Усовершенствование алгоритма работы радиосистем охраны Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

«Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008» — Новосибирск, 2008. - Т. 4. - С. 3.

3. Малинкин U.R.. Алгазин Е.И., Ленин Д.Н., Попан-тонопуло H.H. Инвариантный метол анализа телекоммуникационных систем передачи информации : монография. - Красноярск. 2006.

4. Боровков A.A. Теория вероятностей. - М. : Эди-ториал УРСС, 1999.

5. Ленин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. — 3-е изд. — М. : Радио и связь, 1989.

(i. Теплов 11.Л. Помехоустойчивость систем передачи дискретной информации. — М. : Связь, 1904.

АЛГАЗИМ Евгений Игоревич, кандида'¡'технических паук, старший преподаватель кафедры общей электротехники НГТУ.

КОВАЛЕВСКИЙ Артем Павлович, кандидат физико-математических паук, доцент кафедры высшей математики НГТУ.

МЛЛИИКИН Виталий Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры многоканальной электросвязи и оп тических систем СибГУТИ.

Дата поступления статьи и редакцию: 07.10.20011 г. © Алгазин Г..И., Коналсчк-кий Л.П., Малпнкин П.Б.

Л. В. ЦЫБЕНКО С. А. ЗАВЬЯЛОВ С. В. ТИХОНОВ

Омский государственный технический университет

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ РАДИОСИСТЕМ ОХРАНЫ_

В статье рассмотрена типовая структура радиосистемы передачи извещений (РСПИ) на примере РСПИ «Иртыш-ЗР». Обозначены основные характеристики подобных систем и рассмотрены пути их улучшения. На основе проведенных исследований, предложен улучшенный алгоритм работы системы. Данные подтверждены результатами компьютерного моделирования.

Ключевые слова: радиоохрана, радиосистема передачи извещений (РСПИ), алгоритм работы РСПИ, топология РСПИ.

I.Введение

В настоящее время широкое распространение получили системы охре...... и мониторинга с передачей сообщений по радиоканалу. Основной плюс подобных радиосистем — это доступность услуги в тех местах, где невозможно вследствие как физических, так и финансовых ограничений использовать проводной канал связи, а также — удобство их развертывания, что обеспечивает операти вноси, обустройства, например, временной охраны объектов.

Основным направлением совершенствовании ра-диосистем, с целмо улучшении их технических характеристик (увеличение дальности работы оборудования, увеличение емкости системы, минимизации времени доставки тревожных извещений) является разработка разновидностей новых структур радио-систем и алгоритмов их работы.

Рассмотрим один из вариантов топологии РСПИ и оценим пути ее дальнейшего усовершенствования.

2. Структура РСПИ

Структуры радиосистем передачи извещений в основном имеют похожее строение это пультцеп-трализоваппого наблюдения (ПЦН), состоящий из персонального компьютера со специализированным программным обеспечением и радиоканального обо-

рудования, а также объектовые блоки (ОБ), устанавливаемые на объектах, взаимодействующих с ПЦН через радиоканал.

В качестве примера рассмотрим структуру радио-системы передачи извещений «Иртыш-ЗР», рекомендованную НИЦ «Охрана» для применения в подразделениях отделов вневедомственной охраны (ОВО). Радиосистема содержит три иерархически связанные между собой подсистемы (рис.1) [1|:

Обл. I — это область включает в себя приборы с двухсторонним типом связи, например на рис. 1 это ОБ 3, ОБ 4, ОБ (5 (тип взаимодействии: запрос ПЦН — ответ ОБ подтверждение приема ПЦН, алгоритм их работы не входи т в рамки публикации).

Обл. 2 — любые из ОБ РСПИ с двухсторонним каналом связи (например, ОБ 4, ОБ 5 на рис. 1), выполнены с возможностью присвоении им статуса «ретранслятор» (ОБ 4), или статуса «работающий через ретранслятор» (ОБ 5). При этом объектовые блоки со статусом «ретранслятор», выполнены с возможностью приема сигналов от блоков со статусом «работающий через ретранслятор», извещения от которых самостоятельно не могут достигнуть ПЦН, по способных самостоятельно принимать сообщении ПЦН. При этом в ОБ со статусом «ретранслятор» организован буфер сообщений, который помогает

Рис. I.Структур;! РС.'ПИ

Рис. 6. Схема 2-2-1 (2 тестовые посылки н<1 2-х каналах I раз)

период молчания

пауза п п

длина «Но •мы» — па кст со и збше 1IIII

Рис. 2. Общий алгоритм передами тестомых сигналом

Рис. 7. Схема I - 2-2 (1 тестоваяе посылка на 2-х каналах 2 раза)

I-1 I-1

1 II

I I

1 II Г

Рис. 8. Схема 2 - 2-2 (2 тестовые посылки на 2-х каналах 2 раза)

Р, %

-Ряд1 -Ряд2 -РядЗ -Ряд4 -Ряд5 -РядБ -Ряд7 -Ряде

7 т 8

Т, мин

Рис.!). Т - время, мин, Р - вероятность приема хотя бы одной тестовой посылки, %

обеспечить сначала хранение, а затем доставку посылок от объектовых блоков, работающих с ПЦН через него.

Обл. 3 — подсистема приборов с односторонним каналом связи (тип взаимодействии: передача ОБ (ОБ 7, ОБ 8 на рис. I) — прием концентратором (ОБ 6) — дальнейшая передача от концентратора па ПЦН только событийной информации). ОБ с односторонним типом связи в ш та тном режиме передают тестовые посылки (посылки, означающие, что ОБ находится в исправности («Норма»), а также? технические данные охраняемого объекта). Алгоритм работы подсистемы регламентирует работу объектовых блоков, их количество, количество частотных каналов и структуру пакета сообщения (число тестовых посылок («Норм»), передаваемых на каждом частотном канале за один «сеанс связи»). Без разнесения во времени выходов в эфир ОБ (т.е. без введения так называемых «сеансов связи» и пауз между ними), вероятность доставки одной «Нормы» (тестовая посылка) от ОБ к концентратору заметно снижается из-за наложения сообщений от различных ОБдруг па друга (при этом концентратор не может выделить полезную информацию из посылки и пересекшиеся «Нормы» считаются пораженными). Для «разгрузки» канала связи концентратор — ПЦН передача тестовых посылок от односторонних блоков ОБ 7 и ОБ 8 на ПЦН не производится.Тем самым концентраторы (ОБО) значительно увеличивают емкость радиосистемыза счет накопления в буфере тест-сигналов от однос торонних ОБ и передачи на ПЦН только приоритетных сообщений («Тревога», «Пожар», постановка, снятие с охраны, передача сообщения на концентратор п далее от него на ПЦН производи тся немедленно), а также сообщений о «потере» капала связи между любым из ОБ с односторонним типом связи и концентратором.

Сам концентратор, выполненный как приборе двухсторонним типом связи, кроме обслуживании ОБ с односторонним типом связи выполняет функцию охраны объекта, на котором находится. Причина использования ОБ с односторонним каналом связи проста, оборудование намного дешевле, чем оборудование с двухсторонним каналом связи. Поэтому, несмотря па несколько худшие, сточки зрения надежности охраны, характеристики объектового оборудования они являются широко расп ространен ними.

3. Постановка задачи

Основное требование, предъявляемое к системам радиоохраиы пользователями помимо уровня надежности является низкая стоимость оборудования. Чем больше дешевых объектовых приборов в системе, тем быстрее в эксплуатации окупается система в целом. Следовательно, увеличение емкости системы является одной из приори тетных задач, стоящих перед разработчиками радиосистем. Однако, как показывает практический опыт, увеличение емкости системы происходит в основном за счет увеличении числа более дешевых приборов с односторонним типом связи, что при чрезмерном увеличении числа ОБ приводи т к проблеме наложении в приемном тракте концентратора тестовых и тревожных сигналов, ч то чревато их потерей.

Существует несколько путей повышении емкости подсистемы приборов с односторонним типом связи. Самые очевидные — увеличение числа частотных каналов передачи, па которых происходит взаимодействие концентратора с ОБ, или увеличе-

ние времени контроля (время, за которое ПЦН должен получить минимум одну тестовую посылку от каждого из блоков радиосистемы). На практике существуют РСПИ, где периоды контроля устанавливаются вплоть до одних суток, что недопустимо с точки зрении тактики охраны.

Отсюда задача — увеличение количества приборов с односторонним типом связи при условии получении сравнительно небольшого времени контроля, что возможно за сче т усовершенствования алгоритма взаимодействии концентратора и ОБ с односторонним типом связи.

4. Алгоритм работы РСПИ, пути его улучшении

Дли выивлении возможных путей усовершенствовании алгори тма взаимодействия концентратора с ОБ рассмотрим его ключевые моменты (рис. 2).

Передача тестовых посылок («Норм») происходит пачками сигналов (пакет сообщений), которые повторяются через определенные промежутки времени (пауза). Параметры: «Периодмолчании», «Длина нормы» — зависит от аппаратной реализации ОБ, параметры: «Пауза» и количество «Норм» в «пакете сообщений» - зависят только от конкретного алгоритма взаимодействия ПЦН с ОБ. Варьируя их (параметры, зависящие от алгоритма взаимодействии ПЦН с ОБ), можно существенно влиять на характеристики РСПИ.

Рассмотрим подробнее параметр «пауза». От нет зависи т как часто тестовые посылки («Нормы») различных ОБ буду т пересекаться во время связи ОБ с ПЦН. Основанием дли выбора величины этого параметра служиттребоваиие наименьшего пересечении «Норм» объектовых блоков системы. Исторически первым был вариант специально подобранного ряда простых чисел дли системы, с максимальной емкостью подсистемы односторонних приборов 31 ОБ, при использовании простых чисел время кон троля укладывалось в определенные нормативы.

При анализе работы системы на некотором промежутке времени было выяснено, что существуют большие интервалы времени между передачами ОБ, в которые все блоки «молчат». Отсюда следует очевидное решение — найти ряд чисел, существенно меньших по модулю, чем простые, по обладающих их свойствами. Этому условию удовле творяют специально сгенерированные взаимно простые числа.

Генератор взаимно простых чисел (ГВПЧ) выбирает такую последовательность, которая дли любых двух элементов находит наименьшее общее кра тное, большее времени контроля. За счет этого, даже при учете вероятностных факторов, тестовые посылки («Нормы») дли двух данных передатчиков пересекаются не более 2-х раз.

«Нормы», посылаемые передатчиками, дли которых периоды молчания о тличаю тся на 1, как правило, пересекаю тся дважды на времени контроля (рис. 3).

Избавиться от этого позволяет условие неиспользовании соседних чисел, даже если они удовлетворяют прочим условиям.

Общие ограничения на получаемую последовательность:

НОК(Т, Т ) > ПВК >С

/ л*

2{л-1)

\ им« /

Т. - Т. > 2

II) (2) (3)

Первое условие (I) гарантирует пересечение не более двух «Норм» за время контроля.

Второе условие (2) обеспечивает прием тестовых посылок за время контроля.

Рассмотрим ОБ N

( 2/с(л-1) \ ■ I ПВК )

что какой-либо ОБ порази т данную тестовую посылку ОБ N (к — количество «Норм», передаваемых за время контроля, п — количество ОБ, ПВК — прогнозируемое время контроля (промежуток времени, в течение которого с большой вероятностью будут корректно приняты сигналы от всех передатчиков)).

В свою очередь, чтобы ОБ N был потерян, должны быть поражены все его тестовые посылки. Каждый ОБ может поразить «Норму» ОБ N только один раз (свойство генерируемых чисел), поэтому вероятность того, что будут поражены к «Норм», будет равна

к '1 k(n-if

вероятность того,

П

ПВК

т.е. произведение ве|Х>ят1 юсгей событий.

По условию эта вероятность не превосходит С. Оценим ее сверху.

I ПВК

2к[п-2) ПВК

Í2k(n-l)\ { ПВК )

2A'(/j -1)

J -

'2kjn-k)^ IIBK

/

2(п-1)

(•1)

Третье условие (3) гарантирует, что при любых начальных задержках, для двух передатчиков будет потеряно не более одной тестовой посылки.

Числа, рассчитываемые I BI14 по модулю меньше, чем простые числа, поэтому ОБ буде т выходить в эфир чаще, что увеличи т вероя тность передачи непораженной «Нормы». Для уменьшения вероятности пересечения посылок было принято решение изменить структуру пакета сообщений (сокращено количество «Норм», передаваемых па каждом канале) (рис.4).

5. Эксперимент Для проверки была создана компьютерная программа, моделирующая рабо ту подсистемы односто-

ронних приборов. С ее помощью протестировано несколько вариантов структуры пакетов сообщений (рис. 5 — 8|. Длина тестовой посылки I68 мс (старый протокол обмена концентратор - ОБ) и I28 мс (новый протокол). Число ОБ в подсистеме от 10 до 60. При различных соотношениях данных, были получены результаты, по которым построены графики в соответствии с количеством объектов (рис. 9).

6. Выводы

При использовании в качестве базиса для «пауз» чисел, рассчитываемых ГВПЧ, уменьшение времени контроля для схемы 2 -2-1 (длина тестовой посылки 168 мс) составляет 30 % по сравнению с алгоритмом работы РСПИ, где в качестве базиса для «пауз» используются простые числа. Для схемы I —2 — 2 (длина «Нормы» 168 мс) уменьшение» времени копт-роля еще более существенно и сос тавляе т 70%. При работе, скажем по схеме I — 2 - 2, стандартный концентратор сможет корректно обслуживать до 52 ОБ (стандартно 31 ОБ). При дли не тестовой посылки 128 мс, уменьшение времени контроля еще существеннее. К сожалению, сокращение длины «Нормы» возможно только при аппаратной модернизации. Предлагаемые в ста тье решения были успешно внедрены в системе «Иртыш-ЗР».

Ьиблиогрлфичсский список

I. Радиосистемл передачи извещений / Завьялов С Л., Исупов А. 15., Косых A.U, Лепетаев А.Н., Цыбенко Л.В,, Завьялов U.C.; патент па пол. мод. № 74232 III Российская Федерация, MПК G 08 В 26/00. - 2008107523/ 22; Опубл. 20.06.2008 Г)юл. № 17.

ЦЫБЕНКО Лариса Викторовна, аспирантка кафедры ТЭА.

ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических паук, доцент кафедры «РТУ и СД». ТИХОНОВ Сергей Витальевич, инженер кафедры «РТУ и СД».

Дата поступления статьи и редакцию: 211.10.2008 г. © Цыбенко Л.В., Завьялов С.А., Тихонов C.B.

Книжная полка

Марголин, В. И. Физические основы микроэлектроники [Текст]: учеб. для вузов по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» направления «Проектирование и технология электронных средств» / В. И. Марголин, В. А. Жабрев, В. А.Тупик. - М.: Академия, 2008. - 398,111 с.: рис. - (Высшее профессиональное образование). - Библиогр.: с. 395. - ISBN 978-5-7695-4227-5.

Изложены основы квантовой механики, фрактальной физики, нелинейной динамики. Рассмотрены физические основы основных технологических процессов микро- и наноэлектроники: получение тонкопленочных структур, создание и перенос литографического изображения, методы кон троля и метрологии.