CC BY
14СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 621.396
Структурное проектирование территориально-распределенных радиосетей коротковолнового диапазона
Яшин А.И., Дорогов А.Ю.
Аннотация: Рассматривается алгоритм структурного проектирования территориально распределённых радиосетей коротковолнового диапазона. Представлена программная модель алгоритма, позволяющая выполнить синтез структуры сети с заданным числом узлов и с учетом приоритетного выбора узлов из базы данных. Приведены примеры структурного проектирования декаметроволновой сети для территории РФ. Предлагается для оценки структуры сети использовать критерий функциональной устойчивости. Описана имитационная модель расчета функциональной устойчивости радиосети при воздействии дестабилизирующих факторов. Приведены результаты имитационных экспериментов.
Ключевые слова: декаметровые волны; коротковолновый диапазон; распределенная радиосеть.
Введение
Декаметроволновой (ДКМВ) канал позволяет обеспечить связь на многие тысячи километров при малой мощности передатчиков. Коротковолновая (КВ) связь безальтернативна в областях, не имеющих инфраструктуры, труднодоступных и северных районах, районах стихийных бедствий [1]. Для РФ с ее огромной протяженностью территории и множеством малодоступных мест, значимость КВ-радиосвязи трудно переоценить. Стоимость ДКМВ-радиоканалов на порядок ниже, а живучесть в условиях конфликтных ситуаций выше по сравнению со спутниковыми каналами связи. ДКМВ-радиоканалы могут использоваться для передачи звуковой информации, телеграфных сигналов и цифровых данных.
Однако, качество ДКМВ-радиоканала существенно зависит от частоты радиосигнала, состояния ионосферы, времени суток, солнечной активности. Распространение КВ-радиоволн по нескольким путям и сложение их в точке приема с разными фазами является причиной появления селективных замираний. К недостаткам ДКМВ-канала также относится наличие «зон молчания» в ближней зоне, полярных областях, и в прибрежных районах на границе «море-суша».
Дальняя связь в КВ-диалазоне реализуется за счет многократного отражения радиоволн от ионосферных слоев атмосферы. Протяженность одного скачка радиоволны составляет ориентировочно 1500-2500 км. Из-за нестабильности атмосферы, связи большой протяженности не устойчивы. Повысить надежность КВ-связи можно за счет организации КВ-радиосетей. В радиосети передаваемый сигнал проходит несколько узлов, на каждом из которых он усиливается и очищается от помех. Мощность принимаемого радиосигнала максимальна после первого скачка, поэтому целесообразным представляется построение КВ-радиосетей на односкачковых радиоканалах. Сложность физических процессов распространения ионосферных радиоволн приводит к необходимости разработки моделей имитационного моделирования аналоговых и цифровых каналов передачи данных в КВ-диалазоне [2-5].
Надежность сети определяется степенью связанности ее радиоцентров, т. е. количеством радиолиний, связывающих узел радиосети с соседними узлами. Каждый радиоцентр может быть оборудован средствами радиодоступа, обеспечивающими связь с
соседним узлом на расстоянии до 1500 км. Для территории РФ с ее большой протяженностью актуальна задача оптимального размещения радиоузлов сети так, чтобы при минимальном количестве узлов обеспечить полное радиопокрытие территории страны и прилегающих областей.
В данной статье рассматриваются методы структурного проектирования одоскачковых ДКМВ-радиосетей. Задача решается, применительно к территории РФ. Кроме односкачковости, структурными критериями проектирования являются степень связанности узлов сети и неравновесность дистанционных плеч радионаправлений до ближайших узлов. Последний критерий принципиально важен, поскольку позволяет повысить надежность радиосети, за счет выбора радионаправления, обеспечивающего наилучшее качество связи при различных ионосферных условиях. Оценка структуры радиосети выполняется по критерию функциональной устойчивости сети к дестабилизирующим факторам.
Особенности структурного проектирования радиосети
При проектировании предполагается, что узлы радиосети имеют стационарные позиции размещения на территории РФ, а мобильность абонентов реализуется за счет средств радиодоступа. Задача оптимального размещения узлов на территории РФ может иметь множество решений. Кроме факторов дистанционного и географического положения на размещение могут влиять технологические условия положения стационарного узла, такие как необходимая инфраструктура для установки радиоузла, наличие кадрового потенциала, транспортная доступность, профиль местности и пр. Зона радиопокрытия территории РФ оценивается после того, как структура сети построена. На рис. 1 показан пользовательский интерфейс программы структурного проектирования. Программа реализована в среде Матлаб.
Рис. 1. Пользовательский интерфейс программы структурного проектирования
ДКМВ-радиосетей
Тестовая база возможных размещений узлов сети представляет собой текстовый файл, содержащий координаты 1082 городов РФ с распределением по федеральным округам и регионам. Формат файла показан на рис. 2.
База данных содержит наименование города, принадлежность федеральному региону и округу, а также географические координаты широты и долготы размещения города на территории РФ.
City Region Okrug lat Ing
1 Абаэа Хакасия Сибирский 52.6517 90.0666 -
2 Абакан Хакасия Сибирский 53.721; 91.4424
3 Абдулино Оренбургская область Приволжский 53.677Е 53.6473
4 Абинск Краснодарский фай Южный 44.866; 38.1512
5 Агидель Башкортостан Приволжский 55.899! 53.922С
6 Агрыз Татарстан Приволжский 56.526: 52.9952
7 Адыгейск Адыгея Южный 44.884! 39.1906
8 Азнакаево Татарстан Приволжский 54.859Е 53.074Е
9 Азов Ростовская область Южный 47.1124 39.4236
10 Ак-Довурак Тыва Сибирский 51.178S 90.5985
11 Аксай Ростовская область Южный 47.269! 39.8626
12 Алагир Северная Осетия—Алания Северо-Кавказский 43.0417 44.219S
13 Алапаевск Свердловская область Уральский 57.853С 61.7027
14 Алатырь Чувашия Приволжский 54.839! 46.572!
15 Алдан Якутия Дальневосточный 58.609! 125.3811
1С_ Дпойгг Дптойм/ий той Р.иКмпгчгий та АОЗ: R3 770/
Рис. 2. Формат файла базы городов РФ
Алгоритм структурного синтеза радиосети
Алгоритм структурного синтеза сети является эвристическим. Мотивация используемых операций определяется критериями синтеза, изложенными в разделах I и II.
Для работы алгоритма структурного синтеза должен быть задан следующий набор входных данных:
- диапазон расстояний \Dmin, Dmax] установления односкачковой связи между узлами;
-минимальная степень связанности узлов радиосети (типично 3). Этот показатель
определяет степень надёжности установления связи через сеть;
- база данных с координатами потенциально-возможных мест размещения радиоцентров.
Для тестового режима используется база данных городов РФ.
- планируемое число узлов сети;
- подмножество приоритетных городов (базовых узлов), в которых заведомо планируется размещение радиоцентров сети.
Алгоритм выполняется в следующей последовательности:
1. Выбор базовых (приоритетных) узлов сети производится в интерактивном режиме. Для базы данных городов выбор узлов осуществляется по федеральным округам. Число базовых узлов для каждого федерального округа не ограничено.
2. Для набора базовых узлов строится возможный граф радиосети, удовлетворяющий критерию односкачковости.
3. Алгоритм структурного синтеза запускается, если число базовых узлов меньше планируемого числа узлов сети. В противном случае, выдаётся результат для сети, состоящей из базовых узлов, и на этом работа программы завершается.
4. Если число базовых узлов меньше планируемого числа узлов сети, то на базовых узлах строится сеть, в которой радиолинии по протяжённости удовлетворяют допустимому диапазону односкачковости.
5. В построенной сети для каждого узла определяется набор смежных вершин, и из этого набора формируются комбинации с числом вершин, не превышающих допустимую степень вершин сети.
6. Из допустимых комбинаций выбирается комбинация смежных вершин с наиболее неравновесными по протяжённости радиолиниями, связывающими смежные вершины с узлом. Выбор неравновесных плеч обеспечивает максимальную надёжность сети. Оценка неравновесности производится по значению энтропии протяжённости связывающих радиолиний. Найденные оптимальные комбинации смежных вершин сохраняются для каждого узла в массиве смежных вершин. Первоначально этот массив пуст, но корректируется при оптимизации каждого узла. Значения массива используются при формировании оптимальных комбинаций смежных вершин на последующих этапах.
7. Операции 5 и 6 повторяются для всех узлов текущей сети. В результате массив смежных вершин заполняется оптимальными комбинациями с заданной степенью вершин.
8. Построенный массив смежных вершин используется для построения графа оптимальной сети для текущего значения числа вершин.
9. Если текущее значение числа вершин меньше запланированного, то осуществляется добавление новой вершины с этой целью, начиная с первого узла построенной оптимальной сети, в базе городов ищется город, удовлетворяющий критерию односкачковости по удалённости от первого узла. Таких городов может быть несколько. Из них выбираются города, удалённые на расстоянии не менее Dminl от всех прочих узлов сети (первоначально Dminl = Dmin). Таких городов также может быть несколько. Из полученного набора выбирается город с максимальным расстоянием от всех прочих узлов сети. Этот принцип выбора новой вершины обеспечивает максимальное покрытие территории РФ.
10. В случае если новая вершина найдена, поиск вершин завершается на текущем узле, в противном случае, осуществляется переход ко второму узлу, и так до исчерпания всех узлов. Если оказалось, что после перебора всех узлов, новая вершина не найдена, значение Dminl снижается (типично на 100 км), и процесс поиска новой вершины повторяется заново.
11. Когда новая вершина найдена, граф сети строится заново. Выполняется его оптимизация (по пунктам 5, 6, 7). Строится оптимальный граф (пункт 8).
12. Если число вершин графа сети совпадает с запланированным значением, работа алгоритма завершается, отображается структура сети и её характеристики, в противном случае, выполняется поиск новой вершины (пункт 9), и процесс построения сети продолжается.
На рис. 3 показан результат работы алгоритма структурного синтеза на сети с 45 узлами.
30" Е 60" Е 90" Е 120" Е 150* Е 180* Е
75' N
60* N
45' N
w и
в
■ ■
-26 ,
Рис. 3. Топология радиосети на карте Российской Федерации
На рис. 4 показаны фрагменты результирующих таблиц, содержащих значения координат и степеней связанности и дистанций между узлами узлов.
Следует отметить, что от выбора значений входных данных существенно зависят результаты структурного синтеза. Возможны ситуации, когда входные данные противоречат требованиям, предъявляемым к структуре сети. В этом случае, требуется коррекция входных данных.
Mode Latitude Longitude Degree Nod el Node2 Distance
1 1 53.60S5 125.3317 4 1 1 11 243-1
2 2 53.677В 53.6473 4 2 J 14 "1731
3 з 57.9302 33.2467 4 1 20 1513
4 4 44.7Б15 44.1650 3 4 1 36 ■1634
5 54.4221 В6.3037 3 5 2 13 1532
6 е 56.6935 60.0357 4 6 2 25 1741
7 7 53.7707 35.1317 4 7 2 33 1573
8 в 43.7071 44.5169 3 3 2 45 2470
9 9 45.2252 147.3333 3 9 3 4 1649
10 10 69.4031 В6.1909 3 10 3 6 ■1612
11 11 69.701В 170.2999 3 11 3 17 1540
12 12 50.3552 106.4499 4 12 3 29 2457
15 13 59.56В2 150.В0В5 3 13 4 3 164B
14 14 43.1155 131.8555 3 14 4 17 2497
И 15 69.4261 30.В207 3 15 4 22 1673
16 16 67.5502 133.3907 4 16 5 23 2399
Рис. 4. Структурные характеристики синтезированной сети
Функциональная устойчивость радиосети
Обеспечение функциональной устойчивости заключается в сохранении функционирования сетей радиосвязи в условиях мирного времени, в чрезвычайных ситуациях и в условиях чрезвычайного положения.
Устойчивость оценивается вероятностью связности (связность) радионаправления, т. е. вероятностью того, что на заданном радионаправлении существует хотя бы один путь, по которому возможна передача информации с требуемыми качеством и объемом (другое название показателя - «коэффициент оперативной готовности направления»).
Ущерб, наносимый радиосети воздействием внешних дестабилизирующих факторов, оценивается по соотношению вышедших из строя элементов сети к общему числу элементов сети с градациями: 50 % (высокий), 30 % (средний) и 10 % (низкий) [6].
Воздействие внешних дестабилизирующих факторов может приводить к уничтожению линий связи и узлов сети. Моделирование ущерба проводится отдельно для линий связи и узлов.
Оценка степени связанности выполняется с помощью имитационной модели для конкретной топологии сети. В процессе моделирования, случайным образом (с равномерным дискретным законом распределения) в графе сети удаляются элементы сети в объеме 10 %, 30 %, 50 %. Для каждого уровня ущерба выполняется серия экспериментов по генерации случайного графа, в каждом эксперименте осуществляется контроль связанности сети по всем возможным направлениям. Накопленные частоты событий связанности являются оценкой вероятностей связанностей по направлениям (коэффициентов оперативной готовности). Число имитационных экспериментов определяется, исходя из значения доверительной вероятности и требуемой точности оценки показателей.
Расчетная формула оценки числа экспериментов основана на центральной предельной теореме, и для доверительной вероятности 0.95 имеет вид:
п> 3.8416 Щ, £2
где р — нормативная вероятность связанности узлов. Согласно ГОСТ Р 53111-2008, значение нормативной вероятности связанности, в зависимости от категорий спецпотребителей и степени ущерба, принадлежит диапазону [0.7 0.8] с градацией 0.05. Для наихудшего случая,
примем^ = 0.7. Точность оценки вероятности примем е = 0.02. д = 1— р — вероятность нарушения связанности направления. Из формулы получим число экспериментов п > 2017
Имитационная модель является составной частью программы структурного проектирования радиосети. При разработке модели были введены следующие ограничения:
-на сеть воздействуют внешние дестабилизирующие факторы пространственного действия или многочисленные факторы локального действия;
-воздействие дестабилизирующего фактора на линию связи полностью подавляет связь по этой линии;
- воздействие дестабилизирующего фактора на узел связи подавляет все связи данного узла с соседними;
-случайный граф, образуемый действием дестабилизирующих факторов, выделяется из исходного графа удалением заданного числа линий связи, либо узлов связи;
- выбор удаляемых элементов выполняется через реализацию процесса выбора случайной перестановки с заданным числом элементов;
- закон распределения случайных перестановок равномерный.
На рис. 5 показаны результаты имитационного моделирования коэффициента готовности при 10 % поражении радиоканалов.
Имитационная модель позволяет задать максимальный ранг связанности узлов (число транзитных участков цепи между узлами) и построить гистограмму рангов связанности на множестве пораженных сетей. На рис. 6 показано распределение рангов связанности при 10 % поражении радиоканалов.
Распределение каналов пораженных сетей по оперативной готовност Mln-D.994, Мах-1, Сред нее=0.9984
Распределение пораженных сетей по максимальному рангу каналов Min-7, Мах-12, Среднве-8.4
0.994 0.995 0.996 0.997 0.998 0.999 Коффициент оеративной готовности
Э 10 11
Число танзитных участков (ранг канала)
Рис. 5. Функциональная устойчивость радиосети Рис. 6. Оценка ранга связанности радионаправлений
Заключение
В работе предложен алгоритм автоматического структурного синтеза радиосетей с условиями приоритетного выбора узлов из базы данных их возможного размещения. Алгоритм обеспечивает решение задачи синтеза топологии радиосети с заданным показателем вершинной связанности и с хорошим покрытием территории РФ. Критерием оценки результата структурного синтеза может служить степень функциональной устойчивости топологии сети к внешним деструктивным воздействиям.
Литература
1. Березовский В.А. Современная декаметровая радиосвязь: Оборудование, системы и комплексы / В.А. Березовский, И.В. Дулькейт, O.K. Савицкий. - М.: Радиотехника, 2011. - 444 с.
2. Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С. Использование частотного ресурса системой декаметровой связи в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты // Техника средств связи. 2020. № 3 (151). С. 24-35.
3. Дорогов А.Ю., Потапов И.А., Тутене A.C. Моделирование протоколов беспроводных сетей в среде MatLab // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 2. С. 32-50.
4. Дорогов А.Ю., Подранюк Е.П. Имитационная модель и результаты моделирования протокола маршрутизации 02М для низкоскоростных мобильных радиосетей // Техника средств связи. 2020. №4 (152). С.51-59.
5. Дорогов А.Ю., Яшин А.И. Программный комплекс моделирования пакетных радиосетей КВ-^^^ога // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2020.Т. 12. № 6. С. 26-37.
6. ГОСТ Р 53111-2008 «Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверю!».
References
1. Berezovsky V.A., Dulkeit O.K., Savitsky I.V. Modern decameter radio communication: Equipment, systems and complexes. Moscow. Radio engineering. 2011. 444 p. (in Russian).
2. Putilin A.N., Khvostunov Y.S. Using the frequency resource with a decameter communication system in the pseudo-random tuning of the operating frequency. Means of Communication Equipment. 2020. No 3 (151). Pp. 24-35. (in Russian).
3. Dorogov A.Yu., Potapov I.A., Tutene A.S. Modeling of wireless network protocols in the MatLab environment. Science-intensive technologies in Earth space research. 2019. T. 11. № 2. Pp. 32-50. (in Russian).
4. Dorogov A.Yu., Podraniuk E.P. Simulation model and results of modeling the O2M routing protocol for low-speed mobile radio networks. Means of Communication Equipment. 2020. No 4 (152). Pp.51-59. (in Russian).
5. Dorogov A.Yu., Yashin A.I. Software complex for modeling KV-band packet radio networks//Science-intensive technologies in Earth space research. 2020.T. 12. No 6. Pp. 26-37. (in Russian).
6. GOST R 53111-2008 "Stability of public communication network operation. Verification Requirements and Methods". (in Russian).
Статья поступила 21 анкета 2022 г.
Информация об авторах
Яшин Александр Иванович - Д.т.н., профессор. Зам. ген. конструктора - научный руководитель работ ПАО «Интелтех». Тел.: +7-921-987-78-95. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Дорогов Александр Юрьевич — Д.т.н., доцент. Главный научный сотрудник ПАО «Интелтех». Тел.: +7-911-944-58-62. E-mail: a.dorogov@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петерб^г, ул. Кантемировская, д. 8.
Structural Design of Geographically Distributed Short-wave Networks
A.I. Yashin , A.Yu. Dorogov
Annotation: The algorithm of structural design of geographically distributed shortwave radio networks is considered. A software model of the algorithm is presented, which allows synthesis of the network structure with a given number of nodes and taking into account the priority selection of nodes from the database. Examples of structural design of decametrovoltaic network for the territory of the Russian Federation are given. It is proposed to use the criterion of functional stability to assess the network structure. Described is a simulation model for calculating functional stability of a radio network under the influence of destabilizing factors. The results of simulation experiments are given.
Keywords: decameter waves; shortwave range; distributed radio network.
Information about Authors
Alexander Ivanovich Yashin — D.T.S., Professor. Deputy General Designer - Scientific Supervisor of PJSC «Inteltech». Tel.: +7-921-987-78-95. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Alexander Yuryevich Dorogov - D.T.S., associate professor. Chief Researcher, PJSC «Inteltech». Tel.: +7911-944-58-62. E-mail: a.dorogov@inteltech.ru.
Address: 197342, Russia, St. Petersburg, 8 Kantemirovskaya St.
Для цитирования: Дорогов А.Ю., Яшин А.И. Структурное проектирование территориально-распределенных радиосетей коротковолнового диапазона II Техника средств связи. 2022. № 3 (159). С. 2-8.
For citation: Dorogov A.Yu., Yashin A.I. Structural Design of Geographically Distributed Short-wave Networks. Means of Communication Equipment. 2022. No. 3 (159). Pp. 2-8.
