CC BY
16
Sokolovskaya Maria Vladislavovna, senior lecturer, mary@guap.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP)
УДК 621.396.24
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-133-138
ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ АЛГОРИТМА МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА К ГРУППЕ АНИЗОТРОПНЫХ РАДИОКАНАЛОВ
Р.С. Панин
Статья посвящена изучению особенностей обеспечения множественного доступа в перспективных проектируемых в интересах обороноспособности и безопасности государства сетей декаметровой (ДКМ) радиосвязи специального назначения (СДРС СН). Предполагается, что доступ станций к канальному ресурсу сети осуществляется по методу множественного доступа с контролем занятости. Предложены к рассмотрению основные особенности построения и функционирования СДРС СН, функционирующей при коллективном использовании выделенного частотного ресурса в режиме псевдослучайной перестройки частоты (ППРЧ). Исследованы проблемные вопросы и предложена методика выбора параметров алгоритма множественного доступа к группе коллективно используемых радиоканалов.
Ключевые слова: декаметровая радиосвязь, псевдослучайная перестройка рабочей частоты, частотный ресурс, алгоритм множественного доступа.
В настоящее время к современным системам радиосвязи автоматизированными системами управления специального назначения предъявляются высокие требования по обеспечению достоверности, своевременности и скрытности передачи информации. При этом становится актуальным решение задач повышения организационно-технических возможностей автоматизированных систем ДКМ радиосвязи. Целый ряд технико-экономических и эксплуатационных достоинств декаметровой радиосвязи (оперативность, гибкость, быстрая восстанавливаемость, дешевизна) несмотря на ее известные недостатки (относительно малая пропускная способность, зависимость качества связи от условий распространения радиоволн, подверженность различного рода помехам) обусловливает необходимость (целесообразность) не только сохранения этого вида связи в качестве одного из основных средств, но и как важнейшего резерва при обеспечении эффективного и устойчивого функционирования современных территориально распределенных систем управления в случаях выхода из строя или восстановления других видов связи [1, 2].
Одной из главных тенденций развития и совершенствования системы ДКМ радиосвязи является автоматизация управления процессами установления связи и ведения радиообмена применительно к отдельным линиям, а также к радиоцентрам и сетям радиосвязи в целом. Внедрение на радиоцентрах автоматизированных систем контроля и управления радиосвязью позволяет повысить оперативность функционирования радиоцентров и сетей в целом и достигнуть требуемых технико-эксплуатационных характеристик радиосвязи.
Другой важнейшей тенденцией развития системы ДКМ радиосвязи является переход от традиционных, морфологически безызбыточных структур сетей, основанных на применении закрепленных прямых каналов радиосвязи между пользователями, к распределенным многосвязным, динамически управляемым системам множественного доступа (СМД) с возможностью образования обходных путей передачи сообщений через радиоцентры-ретрансляторы. Реализация таких сетевых структур при автоматизации процессов установления и ведения связи, коммутации пакетов на радиоцентрах, а также организации адаптивной маршрутизации информационных потоков существенно повысит своевременность доставки сообщений потребителям при обеспечении требуемых показателей структурной устойчивости сетей радиосвязи. В такой СМД возможна организация не только прямых линий радиосвязи, но и различных обходных маршрутов, где каждый из радиоцентров способен выполнить функцию радиоцентра-ретранслятора. Основными особенностями и преимуществами такой сети являются:
многосвязность структуры сети и возможность ее изменения при воздействии различных факторов в динамике ведения связи;
возможность управления различными видами ресурсов такой сети (частотным, аппаратурным, энергетическим и др.), позволяющая обеспечить повышение пропускной способности линий, радиоцентров и сети радиосвязи в целом;
организация связи при помощи прямых и составных радиоканалов с использованием радиоцентров-ретрансляторов;
автоматизация и алгоритмизация управления параметрами и режимами работы сети радиосвязи в динамике ее функционирования при воздействии различных дестабилизирующих факторов [3, 4, 5].
В качестве частного примера реализации такого подхода можно привести самоорганизующиеся сети радиосвязи с децентрализованным управлением, не имеющие постоянной структуры. При наличии доступности, любые радиостанции могут соединяться в произвольном порядке. Каждая абонентская радиостанция может быть ретранслятором, динамически определяя направления пересылки чужих данных. Частотный ресурс при этом используется коллективно.
В существующих системах декаметровой радиосвязи применяются два способа использования частотного ресурса: децентрализованный, когда за каждой радиолинией закрепляются назначенные ей частоты, и централизованный, при котором частоты, выделенные для группы радиолиний, составляют общий для этой группы ресурс, и каждая из указанных частот может быть использована для связи в любой радиолинии данной группы. В случае децентрализованного использования, управление частотными ресурсами в каждой радиолинии осуществляется независимо от других радиолиний, например, методами частотной адаптации. При централизованном использовании частотного ресурса, управление им может осуществляться путем оптимального назначения частот радиолиниям на время их работы с возможностью перераспределения их в группе функционирующих радиолиний.
Существенное повышение эффективности функционирования АСРС может быть достигнуто комбинированным применением этих способов при использовании всеми станциями сети сигналов с последовательным расширением спектра, то есть систем радиосвязи с ППРЧ. Эти системы используют для установления соединения не одну частоту, а группу стартовых рабочих частот. Вероятность наличия для любого направления связи хотя бы одной пригодной рабочей частоты растет с увеличением числа стартовых частот [6].
Аналитическое выражение вероятности связи Рсв I на группе рабочих частот в радиолинии:
р
Рсв I = 1 -па - р), (1)
I=1
где Рг - вероятность связи на одной из Рст стартовых частот.
Таким образом, вероятность связи можно представить выражением:
Рсв = 1 -П (1 - Рсв I), (2)
I=1
где Ь - количество радиолиний в которых требуется установить связь.
Классические алгоритмы множественного доступа к общему ресурсу не учитывают особенностей функционирования систем ДКМ радиосвязи, одной из которых является анизотропия [7, 8]. Анизотропия радиоканалов декаметрового диапазона обусловлена отражением радиоволн от ионосферы, в результате чего одни и те же рабочие частоты обеспечивают различные уровни сигнала на приёме в разных направлениях связи. Выбор группы рабочих частотных каналов для установления и поддержания соединения в сети режима ППРЧ и алгоритм множественного доступа, определяющий порядок их использования, непосредственно связаны и взаимно зависимы [9]. Данное обстоятельство требует учета пригодности каждого рабочего частотного канала для установления соединения в различных направлениях, которая может быть обусловлена состоянием ионосферы, взаимным положением корреспондирующих радиостанций (КРС).
Обычно на практике при оценке эффективности распределения частотного ресурса в линиях радиосвязи аналитическими методами по своевременности используют частный показатель - вероятность установления связи при выполнении требований по достоверности Рус(^>Одоп) [10]. Задача оптимального распределения частотного ресурса при коллективном
использовании группы анизотропных каналов сводится к определению вектора оптимального распределения частот Р (/¡, /2,---/к) в группу из к рабочих частот, на которых качество связи в сети радиосвязи будет максимально при выполнении заданных требований в каждом из / направлений:
рсв Р ) ^ тах
(Р )
Ров/(Р*) * Р^
V/
(3)
Определение вероятностей установления связи на этапе планирования сети радиосвязи осуществляется ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службой (ИВ и ЧДС) на основе краткосрочного (оперативного) прогноза состояния ионосферы и текущих данных наблюдений за состоянием сигнальной и помеховой обстановки на выделенных частотах [11]. С этой целью территория, занимаемая системой множественно доступа, условно делится на области (рис. 1) в пределах которых изменением вероятности установления связи можно пренебречь
(АхАу) ,х^у^
(4)
АР
св /
тт
Вычислительная сложность задачи ИВ и ЧДС по прогнозу во времени, по частоте и в пространстве определяется множеством возможных комбинаций и может быть последовательно редуцирована. На основе матрицы связности КРС определяется множество направлений связи, в интересах которых необходимо осуществить прогноз (рис. 2).
Номер КРС 1 | 2 [ 3 1 4 ! 5 1 6
прогнозируемая интенсивность нагрузки, Эрл
1 - 0,31 „ 0,15 0,1 -
2 0,31 - 0,11 0,1 - 0,14
3 - 0,11 - 0,15 „
4 0,15 од - - - од
5 0,1 - 0.15 - _ 0,05
6 - 0,14 0,1 0,05 -
Рис. 2. Матрица связности КРС
Таким образом для дальнейшего анализа используются только те области СМД, в пределах которых планируется нахождение или перемещение КРС.
Зондирование радиоканалов на всех выделенных частотах осложняет задачу электромагнитной совместимости и приводит к вскрытию всего пакета частот, что снижает разведза-щищенность системы радиосвязи. Выделенный частотный ресурс предлагается разделить на поддиапазоны, в пределах которых изменение номиналов рабочих частот не приведет к заметному изменению вероятности установления связи в радиолинии:
AF е {AF1, AF2 ... AFj}
, (5)
'А^Св l ^ min
Для повышения эффективности прогнозирования вероятности связи зондирование предполагается осуществлять на требуемых скоростях Стреб и с шириной полосы сигнала А/ выбранных для работы в режиме ППРЧ.
PJIJ, С) =
Л
0,7 0,6 0,5 0,2
h h 0,75 0.65 0,7 0,6 0.6
0,3
f* 0,5 0,4
0.65 0,55 0,4 0,4 0,4 0.6
fs 0,3 0,3
0,1 0,1 0,2 0,6
/, 0,1 0.2 0,35 0,45 0,55 ... 0,15 Рис. 3. Матрица вероятности связи
Важную роль при распределении частотного ресурса для его группового использования играет учет поступающей нагрузки. На следующем этапе на основе матрицы связности КРС определяется поступающая нагрузка. Для устойчивого функционирования ячейки доступа количество рабочих каналов в частотно-временной матрице (ЧВМ) должно быть больше значения средней суммарной нагрузки Лх радиолиний, работающих на выделенной группе рабочих частот:
F^ min > ЛI = I ^ i . (6)
j=1
Кроме того, при выборе количества рабочих частотных каналов в ЧВМ необходимо учитывать возможности по подавлению частотных каналов FIЮд средствами РЭП противостоящей группировки РЭБ:
FCT > Лвх + ^под . (7)
Количество резервных частотных каналов F^ определяется исходя из возможностей выделения частотного ресурса, при этом минимальное значение количества резервных каналов
должно стремиться к количеству каналов в ЧВМ Ft
рез min
На основании полученных данных решается задача оптимального распределения частотного ресурса, которая представляет собой задачу нелинейного математического программирования с нелинейными ограничениями. Для решения представленного класса задач применяются методы возможных направлений, и в частности метод обобщенного приведенного градиента (ОПГ). Применение метода ОПГ осложнено многомодальным характером функции плотности вероятности связи, вызванным наличием в диапазоне выделенного частотного ресурса участков с запрещенными частотами, а также участков выделенных для работы вещательных станций, станций маркерных сигналов. Эти обстоятельства приводят к значительной зависимости итогового результата от выбора начальной точки расчета.
Исходя из этих условий поиск решения оптимального распределения частотного ресурса в ячейке множественного доступа может быть выполнен методом поиска решения исчерпыванием всевозможных вариантов. Последующая редукция вычислительной сложности решения задачи может быть достигнута путем сортировки частотных каналов по критерию максимальной априорной плотности вероятности связи и исключения из перебора каналов непригодных для всех направлений. Критерием выполнения операции перебора выступает выражение (3).
>треб
VI.
(8)
Рсв I (р ) * Рсв I
Вероятность связи в СМД рассчитывается на комплектах частот, удовлетворяющим требованиям (8). Группа стартовых рабочих частот определяется по максимальной вероятности связи в СМД Ров^тах. При невозможности выполнения условия (8) на единой группе рабочих частот из ограничений исключается направление связи I с наименьшей прогнозируемой входной нагрузкой и процедура поиска оптимальной группы стартовых частот запускается с измененными требованиями. В таком случае при выводе результатов распределения частотного ресурса оператору дополнительно указывается направление связи, в котором необходимо предусмотреть организацию связи через ретранслятор.
Предложенная методика оптимального выбора параметров алгоритма множественного доступа к анизотропным радиоканалам позволяет существенно повысить пропускную способность и эффективность использования выделенного частотного ресурса в сети пакетной дека-метровой радиосвязи. Практическое применение рассмотренная методика находит при назначении радиоданных как на этапе планирования, так и в процессе функционирования сети дека-метровой радиосвязи, функционирующей в режиме ППРЧ.
Список литературы
1. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А. Основные направления модернизации декаметровой системы связи // Техника средств связи. 2019. № 1. С. 13-25.
2. Лазоренко В.С. Направления развития ведомственной сети декаметровой радиосвязи // Радиотехника, электроника и связь (РЭиС-2017): Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции. Омск, 2017. С. 90-93.
3. Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий О.К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В. А. Березовского. М.: Радиотехника, 2011. 444 с.
4. Сети радиосвязи с пакетной передачей информации. А.Н. Шаров, В.А. Степанец, В.И. Комашинский / Под ред. А.Н. Шарова СПб.: ВАС, 1994. С. 1-216.
5. Шибанов В.С., Лычагин Н.И., Серегин А.В. Средства автоматизации в системах связи. М.: Радио и связь, 1990. 232 с.
6. Панин Р.С., Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С. Технология построения сетей декаметровой радиосвязи в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты. Тезисы докладов VI международной научно-технической конференции. Радиотехника, электроника и связь. Омск, 2021. С. 38-40.
7. Бунин С.Г., Войтер А.П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. Киев: Тэхника, 1989. 129 с.
8. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е изд. СПб.: Питер, 2012. 960 с.
9. Панин Р.С., Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С. Использование частотного ресурса системой декаметровой связи в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты Научно-технический журнал. Техника средств связи. Вып. № 3 (151), 2020. С. 2-13.
10. Семисошенко М.А., Крживокольский Д.В. Особенности построения системы управления при распределении частотного ресурса в сети пакетной декаметровой радиосвязи // Техника средств связи. 2018. № 1 (141). С. 231-234.
11. Bilitza D. IRI the International Standard for the Ionosphere // Adv. Radio Sci. 2018. Vol. 16. P. 1-11.
Панин Роман Сергеевич, адъюнкт, paninrs@,yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
FEATURES AND PRINCIPLES OF THE CHOICE OF PARAMETERS OF THE ALGORITHM OF MULTIPLE ACCESS TO A GROUP OF ANISOTROPIC RADIO CHANNELS
R.S. Panin
The article is devoted to the study of the features of providing multiple access in promising decameter (DCM) special-purpose radio communication networks designed in the interests of the defense capability and security of the state. It is assumed that the access of stations to the channel resource of the network is carried out by the method of multiple access with employment control. The main features of the construction and functioning of the SDRS SN, functioning with the collective use of a dedicated frequency resource in the mode of pseudorandom frequency tuning (PPRF), are proposed for consideration. The problematic issues are investigated and the method of choosing the parameters of the algorithm of multiple access to a group of collectively used radio channels is proposed.
Key words: decameter radio communication, pseudorandom tuning of the operating frequency, frequency resource, multiple access algorithm.
Panin Roman Sergeevich, postgraduate, paninrs@,yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
