Содержание к диссертации
Введение
1. Системы мониторинга подвижных объектов 8
1.1. Актуальность применения современных смпо на базе спутниковых технологий местоопределения 8
1.1.1. Предпосылки создания современных систем контроля за подвижными объектами 8
1.1.2. Обобщенная структура СМПО на базе спутниковых технологий местоопределения 10
1.1.3. Основные задачи, решаемые с помощью современных спутниковых СМПО 12
1.2. основные требования, предъявляемые к современной спутниковой СМПО 15
1.2.1. Параметры СМПО, оптимизируемые с целью улучшения показателей качества.. 15
1.2.2. Постановка задачи исследования 17
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1 19
2. Основные показатели качества современных смпо на базе спутниковых технологий местоопределения 21
2.1. Существующие варианты построения спутниковых СМПО 21
2.1.1. Классификация систем мониторинга подвижных объектов 21
2.1.2. СМПО на базе спутниковых систем подвижной связи 22
2.1.3. СМПО на базе сотовых систем подвижной связи 27
2.1.4. СМПО на базе транкинговых систем подвижной связи 31
2.1.5. СМПО на базе УКВ радиосвязи 34
2.2. Передача дискретных сообщений по радиоканалам 39
2.2.1. Критерии оптимальности и правила вынесения решений о передаваемых
символах 39
2.2.2. Помехоустойчивость основных видов модуляции радиосигналов 43
Выводы к главе 2 50
3. Оптимизация смпо по минимуму вероятности ошибки при максимальном быстродействии 54
3.1. Оценка потенциальной помехоустойчивости приема дискретных сигналов 54
3.1.1. Характеристики модемов, используемых для передачи данных по радиоканалам 54
3.1.2. Выбор алгоритма работы модема, использующего двухпозиционные сигналы ...58
3.1.3. Оценка устойчивости выбранного алгоритма к воздействию сосредоточенных помех и переотраженных сигналов 68
3.2. Оценка потенциального быстродействия смпо при приеме сигналов от многих источников сообщений 75
3.2.1. Методы разделения сигналов от различных источников сообщений 75
3.2.2. Оценка числа источников сообщений, обслуживаемых в единицу времени, при выбранном методе разделения каналов 84
3.3. Определение потенциального выигрыша по помехоустойчивости при введении дополнительных приемных центров 87
3.3.1. Алгоритмы обмена данными в сетях с множественным доступом 88
3.3.2. Построение алгоритма ретрансляции сообщений между приемно-ретрансляционными центрами 93
3.3.3. Определение потенциального выигрыша СМПО по помехоустойчивости при введении дополнительных ПРЦ 99
Выводы к главе 3 104
4. Практические вопросы построения систем мониторинга подвижных объектов 107
4.1. Основные характеристики спутниковых радиоприемных устройств системы GPS 107
4.1.1. Параметры GPS приемников, влияющие на показатели качества СМПО 107
4.1.2. Практика использования GPS приемников при построении СМПО ПО
4.2. Примеры действующих систем мониторинга подвижных объектов 115
4.2.1. Система мониторинга подвижных объектов ОАО «Омскгоргаз» 116
4.2.2. Система мониторинга подвижных объектов УВО при УВД Омской области 118
Выводы к главе 4 131
Заключение 133
Приложение 135
Список использованных источников
- Обобщенная структура СМПО на базе спутниковых технологий местоопределения
- СМПО на базе спутниковых систем подвижной связи
- Выбор алгоритма работы модема, использующего двухпозиционные сигналы
- Построение алгоритма ретрансляции сообщений между приемно-ретрансляционными центрами
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие появилась техническая основа для создания радиоэлектронных систем мониторинга подвижных объектов (СМПО), обеспечивающих непрерывное отслеживание местонахождения и скорости любых транспортных средств (ТС) с привязкой к реальному времени независимо от погодных условий, времени года и суток в масштабах всей планеты. Данные системы строятся на базе современных спутниковых технологий местоопределения GPS (Global Positioning System, США) и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система, Россия). В настоящее время СМПО применяются для решения задач диспетчеризации на автомобильном, железнодорожном, водном и других видах транспорта. Это позволяет повысить эффективность эксплуатации каждой подвижной единицы за счет оптимизации режима ее работы, а также пресекать факты нецелевого использования ТС, хищений и других противоправных действий со стороны экипажей.
В связи с участившимися случаями стихийных бедствий, сложной криминогенной обстановкой и угрозами совершения террористических актов особого внимания заслуживают вопросы повышения уровня безопасности людей и сохранности материальных ценностей. При возникновении указанных чрезвычайных ситуаций (ЧС) в ходе выполнения спецопераций силами МЧС, МВД, и т. п. существенное повышение эффективности действий мобильных групп возможно за счет четкой координации их работы. Решение поставленной задачи обеспечивается только при наличии полной и достоверной оперативной информации о перемещениях и состоянии каждой подвижной единицы в реальном масштабе времени. В этой связи СМПО становится важным инструментом при ликвидации последствий ЧС, а внедрение таких систем для управления силами и средствами вышеназванных структур позволяет повысить уровень безопасности и приобретает государственное значение.
Существующие на сегодняшний день системы мониторинга ТС обеспечивают получение информации с двух-трех подвижных объектов за секунду. В результате при большом числе ТС работа в реальном времени становится невозможной. Другим существенным недостатком многих известных систем является малый радиус зоны обслуживания, что объясняется наличием только одного диспетчерского центра (ДЦ). По этой причине связь с объектами, находящимися на значительном удалении от ДЦ, спонтанно прерывается, что приводит к полной потере контроля за данной подвижной единицей. Указанная ситуация совершенно недопустима при оперативном управлении силами и средствами, в задачу которых входит обеспечение безопасности людей. Настоящая диссертационная работа направлена на
5 исследование эффективности СМПО, а также на оптимизацию архитектуры и алгоритмов работы систем мониторинга ТС, обеспечивающую улучшение их основных характеристик, что обусловливает актуальность выбранной темы.
Целью данной работы являются разработка и исследование алгоритмов сбора информации с ТС, сетевого радиообмена между ДЦ, а также взаимодействия компонентов СМПО, направленные на максимизацию быстродействия при заданной вероятности потери блока данных.
Задачи, решенные в диссертации: выполнен анализ запросно-ответных технологий сбора данных с ТС, на основе которого предложен новый беззапросный метод временной синхронизации доступа подвижных объектов к общему каналу связи; показано, что новый метод в полтора раза превосходит существующие по быстродействию, исследована эффективность функционирования пакетных сетей и сетей Token Ring; разработан новый алгоритм межстанционного радиообмена, позволяющий в N раз снизить минимальное время доставки пакетов всем узлам сети, где ТУ— число узлов сети. оптимизирована сетевая архитектура СМПО по критерию максимального быстродействия при заданной вероятности не доставки сообщения хотя бы одному узлу радиосети.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе результатов исследования эффективности существующих систем мониторинга ТС намечены пути улучшения их характеристик и проведена оптимизация архитектуры и алгоритмов работы по критерию максимального быстродействия при заданной вероятности потери блока данных, поступающих от ТС.
Практическая ценность полученных результатов вытекает из того, что при их использовании появляется возможность строить СМПО, обслуживающие до 360 подвижных объектов в минуту при заданной вероятности потери блока данных. В то же время известные системы обеспечивают опрос 100 - 150 ТС в минуту.
Методы исследований. Для решения поставленной научной задачи применяется системный подход; использованы аппарат сетевого планирования, теории вероятностей и математической статистики, а также метод графов.
Внедрение. Большая часть исследований выполнена в рамках НИР 4.ООП на тему «Обеспечение безопасности и экономия ресурсов на основе применения спутниковой системы позиционирования» по программе «Научные исследования высшей школы в области транспорта» (код 05.05.01.35). Основные результаты легли в основу построения систем мониторинга ТС ОАО «Омскгоргаз», внедренной и 2000 г., и Управления вневедомственной охраны при УВД Омской области, сданной в эксплуатацию в 2001 г., что подтверждается актами внедрения. В 2002 году аналогичные СМПО запущены в эксплуатацию в городах Тюмень и Пермь.
Основные положения, выносимые на защиту: метод временной синхронизации доступа подвижных объектов к общему каналу связи в режиме временного разделения каналов (ВРК), позволяющий в полтора раза увеличить эффективность использования радиоканала по сравнению с запросно-ответными технологиями сбора данных; алгоритм межстанционного радиообмена, оптимизированный по критерию минимума времени доставки пакетов всем узлам радиосети при заданной вероятности потери блока данных, поступающих от ТС, отличающийся высокой отказоустойчивостью; способы взаимодействия основных компонентов СМПО, обеспечивающие существенное увеличение скорости сбора данных с ТС, надежности связи и зоны обслуживания системы при заданной вероятности потери информационного сообщения от ТС.
Апробация работы. Основные положения настоящей диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1999 г.), V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП 2000" (Новосибирск, 2000 г.), II Международной научно-практической конференции "Информационные технологии и радиосети ИНФОРАДИО 2000" (Омск, 2000 г.), II и III Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием "Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов (инновационный и инвестиционный потенциалы)" (Красноярск, 2000 г., 2001 г.).
Работа выполнена на кафедре «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, перечень которых приведен в заключительной части автореферата.
Структура и объем. Текст диссертации изложен на 143 страницах, включает 59 рисунков и 4 таблицы; список литературы содержит 101 наименование. К работе приложены акты внедрения СМПО, запущенных в г. Омске.
Основной текст диссертационной работы состоит из четырех глав. В первой главе рассматриваются предпосылки создания современных СМПО на базе спутниковых технологий местоопределения, их обобщенная структура и основные задачи, решаемые пользователями с помощью указанных систем. Кроме того, сформулированы основные требования, предъявляемые к современным системам подобного назначения.
Вторая глава посвящена вопросам анализа показателей качества современных спутниковых СМПО. Рассмотрены особенности применения различных средств подвижной связи для передачи информации о местоположении и состоянии транспортных средств, основные критерии оптимальности и правила вынесения решений о передаваемых символах, осуществлен выбор наилучшего из них, а также рассмотрена помехоустойчивость основных методов модуляции радиосигналов, рассчитана энергетика линии связи.
В третьей главе осуществляется оптимизация архитектуры СМПО, обеспечивающей минимум вероятности ошибочного приема символа при максимальном быстродействии. Для этого производится оценка потенциальной помехоустойчивости приема сигналов одним приемным центром от одного источника сообщений, быстродействия системы при введении многих источников сообщений, а также потенциального выигрыша по помехоустойчивости при введении дополнительных приемных центров.
В четвертой главе рассматриваются практические вопросы построения систем контроля за подвижными объектами, определяется влияние основных характеристик спутниковых радиоприемных устройств системы GPS на показатели качества СМПО и даются рекомендации по их применению. Рассмотрены особенности практической реализации основных результатов исследований на примере двух действующих СМПО, развернутых в г. Омске. Приведены результаты экспериментального исследования помехоустойчивости подсистемы ретрансляции сообщений, реализованной в одной из них. Показано, что наличие ретрансляции существенно повышает надежность работы системы в целом.
В заключении подведен краткий итог выполненной работы, перечислены основные достигнутые результаты, обозначены перспективные направления дальнейших исследований.
Текст диссертации изложен на 143 страницах, включает 59 рисунков и 4 таблицы; список литературы содержит 101 наименование. К работе приложены акты внедрения СМПО, запущенных в эксплуатацию в г. Омске.
Обобщенная структура СМПО на базе спутниковых технологий местоопределения
С недавнего времени задачи эффективного контроля и управления ТС могут быть решены на качественно новом уровне. Это стало реальностью благодаря внедрению современных спутниковых технологий точного определения местоположения подвижных объектов. В настоящее время существуют две системы такого класса: американская GPS и российская ГЛОНАСС. Потенциальные возможности обеих технологий примерно одинаковы, т. к. пользовательские радиоприемные устройства (РПУ) и GPS, и ГЛОНАСС обеспечивают определение абсолютных географических координат, высоты места, скорости, курса подвижного объекта и ряда других параметров на всей территории Земли (за исключением полярных областей) в любых погодных и климатических условиях и в любое время суток. Однако в силу экономических и ряда других причин группировка спутников NAVSTAR системы GPS укомплектована полностью и надежно работает, в то время как система ГЛОНАСС только частично работоспособна по причине малого количества действующих космических аппаратов. В этой связи ограничимся в дальнейшем рассмотрением только технологии GPS [69, 99].
Для решения задач диспетчеризации ТС используются СМПО на базе синтеза GPS и современных средств связи. Учитывая, что после подписания президентом США декрета об отмене режима селективного доступа в системе GPS (см. Приложение) максимальная ошибка местоопределения в любой точке Земли не превышает 30 м, современные СМПО свободны от большинства недостатков систем предшественников. Обобщенная структурная схема подобной системы представлена на рис. 1.1.2.
Сигналы со спутников принимаются и усиливаются GPS антенной ТС. На основании этих данных спутниковый приемник вычисляет текущее местоположение, скорость и курс данного ТС. Двоичная информация преобразуется контроллером к виду, удобному для передачи, и поступает на вход терминала связи. Последний осуществляет излучение радиосигналов, несущих передаваемые данные.
На диспетчерском центре терминалом связи со встроенным или внешним контроллером из принятого радиосигнала восстанавливается переданное информационное сообщение, поступающее на ЭВМ ДЦ. С помощью специального программного обеспечения (ПО) осуществляется визуализация принятых данных. Основные функции ПО включают: отображение местоположения обслуживаемых ТС и параметров их движения (скорости, курса и др.) в наглядной форме на фоне электронной карты местности; запись информации о параметрах движения ТС с привязкой к реальному времени с возможностью их последующего воспроизведения и анализа; формирование суточных отчетов о движении каждого ТС с указанием пройденного пути, количества и времени стоянок и др.
Как правило, одновременно с визуализацией производится запись маршрутов отслеживаемых ТС, в том числе времени стоянки, в память компьютера ДЦ. При необходимости записанный маршрут может быть в любое время воспроизведен и проанализирован.
В случае необходимости в системе предусматривается обеспечение двусторонней речевой связи между экипажем ТС и диспетчером. При этом дополнительного терминала связи как правило не требуется. Данная возможность существенно повышает эффективность управления, особенно при решении задач диспетчеризации.
Представленная СМПО обладает высокой универсальностью и легкой адаптируемостью. На этапе проектирования в зависимости от задач, решаемых конкретным пользователем, определяются количество обслуживаемых объектов, типы терминалов связи, частота обновления данных о местоположении и состоянии, а также другие влияющие параметры. Кроме того, уже запущенную в эксплуатацию систему нетрудно переконфигурировать или расширить за счет увеличения числа объектов. Таким образом, данная СМПО позволяет полностью удовлетворять всем требованиям самых разнообразных категорий пользователей.
Из приведенного перечня основных функций СМПО становится очевидным, что задача определения местоположения объектов сама по себе не является актуальной. Практический интерес представляет комплексное решение всех возникающих вопросов, начиная от вычисления местоположения ТС, заканчивая сохранением этих данных в памяти компьютера ДЦ с возможностью последующего воспроизведения архивных записей в любое время. Только в такой постановке данная задача приобретает актуальность, а СМПО превращается в мощный инструмент для эффективного управления парком ТС.
СМПО на базе спутниковых систем подвижной связи
Глобальной считается СМПО, для которой зона действия составляет территории нескольких государств, материк, территорию всего земного шара.
Зональная СМПО ограничена, как правило, границами населенного пункта, области, региона. Такие системы обычно обеспечивают контроль местоположения и управление парком транспортного предприятия в реальном масштабе времени.
Локальная СМПО рассчитана на малый радиус действия, что характерно в основном для систем дистанционного сопровождения.
Любая из вышеперечисленных систем характеризуется такими основными показателями как число обслуживаемых ТС, точность местоопределения, периодичность обновления данных, возможность речевой связи экипажа с диспетчером и др. Выбор тех или иных значений параметров определяется в первую очередь требованиями и финансовыми ресурсами пользователя системы.
Для сопровождения междугородних и международных перевозок, где расстояния между ТС и ДЦ могут измеряться сотнями и тысячами километров [49], используются СМПО мобильных объектов, которые по принятой нами классификации следует отнести к глобальным по географическому признаку и к системам дистанционного сопровождения по назначению. Если к функциям данной СМПО добавить запись получаемой информации на жесткий диск компьютера ДЦ, то в этом случае последнюю можно отнести и к системам восстановления маршрута. В силу больших удалений ТС от ДЦ именно спутниковые системы подвижной связи являются наиболее подходящим средством передачи данных. Особенностью указанных перевозок является тот факт, что по сравнению с расстояниями между контроль ными точками маршрута (например, населенными пунктами) отслеживаемое ТС движется относительно медленно, поэтому обновление данных о его местоположении и состоянии датчиков может быть достаточно редким, например, один раз в час.
Согласно принятой в литературе [66] классификации, различают системы подвижной спутниковой связи на базе геостационарных спутников и системы на базе низкоорбитальных спутников. Среди систем первого типа в нашей стране реально представлены системы Inmarsat и EutelTracs, которые с точки зрения потребителей имеют схожие характеристики [66], а из систем второго типа в коммерческой эксплуатации в России находится только система Globalstar. За счет особенностей построения систем подвижной спутниковой связи имеется возможность по-разному организовывать прием данных на ДЦ. В частности, если последний находится в зоне с хорошо развитой инфраструктурой сетей общего пользования, то сбор данных о местоположении отслеживаемых ТС может осуществляться с использованием аппаратуры наземных сетей проводной или сотовой связи, либо через Интернет. Тогда обобщенная структурная схема СМПО будет иметь вид, представленный на рис. 2.1.3.
В процессе работы СМПО информация о местоположении и состоянии каждого ТС периодически передается ДЦ. Самым простым способом организации связи является асинхронная передача данных, предусматривающая установление прямого соединения между ДЦ и отдельным ТС, передачу одного сообщения, несущего информацию о местоположении ТС в данный момент времени, и разрыв соединения. В зависимости от алгоритма функционирования системы управление соединением может осуществляться либо аппаратурой ТС, либо самого ДЦ. При этом в первом случае, если терминал ДЦ занят, то должна быть предусмотрена повторная попытка соединения.
Для расширения функциональных возможностей СМПО диспетчер как правило имеет возможность внеочередного запроса состояния любого ТС, а также дистанционного управления объектовой аппаратурой определения местоположения. Такое построение СМПО позволяет отслеживать несколько десятков ТС с использованием одного приемного терминала наДЦ.
В качестве дополнительных функций в данной СМПО могут быть предусмотрены речевая связь между диспетчером и экипажами ТС, а также возможность подачи сигнала тревоги при возникновении на ТС чрезвычайной ситуации. В первом случае с целью рационального использования трафика как правило вводятся ограничения длительности переговоров и/или количества номеров исходящей/входящей связи, во втором информация о местонахождении ТС передается соответствующим службам для принятия необходимых мер.
В случае, если использование наземных сетей связи по каким-либо причинам невозможно, прием данных с ТС ведется на стационарный спутниковый терминал, а обобщенная структурная схема СМПО преобразуется к виду, представленному на рис. 2.1.4.
Выбор алгоритма работы модема, использующего двухпозиционные сигналы
Особенностью современных СМПО является относительно большое число обслуживаемых транспортных средств. В этой связи основной вклад в стоимость системы в целом вносят затраты на бортовую аппаратуру. Для повышения технико-экономических показателей СМПО необходимо максимально снижать цену последней при сохранении высокой надежности. Учитывая, что оборудование ТС работает в тяжелых условиях (высокие механические нагрузки, перепады температуры и напряжения питания, помехи со стороны бортовой сети и пр.), данная задача может быть решена за счет:
использования в составе комплекта аппаратуры ТС серийных промышленных изделий, в первую очередь спутникового приемника, радиостанции и антенн. В силу массовости производства такие устройства обладают минимальной ценой при высокой надежности;
максимального снижения функциональной сложности вновь разрабатываемой части комплекта аппаратуры, в первую очередь контроллера. Без ухудшения основных показателей качества СМПО это может быть достигнуто за счет перераспределения выполняемых функций между аппаратурой ТС и ДЦ в пользу последней. Таким образом контроллер ТС должен нести только ту часть функциональной нагрузки, которая не может быть возложена на ДЦ.
Одной из важных составных частей комплекта аппаратуры ТС является модем. Последний может быть реализован либо на базе специализированной интегральной микросхемы, либо программным путем в микропроцессоре бортового контроллера. Учитывая высокую цену однокристальных модемов для минимизации стоимости бортового оборудования ТС предпочтительным является второй вариант. Выше было показано, что наименьшей функциональной сложностью обладают модемы, использующие двоичный код и двухпозиционные сигналы. Следовательно, при их программной реализации затрачивается минимум ресурсов микропроцессора. Это позволяет дополнительно снизить стоимость комплекта оборудования за счет применения менее дорогого вычислительного устройства. В силу указанных причин при построении аппаратуры ТС целесообразно применить данный вид сигналов.
При построении модема наибольшие трудности возникают при реализации демодулирующеи части, поскольку на ее вход поступает смесь регулярного сигнала и случайной помехи, что исключает возможность вынесения строго однозначных решений о переданном сигнале. В этой связи при последующем рассмотрении наибольшее внимание будет уделено процессу демодуляции, заключающемуся в следующем. На вход модема поступают сигналы 5] (t) и sz (t), соответствующие передаваемым двоичным разрядам. Если предположить, что в канале действуют только аддитивные помехи, то модель приходящего сигнала можно представить в виде: z(t) = Si(t) + w(t), (і = 1,2; 0 Г Г), (3.1.4) где s( (t) — переданный сигнал, w(t) — аддитивная помеха, Т — длительность передаваемого символа. Поскольку sx (t) и s2 (0 полностью известны, а неизвестными являются индекс / и реализация помехи, то демодулирующеи части модема необходимо осуществить различение двух точно известных сигналов на фоне случайной помехи.
Таким образом, при создании оборудования ТС необходимо решить задачу выбора способа обработки полностью известных двухпозиционных сигналов, обеспечивающего минимальную сложность программной реализации алгоритма модуляции-демодуляции при максимально возможной помехоустойчивости. Наличие корреляционных связей между передаваемыми символами на данном этапе не столь важно, поскольку они не влияют на помехоустойчивость собственно демодулятора, а обеспечивают дополнительный выигрыш при последующей обработке на уровне кодирования.
Рассмотрим потенциальную помехоустойчивость и сложность реализации алгоритмов модуляции-демодуляции при использовании основных видов двухпозиционных сигналов: АМн, ЧМн, ФМн и ОФМн. При этом под потенциальной помехоустойчивостью будем понимать минимальную вероятность ошибки приема символа, обусловленную воздействием флуктуационной помехи в виде белого гауссовского шума спектральной плотностью W0.
Первая часть поставленной задачи для демодулятора достаточно подробно решена в работах [35, 57] для случаев когерентной и некогерентной обработки сигнала. Воспользовавшись полученными результатами, рассмотрим основные сложности, возникающие при программной реализации модема.
Для случая АМн сигналов при поступлении на вход модулирующей части схемы высокого логического уровня выходной сигнал имеет вид sx (t) = UQ cos(a 0t + (p), где U0,co0,(p — соответственно амплитуда, циклическая частота и начальная фаза колебания. При поступлении низкого логического уровня выходной сигнал s2(t) = 0. Для решения обратной задачи демодулирующая часть выполняет обработку поступившего сигнала либо когерентными, либо некогерентными методами. Поскольку первые предусматривают извлечение из принимаемого сигнала большего объема полезной информации по сравнению с последними, то они обеспечивают выигрыш по помехоустойчивости.
Согласно [60], при когерентной обработке амплитудноманипулированных сигналов алгоритм работы демодулирующей части модема описывается выражением т ивьА{) = Jz(0cos(fi 0f + № (3-1-5) о где z(t) — принятая смесь сигнала и помех, Т—длительность передаваемого символа. Если U Т ивЫх(0 -т-. то демодулятор принимает решение о том, что передана логическая единица, в противном случае — нуль. Данный принцип реализует критерий максимального правдоподобия.
Построение алгоритма ретрансляции сообщений между приемно-ретрансляционными центрами
При использовании радиосети для повышения надежности СМПО при сохранении высокой скорости сбора данных с мобильных объектов необходимо реализовать такой алгоритм обмена между ПРЦ, чтобы минимизировать время доставки сообщений. Из рассмотренных стандартных технологий поставленным требованиям наиболее полно удовлетворяет полносвязная Token Ring. Однако, из сопоставления формул (3.3.1) и (3.3.2) можно сделать вывод, что фактическое время доставки пакета всем узлам данной сети в первом приближении кратно минимальному. Следовательно, для увеличения скорости обмена в радиосети необходимо разработать новый алгоритм, обеспечивающий минимум ТтЫ при максимальной вероятности правильного приема пакета. При этом в качестве прототипа целесообразно использовать вышеуказанную технологию.
В процессе экспериментальных исследований установлено следующее. В отличие от обычных сетей, в которых информационные сообщения представляют собой части файлов, пакеты в радиосети, обслуживающей СМПО, являются самостоятельными блоками данных от ТС. Если в первом случае потеря даже одного пакета способна привести к невозможности восстановления всей информации, то во втором случае будут утеряны данные только об одном ТС, характеризующие его местоположение в определенный момент времени. Учитывая, что информация с ТС поступает относительно часто, потеря одного сообщения практически не сказывается на основных характеристиках СМПО. Кроме того, статистическая независимость передаваемых блоков данных и помех, действующих в каналах, обусловливает малую вероятность потери нескольких пакетов с одного ТС подряд. Вследствие этого в радиосети, обслуживающей СМПО, нет необходимости осуществлять передачу подтверждений.
Для снижения непроизводительной нагрузки на сеть необходимо предусмотреть сортировку поступающей информации. Поскольку ПРЦ принимает сообщения как непосредственно от ТС, так и от других узлов сети, то имеется возможность сравнивать приходящие пакеты. Для облегчения сортировки сообщения от каждого ТС последовательно нумеруются. Таким образом, зная номер ТС и номер принятого пакета, можно определить, поступала ли в радиосеть информация о данном ТС в текущий момент времени или нет. В случае положительного результата оба пакета сбрасываются (уничтожаются), а в случае отрицательного принятый от ТС пакет будет передан остальным ПРЦ. При введении радиосети, работающей на основе вышеуказанных принципов, архитектура СМПО примет вид, представленный на рис. 3.3.3.
Каждый ПРЦ имеет свой номер, задающий порядок выхода в эфир. Структура сетевых пакетов аналогична структуре сообщений от ТС, однако для увеличения пропускной способности данные выдаются блоками, имеющими общую преамбулу и байты синхронизации. С целью повышения помехоустойчивости каждый пакет, содержащий информацию о местоположении ТС, включает номер ПРЦ, а также имеет свою контрольную сумму. Поскольку данные, передаваемые каждым из центров, будут приняты всеми остальными ПРЦ системы вместе с номером отправителя, то это позволяет следующему по очереди ПРЦ выйти в эфир сразу же после окончания передачи предыдущим центром и истечении защитного интервала /?.
Сброс повторяющихся пакетов при сортировке может привести к тому, что к моменту выхода в эфир у ПРЦ будут отсутствовать новые (не ретранслированные) данные, предназначенные к передаче в сеть. В этом случае указанный ПРЦ в эфир не выходит, что воспринимается остальными узлами как потеря маркера. Работоспособность СМПО при этом не нарушается благодаря специальной процедуре восстановления маркера, работающей следующим образом. Каждый ПРЦ снабжен счетчиком, содержимое которого на текущий момент времени указывает, сколько узлов сети должно выйти в эфир перед ним. При работе радиосети содержимое счетчика устанавливается в момент выхода данного ПРЦ в эфир, а затем последовательно декрементируется при получении блоков данных от других узлов. Переус 96 тановка счетчиков происходит даже в том случае, если контрольные суммы всех полученных информационных сообщений не верны. Это повышает надежность временной синхронизации радиосети СМПО в случае плохой связи между ПРЦ. Поскольку номера узлов жестко заданы, то благодаря счетчику имеется возможность в любой момент времени определить, какой из ПРЦ должен выйти в эфир следующим. Пусть это будет ПРЦ с номером j. Если в течение тайм-аута tTA ПРЦ с номером j в эфир не выходит (в сети полностью отсутствует радиообмен), то передачу данных начинает ПРЦ с номером j +1.
Таким образом, при введении данных модификаций в стандартный алгоритм Token Ring минимальное и максимальное времена доставки сообщений всем узлам сети соответственно равны Т= + Р (3-3.7) TZ=NZR. (3.3.8)
Из сопоставления формул (3.3.1) и (3.3.7) становится очевидным, что модифицированный алгоритм Token Ring имеет более высокое быстродействие по сравнению со стандартным.
В силу того, что передача подтверждений в новом алгоритме не предусмотрена, вероятность потери пакета хотя бы одним из узлов в данном цикле работы из-за ошибок в радиоканале равна Р0ш =!-Р (3-3.9)
Существенное снижение вероятности потери пакета объясняется отсутствием подтверждений и, как следствие, возможных ошибок при их передаче.
Для повышения наглядности при выполнении сравнительного анализа на рис. 3.3.5 — рис. 3.3.9 представлены графики следующих зависимостей для основных параметров рассмотренных сетевых технологий, рассчитанные по формулам (3.3.1), (3.3.2), (3.3.4), (3.3.5), (3.3.7) и (3.3.9).
На рис. 3.3.5 представлена зависимость минимального времени доставки информационного сообщения с ТС всем узлам пакетной сети, Token Ring и модифицированной Token Ring от его длины пакета. Для расчетов по формулам (3.3.1), (3.3.4), (3.3.7) приняты следующие значения: С = 2400 бит/с, /? = 4,2 мс, N = 5.
На рис. 3.3.6 представлена зависимость минимального времени доставки сообщения с ТС всем узлам пакетной сети, Token Ring и модифицированной Token Ring от скорости передачи данных. Для расчетов по формулам (3.3.1), (3.3.4), (3.3.7) приняты следующие значения: L = 100 бит, р= 4,2 мс, N - 5.
