Методы повышения эффективности использования частотно-энергетического ресурса российских геостационарных спутников связи Орлов Юрий Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы диссертации

Высокие темпы научно-технического прогресса в области телекоммуникаций оказывают огромное влияние на все стороны жизни современного общества. Доступность информационных и телекоммуникационных технологий для населения стимулирует рост количества передаваемой информации во всех сферах хозяйственной деятельности человека.

Территория Российской Федерации имеет достаточно большую протяженность как с запада на восток, так и с севера на юг. Большинство областей является трудно доступными, с холодным и арктическим климатом, в которых строительство наземных линий связи затруднительно и экономически не выгодно. В таких регионах спутниковые каналы связи остаются единственным средством доставки информационных сообщений до потребителей.

Проведенный анализ загрузки геостационарных спутниковых ретрансляторов (СР) фиксированной спутниковой службы (ФСС) показал, что практически во всех стволах имеются незанятые полосы частот шириной от нескольких десятков до нескольких сотен кГц. В общей сложности размер незадействованных полос частот удовлетворяет условиям для размещения новых заявок потребителей. Однако энергетический ресурс стволов (эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)) полностью исчерпан.

Применительно к С и Ки диапазонам для решения проблемы рационального использования частотного и энергетического ресурса могут быть использованы подходы, связанные с введение систем управления частотным распределением, например, на базе алгоритма динамического распределения. А дефицит частотного ресурса может быть решен освоением новых диапазонов, например, Ка. Многие из этих вопросов рассмотрены в известных работах Дж. Спикера, Б.Скляра, Л.Я. Кантора, М. Левыкина, А.В. Максименко, а также в отечественной и зарубежной периодике.

Альтернативным подходом к решению проблемы рационального использования частотно-энергетического ресурса (ЧЭР) геостационарных спутников связи, на который обратил внимание А.Д. Сидоренков, является использование сигнально-кодовых конструкций (СКК), обладающих высокой спектральной эффективностью модуляции и использующих эффективное помехоустойчивое кодирование. Такие СКК снижают затраты полосы и мощности на передачу радиосигнала, что позволяет высвободить ресурс для размещения дополнительных каналов связи. Однако возможности такого подхода выявлены не в полной мере.

Помимо применения высокоэффективных СКК, при выполнении определённых условий можно получить дополнительный ЧЭР, достаточный для удовлетворения новых требований потребителей, путём перераспределения требований потребителей ЧЭР между теми стволам спутникового ретранслятора (СР), в каждом из которых исчерпан один из распределяемых ресурса.

Именно исследованию и развитию этих двух подходов выявления и использования дополнительных ЧЭР СР при управлении их распределением посвящена диссертация, что и определяет её актуальность.

Объект диссертационного исследования - частотно-энергетический ресурс многоствольного геостационарного спутникового ретранслятора, используемый для многостанционного доступа с частотным разделением каналов земными станциями, расположенными в одной зоне обслуживания ретранслятора.

Предметом исследования является управление распределением частотно-энергетического ресурса спутникового ретранслятора по заявкам (требованиям) потребителей этого ресурса - потребительских терминалов (земных станций).

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов улучшения технико-экономических показателей использования частотного и энергетического ресурсов спутникового ретранслятора путём рационального управления распределением этих ресурсов.

Для достижения поставленной в диссертации цели решаются следующие задачи:

1. Формулировка и обоснование принципов оценки рационального использования частотно-энергетического ресурса спутникового ретранслятора.

2. Формулировка и обоснование критериев выбора сигнально-кодовых конструкций, рационально использующих ЧЭР спутникового ретранслятора, и использование их для рационального управления распределением ЧЭР спутникового ретранслятора;

3. Разработка методов улучшения загрузки многоствольного спутникового ретранслятора путём перераспределения загрузки неравномерно загруженных стволов;

4. Разработка способов рационального управления распределением ЧЭР многоствольного спутникового ретранслятора;

5. Оценка экономического эффекта от использования предложенных способов рационального управления распределением ЧЭР СР путём имитационного моделирования.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Для оценки качества распределения частотно-энергетического ресурса
(ЧЭР) спутникового ретранслятора (СР) по требованиям потребителей предложены
показатели гарантированно распределяемого остаточного ресурса (ГРОР)
отдельного ствола rf_± и СР (в целом) r/_sh. Эффективное (оптимальное) управление
распределением ЧЭР ретранслятора сводится к максимизации показателя rj_sh, а
эффективное управление распределением ЧЭР отдельного ствола - к
максимизации rf_sh. При этом рациональное управление, которое реализуется на

практике, должно обеспечивать близкое к эффективному распределение ЧЭР;

2. Предложены и обоснованы критерии выбора СКК потребительского
терминала ПТ,₉ рационально использующих частотно-энергетический ресурс

спутникового ретранслятора. Показателями качества s - ой сигнально-кодовой конструкции терминала ПТ., т.е. CKK_s, являются коэффициенты (уровни)

запрашиваемых ресурсов (КЗР) по мощности и по полосе частот p_s U%PsU) Они безразмерны, и чем меньше значение каждого из них при прочих фиксированных факторах, тем выше качество сигнально-кодовой конструкции. Критерии выбора

представляют собой некоторые условия, соответствующие имеющим место на практике ситуациям выбора и налагаемые на множество эффективных по Парето

векторов КЗР р₅ = (pf ,pf );

3. Разработанные автором способы рационального управления
распределением ЧЭР отдельных стволов СР по требованиям потребителей
отличаются тем, что среди всех СКК, допускаемых потребительским терминалом

ПТ.₉ выбираются лишь те, у которых векторы КЗР p_s(j) = [Ps(j),Ps(j))

эффективны по Парето в заданных условиях (характеристики ПТ. и СР, условия

распространения и т.п.). При рациональном для оператора связи способе (РС-О) выбираются СКК, которые выравнивают коэффициенты (уровни) остаточных ресурсов ствола по мощности и полосе частот. При рациональном для потребителя способе (РС-П) выбираются СКК, требующие меньших затрат от потребителя. При рациональном для потребителя или для оператора связи способе (РС-ПО) процедуры РС-П и РС-0 при назначении ЧЭР потребителям чередуются в произвольной последовательности;

4. Установлены условия применимости и оценка потенциальных возможностей методов получения дополнительных гарантированно распределяемых ЧЭР путём перераспределения заявок потребителей на ЧЭР между неравномерно загруженными стволами СР. Предложены процедуры (кластерные и квазиоптимальные алгоритмы), на основе которых могут быть реализованы эти методы, и два простых алгоритма, иллюстрирующих эти процедуры: кластерный алгоритм для 2-х стволов СР и квазиоптимальный алгоритм, включающий решение экстремальных задач путем использования простого генетического алгоритма. Эти алгоритмы не требует больших затрат времени для нахождения приемлемого решения при использовании современных ПЭВМ средней производительности.

5. Предложены способы рационального управления распределением ЧЭР многоствольного спутникового ретранслятора, включающие рациональное управление загрузкой отдельных стволов, дополненное при необходимости перераспределением загрузки неравномерно загруженных стволов.

6. Разработанные в диссертации система показателей, методика и инструментальная модель позволяют оценивать экономический эффект от использования различных способов управления частотно-энергетическим ресурсом многоствольного спутникового ретранслятора.

7. Результаты имитационного моделирования и экспериментальных исследований, показавшие высокую эффективность способов рационального управления частотно-энергетическим ресурсом многоствольного ретранслятора по сравнению с традиционным способом управления.

Результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

1. Принципы и критерии оценки эффективного использования частотно-энергетического ресурса спутникового ретранслятора.

2. Критерии выбора сигнально-кодовых конструкций потребительских терминалов, рационально использующих частотно-энергетический ресурс ствола СР.

3. Способы рационального управления распределением ЧЭР ствола СР по требованиям потребителей путём выбора эффективных по Парето сигнально-кодовых конструкций терминалов потребителей с дополнительным учётом предпочтений либо оператора связи (РС-О), либо потребителя (РС-П), либо с чередованием предпочтений потребителя и оператора связи (РС-ПО)

4. Условия применимости, оценка потенциальных возможностей и приближённые процедуры реализации методов получения дополнительных гарантированно распределяемых ЧЭР путём перераспределения заявок потребителей на ЧЭР между неравномерно загруженными стволами СР.

5. Совокупность технико-экономических показателей (ТЭП) для оценки экономического эффекта от применения методов рационального управления распределением ЧЭР СР, методика их оценки путём имитационного моделирования и результаты такого моделирования, подтвердившие возможность получения высоких выигрышей по введённым ТЭП от применения рационального управления.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается:

научно-теоретическим аргументированием предложенных методов выбора рациональных сигнально-кодовых конструкций и основанных на них рациональных способах управления распределением ЧЭР СР, а также приближенных методов перераспределения заявок потребителей;

результатами, полученными в ходе технико-экономического имитационного моделирования;

результатами применения предложенных методов перераспределения заявок потребителей при ретроспективном анализе загрузки действующего спутникового ретранслятора.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке методов выбора СКК и основанных на них способов управления распределением ЧЭР геостационарного СР, позволяющих существенно улучшить использование ЧЭР с учётом как интересов оператора связи, так и потребителей этих ресурсов.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

разработанные методы выбора СКК и основанные на них способы управления распределением ЧЭР отдельного ствола позволяют операторам спутниковой связи при календарном планировании и оперативном управлении загрузкой стволов СР обеспечить дополнительный частотный и энергетический ресурс для размещения новых заявок потребителей (каналов связи) и, как следствие, существенно улучшить технико-экономические показатели.

предложенные методы перераспределения загрузки неравномерно загруженных стволов при внедрении в практику также позволяют получить дополнительный частотный и энергетический ресурс для удовлетворения требований потребителей;

разработанная и использованная в диссертации методика технико-экономического моделирования управления распределением ЧЭР СР может быть применена при исследовании других способов управления распределением ЧЭР отдельного ствола и СР в целом;

Реализация

Результаты работы реализованы в Информационно-космическом центре «Северная корона» (г. Санкт Петербург), а также в учебном процессе ЧВВИУРЭ (г. Череповец), что подтверждается соответствующими актами.

Апробация

Отдельные результаты диссертационной работы докладывались на пятой и шестой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика» (Москва, 2009г., 2010г.), на двух Российских научно-технических конференциях «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов» (Москва 2011г., 2012г.).

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 17 печатных работ, из них 7 в научных изданиях, входящих в перечень ВАК (работы [1]-[7], в том числе работы [1]-[3] в изданиях, рекомендованных для группы научных специальностей 05.12.00), 4 в прочих научных журналах (работы [8]-[11]), 3 в трудах конференций (работы [12]—[14]), 3 в тезисах конференций (работы [15]-[17]). В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит основное содержание работы (работы [1], [15]-[17]), участие в постановке задачи и интерпретации результатов решения, а также разработка расчётных моделей и получение количественных результатов (работы [2]-[7], [8]—[13]).