Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системы безопасности с использованием радиоканала .. 12
1.1. Архитектура построения и технические характеристики систем 12
1.2. Требования к эффективному функционированию радиоканала в системах безопасности 19
1.3. Особенности эксплуатации радиоканала 22
1.4. Выводы к главе 1 25
ГЛАВА 2. Обеспечение надежности радиоканала в системах безопасности 28
2.1. Обеспечение заданной надежности радиоканала 28
2.2. Способы обеспечения надежности радиоканала 33
2.3. Способ контроля радиоканала в реальных условиях эксплуатации 38
2.4. Оценка эффективности мероприятий по обеспечению надежности радиоканала 46
2.5. Выводы к главе 2 51
ГЛАВА 3. Модель радиоканала многоуровневой системы безопасности 53
3.1. Перспективы развития систем безопасности с использованием радиоканала 53
3.2. Разработка модели радиоканала многоуровневой системы безопасности 57
3.3. Методика оценки надежности радиоканала системы безопасности с функцией самоорганизации 61
3.4. Пример построения многоуровневой радиоканальной системы передачи извещений с функцией самоорганизации 66
3.5. Выводы к главе 3 з
ГЛАВА 4. Помехозащита радиоканала 75
4.1. Помехоустойчивость и помехозащищенность радиоканала в системах безопасности 75
4.2. Обеспечение электромагнитной совместимости радиоканала как элемента системы безопасности
4.3. Частотно-территориальное планирование систем безопасности 91
4.4. Построение систем безопасности с функциями радиоэлектронной защиты 107
4.5. Выводы к главе 4 115
Заключение 117
Литература
- Требования к эффективному функционированию радиоканала в системах безопасности
- Способы обеспечения надежности радиоканала
- Разработка модели радиоканала многоуровневой системы безопасности
- Обеспечение электромагнитной совместимости радиоканала как элемента системы безопасности
Требования к эффективному функционированию радиоканала в системах безопасности
В настоящее время большинство систем безопасности, предназначенных для охраны объектов, используют проводные линии связи. Это связано, прежде всего, с их высокой надежностью, радиоканал используется как резервное направление связи.
Надежность систем безопасности характеризуют коэффициентом готовности, который в соответствии с нормативными документами определяют на интервале времени, равного календарному году. Требования по надежности систем безопасности определены в [10, 11], в соответствии с которыми Кг 0,93. Однако в последнее время радиоканал все чаще используется в качестве основной среды передачи информационных сигналов. Радиоканал имеет как преимущества по сравнению с проводными линиями связи, так и недостатки. К преимуществам относятся простота организации канала связи, меньшая стоимость затрат на построение и техническое обслуживание. К недостаткам - необходимость решения вопроса по выделению частотного ресурса, обеспечения надежности и помехозащищенности радиоканала в условиях сложной электромагнитной обстановки. Несмотря на то, что радиоканал является средой общего доступа и требует защиты от воздействия преднамеренных и непреднамеренных помех, он все чаще заменяет проводные линии связи даже там, где есть разветвленная система проводных коммуникаций [12].
Радиоканал применяется во внутриобъектовых системах сигнализации, а также в радиоканальных системах передачи извещений. Обобщенная структурная схема радиоканала в системах безопасности приведена на рисунке 1, где ОК - объект контроля, И - извещатель, ПКП -приемно-контрольный прибор, РТР - ретранслятор, ПЦО - пульт централизованной охраны, іи-пкп, fmn-ртр и ґпкп-ртр - частоты передачи и приема.
Радиоканал является элементом системы безопасности. Под элементом понимается часть системы, которая отличается определенной самостоятельностью по отношению ко всей системе [13, 14]. Радиоканал, представленный на рисунке 1, состоит из трех составляющих:
В этом смысле при построении систем безопасности с использованием радиоканала необходимо определиться с местом данного элемента в общей системе и требованиями, предъявляемыми к элементу по выполнению функциональных задач. Основными элементами радиоканала являются приемопередающие устройства. К основным электрическим параметрам приемопередающих устройств, в наибольшей степени влияющих на надежность и помехозащищенность радиоканала, относятся следующие: 1. Приемника - чувствительность, коэффициент нелинейных искажений, амплитудно-частотная характеристика, избирательность по соседнему и побочным каналам приема, интермодуляционная избирательность, уровень фона. 2. Передатчика - мощность несущей, амплитудно-частотная модуляционная характеристика, коэффициент нелинейных искажений, уровень излучений в соседнем канале, уровень побочных излучений, максимальная девиация частоты.
В соответствии с [15,16] чувствительность приемника определяется как уровень аналогового модулированного сигнала на входе приемника при отношении сигнал/шум 12 дБ на выходе его линейной части.
Чувствительность приемника в соответствии с [17] определяется как минимальный уровень высокочастотного сигнала на входе приемника при обеспечении заданной вероятности ошибочного приема (величины ошибок) данных.
Величина ошибок определяется как максимально допустимая величина, при которой уровень входного сигнала значительно превышает чувствительность. Высокий уровень входного сигнала приводит к нелинейным искажениям и, как следствие, повышает коэффициент шума приемника. Данный параметр фактически определяет динамический диапазон приемника. Для обеспечения надежности и помехозащищенности радиоканала в условиях плотной городской застройки динамический диапазон приемников должен быть не менее 100 дБ по отношению к чувствительности.
В соответствии с [17] чувствительность приемника определяется при подаче на его вход ВЧ сигнала, модулированного цифровой последовательностью с длиной не менее 512 символов.
Чувствительность приемника устанавливается в пределах 0,5-1 мкВ. Важным параметром приемника, влияющим на ЭМС, является избирательность по соседнему каналу. Данный параметр определяется полосой пропускания фильтра промежуточной частоты. С уменьшением полосы пропускания фильтра улучшается избирательность по соседнему каналу, однако фильтр должен быть достаточно широкополосным, чтобы не искажать спектр модулированного сигнала. Избирательность приемника по соседнему каналу должна быть не менее 70 дБ. Избирательность по побочным каналам приема определяется входным высокочастотным фильтром. При проведении мероприятий по обеспечению помехозащищенности радиоканала для улучшения избирательности приемника по побочным каналам необходимо применять специальные технические средства (фильтры).
Способы обеспечения надежности радиоканала
Проведение мероприятий по обеспечению надежности радиоканала возможно как на этапе построения системы безопасности, так и во время её технической эксплуатации.
В соответствии с (1.1) одним из важных этапов при построении системы безопасности является расчет себестоимости системы. При этом наиболее приемлемым способом расчета является метод укрупненного расчета себестоимости системы, который используется в тех случаях, когда количество элементов системы велико и архитектура самой системы не разработана [39, 51, 52]. На практике пользуются структурными методами укрупненных расчетов себестоимости. Полная себестоимость системы безопасности определяется по формуле: С = [М + 77 + 3(l + «)Jl + 0), где М - стоимость основных материалов, П - стоимость покупных изделий, 3 - заработная плата технического персонала; а - коэффициент, учитывающий накладные расчеты, р - коэффициент, учитывающий внепроизводствен-ные расходы.
Величины аир принимаются по данным предприятия, где проектируется и производится система безопасности. Если предприятие неизвестно, то принимаются следующие значения коэффициентов: а = 2,2-2,5; Р = 0,05-0,15.
Затраты на основные материалы М и заработную плату технического персонала 3 определяют по формулам:
При оценке эффективности мероприятий по обеспечению надежности радиоканала важным является расчет ожидаемой стоимости серийного образца радиоканала как элемента системы безопасности. При этом должна быть определена величина прямых и косвенных расходов на ее производство и сбыт.
К прямым расходам относятся затраты, связанные с производством системы безопасности. К накладным расходам относятся затраты, связанные с изготовлением всех видов продукции данным предприятием. За единицу продукции необходимо принять один комплект разрабатываемого изделия. Себестоимость изготовления системы безопасности будет включать три статьи затрат: стоимость сырья и материалов; стоимость покупных комплектующих элементов, стоимость услуг кооперированных предприятий; основная заработная плата производственных рабочих. Стоимость материалов определяется по формуле: где См - затраты на материалы с учетом стоимости возвратных отходов, руб., НМІ - норма расхода материала i-го вида на одно изделие, кг, ЦМІ - цена 1 кг материала i-го вида, руб., Кв - коэффициент, учитывающий затраты на вспомогательные материалы, Ктз - коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы, Но - вес возвратных отходов, кг, Цо - цена 1 кг возвратных отходов, руб.
Основная заработная плата в рублях производственных рабочих может быть определена по следующей формуле: где ti - трудоемкость і-го вида работ, КІТ - тарифный коэффициент, СІТ - часовая тарифная ставка первого разряда. СГ =МРОТ/Ф, где МРОТ - минимальный размер оплаты труда; Ф - месячный фонд рабочего времени (173ч).
Основная заработная плата должна дополняться суммой премии в размере 25%, выплачиваемой рабочим из фонда заработной платы. Дополнительная заработная плата производственных рабочих представляет собой сумму всех доплат (кроме премиальных), предусмотренных законодательством о труде и коллективным договором. Сумма дополнительной заработной платы определяется в процентах (10-15%) от основной заработной платы.
Отчисления на единый социальный налог (ЕСН) определяются ставкой 30% в 2013 г. (ставка может периодически изменяться в соответствии с законодательством РФ) от суммы основной и дополнительной заработной платы производственных рабочих.
Основные мероприятия по обеспечению надежности радиоканала связаны с организацией эксплуатации системы безопасности, которая включает в себя подготовку и обучение технического персонала.
При этом затраты будут включать затраты, связанные с организацией эксплуатации и обучением личного состава (единовременные), а также с обслуживанием и ремонтом системы безопасности (текущие, годовые эксплуатационные расходы).
Единовременные затраты определяются по формуле: к = Цс+ Квл где Цс - цена серийного образца системы, Квл - капитальные вложения, Ст - транспортные расходы, См - стоимость установки, монтажа, настройки и регулировки, Спл - стоимость занимаемой производственной площади, Сэ - стоимость электропитающих устройств, СОБ- СТОИМОСТЬ обучения технического персонала для работы с системой безопасности.
Затраты, связанные с обслуживанием и ремонтом системы безопасности определяются по формуле: И = ФОТ + ЕСН + М + Э + А + ППР + ПАу, где ФОТ - фонд оплаты труда обслуживающего технического персонала. Он определяется, исходя из численности штата и среднегодовой заработной пла 50 ты в данной организации. ЕСН - единый социальный налог (30% от ФОТ). М - затраты на материалы и запасные части, потребляемые в процессе эксплуатации и проведения профилактических и ремонтных работ. Они рассчитываются на основе действующих нормативов расхода на единицу оборудования или на 1000 ч их работы.
Разработан способ контроля радиоканала, отличающийся быстродействием и высокой вероятностью определения достоверности передачи информации.
Так, при скорости передачи информации в радиоканале 9600 бит/с на частоте 160 МГц время контроля составляет не более 1 с, что позволяет применять разработанный способ для контроля работоспособности радиоканала в реальных условиях эксплуатации и обеспечить оптимальный телекоммуникационный трафик в системе безопасности. Предложено определять надежность радиоканала в системах без опасности по вероятности правильного приема сообщений в соответствии со следующими значениями:
Разработка модели радиоканала многоуровневой системы безопасности
Элементы множества V являются вершинами графа и представляют собой локальные сети, элементы множества Е являются дугами, а\,...,а\,а1 ,...,0 ,0 ,...,ат- веса дуг, в качестве которых могут быть различные характеристики радиоканала: пропускная способность, вероятность безотказной работы (надежность). Применение теории графов позволяет провести анализ функционирования многоуровневой РСПИ и, в частности, нахождение оптимального маршрута доставки сообщений от оконечного оборудования (извещателей) до ПЦО при выполнении (1). Для анализа функционирования необходимо построить весовую матрицу смежности графа G. Весовой матрицей смежности графа G называется матрица Р = (р ) размерности п п (п - число вершин), которая определяется по правилу: aj —весы дуг между вершинами v. и v., О, если вершины v. и v, несмежны Весовая матрица смежности графа G модели многоуровневой РСПИ, представленной на рисунке 15, будет выглядеть следующим образом: \\\2.2.2.kkk
Построение многоуровневых РСПИ с функцией самоорганизации является важной научно-практической задачей. В модели многоуровневой РСПИ с функцией самоорганизации можно обеспечить требуемые надежность и помехозащищенность радиоканала. На основе разработанной модели радиоканала и используя теорию графов, можно проектировать системы безопасности в которых:
1. Используется оптимальный маршрут доставки сообщений от оконечного оборудования (извещателей) до ПЦО (на основе анализа кратчайше 61 го или критического пути на графе). 2. Проводится оптимальное присвоение частот работы радиостанциям локальных сетей РСПИ всех уровней при частотно-территориальном планировании (применяя знаковый граф). 3. Осуществляется контроль достоверности передачи информации по радиоканалу на всех уровнях РСПИ в режиме реального времени по алгоритму, построенному на основе анализа максимального потока в сети. 4. Определяются резервные маршруты следования информации в случае выхода из строя аппаратуры. 5. Обеспечивается помехозащищенность радиоканала РСПИ при возникновении помех: смена частот работы радиостанций, определение альтернативных маршрутов следования, организацию ведомственного радиотехнического контроля выделенного диапазона частот работы РСПИ.
Таким образом, перспективным направлением развития РСПИ является построение систем с функцией самоорганизации, отличающихся надежностью и помехозащищенностью радиоканала и являющихся частью общей системы радиосвязи специального назначения, в которой предусмотрены механизмы ведомственного радиотехнического контроля.
Требования к надежности радиоканала определены (2.3)...(2.6). Для анализа надежности радиоканала системы безопасности с функцией самоорганизации воспользуемся теорией графов.
Как отмечалось ранее, систему безопасности можно представить в виде взвешенного связного графа (рис. 15), состоящего из элементов множества V (вершины графа) и элементов множества Е (дуги). Надежность доставки сообщений между элементами системы безопасности (надежность радиоканала) будет определяться надежностью соединений между ними. В качестве примера определим надежность доставки информации между вершинами V21 и и графа, представленного на рисунке 16. Пусть в качестве весов дуг выступают вероятности безотказной работы направлений связи между вершинами графа:
Возможные пути доставки сообщений между узлами V21 и и представлены на рисунке 17. Рис. 17. Возможные пути доставки сообщений между узлами V21 и и Из рисунка 17 видно, что между узлами V21 и и существуют 9 возможных путей доставки информации, надежность каждой из которых определяется следующим образом:
Пусть вероятность безотказной работы j-ой дуги і-го пути (0, тогда вероятность безотказной работы і-го пути в случае их независимости будет равна: m где m - количество дуг. Если все пути независимы, то вероятность безотказной работы узлов (вершин) уаи Vb определяется: (0 = 1-11(1- (0), (3-5) i=\ ГДЄ П - КОЛИЧеСТВО НеЗаВИСИМЫХ Путей Между Va И Vb. Анализируя (3.3)...(3.5) можно сделать вывод, что для обеспечения надежности необходимо максимизировать число независимых путей при одновременной минимизации их дуг.
Вопросы обеспечения надежности радиоканала в системах безопасности, включая анализ причин отказов, прогноз показателей, разработка способов обеспечения надежности являются актуальными на всех этапах построения и технической эксплуатации.
Как показывает практика эксплуатации РСПИ, поток отказов элементов радиоканала X(t) соответствует закону распределения Вейбулла [39, 56, 65].
Закон распределения Вейбулла характеризуется интервалом нормальной эксплуатации X = const, что соответствует экспоненциальной модели распределения вероятности безотказной работы. Показатели надежности, соответствующие периоду нормальной эксплуатации, будут определяться следующим образом: P(t) = e Xt q(t) = \-e Xt /(О = -" СО о /ь где f(t) - плотность распределения наработки до отказа. Для обеспечения надежности радиоканала в реальных условиях эксплуатации необходима система с обратной связью, позволяющая оперативно реагировать на изменения показателей надежности.
Каждый отказ или повреждение радиоканала должен содержать информационный признак: дату возникновения отказа или повреждения; общую наработку с начала эксплуатации до момента установления отказа или повреждения; характер появления отказа или повреждения; условия эксплуатации и вид работы, при которых был обнаружен отказ или повреждение; способ обеспечения надежности; принятые или рекомендованные меры по предупреждению возникновения отказов или повреждений.
Основной документацией при сборе первичной информации об отказах и повреждениях элементов системы безопасности, в том числе и радиоканала, являются журналы, формуляры, карточки. Для принятия оперативных мер необходимо иметь статистические данные о надежности с последующей её обработкой.
Обеспечение электромагнитной совместимости радиоканала как элемента системы безопасности
Основной целью работ по обеспечению ЭМС радиоканала как элемента системы безопасности является минимизация внутрисистемных и внесистемных помех [80, 81].
Если система безопасности работает в частотном диапазоне, выделенном МВД России, то внутрисистемные помехи создаются радиосредствами ОВД; внесистемные - от РТС других ведомств.
Минимизация внутрисистемных помех достигается правильным планированием частотного ресурса, оптимальным размещением стационарных радиосредств, использованием РТС с параметрами, необходимыми для соблюдения ЭМС с другими РТС ОВД.
Минимизация внесистемных помех достигается правильным выбором номиналов частот для радиоканальных систем безопасности, а также РТС ОВД, работающих вблизи мощных РТС других ведомств, контролем за состоянием радиоэфира в полосах частот, выделенных для построения радиосистем ОВД.
Решение задачи ЭМС РТС имеет две стороны. Первая заключается в изыскании способов расчета и прогнозирования взаимных помех с целью их учета при ЧТП. Вторая сторона заключается в создании на стадии разработки РТС инженерно-технических мер борьбы с помехами. Основным условием этого пути является построение схем и отдельных элементов радиотракта, исходя из требований ЭМС. Важными средствами снижения взаимных помех являются методы борьбы с помехами в месте расположения приемных устройств РЭС.
Можно выделить следующие требования по обеспечению ЭМС радиоканала как элемента системы безопасности.
Первый вид требований - радиоканал должен выполнять свои функциональные задачи в реальной электромагнитной обстановке с заданным качеством функционирования. Требуемая вероятность выполнения задачи обеспечивается выбором основных параметров радиоканала (таких, как дальность связи, мощность передающего и чувствительность приемного устройств и др.) при заданном отношении сигнал/помеха и суммой атмосферных, индустриальных и станционных радиопомех от РТС, как правило, не входящих в состав системы безопасности.
Второй вид требований - все размещаемые в системе РТС должны функционировать, не оказывая друг на друга мешающего воздействия. Этот вид требований устанавливается, когда излучениями РТС внутри системы безопасности можно управлять, устанавливая необходимые территориальные, частотные и временные разносы РТС.
Частотно-территориальное планирование систем безопасности проводится в соответствии с разработанной (или разрабатываемой) схемой организации передачи сообщений. Так как работа РСПИ предпочтительна в частотных диапазонах, выделенных МВД России, ЧТП РСПИ необходимо проводить с учетом работы сетей радиосвязи (СРС) ОВД.
Исходными данными для ЧТП являются следующие [82... 88]: - схема и технические характеристики РСПИ; - технические характеристики РТС РСПИ, влияющие на ЭМС; - технические характеристики действующих СРС ОВД; - сведения о передающих РТС других ведомств (внесистемных РТС). Как правило, это средства теле- и радиовещания, СРС общего пользо вания, ФСБ, ФАПСИ и др.; - перечень частот, не подлежащих изменению в новом частотном плане. Данный перечень определяется, исходя из наличия централизованно назначаемых частот МВД России; - данные о технических характеристиках РСПИ и СРС в прилегающих районах граничных областей, краев, республик, расположенных на расстоя нии не более 100 км. При этом необходимы сведения о географических координатах, часто 93 тах, мощностях передатчиков, параметрах АФТ, высотах подвеса передающих и приемных антенн РСПИ и СРС, как действующих, так и для которых осуществляется ЧТП.
Процедура назначения частот носит итерационный характер. На первом этапе осуществляется распределение частот среди РСПИ и СРС, для которых разрабатывается ЧТП.
После этого проводится анализ ЭМС РТС (с учетом исходных данных) в отношении помех по совмещенным, соседним, побочным и интермодуляционным каналам. Если помехи отсутствуют, то данный частотный план принимают за основу. Частотный план считается приемлемым, если помехи по совмещенным, соседним и побочным каналам отсутствуют, а количество интермодуляционных помех минимально, и каждая из них является результатом воздействия трех мешающих передатчиков. В противном случае проводят корректировку ЧТП.
Если не удается добиться полного исключения помех, тогда наилучшим результатом будет считаться тот частотный план, в котором минимальное количество помех по соседним и побочным каналам; минимальное количество помех интермодуляции от двух РТС в случае равного количества помех по соседним и побочным каналам; минимальное количество помех интермодуляции от трех РТС в случае равного количества помех по соседним и побочным каналам и помех интермодуляции от двух РТС.
Если не удается исключить помехи по совмещенному каналу (или в случае появления интермодуляционных помех в приемниках РТС), для уменьшения их воздействия радиостанциям несовместимых сетей необходимо присвоить различные индивидуальные коды.
Системы безопасности, использующие частоты, выделенные МВД России, работают в окружении СРС ОВД. СРС ОВД строятся по функционально-территориальному принципу. Если СРС общего пользования (например, сотовые) имеют ячеистую структуру, то СРС ОВД строятся, исходя из оперативных задач, решаемых подразделениями, расположенными на той или иной территории [81, 89, 90].
Поэтому вопросы обеспечения ЭМС РСПИ и СРС очень важны. Как правило, СРС ОВД имеют круговую диаграмму излучения радиосигнала. РСПИ могут иметь как круговую диаграмму излучения радиосигнала, так и направленную. Каждая стационарная (базовая) радиостанция СРС формирует зону обслуживания абонентов сети и зону помех. Зону помех формируют помехи по соседнему и побочным каналам излучения.
