Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Автоматизированная система управления движением судов на внутренних водных путях -сложная информационно-техническая система, требующая защищённости функционирования информационных каналов защищенности речных управления
1.1. Модель представления структуры речной автоматизированной системы управления движением судов как информационно-технической системы
1.2. Системотехнические аспекты построения автоматизированной системы управления движением судов и её компонентов
1.3. Классификация моделей информационных каналов автоматизированных системах движением судов
Выводы по главе 1
Глава 2. Математические модели воздействия помех на физическом, канальном и сетевом уровнях для информационных каналов в речных автоматизированных системах управления движением судов
2.1. Анализ возможностей использования автоматизированной системы радиосвязи наземной УКВ и транкинговой радиосвязи в информационных сетях речных автоматизированных системах управления движением судов в условиях взаимных и индустриальных помех
2.2. Многоуровневая модель взаимодействия открытых автоматизированных систем радиосвязи УКВ-диапазоне
2.3. Модель сигналов и помех на физическом уровне в УКВ - диапазоне
2.4. Особенности воздействия взаимных и индустриальных помех на канальном и сетевом уровнях для наземной УКВ и транкинговой связи в речных автоматизированных системах управления движением судов
Выводы по главе 2
Глава 3. Особенности использования информационных сетей спутниковой связи и местоопределения в автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях
3.1. Современные тенденции развития, принципы построения, классификация и области применения спутниковых систем радиосвязи
3.2. Условия использования информационных сетей спутниковой связи в автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях
3.3. Возможности применения спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС в речных автоматизированных системах управления движением судов при воздействии помех.
3.4. Интеграционные процессы в информационных сетях спутниковой связи и местоопределения
Выводы по главе 3
Глава 4. Многоуровневая защищённость информационных каналов автоматизированных систем управления движением судов
4.1. Основные способы защиты информационных каналов автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях от взаимных и индустриальных помех в УКВ-диапазоне на физическом, канальном м сетевом уровнях
4.2. Определение потенциального количества совместимых линий связи и местоопределедия Имитационная модель энергетического подавления информационных каналов речных автоматизированных систем.правления движением судов взаимными и индустриальными помехами.
Практические рекомендации
Выводы по главе 4 184
Заключение 188
Библиографический список использованной литературы
Приложение 1.
- Модель представления структуры речной автоматизированной системы управления движением судов как информационно-технической системы
- Анализ возможностей использования автоматизированной системы радиосвязи наземной УКВ и транкинговой радиосвязи в информационных сетях речных автоматизированных системах управления движением судов в условиях взаимных и индустриальных помех
- Современные тенденции развития, принципы построения, классификация и области применения спутниковых систем радиосвязи
- Основные способы защиты информационных каналов автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях от взаимных и индустриальных помех в УКВ-диапазоне на физическом, канальном м сетевом уровнях
Введение к работе
Глава 1. Автоматизированная система управления движением судов на внутренних водных путях -сложная информационно-техническая система, требующая защищённости функционирования информационных каналов защищенности речных управления
Модель представления структуры речной автоматизированной системы управления движением судов как информационно-технической системы
Системотехнические аспекты построения автоматизированной системы управления движением судов и её компонентов
Классификация моделей информационных каналов автоматизированных системах движением судов
Выводы по главе 1
Модель представления структуры речной автоматизированной системы управления движением судов как информационно-технической системы
Концепция АСУДС в бассейне реки Невы и Ладожского озера как единой информационно-технической системы (ИТС) была разработана на кафедре технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций в 2000 году [13-18, 106]. Она была принята департаментом Росречфлота для дальнейшей детальной научной и системотехнической проработки. В соответствии с принятой концепцией, основными компонентами АСУДС являются функционально и специально ориентированные информационно-технические подсистемы, расположенные на территории бассейна р. Невы и Ладожского озера.
В самом общем виде АСУДС как ИТС представляет собой организационно-техническое объединение подсистемы УКВ- радиосвязи с судами, подсистемы радиолокации, подсистемы АИС, подсистемы телекоммуникаций, а также центральной базы данных [71-73, 75,109 ].
Кроме того, АСУДС может включать в себя космический сегмент, если используется спутниковая связь и дифференциальный режим спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС / GPS, обеспечивающий высокую точность обсервации (см. рис. 1.1.1) [2,3,6,40,123,134].Все эти подсистемы, в рамках согласованных целей, принципов и способов, осуществляют комплексное преобразование информации, её хранение и отображение.
Эффективность функционирования АСУДС в целом во многом будет определяться качеством организации в подсистемах информационных процессов, т.е. эффективностью построения таких ИТС и управления ими в условиях возрастающего разнообразия негативных воздействий на информ-процессы, в т.ч. и со стороны взаимных и индустриальных помех (ВП и ИП)[12,48].
Как отмечается в [24, 89] , при описании того или иного аспекта функционирования системы можно выделить ряд функции, присущих именно ей при выбранной модели её представления. Реализация этих функций обеспечивается определенной подсистемой, логически выделенной из исследуемой системы. Естественно, что любая такая подсистема обладает . логической или физической структурой и определенной связью с другими . Поэтому структуру современных АСУДС целесообразно рассматривать как композиционную, состоящую из некоторого множества структур, основными из которых являются : целевая, функциональная, информационная, операционная (алгоритмическая),техническая, организационная и топологическая.
В зависимости от целей исследования возможно и другое выделение частных структур. Таким образом, учитывая взаимосвязь и взаимообусловленность структур основных подсистем, описание структуры АСУДС как ИТС можно представить в виде некоторой модели, комплексно отражающей функционирование системы во всех исследуемых аспектах. Такой моделью для АСУДС может быть модель многослойной структуры (рис. 1.1.2) [24]. Следует заметить, что на этапе проектирования в виде различного рода словесных и письменных описаний формируются лингвистические модели, которые имитируют моделируемые оригиналы в форме технических ребований и заданий, исходных положений и данных, представляемых в соответствующих разделах технических предложений, эскизных и технических проектов, инструкциях, описаниях, ТУ, технологической и эксплуатационной документации [89]. Под целевой структурой АСУДС понимается детализированная совокупность требований к значениям показателей существенных свойств процесса преобразования информации в пространстве и времени и их взаимосвязь относительно качества исследуемого процесса. Под функциональной структурой АСУДС понимается некоторое множество совокупностей задач, решаемых системой для достижения частных и глобальных целей её функционирования, их взаимосвязей как между задачами при реализации одной функции, так и между задачами при реализации различных функций данной системой. Под информационной структурой АСУДС понимается совокупность ориентированных в пространстве локальных баз данных (файлов, маршрутно-адресных таблиц и т.д.) и их взаимосвязи, как между собой, так и между источниками и потребителями информации (они рассматриваются как пользователи: должностные лица, технические устройства и информационные процессы). Под операционной (алгоритмической) структурой АСУДС понимается ориентированная в пространстве и времени последовательность совокупностей операций по преобразованию информации и их взаимосвязь с пользователями и объектами преобразования (файлами). Под технической структурой АСУДС понимается ориентированная в пространстве некоторая совокупность средств связи и автоматизации (технических средств преобразования информации, размещённых в аппаратных и/или стационарных помещениях), объединенных каналами передачи информации.
Анализ возможностей использования автоматизированной системы радиосвязи наземной УКВ и транкинговой радиосвязи в информационных сетях речных автоматизированных системах управления движением судов в условиях взаимных и индустриальных помех
На подуровне управления логическим каналом устанавливается, поддерживается и разъединяется канальное соединение; обнаруживаются и исправляются ошибки, возникающие при передаче кадров нижестоящим уровнем; реализуются помехоустойчивое кодирование и выбор сигнально-кодовых конструкций.
На подуровне доступа к среде передачи обеспечивается коллективное использование частотно-временного ресурса группы радиолиний. Реализация адаптивных радиолиний с коммутацией пакетов предполагает решение проблем помехозащиты путем выбора протоколов многостанционного доступа корреспондентов к общему частотно-временному ресурсу; определение оптимального баланса между способами исправления ошибок и динамическим управлением частотным и энергетическим ресурсами, видами сигналов; использование помехоустойчивого кодирования и робастных алгоритмов многостанционного доступа с учетом стохастической потоковой и помеховой обстановки.
Сетевой уровень выполняет функции маршрутизации, организации и поддержания виртуальных соединений, формирования, расформирования и адресации пакетов, управления потоками пакетов и приоритетностью их передачи.
Сетевой уровень обеспечивает независимость вышерасположенных уровней от методов передачи,, от функций трансляции и маршрутизации и маскирует от транспортного уровня все особенности реальных средств связи. С этой целью во внутренней организации сетевого уровня (МС 8648) выделено три подуровня, каждый со своим протоколом: протокол доступа к сети передачи данных; протокол, зависимый от особенностей сетей передачи данных (СЦЦ); протокол, независимый от особенностей СЦЦ.
На сетевом уровне предусматривается решение задач формирования пакетов на базе блоков данных транспортного уровня, маршрутизации и сортировки пакетов, управления потоками с целью предотвращения перегрузки системы радиосвязи, поддержания стационарного режима работы сети при воздействии помех или других дестабилизирующих факторов с сохранением качества обмена данными. Важным является решение проблем разработки процедур определения связности между корреспондентами сети и между региональными (ведомственными) сетями в рамках общей системы радиосвязи; обоснование методов маршрутизации пакетов, способов передачи командных пакетов, необходимых для эффективного управления топологией системы.
Четвертый (транспортный) уровень радиолинии обеспечивает универсальность функционирования вышестоящих сервисных уровней цифровой сети связи интегрального обслуживания (ЦССИО) (сеансового, представительного, (прикладного). Транспортный уровень выполняет функции адресации оконечных абонентов, установления соответствия между адресами и сетевыми именами абонентов, разборку и сборку сообщений и доставку данных от системы-источника к системе-адресату.
Транспортный уровень освобождает вышерасположенные уровни от всех задач по передаче данных. В некоторых случаях граница между транспортным и сетевым уровнем совпадает с традиционной фаницей между сферой собственно : сети передачи данных и сферой ее пользователей. Относительно транспортного уровня актуальны проблемы, формирования требований к единому интерфейсу, посредством которого осуществляется взаимодействие подсистем обмена и обработки данных; обоснование рациональной длины пакетов при разборке и сборке оперативных сообщений; оптимизация алгоритмов управления адаптив-чной системы радиосвязи в целом.
Сеансовый уровень содержит механизмы организации структуры взаимодействий между прикладными процессами. Эти механизмы позволяют реализовать двунаправленный одновременный или поочередный обмен данными, поддерживать синхронизацию взаимодействий, управлять взаимодействием. По существу сеансовый уровень обеспечивает основу управления взаимодействиями, определяет начало и окончание обмена, время, длительность и режим ведения диалога, восстановление после ошибок связи без потери данных. Важным вопросом остается разработка алгоритмов, управления взаимодействием, синхронизации, идентификации и завершения сеансов, определяющих, по существу, стратегию функционирования терминального оборудования пользователей.
Уровень представления данных выполняет функции преобразования синтаксиса и кодов данных. Основное назначение этого уровня состоит в том, чтобы обеспечить независимость прикладных процессов от различий в форме представления и от синтаксиса данных.
Прикладной уровень содержит прикладные процессы, обеспечивающие обработку информации.
В состав эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС) входит только часть прикладного уровня. Эта часть, охватывающая общие для многих систем протоколы прикладного уровня ЭМ ВОС, разрабатывается в рамках элементов услуги протоколов общего применения, виртуальных файлов, виртуальных терминалов, передачи заданий и управления системой. Однако большая часть протоколов прикладного уровня подлежит определению пользователями сети. Общие услуги прикладного уровня - это только средства, с помощью которых пользователи сети обращаются друг к другу.ч
В Рекомендациях 7498 четко различимы три степени абстрагирования: архитектура, услуги и протоколы.
Архитектура ЭМ ВОС представляет собой высшую степень абстрагирования и охватывает очень широкий круг аспектов, начиная от общих принципов, включая описание каждого из семи уровней, и кончая оборудованием. ЭМ ВОС оперирует элементами архитектуры и определяет общие взаимоотношения между этими элементами.
Услуги определяют в абстрактном виде интерфейс между двумя смежными уровнями, не задавая при этом его реализации. Услуги уровня определяют его функциональные возможности.
Современные тенденции развития, принципы построения, классификация и области применения спутниковых систем радиосвязи
Организация спутниковой телефонной связи экономически целесообразна на больших территориях внутренних водных путей при отсутствии резервов пропускной способности между станциями существующей наземной сети, а также при отсутствии других видов связи ( сотовой, транкинговой и др.) [68], как это видно, к примеру, на рис. 2.1.3.
Организация радиотелефонной связи по спутниковым каналам имеет ряд особенностей. Во-первых, обязательно выполнение общепринятых международных стандартов, в частности, сквозная задержка сигнала при передаче от абонента к абоненту не должна превышать 300 мс. Во-вторых, переговоры не должны прерываться из-за переключения лучей при переходе с одного космического аппарата (КА) на другой, а обслуживание абонентов должно быть непрерывным и в реальном времени.
Это приводит к следующим принципам построения радиотелефонной системы: она должна объединять в единую сеть терминалы спутниковой и наземных сотовых систем связи различных стандартов (GSM, D-AMPS, CDMA и др.), а также обеспечивать предоставление полного набора услуг (данные, передача телексных и факсимильных сообщений, определение местоположения, передача коротких сообщений и $р.), обеспечиваемых системами класса little LEO В соответствии с Регламентом радиосвязи в зависимости от назначения спутниковых систем связи (ССС) и типа используемых земных станций (ЗС) различают три основные службы спутниковой связи: фиксированную службу связи (ФСС), подвижную (ПСС) и радиовещательную (РСС) [150].
Фиксированная служба связи предназначена для организации связи между стационарными пользователями. Для систем ФСС выделены диапазоны частот С (4/6 ГГц), X (7/8 ГГц), Ки (11 /14 ГТц) и Ка (20/30 ГГц).
Подвижная спутниковая служба первоначально рассматривалась как служба специального назначения, ориентированная на организацию морской, воздушной, автомобильной и железнодорожной спутниковой связи. В настоящее время идет процесс переориентации ПСС на обеспечение услуг персональной связи. Для абонентских систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы. частот в диапазонах L (1,5/1,6 ГГц),и S (2,4/2,5 ГГц). В перспективных ПСС планируется работа в других полосах частот S диапазона (1,9/2,2 ГГц), в диапазоне Ка (20/30 ГГч) и в диапазоне КВЧ,(40.. .50 ГГц).
Радиовещательная спутниковая служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ. [2].
Новая услуга ПСС - определение местоположения подвижных абонентов, необходимая для сопровождения транспортных и грузовых перевозок. Общие тенденции развития подвижной спутниковой радиосвязи обусловлены, главным образом, тремя факторами: коммерциализацией космических программ, использованием низкоорбитальных и средневысотных КА для связи с подвижными объектами, повсеместным переходом на цифровую связь с применением современных компьютерных технологий.
На первом этапе развития спутниковой связи военные космические программы преобладали над коммерческими. Однако уже с конца 80-х годов после изменения политической обстановки в мире начался процесс конверсии. Он сопровождался заимствованием и переносом передовых военных технологий в коммерческие программы, что привело к росту их числа. Следует отметить, что некоторые военные разработки получили непосредственное распространение среди гражданских пользователей (спутниковые навигационные системы GPS, „ГЛОНАСС" и др.). В начале XXI века развитие мобильной спутниковой связи все больше связано с решением научных задач, телемедицины (компьютерной диагностики), промышленным и экологическим мониторингом, а также с предоставлением широкого спектра услуг связи населению.
Следующий качественный скачок в истории развития спутниковой мобильной связи произошёл после появления первых проектов спутниковых систем на базе КА на негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты спутников в низкоорбитальных ССС близки к поверхности Земли, что позволяет использовать дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны. Переход на низкие и средние орбиты не только решает проблему перегруженности геостационарных орбиту но и существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала типа „телефонная трубка".
В настоящее время в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) проектов, основанных на использовании низких орбит. Наиболее известны Globalstar, Iridium, Orbcornm (США), а также российские „Гонец" и „Сигнал". Столь же важным фактором в эволюции спутниковых систем станет миграция КА на средневысотные орбиты. Здесь особо интересны планы развертывания систем связи на средних круговых (ЇСО, Odyssey) и эллиптических (Ellipso) орбитах. Однако есть основания полагать, что и традиционные системы, использующие КА на геостационарных и высокоэллиптических орбитах (Inmarsat, „Марафон"), также найдут свое применение в перспективных мобильных ССС.
Основные способы защиты информационных каналов автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях от взаимных и индустриальных помех в УКВ-диапазоне на физическом, канальном м сетевом уровнях
Вопрос анализа помех с позиций теории, основанной на спектральных представлениях сигнала и помехи, неоднократно обсуждался и сводится к решению вариационной задачи по максимизации отношения сигнал/помеха на выходе фильтра, оптимальным образом подстраивающегося под входную смесь.
Доказано, что если спектр помехи не имеет несколько уровней интенсивности, а сигнал и приемник подстраиваются таким образом, чтобы обеспечить максимум отношения сигнал/помеха на входе qmax, то этот максимум имеет место в случае, когда весь спектр сигнала сосредоточен в интервале частот А/ с минимальной интенсивностью помехи. В другом случае, когда помеха воздействует на сигнал так, что обеспечивается минимальное значение сигнал/помеха qmin, приемник оптимизируется с учетом структуры помехи. Указанный подход к решению задачи противодействия помехе на физическом уровне позволяет сделать следующие выводы: 1. Отношение сигнал/помеха на входе оптимального приемника тем больше, чем больше различие в спектрах сигнала и помехи. 2. Любая неравномерность в спектре помехи дает принципиальную возможность увеличить отношение сигнал/помеха при подстройке спектра сигнала с учетом спектра помехи. 3. Максимум отношения сигнал/помеха будет тогда, когда спектр сигнала .. является равномерным. _. Промышленные помехи возникают от различных электрических установок, линий электропередач, электрического транспорта, систем зажигания, медицинских приборов и т.п.. Их уровень зависит от насыщенности района этими установками и, как правило, убывает с ростом частоты. Промышленные помехи наиболее ощутимы в крупных индустриальных районах. При прогнозировании ЭМЗИК и оценке электромагнитной защищенности радиолиний и электромагнитной эффективности (ЭМЭ) системы управления движением судов (СУДС) необходимо учитывать влияние не только взаимных помех, но также и индустриальных радиопомех (ИРП). Под ИРП понимают электромагнитные помехи в диапазоне радиочастот, создаваемые электрическими и электронными устройствами всех видов и назначений, кроме высокочастотных трактов радиопередатчиков [58-61, 142,145]. Часть устройств генерирует ИРП, имеющие дискретный спектр, в соответствии со своим функциональным назначением (высокочастотные установки, гетеродины радиоприемных устройств, ЭВМ, аппаратура связи). Они составляют достаточно обособленную группу со специфическими средствами помехоподавления [2,145]. Подавляющее большинство источников ИРП создает на радиочастотах паразитные электромагнитные колебания со сплошным спектром: трамваи, троллейбусы, электропоезда, тяговые подстанции электротранспорта, автомобили, высоковольтные линии электропередачи и их подстанции, станки с электроприводом, крановое оборудование, лифты, коммутируемая электрореклама, люминесцентные светильники, коммутационная аппаратура всех назначений, торговые автоматы, электроинструмент, автоматические регуляторы и пр. Появление ИРП почти всегда связано с наличием резких скачков тока и напряжения. Источники ИРП часто размещены в непосредственной близости от РЭС. Поэтому, несмотря на меньшую мощность на радиочастотах в сравнении с радиостанциями, ИРП в значительной степени определяют электромагнитную обстановку (ЭМО). В отличие от естественных радиопомех специалисты располагают практическими возможностями борьбы с ИРП не только в приемных устройствах, но и в местах возникновения и распространения ИРП. Многочисленность факторов, определяющих уровни ИРП и условия их распространения, приводит к тому, что анализ и управление суммарными ИРП возможны лишь в статистическом плане с использованием методов математической статистики и теории вероятностей. Представляя ИРП случайным процессом, стандартные измерения и оценки осуществляют в виде среднеквадратических или квазипиковых значений, определяют законы распределения вероятностей возможных значений и частные характеристики параметров распределения вероятностей. С помощью этих характеристик получают усредненные вероятностные оценки отношений сигнала к квазипиковым значениям помехи и сравнивают их с «допускаемым отношением» [2,145].
Для более дифференцированной оценки влияния индустриальных помех на систему передачи информации используют вероятность ошибки при приеме дискретных сигналов или искаженных непрерывных сигналов, для чего необходимо знать структуру их и воздействующих ИРП.
В ряде, работ [146,147] . исследуется помехоустойчивость алгоритмов некогерентного и когерентного приема дискретных сообщений, оптимального в условиях флуктуационных, сосредоточенных и импульсных помех.
Восприимчивость к ИРП радиоприемного устройства вместе :с антенно-фидерным трактом определяется как степенью изменения отношения сигнал-помеха при прохождении ИРП через тракт приемника, так и характеристиками степени связи антенно-фидерных устройств и входных .цепей приемника-с помехонесущими сетями. .
Путем выбора приемной антенны, фидера, их рационального размещения, применения фильтров и компенсационных устройств во входных цепях и вводах силового питания, изменения конструкции шасси и корпуса приемника, выбора места его установки можно значительно уменьшить искажение сигналов индустриальными помехами [145].
