Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей построения и использования информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 16
1.1 Потребности органов управления МЧС России в услугах беспроводной связи и способы их удовлетворения 16
1.1.1 Обобщенная характеристика условий обеспечения связи в интересах органов управления МЧС России 16
1.1.2 Организация связи при чрезвычайных ситуациях 25
1.1.3 Организация беспроводной связи в интересах МЧС России средствами конвенциальных и транкинговых сетей радиосвязи 29
1.1.4 Организация беспроводной связи в интересах МЧС России средствами сотовых сетей радиосвязи 36
1.2 Анализ особенностей построения информационных систем, при меняемых в системах управления МЧС России 41
1.2.1 Примеры информационных систем в интересах органов управления МЧС России 41
1.2.2 Анализ информационной системы территориального органа МЧС России на базе комплекса АРМ-ГИС 47
1.2.3 Принципы построения информационных систем МЧС России, обеспечивающих выполнение предъявляемых к ним требований 54
1.3 Анализ проблем создания информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 62
1.3.1 Сравнительный анализ методов планирования беспроводных сетей связи 62
1.3.2 Автоматизация планирования беспроводных сетей связи с использованием геоинформационных технологий 69
1.3.3 Обобщенная модель использования информационной системы планирования беспроводной сети связи в интересах органов управления МЧС России 74
1.4 Выводы по первому разделу 80
2 Математические модели информационных процессов анализа качества обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 82
2.1 Обработка информации о качестве покрытия территории обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 83
2.1.1 Параметры сигналов на входе базовой станции и абонентского терминала 83
2.1.2 Методика расчета конфигурации зон покрытия с учетом влияния рельефа местности 85
2.1.3 Методика уточнения конфигурации зон покрытия с учетом влияния диаграмм направленности антенн 96
2.1.4. Методика калибровки моделей распространения радиоволн 105
2.2 Обработка информации о качестве обслуживания территории обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 108
2.2.1 Методика расчета конфигурации зон обслуживания с учетом пространственного распределения входящей нагрузки. 109
2.2.2 Математические модели процесса обслуживания абонентов в зоне покрытия отдельной базовой станции 112
2.2.3 Методика формирования матрицы удельной нагрузки в зоне обслуживания беспроводной сети связи 116
2.2.4 Методика калибровки модели трафика 120
2.3 Уточнение конфигурации зон покрытия и обслуживания с учетом взаимных помех 124
2.3.1 Модель взаимного влияния сигналов базовых станций и абонентских терминалов 124
2.3.2 Методика уточнения конфигурации зон покрытия с учетом заданной расстановки частот 131
2.3.3 Методика уточнения конфигурации зон обслуживания с учетом заданной расстановки частот 134
2.3.4 Отличительные особенности расчета конфигурации зон покрытия и обслуживания при планировании беспроводных сетей связи с кодовым разделением каналов доступа 139
2.4 Выводы по второму разделу 145
3 Оптимизация информационных процессов обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 147
3.1 Оптимизация информационных процессов поиска рациональных способов построения беспроводных сетей связи в интересах органов управления МЧС России 147
3.1.1 Уточнение постановки задачи и обобщенный алгоритм ее решения 147
3.1.2 Оценка сложности решения задачи 152
3.1.3 Способы оптимизации информационных процессов синтеза структуры беспроводных сетей связи на основе геоинформационных технологий 155
3.2 Методы оптимизации промежуточных вычислений 160
3.2.1 Декомпозиция общей задачи на последовательность более простых частных задач 161
3.2.2 Методы ускорения расчетов за счет использования граничных оценок исходных данных и промежуточных результатов 164
3.2.3 Методы сокращения количества перебираемых вариантов расстановки частот 175
3.3 Предложения по реализации разработанных элементов информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 187
3.3.1 Построение информационной системы обеспечения бес проводной связью органов управления МЧС России на базе специализированных программных комплексов планирования связи 187
3.3.2 Реализация упрощенных методов расчета беспроводных сетей связи специального назначения в учебной информационной системе NetSw 195
3.3.3 Реализация элементов информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России на базе программного комплекса ONEPLAN RPLS 203
3.3.4 Примеры использования программно реализованных элементов информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России 212
3.4 Выводы по третьему разделу 222
Заключение 224
Список использованных источников 226
Приложение А. Описание обобщенной модели беспроводной сети связи специального назначения 233
- Обобщенная характеристика условий обеспечения связи в интересах органов управления МЧС России
- Методика расчета конфигурации зон покрытия с учетом влияния рельефа местности
- Уточнение постановки задачи и обобщенный алгоритм ее решения
- Примеры использования программно реализованных элементов информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России
Введение к работе
Актуальность темы. Среди телекоммуникационных систем, обеспечивающих функционирование распределенных в пространстве информационных систем (ИС) органов управления МЧС России, важную роль играют беспроводные сети связи (БСС). Именно на БСС возлагаются обычно задачи своевременного обмена актуальной информацией между любыми местами расположения должностных лиц (ДЛ) и (или) технических средств (ТС) ИС МЧС, в том числе, и в движении. Причем использоваться БСС могут как в повседневной обстановке, так и в особых условиях, в частности, в ходе ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС) в районах с полностью или частично разрушенной местной телекоммуникационной инфраструктурой.
В роли средств БСС в интересах органов управления МЧС России могут использоваться как традиционные штатные средства радиосвязи, так и средства различных сетей беспроводного доступа, включая транкинговые и сотовые сети связи, других ведомств и коммерческих организаций.
Так, законодательством Российской Федерации предусмотрено, что во время стихийных бедствий, карантинов и других чрезвычайных ситуаций, органы управления, занимающиеся их ликвидацией, имеют право на приоритетное использование любых сетей и средств связи независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности.
Известно, что связь - это основной технический элемент обеспечения устойчивого управления. Однако вопросам организации и обеспечения непрерывной связи на всех этапах проведения мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций и гражданской обороны уделяется пока не достаточно внимания. В частности среди известных информационных систем, используемых в интересах органов управления МЧС России, в настоящее время отсутствуют специализированные информационные системы обеспечения указанных органов управления надежной беспроводной связью. В то же время для планирования БСС коммерческих организаций, которые могут использоваться в интересах органов управления МЧС России, применяются подобные специализированные ИС планирования связи, построенные на базе геоинформационных технологий (ГИТ). Подобные коммерческие ИС позволяют достаточно точно прогнозировать качество радиосвязи на обширной территории и предоставляют информационную поддержку принятия решений по обеспечению заданных требований к связи. Однако вопросы использования указанных
ИС для планирования БСС в интересах органов управления МЧС России в достаточной степени не проработаны ни теоретически, ни практически.
Целью работы является повышение эффективности планирования беспроводных сетей связи в интересах органов управления МЧС России за счет использования специализированных информационных систем.
Объект исследования — информационные системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России.
Предмет исследования - информационные процессы, модели, методы, методики и программные средства решения задач планирования связи с целью использования в информационных системах обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России.
Научная задача, решаемая в диссертационной работе, заключается в разработке моделей, методов и методик обработки информации в информационных системах обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России при решении задач планирования связи с использованием геоинформационных технологий.
В рамках указанной основной научной задачи, в работе поставлены и решены следующие частные научные задачи:
Анализ потребностей органов управления МЧС России в услугах беспроводной связи и способов их удовлетворения штатными средствами конвенциональной радиосвязи, а также средствами вневедомственных транкинго-вых и сотовых сетей связи.
Анализ принципов построения информационных систем МЧС России и методов планирования беспроводных сетей связи с использованием геоинформационных технологий.
Разработка модели использования информационных систем планирования беспроводных сетей связи в интересах органов управления МЧС России.
Разработка методики формирования конфигурации зон покрытия с использованием настраиваемых моделей распространения радиоволн (РРВ) с учетом влияния рельефа местности и диаграмм направленности антенн.
Разработка методики формирования конфигурации зон обслуживания с использованием настраиваемых моделей трафика и матрицы удельной нагрузки с учетом заданных процессов обслуживания абонентов.
Разработка методики уточнения конфигурации зон покрытия и обслуживания с учетом взаимных помех при заданной расстановке частот и при использовании кодового разделения каналов доступа.
Разработка обобщенного алгоритма решения задачи синтеза сети беспроводной связи и оценка сложности ее решения.
Разработка методов снижения сложности решения задачи синтеза беспроводной сети связи за счет ее декомпозиции на более простые задачи и за счет использования граничных оценок исходных данных и промежуточных результатов.
Разработка предложений по реализации упрощенных методов расчета беспроводных сетей связи специального назначения на базе граничных оценок в учебной информационной системе.
10. Разработка предложений по реализации разработанных элементов
информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управ
ления МЧС России на базе специализированных программных комплексов
планирования связи.
Методы исследования. Для исследований в работе использовались методы системного анализа, теории вероятности, теории массового обслуживания, математической статистики, комбинаторики и математического программирования.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Обобщенная модель использования информационной системы планирования беспроводной сети связи в интересах органов управления МЧС России.
Методики обработки информации о качестве обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России на заданной территории.
3. Методы оптимизации информационных процессов поиска рацио
нальных способов построения беспроводной сети связи в интересах органов
управления МЧС России.
4. Предложения по реализации и использованию элементов информаци
онной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС
России на базе специализированных программных комплексов планирования
связи.
Научная новизна полученных результатов:
Обобщенная модель использования информационной системы планирования беспроводной сети связи в интересах органов управления МЧС России отличается согласованным учетом данных о параметрах планируемой сети и показателей информационных процессов обработки этих данных при решении задач анализа и синтеза БСС с помощью указанной информационной системы.
Методики обработки информации о качестве обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России на заданной территории отличаются использованием настраиваемых аналитических моделей распространения радиоволн и обслуживания абонентского трафика, параметры которых представляют собой специальные матричные карты.
3. Методы оптимизации информационных процессов поиска рацио
нальных способов построения беспроводной сети связи в интересах органов
управления МЧС России отличаются использованием граничных оценок рас
считываемых параметров и учетом их логической взаимосвязи для декомпози
ции общей сложной задачи обеспечения заданного качества связи на частные
более простые задачи обеспечения покрытия, обслуживания и электромагнит
ной совместимости (ЭМС).
4. Предложения по реализации и использованию элементов информаци
онной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС
России на базе специализированных программных комплексов планирования
связи отличаются программными модулями, разработанными в соответствии с
предлагаемыми моделями, методами и методиками обработки информации.
Обоснованность научных результатов обеспечивается строгим использованием общепринятого математического аппарата и логичными умозаключениями на основе общеизвестных фактов.
Достоверность научных результатов подтверждается корректностью постановки задачи и используемого математического аппарата, экспериментальными доказательствами основных положений работы и практической апробацией предложенных моделей и методов на реальных данных при решении практических задач.
Научно-практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные в диссертации элементы информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России реализованы в специализированных программных средствах планирования беспро-
водных сетей связи. Использование программно реализованных элементов предлагаемой информационной системы позволяет существенным образом повысить достоверность прогнозируемого качества связи и сократить время принятия решений на построение БСС с заданным качеством связи в интересах органов управления МЧС России.
Практическая значимость. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке новых специализированных информационных систем обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России, а также при использовании существующих информационных систем МЧС России (например, комплекса автоматизированных рабочих мест территориальных органов управления АРМ-ГИС) совместно с программным обеспечением планирования беспроводных сетей связи взаимодействующих ведомств и коммерческих организаций.
Результаты диссертационного исследования реализованы в Военной академии связи (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском морском техническом университете, в Российском государственном университете им. И.Канта (г. Калининград), в ООО «Инфотел» (г. Санкт-Петербург), в ОАО «Вымпелком», а также в главном управлении МЧС России по Калининградской области.
Апробация исследования. Научные результаты, полученные в ходе исследований, докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры автоматики и сетевых технологий Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, а также на следующих научно-практических конференциях:
XXXIX научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов КГУ. Калининград, апрель 1998 г.;
2-й отраслевой конференции аспирантов и соискателей «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров». Калининград, апрель 1999 г.;
VIII научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, октябрь 2008 г.;
региональной научно-технической конференции «Региональная информатика-2008», Санкт-Петербург, ноябрь 2008 г.;
международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, ноябрь 2008 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 10 печатных публикаций, в том числе статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников (101 наименование) и приложения; содержит 243 страницы, в том числе 64 рисунка и 8 таблиц.
Обобщенная характеристика условий обеспечения связи в интересах органов управления МЧС России
В течение двух последних десятилетий на территории России сформировалась Единая государственная (первоначально именуемая «Российская..») система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС), порядок организации и функционирования которой определяется соответствующим положением, последняя редакция которого была утверждена постановлением правительства РФ № 794 от 30.12.2003 г. [53].
РСЧС объединяет органы управления, силы и средства федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления и организаций, в полномочия которых входит решение вопросов в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, и осуществляет свою деятельность в целях выполнения задач, предусмотренных Федеральным законом «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
РСЧС включает функциональные и территориальные подсистемы, действующие на федеральном, региональном, территориальном, местном и объектовом уровнях.
Организация, состав сил и средств функциональных подсистем, а также порядок их деятельности определяются положениями о них, утверждаемыми руководителями федеральных органов исполнительной власти по согласованию с Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России).
На каждом уровне РСЧС создаются координационные органы, постоянно действующие органы управления, органы повседневного управления, силы и средства, резервы финансовых и материальных ресурсов, системы связи, оповещения и информационного обеспечения.
Постоянно действующими органами управления являются:
- на федеральном уровне - Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, структурные подразделения федеральных органов исполнительной власти, специально уполномоченные решать задачи в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;
- на региональном уровне - региональные центры по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (далее - региональные центры); на территориальном и местном уровнях - соответствующие органы, специально уполномоченные решать задачи гражданской обороны и задачи по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на территориях субъектов Российской Федерации и территориях муниципальных образований (далее - органы управления по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям);
- на объектовом уровне - структурные подразделения или работники организаций, специально уполномоченные решать задачи в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций.
Органами повседневного управления являются:
- центры управления в кризисных ситуациях, информационные центры, дежурно-диспетчерские службы федеральных органов исполнительной власти;
- центры управления в кризисных ситуациях региональных центров;
- центры управления в кризисных ситуациях органов управления по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям, информационные центры, дежурно-диспетчерские службы территориальных органов федеральных органов исполнительной власти;
- единые дежурно-диспетчерские службы муниципальных образований;
- дежурно-диспетчерские службы организаций (объектов);
К объектовому уровню можно также отнести районные отделы пожарного надзора и отряды противопожарной службы, а к верхним уровням -различные комиссии по ЧС (КЧС).
Как следует из вышесказанного, МЧС России является одним из основных постоянно действующих органов управления РСЧС. При этом многие собственные органы управления МЧС России фактически выполняют функции органов повседневного управления РСЧС.
В частности, в соответствии с приказом МЧС России № 372 от 06.08.2004г. было утверждено Положение о территориальных органах МЧС России, специально уполномоченных решать задачи гражданской обороны и задачи по предупреждению и ликвидации ЧС по субъекту РФ. В соответствии с приказом МЧС России № 545 от 27.09.2006 г. был создан главный орган повседневного управления МЧС России - Национальный центр управления в кризисных ситуациях (НЦУКС) МЧС России. На региональном уровне к органам управления МЧС России относятся региональные центры, управления ГО и ЧС, управления и отделы государственной противопожарной службы (УГПС и ОГПС) и др.
Основными задачами МЧС России являются [84]:
1) выработка и реализация государственной политики в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности, а также безопасности людей на водных объектах в пределах компетенции МЧС России;
2) организация подготовки и утверждения в установленном порядке проектов нормативных правовых актов в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах;
3) осуществление управления в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности, безопасности людей на водных объектах, а также управление деятельностью федеральных органов исполнительной власти в рамках единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций;
4) осуществление нормативного регулирования в целях предупреждения, прогнозирования и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций и пожаров, а также осуществление специальных, разрешительных, надзорных и контрольных функций по вопросам, отнесенным к компетенции МЧС России; 5) осуществление деятельности по организации и ведению гражданской обороны, экстренному реагированию при чрезвычайных ситуациях, защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций и пожаров, обеспечению безопасности людей на водных объектах, а также осуществление мер по чрезвычайному гуманитарному реагированию, в том числе за пределами Российской Федерации.
Размещение органов управления МЧС России в зависимости от обстановки осуществляется на стационарных или подвижных пунктах управления, оснащаемых техническими средствами управления, средствами связи, оповещения и жизнеобеспечения, поддерживаемых в состоянии постоянной готовности к использованию.
Непосредственно в ходе ликвидации ЧС взаимодействующие органы управления, решая совместные задачи, должны [72]: контролировать обстановку в зоне чрезвычайной ситуации и постоянно уточнять данные о ней; обеспечивать выполнение совместно проводимых мероприятий; поддерживать между собой непрерывную связь и осуществлять взаимную информацию; согласовывать вопросы управления, разведки и всех видов обеспечения.
При необходимости, взаимодействующие органы управления могут высылать друг к другу оперативные группы (представителей) и обмениваться необходимыми документами по управлению действиями привлекаемых сил.
На основании вышесказанного в таблице 1.1 представлен в структурированном виде обобщенный состав потребителей инфокоммуникационных услуг в лице органов постоянного и повседневного управления.
Устойчивость управления в чрезвычайных ситуациях в решающей степени определяется наличием постоянно действующей связи.
В целях обеспечения управления в системах управления РСЧС в каждом субъекте Российской Федерации (муниципальном образовании) создаются системы связи, которые являются составной частью системы управления.
Методика расчета конфигурации зон покрытия с учетом влияния рельефа местности
Как следует из общей постановки задачи в 1.3.3, первоочередным условием допустимости значений варьируемых параметров структуры БСС МЧС является обеспечение требуемого уровня сигнала с вероятностью Рс Рсво всех местах возможного размещения AT или, как минимум, на территории, относительная площадь которой составляет величину К)ЮК К пок,.
На основании выбранного матричного представления земной поверхности на ЦКМ будем считать заданными размеры Лх=Ау—Л и площадь элементарной квадратной площадки (клетки) g=(Axy)2. Заданию обслуживаемой территории на ЦКМ соответствует задание (средствами СГИС) множества координат {X, Y } всех элементарных площадок, попадающих в заданную область. При этом матричный формат ЦКМ предполагает запоминание не координат соответствующих площадок, а признаков принадлежности к об 86 служиваемой территории 7 , x=l,..,Nx, y=\,..,Ny, каждой отдельной клетки матрицы размером Nx х Ny, охватывающей всю заданную территорию. т.е.
Аналогичным образом, т.е. в виде матрицы соответствующих признаков покрытия, т.е. выполнения требований к уровню сигналов в пределах различных элементарных площадок, могут быть обозначены результаты расчета конфигурации зон покрытия отдельными БС {Піху}, i=J,..,n6c или всеми БС сети {77 }.
Для формирования указанных матриц (цифровых карт) покрытия необходимо знать уровни сигналов, результаты расчета которых для соответствующих элементарных площадок, могут быть представлены в виде матрицы (цифровой карты) медианных уровней напряженности электромагнитного поля (ЭМП) {Емху} или медианных мощностей сигналов {Рсиг.м.ху}, связанных известным соотношением [36]: где Рсиг.м.лу медианная мощность (Вт) сигнала в клетке с координатами {х,у}; Елиху - медианный уровень напряженности ЭМП (В/м) в том же месте; С - скорость света (3 10 км/с); GnpM - коэффициент усиления приемной антенны;/- частота сигнала (Гц).
Как следует из (2.4), при использовании различных приемных антенн различными AT для экономии памяти целесообразно хранить общую для них матрицу медианных уровней ЭМП.
Имея карту уровней сигнала от каждой /-й БС {РСиг.м.ш) и зная требуе-мое значение медианного уровня Р сигм (см.п.2.1.1), можно сформировать карту покрытия данной БС следующим образом:
В ряде случаев, когда энергетический потенциал радиолинии AT— БС меньше, чем энергетический потенциал радиолинии БС—»АТ, при заполнении матрицы покрытия (2.3) следует учитывать выполнение требований к уровню сигнала на входе приемника БС, а не AT. При этом вследствие независимости ослабления радиоволн от направления связи достаточно величину уровня сигнала Рсиг.м.ілу помножить на поправочный коэффициент, равный отношению эффективных мощностей передатчиков AT и БС.
Расчет карты покрытия всеми БС сети {П } может быть выполнен путем поэлементного логического сложения (или дополнения к произведению обратных значений) карт покрытия отдельных БС {П }, і 1,..,Пбс:
Для формирования описанных выше карт уровней сигналов и карт покрытия необходимо в общем случае решить первое уравнение передачи по Пбс раз для каждой клетки обслуживаемой территории, т.е. в худшем случае rifcNxNy раз. Следовательно, затраты времени на однократное решение данного уравнения передачи выступают коэффициентом пропорциональности общих временных затрат. На величину данных временных затрат в значительной степени влияют используемые методики расчета ослабления радиоволн, учитывающие различные исходные данные о рельефе местности и, соответственно, отличающиеся точностью расчетов.
Первым представителем первого класса моделей РРВ является метод самого грубого расчета ослабления радиоволн, учитывающий только их рассеяние в свободном пространстве: сиг.м.і.ху прд.і прд.і.ху где Gnpd.i.xy — коэффициент усиления /-й БС в направлении на клетку {х,у}; Rixv - расстояние от /-й БС до клетки {х,у}; С- скорость света (3 108км/с);/-частота сигнала (Гц).
Использование формул (2.8) или (2.9) оправдано при небольших зонах покрытия БС и в низкочастотных диапазонах волн, когда влияние кривизны земли и рельефа местности на ослабление радиоволн невелико. Данную модель РРВ целесообразно использовать также в качестве верхней оценки уровня мешающих сигналов (на наихудший случай) или в качестве контрольных расчетов для сравнения с результатами расчетов по другим моделям, а также в качестве одной из составляющих более точных методик.
Другим примером грубой методики может служить методика, учитывающая кривизну земли в виде пороговой оценки максимального расстояния Rne прямой видимости антенны AT из электрического центра антенны БС, дальше которого уровень сигнала принимается равным нулю: где К,- - коэффициент учета рефракции (для типовых условий Кг=4.12).
Выражение (2.10) удобно использовать сразу для формирования карты покрытия, поскольку об уровне сигнала в данном случае можно судить только дискретно (большой -» маленький) на границе расстояния прямой видимости. Целесообразно использовать модель (2.10) в качестве ограничения по дальности условий применимости модели (2.8) и (2.9).
Более точно зависимость уровня сигнала от расстояния между AT и БС можно определить по статистическим моделям РРВ, учитывающим усредненное влияние рельефа местности и наземных объектов на основании большого количества реальных измерений в различных регионах. Наиболее известной методикой, опирающейся на подобную модель, является модель Окамура-Хата [95, 99], основу которой составляет формула расчета усредненных потерь в условиях городской застройки: Lm = 69.55+26Л6-1ё( мгц])-13.82-1ё(/2э[м])- +(44.9+6.55.1ё(/7э[м])) 1(/?), (2.11) где кэ — эквивалентная высота БС, превышающая усредненную высоту рельефа в направлении анализируемой трассы в пределах 3-15 км; а — поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны ПО при различной частоте и типе города (средний / большой). Например, для городской застройки
Рассчитав коэффициент потерь LLxy по формуле (2.11) между z -й БС и AT в клетке {х,у} можно определить уровень сигнала в данной клетке:
Формула (2.11) считается справедливой для ограниченного диапазона расстояний, высот и диапазона частот. Для других условий существует множество модификаций модели (2.11). В целом же подобные статистические модели так же, как и модели (2.8)-(2.10), не чувствительны к реальному рельефу местности в различных направлениях от БС. В случае использования антенн БС с круговой диаграммой направленности зоны покрытия БС, рассчитанные по формулам (2.8)-(2.13) имеют форму круга. При этом радиусы данных кругов Ri, Ri, R3, рассчитанные, соответственно, по обратным формулам (2.9), (2.10) и (2.11), как правило, связаны соотношением
Уточнение постановки задачи и обобщенный алгоритм ее решения
В соответствии с материалом, изложенном в пункте 1.3.3, решаемая в ИС БСС при планировании связи задача оптимизации структуры сети с учетом дополнительных элементов формализации математических моделей информационных процессов, рассмотренных во втором разделе, может быть сформулирована следующим образом:
Дано:
Фиксированные исходные данные о требованиях к связи (Qmp)i {X , У } - множество возможных мест размещения абонентов БСС, заданное в виде матрицы размером NxxNy (для упрощения выражений будем также использовать обозначения: X=NX, Y=Ny) признаков принадлежности к обслуживаемой территории {Г }, 1 є{0,1} элементарных квадратных площадок площадью g и стороной Аху = [д, {Рху} - матрица значений удельной нагрузки, приходящейся на отдельные элементарные площадки; Р с — требуемая вероятность обеспечения вероятности ошибки не более допустимой величины Р ош; Р к - требуемая вероятность предоставления каналов связи по запросу ПА в течение времени, не превышающего допустимую величину t ож\
К пок — требуемый коэффициент покрытия, характеризующий минимальную допустимую часть S n0K / ScyM суммарной площади ScyM возможных мест размещения AT {X, Y } на всех площадках которой обеспечивается электромагнитная доступность хотя бы одной БС (т.е. РС Р с);
К обе требуемый коэффициент обслуживания, характеризующий минимальную допустимую часть р 0бс / Реум суммарной нагрузки рсум, исходящую из тех мест размещения подвижных абонентов {X ,Y }, в которых выполняются требования к качеству связи и обслуживания РС Р сиРк Р &
Фиксированные исходные данные о ФГУ (U):
{Нкху} — матрица высот рельефа местности в пределах элементарных квадратных площадок, полностью охватывающая множество {X, Y } и являющаяся одним из слоев цифровой карты местности ;
Фиксированные исходные данные о доступных ресурсах (К щ):
{На,бс} — множество возможных высот антенн БС;
{Ga.oc} — множество возможных типов и ориентации антенн БС;
{Намс} - множество возможных высот антенн МС (ПО);
{Ga.uc} — множество возможных типов и ориентации антенн БС;
пк.тах максимальное количество частотных каналов БС;
{Вбс} - множество возможных энергетических потенциалов БС ;
{Впо} - множество возможных энергетических потенциалов МС (ПО);
{F} — множество значений возможных рабочих частот.
{X во Y БС} - множество возможных мест размещения БС, включающее в себя множество {X, Y } и превышающее его на величину площади окружающей полосы, шириной Rmax, соответствующей максимальной дальности прямой видимости (см. п.2.1.2). При этом размерность матрицы XPcxYpc , полностью охватывающей множество {XPC,YРС], превышает размерность XxYua. величину RXY 2 [Rmax/kxy ];
Варьируемые параметры (расходуемые ресурсы) (УєУ ):
N - количество БС (для упрощения выражений будем использовать обозначение: N = n6c), причем N eN, где N- множество возможных значений N= {Nmin ...,N,nax} с: {!,...,ос};
{хиУі} є {X БО Y БС} - координаты размещения БС;
{F{} - частотный план сети БС, Ft ={Fj,..,Fnti } єF, Vi=l...N;
{На,бс,і} є {На_бс} — высоты антенн БС;
{Ga.6c.i} є {Ga.Qc} — типы и ориентация антенн БС;
{nKj} — количество частотных каналов БС, пкЛ пк,_тах;
Контролируемые (промежуточные рассчитываемые) параметры (О):
{ЕмЛху} — матрицы (цифровые карты) медианных уровней напряженности электромагнитного поля от передатчиков различных БС;
{Рмл.ху} — матрицы (цифровые карты) медианных уровней мощности сигналов на входе МС от передатчиков различных БС;
{Піху} — матрицы (цифровые карты) покрытия отдельных БС;
Кпок - коэффициент покрытия;
{pi} - нагрузка на отдельные БС;
{Oi.xy} — матрицы (цифровые карты) обслуживания отдельных БС;
Кпок - коэффициент обслуживания;
Задача Найти:
N min - минимальное количество БС и оптимальные значения варьируемых параметров (V eVdonl {х І, у 1} — координаты размещения БС;
{F І } - частотный план;
{Н а_бсЛ } - высоты антенн БС;
{G авсі} -типы и ориентация антенн БС;
{п кЛ} - количество частотных каналов БС. при которых выполняются требования (О єОтрУі
Как уже отмечалось в пункте 1.3.3, рассматриваемая оптимизационная задача в общем случае может быть решена только итерационным перебором возможных значений управляемых параметров с выполнением на каждой итерации процедуры проверки выполнения заданных требований (ограничений) [52]. Обобщенный алгоритм решения данной задачи оптимизации БСС при планировании связи представлен на рисунке 3.1.
Известно, что подобные итерационные алгоритмы могут потребовать очень много времени на поиск решения задачи. Поэтому перед реализацией данного алгоритма в ИС БСС МЧС целесообразно оценить сложность данного решения и наметить пути ее снижения.
Примеры использования программно реализованных элементов информационной системы обеспечения беспроводной связью органов управления МЧС России
В качестве примеров использования предлагаемых элементов ИС БСС в интересах органов управления МЧС России рассмотрим решение задач планирования сотовой связи в районах прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций на территории г.Калининграда. Данные районы были выбраны из демонстрации примеров использования АРМ-ГИС территориальных органов управления МЧС России [39] (см. п. 1.2.2). В данных приме-рах рассматриваются следующие варианты ЧС в трех выбранных районах:
Район 1. Пожар в котельной на ул.Нарвская.
Район 2. Взрыв газовоздушной смеси на ул. Гагарина.
Район 3. Авария на объекте с АХОВ на ул.Ялтинская.
На рисунке 3.26 приведены изображения интерфейса презентации АРМ-ГИС, демонстрирующие решение задач прогнозирования последствий указанных ЧС для данных трех районов.
На рисунке 3.27 приведены спутниковые фотографии местности в указанных районах. Для данных районов были поготовлены цифровые матричные карты с шагом 10 м в нужном формате для ПК ONEPLAN RPLS.
В настоящее время территория всех трех указанных районов входит в зону обслуживания сотовой сети связи общего пользования Билайн компании «Вымпелком». На рисунке 3.28 приведены фрагменты картографических интерфейсов ПК ONEPLAN RPLS, с подготовленными районами расчетов, совпадающими с районами прогнозирования последствий ЧС в АРМ-ГИС.
Как видно из рисунка 3.28, во всех трех районах присутствует достаточно большое количество БС сотовой связи (стандарта GSM), которые, следует полагать, в нормальных условиях справляются с абонентской нагрузкой от населения с требуемым качеством.
В результате ЧС возможны нарушения нормальных условий функционирования сотовой сети связи, последствия которых средствами ИС БСС с точки зрения качества связи можно прогнозировать, а также осуществлять информационную поддержку принятия решений о необходимой реконфигурации сети. К подобным нарушениям условий функционирования в результате ЧС можно отнести следующие факторы:
1) Возрастание нагрузки (информационного обмена), как от населения, так и от личного состава подразделений и органов управления МЧС России в зоне ликвидации последствий ЧС (при недостатке штатных средств).
2) Выход из строя части БС в результате ЧС.
3) Необходимость приоритетного предоставления дополнительных услуг БСС должностным лицам МЧС России (при недостатке возможностей штатных средств).
Результаты расчета карт покрытия в трех рассматриваемых районах до ЧС приведены на рисунке 3.29. Темно-синим цветом отмечены непокрытые участки с интерференцией (для наглядности отключено изображение зданий и леса). Результаты расчета обобщенных показателей качества покрытия и обслуживания, которые были предложены в п. 1.3.3, приведены в таблице 3.1.
В расчетах использовалась модель трафика со средней плотностью абонентов сотовой сети связи в г. Калининграде равной 500 аб/км , что со-ставляет примерно четверть плотности населения 1900 чел/км (согласно данным статистики). Средняя нагрузка от одного абонента задавалась равной 0.025 Эрл (1.5 мин/час). Соотношение плотности абонентов в зданиях и на открытой местности полагалось равным 5:1. Полный перечень характеристик модели трафика, отображаемый в соответствующем интерфейсном окне ПК ONEPLAN RPLS, показан на рисунке 3.30.
С точки зрения ресурсов сети предполагалось, что количество приемопередатчиков (TRX) в каждом секторе БС соответсвует секторной нагрузке с допустимой вероятностью отказов 2% (согласно рассмотренной ранее методике поэтапной оптимизации сетей 2G). Ресурс доступных частотных каналов (1...30) полагался равным примерно четверти всего диапазона частот стандарта GSM.
Как видно из таблицы 3.1, в нормальных условиях сеть сотовой связи во всех районах покрывает 98.42% ... 99.89% территории и обслуживает 97.8%...99.88%о входящей нагрузки (с учетом интерференции).
Кратковременное и локальное увеличение нагрузки в сетях сотовой связи стандарта GSM обычно компенсируется увеличением количества тра-фиковых каналов за счет снижения в 2 раза канальной скорости. Однако качество связи при этом может заметно снижаться. Другим рычагом борьбы с локальными перегрузками является передача обслуживания абонентов в соседние секторы, если их зоны покрытия в достаточной степени перекрываются. Однако если нагрузка возрастает в нескольких соседних секторах, то такой способ не даст заметного эффекта.
Менее оперативным, но достаточно эффективным является увеличение количества приемопередатчиков в секторах с возросшей нагрузкой. Однако наряду с очевидными экономическими затратами данный способ при неизменном ресурсе частот может привести к увеличению уровня взаимных помех (интерференции). Соответственно, именно данный способ нуждается в особо тщательном планировании связи средствами ИС БСС и именно в его реализации могут пригодиться рекомендации настоящей диссертационной работы.
На рисунке 3.31 приведены результаты расчета покрытия с учетом интерференции при возрастании нагрузки в рассматриваемых районах в 2 раза и выделении дополнительных приемопередатчиков при неизменном ресурсе из 30 частот, который был перераспределен с помощью быстрого алгоритма однократных последовательных назначений при фиксированной последовательности перебора секторов в порядке их нумерации (ЧТП-1).
На рисунке 3.32 приведены аналогичные результаты расчета покрытия с учетом интерференции при возрастании нагрузки, но при использовании более медленного алгоритма многократных последовательных назначений при различных последовательностях перебора секторов (ЧТП-2).
Обобщеные результаты расчета показателей качества покрытия и обслуживания при возросшей нагрузке после ЧС с учетом интерференции приведены в таблице 3.2.
