Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопросов построения структур и обработки данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения
1.1. Анализ структур современных распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения 8
1.2. Анализ существующих методов и алгоритмов распределения информационных потоков в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения 30
1.3. Проблема передачи служебной информации по занятым каналам в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения 35
Выводы 44
Глава 2. Исследование и разработка алгоритмов динамической маршрутизации в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения
2.1. Исследование динамической маршрутизации в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с различными законами распределения времени обслуживания поступивших данных 45
2.2. Разработка алгоритма оптимального распределения данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией 53
2.3. Разработка алгоритма динамической маршрутизации в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией 65
Выводы 74
Глава 3. Исследование и разработка алгоритмов обработки данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения
3.1. Определение вида математической модели потока ошибок по характеристикам совокупности помех и искажений 75
3.2. Разработка алгоритма обработки и передачи служебных данных по занятым каналам связи 88
Выводы 118
Глава 4. Реализация разработанных алгоритмов в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения
4.1. Разработка методики оценки адекватности моделей РИИС ОСО совместно с речевым сигналом 119
4.2. Разработка технических решений устройств при передаче сигналов сообщений по занятым каналам связи 122
Выводы 141
Заключение 142
Список использованной литературы 143
Приложение 151
- Анализ существующих методов и алгоритмов распределения информационных потоков в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения
- Разработка алгоритма оптимального распределения данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией
- Разработка алгоритма обработки и передачи служебных данных по занятым каналам связи
- Разработка технических решений устройств при передаче сигналов сообщений по занятым каналам связи
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные распределенные информационно-измерительные системы (РИИС) нашли широкое применение в различных областях науки, техники и промышленности. Обеспечение безопасности объектов (важных, особо важных, режимных и т.д.) не может быть достигнуто без использования таких РИИС.
Интерес к РИИС охранной сигнализации и оповещения (РИИС ОСО) продолжает непрерывно возрастать. В связи с усложнением алгоритмов обработки данных, повышением требований к передаче данных, а также тенденцией распределения вычислительных средств между подсистемами РИИС ОСО, требования к распределению потоков данных и алгоритмов их обработки приобретают важное значение, а сама РИИС ОСО начинает играть ведущую роль, так как от нее зависит вся безопасность в целом.
Такое направление развития РИИС ОСО выявляет тенденцию усложнения их структуры. Эта тенденция ведет к необходимости решения задач оптимизации маршрутизации и коммутации, так как качество решения данных задач напрямую влияет на производительность и эффективность самой РИИС ОСО.
В общем, решение проблемы повышения качества РИИС ОСО зависит от многих факторов: структуры РИИС, интенсивности изменения данных, распределения потоков данных, времени задержек в узлах коммутации, пропускной способности каналов и т.п.
Вместе с тем, проведенный анализ показал, что в настоящее время вышеперечисленные задачи недостаточно проработаны. В этих условиях первостепенное значение приобретает совершенствование и дальнейшее развитие методов и алгоритмов повышения качества обработки и передачи данных в РИИС ОСО и широкое их практическое внедрение на основе использования современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.
В связи с этим, разработка новых более эффективных методов и алгоритмов, обеспечивающих повышение качества передачи и обработки данных в РИИС ОСО является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является повышение достоверности и быстродействия передачи и обработки данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
провести анализ вероятности информационного переполнения распределенной
информационно-измерительной системы охранной сигнализации и оповещения при
усложнении ее структуры и при изменении количества случайно выбираемых при
маршрутизации очередей и разработать математическую модель информационных
потоков для нее, позволяющую учитывать эти факторы;
исследовать различные законы распределения времени обслуживания поступивших данных и разработать алгоритм динамической маршрутизации в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией с учетом изменения априорной информации;
разработать алгоритм оптимизации распределения потоков данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией;
провести исследование и определить вид математической модели потока ошибок
по характеристикам совокупности помех и искажений;
разработать методику и алгоритм передачи служебных данных по занятым каналам
связи при гарантированном обеспечении качества информационных
сообщений;
разработать техническое решение устройства передачи служебных данных по занятым каналам связи.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследований использованы: теория систем, топология, теория матриц, теория графов, теория информации и передачи сигналов, теория массового обслуживания, теория вероятностей, прикладная комбинаторика, теория множеств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель информационных потоков для распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения, позволяющая анализировать поведение вероятности информационного переполнения системы при увеличении ее масштаба, а также при изменении количества случайно выбираемых при маршрутизации очередей.
Разработан алгоритм динамической маршрутизации в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с различными законами распределения времени обслуживания поступивших данных и канальной коммутацией с учетом изменения априорной информации.
Разработан алгоритм оптимизации распределения потоков данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией.
Определен вид математической модели потока ошибок по характеристикам совокупности помех и искажений.
Разработаны методика и алгоритм передачи служебных данных по занятым каналам связи при гарантированном обеспечении качества информационных сообщений.
Разработано устройство передачи служебных данных по занятым каналам связи, защищенное патентом РФ на изобретение.
Достоверность результатов работы подтверждается:
совпадением расчетных результатов с экспериментальными;
положительным опытом работы разработанной РИИС ОСО. Практическая значимость, реализация и внедрение результатов работы
заключается в том, что:
Предложенные методы, алгоритмы и информационные технологии доведены до практической реализации, полученные результаты использовались в НИР, проводимых в ЗАО «Аргус-Спектр», ОАО «Центр Телеком», ОАО «Связьинвест», ГУВО МВД РФ.
Разработанные в работе математическая модель информационных потоков, алгоритмы динамической маршрутизации, оптимизации коммутации потоков данных, передачи данных по занятым каналам, а также техническое решение устройства передачи служебных данных по занятым каналам связи внедрены на предприятии ЗАО «НИИН МНПО «Спектр» в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения объектов ответственного назначения, что подтверждено соответствующим актом внедрения.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, в ЗАО «НИИН МНПО «Спектр», на отраслевых совещаниях в ЗАО «Аргус-Спектр», ОАО «Центр Телеком», ОАО «Связьинвест», ГУВО МВД РФ и международной научно-технической конференции в г. Таба, Египет.
Личный вклад автора
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в виде статей в журналах, трудах международной конференции, из них 2 работы в изданиях, рекомендованном ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и приложения, а также включает рисунки и таблицы в количестве 65 шт.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель информационных потоков для распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения, позволяющая анализировать поведение вероятности переполнения системы при увеличении ее масштаба, а также при изменении количества случайно выбираемых при маршрутизации очередей.
Алгоритм динамической маршрутизации в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с различными законами распределения времени обслуживания поступивших данных и канальной коммутацией с учетом изменения априорной информации.
Алгоритм оптимизации распределения потоков данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией.
Математическая модель потока ошибок по характеристикам совокупности помех и искажений.
Методика и алгоритм передачи служебных данных по занятым каналам связи при гарантированном обеспечении качества информационных сообщений.
Техническое решение устройства передачи служебных данных по занятым каналам связи.
Анализ существующих методов и алгоритмов распределения информационных потоков в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения
Оптимизационные задачи, формулируемые для РИИС ОСО, в основном, связаны с нахождением [12, 22, 24]:
минимально необходимого количества выходов коммутационной системы при заданной поступающей нагрузке;
емкости коммутационных устройств;
оптимального распределения нагрузки.
В современных РИИС ОСО в целях адекватного реагирования на изменения нагрузки в РИИС ОСО необходима разработка новых алгоритмов адаптивной маршрутизации, позволяющих адекватно и быстро реагировать на изменения нагрузки в РИИС ОСО и обеспечивать как надежность передачи информации, так и необходимую пропускную способность. При этом критерием оптимальности алгоритма маршрутизации для РИИС ОСО может служить величина потерь вызовов, а так же пропускная способность РИИС ОСО.
В работах [79,81,84] приводится достаточно подробная классификация алгоритмов фиксированной маршрутизации. Согласно [79], под маршрутизацией будем понимать такую процедуру выбора маршрутов, при которой для передачи данных от узла-источника узлу-адресату используется единственный маршрут.
Если в процедуре выбора маршрутов разрешается использовать более одного пути, то она называется многопутевой.
Основную массу алгоритмов, связанных с оптимизацией потоков в РИИС ОСО можно условно подразделить на [43]:
графовые;
с использованием математического программирования.
Следует отметить, что многие известные задачи информационных потоков (о максимальном потоке в РИИС, о наикратчайших маршрутах и т.п.) могут быть решены как графовыми методами, так и с использованием математического программирования. Различие заключается в скорости и ресурсоемкости вычислений.
В настоящее время наиболее широко в маршрутизации используются быстрые графовые алгоритмы [101]:
Дейкстры;
Беллмана-Форда;
Флойда-Уоршелла;
Дж. Иена и т.д.
Пусть дан граф G = (X, Г), дугам которого приписаны веса (стоимости), задаваемые матрицей С = [citJ. Задача о кратчайшем пути состоит в нахождении кратчайшего пути от заданной начальной вершины s принадлежит X до заданной конечной вершины t принадлежит е, при условии, что такой путь существует.
Здесь R(s) — множество, достижимое из вершины s. Элементы Су-матрицы весов С могут быть положительными, отрицательными или нулями. Единственное ограничение состоит в том, чтобы в G не было циклов с суммарным отрицательным весом.
Если такой цикл Ф все же существует их, — некоторая его вершина, то, двигаясь от s к х, обходя затем Ф достаточно большое число раз и попадая наконец в t, мы получим путь со сколь угодно малым весом.
Таким образом, в этом случае кратчайшего пути не существует.
Если, с другой стороны, такие циклы существуют, но исключаются из рассмотрения, то нахождение кратчайшего пути (простой цепи) между s и t эквивалентно нахождению в этом графе кратчайшего гамильтонова пути с концевыми вершинами s и t.
Следующие задачи являются непосредственными обобщениями сформулированной выше задачи о кратчайшем пути.
Для заданной начальной вершины s найти кратчайшие пути между s и всеми другими вершинами х,- принадлежащем X
Наиболее эффективный алгоритм решения задачи о кратчайшем s — t — пути первоначально дал Дейкстра [73]. В общем случае этот метод основан на приписывании вершинам временных пометок, причем пометка вершины дает верхнюю границу длины пути от s к этой вершине.
Эти пометки (их величины) постепенно уменьшаются с помощью некоторой итерационной процедуры, и на каждом шаге итерации точно одна из временных пометок становится постоянной. Последнее указывает на то, что пометка уже не является верхней границей, а дает точную длину кратчайшего пути от s к рассматриваемой вершине.
Другим вариантом может служить алгоритм Флой да [73,101]. Пусть требуется найти кратчайшие пути между всеми парами вершин графа. Очевидный способ получить ответ на этот вопрос заключается в и-кратном применении алгоритма Дейкстры, причем каждый раз в качестве начальной вершины s берутся различные вершины.
В случае полного графа с неотрицательной матрицей весов С время, необходимое для вычислений, пропорционально п, а для произвольной матрицы весов оно пропорционально п4.
Поэтому если задача о кратчайшем пути имеет большую размерность, то ее невозможно решить с помощью последовательного применения алгоритма Дейкстры.
Опишем иной подход к задаче нахождения кратчайших путей между всеми парами вершин. Этот метод применим как к неотрицательным, так и к произвольным матрицам весов и время, необходимое для вычислений, пропорционально п. Если этот метод применить к графам с неотрицательной, матрицей весов, то он сэкономит почти 50% времени по сравнению с п-кратным применением алгоритма Дейкстры.
Метод был предложен первоначально Флойдом [ПО] и развит Мерчлэндом [126]. Он базируется на использовании последовательности из п преобразований (итераций) начальной матрицы весов С. При этом на к-й итерации матрица представляет длины кратчайших путей между каждой парой вершин с тем ограничением, что путь между Х{ и ху- (для любых xt и Xj) содержит в качестве промежуточных только вершины из множества {xj, Х2, .,Хк}.
На практике часто требуется найти не только кратчайший путь, но также второй, третий и т. д. кратчайшие пути в графе. Располагая этими результатами, можно решить, какой путь выбрать в качестве наилучшего. Кроме того, второй, третий и т. д. кратчайшие пути можно использовать при анализе «чувствительности» задачи о кратчайшем пути. Этот метод называется поиском К- кратчайших путей или методом Дж.Иена [73].
Задача о максимальном потоке в сети изучается уже очень давно. Интерес к ней обосновывается огромной практической значимостью этой проблемы.
Форд и Фалкресон [61] предложили рассматривать для решения задачи о максимальном потоке ориентированную РИИС и искать решение с помощью итерационного алгоритма.
Алгоритм начинает работу с произвольного допустимого потока (можно взять и нулевой поток), затем стремятся увеличить величину потока с помощью систематического поиска всех возможных аугментальных (увеличивающих поток) цепей потока от s к t. Поиск аугментальной цепи осуществляется с помощью расстановки - пометок в вершинах графа.
Пометки указывают, вдоль каких дуг может быть увеличен поток и на сколько. Как только найдена одна из таких цепей, поток вдоль нее увеличивают до максимального значения, все пометки в вершинах стираются и вновь полученный поток используется в качестве исходного.
Алгоритм заканчивает работу и дает максимальный поток, если нельзя найти ни одну аугментальную цепь.
Наиболее известным методом расчета оптимальных маршрутов для РИИС с пакетной коммутацией является алгоритм, впервые предложенный в работе Л.Фратта, М.Герла и Л. Клейнрока [57].
Критерием оптимальности в данном алгоритме является минимальные задержки пакетов в транзитных узлах РИИС. Приведем решение данной задачи.
Разработка алгоритма оптимального распределения данных в распределенных информационно-измерительных системах охранной сигнализации и оповещения с канальной коммутацией
Из теории системного анализа [71] известно, что для задач оптимизации информационных потоков в качестве начальных условий как правило задается информация о топологии РИИС, пропускной способности каналов связи и некоторый критерий оптимальности распределения информационного потока. Кроме перечисленных условий, дополнительно могут быть заданы ограничения на пропускную способность узлов РИИС, минимальную интенсивность потока, формируемого источниками, и т.п.
Наиболее простой, с точки зрения методов математического программирования, является сетевая оптимизационная задача по критерию минимизации суммарных дуговых потоков и ограничением на емкость каналов связи [76].
Несмотря на свою простоту, в данной задаче отражен базовый подход решения оптимизационных задач в РИИС методами математического программирования, необходимый для формулирования искомой оптимизационной задачи. Дадим описание этих подходов, приведя формулировку упомянутой задачи [83]:
Минимизируемая целевая функция (2.2.1) задачи есть сумма дуговых потоков ус, которые выражаются через величины нагрузок между источниками и получателями (2.2.2). Переменная хы является искомым вектором сетевого потока.
Формула (2.2.3) выражает закон сохранения потока: сумма долей одного и того же информационного потока, входящего в данный узел, равна сумме долей этого же потока, исходящего из данного узла.
Формулы (2.2.4) и (2.2.5) ограничивают единицей суммы долей входящего и исходящего потоков соответственно. Формула (2.2.6) задает ограничение на емкость канала связи.
В приведенных выше выражениях переменные xed являются вещественными числами от 0 до 1. Это значит, что поток пары источник-получатель может передаваться по различным маршрутам.
Так как условия-ограничения и целевая функция являются линейными, то поставленная задача является задачей линейного программирования (ЛП). Наиболее известным и широко применяемым на практике для решения общей задачи линейного программирования является симплекс-метод, разработанный Дж. Данцигом [75].
Для приведенной задачи существует большое количество модификаций [76], позволяющих, например, ограничить число найденных маршрутов, найти фиксированное количество маршрутов, найти для части нагрузочных пар только один маршрут, учесть пропускную способность узла РИИС и т.д.
Отметим, что задача имеет ряд ограничений в части ее применимости.
Если суммарная нагрузка на РИИС превысит максимальный поток, то задача не будет иметь решения.
Характер информационного потока в РИИС должен быть строго детерминированным.
Задача не учитывает потери информации.
Тем не менее, часть выражений - (2.2.2), (2.2.3), (2.2.4), (2.2.5) - могут быть применены и в искомой задаче.
Найдем формальное выражение для искомой целевой функции и внесем соответствующие изменения в вышеприведенную оптимизационную задачу.
Обозначим РИИС в виде ориентированного графа [72]
Выразим интенсивности потоков, являющихся исходными данными, в виде вектора [Лу], где [Ad] - параметр потока вызовов или средняя скорость формирования блоков (вызовов) на узле предназначенных узлу Td, V -количество узлов в РИИС, d=l,2,...,D - порядковый номер нагрузки: Значения элементов Ad вектора могут быть вычислены граничными устройствами на основании статистики переданных блоков, либо заранее установлены исходя из долговременных потребностей в ресурсах РИИС для данного информационного потока. Поскольку эти значения могут быть время от времени изменяться, то полагаем, что любые изменения вектора интенсивности происходят через достаточно длинные промежутки времени и, соответственно, найденные маршруты в промежутках между этими обновлениями остаются неизменными.
Поскольку в РИИС для коммутации блоков между приемником и получателем устанавливается выделенный, постоянный канал связи (пусть на короткое время), то процессы передачи данных могут быть описаны теорией телетрафика [79], которая является одной из ветвей теории массового обслуживания и появилась в результате работ А. К. Эрланга, Т. Энгсета, Г. О. Делла, К. Пальма, А. Я. Хинчина и др.
В соответствии с теорией телетрафика, интенсивность потерянной нагрузки в коммутационном устройстве может быть выражена произведением поступающей нагрузки на вероятность потерь вызовов:
Однако интенсивность потока, формируемого источниками, может не равняться интенсивности потока, входящего в узел-получатель вследствие потерь блоков. То есть в реальной РИИС условие сохранения потока (2.2.11) может не выполниться. Чтобы обойти это ограничение сделаем допущение, что вероятность потерь рс в любой дуге е ничтожно мала и что она не зависит от источника или получателя блока, а так же не зависит от предыдущего пути, по которому прошел блок до поступления в дугу е .
Следовательно, мы можем допустить, что наблюдаемая в РИИС реальная интенсивность потока у, между узлами Sd и Td равна предполагаемой интенсивности потока yd (то есть в РИИС нет потерь блоков). Это допущение, близкое к истине в случае малых вероятностей потерь, позволяет применить формулы (2.2.11) и (2.2.12), выражающие зависимость интенсивности дугового потока уе от интенсивности формируемой источниками нагрузки yd.
Выражение для вероятности потерь рс зависит от характера потока и его интенсивности. В общем случае невозможно выразить ре как линейную функцию от уе и, соответственно, невозможно получить точное выражение для рс. Поэтому сделаем допущение, что модель поступления потока на любой дуге - пуассоновская (простейший поток вызовов с показательным распределением длительности обслуживания) [81].
В случае, когда источники генерируют пуассоновский поток -интенсивность поступления блоков данных в конкретную дугу может уменьшиться вследствие потерь на предыдущих дугах. Соответственно поток на данной дуге будет уже не пуассоновским. Тем не менее, если потери блоков относительно малы, то мы можем считать, что этот «разреженный» (вследствие потерь) поток для любых дуг - тоже пуассоновский.
Такое допущение дает возможность сформулировать нелинейную оптимизационную задачу, позволяющую найти искомое множество маршрутов. Даже если характер потока в РИИС будет не пуассоновским, вычисленные таким методом маршруты все равно позволят минимизировать потери в РИИС вследствие «параллельного» распределения потока по сравнению с обычными методами маршрутизации.
Если характер потока в РИИС — пуассоновский, то, согласно теории телетрафика [76], вероятность потерь в каждой дуге е можно выразить первой формулой Эрланга [83].
Разработка алгоритма обработки и передачи служебных данных по занятым каналам связи
Для того, чтобы наложение сигналов разовых сообщений практически не сказывалось, на помехоустойчивости РИИС ОСО, необходимо определить требуемую максимальную мощность сигналов разовых сообщений, учитывая при этом характеристики канала связи и свойства самих сигналов.
Сигналы разовых сообщений, как будет показано далее, имеют «гладкий» спектр. Поэтому их воздействие на речевой сигнал подобно воздействию «белого» шума.
Анализ показывает, что допустимая мощность сигнала разового сообщения, накладываемого на речевой сигнал, должна соответствовать неравенству [90] h2 9, (3.2.1) т.е. должна быть в 9-10 раз меньше мощности речевого сигнала.
Определим максимальную мощность сигналов разовых сообщений для каналов связи, занятых передачей дискретной информации. Максимальную мощность сигналов разовых сообщений следует выбирать, исходя из расчета допустимого увеличения вероятности ошибки при приеме данных из-за мешающего действия разовых сообщений.
Обычно при приеме данных вероятность ошибки символа находится в пределах 104...10-7. По данным МККТТ средняя вероятность ошибки при передаче данных равна 3-Ю5.
При оценке влияния на регулярную информацию сигналов разовых сообщений рассмотрим случай, когда время корреляции сигналов разовых сообщений соизмеримо или больше времени передачи единицы информации данных. При этом сигналы разовых сообщений воздействуют на сигналы также, как гармоническая помеха.
На рис. 3.2.1 показаны Р(0,П) Р(0,Я)для различных способов модуляции [90]:
фазовой (ФМ),
частотной (ЧМ),
относительной фазовой (ОФМ),
амплитудной (AM).
Под помехой понимаются сигналы разовых сообщений. Как видно из рис. 3.2.1, помеха не вызывает ошибок, пока h 2 при AM и h У 1 при остальных видах модуляции. Таким образом, наихудшей устойчивостью к помехе обладает некогерентная AM. Наиболее устойчивой оказывается когерентная ФМ.
Вероятность искажения сигналов данных от импульсной помехи остается почти неизменной так в присутствии, так и в отсутствии сигналов разовых сообщений, если только их мощность меньше мощности сигналов данных. Такое предположение можно сделать на основе экспериментальных данных, приведенных в [98], которые показывают, что вероятность ошибки мало зависит от уровня сигнала в канале.
Таким образом, для того, чтобы сигналы разовых сообщений не оказывали существенного влияния на достоверность передачи аналоговой и дискретной информации в случае использования каналов с малым уровнем флуктуационных шумов, необходимо обеспечить условие h2 -9 (3.2.4)
Здесь под h2 понимается отношение по мощности сигнала полезной информации к сигналу разового сообщения.
Найдем величину И2 для каналов с высоким уровнем флуктуационного шума (отношение «сигнал - флуктуационная помеха» не более 15 дБ).
Увеличение вероятности ошибки при приеме данных может быть вызвано уменьшением мощности сигнала данных на входе приемника при противофазном наложении сигналов разовых сообщений.
Определим максимально допустимую мощность сигналов разовых сообщений для самого неблагоприятного случая:
сигналы данных и сигналы разовых сообщений противофазны;
отношение "сигнал данных - флуктуационная помеха" примерно 14... 15 дБ;
при передаче данных используется амплитудная модуляция (AM).
Согласно формуле (3.2.6), на рис. 3.2.2 показана зависимость вероятности ошибки Роф от отношения «сигнал - флуктуационная помеха» в присутствии противофазного сигнала разовых сообщений. Из графиков видно, что при h2 =20...30 дБ допустимая мощность сигналов разовых сообщений должна быть в 4...5 раз меньше мощности сигнала данных; при малых h1 = 14 -15дБ допустимая мощность сигнала разовых сообщений уменьшается.
Для сохранения неравенства (3.2.3) и, следовательно, для сохранения практически неизменной вероятности ошибки при приеме данных, при наложении сигналов разовых сообщений к2 должно быть порядка 0.033...0.04.
Итак, при работе по «плохим» каналам связи, т.е. по каналам с высоким уровнем флуктуационного шума, максимально допустимая мощность сигналов должна быть в 25...30 раз меньше мощности сигналов данных.
Таким образом, применение широкополосного сигнала для передачи разовых сообщений позволяет улучшить селекцию команд от сигналов регулярной информации, особенно при сильно коррелированных сигналах последней.
Известными являются способы поэлементной регистрации и приема «в целом» кодовых сигналов. На вопрос о том, какой из этих способов приема лучше, однозначного ответа не существует. Строго говоря, ни один из этих методов не может быть оптимальным вообще. Каждый из них имеет свои преимущества при различных помехах.
В частности, поэлементный прием позволяет локализовать действие помехи какой угодно интенсивности в границах отдельного элемента. Прием же «в целом» лучше при равномерном распределении интенсивности помех в границах длительности сигнала [92].
Проведенный анализ показал, что в канале связи встречаются независимые и сильно коррелированные ошибки, т.е. в границах длительности разового сообщения помехи распределены неравномерно. Кроме того, увеличение числа разовых сообщений, например до 100, при поэлементном приеме незначительно усложняет кодирующее и декодирующее устройства, а от приема «в целом» приходится отказаться из-за трудности технической реализации.
Учитывая вышесказанное, далее будем рассматривать поэлементную регистрацию разовых сообщений.
Наиболее эффективным методом повышения помехоустойчивости систем связи является расширение спектра сигнала [87].
Широкополосность системы определяется не абсолютной шириной используемой полосы частот, а соотношением спектра сообщения (он зависит от скорости поступления информации, которую необходимо передать) и спектром сигнала, обусловленного избранным видом модуляции.
Разработка технических решений устройств при передаче сигналов сообщений по занятым каналам связи
Для проведения экспериментальных исследований характеристик помехоустойчивости служебных сигналов в системе с шумоподобными сигналами (ШПС) при изменении параметров сигналов необходимо иметь устройство с передачей ШПС со скачками частоты.
При анализе выбора схемного решения необходимо учитывать обеспечение следующих факторов [89,96]:
обеспечение возможности изменения числа частот в сигнале от 1 до 7;
возможность изменения порядка следования частотных посылок;
высокую стабильность рабочих частот элементарных посылок;
безобрывность фазы сигнала в момент скачка частоты;
возможность изменения уровня сигнала от -45 дБ до -5 дБ. Стабильность рабочих частот сигналов предполагает использование задающего генератора с кварцевой стабилизацией частоты. Эту возможность обеспечивает структура преобразования частот служебного сигнала, основанная на делении высокой частоты задающего генератора. В качестве задающего генератора используется кварцевый генератор высокой частоты. Для получения семи частот из одной частоты задающего генератора нужен делитель с переменным коэффициентом деления. Коэффициент деления такого делителя зависит от значения сигнала на его управляющих входах.
Порядок и скорость изменения значений коэффициента деления зависит от порядка и скорости изменения значений коэффициента деления, соответственно от порядка и скорости изменений значений управляющего сигнала.
Сигнал управления на делитель с переменным коэффициентом деления будет подаваться из схемы управления делителем, частота смены кода, на выходе которой будет задавать длительность элементарных частотных посылок и порядок их следования, а также позволит изменять эти параметры сигнала взаимодействия.
На выходе делителя с переменным коэффициентом деления скважность сигнала будет неравномерной, поскольку уменьшение частоты следования импульсов в переменном делителе означает «вырезание» импульсов из опорной последовательности, подаваемой с выхода задающего генератора.
На выходе передающего устройства необходимо иметь синусоидальный сигнал, который может быть получен из последовательности прямоугольных импульсов со скважностью 2. Для преобразования выходного сигнала переменного делителя в меандр следует разделить частоту этого сигнала на 2. Однако, при изменении значения управляющего сигнала на входе переменного делителя фаза может измениться даже в меандровом выходном сигнале. Максимально уменьшить скачок фазы можно лишь в том случае, когда верхняя частота рабочего, диапазона во много раз меньше частоты сигнала на выходе делителя с переменным коэффициентом деления [26,42].
Это значит, что рабочие частоты образуются из частот сигнала на выходе переменного делителя путем деления на постоянный коэффициент п. Следовательно, после делителя с переменным коэффициентом деления должен стоять блок постоянных делителей, преобразующий высокие частоты в частоты тонального диапазона. В этом же блоке можно организовать деление на 2 для получения меандра.
Сигнал на выходе блока постоянных делителей содержит посылки меандров разного периода. Частоту первой гармоники можно выделить путем ограничения спектра с помощью низкочастотного фильтра (ФНЧ). Фильтр должен пропускать все семь частот в рабочем диапазоне, но заграждать уже вторые гармоники этих частот.
Так как рабочий диапазон частот больше октавы, то вторые гармоники нижних частот входят в рабочий диапазон, поэтому фильтр с неизменной частотой среза, равной 2 кГц не сможет выполнять указанных функций.
В связи с этим на выходе блока постоянных делителей ставился перестраиваемый фильтр, у которого частота среза изменяется прямо пропорционально пропускаемой рабочей частоте элементарной посылки.
На Рис.4.2.1 представлена структурная схема устройства передачи служебных сигналов, отражающая функциональную взаимосвязь описанных выше блоков [97].
Прямоугольные импульсы с частотой следования/ = 6144к/1/ поступают с выхода задающего генератора на информационный вход делителя с переменным коэффициентом деления и вход схемы управления делителем. В делителе частота входного сигнала преобразуется в частоту смены элементарных посылок, определяющую длительность элементарной посылки и меняющуюся при изменении коэффициента деления внутреннего делителя схемы. Преобразованные импульсы являются информационными для шифратора, входящего в схему управления, который при каждом такте вырабатывает сигнал управления в виде шестиэлементного кода, который подается на шесть управляющих входов переменного делителя.
Число кодовых комбинаций управляющего сигнала равно 7. Следовательно, коэффициент деления переменного делителя при этих кодовых комбинациях может принимать также 7 значений. При выбранных номиналах сигналов поднесущих, коэффициент деления переменного делителя принимал значения: п= 1.015; 1.36; 1.83; 2.56; 3.37; 4.57; 6.4.
Проходя через переменный делитель, частота 6144 кГц сигнал ЗГ делится на один из указанных семи коэффициентов деления в зависимости от значения сигнала на управляющих входах делителя. Сигнал с выхода переменного делителя поступает на вход блока постоянных делителей.
Этот блок организует деление входной частоты для образования рабочей частоты и частоты дискретизации, управляющей перестраиваемым фильтром. Коэффициент деления блока постоянных делителей равен 3072 в направлении выхода Рабочая частота / и 24 в направлении выхода «Частота дискретизации» f Поскольку оба коэффициента деления кратны двум, то выходные сигналы рабочей частоты и частоты дискретизации являются меандрами. Кроме того, соотношение между коэффициентами деления блока в разных направлениях, равное 3072 : 24 = 128 достаточно высокое отношение между частотой дискретизации и рабочей частотой.
В перестраиваемом фильтре последовательность посылок прямоугольных импульсов преобразуется в последовательность синусоидальных посылок, которая и является выходным сигналом передающего устройства.
В процессе разработки системы передачи сигналов со скачками частоты определено, что устройство приема сигналов и устройство анализа речевого сигнала имеют общие схемные решения. Благодаря этому оба устройства могут быть выполнены на одном устройстве, а переход от одного устройства к другому может осуществляться перестановкой перемычек.
Рассмотрим структурную схему приемного устройства, представленную на рис. 4.2.2 [98].
В схеме приняты следующие обозначения: ПФ1 - ПФ7 - полосовые фильтры блока частотных каналов (БЧК); Д1 - Д7 - амплитудные детекторы БЧК; KI - К7 -компараторы БЧК; ПП - панель переключений; Л1 - Л6 - линии задержки блока временных каналов (БВК); БУЛЗ - блок управления линиями задержки БВК; ЗГ -задающий генератор; БО - блок опроса ;СПИ - счетчик прямоугольных импульсов; БВЗ - блок временной защиты; Т - выходной триггер; БУТ - блок управления триггером.
Как было показано выше, устройство приема служебного сигнала должно принимать семичастотный сигнал с заданными порядком следования и длительностью элементарных посылок, а также вырабатывать решение о наличии служебного сигнала по мажоритарному принципу.
В рассматриваемом устройстве прием сигнала с заданной структурой основан на методе выделения частотных посылок. При этом частота каждой элементарной посылки соответствует частоте настройки одного из семи полосовых фильтров, что определяет наличие 7 частотных каналов анализа.
