Содержание к диссертации
Введение
1 Характеристика и условия функционирования ЦРРС удаленных стационарных объектов 15
1.1 Удаленные стационарные объекты . 15
1.2 Технологические системы передачи данных удаленных стационарных объектов . 16
1.3 Функционирование систем передачи данных удаленных стационарных объектов в условиях угроз безопасности 21
1.4 Анализ научно-методического аппарата распознавания действия имитационных помех в радиоканале передачи данных 25
1.5 Постановка общей научной задачи и частных задач исследования 46
1.6 Выводы по разделу 48
2 Синтез алгоритмического обеспечения ИИУС ЦРРС 50
2.1 Представление сигнала и сущность обработки в приемнике канала передачи данных 50
2.2 Модель сигнала и имитационной помехи канала передачи данных 51
2.3 Модель сигнально-помеховой обстановки в канале передачи данных 55
2.4 Распознавание ситуаций сигнально-помеховой обстановки 61
2.5 Признаки, сопутствующие изменению ситуации сигнально-помеховой обстановки 66
2.5.1 Модель индикаторов сопутствующих признаков . 66
2.5.2 Индикация признаков, сопутствующих изменению ситуаций сигнально-помеховой обстановки . 68
2.6 Метод распознавания ситуаций сигнально-помеховой обстановки 70
2.6.1 Модернизация метода распознавания ситуаций сигнально-помеховой обстановки на основе байесовского подхода 70
2.6.2 Алгоритм распознавания действующей ситуации сигнально-помеховой обстановки с использованием информации измерителей и индикаторов сопутствующих признаков 72
2.6.3 Информационно-измерительная и управляющая система ЦРРС 75
2.7 Выводы по разделу 77
3. Исследование эффективности применения алгоритмического обеспечения ИИУС 80
3.1 Анализ эффективности алгоритмического обеспечения ИИУС. Исходные данные и задачи моделирования . 80
3.2 Организация эксперимента. Программная среда. Имитационная модель 84
3.3 Исследование быстродействия обнаружения момента начала воздействия имитационных помех . 87
3.4 Исследование вероятности правильного принятия решения о ситуации сигнально-помеховой обстановки 88
3.5 Исследование влияния априорных данных на быстродействие и вероятность правильного принятия решения о ситуации сигнально-помеховой обстановки 91
3.6 Исследование влияния значений индикаторов признаков, сопутствующих ситуациям сигнально-помеховой обстановки, на показатели эффективности распознавания 96
3.7 Выводы по разделу 102
Заключение . 105
Список сокращений и условных обозначений . 109
Список литературы 112
- Технологические системы передачи данных удаленных стационарных объектов
- Анализ научно-методического аппарата распознавания действия имитационных помех в радиоканале передачи данных
- Модель сигнала и имитационной помехи канала передачи данных
- Организация эксперимента. Программная среда. Имитационная модель
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие и масштабное распространение радиотехнических систем передачи данных стимулирует разработку новых методов радиоэлектронного противодействия. Эти методы основаны на применении организованных, в том числе имитационных помех, позволяющих на канальном уровне производить передачу ложных данных от имени истинного корреспондента, что влечет за собой большие информационные и материальные потери. Особые сложности возникают в обеспечении имитационной защиты радиосистем передачи данных объектов рассредоточенной структуры, таких как магистральные трубопроводы (газа, нефти и нефтепродуктов), использующих для передачи технологических данных системы передачи на основе цифровых радиорелейных станций (ЦРРС). Наиболее подвержены действию имитационных помех малоканальные радиостанции частотного диапазона 394…410; 434…450 МГц, как наименее технически сложные, распространенные, являющиеся первыми в цепи передачи данных. Наибольшее распространение получили ЦРРС «Азид-5», «МИК-РЛ400ХХ», «Р-6/Е1», «Азид-ЧС», использующие сигналы квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
Работа ЦРРС в условиях действия помех осуществляется посредством информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) с соответствующим алгоритмическим обеспечением.
Для защиты от действия имитационных помех необходимо повышение помехоустойчивости ЦРРС на канальном уровне передачи данных за счет своевременного распознавания действующей ситуации сигнально-помеховой обстановки (СПО) при ее изменении с последующим управлением работой каналов передачи, исключающим прием ложных данных. Данная особенность должна быть учтена в алгоритмическом обеспечении ИИУС ЦРРС.
Степень разработанности темы исследования. При решении задачи распознавания ситуации СПО канала передачи данных традиционно используются выборки наблюдаемых информационных параметров сигнала, представляемых в виде временного ряда. Однако на практике данной информации для эффективного распознавания сложившейся ситуации СПО часто оказывается недостаточно, и задержки в обнаружении изменения ситуации СПО становятся неоправданно большими.
Существующий научно-методический аппарат распознавания ситуации СПО канала передачи данных, основанный: на теории радиосвязи; теории помехоустойчивости; теории последовательных решений (метод кумулятивных сумм, метод обобщенного отношения правдоподобия, метод скользящего среднего); теории управляемого эксперимента; теории систем со случайно изменяющейся структурой, практически достиг своих потенциальных возможностей и не позволяет в полной мере обеспечить требуемую устойчивость к действию имитационных помех.
Для повышения помехоустойчивости каналов передачи необходима модернизация методов распознавания ситуации СПО, направленная на сокращение задержки обнаружения ее изменения. Поэтому поиск путей сокращения времени обнаружения изменения ситуации СПО является актуальной научной задачей.
Объект исследования: информационно-измерительная и управляющая система каналами передачи данных цифровой радиорелейной станции, подверженной действию имитационных помех.
Предмет исследования: устойчивость алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы цифровой радиорелейной станции к действию имитационных помех.
Методология и методы исследования: методы системного анализа, математического моделирования сложных систем, компьютерного моделирования; теория радиосвязи; теория помехоустойчивости; теория марковских процессов; теория систем со случайно изменяющейся структурой; метод невязки обновляющегося процесса, метод кумулятивных сумм, метод обобщенного отношения правдоподобия.
Цель работы: повышение помехоустойчивости цифровой радиорелейной станции за счет разработки алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы, обеспечивающего своевременное обнаружение имитационной помехи в принимаемом сигнале и управление работой каналов для предотвращения ввода ложных данных.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
проведен анализ возможных ситуаций сигнально-помеховой обстановки канала передачи данных, образующих полную группу несовместных событий;
обоснован метод распознавания ситуаций СПО канала передачи данных, используемый в качестве базового;
модернизирован базовый метод для повышения быстродействия распознавания изменения ситуации СПО, обусловленной действием имитационных помех;
разработан алгоритм, реализующий модернизированный метод распознавания ситуации СПО;
разработана ИИУС ЦРРС, устойчивой к действию имитационных помех;
исследована эффективность ИИУС ЦРРС в условиях действия имитационных помех: проведен анализ времени реакции на изменение ситуации СПО и достоверности распознавания действующей ситуации СПО.
Научная новизна:
модернизирован метод распознавания ситуаций СПО ЦРРС на основе байесовского подхода, в котором в процедуру оценивания ситуации в дополнение к измеренным параметрам сигнала в виде сомножителей вводятся весовые коэффициенты признаков помех путем учета выходных сигналов индикаторов признаков, сопутствующих постановке имитационных и шумовой помех;
разработано алгоритмическое обеспечение ИИУС, реализующее метод распознавания ситуации СПО канала передачи данных, в котором измеренные значения параметров сигнала подвергаются анализу на предмет наличия признаков, сопутствующих действию имитационных помех, учитываемых в виде весовых коэффициентов вместе с измеренными значениями параметров сигнала в расчете вероятностей соответствующих ситуаций СПО;
разработана ИИУС ЦРРС, в состав которой на уровне измерителей введены индикаторы сопутствующих признаков, добавлен модуль расчета вероятностей ситуаций СПО, учитывающий информацию измерителей парамет-
ров сигнала и индикаторов сопутствующих признаков, введен модуль оценивания ситуаций СПО, обеспечивающий оценивание вероятностей ситуаций и производство вывода о действующей ситуации СПО.
Положения, выносимые на защиту:
метод распознавания ситуации СПО, повышающий быстродействие и достоверность обнаружения имитационных помех в канале передачи данных;
алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы, реализующее метод распознавания ситуации СПО канала передачи данных, учитывающее информацию индикаторов признаков, сопутствующих изменению ситуации СПО;
информационно-измерительная и управляющая система каналами передачи данных цифровой радиорелейной станции, обеспечивающая повышение устойчивости к действию имитационных помех.
Теоретическая и практическая значимость работы, результаты внедрения. Модернизирован метод распознавания ситуации СПО на основе вероятностного оценивания ситуаций, позволяющий учитывать информацию индикаторов признаков, сопутствующих постановкам имитационных и шумовой помех. Разработано алгоритмическое обеспечение ИИУС, повышающее устойчивость ЦРРС к действию имитационных помех. Результаты имитационного моделирования показали увеличение быстродействия обнаружения смены состояния СПО в среднем на 16,2% и увеличение вероятностей правильного принятия решения разработанным алгоритмом распознавания СПО в среднем на 12,5%. Внедрение разработанного алгоритмического обеспечения позволяет предотвращать прием ложных данных, вводимых имитационными помехами, обеспечить достоверность и целостность передаваемых данных.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры КРЭМС ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ОАО «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «ЭФИР», ОАО «Тамбовский завод «Октябрь».
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность результатов исследования обеспечена: формированием исходных данных на основе сведений технической документации рассматриваемых ЦРРС; известностью подхода распознавания ситуаций СПО на основе неинформативных параметров сигнала и содержащихся в них признаков действия помех; применяемостью научно-методического аппарата распознавания на основе байесовского подхода в статистической радиотехнике; обоснованностью ограничений распознавания ситуаций СПО; объемом проведенных экспериментов; адекватностью моделирования имитируемых ситуаций СПО; совпадением соответствующих результатов моделирования с результатами других авторов, не использовавших информацию индикаторов сопутствующих признаков.
Основные результаты работы представлялись и обсуждались на: II Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2010); Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Тамбов, 2011); 17-й Международной научно-технической кон-
ференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Военно-воздушные силы – 100 лет на страже неба России: история, современное состояние и перспективы развития» (Воронеж, 2012); региональной НПК курсантов, студентов, молодых ученых, посвященной Дню образования войск связи «Научные чтения имени Александра Степановича Попова» (Воронеж, 2012); Всероссийской НПК курсантов, слушателей, молодых ученых, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (Воронеж, 2013).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 19 печатных работах, из них 7 статей в журналах, рекомендуемых ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации, 1 статья и 11 докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 126 страницах, имеет 50 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список литературы имеет 136 наименований.
Технологические системы передачи данных удаленных стационарных объектов
Вдоль магистрального трубопровода проходит радиорелейная линия передачи технологических данных (линия технологической связи) по п.п. 6.1-6.3 [124], которая в основном имеет диспетчерское назначение. Она используется для передачи данных системами мониторинга и управления [70,8]. Линия технологической связи служит для централизованного управления работой трубопровода и является технической базой для автоматизированных систем мониторинга и управления работой трубопроводного комплекса [124]. Можно выделить три уровня линий технологической связи [114]: – межрегионального уровня; – регионального уровня; – местного уровня (между перекачивающими станциями).
Линии связи местного уровня являются самыми массовыми в технологических системах связи трубопроводного транспорта. Их основу составляют цифровые радиорелейные станции (ЦРРС) [124]. От станции к станции передаются данные о функционировании транспортной системы: температура в трубопроводе, уровень акустических шумов и т.д., позволяющие судить как об объемах перекачиваемого продукта, так и потерях и техническом состоянии транспортной системы на отдельных участках. Промежуточные узлы линии связи на основе ЦРРС могут быть организованы вне перекачивающих станций трубопровода для ретрансляции сигналов; на участках магистрального трубопровода, эксплуатирующихся в сложных геологических и геодезических условиях [70,79], для передачи диагностической информации и постоянного мониторинга дефектов.
Радиорелейные системы передачи [31-33, 36, 39, 58, 81, 121] прямой видимости образуют цепочку ретрансляторов, обеспечивающих передачу радиосигналов между станциями, антенны которых находятся в пределах прямой видимости обычно на расстоянии 20…40 км [36, 58,81, 121].
Проектирование радиорелейных линий осуществляется в соответствии с нормативными документами [31-33, 35, 37, 115, 120,131]. Цепочку радиорелейной линии могут составлять радиорелейные станции трех типов [36, 58,81, 121]: оконечные радиорелейные станции (ОРС), промежуточные радиорелейные станции (ПРС), узловые радиорелейные станции (УРС). Условная радиорелейная линия связи схематично представлена на рисунке 1.1.
Две отдельные ЦРРС в линии связи организуют между собой каналы передачи данных [37, 104]. Для исключения возможности возникновения паразитных связей между передающими и приемными каналами необходимо использовать две несущие частоты для каждого направления [81,53,78,122]. При этом для передачи радиосигналов противоположных направлений может быть использована либо одна и та же пара частот, либо две разные пары. В зависимости от этого различают два способа (плана) распределения каналов приема и передачи в дуплексном [53] режиме: двухчастотный (рисунок 1.2 а) и четырехчастотный планы (рисунок 1.2 б).
Двухчастотный план экономичнее с точки зрения использования занимаемой полосы частот, однако требует специальных мер для защиты от сигналов противоположного направления. Четырехчастотный план не требует указанных мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения использования полосы частот, так как число радиостволов, которое может быть образовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.
Для более экономичного использования частотного спектра по возможности используют полудуплексный режим и временное разделение каналов [53,78,122]. Для линий связи местного уровня необходимо и достаточно малоканальных ЦРРС с пропускной способностью 2 Мбит/с [114].
Среди аппаратуры цифровых радиорелейных станций (ЦРРС) этого класса
широкое распространение имеют «Пихта-2M1», «Азид-5», «Бутон», «МИК РЛ400ХХ», «Р-6», «Р-6/Е1», «Азид-ЧС» и другие [18, 44, 43, 62, 83, 130]. Указанные ЦРРС позволяют создавать системы передачи данных трубопроводного транспорта на основе единых технических решений. Для их функционирования, согласно [18,83,130] отводятся диапазоны радиочастотного спектра 394-410/434-450 МГц. ЦРРС этого класса для передачи данных используют сигналы фазовой модуляции: относительной фазовой модуляции ОФМ (DPSK — Differential Phase Shift Keying) четырехфазной ОФМ-4 или двухфазной ОФМ-2 (DBPSK — Binary Phase Shift Keying) [82,110,123,132]. Перспективные ЦРРС используют квадратурную фазовую модуляцию QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), основанную на передаче сигналов, каждый из которых несет информацию о двух битах исходной двоичной последовательности [34-36]. К ним относится ЦРРС МИК-РЛ400М [16], в которой во избежание коллизий в эфире используется временное разделение каналов, что существенно экономит частотный спектр и снижает расходы на эксплуатацию. Аналогом [16,40,41,133] ЦРРС МИК-РЛ400М можно считать Р-6/Е1 [133], использующую дифференциальную квадратурную фазовую модуляцию DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Kying) [110,123,132]. Эти ЦРРС можно считать самыми современными и перспективными [42,50] среди ЦРРС отечественного производства и самыми оптимальными в отношении цена/качество по сравнению с зарубежными аналогами фирм ALCATEL, ERICSSON, NERA, NEC и др. Передача данных производится сигналами радиосвязи в пакетном режиме [52, 110,122, 123,132]. Структура и размер пакетов определяются стандартом передачи данных и связаны, с аппаратными особенностями используемых ЦРРС и протоколом обмена данными. Пакет как принимаемых, так и передаваемых данных содержит в себе следующие основные поля или части [52, 54, 59, 61, 63,64,77, 103] (рисунок 1.3). В начале пакета следует стартовая комбинация битов (преамбула). Она обеспечивает предварительную настройку принимающей ЦРРС на обработку пакета. Далее за преамбулой следует идентификатор принимающей ЦРРС -индивидуальный номер, присвоенный принимающей ЦРРС, которой адресован пакет. Преамбула
Идентификатор передающей ЦРРС - индивидуальный номер, присвоенный передающей ЦРРС, информирующий принимающую ЦРРС, о станции-отправителе пакета. Передающая и принимающая ЦРРС организуют канал передачи данных. Включение в пакет идентификаторов передающих и принимающих ЦРРС необходимо для организации обмена данными в радиорелейной линии.
Анализ научно-методического аппарата распознавания действия имитационных помех в радиоканале передачи данных
Проблемам, связанным с присутствием в эфире имитационных помех, посвящено достаточно большое количество работ [73, 74, 79, 80, 81, 91, 94, 95, 96, 97, 106, 107, 115 и др.], чем объясняется актуальность данной проблематики и востребованность методов распознавания действия имитационных помех в настоящем и будущем. Для каналов передачи данных, использующих сигналы с фазовой модуляцией, основными методами распознавания действия имитационных помех являются: 1) Метод оценки действия имитационных помех в канале с постоянными параметрами. Как показано в работе [72], в большинстве систем связи не существует систем защиты от действия имитационных помех во время передачи сигналов. Исследования [73] показывают, что основными препятствиями для постановки имитационных помех третьими лицами являются некоторые особенности распространения радиоволн, преодолеваемые, как правило, за счет энергетического превосходства [75]. В [72] для анализа влияния имитационных помех на радиосистемы передачи данных разработаны модель и метод оценивания защищенности радиоканала с фазовой манипуляцией от имитационных помех. Эксперимент оценивания [72] проводился с учетом реальных условий применения средств радиопротиводействия и взаимодействия сигналов в УКВ-диапазоне, используемом в большинстве автоматизированных радиосистем передачи данных. Признаком приема навязываемого имитационного сигнала при использовании фазовой манипуляции, согласно [72], является не выполнение амплитудных и фазовых условий. Амплитуда принимаемого сигнала не может быть ниже уровня чувствительности приемника, а сдвиг фазы сигнала не должен выходить за пределы более ±90 (рисунок 1.7 иллюстрирует аддитивное взаимодействие сигнала и помехи при фазовой манипуляции).
Анализ суммарного сигнала [73, 75] показал, что наиболее критичным является амплитудное условие, отражающее навязывание того или иного символа сигнала при превышении амплитуды сигнала в точке приема не менее чем в 2 раза.
Иначе процесс несет вероятностный характер из-за случайного сдвига фаз принимаемого сигнала. В [73,75] отмечено, что вариантом выполнения фазовых условий является случай равных амплитуд имитационной помехи и полезного сигнала, а при превышении амплитуды имитационной помехи над полезным сигналом фазовые условия будут выполнимы.
Принцип применения имитационных помех не позволяет обеспечить синфазность с полезным сигналом, поэтому необходимо учитывать случайный характер сдвига фаз принимаемого сигнала (см. рисунок 1.8). Это связано с технической сложностью обеспечения синфазности ввиду стохастических изменений фаз сигналов, обусловленных различием трасс радиопередачи, погрешностью воспроизведения сигналов [73]. Исходя из того, что разность дистанций радиотрасс намного превышает длину динамически изменяющейся волны сигнала [72], то необходимо использование модели с равномерно распределенным фазовым сдвигом: (1.1) w(y) = —,ує-ж,ж. 2ж
В таких условиях для оценивания устойчивости радиоканала к действию имитационных помех необходимо рассмотрение композиции стохастических процессов: стохастический сдвиг фаз имитационной помехи и полезного сигнала; влияние случайной шумовой помехи. Анализ модели в данных условиях производится с использованием принципа суперпозиции для следующих сигналов: имитационной помехи у, полезного сигнала х и случайной шумовой помехи n. На рисунке 1.9 представлена диаграмма сигналов в канале передачи.
При аддитивном взаимодействии в канале с постоянными параметрами помехи и сигнала случайным является только взаимный фазовый сдвиг у. Поэтому принимаемый сигнал r = у + х имеет случайную амплитуду и фазу, распределенную по случайному закону. Этот закон должен быть определен из известного распределения фазового сдвига .
Принимаемым сигналом является смесь сигнала r со случайной помехой n, имеющей гауссовский закон распределения. На вход радиоприемного устройства поступает сигнал z=r+x, распределение которого позволяет произвести оценивание устойчивости канала к действию имитационных помех.
В [72] отмечено, что практически во всех приемных устройствах используется автокорреляционный режим приема. При достаточном превышении сигнала над помехой помехоустойчивость приближена к способу когерентного приема. Поэтому при анализе учтена только синфазная составляющая принимаемого сигнала. rm=ym+xmcos у, (1.2) где ут - амплитуда имитационной помехи; хт - амплитуда полезного сигнала. В [72] произведен анализ функции r() для определения закона распределения на интервале /є-ж, тт. График изменения амплитуды принимаемого сигнала представлен на рисунке 1.10. Данная зависимость представляет собой функцию, которая немонотонна в установленном интервале и является четной. Для определения функции плотности распределения принимаемого сигнала необходимо найти вероятность того, что его амплитуда не превышает некоторого значения Гх. Это условие может быть выполн ено если -71 у ух и ух у 7Г. С учетом четности функции (1.2) и известной функции распределения фазового сдвига w(y) (1.1) получается функция плотности распределения [72].
Представленная формула оценивания может быть применена при исследовании систем защиты от имитационных помех, действующих совместно с полезным сигналом. Применение имитационных помех рассматривается как наиболее вероятный способ скрытного поражения радиотехнических систем передачи данных, телеуправления, телеметрии, ввода ложной информации. При оценивании, в соответствии с представленной формулой [72], можно распознать факт действия имитационной помехи. Этот вариант распознавания может быть учтен в алгоритме функционирования приемного устройства канала передачи.
Все вышеизложенные утверждения по поводу выполнения амплитудных и фазовых условий принимаемого сигнала в [72] не вызывают сомнений, но на практике для эффективного ввода ложных данных часто [ПО, 111, 112] осуществляется постановка комплекса помех (см. п.1.3, п.2.3). Постановкой шумовой заградительной помехи возможно частичное подавление полезного сигнала, делая его уровень ниже уровня чувствительности приемника канала передачи данных. В таких условиях уровень имитационной помехи может восприниматься приемником без двукратного превышения уровня полезного сигнала. При этом соотношение сигнал/шум может соответствовать уверенному приему имитационной помехи, а эффективность распознавания данным методом может быть сведена к минимуму. Однако, информацию, полученную этим методом, можно использовать как отдельный признак при распознавании ситуации сигнально-помеховой обстановки.
Модель сигнала и имитационной помехи канала передачи данных
Организация эксперимента начинается с его планирования. При планировании, исходя из материальных и временных ресурсов, определяется число экспериментов необходимое для оценивания результатов. На основании того, что принятый подход к проведению эксперимента – имитационное моделирование (см. п.3.1), то для проведения эксперимента используется вычислительная техника, ресурсы которой доступны для проведения исследования. Для оценивания эффективности алгоритма распознавания ситуации сигнально-помеховой обстановки канала передачи данных, необходимо чтобы исследованию подвергались все возможные ситуации и комбинации их изменения. Соответственно объем выборки параметров сигнала с выхода антенного тракта приемника канала передачи данных должен обеспечивать необходимую репрезентативность для исследования.
При исследовании полагалось, что для распознавания ситуации сигнально-помеховой обстановки и ее изменения необходимым и достаточным является привлечение выборок параметров сигнала для каждой ситуации сигнально-помеховой обстановки объемом не менее десяти шагов счета.
Как было показано выше (см. п.2.4), непрерывные сигналы на выходе антенны приемника канала передачи данных, подвергаясь цифровой обработке, преобразуются в последовательность отсчетов. Шаг счета – это интервал времени, за который производится распознавание ситуации сигнально-помеховой обстановки. Исходя из того, что на передачу одного символа в пакете сообщения по техническим характеристикам рассматриваемых ЦРРС приходится 0,4882 10-6 с = 0,4882 мкс, то и дискретность шагов счета при распознавании ситуации сигнально-помеховой обстановки следует выбирать кратной этой величине. В зависимости от необходимости значение шагов счета может изменяться. В данной работе шаги счета будут рассматриваться только с дискретностью 0,4882 мкс. Это позволит достичь максимального быстродействия в распознавании изменения ситуации сигнально-помеховой обстановки при использовании информации наблюдаемых параметров сигнала (см. п.3.1) за исключением коэффициента битовых ошибок BER, информация о котором может быть получена только после приема пакета сообщения.
Имитационное моделирование, проведение вычислительного эксперимента являются одними из современных методов исследования. Целью моделирования является имитация работы алгоритма распознавания ситуаций сигнально-помеховой обстановки с использованием современных информационных технологий. Сложные вычислительные задачи, возникающие при моделировании технических устройств и процессов, можно разбить на ряд элементарных: вычисление интегралов, решение уравнений, решение дифференциальных уравнений и т.д. Для таких задач уже разработаны методы решения, созданы математические системы, доступные для широкого круга пользователей.
Наиболее подходящими для решения задач имитационного моделирования являются мощные, эффективные и популярные математические системы компьютерной алгебры, такие как MathCAD, занимающий место в одной линейке среди Matlab, Mathematica, Maple и др. MathCAD представляет собой мощную и вместе с тем простую универсальную среду решения задач различных отраслей и сфер деятельности человека. MathCAD является системой решения математических задач с помощью общепринятых математических формул и математической символики. Он представляет возможным выполнение численных и аналитических вычислений, имея при этом удобный интерфейс и графические средства визуализации результатов моделирования. Для имитационного моделирования алгоритма распознавания ситуации сигнально-помеховой обстановки необходимо написание программы с помощью соответствующих математических символов в среде MathCAD. Программа моделирования реализует работу формулы (2.5) расчета вероятностей ситуаций по исходным данным.
Сокращение длительности задержки в обнаружении действия имитационных помех в некоторых случаях достигает 50%. В среднем увеличение быстродействия обнаружения смены ситуаций при использовании информации индикаторов сопутствующих признаков составляет 16,2%. Правильное принятие решения о ситуации сигнально-помеховой обстановки будет определяться уровнем вероятности ситуации сигнально-помеховой обстановки. На рисунках 3.3-3.9 представлены графики вероятностей при изменении ситуации сигнально-помеховой обстановки полученные с использованием разработанного (сплошная линия) и базового (пунктирная линия) алгоритмов по ситуациям. График смены ситуаций СПО представлен на рисунке 3.2.
Организация эксперимента. Программная среда. Имитационная модель
Алгоритмическое обеспечение ИИУС каналами передачи данных, согласно формуле (3.1), позволяет производить прогноз о ситуации сигнально-помеховой обстановки на k+1 шаге по информации на k-м шаге счета и априорным данным. Априорными данными, позволяющими делать прогноз, являются априорные вероятности ситуаций сигнально-помеховой обстановки p0 (i) и интенсивности переходов ситуаций qi . Эффективность алгоритмического обеспечения во многом будет определяться и соответствием априорных данных ситуациям сигнально-помеховой обстановки.
Априорные данные при распознавании ситуаций сигнально-помеховой обстановки следует формировать по выборкам наиболее опасных и вероятных помеховых ситуаций, с целью повышения эффективности алгоритмического обеспечения ИИУС каналами передачи данных при их действии (см. п.2.3). Обратной стороной такого варианта формирования априорных данных будет ухудшение показателей эффективности при изменении ситуации сигнально-помеховой обстановки с помеховой на беспомеховую, что имеет меньший приоритет и вполне оправдано.
Наиболее опасной и вероятной следует считать пятую ситуацию сигнально-помеховой обстановки (см. п.2.3), при которой действует имитационная помеха, превосходящая по уровню полезный сигнал с шумом высокой интенсивности. Для оценки влияния несоответствия априорной вероятности ситуации сигнально-помеховой обстановки p0 (i) и интенсивности перехода ситуации qi проведено исследование.
На следующем этапе, изменяя значение интенсивности перехода ситуации, проанализировано изменение уровня вероятности и скорость изменения вероятности при смене ситуаций с первой (беспомеховой) на пятую (помеховую) и с пятой на первую (см. таблицу 3.3). Таким образом, при формировании априорных данных следует стремиться к достижению баланса, обеспечивающего приемлемые показатели критериев эффективности при изменении ситуаций сигнально-помеховой обстановки с беспомеховой на помеховую и обратно.
Так как, априорные вероятности и интенсивности переходов присутствуют в формуле постоянно, то при малых отклонениях значений наблюдаемых параметров относительно математического ожидания в формулах (3.1), (3.2) и малых номиналах априорных данных будет происходить уменьшение уровня вероятности, даже в том случае, когда вероятность ситуации максимальна из рассматриваемой группы несовместных событий. При больших отклонениях значений наблюдаемых параметров относительно математического ожидания и больших номиналах априорных данных будет происходить увеличение уровня вероятности, даже в случае если вероятность ситуации минимальна из рассматриваемой группы несовместных событий. Аналогично априорные данные влияют и на быстродействие изменения вероятности ситуации при изменении помеховой обстановки.
Алгоритмическое обеспечение ИИУС каналами передачи данных ЦРРС, в соответствии с формулой (3.1), позволяет использовать информацию индикаторов сопутствующих признаков для более эффективного распознавания ситуаций СПО (см. п. 2.6.1). Значения весовых коэффициентов индикаторов сопутствующих признаков, учитываемых при расчете апостериорных вероятностей, повышают вероятности соответствующих ситуаций при появлении индицируемого признака в принимаемом сигнале. Для корректности работы алгоритма весовые значения коэффициентов должны быть подобраны из одного числового диапазона, быть адекватными опасности соответствующей сигнально-помеховой ситуации, оказывать умеренное влияние на вероятность ситуации при ложном срабатывании. Для подбора сбалансированных значений весовых коэффициентов индикаторов сопутствующих признаков необходимо проведение исследований.
Наиболее значимыми признаками являются уровень сигнала по мощности и уровень шума (см. п. 2.5.2), индикация которых необходима для распознавания наиболее вероятной помеховой ситуации. В таблице 3.4 представлены результаты исследования влияния значения индикатора уровня сигнала по мощности 1 на вероятности четвертой p(4) и пятой p(5) ситуаций.
Обратная сторона использования информации индикаторов сопутствующих признаков при распознавании ситуаций сигнально-помеховой обстановки проявляется при ложном срабатывании индикаторов. Для правильного назначения весовых коэффициентов индикаторов следует учитывать вклад, вносимый соответствующим индикатором в вероятности ситуаций СПО. В таблице 3.6 представлены результаты исследования влияния индикаторов 1 и 6 на вероятности p(1) и p(5) при ложном срабатывании в момент действия первой ситуации СПО.
Предполагается, что ложное срабатывание индикаторов может произойти только поочередно. Одновременное срабатывание индикаторов сопутствующих признаков свидетельствует скорее о закономерном изменении ситуации сигнально-помеховой обстановки, нежели о случайном срабатывании индикатора.
Значения весовых коэффициентов индикаторов 1 и 6 учитываются в формуле расчета апостериорных вероятностей ситуаций (3.1) одинаково, а потому, при изменении значений весовых коэффициентов и вклад индикаторов 1 и 6 в вероятность ситуаций будет одинаков. Поэтому исследование влияния значений индикаторов 1 и 6 можно заменить одним общим исследованием.
Как видно из графиков на рисунках 3.17 - 3.22, правильность назначения весовых коэффициентов индикаторов сопутствующих признаков, приведенных в п.3.1, полностью подтверждается. Значения весовых коэффициентов индикаторов сопутствующих признаков обеспечивают повышение быстродействия и достоверности распознавания ситуаций сигнально-помеховой обстановки. При ложном срабатывании индикаторов наблюдается не значительное снижение вероятности правильного принятия решения алгоритмом, оставляя вероятность действующей ситуации сигнально-помеховой обстановки на уровне достоверного распознавания. Это обеспечивает корректное и более эффективное, по сравнению с аналогами, распознавание ситуаций сигнально-помеховой обстановки.
