Содержание к диссертации
Введение
1 Задачи радиоконтроля и критерии качества их решения 15
1.1 Особенности осуществления радиоконтроля в современной радиообстановке 15
1.2 Основные задачи радиоконтроля 18
1.3 Автоматизированные системы радиоконтроля. Серверы радиоконтроля 20
1.4 Проблемы разработки ПО для решения задач РТИ и РК 22
1.5 Основные задачи и направления, подлежащие анализу 24
1.6 Факторы, определяющие подходы к решению задач обнаружения сигналов 25
1.7 Практические аспекты оценивания занятости при радиоконтроле 29
1.8 Фактор априорной неопределенности при решении специальных задач РК 30
1.9 Критерии качества решения задач радиоконтроля системами и средствами РК 30
Выводы 32
2 Панорамное обнаружение узкополосных сигналов в широкой полосе частот 33
2.1 Общие сведения о задаче обнаружения узкополосных радиосигналов 33
2.2 Технические требования и метрологические характеристики алгоритма обнаружения сигналов 38
2.3 Статистические характеристики совокупности спектральных отсчетов 46
2.4 Базовый подход к обнаружению сигналов системой радиоконтроля при одноканальной обработке данных 55
2.5 Оценка среднего значения мощности шума, предусматривающая последовательное исключение максимальных составляющих спектра 68
2.6 Методика оценки расположения шумового участка на оси частот. Оценка среднего значения мощности шума на найденном шумовом участке 85
2.7 Рекомендации по разработке и анализу алгоритмов оценки средней мощности шума 99
2.8 Двухэтапные квазиоптимальные алгоритмы оценки средней мощности шума 113
2.9 Двухэтапные квазиоптимальные алгоритмы оценки средней мощности шума, основанные на СМОШ-статистиках 144
2.10 Двухэтапные квазиоптимальные алгоритмы оценки средней мощности шума, использующие медианное оценивание 167
2.11 Сравнительный анализ показателей качества квазиоптимальных алгоритмов оценки средней мощности шума 174
2.12 Расширенный анализ панорамного обнаружения сигналов 177
2.13 Рекомендации по осуществлению панорамного обнаружения сигналов системами радиоконтроля 196
Выводы 200
3 Измерение занятости радиочастотного спектра 202
3.1 Общие сведения и основные нормативные документы 202
3.2 Определение понятия занятости и причины возникновения погрешности её при эксп ериментальном оценивании 205
3.3 Анализ известных методов измерения занятости и методических рекомендаций. Конкретизация вопросов, подлежащих исследованию 208
3.4 Метрологические характеристики оценок занятости 214
3.5 Протяженные и импульсные радиосигналы. Особенности оценки занятости в каналах с импульсными сигналами 216
3.6 Интенсивность потока сигналов в радиоканале и её влияние на достоверность оценивания занятости 221
3.7 Нестабильность интервала контроля состояния радиоканалов и её влияние на качество оценивания занятости для различных измерительных систем 226
3.8 Основы теоретического анализа надежности оценки занятости 230
3.9 Исследование надежности оценок занятости для каналов с протяженными радиосиг налами 233
3.10 Альтернативный способ оценки занятости в нетактируемых измерительных системах 241
3.11 Особенности статистических характеристик оценок занятости спектра при метрологических испытаниях 246
3.12 Управление измерениями занятости при отсутствии априорной информации о характеристиках тестируемых радиоканалов 263
3.13 Рекомендации по организация процедуры измерения занятости 267
3.14 Влияние неправильного выбора числа точек контроля на достоверность оценки занятости 271
3.15 Особенности оценки занятости спектра применительно к CR-системам 272
Выводы 276
4 Специальные случаи обработки сигналов 278
4.1 Общие сведения 278
4.2 Оптимизация процедуры обнаружения для выявления сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 278
4.3 Оптимизация процедуры пеленгования источников радиосигналов, использующих сигналы с ППРЧ, корреляционным интерферометром 295
4.4 Обнаружение сигналов аналоговых радиомикрофонов 310
4.5 Побочные электромагнитные излучения и методы их выявления 317
Выводы 341
5 Алгоритмы узкополосной обработки сигналов 344
5.1 Общие сведения 344
5.2 Показатели, контролируемые при измерении интенсивности радиопомех 344
5.3 Амплитудное соотношение для измерителя радиопомех и рекомендации по его контролю в цифровых системах РК 346
5.4 Обеспечение частотной избирательности в цифровых измерителях радиопомех 351
5.5 Цифровая реализация пикового и квазипикового детекторов 363
Выводы 370
Заключение 372
Список литературных источников
- Автоматизированные системы радиоконтроля. Серверы радиоконтроля
- Методика оценки расположения шумового участка на оси частот. Оценка среднего значения мощности шума на найденном шумовом участке
- Определение понятия занятости и причины возникновения погрешности её при эксп ериментальном оценивании
- Оптимизация процедуры пеленгования источников радиосигналов, использующих сигналы с ППРЧ, корреляционным интерферометром
Введение к работе
Актуальность проблемы. Активное развитие систем радиосвязи и различных радиоэлектронных средств неизбежно влечет усложнение радиообстановки практически во всех доступных для современной техники диапазонах частот. Для эффективного контроля радиообстановки и управления использованием радиочастотного ресурса необходимы адекватные этому усложнению системы радиоконтроля (РК), применяющие соответствующие современным задачам РК методы и алгоритмы обработки сигналов.
Одними из основных направлений совершенствования средств и систем РК в настоящее время являются:
автоматизация процессов радиотехнических измерений (РТИ) и РК;
интеграция разнотипных имеющихся средств РК в состав автоматизированных систем РК (АСРК).
Осуществление интеграции порождает потребность в разработке унифицированных технических и технологических подходов, методов и алгоритмов решения задач радиоконтроля, обеспечивающих работоспособность и метрологическую точность выполнения радиотехнических измерений для разнотипного радиоконтрольного оборудования (РКО). Имеющиеся методы решения задач РК не полностью соответствуют этим практическим потребностям, а алгоритмы панорамной широкополосной обработки данных и оценки занятости радиочастотного спектра для систем РК с разнотипным РКО остаются слабо детализированными и недостаточно исследованными.
Стартовая задача широкополосной обработки данных в АСРК формально классифицируется как задача разрешения-оценивания совокупности сигналов, наблюдаемых совместно в широкой полосе частот. Вопросами разработки оптимальных процедур разрешения сигналов занимались Ю.И. Абрамович, Э.А. Ибатулин, В.В. Караваев, А.А. Курикша, В.Н. Манжос, В.В. Сазонов, А.П. Трифонов, СЕ. Фалькович, Ю.С. Шишков, Я.Д. Ширман. Среди зарубежных авторов можно отметить работы: Н. Akaike, Т. Anderson, Т. Kailath, S.M. Kay, S.L. Мафіє jr, В. Rao, G. Xu, M. Wax. Однако классические методы разрешения-оценивания часто рассчитаны на конкретные, частные вероятностные модели наблюдаемых случайных процессов, и при несоответствии реальных характеристик процесса используемой модели демонстрируют значительный и неконтролируемый рост погрешности. Кроме того, оптимальные алгоритмы разрешения-оценивания, как правило, характеризуются высокой вычислительной сложностью, что делает проблематичным достижение желательного быстродействия при анализе радиообстановки в широких полосах частот.
Существенно упростить широкополосный анализ радиообстановки можно за счет использования понятия квазиполного разрешения, с позиции которого подобную задачу предлагается рассматривать как задачу комплекс-
ного («панорамного») обнаружения некоторого набора сигналов на фоне неизвестного по интенсивности шума. Вопросами оценки интенсивности шума при широкополосном радиоконтроле в последние годы занимались специалисты Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета М.Е. Шевченко, А.О. Чемаров, Ё.Ю. Бородач. Исследовавшиеся ими цензурированные квантильные оценки интенсивности шума остаются работоспособными при значительной вариации радиообстановки, однако ограничение поиска квантильными оценками означает возможность существования альтернативных способов оценивания с лучшими показателями качества.
Таким образом, сохраняется потребность в анализе известных и разработке новых методов панорамного обнаружения сигналов с целью разработки квазиоптимальных алгоритмов, пригодных для использования в системах РК с разнотипным РКО и обладающих невысокой вычислительной сложностью.
С панорамным обнаружением сигналов тесно связана проблема оценки занятости радиочастотного спектра. Несмотря на наличие ряда международных рекомендаций, вопрос измерения занятости радиочастотного спектра считается актуальным и остаётся в центре внимания Международного союза электросвязи (см. вопрос 233-1/1). Сохранению неясностей в вопросе измерения занятости способствует то, что классические работы не полностью соответствуют потребностям РК, а современные публикации чаще касаются оценки занятости в целях динамического управления распределением радиочастот в рамках систем типа «Dynamic spectrum access (DSA)» и/или «Cognitive radio (CR)». Системы РК отличаются от упомянутых выше своими целевыми функциями, а потому и технические решения, ориентированные на DSA- и CR-системы, применительно к радаоконтролю часто оказываются неоптимальными.
К области РТИ и РК относится и огромное множество иных, более частных задач таких, как измерение интенсивности радиопомех или поиск побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ). Исследованиями в области поиска ПЭМИ занимались специалисты ФГУП НПП «Гамма», НПЦ фирмы «НЕЛК», центра безопасности информации «Маском», ФГУП «СНПО Элерон», создав ряд ориентированных на измерения ПЭМИ комплексов РК. Вместе с тем, используемые в большинстве исследований методы предполагают лишь верификацию априори прогнозируемого списка гармоник и не гарантируют обнаружение составляющих за пределами данного списка. Причиной погрешностей при исследовании защищенности объектов информатизации от утечки информации по каналу ПЭМИ может служить и неудачная реализация в аппаратуре РК функции измерения интенсивности радиопомех из-за недостаточной детализации имеющихся нормативно-методических рекомендаций по вопросам построения цифровых измерителей радиопомех.
Таким образом, в настоящее время актуальной является научная проблема создания комплекса методов и алгоритмов РТИ и РК, ориентированных на применение в условиях априорной неопределенности относительно особенностей радиообстановки и параметров РКО, входящего в состав систем РК, и обладающих невысокой вычислительной сложностью.
Диссертация выполнена на кафедре радиотехники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках одного из научных направлений университета - «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приёма, обработки и защиты информации».
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов обработки сигналов в системах РК, сохраншощих работоспособность при вариациях радиообстановки и использовании радио-контрольного оборудования с неточно известными характеристиками и отличающихся низкой вычислительной сложностью, в интересах создания и обоснования перспективных направлений совершенствования средств и систем РК.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка математической модели наблюдаемых данных, поставляемых радаоконтрольным оборудованием системам РК.
-
Анализ известных и разработка новых методов оценки уровня шума в широком диапазоне частот, содержащем неизвестное количество узкополосных радиосигналов с неизвестными параметрами; осуществление их сравнительного анализа.
-
Разработка методики калибрования РКО с неточно известными параметрами в целях повышения точности оценивания уровня шума в широких диапазонах частот.
-
Разработка и анализ методов панорамного обнаружения сигналов в широком диапазоне частот при использовании РКО с известными и неточно известными параметрами.
-
Исследование факторов, влияющих на точность и надежность оценивания занятости радиочастотного спектра, и корректировка концепции обеспечения достоверности измерений занятости.
-
Исследование граничных условий и оценка достаточности быстродействия РКО для достоверного измерения занятости тактируемыми и не-тактируемыми измерительными системами.
-
Разработка рекомендаций по осуществлению измерений занятости системами РК.
-
Оптимизация параметров алгоритмов панорамного обнаружения сигналов для обнаружения (и/или пеленгования) сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Разработка методики оценки достаточности быстродействия РКО при пеленговании источников сигналов с ППРЧ.
9. Разработка методов и алгоритмов обнаружения сигналов аналоговых
радиомикрофонов и информативных побочных электромагнитных излуче
ний и наводок (ПЭМИН).
10. Исследование факторов, влияющих на точность измерения интен
сивности радиопомех. Разработка рекомендаций по реализации цифровых
измерителей интенсивности радиопомех.
Методы исследования. При выполнении работы использовался математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, основы теории статистических решений, аналитические и асимптотические методы математического анализа, методы математического моделирования.
Научная новизна работы в целом заключается в развитии и научном обосновании методов и алгоритмов обработки сигналов при осуществлении РТИ в условиях априорной неопределенности относительно особенностей радиообстановки и параметров РКО, входящего в состав системы РК.
Основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
двухэтапные квазиоптимальные алгоритмы, отличающиеся расчетом на стартовом этапе минимального значения сглаженного энергетического спектра и формированием приближенной оценки подмножества шумовых отсчетов спектра, по которому на завершающем этапе рассчитывается уточненная оценка интенсивности шума, что обеспечивает снижение среднеквадратиче-ской погрешности его оценивания;
метод панорамного обнаружения сигналов, отличающийся раздельным оцениванием интенсивности шума и последующим обнаружением сигналов на основе обработки отсчетов усредненного и сглаженного по частоте энергетического спектра, а также использованием калибрования РКО с неточно известными параметрами, что обеспечивает невысокую вычислительную сложность и сохранение работоспособности обработки при заметных вариациях параметров радиообстановки и РКО;
обновленная концепция обеспечения достоверности измерений занятости, отличающаяся нормированием абсолютной, а не относительной погрешности оценивания, учётом особенностей возникновения погрешности в каналах с протяженными и импульсными сигналами, фиксацией при измерениях среднего количества сеансов связи, наблюдаемых в анализируемых каналах, учётом особенностей тактируемых и нетактируемых измерений. На её основе впервые установлены предельные требования к быстродействию РКО, задействованного для подобных измерений;
методика оценки достаточности быстродействия РКО при обнаружении (пеленговании) источников сигналов с ППРЧ, отличающаяся учётом особенностей широкополосной обработки данных системами РК, а также особенностей функционирования корреляционных интерферометров, и позволяющая на этой основе максимизировать вероятности обнаружения (пеленгования) подобных сигналов;
метод обнаружения информативных побочных электромагнитных излучений средств вычислительной техники (СВТ), отличающийся осуществлением совместного обнаружения и тестирования информативности составляющих ПЭМИ, что обеспечивает повышение чувствительности при одновременном снижении временных затрат;
методика построения цифровых измерителей интенсивности радиопомех, отличающаяся реализацией частотной избирательности измерителей и схемой построения пикового и квазипикового детектора, что обеспечивает повышение точности соблюдения контрольных показателей, определяемых действующими нормативными документами.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработанные методы и алгоритмы панорамного обнаружения сигна
лов применимы в широком диапазоне условий радиообстановки и параметров
РКО; алгоритмы характеризуются невысокой вычислительной сложностью и
обеспечивают обнаружение системами и комплексами РК:
узкополосных сигналов, действующих в широкой полосе частот;
сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты;
информативных побочных электромагнитных излучений.
-
Обновленная концепция обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра позволяет существенно снизить временные затраты на сбор сведений (до 10 раз для радиоканалов с малым числом сигналов, приходящихся в среднем на интервал измерений) и, одновременно, повысить точность получаемых оценок для радиоканалов, занятость которых принадлежит диапазону значений 5-100 %.
-
Методики оценки достаточности быстродействия РКО позволяют обоснованно формировать требования к параметрам планируемых к разработке средств и систем РК.
Достоверность и обоснованность основных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, базируются на использовании апробированных принципов и методов синтеза алгоритмов обработки сигналов, подтверждаются результатами практического использования разработанных методов и алгоритмов в системах и комплексах РК и, в частных случаях, согласованием с результатами, опубликованными в научной литературе.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), ФГУП «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» (г. Москва), ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК РФ (г. Воронеж), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Результаты, касающиеся обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра, легли в основу приложения А Отчета МСЭ-R «Report ITU-R SM.2256. Spectrum occupancy measurements and evaluation».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Раздельное оценивание двухэтапными квазиоптимальными алгоритмами интенсивности шума и последующее обнаружение сигналов на основе обработки отсчетов усредненного и сглаженного по частоте энергетического спектра позволяют с невысокой вычислительной сложностью обнаруживать действующие в широкой полосе частот сигналы при значительных вариациях радиообстановки и параметров используемого РКО.
-
Калибрование РКО с неточно известными характеристиками обеспечивает качество оценки радиообстановки практически не уступающее качеству панорамного обнаружения для РКО с точно известными параметрами.
-
При расчете надёжности измерений занятости радиочастотного спектра следует учитывать длительности сигналов, действующих в контролируемых радиоканалах. В каналах с протяженными сигналами, длительность которых составляет от примерно тысячной доли до продолжительности всего интервала измерений, надежность определяется средним числом сигналов, приходящихся на интервал измерений. В каналах с импульсными сигналами надежность зависит от самой занятости. Учитывать в расчетах упоминаемую в нормативно-методических документах «зависимость измерений» не требуется.
-
При неравномерном размещении точек контроля на оси времени в каналах с протяженными сигналами оценка занятости по длительностям наблюдения активных и пассивных состояний обладает повышенной надежностью по отношению к классической оценке, а тактируемые измерения обеспечивают лучшее качество, чем нетактируемые. Надежность классической оценки при неравномерных нетактируемых измерениях, как правило, оказывается низкой.
-
При одинаковой занятости измерения в каналах с импульсными сигналами требуют большего количества точек контроля состояния канала. Для любого радиоканала оценка занятости с интервалом между повторными измерениями не более 7,8 миллисекунд (на 5-минутных интервалах) и 23,4 миллисекунды (на 15-минутных интервалах измерений) позволяет обеспечивать точность оценок не хуже ±0,5 % при надежности Pz = 95 %.
-
При измерениях занятости следует нормировать абсолютную, а не относительную погрешность измерений. В совокупности с предыдущими положениями это обеспечивает снижение трудоемкости оценивания для слабо загруженных каналов (до 10 раз для радиоканалов с малым числом сигналов, приходящихся в среднем на интервал измерений) и повышение точности формируемых оценок для каналов с занятостью, лежащей в диапазоне 5-100 %.
-
Методика расчета вероятности успешного обнаружения (пеленгования источников) сигналов с ППРЧ позволяет оптимизировать параметры системы РК для обнаружения (пеленгования) подобных сигналов и на этой основе планировать мероприятия РК, оценивать достаточность быстродействия используемого РКО, а также формировать требования к параметрам нового РКО, разрабатываемого для обнаружения подобных сигналов.
-
Совместное обнаружение и тестирование информативности ПЭМИ, основанное на многократном циклическом изменении режима работы проверяемого СВТ под управлением системы РК и обработке набора зарегистрированных широкополосных амплитудных спектров, обеспечивает высокую чувствительность и скорость поиска информативных составляющих при оценке защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИН.
-
Для минимизации погрешности пиковый и квазипиковый детекторы следует реализовывать в виде цифрового фильтра первого порядка с переключаемыми коэффициентами. Измерители радиопомех с детектором средних значений не должны иметь близкую к прямоугольной АЧХ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных НТК «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2000, 2008-2012), I Всероссийской научно-практической конференции «Перспектива развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники» (Санкт-Петербург, 1993), Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1995), ХПІ Военной научной конференции (Москва, 1995, в/ч 11135), 6-й международной НПК «ТелеКомТранс-2008» (Сочи, 2008), 9-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 2011), конференции «Multimedia Technology International Conference (ІСМТ)» (Гуаньчжоу, 2011), региональной НПК «Актуальные вопросы информационной безопасности региона в условиях модернизации общества и внедрения инновационных технологий» (Волгоград, 2011), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 1991-2012). Результаты, касающиеся обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра, обсуждались также на совещаниях рабочей группы 1С МСЭ-R, проходивших в июне 2012 г. в Женеве (Швейцария).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 55 научных работах, в том числе: в 41 статье (из них 32 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций), 14 докладах на научно-технических конференциях и семинарах, а также в приложении А международного Отчета МСЭ-R SM.2256 по вопросам измерения занятости радиочастотного спектра.
В опубликованных в соавторстве работах [1, 4, 6-9, 11, 12, 14, 15, 17-20, 24, 25, 27, 30, 36-38, 48-53] лично соискателю принадлежат: постановка задач, обоснование используемых и модификация известных методов их решения, разработка алгоритмов статистического моделирования, участие в обсуждении всех полученных результатов, обоснование возможности использования полученных результатов в аппаратуре РК. В работах [2, 3, 5, 10, 16, 44-47, 54] соискателем определялась методология решения задач, путей верификации
математических моделей и численных методов анализа на основании полученных экспериментальных данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и четырёх приложений. Основная часть работы изложена на 393 страницах, включает 130 рисунков и 27 таблиц.
Автоматизированные системы радиоконтроля. Серверы радиоконтроля
Всероссийской научно-практической конференции «Перспектива развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники» (Санкт-Петербург, 1993), Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1995), XIII Bоенной научной конференции (Москва, 1995, в/ч 11135), 6-й международной НПК «ТелеКомТранс-2008» (Сочи, 2008), 9-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 2011), конференции «Multimedia Technology International Conference (ICMT)» (Гуаньчжоу, 2011), региональной НПК «Актуальные вопросы информационной безопасности региона в условиях модернизации общества и внедрения инновационных технологий» (Волгоград, 2011), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 1991-2012). Результаты, касающиеся обеспечения достоверности измерений занятости радиочастотного спектра, обсуждались также на совещаниях рабочей группы 1С МСЭ-R, проходивших в июне 2012 г. в Женеве (Швейцария).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 55 научных работах, в том числе: в 41 статье (из них 32 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций), 14 докладах на научно-технических конференциях и семинарах, а также в приложении A международного Отчета МСЭ-R SM.2256 по вопросам измерения занятости радиочастотного спектра.
В опубликованных в соавторстве работах [60, 61, 62, 68, 74, 99, 101, 103, 105, 106, 114, 126, 138, 139, 140, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 164, 165] лично соискателю принадлежат: постановка задач, обоснование используемых и модификация известных методов их решения, разработка алгоритмов статистического моделирования, участие в обсуждении всех полученных результатов, обоснование возможности использования полученных результатов в аппаратуре РК. В работах [75, 117, 118, 119, 122, 123, 140, 142, 143, 163, 166] соискателем определялась методология решения задач и путей верификации математических моделей и численных методов анализа на основании полученных экспериментальных данных. 1 Задачи радиоконтроля и критерии качества их решения
Стремительное развитие систем радиосвязи, обусловленное возрастающей потребностью общества в услугах мобильной связи и беспроводной передачи информации, ведет к постоянному росту спроса на радиочастотный спектр и к усложнению электромагнитной обстановки. Вместе с тем радиочастотный спектр – ограниченный природный ресурс, и потому важно, чтобы все службы радиосвязи использовали его наиболее рациональным, справедливым и экономичным образом, чтобы различные сети и системы радиосвязи могли функционировать без взаимных помех. Главным фактором обеспечения эффективной одновременной работы различных сетей радиосвязи и их дальнейшего развития является продуктивное и рациональное управление использованием спектра. Управление использованием спектра представляет собой сочетание административных, научных и технических процедур, направленных на обеспечение эффективной работы оборудования и служб радиосвязи без создания вредных помех. Важную часть этих процедур составляют мероприятия по контролю использования радиочастотного спектра, осуществляемые в интересах повышения эффективности использования радиочастотного спектра и обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.
Контроль использования спектра – это основа процесса управления использованием спектра. Неуклонное увеличение объемов работ и усложнение задач контроля настоятельно требуют использования систем контроля с автоматизированными измерениями. Такие системы способствуют значительному повышению эффективности служб контроля и, в конечном итоге, более эффективному использованию спектра.
Существенное усложнение современной радиоэлектронной обстановки (РЭО) связано со следующими факторами: увеличением количества штатных телевизионных и радиовещательных передатчиков, введением и последующей модернизацией сотовых систем связи, интенсификацией их использования; перегрузкой некоторых специально выделенных участков радиотехнического диапазона (например, в диапазонах частот вблизи 40 МГц, 100 МГц, 400 МГц, 800 МГц, 2450 МГц), возникающей по ряду объективных обстоятельств, таких как наилучшие условия распространения радиоволн, отсутствие необходимости лицензирования и.т.п.; использованием различных типов радиосигналов – узкополосных с фиксированным распределением частот или с динамическим частотно-временным распределением излучений, а также широкополосных с кодовым разделением абонентов; общей тенденцией повышения мощности передатчиков радиоэлектронных средств (РЭС), продиктованной стремлением к увеличению их дальности действия, что эквивалентно увеличению числа действующих РЭС.
Кроме того, в городах и промышленных центрах России наблюдается рост числа нелицензированных источников радиоизлучения (ИРИ) с различными уровнями мощности и большим (по уровню и спектру) числом паразитных излучений, не соответствующих допустимым нормам и международным стандартам, что требует усиления контроля со стороны соответствующих служб за их количеством, параметрами и территориальным размещением.
Распределение официально зарегистрированных РЭС и плотность их распределения в масштабе РФ показаны на рис. 1.1 и рис. 1.2. Представленные данные подтверждают, что в центрах субъектов РФ большинство РЭС гражданского назначения функционирует в условиях высокой (плотной) загруженности радиочастот, сложной (и всё более усложняющейся) электромагнитной и поме-ховой обстановки.
Методика оценки расположения шумового участка на оси частот. Оценка среднего значения мощности шума на найденном шумовом участке
Итак, отказ от использования всех доступных шумовых отсчетов и попытка расчета оценки шума лишь по подгруппе шумовых отсчетов малого объема приводит к существенному увеличению СКО и СКП оценки. Это естественная и неизбежная плата за неоптимальное использование имеющихся данных. Из сопоставления сведений, представленных на рис. 2.29, 2.32 и 2.40, видно, что СКП текущего алгоритма оценки средней мощности шума на основе скорректированного минимума сглаженного энергетического спектра превышает СКП алгоритма из п. 2.8.3, не менее чем в 3 раза. Таким образом, рекомендовать рассмотренный в текущем пункте вариант оценки средней мощности шума т гс к практическому использованию нецелесообразно.
Квазиоптимальный алгоритм оценки мощности шума, основанный на корректировке среднего арифметического минимальных локальных оценок
Примем во внимание выявленные ранее факторы, существенные для разработки квазиоптимальной процедуры оценивания шума, на фоне которого действуют обнаруживаемые узкополосные сигналы:
Для минимизации дисперсии оценки интенсивности шума эта оценка должна опираться на значительную, в идеале – максимально возможную, долю шумовых отсчетов дискретного спектра. При этом следует приложить усилия для минимизации вероятности возникновения аномальных ошибок, вызываемых, в частности, включением в расчет отсчетов спектра слабых сигналов, присутствующих в анализируемом диапазоне.
Среднее значение отсчетов спектра сигналов (в том числе, слабых) превосходит среднее значение шумовых отсчетов. Если осуществлять усреднение спектральных отсчетов в пределах радиоканалов (а при отсутствии сетки каналов – в полосах частот типового радиосигнала) и использовать для формирования оценки совокупность наименьших среди подобных значений, то вероятность возникновения аномальных ошибок будет низкой.
Использование средних на радиоканал показателей (вместо отдельных отсчетов) помимо возможности надежно отсеивать слабые сигналы обеспечивает также уменьшение числа сопоставляемых элементов при выделении подмножества минимальных элементов, используемых для формирования оценки, что положительно сказывается на быстродействии алгоритма.
Среднее значение совокупности наименьших элементов по сравнению со средней интенсивностью шумовых отсчетов будет смещенным, однако степень смещения определяется в первую очередь общим количеством элементов, по которым выполнялась минимизация, а число шумовых радиоканалов может быть приближенно предсказано в ходе первого этапа обработки, предполагающего приблизительную оценку уровня шума.
С учётом перечисленных факторов проанализируем степень смещения среднего арифметического минимальных локальных (канальных) оценок интенсивности шума. Применительно к РКО с неточно известными параметрами для этого можно использовать следующий вариант модернизации процедуры калибрования, описанной в п. 2.7.4.
Пусть по ходу калибрования каждая из Y спектральных панорам, получаемая при обработке шумового радиодиапазона, разбивается на фрагменты, соответствующие возможной ширине радиоканалов В. Для каждого 77-го фрагмента рассчитывается среднее и совокупности этих средних значений объемом D элементов, где D последовательно увеличивается от 1 до int(N/В), для каждой из Y панорам упорядочиваются по возрастанию. Обозначим переупорядоченные элементы совокупностей как х(В, у), полагая х(В,у) наименьшим, а х%\В, у) - наибольшим из
Возможность предсказывать смещение, возникающее при оценке среднего значения шума по подмножеству наименьших локальных оценок, позволяет предложить очередной двухэтапный квазиоптимальный алгоритм оценивания интенсивности шума. При этом полезно иметь в виду следующее. Обработка данных, осуществляемая на стартовом этапе, позволяет надёжно исключать из оцениваемого шумового подмножества вш все каналы, занятые мощными радиосигналами. Вместе с тем, часто в числящихся свободными участках анализируемой полосы частот могут наблюдаться радиоизлучения малой интенсивности (возможно, порождаемые источниками, находящимися на значительном удалении от области приёма и обработки данных). Результат применения пороговой процедуры, завершающей стартовый этап оценки, к подобным радиоизлучениям слабо предсказуем; иногда отдельных спектральных всплесков будет достаточно для исключения соответствующих радиоканалов из подмножества вш , а в иных случаях радиоканалы со слабыми сигналами войдут в состав вш .
Это означает, что хотя прогнозируемая на основе данных стартового этапа загруженность v радиодиапазона может казаться незначительной, попытка опоры на неё будет приводить к аномальным ошибкам. В подобной ситуации рациональнее опираться в расчетах средней мощности шума на меньшее число радиоканалов, для которых, однако, вероятность наличия даже слабых сигналов оказывается пренебрежимо малой.
В естественных условиях как полное отсутствие в диапазоне частот слабых сигналов, так и их наличие в значительном количестве маловероятны. Кроме того, подмножество слабых сигналов будет варьироваться по интенсивности, и если к числу шумовых отсчетов будут дополнительно отнесены наиболее слабые из них, то на смещении оценок интенсивности шума подобная неточность скажется весьма слабо. Выделить же среди радиоканалов, отнесенных на стартовом этапе к шумовым, те, которые потенциально могут содержать неучтенные слабые сигналы, можно посредством сопоставления соответствующих разным каналам локальных оценок интенсивности шума
Определение понятия занятости и причины возникновения погрешности её при эксп ериментальном оценивании
Выше в п. 3.5.3 уже упоминалось, что увеличение длительности сигналов влечет уменьшение дисперсии оценки занятости. Это означает возможность и целесообразность разработки специальной методики определения необходимого числа точек контроля состояния для радиоканалов с протяженными сигналами. Как будет показано ниже, одним из ключевых факторов, влияющих на достоверность оценивания занятости в подобных условиях, является интенсивность потока сигналов в радиоканале.
Практике измерений занятости, как правило, вполне адекватно соответствует статистическая модель, согласно которой последовательность моментов активации (и, соответственно, освобождения) радиоканалов является пуассо-новским потоком событий. Интенсивность подобного потока событий и будет в дальнейшем называться интенсивностью потока сигналов в радиоканале. Итак, интенсивность потока сигналов ХА - это среднее число сигналов в канале, приходящееся на заданный интервал времени. Например, если в некотором канале
222 на каждом 1-часовом интервале времени наблюдается в среднем 140 сеансов связи, то интенсивность потока сигналов для такого канала составляет ХА = 140 сигналов / час.
Интенсивность потока сигналов в радиоканале ХА для разных временных интервалов может существенно отличаться. Это означает необходимость осуществления по ходу измерений занятости слежения за изменением интенсивности потока сигналов и адаптации к этим изменениям параметров оценивания. Подробнее об этом будет говориться в п. 3.12. Рассмотрим ряд примеров, иллюстрирующих важность слежения за интенсивностью потока сигналов в радиоканалах для получения оценок занятости, обладающих высокой точностью и надежностью. Во всех сопоставляемых ниже случаях истинное значение занятости остается одним и тем же и составляет Z = 5 %. Требования, предъявляемые к точности, характеризуются максимально допустимой абсолютной погрешностью измерений Az = 0,5 %, что при Z = 5 % одновременно соответствует относительной погрешности Sz = 10 %. Надежность оценивания занятости при наличии единственного сигнала в радиоканале на интервале измерений
Пусть на интервале Тт измерения занятости в канале может наблюдаться лишь единственный сигнал с длительностью TS =0,05-Тт, что соответствует занятости Z = 5 %. Убедимся, что для обеспечения надежности Pz = 100 % при равномерном размещении точек контроля на оси времени достаточно выполнять лишь Jm 200 измерений.
Действительно, при периоде проверки состояния канала, определяемом (3.5), на интервале Ts действия сигнала будут располагаться либо
Для Jm 200 максимальная абсолютная погрешность, реально достигаемая в соответствии с (3.21), составляет AZ І = 0,005, что и соответствует относи max тельной погрешности в 10 %. Отметим также, что при Jm 600 из (3.21) получаем AZ I = 0,00167 , что (при Z = 5 %) соответствует относительной погреш max ности менее чем в 3,5 % (при 100%-ной надежности).
Надежность оценивания занятости при двенадцати сигналах в канале на интервале измерений Пусть теперь на интервале Тт располагаются 12 радиоимпульсов одинаковой длительности rs = 0,00417 Тт, что вновь соответствует занятости Z = 5 %. При числе точек контроля 485 Jт 715 длительность радиоимпульсов остается больше интервала контроля Trv aw, так что каждый импульс в зависимости от положения по отношению к «сетке» точек контроля будет представлен либо двумя S =т IT =int[0,00417-J 1 = 2, либо тремя S =т IT =
Рассмотрим подробнее случай Jm =600, при котором оба варианта группирования точек будут равновероятными. Общее число регистрируемых случаев активности Sact может в анализируемой ситуации изменяться от Sact mn = 12 2 = 24
до Sact max = 12 3 = 36. В опытах, где величина Sact будет находиться в диапазоне от 27 до 33, получаемая в соответствии с (3.2) оценка занятости будет умещаться в пределы ±10 % -ной относительной погрешности. Вероятность же получения 24 ас1 26 или 34 ас1 36 может быть вычислена по правилу
Здесь С соответствует к случаям фиксации пар активных состояний при наблюдении очередного из 12 радиоимпульсов.
Итак, при той же занятости Z = 5 %, что и в случае из п. 3.6.2, и при таком же числе точек контроля состояния канала Jт = 600 оценка занятости Z хотя и удовлетворяет требованиям документов [79, 82], но, всё же, уже с вероятностью почти в 4 % может отклоняться от истинного значения Z более чем на ±10 % относительной погрешности.
Оценивание занятости при нескольких десятках сигналов на интервале измерений
Пусть, наконец, на интервале Тт размещаются 80 радиоимпульсов одинаковой длительности TS = 6,25 -10 4 -Тт, что вновь дает Z = 5 %. При Jт =600 интервал контроля состояния канала составит Trv «1,67-10 3 Тт. При этом любой из импульсов будет представлен не более чем единственным состоянием активности, а с вероятностью Pmss = 1 - TS I Trv « 62,5 % будет просто пропущен!
Означает ли это, что выполнить оценку занятости теперь уже невозможно?
Пренебрегая вероятностью взаимного наложения радиоимпульсов и полагая случаи «обнаружения» импульсов независимыми, для математического ожидания числа случаев активности Sact получаем
Таким образом, среднее значение оценки занятости остаётся несмещенным. Объясняется это тем, что хотя часть радиоимпульсов будет реально пропускаться, остальные, по сути, будут учитываться не как обладающие длитель 225 ностью TS , а как имеющие протяженность Trv, что и компенсирует предыдущий эффект.
Для анализа качества оценки занятости в новых условиях учтем, что соответствующие относительной погрешности в ±10 % результаты будут получаться лишь при числе обнаруженных сигналов, лежащем в диапазоне от 27 до 33. Реальное число обнаруженных сигналов будет случайной величиной, подчиняющейся биномиальному распределению. Учитывая, однако, что при достаточно большом общем числе обнаруживаемых импульсов п = 80 это распределение может быть аппроксимировано нормальным, для надежности оценки получаем расчетное выражение
Оптимизация процедуры пеленгования источников радиосигналов, использующих сигналы с ППРЧ, корреляционным интерферометром
Для задачи обнаружения ППРЧ сигналов сравнительно проблематичным является определение критерия, по которому принимается решение, что “ППРЧ-сигнал обнаружен”. Так как о свойствах обнаруживаемого сигнала известно лишь, что он много раз в секунду меняет рабочую частоту, а иных априорных данных нет, то в качестве подобного критерия условимся использовать регистрацию в контролируемом диапазоне частот нескольких (не менее 3) ЧП. При этом, конечно, остается открытым вопрос о том, принадлежат ли эти позиции одному ИРИ или нескольким, возможно работающим независимо друг от друга, однако сам факт использования метода программной перестройки рабочей частоты для передачи информации считается установленным, а наличие ППРЧ-сигнала - обнаруженным.
Для понимания приведенных ниже кривых полезно учесть следующие факты:
1. При прочих равных условиях на характеристики обнаружения ППРЧ-сигналов влияет не столько конкретная, в герцах, ширина просматриваемого диапазона частот, сколько количество полос одновременного анализа панорамного приёмника L, покрывающих контролируемый диапазон частот. Единственным исключением служит ситуация, когда из-за расширения полосы одновременного анализа (при фиксированном числе отсчетов N на полосу) число от 291 счетов спектра, представляющего ППРЧ-сигнал, столь уменьшается, что это влечет резкое снижение вероятности правильной фиксации спектрального всплеска. Если же разрешение спектра по частоте для сравниваемых вариантов обнаружения сопоставимо, то уменьшение количества L подлежащих анализу частотных полос однозначно соответствует повышению вероятности обнаружения ППРЧ-сигнала.
2. При принятом выше критерии обнаружения ППРЧ-сигнала число М задействованных ЧП влияет на характеристики обнаружения достаточно слабо. Действительно, увеличение М означает, что каждая позиция используется реже и выявить ее значительно сложнее. Таким образом, время, необходимое для выявления всех позиций ППРЧ-сигнала с увеличением М растет в геометрической прогрессии. Вместе с тем, для обнаружения факта применения ППРЧ выявлять все позиции не требуется, достаточно обнаружить по крайней мере 3 используемые позиции, а обнаружить хоть какие-то 3 позиции из возрастающего количества М - все легче и легче. Противодействуя друг другу, две упомянутые тенденции приводят к тому, что изменение М в широких пределах слабо сказывается на характеристиках обнаружения ППРЧ-сигналов.
3. Общая длительность передачи сообщения ППРЧ-сигналом Тс и продолжительность использования ППРЧ-сигналом отдельной частотной позиции тизл1 (данный параметр не включает 10%-й защитный интервал на перестроение) безусловно сказываются на итоговой вероятности его обнаружения, но влияние этих параметров однотипно для любой используемой аппаратуры и любых методов обнаружения, поэтому для построения характеристик не требуется выбирать какие-либо особенные значения величин Тс и тизл1.
4. Выше (п. 4.2.5) было установлено, что оптимальным для обнаружения является использование значений R = 3... 6, поэтому при исследовании характеристик обнаружения будет использоваться R = 4.
5. Все прочие параметры, такие как время взятия отдельной выборки твыб, время перестроения приемника с частоты на частоту тперестр и число используемых параллельно каналов обнаружения, жестко связаны с производительностью системы (4.3).
В соответствии с приведенными выше фактами эффективность обнаружения ППРЧ сигнала определяется в первую очередь интенсивностью обнаруживаемого сигнала и производительностью g используемой системы РК, а также критерием фиксации частоты в качестве ЧП сигнала ППРЧ. Ниже приведено два набора характеристик обнаружения ППРЧ-сигнала в диапазоне шириной 2 ГГц. Первый набор (рис. 4.5) ориентирован на надежный метод выявления ЧП, предполагающий фиксацию не менее чем 2 кратковременных спектральных всплесков на одной и той же частоте за время Тс излучения ППРЧ-сигнала. Альтернативные характеристики обнаружения (рис. 4.6) отличаются тем, что за ЧП сигнала ППРЧ принимаются даже однократно зафиксированные кратковременные спектральные всплески с ожидаемой шириной спектра.
Анализ полученных кривых показывает, что при проведении поиска в широком диапазоне частот рассчитывать на обнаружение кратковременных ППРЧ-сигналов можно только при использовании систем РК с высокой и сверхвысокой производительностью [2]. Для систем РК с меньшей производительностью вероятность обнаружения кратковременных ППРЧ-сигналов не превышает 30% даже при оптимальном выборе параметров обнаружения.
Рекомендовать в качестве критерия фиксации ЧП двух- и более кратное появление спектрального всплеска на некоторой частоте можно лишь при использовании систем РК со сверхвысокой производительностью; целесообразнее фиксировать ЧП по первому же всплеску спектральной активности с последующей перепроверкой найденного набора частот.
Мощные сигналы наиболее эффективно обнаруживаются по независимо обрабатываемым спектральным выборкам, а сигналы меньшей интенсивности -по усредненному спектру. Учитывая, что достигаемый за счет отказа от накопления спектров выигрыш в вероятности обнаружения мощных сигналов незначителен, а для слабых сигналов использование усреднения принципиально важно, рекомендуется производить по усредненному спектру, накапливаемому за R = 3... 6 независимых выборок.
