Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из важных составляющих могущества любого развитого Государства является его информационная инфраструктура, обеспечивающая информационное взаимодействие между собой как органов государственной власти, так и информационный обмен в интересах рядовых граждан.
В РФ основу информационной инфраструктуры составляет Единая сеть электросвязи (ЕСЭ), реализованная совокупностью различных операторов связи. К основным таким операторам относятся: Ростелеком, Транстелеком и др. Различные министерства и ведомства на базе арендованного коммуникационного ресурса операторов связи строят свои выделенные частные сети. Как правило, это сети стационарного характера, обеспечивающие информационные потребности стационарных абонентов.
Для удовлетворения потребностей мобильных абонентов в информационном обмене существуют совокупность беспроводных систем связи. К ним относятся сети сотовой связи стандарта GSM, а также сети сотовой связи стандарта CDMA. Их реализуют получившие признание пользователей операторы связи «Билайн», «МТС», «Мегафон» и др. Профессиональная мобильная связь данного типа реализуется радиосетями транкинговых сетей связи типа TETRA, TETRApol, АРСО.
На базе ЕСЭ в РФ реализован российский сегмент Всемирной сети связи с коммутацией пакетов Internet, обеспечивающего передачу любого трафика, в том числе и мультимедиа между различными пользователями.
Для входа в Internet существует много технологий ближнего и дальнего проводного и беспроводного доступа абонентского оборудования. Проводный доступ большей частью реализуется в виде широкополосных технологий типа xDSL. Беспроводный доступ чаще всего реализуется в рамках широкополосного доступа стандартов IEEE 802.Их. Конкретным и наиболее известным проявлением последнего являются сети беспроводного доступа WI-FI, Wimax и LTE.
Как мобильные сети связи, так и сети беспроводного доступа наряду с несомненными достоинствами обладают и общим недостатком: невысокая зона соты связи, обусловленная малой высотой размещения приемо-передающих антенн базовых станций соты (точек доступа). Данный недостаток усиливается в случае развертывания таких сетей на территориях с низкой плотностью населения (Сибирь, Дальний восток) или в труднодоступных районах.
Одной из трудно разрешимых задач практики является также создание сети радиосвязи различных объектов, рассредоточенных на большой территории в высокоширотных дрейфующих льдах научно-исследовательских станций и их инфраструктуры. Такая же задача возникает при освоении крупных месторождений полезных ископаемых (например, больших угольных разрезов), разрабатываемых открытым способом. В данном случае возникает задача совмещения в рамках одной системы радиосвязи оконечных радиоустройств различного типа.
Альтернативой традиционному варианту построения таких сетей является построение соты связи, базовая станция которой (или приемо-передающая антенна базовой станции (точки доступа)) расположена на летно-подъемном средстве (ЛПС). При этом в качестве ЛПС может выступать дирижабль, самолет, привязной аэростат. В этом случаи зона связи в зависимости от высоты стояния ЛПС может достигать в диаметре от 100 до 1000 км. Существенное значение такой подход имеет также и при оперативном разворачивании сети радиосвязи в интересах МЧС на значительных территориях при ликвидации последствий землетрясений, наводнений, техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций.
Опыт показывает, что наиболее просто высотный сегмент (ВС) системы беспроводной связи реализуется в случае использования в качестве ЛПС привязного аэростата и размещении на нем только приемо-передающей антенны (ППА). При этом базовая станция (ретранслятор сигналов) размещается на земле, а подвод высокочастотной энергии от передатчика ретранслятора к ППА и от ППА к приемнику ретранслятора осуществляется
по линии поверхностной бегущей волны (ЛПБВ). В этом случае нужен аэростат объемом в 20 м , который создает подъемную силу в 7-10 кг. Этого достаточно для подъема ППА с ЛПБВ на высоту до 1000- 2000 м. Последнее обеспечивает зону связи (ЗС) радиусом от 100 до 150 км, что вполне приемлемо для организации связи в районах с низкой плотностью населения и для других отмеченных условий.
Системы связи с ретрансляцией сигналов, у которых ретранслятор связи или базовая станция расположены на земле, а на привязном аэростате располагается только ППА, условимся называть беспроводными системами связи (БСС) с привязными аэростатными ретрансляционными комплексами (ПАРК) общего назначения (ОН).
Наиболее бурное развитие такие системы связи получили в конце 70-х и начале 80-х годов, когда были найдены сверхпрочные и легкие материалы типа кевлара, майлара, с помощью которых удалось создать надежные и газонепроницаемые оболочки для привязных аэростатов. Анализ патентов по системам связи с ПАРК показывает значительный всплеск охранных документов и разработок по аэростатным системам в это время. Кроме того, на этот же период приходится значительное количество публикаций по созданию и эксплуатации систем связи с ПАРК, приводятся возможные типы ЛПС. Даются подходы к расчету напряженности электромагнитного поля с учетом интерференции радиосигналов метрового и дециметрового диапазонов волн, идущих от высотного ретранслятора (ВРТР) ко всей ЗС.
В целом, в 80...90-х годах прошлого века был сформирован технический облик отдельного ПАРК связи, являющегося основой БСС с ПАРК. Разработана обобщенная структура наземного и высотного сегментов отдельного ПАРК. Однако, при этом отмечалось низкая надежность (безотказность) ВС БСС с ПАРК. Кроме того, не было единого мнения по алгоритмам работы БСС с ПАРК.
Организациями, имеющими существенные наработки в этой области, являются: ЗАО НИВЦ АС (г. Москва), ФГУП НИИ ССУ (г. Москва), Институт проблем передачи информации РАН, РКК «Энергия», Русское воздухоплавательное общество «Авгуръ».
Дальнейшие исследования показали, что повышение надежности (безотказности) требует использования в БСС нескольких ПАРК. При этом БСС с несколькими ПАРК рассматривается как некоторая целостная структура ПАРК связи со своими алгоритмами функционирования. Отметим, что структура совокупности (системы) ПАРК связи и алгоритмы её функционирования составляют архитектуру ПАРК БСС ОН.
Атрибутивными свойствами БСС с ПАРК ОН в рамках настоящей работы являются: досягаемость, энергопотенциал (энергетико-спектральные характеристики) и надежность (безотказность). В работе обосновывается архитектура ПАРК БСС ОН по требуемому её качеству в рамках критерия пригодности.
Таким образом, существует противоречие: в потенциале БСС с одиночным ПАРК обеспечивает абонентские станции (АС) заданной зоны связи информационным обменом с требуемым качеством. Однако, одиночный ПАРК связи с ВРТР обладает недостаточной надежностью (безотказностью) при его длительном функционировании.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Архитектура привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для беспроводной системы связи общего назначения».
Целью диссертационного исследования является обеспечение заданного качества системы ПАРК для БСС ОН.
Объектом исследования является структура и алгоритмы функционирования системы привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для БСС ОН.
Предметом исследования является научно-методический аппарат оценивания качества архитектуры привязных аэростатных ретрансляционных комплексов.
Научной задачей исследования является обоснование структуры и алгоритмов функционирования системы привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для беспроводной системы связи общего назначения с заданным качеством.
В ходе исследований были получены следующие научные результаты, представ-
ляемые к защите:
Математическая модель высотного бортового ретранслятора с кодовым многостанционным доступом без обработки на борту в условиях воздействия помех.
Методика выбора рациональной структуры и алгоритмов функционирования системы привязных аэростатных ретрансляционных комплексов для беспроводной системы связи общего назначения.
Марковская модель запросно-вызывного канала беспроводной системы связи с привязным аэростатным ретрансляционным комплексом с временным многостанционным доступом.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
математическая модель высотного бортового ретранслятора с кодовым многостанционным доступом (КМСД) АС без обработки на борту впервые позволяет находить оптимальное значение полосы пропускания ВРТР в фиксированной помеховой обстановке, доставляющее максимум скорости передачи информации при заданном значении отношения сигнал/(шум + помеха);
методика выбора рациональной структуры и алгоритмов функционирования системы ПАРК для БСС ОН, в отличие от известных, позволяет синтезировать архитектуру БСС с ПАРК с заданным качеством по критерию пригодности;
марковская модель запросно-вызывного канала (ЗВК) БСС с ПАРК с временным многостанционным доступом (ВМСД) АС впервые учитывает факт готовности (степень готовности, «желание») абонента вести информационный обмен с вызывающей АС.
Достоверность результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата статистической теории связи, теории надежности, теории конечных марковских цепей, высокой согласованностью полученных результатов с физикой исследуемого процесса.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в том, что они доведены до уровня инженерной методики и позволяют на стадии проектирования БСС с ПАРК определять количество ПАРК, полосу пропускания ВРТР без обработки на борту, а также оперативность организации информационного обмена по ЗВК для текущих условий обстановки.
Результаты исследований представляют практический интерес для научно-исследовательских учреждений и проектных организаций с целью усовершенствования существующих и создания перспективных БСС с ПАРК, особенно для территорий с низкой плотностью населения. Кроме того, результаты работы могут быть использованы в Вузах при изучении учебных дисциплин, соответствующих тематике данной диссертационной работы.
Результаты работы реализованы:
В ЗАО «НИВЦ АС» (г. Москва) при нахождении полосы пропускания ретранслятора сигналов и оценивании оперативности функционирования ЗВК подсистемы спутниковой связи специального назначения в рамках ОКР «Корунд-М1» (акт о реализации ЗАО «НИВЦАС» от 22.12.2011 г.).
В МОУ «ИИФ» при разработке схемотехнических решений высотного сегмента перспективной БСС с ПАРК в рамках ОКР «Заполье-ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 08.09.2011 г.).
В Серпуховском ВИ РВ (г. Серпухов) в учебном процессе института по кафедре «АСУ и связи» в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации» (акт о реализации СВИ РВ от 25.08.2012 г.).
Апробация работы и публикации: Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: пяти НТК Международного (сессия РНТОРЭС им. А.С.Попова, г. Москва) и Всероссийского уровней (г. Калуга, г. Протвино, г. Серпухов, г. Владимир). По теме диссертации опубликовано 17 работ, 9 статей в научно-технических
журналах и трудах конференций, из них 5 статей опубликованы в журналах, входящих в перечень журналов ВАК, подготовлены материалы в эскизный и технический проекты ОКР, получен 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения, списка литературы, насчитывающего 125 наименования. Работа изложена на 143 страницах и содержит 34 рисунка и 3 таблицы.
