо использовать методы имитационного моделирования, учитывать перспективы развития и внедрения ИТКС и техники связи.
При функционировании ИТКС взаимные помехи могут быть оценены с помощью средств контроля интенсивности использования частот в диапазоне ИТКС.
При решении оперативно-значимых задач сотрудники ОВД могут столкнуться с радиопротиводействием. В качестве средств создания преднамеренных помех, в зависимости от «цены вопроса», возможно использование средств связи, генераторов шума, а также специализированных средств помех и даже комплексов радиоэлектронной борьбы.
Очевидно, что лица, осуществляющие радиопротиводействие, будут иметь специальные знания и умения в данной области. Именно поэтому сотрудники ОВД, столкнувшись с проблемой радиопротиводействия, должны иметь возможность обеспечить надежную связь. Это может быть достигнуто не только наличием у сотрудников ОВД соответствующих знаний, но и наличием возможности оперативного управления параметрами ИТКС, средств связи, используемых сигналов.
При проектировании ИТКС и средств связи необходимо учитывать перспективы развития средств радиопротиводействия и их потенциальные возможности по созданию преднамеренных помех. Результаты учета потенциальных возможностей средств РП должны лечь в основу реализуемых в ИТКС и средствах связи возможности по управлению их параметрами в интересах обеспечения требуемой надежности связи.
Для оценки потенциальных возможностей средств помех необходимо построить математическую модель радиопротиводействия, позволяющую оценивать эффективность реализации всех известных способов радиопротиводействия за счет оптимизации параметров помех.
С этой целью модель радиопротиводействия должна обеспечивать:
1. Обоснование способов РП, номенклатуры и пределов изменения управляемых параметров средств РП и помех.
2. Оценку потенциальных возможностей РП (оптимизацию параметров средств РП).
3. Выявление перечня исходных данных об ИТКС, необходимых для эфф ективного радиопротиводействия.
Следует отметить, что перечень исходных данных об ИТКС, необходимых для эффективного радиопротиводействия, должен быть учтен при проектировании ИТКС, а именно при обосновании требований к разведзащищенности ИТКС.
Рассчитанные в блоках 2—3 предлагаемой модели (рис. 2) ограничения, накладываемые на допустимые диапазоны варьирования параметров ИТКС, средств связи и передаваемых сигналов, обоснованных в блоке 1, позволяют определить области варьирования, в которых гарантированно обеспечивается требуемая надежность ИТКС. Если такая область варьирования исследуемого параметра существует, то выбор любого значения из найденного диапазона удовлетворяет требованиям надежности. Если такой диапазон для исследуемого параметра не найден, следует изучить другие параметры ИТКС, средств связи или используемых сигналов. Если и эта мера не позволит найти приемлемые значения управляемых параметров, следует применить дополнительные меры обеспечения надежной связи (в т.ч. изменить структуру ИТКС), либо использовать другие ИТКС. Если и эта мера не позволит найти приемлемые значения управляемых параметров, следует изменить вид связи с целью понижения требования к надежности связи.
Разработка рекомендаций по совершенствованию ИТКС и средств связи в интересах обеспечения требуемой надежности в процессе их создания осуществляется по результатам проводимого моделирования. Использование моделей, подобной представленной в данной работе, позволяет осуществить поиск параметров ИТКС и средств связи и их значений, управление которыми обеспечивает требуемую эффективность решаемых задач (в данном случае обеспечение требуемой надежности в условиях воздействия взаимных и преднамеренных прицельных помех).
В свою очередь, управление выбранными параметрами требует реализации в создаваемых средствах (системах) соответствующих режимов функционирования.
Кроме того, в процессе проведения расчетов (в том числе за противника), как правило, проявляются слабые места исследуемых систем и средств, что также позволяет делать выводы о целесообразных направлениях их совершенствования.
Предложенная модель позволяет оценить надежность применяемых силовыми структурами информационных телекоммуникационных систем, использующих линии радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, вызванной совместным использованием частот и активным радиопротиводействием со стороны противника.
ЛИТЕРАТУРА
1. Половко А. М., Гуров С.В. Основы теории надежности. — 2- е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 704 с.
2. Обухов А. Н. Частотно-временные аспекты защиты информации в системах радиосвязи: монография. — М.: Экслибрис-Пресс, 2008. —212 с.
