Современные радиотехнические системы представляют собой сложные многофункциональные комплексы, предназначенные для решения широкого круга задач. В соответствие со своим предназначением, радиосистемы делятся [1,19, 25, 29,30, 38, 54,62 и др.] на измерительные или информационные, управляющие, системы связи (передачи информации) и др. Как правило, сложные радиотехнические системы состоят из совокупности систем первичной и вторичной обработки сигналов [1,29,30, 54 и др.]. Системы первичной обработки сигналов представляют собой совокупность устройств приёма сигналов, выделения их на фоне помех, демодуляции и декодирования. Системы вторичной обработки сигналов включают устройства адресной коммутации, исполнительные комплексы, устройства трансформации сигналов и приведение их к виду удобному для отображения. При проектировании подобных комплексов, исходя из того, что они являются сложными многофункциональными системами, включающими различные составляющие, широко используется системный подход [10,28,29,30 и др.].
Тенденции, связанные с непрерывным усложнением задач, стоящих перед радиотехническими системами, приводят к тому, что их функционирование все чаще связано с обработкой не одиночных сигналов, а их потоков [2,5,6,28,29, 40 и др.] достаточно большой интенсивности, наблюдаемых на фоне помех и шумов. В этих условиях приемлемое для инженерной практики описание систем должно быть комплексным, учитывающим как характеристики радиотехнической системы первичной обработки сигналов, так и характеристики системы вторичной обработки сигналов, а также их взаимовлияние и взаимодействие при функционировании. Это относится в первую очередь к радиолокационным комплексам, системам связи и передачи информации [1,19,54 и др.], широко использующим различные методы управления трафиком и дисциплиной обработки сигналов и, особенно, к системам связи специального назначения. Особый практический интерес представляет исследование областей устойчивой работы сложной радиотехнической системы в условиях высокой интенсивности поступающего потока сигналов в зависимости от ее параметров и способов управления, с целью исключения возможности возникновения катастрофических режимов работы. Наличие в этом случае даже простейших аналитических соотношений может существенно упростить проектирование и разработку соответствующих систем, обычно осуществляемую на основе результатов имитационного моделирования.
Таким образом, анализ радиотехнических систем в условиях высокой интенсивности потока сигналов с учетом взаимодействия и взаимовлияния систем первичной и вторичной обработки сигналов является актуальной задачей.
В работе при анализе характеристик радиотехнической системы подсистема вторичной обработки сигналов рассматривается как подсистема массового обслуживания (ПМО).
Например, в управляющей радиотехнической системе ПВО, в PJ1C управления зенитными орудиями к подсистеме массового обслуживания можно отнести радиолокационный комплекс управления стрельбой, взаимодействующий с пусковыми установками. На его вход поступает поток сигналов, от PJIC обнаружения и измерения координат, они обслуживаются с помощью системы обработки информации и выработки данных для стрельбы и поступают на различные пусковые установки. Аналогичную структуру имеет и подсистема массового обслуживания радиотелефонной системы связи, задача которой состоит в регистрации поступающих служебных сигналов, выделении канала связи, выборе режима передачи сигнала и обслуживании абонентов с помощью многоканального устройства обслуживания. Похожие структуры имеют и подсистемы вторичной обработки сигналов других радиотехнических систем рассматриваемые в диссертации, как ПМО. Такой подход позволяет эффективно использовать для описания радиотехнических систем математический аппарат, основанный на методах теории массового обслуживания.
Исследованию радиотехнических систем приема потока сигналов посвящена достаточно обширная литература [5,6,29,30,40 и др.] в которой рассматриваются вопросы оптимального и квазиоптимального анализа и синтеза приемных устройств, и, частично [5,6, 40 и др.], устройств управления. С другой стороны, радиотехнические системы необходимо рассматривать с учетом функционирования их подсистем массового обслуживания [1,19,41,54 и др.], поскольку часто большая интенсивность воздействующего потока сигналов обусловлена наличием повторных сигналов, не обслуженных при первичном поступлении. При этом существенную роль играет выбор критерия качества, учитывающего взаимодействие и взаимовлияние подсистем радиотехнической системы. В соответствие с требованиями системотехники этот критерий должен быть вычислимымоставаться неизменным в процессе разработки системыдолжен быть применимым для оценки и сравнения различных проектных решений. Поэтому необходимо использовать критерии, которые наряду с их вычислимостью имеют явный физический смысл и непосредственно связаны с техническими параметрами проектируемой системы.
Для радиотехнических систем передачи информации, которые рассматриваются в работе, в качестве такого критерия можно использовать вероятность отказа в обслуживании при заданной вероятности ошибки передачи сигнала, фиксированных полосе частот и скорости передачи информации [54 и др.]. Этот критерий удовлетворяет необходимым системотехническим требованиям. Однако, применение его, например, к системам с частотным разделением каналов, приводит к тому, что без учета повторных сигналов показатель качества системы распадается на два не связанных между собой [54], характеризующих раздельное функционирование радиотехнической подсистемы и ПМО. В работе показано, что учет повторных сигналов, позволяет описывать взаимодействие и взаимовлияние подсистем радиотехнической системы с помощью описанного критерия адекватным образом. Поэтому, на основе этого критерия можно обоснованно подходить к определению структуры и параметров обеих подсистем радиосистемы с частотным разделением каналов при ее проектировании и модернизации.
В современных радиотехнических подсистемах передачи и приема служебных сигналов используется сочетание методов помехоустойчивого кодирования и оптимального приема сигналов на фоне шумов. Поэтому для нахождения вероятности ошибочного приема сигналов, содержащих служебную информацию, необходим анализ помехоустойчивости их приема. В литературе [11,35 и др.] приведены методы расчета помехоустойчивости приема сигналов при использовании кодирования. Там же рассмотрены приближенные способы учета ошибок фазовой синхронизации и квазиоптимального построения приемного устройства на характеристики различения сигналов. Характеристики приема сигналов при наличии ошибок фазовой синхронизации в отсутствие кодирования исследовались в [55,56 и др.]. В этой связи представляет интерес анализ точности приближенного подхода и конкретные количественные рекомендации по обеспечению необходимого уровня фазовой синхронизации и построению приемного устройства с целью достижения приемлемого уровня ошибок при использовании помехоустойчивого кодирования. В работе оценено влияние ошибок фазовой синхронизации и рассмотрены некоторые квазиоптимальные способы построения приемника служебных сигналов с использованием помехоустойчивого кодирования в радиотехнической системе передачи информации.
Учет повторных сигналов (требований на обслуживание) в системах передачи информации представляет собой актуальную задачу [15,16,17,18,5), 52,53,67 и др.], которая в настоящее время решается различными численными и приближенными способами. При этом применяются методы теории массового обслуживания, использующие полное вероятностное описание системы. К сожалению, подобный подход обычно приводит к соотношениям не позволяющим найти точное решение полученной системы уравнений даже в стационарном состоянии. В связи с этим, для исследования поведения системы в стационарном состоянии используются различные численные и асимптотические методы. И, хотя полученные результаты часто доведены до уровня номограмм, таблиц и графиков, их затруднительно использовать в инженерной практике для анализа и оптимизации показателя качества функционирования радиотехнических систем передачи информации. Это тем более справедливо для нестационарных режимов в условиях высокой интенсивности потока поступающих сигналов, в которых практически всегда работают подобные системы.
В теории массового обслуживания хорошо развит метод диффузионного приближения для описания систем в условиях высокой нагрузки. Понятием интенсивности нагрузки широко пользуются в теории телетрафика, в том числе и в ее приложениях к описанию радиотехнических систем передачи информации. Более грубым, но часто дающим удовлетворительные результаты, является описание системы на уровне средней интенсивности нагрузки. Однако ее расчет для систем в стационарном состоянии обычно производится с использованием решений систем уравнений полного вероятностного описания, полученных методом, описанным выше. Такой подход не позволяет в условиях высокой интенсивности потока сигналов для систем с повторными сигналами.
— получить единый показатель качества системы, состоящей из описанных подсистем;
— получить и проанализировать аналитические соотношения для интенсивности нагрузки в нестационарном состоянии;
— исследовать устойчивость работы системы и скорость установления стационарного состояния при различных дисциплинах обработки сигналов, способах управления трафиком и организации ПМО радиотехнических систем передачи информации.
В диссертации предложен способ описания динамики поведения средней по ансамблю мгновенной интенсивности нагрузки в радиосистеме с повторными сигналами. На основе предложенного способа записаны и исследованы уравнения для интенсивности нагрузки в системе с учетом качества функционирования ее радиотехнической подсистемы. Полученные соотношения позволяют решить задачи исследования устойчивости системы, изучения эффективности различных способов управления трафиком и анализа возможных катастрофических режимов работы и путей самоорганизации сложной системы.
Используемые модели появления повторных сигналов, не учитывают многообразие различных причин отказов в передаче сообщений [31,67 и др.]. Применительно к радиотехническим системам передачи информации учет влияния этих факторов на качество функционирования систем осуществляется на основе имитационного и статистического моделирования. Необходимость его проведения в диссертационной работе связана с проверкой выводов по устойчивости и качеству функционирования радиотехнических систем в условиях высокой нагрузки, полученных на основе приближенного описания.
Имитационное моделирование, выполненное в диссертационной работе, позволило учесть различные причины появления повторных сигналов и сформулировать ряд инженерных рекомендаций по управлению трафиком и способам организации систем передачи информации.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы связана с необходимостью анализа радиосистем в условиях высокой интенсивности потока сигналов с учетом взаимодействия и взаимовлияния их подсистем.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений.
выводы.
1. В основу создания простых моделей комплексных радиотехнических систем могут быть положены законы сохранения интенсивности нагрузки. С их можно получить уравнения для средней интенсивности нагрузки, содержащие основные параметры подсистемисследовать области устойчивого функционирования и изучить качественные перестройки структуры системы при изменении параметров.
2. Предложенные модели потоков могут быть использованы для анализа радиосистем при наличии повторных сигналов.
3. Для полного использования преимуществ помехоустойчивого кодирования в рассматриваемой радиотехнической системе среднеквадратическая ошибка фазовой синхронизации должна составлять величину не более 10° -15°.
4. Полученные динамические уравнения для средней по ансамблю интенсивности мгновенной нагрузки в одноканальной и многоканальной радиосистемах можно.
129 использовать для анализа различных способов управления трафиком, дисциплин обслуживания пользователей и анализа областей устойчивости работы систем в зависимости от параметров их подсистем.
5. Имитационное моделирование подтвердило перспективность предложенных в диссертации алгоритмов работы подсистем массового обслуживания для улучшения качества функционирования радиосистемы в целом.
6. Доказательство наличия фрактальных свойств у трафика радиосистем с повторными сигналами может потребовать корректировки инженерной методики расчета их производительности, планируемой нагрузки, размеров буферов и других параметров, определяющих функционирование систем.
Предложенный в диссертационной работе подход и полученные результаты имеют достаточно общий характер и могут быть использованы для разработки и исследования комплексных моделей систем различного назначения, состоящих из взаимодействующих подсистем и предназначенных для обработки потоков первичных и повторных сигналов в радиосвязи, радиолокации, радионавигации и т. д.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертационная работа посвящена анализу радиотехнических систем обработки интенсивного потока сигналов. Цель диссертационной работы состояла в анализе характеристик радиотехнических систем, учитывающих взаимодействие и взаимовлияние подсистем первичной и вторичной обработки сигналов при их интенсивном потоке.
В соответствии с этим в работе рассмотрены следующие задачи.
• разработка модели радиотехнической системы в виде взаимодействующих подсистем приема служебных сигналов и подсистемы вторичной обработки;
• разработка модели поступающих на вход радиотехнической системы первичных и повторных сигналов и расчет вероятностей ошибок, связанных с блокированием канала и наличием аддитивных шумов;
• анализ качества приема кодированных сигналов на фоне шумов при оптимальном и квазиоптимальном построении приемного устройства с учетом ошибок фазовой синхронизации;
• разработка и анализ динамических моделей радиотехнической системы при наличии повторных сигналов, а также исследование их устойчивости в условиях интенсивных потоков сигналов;
• имитационное моделирование радиотехнических систем, в том числе и с учетом большого числа ограничений, вытекающих из реальных условий их функционирования.
При решении этих задач в работе получены следующие основные результаты 1. На основании обзора литературы в соответствии с постановкой задачи в работе в качестве объекта исследования выделены взаимодействующие и взаимо-влияющие радиотехническая подсистема передачи служебной информации и подсистема массового обслуживания. Функционирование радиотехнической подсистемы осуществляется при наличии шумов, а подсистемы массового обслуживания — при наличии повторных сигналов в условиях высокой интенсивности их потока.
2. Предложена структурная модель радиотехнической системы на данном уровне описания, включающая объединение подсистемы массового обслуживания и радиотехнической подсистемы передачи служебной информации.
3. Для выделенной структуры применительно к радиотелефонным системам связи при наличии повторных сигналов обосновано применение известного критерия качества функционирования радиотехнических систем, заключающегося в минимизации вероятности отказа в обслуживании при заданной вероятности ошибок, фиксированных полосе и скорости передачи информации. Его использование при наличии повторных сигналов позволяет получить единый показатель, учитывающий функционирование обеих подсистем радиосистемы.
4. Исследована применимость методов описания сложных систем, а также методов теории массового обслуживания для построения математической модели рассматриваемой системы. Выбран способ математического описания предложенной структурной модели, основанный на использовании законов сохранения системы уравнений теории массового обслуживания. Получены инварианты системы уравнений, описывающей радиотехническую подсистему передачи служебной информации при наличии повторных сигналов.
5. Получено распределение, производящая функция и статистические характеристики числа повторных сигналов в присутствии ошибок, обусловленных наложением сигналов и шумами. В частном случае соответствующая величина имеет отрицательно — биномиальное распределение.
6. Получены оценки вероятностей ошибок регистрации из-за наложения сигналов (блокировки канала).
7. Количественно оценен выигрыш в помехоустойчивости оптимального приема от использования кодирования, исправляющего ошибки. Сформулированы практические рекомендации по выбору длины кодовой комбинации в конкретной задаче. В частности показано, что приемлимое качество функционирования приемного устройства служебной информации радиотелефонной системы «Лес» при допустимой сложности кодека достигается с использованием кода Хэммин-га и разбиении кодограммы на 6 блоков по 7 символов из которых 4 информационных, а 3 проверочных, позволяющих исправить одну ошибку при приеме.
8. Дана количественная оценка влияния погрешностей фазовой синхронизации на качество приема кодированного сигнала служебной информации и уменьшение среднего энергетического отношения сигнал-шум. Показано, что среднеквадратичная ошибка фазовой синхронизации порядка 10°-15° несущественно уменьшает суммарную вероятность ошибки различения при приеме кодограммы с использованием способа кодирования, описанного в предыдущем пункте. Однако эта зависимость носит пороговый характер, и при возрастании среднеквадратичной ошибки синхронизации до 20° суммарная вероятность ошибки различения может возрастать более чем на порядок при отношениях сигнал-шум б. Это происходит не смотря на то, что в данном диапазоне углов энергетическое отношение сигнал-шум изменяется несущественно.
9. Показано, что при ошибках фазовой синхронизации менее 15°-20° допустимо использование приближенного метода анализа характеристик обработки, заключающегося в использовании среднего отношения сигнал-шум в формулах для потенциальных характеристик различения. Этот вывод сделан на основе сравнения результатов точного и приближенного расчета качества обработки сигнала при использовании двух различных схем фазовой синхронизации.
10. Результаты анализа характеристик работы квазиоптимального устройства обработки, отличающегося от оптимального включением полосового фильтра на входе и заменой интегратора на фильтр нижних частот, показывают, что.
• отличие от характеристик оптимального приемника возрастает с ростом отношения сигнал-шум;
• в рассматриваемой задаче такой приемник существенно проигрывает оптимальному (при энергетическом отношении 8дб. более чем на три порядка.
11. Разработана модель поступающих на радиосистему первичных и повторных сигналов, в частном случае сводящаяся к потоку с гиперпоказательным распределением времени между появлением сигналов. Дана интерпретация способа формирования таких потоков с помощью устройств, содержащих последовательные и последовательно-параллельные (по Эрлангу) этапы обслуживания. На основе этих моделей обоснована возможность представления потока повторных сигналов в виде суммы случайного числа простейших потоков. Таким образом, получено обоснование известной из литературы и используемой в дальнейшем модели.
12. Полученные явные выражения для вероятностей, описывающих одноканальную систему с повторными требованиями в стационарном состоянии, значительно проще известных из литературы, что существенно упрощает инженерный расчет таких устройств.
13. Строгими методами без использования каких-либо приближений получена система нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка для средних интенсивностей обслуженной и повторной нагрузок.
14. С использованим квазистационарного приближения и законов сохранения интенсивностей нагрузок получено функциональное уравнение, приближенно описывающее динамику поведения интенсивности нагрузки в рассматриваемой системе.
15. На основе исследования точной динамической модели системы.
• получены условия существования стационарного решения;
• исследованы фазовый и параметрический портреты системы;
• получены уравнения для модельной системы в окрестности положения равновесия и найдены характерные времена установления стационарных состояний обслуженной и повторной нагрузок.
Показано, что эти характерные времена различаются на 2−3 порядка. Это позволяет считать, что с точки зрения повторной нагрузки система практически всегда работает в переходном режиме.
16. Установлен качественно различный характер поведения обслуженной и повторной нагрузок, что позволяет предположить наличие фрактальных свойств у трафика радиосистем с повторными требованиями.
17. В квазистационарном приближении исследована устойчивость функционирования многоканальной системы с повторными сигналами в зависимости от интенсивности поступающей нагрузки, длительности, среднего времени обработки и вероятности ошибочного приема кодограммы.
18. Результаты моделирования показывают, что для всех исследуемых систем существенное улучшение экономических показателей их функционирования при сохранении заданного качества обслуживания, может быть достигнуто путем модификации алгоритмов работы их подсистем массового обслуживания.
19. Дисциплина обслуживания пользователей, использующая косвенное «ограничение» по длительности при наличии повторных сигналов, позволяет существенно уменьшить число отказов в обслуживании и увеличить экономическую эффективность функционирования радиосистем.
20. Результаты моделирования показали, что выделение специализированного канала обслуживания приоритетных требований при рассматриваемых значениях параметров в обычных условиях функционирования системы (когда ее нагрузка не очень высока) экономически не выгодно и приводит к ухудшению характеристик работы системы в целом.
21. Система с использованием канала для регистрации абонентов по своим показателям лучшая из всех рассмотренных и обладает большими потенциальными возможностями в плане развития. Это связано с использованием адаптивного «ограничения» длительности и возможного назначения пользователями приоритетов сигналов.
На основании результатов, полученных в работе можно сделать следующие.
