ОЦЕНКА РЕСУРСОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

SPIR,

де j - показник задоволеностi j-го

стейкхолдера (iндекс виконання вимог за розкла-

дом); ERi - освоений обсяг вимог тсля оптимь t

заци; ERi - освоений обсяг вимог до ошгашзацп;

PRi - плановий обсяг вимог; Res - обсяг ресурав,

що розподiляеться.

Формули (1-2) використовуються, коли е при-пущення, що фактичний обсяг ресурсiв, спрямова-ний на виконання вимог, дорiвнюватиме плановому. У шших випадках необх1дно внести коректу-вання, враховуючи спiввiдношення

т> ER

Res =-.

CPIR

Для проекту, що розглядаеться, було вирiшено задачу (1). Отримаш рекомендацп щодо розподiлу ресурсiв на наступи етапи проекту дозволили тд-вищити задоволенiсть стейкхолдерiв проекту до 79 % (середнш показник задоволеносп вимог стейкхолдерiв на момент розрахунку (звiту за осво-еним обсягом вимог) склав 0,79).

Таким чином, запропонований iнструментарiй дозволяе в умовах обмежених ресурав розподiлити !х таким чином, щоб максимiзувати задоволення за-цiкавлених сторiн проекту.

Представлено розробку iнструментального шдходу й формулювання ошташзацшно! задачi для практичного використання методу мошторингу вимог проекпв, який дозволяе ввдстежувати виконання вимог стейкхолдерiв проекту у часi у вщпо-вiдностi до обсягу фактично витрачених ресурсiв за аналогiею з методом освоеного обсягу.

Список лггератури

1. A Guide to the Project Management Body of Knowledge (PMBOK® Guide) - Sixth Edition. Newtown Square, Pa.: Project Management Institute, Inc., 2017. - 756 p.

2. Davis E. W. Project Scheduling under Resource Constraints - Historical Review and Categorization of Procedures // AIIE Trans. - 1973. - T. 4. - C. 297-313.

3. Martynenko O. The method of earned requirements for project monitoring / O. Martynenko, Y. Husieva, I. Chumachenko // Innovative technologies and scientific solutions for industries. - 2017. № 1 (1). - C. 58-63.

4. Practice Standard for Earned Value Management. Newtown Square, Pa. : Project Management Institute, Inc., 2005. - 56 p.

5. Гусева Ю. Ю. Матрична модель 4R & WS для класифжацп стейкхолдерiв проекту / Ю. Ю. Гусева, О. С. Мартиненко, I. В. Чумаченко // Вкник Нац. техн. ун-ту "ХШ" : зб. наук. пр. Сер. : Страте-пчне управлшня, управлшня портфелями, програ-мами та проектами = Bulletin of National Technical University "KhPI" : coll. of sci. papers. Ser. : Strategic management, portfolio, program and project management. - 2017. - T. 2 (1224). - C. 18-22.

6. Гусева Ю. Ю. 1нструментальш засоби реаль зацп мониторингу вимог у проекп в MS Project / Ю. Ю. Гусева, О. С. Мартиненко, I. В. Чумаченко // Управлшня розвитком складних систем. - 2017. -№ 31. - C. 26-31.

7. Лисицин А. Б., Палий С. В. Современные технологии управления ресурсами портфелей проектов и программ //Управлшня розвитком складних систем. - 2015. - №. 21 (1). - С. 52-57.

8. Мартиненко О. С. 1нформацшна тдтримка процеав мониторингу та контролю у проектах / О. С. Мартиненко, Ю. Ю. Гусева, I. В. Чумаченко // Радюелектронш i комп'ютерш системи - 2018. - № 3 (83). - C. 87-92.

9. Циганок В. Проблема розпод^ ресурав як розширення можливостей систем тдтримки прий-няття ршень / В. Циганок // Реестращя, збер^ання i обробка даних. - 2010. - T. 12, № 2. - C. 232-237.

ОЦЕНКА РЕСУРСОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СПУТНИКОВЫХ

СИСТЕМ СВЯЗИ

Мошинская А.В.

к.т.н., доцент кафедры Телекоммуникационных систем Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского

RESOURCE ESTIMATION OF DATA TRANSMISSION DIGITAL CHANNELS IN SATELLITE

COMMUNICATION SYSTEMS

Moshynska A.

PhD, Assistant Prof., Telecommunication systems department, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute

Аннотация

В статье предлагается оценка пространственного, частотного и энергетического ресурсов спутниковых систем связи в условиях ограничений, накладываемых на сигнал в среде передачи.

Abstract

The article proposes an estimation of the spatial, frequency and energy resources of satellite communication systems under the restrictions processed on the signal in the transmission environment.

Ключевые слова: пространственный ресурс, частотный ресурс, энергетический ресурс, спутниковая система связи.

Keywords: spatial resource, frequency resource, energy resource, satellite communication system.

Основу инфраструктуры современной транспортной среды образуют волоконно-оптические и другие наземные цифровые системы передачи и коммутации, а также спутниковые системы связи.

Однако создание магистральных транспортных сетей с помощью наземных средств (радиорелейные, волоконно-оптические и др. системы передачи) требует, как правило, больших капитальных затрат с довольно продолжительным сроком возвращения вложенных средств. Поэтому создавать подобную телекоммуникационную инфраструктуру могут только национальные операторы связи, крупные корпорации и провайдеры услуг связи. [4]

Поэтому в последнее время при построении распределенных корпоративных сетей связи широкое применение находят технологии спутниковой связи. Это обуславливается тем, что эти технологии имеют ряд значительных преимуществ перед наземными системами связи. Эти преимущества состоят в следующем:

- Большая рабочая зона обслуживания, определяемая зоной покрытия спутника. Это свойство позволяет использовать сети спутниковой связи в труднодоступных регионах, где отсутствует инфраструктура наземных линий связи.

- Независимость стоимости от расстояний и границ: при использовании технологии спутниковой связи стоимость космического сегмента в пределах зоны обслуживания не связана с расстояниями между соединяемыми объектами. Поэтому при расстояниях между соединяемыми объектами, превышающими несколько сотен километров, использование спутниковой связи часто экономически более выгодно, чем использование наземных линий связи, стоимость которых напрямую зависит от их протяженности.

- Гибкость изменений в конфигурации сетей на основе спутниковых систем передачи с возможностью простого изменения конфигурации трафика.

- Возможность передачи данных со скоростями более 64 кбит/с и вероятностью ошибки при передаче, равной 10-7. При хороших же погодных условиях достигается вероятность ошибки 10-9 и даже лучше.

- Быстрота развертывания: при использовании технологий спутниковой связи телекоммуникационную сеть можно намного быстрее, чем в наземной сети, ввести в строй, а также добавлять новые станции в зоне обслуживания. [1]

Однако, в процессе своего развития сети, построенные на основе систем спутниковой связи, становятся все больше, увеличиваются объемы трафика, проходящего через эти сети, появляются но-

вые приложения, которые требуют все больших сетевых ресурсов. При этом удовлетворять эти растущие требования с помощью традиционных технологий спутниковых систем связи (ССС) становится все сложнее. Кроме того, использование традиционных технологий ССС в системах большой производительности оказывается неэффективным с точки зрения использования имеющегося ограниченного ресурса спутниковых ретрансляторов.

Основными ресурсами цифровых каналов передачи данных ССС являются: пространственные; временные; энергетические; частотные.

Пространственный ресурс. В большинстве случаев для размещения искусственного спутника Земли (ИСЗ) наиболее благоприятна геостационарная орбита. На геостационарной орбите располагаются ИСЗ международных систем «Интелсат» и «Интерспутник» систем связи России, США, Канады, Индонезии, Японии и ряда других стран; систем спутникового вещания России, Японии, Канады, Франции. Уникальную по своим свойствам геостационарную орбиту используют настолько широко, что размещение новых ИСЗ в ряде случаев оказывается затруднительным или невозможным из-за взаимных помех. Это в первую очередь относится к некоторым участкам орбиты, например, над Атлантическим и Индийским океанами и Африкой.

Показатель эффективности использования геостационарной орбиты на некотором участке ее дуги А0 и в некоторой полосе частот Д", МГц,

Э =

AвAfQ ( )

где С — суммарная пропускная способность всех ССС, работающих в полосе Д£ ИСЗ которых расположены на участке дуги геостационарной орбиты Д0; Q - усредненный коэффициент занятости, учитывающий возможность сокращения углового разноса между ИСЗ, имеющими узкие (не глобальные) зоны обслуживания.

Важным фактором, определяющим необходимый угловой разнос между ИСЗ, является пространственная избирательность антенн земных станций, иными словами — относительный уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенн земных станций, особенно тех боковых лепестков, которые расположены близко к главному лучу диаграммы направленности — в пределах примерно ±10° от направления главного луча. Усилие антенны ЗС (в децибелах) при углах 9>1° от оси главного лепестка диаграммы направленности представляется соотношением:

С = 32 -251дв, дБ (2)

а для вновь создаваемых антенн:

С = 29 -251дв, дБ (3)

Максимальное усиление антенны пропорционально площади раскрытия и определяется соотношением:

С0 = Л(лО/Л)2 (4)

где п — коэффициент использования площади; D —диаметр зеркала антенны; 1 — длина волны.

Выражение для необходимого угла разноса между соседними ИСЗ:

вр = [соп51ф/Х)2]-1/2: (5)

которое показывает большое влияние на необходимый угловой разнос между ИСЗ диаметра антенны Б и коэффициента z, характеризующего скорость спада боковых лепестков антенны.

Исследования показывают, что снижение усиления антенны в направлении боковых лепестков на 7...8 дБ, т. е. до 29—25 либо увеличение в 1,5 раза коэффициента ъ (скорости спада лепестков) ведет примерно к удвоению общей емкости геостационарной орбиты. В настоящее время представляется возможным добиться того, чтобы все антенны ЗС имели усиление, не только удовлетворяющее формуле (4), но и были бы лучше. Боковые лепестки диаграммы направленности в обычных двухзеркальных параболических антеннах обычно увеличиваются из-за затенения и дифракции, создаваемых контррефлектором и его опорами, находящимися на пути основного потока энергии от главного рефлектора. При применении осесимметрич-ных антенн с вынесенным облучателем можно достичь уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности на 5 и даже 10 дБ.

Взаимные помехи между системами спутниковой связи могут быть значительно уменьшены благодаря пространственной избирательности бортовых антенн ИСЗ, если зоны обслуживания этих двух систем не перекрываются. Для этого основной лепесток диаграммы направленности бортовой антенны должен как можно точнее охватывать зону обслуживания и быстро спадать за ее пределами. Лучше всего эту задачу решают многолучевые антенны, формирующие либо несколько узких лучей, либо на их основе луч с диаграммой направленности специальной, сложной в поперечном сечении формы, по возможности, точно соответствующей обслуживаемой территории. Для оценки необходимого углового разноса Ар от границ зоны покрытия до направления, где ослабление сигнала относительно границы достигает 27 дБ, можно использовать соотношение:

ИСЗ. Таким образом, необходимый разнос ИСЗ увеличивается на сумму погрешностей удержания обоих соседних ИСЗ по долготе. Регламент радиосвязи устанавливает, что космические станции на борту геостационарных спутников, работающие в полосе частот фиксированной или радиовещательной спутниковых служб, как правило, должны поддерживать свое положение в пределах ±0,1° по долготе относительно номинального положения. При реально используемых сейчас угловых разносах соседних ИСЗ 2° нестабильность ±0,1° мало влияет на емкость ГО.

Частотный и энергетический ресурс. Основными спутниковыми ресурсами являются частотный и энергетический.

Под потребляемым частотно-энергетическим ресурсом понимается мощность сигнала, формируемая в облучающей системе приемной земной станции спутниковой связи (ЗССС), необходимая для обеспечения требуемого качества приема (Рпр). Она определяется как произведение средней спектральной плотности мощности ^ср) сигнала на полосу занимаемых частот:

Р = УсрА[с (7)

где vср - средняя спектральная плотность мощности принимаемого сигнала; Лf¿- полоса занимаемых частот.

Спутниковый оператор (владелец спутников-ретрансляторов) предоставляет в аренду часть или полностью частотно-энергетический ресурс транс-пондера (ствола).

Суммарный ресурс транспондера определяется мощностью усилителя (Ртр) и полосой частот транспондера (Л/тр). Средняя предоставляемая в аренду спектральная плотность мощности в транс-

пондере (^р) определяется как [3]:

р

1 ■т

1 тр

V = -—

"тр Af

тр

Если для арендатора выполняется условие Vср < Vmр , то арендная плата за потребляемый ресурс начисляется пропорционально арендуемой полосе частот:

С Afc,

Afrnp

(8)

где С - ежемесячная стоимость аренды; Стр-ежемесячная стоимость ресурса транспондера.

Если же оказывается, что Vср > Vmр , то расчет ведется по потребляемой мощности:

Aß = KJ(D/X)

(6)

С =

vmp 'Afmp

VCpAfc

(9)

где К1 =60.. .100 (чем дальше зона обслуживания от оптической оси рефлектора, тем больше значение К1).

Высокая точность удержания ИСЗ в расчетной точке геостационарной орбиты (прежде всего, на заданной долготе) способствует размещению на орбите максимального числа спутников, поскольку расчет взаимных помех всегда проводится для случая максимально возможного сближения соседних

Таким образом, оператор связи (арендатор) заинтересован в том, чтобы:

- выполнялось условие vср < vmр ;

- величина Л\[с была минимальна.

Рассмотрим возможные пути минимизации затрат на арендуемый ресурс спутника-ретранслятора.

с

тр

Поскольку при выполнении неравенства vсp < Vmp оплата производится за аренду частотного ресурса (даже при Vсp = 0) необходимо стремиться к выполнению этого неравенства. Это возможно обеспечить исключительно выполнением требований по добротности приемной земной станции спутниковой связи (ЗССС). Этот параметр ЗССС определяется коэффициентом усиления антенны и уровнем шумов в тракте приема. Уровень шумов минимизируется за счет выбора профессионального оборудования. В настоящее время практически все его производители известных брэндов обеспечивают одинаковое качество продукции, поэтому важнейшим параметром при выборе ЗССС становится коэффициент усиления антенны. В инженерных расчетах достаточную степень точности дает формула:

С = 110Б2Г2Ла

где: О - коэффициент усиления антенны;

Б - диаметр антенны в метрах;

/ - частота, на которой измеряется О;

Па - коэффициент использования поверхности антенны (КИП).

КИП зависит от качества изготовления антенны. Обычные его значения для профессиональных антенн находятся в пределах 0,65 - 0,7. Следует иметь в виду, что на рынке присутствуют антенны с КИП существенно ниже указанных.

Таким образом, для обеспечения требуемого соотношения сигнал/шум на выходе приемного тракта важнейшим фактором является правильный выбор диаметра антенны.

Если на организуемой спутниковой линии связи приходится использовать уже имеющиеся антенные системы и обеспечивается неравенство vсp > vmp, то повышение экономической эффективности такой линии становится возможным исключительно за счет методов помехоустойчивого кодирования. Так, самое широкое распространение на спутниковых линиях связи находит сверточное кодирование с различной скоростью кода (1/2, 3/4, 7/8 и др.). Использование кодов с более высокой исправляющей способностью позволяет снизить требование к Vсp, но требует пропорционального расширения полосы частот А\[с и не дает существенного экономического выигрыша. [2]

В тоже время существуют классы кодов, которые при тех же скоростях кодирования позволяют снизить требования к vсp на 3дБ и более. В таблице 1 приведены требования к отношению сигнал/шум (в дБ) для обеспечения требуемой вероятности ошибочного приемы (Рош) для некоторых широко используемых кодов. Таблица составлена по данным производителей модемов в условиях приема сигналов QPSK с использованием скорости кода 3/4. (Для комбинации кодов Витерби+Рида-Соломона полоса частот требуется больше на ~8%).

Таблица 1.

Требования к отношению сигнал/шум (в дБ) для обеспечения определенной вероятности ошибочного приемы

Рош СК+Витерби Непрерывное кодирование Турбо кодирование Витерби+Рида-Соломона

10-3 4,9 4,7 2,8 4,3

10-4 5,6 5,2 3 4,5

10-5 6,3 5,6 3,2 4,9

10-6 7 6,1 3,4 5,1

10-7 7,7 6,5 3,7 5,3

10-8 8,4 6,9 4,0 5,4

Как видно из таблицы 1, традиционный свер-точный код с декодированием по алгоритму Ви-терби проигрывает уже при вероятности ошибок 10-8 по сравнению с турбокодом на 4,4дБ. Это означает, что при той же полосе частот А\[с требования к vсp могут быть снижены на ту же величину. Причиной сдерживания всеобщего применения турбоко-дирования является стоимость модема. Этот вид кодирования предоставляется производителями модемов, как правило, опционально в виде отдельной платы с ценной, составляющей 20-30% от стоимости модема.

Если в результате использования помехоустойчивого кодирования или антенны с большим

диаметром возник запас по энергетике Vmp - Vсp > 3дБ, то существует реальная возможность повысить экономическую эффективность линии связи за счет применения более сложных видов модуляции.

Если запас по энергетике позволяет, то более эффективным методом повышения рентабельности линии является уменьшение полосы занимаемых частот за счет выбора вида модуляции и кодирования. Так, применение модуляции 16QAM вместо QPSK позволяет снизить полосу занимаемых частот в 2 раза, а использование скорости кода 7/8 по сравнению с 3/4 дополнительно экономит частотный ресурс на 15%. При этом Vсp возрастает на 4дБ. Снизить требование по vсp на величину порядка

1,5дБ возможно за счет использования наряду с СК кода Рида-Соломона, однако, полоса частот в этом случае возрастет на величину около 8%.

Достоинством применения многопозиционных методов модуляции (QPSK, 8PSK, 16QAM) и традиционных методов кодирования (СК, Рида-Соломона) является их наличие в современных модемах. В случае же их предоставления опционально инсталляция производится программными средствами при небольшой оплате.

Таким образом, при организации спутниковых линий связи в целях повышения их экономической эффективности необходимо путем выбора соответствующих видов модуляции и кодирования добиться минимизации полосы занимаемых частот при выполнении условия vсp ~ vmp.

Выводы

Сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию чрезвычайно большого числа факторов, таких как поглощение в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция и т. д. С другой стороны, на приемное устройство, служащее для обнаружения и выделения сигнала, кроме флуктуационных шумов, воздействуют разного

рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца, планет и атмосферных газов.

При таких условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволит осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу в наиболее трудных условиях и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.

Список литературы

1. Audrey L. Allison. The ITU and Managing Satellite Orbital and Spectrum Resources in the 21st Century. Springer Science & Business, 2014.- 94 p.

2. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи: Пер. с англ. - М.: Сов.радио,1970.

3. Спутниковая связь и вещание: Справочник / Под ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997. -528с.

4. Урывский Л.А. Технологии спутниковой связи // Связь. Информатизация: компании Украины от «А» до «Я»: Справочник. Аналитический раздел. - К.: Одекс Плюс, 1999. - 264с.

ЭВРИСТИЧЕСКИИ АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ ДЕРЕВА ПОИСКА, БЛИЗКОГО К

ОПТИМАЛЬНОМУ

neKyHoe B.B.

OAO «Hn^opMamuKa», unwenep, d.m.H.

THE HEURISTIC ALGORITHM OF BUILDING THE TREE SEARCH WHICH IS NEAR TO

OPTIMAL

Pekunov V. V.

JSC «Informatika», engineer, Doctor of Engineering

Аннотация

Предлагается модификация эвристического алгоритма А.Е.Никитина (МИФИ) для построения близкого к оптимальному дерева поиска. На каждой стадии построения дерева используется рекурсивная процедура оценки «вглубь» качества выбора корневых узлов очередного уровня. Результаты работы данного алгоритма сравниваются с результатами поиска в идеально сбалансированном дереве. Предложенный алгоритм требует O(N-Vk-log2N) операций и O(N) ячеек памяти, где N — число вершин дерева, V — параметр алгоритма (V << N), k — глубина рекурсивной оценки.

Abstract

The modification of a heuristic algorithm (primarily developed by A.E. Nikitin, MEPhI) of building the tree search which is near to optimal is proposed. On the each stage of the tree building the recursive procedure of an estimating the quality of the next levels roots selection is used. The results of the using of this algorithm are compared with the results of the search in the ideally balanced tree. The proposed algorithm requires O(N-Vk-log2N) operations and O(N) memory cells, where N — the number of tree nodes, V — the algorithm parameter (V << N), k — the depth of the recursive estimating.

Ключевые слова: эвристический алгоритм, дерево оптимального поиска.

Keywords: heuristic algorithm, tree of the optimal search.

1. Введение

Бинарные деревья оптимального поиска по ключу находят широкое применение в случаях, когда вероятности поиска различных элементов существенно различаются (такая ситуация часто встречается, например, при обработке разрозненных групп записей в таблицах реляционных баз данных). В отличие от ситуации равенства вероятностей, где наилучшие результаты дает построение

идеально сбалансированного дерева поиска [1], в рассматриваемом случае дерево поиска строится таким образом, чтобы длина пути поиска элемента была бы обратно пропорциональна вероятности его поиска.

Алгоритмы построения деревьев оптимального поиска достаточно хорошо известны [1, 2, 3, 4]. В отличие от работы [2] нами будет рассматриваться классический случай: на структуру