Исследование эффективности зоновой системы декаметровой радиосвязи

Повышение эффективности средств связи, входящих во взаимоувязанную систему связи Российской Федерации (ВСС РФ) имеет важное значение для обеспечения нормального функционирования экономики и обороноспособности страны. Это в полной мере относится и к декаметровой (ДКМ) радиосвязи, которая в некоторых областях применения является практически единственным средством связи.

Несмотря на быстрое развитие спутниковых, радиорелейных, сотовых, волоконно-оптических и других систем, обеспечивающих гораздо большие пропускную способность, надёжность и предоставляющих гораздо более широкий перечень услуг, системы ДКМ радиосвязи продолжают играть важную роль в решении различных хозяйственных и военных задач. Так, ДКМ радиосвязь широко используется в общегосударственных и ведомственных СС для управления воздушным движением, обеспечения связью морских судов, при передаче метеорологической информации, на железнодорожном транспорте. В ряде случаев системы ДКМ радиосвязи практически незаменимы, особенно при организации связи с малодоступными и отдаленными районами с малой плотностью населения и слабо развитой инфраструктурой.

Одной из наиболее важных и перспективных областей применения ДКМ радиосвязи является связь в условиях возникновения или приближения различного рода катастроф природного или техногенного характера (землетрясения, наводнения, пожары, сели, аварии на промышленных объектах и пр.). Подготовка к надвигающейся чрезвычайной ситуации (ЧС), эффективное проведение аварийных работ при ликвидации её последствий предполагает чёткое взаимодействие различных специальных служб и организаций. В этих условиях весьма действенными оказываются системы ДКМ радиосвязи, использование которых намного более экономически выгодно, чем спутниковых систем или средств метеорной радиосвязик тому же живучесть систем ДКМ радиосвязи, т. е. способность удовлетворительно выполнять свои функции в условиях частичных отказов, значительно превышает аналогичные показатели проводных, радиорелейных или даже спутниковых систем [11, 13, 18, 33].

Для полноценного использования ДКМ радиосвязи, предназначенной для обмена информацией в экстремальных условиях или близких к таковым, необходима реализация высокоэффективных адаптивных систем, способных обеспечить оперативную доставку сообщений при высоком качестве передачи. Одним из примеров таких систем может служить разработанная в конце 80-х — начале 90-х гг. принципиально новая концепция системы ДКМ радиосвязи, построенной по зоновому принципу, — зоновая си7 стема ДКМ радиосвязи (ЗСДР). Повышению эффективности ЗСДР посвящено большое количество научно-исследовательских работ, которые привели к появлению концепции построения общегосударственной сети связи для ЧС, основой которой является несколько территориально разнесённых ЗСДР с вынесенными ретрансляторами [34].

В то же время ряд важных системных вопросов, связанных с дальнейшим совершенствованием ЗСДР и адаптацией её применительно к сложным условиям функционирования в условиях ЧС, до сих пор остается нерешённым. Несмотря на существование и применение различных методов исследования эффективности ЗСДР практически не разработаны методики, пригодные для оценки эффективности применительно к условиям ЧС, открытым остаётся вопрос выбора наиболее общих критериев эффективности. Кроме того, отсутствуют результаты всестороннего исследования и получения точных количественных оценок процессов передачи информации в ЗСДР различной структуры, функционирующих при дестабилизирующих воздействиях. Остаются неизученными многие вопросы, касающиеся состава и параметров используемых при ЧС радиосредств, не определены возможности таких систем по обеспечению информационного обмена в условиях сложной сигнально-помеховой и информационной обстановки — количество абонентов в зоне, уровень поступающей нагрузки, объём передаваемой информации. Без решения этих задач невозможно практически реализовать преимущества систем ДКМ радиосвязи и внедрить результаты проведенных НИР.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможностей адаптивной ЗСДР различной структуры по обеспечению информационного обмена в условиях ЧС, разработке методов комплексной оценки эффективности таких систем и путей её повышения. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать тенденции развития современных систем ДКМ радиосвязи и существующие методы их исследования.

2. Разработать пригодную для исследования применительно к условиям ЧС методику оценки эффективности систем ДКМ радиосвязи, учитывающую интересы пользователей.

3. Разработать алгоритм функционирования ЗСДР применительно к условиям.

ЧС.

4. Проанализировать варианты построения ЗСДР с учётом специфики радиосредств, используемых при ЧС, и определить структуру сети, наилучшим образом отвечающую жёстким требованиям организации связи в экстремальных условиях. 8.

5. Исследовать возможные адаптационные механизмы, повышающие качество работы ЗСДР, и оценить условия их наиболее эффективного использования для систем различной структуры.

6. Рассмотреть последовательность развития экстремальных ситуаций и характеристики циркулирующих в СС при этих условиях информационных потоков и на основе этого изучить возможности ЗСДР по обеспечению информационного обмена в условиях ЧС с учётом требований по адаптации.

7. Обосновать целесообразность использования ЗСДР на примере реальной ЧС.

Решению этих задач и посвящена диссертационная работа, содержащая 5 глав, введение и заключение.

В первой главе проведен обзор направлений совершенствования существующих и создания новых систем ДКМ радиосвязи, занимаемого ими места в комплексе систем связи страны, проанализированы методы исследования таких систем, определены его цели и задачи и обоснована необходимость создания новых методик, пригодных для анализа и синтеза СС применительно к условиям ЧС.

Во второй главе разработана методика исследования ЗСДР, включающая в себя аналитико-имитационную модель ЗСДР и критерий оценки её эффективности, учитывающий интересы надсистемы-пользователя, пригодный как в неэкстремальных условиях функционирования СС, так и в условия ЧС.

В третьей главе проведено исследование различных адаптационных механизмов, повышающих качество работы ЗСДР, и изучена эффективность их использования для сетей различной структурыопределены состав, параметры радиосредств алгоритм работы и структура ЗСДР, оптимальные для организации связи в условиях ЧС.

В четвертой главе с учётом полученных результатов проанализированы возможности ЗСДР установленной структуры по обеспечению информационного обмена в условиях ЧС, предложены и рассмотрены дополнительные меры повышения его эффективности информационного и информационно-технического характера.

В пятой главе обоснована целесообразность применения ЗСДР с ретранслятором на примере ЧС в Волжском регионе — комплексных учений с участием Государственного комитета РФ по телекоммуникациям. Проведён сравнительный анализ потерь, возникших в ходе ЧС при использовании ЗСДР и без неё. В процессе исследований было применено имитационное моделирование ЗСДР на ЭВМ.

В работе использовались методы математического анализа, теории вероятностей, статистической радиотехники, теории массового обслуживания, математической статистики, машинного моделирования, язык программирования Borland С++ 4.5. 9.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Разработана оригинальная методика, включающая в себя модель ЗСДР и критерий эффективности, основанный на оценке потерь пользователей, возникающих при задержке или утрате передаваемых сообщений с учётом ценности циркулирующей в системе связи информации.

2. Получены результаты работы ЗСДР в условиях дестабилизирующих воздействий, позволяющие определить эффективность применения тех или иных механизмов адаптации, а также установить возможности системы по обеспечению информационного обмена при заданных значениях критерия качества.

3. Показано, что организация радиосвязи в условиях ЧС должна предусматривать создание на ВРП автоматизированного информационно-вычислительного центра, динамически распределяющего ресурсы системы в зависимости от условий функционирования, выполняющего функции адаптивного управления, централизованного распределения частотного ресурса, а также контроля работы всей сети, её отдельных узлов и компонентов.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанная методика и полученные на её основе результаты могут быть использованы для модернизации существующих и создания новых автоматизированных систем ДКМ радиосвязи, адаптированных к жёстким требованиям организации связи в экстремальных ситуациях. Исследованы способы повышения эффективности ЗСДР при различных условиях, характеризующих сигнально-помеховую и информационную обстановку в сети, которые обеспечивают возможность создания специальных систем связи для ЧС.

Результаты диссертационной работы имеют практическое значение для научно-исследовательских и проектных институтов, занимающихся разработкой перспективных систем ДКМ радиосвязи и программного обеспечения для них, пользователей систем ДКМ радиосвязи Министерства РФ по телекоммуникациям, Министерства обороны и Министерства по чрезвычайным ситуациям, различных ведомств, коммерческих организацийони могут быть полезны также при исследовании эффективности многих других систем связи.

Апробация результатов диссертационной работы проведена в процессе 16 выступлений на научно-технических конференциях университетского, межрегионального, республиканского и международного масштаба в 1996 — 1999 гг. и периодических изданиях. Основное содержание диссертации опубликовано в 26 работах [3−5, 14, 15, 20, 21, 24−26, 50−63, 82, 83].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Исследование эффективности ЗСДР, функционирующей как в нормальных условиях, так и в условиях приближения или наступления экстремальной ситуации, целесообразно осуществлять, используя комплексные критерии, базирующиеся на принципах системного подхода, которые позволяют оценивать потери из-за задержки или утраты информации с учётом интересов пользователей.

2. Аналитико-имитационное моделирование ЗСДР даёт возможность получить точную количественную оценку вероятностно-временных и ценностно-временных характеристик систем с различными структурой, конфигурацией и параметрами, позволяя сократить время на разработку, отладку модели и проведение экспериментов.

3. Вынесенный ретранслятор, включённый в состав зоновой системы ДКМ радиосвязи, обеспечивающей информационный обмен в условиях ЧС, должен функционировать как управляющий коммутационно-распределительный центр, обеспечивающий централизованное распределение выделенного частотного ресурса на основе прогноза сигнально-помеховой обстановки, а также контроля процессами вхождения в связь и передачи информации.

4. Зоновые системы ДКМ радиосвязи с вынесенным ретранслятором обеспечивают обмен информацией с заданным качеством в гораздо более тяжёлых условиях, чем система «прямых связей», резко повышая по сравнению с последней эффект от использования адаптационных механизмов и делая нецелесообразным применение ЗСДР без ретранслятора.

5.5. Выводы.

1. Показано, что в случае разрушения плотины Волжской ГЭС создаётся угроза катастрофического затопления территории Волжского региона (Самарской, Саратовской и Ульяновской областей), нарушения функционирования объектов экономики, энергетики и связи, жизни населения. При этом Самарская область в силу своего географического положения, особенностей рельефа местности, климатических условий, оказывается в наибольшей степени подверженной катастрофическим последствиям аварии. Обоснована необходимость организации чётко работающей системы связи и оповещения области в целях обеспечения максимально эффективной работы аварийных и спасательных служб, минимизации людских и материальных потерь.

2. Показано, что существующая система связи Самарской области, организованная преимущественно на базе кабельных и радиорелейных систем, не в состоянии удовлетворить потребности пользователей по обеспечению информационного обмена в условиях катастрофического затопления. В данных условиях необходимо использовать сеть связи, способную при минимальном наборе абонентских радиосредств обеспечить устойчивую оперативную связь с любой точкой зоны бедствия.

Проанализирована возможность использования системы оповещения Самарской области для предупреждения населения о надвигающейся катастрофе. Показано, что такая система выполнит свои функции, если остаются целыми линии проводной связи, что возможно лишь на начальном этапе развития катастрофы. Кроме того, весьма уязвимым её местом является передача первичного сигнала о прорыве плотины, в связи с чем предложено включить в состав системы оповещения линии ДКМ радиосвязи.

3. Сравнительный анализ эффективности оповещения с помощью ЗСДР, включённой в состав существующей системы оповещения, наглядно демонстрирует преимущества применения ВРП для ретрансляции первичного сигнала о ЧС, что позволяет значительно снизить людские потери. Использование системы с непосредственной связью абонентов между собой не только не снижает, но даже приводит к увеличению потерь, что говорит о непригодности её эксплуатации в данных условиях. Аналогичная оценка применительно к этапу ликвидации последствий ЧС доказывает целесообразность организации информационного обмена с помощью ЗСДР с ВРП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На современном этапе широкое использование существующих и создание новых сетей ДКМ радиосвязи невозможно без решения вопросов их оптимизации по различным параметрам и адаптивного управления, особенно применительно к условиям ЧС. Выполнение этих требований диктует необходимость создания методики оценки качества работы СС, позволяющей на основе выбранного критерия определять её эффективность в различных условиях функционирования. Обоснована важность решения такой задачи, которое даст возможность путём организации надёжной и устойчивой связи уменьшить, либо вообще избежать катастрофических последствий ЧС: гибели людей и разрушения материальных ценностей.

2. Показано, что методика оценки эффективности СС должна включать модель системы и критерий, по которому производится сравнение различных вариантов её построения и выбор оптимальной структуры. Сформулированы основные требования, предъявляемые к моделям и критериям, проанализированы способы их формирования и реализации. Отмечено, что при исследовании эффективности системы связи следует учитывать интересы и предпочтения пользователей.

3. Предложена методика оценки эффективности ЗСДР, включающая аналити-ко-имитационную модель системы и комплексный критерий СВМП. Сформулированы цели моделирования и общие принципы построения модели, разработана её обобщённая концептуальная модель, на базе которой рассмотрены и реализованы с помощью выбранного языка программирования детализированные алгоритмы, моделирующие работу различных вариантов построения данной СС. Особое внимание уделено созданию модели канала ДКМ радиосвязи, которая учитывает влияние специфической среды распространения и сложной помеховой обстановки на качество передачи информации.

Рассмотрен набор входных и выходных параметров модели и обоснованы предъявляемые к ним требования. Разработанный набор исходных данных содержит ключевые параметры, обуславливающие качество работы ЗСДР, отражает основные стороны её функционирования, и способствует обеспечению эффективного диалога ЭВМ-пользователь, облегчая подготовку и проведение машинных экспериментов. Выходные параметры модели позволяют получить максимально полную информацию о её поведении в любой момент времени и включают параметр-критерий, основные (ФПВ времени доставки и материальных потерь пользователя) и вспомогательные параметры (средние ВВХ, служебные). Обоснована необходимость их использования в процессе моделирования.

В качестве критерия сравнения и выбора оптимального варианта предложено использование комплексного критерия СВМП, отражающего потери ценности сообщений из-за их задержки или утраты при передаче по ССобосновано применение этого критерия при анализе поведения СС методом машинного моделирования.

Данная методика пригодна для анализа эффективности проектируемых и уже существующих СС, исследования тех или иных механизмов адаптации как в неэкстремальных условиях функционирования, так и в условиях ЧС, поскольку учитывает потери, вызванные разрушением материальных ценностей и гибелью людей.

4. Проанализирована формализованная временная последовательность развития событий при возникновении ЧС. На основе составленной событийно-временной картины, соответствующей практически любой ЧС, выявлены основные особенности построения абонентских узлов и ретрансляторов ЗСДР в условиях ЧС, сформулированы задачи СС при опасности возникновения или наступлении экстремальной ситуации. Отмечено, что невысокие показатели радиосредств корреспондентов «зоны» можно скомпенсировать применением на ВРП высокоэффективной аппаратуры приёма-передачи, а также путём организации информационно-вычислительного центра, обеспечивающего автоматизированное адаптивное управление работой сети, её узлов и компонентов, контроль и прогнозирование сигнально-помеховой и информационной обстановки, централизованное распределение частотного ресурса.

5. Проведено сравнение трёх вариантов построения ЗСДР по критерию удельных СВМП, а также эффективность применения в них различных механизмов адаптации. Установлено, что системы, использующие вынесенный ретранслятор, вследствие оптимизации каналов по условиям распространения радиоволн и помеховой обстановке способны обеспечивать обмен информацией с заданным качеством в гораздо более тяжёлых условиях (или в тех же условиях, но при более жёстких требованиях к качеству передачи), чем система с непосредственной связью абонентов между собой. Кроме того, эффект от применения адаптационных механизмов в СВРП и КСС сказывается гораздо раньше и позволяет значительно больше повысить характеристики работы сети, чем в СПС. Разработаны алгоритмы функционирования ЗСДР применительно к условиям ЧС и исследована их эффективность.

6. Показано, что применение комбинированного управления немного снижает системные характеристики ЗСДР из-за распределения управляющих функций между абонентами сети и ВРП, однако такая схема управления значительно повышает живучесть КСС по сравнению с СВРП, поскольку выход из строя ретранслятора в КСС не приведёт к полному блокированию работы системы. Указанный недостаток СВРП мо.

181 жет быть также ликвидирован оборудованием сети несколькими ретрансляторами, однако даже в этом случае целесообразно перейти к комбинированному управлению с целью разгрузки аппаратуры ВРП путём использования имеющихся хороших прямых каналов вместо обходных.

7. Установлены основные свойства информационных потоков, циркулирующих в СС в условиях возникновения экстремальной ситуации. На основании проведённого анализа оценены предельные возможности ЗСДР по обеспечению информационного обмена в условиях ЧС. Определены максимальное число абонентов, которое может обслужить система, использующая ВРП, обеспечивая потери, не выше предельно допустимых или заданных, объёмы информации, которые она в состоянии удовлетворительно обрабатывать в соответствии с заданным критерием качества при изменении нагрузки в сети.

8. Исследована зависимость надёжности функционирования ДКМ радиолиний и всей системы от введения повторов при передаче. Изучено влияние длительности информационного пакета на эффективность ЗСДР и определена его оптимальная длина, обоснована необходимость организации накопителей на узлах связи абонентов и ретрансляторов. Показано, что эти меры позволяют добиться существенного улучшения характеристик обслуживания и снижения удельных СВМП. При этом в отдельных случаях для нахождения верхней границы исследуемых параметров можно воспользоваться аналитическими методами, для получения точной количественной оценки в соответствии с критерием СВМП наиболее целесообразным представляется проведение расчётов методом аналитико-имитационного моделирования.

9. На примере конкретной ЧС — разрушение плотины Волжской ГЭС и вызванное этим катастрофическое затопление территории Волжского региона — обоснована необходимость организации чётко работающей системы связи и оповещения Самарской области в целях обеспечения максимально эффективной работы аварийных и спасательных служб, минимизации людских и материальных потерь.

10. Проанализирован состав существующей системы связи и оповещения Самарской области. Показано, что данная система не в состоянии удовлетворить потребности пользователей по обеспечению информационного обмена при проведении аварийно-спасательных работ, а также не может обеспечить надёжную и оперативную передачу первичного сигнала о ЧС. В данных условиях необходимо использовать сеть связи, способную при минимальном наборе абонентских радиосредств обеспечить устойчивую оперативную связь из любой точкой зоны бедствия.

11. Сравнительный анализ эффективности оповещения с помощью ЗСДР, включённой в состав существующей системы оповещения, демонстрирует преимущества применения ВРП для ретрансляции первичного сигнала о ЧС, что позволяет значительно снизить людские потери. Использование системы с непосредственной связью абонентов между собой не только не снижает, но даже приводит к увеличению потерь, что говорит о непригодности её эксплуатации в данных условиях. Аналогичная оценка применительно к этапу ликвидации последствий ЧС доказывает целесообразность организации информационного обмена с помощью ЗСДР с ВРП при проведении аварийных работ.