В последнее время предпринимаются усилия по обеспечению возможности обмена информацей из каждой точки пространства, каждым человеком с другими людьми, находящимся в любой точки пространства. Такой обмен информацией в настоящее время возможен только в диапазоне электромагнитных волн, излучаемых в свободное пространство. Особенно это относится к обмену информацией с подвижными объектами. Но диапазон длин волн ограничен, а следовательно ограничено и число абонентов, которые используют этот диапазон. Если число абонентов, превышает возможности используемого диапазона, то возникают взаимные (непреднамеренные) помехи (НП), т. е. возникает проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).
Под электромагнитной совместимостью понимается способность каналов передачи информации выполнить свои задачи в условиях НП не создавая недопустимых НП другим каналам. Как видно из определения, ЭМС является понятием системным, т. е. для ее решения требуется мероприятия, учитывающие всю выделенную совокупность каналов связи как единое целое. Эти мероприятия должны осуществляться в общем случае управляющей системой более высокого уровня организации, чем отдельные каналы связи. Таким образом любое увеличение числа каналов передачи информации влечет за собой необходимость решения проблемы обеспечения ЭМС. Развитие теории и практики передачи информации всегда делало решение этой проблемы актуальной. Особенно возросла актуальность решения проблемы ЭМС в последнее время. Это связано с тем, что непосредственными потребителями информации становятся ЭВМ с их возможностями переработки и хранения информации, что привело к необходимости передачи громадных объемов информации. Второе обстоятельство связано с обеспечением возможности обмена информации из любой точки пространства от объектов, находящиеся в движении.
Основное внимание в данной диссертации будет уделено учету второго обстоятельства.
Для теоретического решения проблемы обеспечения ЭМС требуется определение радиофизических моделей групп взаимодействующих каналов передачи информации, формализации этих моделей в математические модели и последующий поиск процедур, желательно оптимальных, обеспечения ЭМС всех входящих в рассматриваемую модель каналов передачи информации.
Существует обширная литература по проблеме ЭМС. Анализ этой литературы приводит к следующим результатам.
Результаты анализа учебно-методической и научной литературы можно свести к следующему. Проблема ЭМС разделяется на ряд задач, часто рассматриваемых как независимые. Большое число работ посвящено анализу электромагнитной обстановки (ЭМО) и анализу электромагнитной совместимости [ 1 ]. Анализ ЭМО позволяет определить характеристики непреднамеренных помех, воздействующих на приемное устройство, а анализ ЭМС позволяет определить степень снижения воздействия НП приемным устройством. По результатам анализа ЭМО были сформированы различные модели НП. Все модели можно разделить на следующие виды.
Статистическая модель. В этой модели амплитуды НП предполагаются случайными со следующими распределениями: нормальная, гиперболическая [42 ], логарифмически-нормальная [24-], релеевская. Приведенные в должную систему по ситуациям или видам ЭМО предложенные авторами обоснования являются достаточными для анализа электромагнитной совместимостью различимых РЭС статистическими методами. Следующая модельэто модель детерминированных помех со случайными параметрами. Определеные энергетические спектры для различных типов излучаемых сигналов выступающих в роли НП [39 ]. Последняя, чисто детерминированная модель НП представляет их в виде совокупности специальных сигналов. При анализе воздействия НП на приемные устройства приведенные модели НП используются следующим образом. Применение первой модели из-за сложности определения истинной формы энергетического спектра НП (она отлична от формы белого шума) встречает определенные трудности. Для их устранения прибегают к различного рода приемам. В [43 ] вводится понятие эквивалентной шумовой помехи и далее расчет ведется в предположении «белого шума», т. е. просто неопределенность переносится из одной области в другую. Там же предлагается оценка воздействия НП на избирательные системы приемника путем учета вероятности попадания помехи в полосу пропускания приемника. При использовании этой модели необходимо знание функции распределения значений несущих частот всех РЭС учитываемых моделью. Понятно, что имея подобные данные можно рассчитать и форму энергетического спектра НП, а следовательно может быть использована исходная модель.
Использование второй модели НП предполагает наличие возможности спектрального описания НП, а следовательно, использования классических способов анализа прохождения сигналов помех через избирательные цепи. Рассматриваются оптимальные к релеевским распределениям амплитуд НП приемники построенные по классическим схемам [20 ]. Изложенные методики позволяют использовать в качестве критериев воздействия НП вероятности ошибок. К этой модели НП примыкает модель квазидетермениро-ванных НП, в которой НП представляется в виде совокупности ква-зидетерменированных сигналов от известных РЭС. Оценивается взаимное влияние каждой РЭС на данное РЭС и совокупное влияние. В развитие этой модели НП используется понятие взаимокорреляционной функции отдельных составляющих НП. Недостаток этого подхода состоит в том, что трудно довести в болшинстве практически важных случаев оценку степени воздействия НП на приемное устройство до вероятности ошибок.
Третья модель НП используется при анализе нелинейных явлений в радиоприемных и радиопередающих устройствах и определению показателей ЭМС различных радиоэлектронных компонентов.
Анализ степени влияния НП на приемные устройства для различных моделей НП, приемных устройств, их отдельных элементов и различных критериев оценки степени воздействия рассматриваются рядом авторов. Наибольшее число методик оценки воздействия НП на приемное устройство и его элементы приведено в [1 ]. Однако эти методики носят инженерный характер. При детальном анализе оказывается, что область их применения зачастую чрезвычайно узкая, а главное она не оговорена и использование методик иногда приводит к неудовлетворительным результатам. Например, не указано для каких зон антенн приведены коэффициенты ослабления. Наиболее полная методика оценки влияния НП с учетом нелинейных явлений приведена в [49 ], однако в ней не учтены особенности определения отношения сигнал/помеха в нелинейных системах. Оценка влияния антенных систем на ЭМС приведена в [80 ]. В [20 ] приводятся методики учета воздействия НП на оптимальные приемники. В качестве критериев оценки используются статистические критерии.
Следующая группа работ посвящена различным методам обеспечения ЭМС. Официальным подходом к проблеме обеспечения ЭМС каналов связи различного назначения был подход основанный на нормировании параметров элементов каналов связи и его ЭМС-характеристик таких как уровень внеполосных излучений • передатчиков и избирательности приемников ослаблений НП за счет трасс распространения. В развитие этого подхода рассматривались нормы на частотно-территориальный разнос. Нормы определяли необходимые в каждом конкретном случае энергетическое (мощностное) ослабление НП за счет проводимых мероприятий. Обеспечение ЭМС за счет увеличения помехоустойчивости приемников к непреднамеренным помехам излагалась в ряде работ [40, 49 ]. Устройства дополнительной защиты приемника от НП получили название устройств индивидуальной защиты. Эти устройства обеспечивали подавление НП с фиксированными параметрами, отличными от параметров полезных сигналов. Преимущества таких устройств заключаются в возможности подключения к существующим приемным устройствам без значительных переделок последних. Мы не затрагиваем характеристики электронных приборов, влияющих на ЭМС. Эта часть проблемы ЭМС должна решаться при разработке электронных приборов. Будем полагать в дальнейшем, что характеристики электронных приборов заданы. Из конкретного обзора методов решения проблемы обеспечения ЭМС можно еде-лать следующие выводы. Процесс обеспечения ЭМС не носит системного характера. Не сформированы достаточно общие модели групп каналов связи с взаимными влияниями, позволяющие рассматривать группу как единое целое с общей количественно выраженной целью функционирования, связанной определенным образом с целями функционирования отдельных каналов. Мероприятия по обеспечению ЭМС носят фрагментарный характер и относится либо только к управлению параметрами сигналов, или только к увеличению помехоустойчивости приемников. Не сформулирована задача совместного оптимального выбора системы полезных сигналов для группы каналов связи и способов приема. При управлении параметрами сигналов задача, как правило, решается в масштабе времени планирования операции и не затрагивает масштабы текущего и реального времени.
Исходя из сказанного, целью настоящей диссертации является разработка модели каналов передачи информации с взаимными влияниями, учитывающие ограничения накладываемые на объем используемого радиоресурса, технические ограничения, определяемые возможностями реализации каналов передачи информации и ограничения пользователя. Модель должна допускать вариацию различных параметров каналов с целью отработки алгоритмов управления этими параметрами для оптимизации качества работы всей группы каналом в целом.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) определить радиофизическую модель группы каналов передачи информации (КПИ),.
2) разработать математическую модель КПИ,.
3) сформулировать критерий оценки качества работы группы каналов передачи информации в целом,.
4) сформулировать задачу оптимизации работы группы КПИ в целом как задачу обеспечения ЭМС,.
5) найти алгоритмы обеспечения ЭМС,.
6) определить структуру информационной системы для обеспечения ЭМС.
Процедура решения поставленных задач определила следующее содержание диссертации.
В первом разделе определена радиофизическая модель группы взаимодействующих каналов передачи информации. Эта модель потом формализована в виде математической модели, которая при синтезе системы обеспечения ЭМС сведена к модели многосвязного управления. Поставлена задача поиска оптимальных алгоритмов управления параметрами сигналов КПИ и поиска оптимальных алгоритмов обработки сигналов. В качестве критерия оптимальности предложены подходящим образом выбранные нормы векторного критерия оценки качества работы группы КПИ в целом. Отдельные координаты вектора определяют качество работы одного КПИ. Качество работы характеризуется помехоустойчивостью КПИ. Таким образом фактически рассматривается помехоустойчивость группы взаимодействующих КПИ. Проблему ЭМС порождают ограничения, накладываемые на параметры КПИ. Проведена классификация ограничений и их математическая формулировка. Ограничения разбиты, с одной стороны, на связующие и не связующие, а с другой стороны на системные, технические и ограничения пользователя. Выбранный критерий оптимальности и сформулированные ограничения позволили математически сформулировать задачу обеспечения ЭМС группы КПИ, которая и решается в последующих разделах.
Во втором разделе определены оптимальные алгоритмы обработки сигналов при наличии непреднамеренных помех, показана связь и отличие от известных алгоритмов оптимальной обработки сигналов на фоне неуправляемых помех. Получены выражения удобные для постановки задачи и поиска алгоритмов управления параметрами сигналов КПИ, входящих в данную группу с целью оптимизации работы группы в целом. Определена модель наихудшей помеховой ситуации, с точки зрения потерь энергии сигналов КПИ при их оптимальной обработке. Задача управления параметрами сигналов сведена к задаче математического программирования. Далее рассмотрена модель оптимальной обработки сигналов в.
КПИ только на фоне шума, по при дополнительном воздействии на него НП. Задача поиска оптимальных параметров сигналов сведена в этом случае к задаче оптимального многосвязного управления. Предполагается, что подобные задачи решаются некоторой специально созданной централизованной системой обеспечения ЭМС.
В третьем разделе рассматриваются централизованные и децентрализованные алгоритмы управления параметрами сигналов для обеспечения ЭМС КПИ. Предложенные алгоритмы и методика оценки эффективности иллюстрируются частным примерами назначения несущих частот и синхронизации, но они справедливы и для других областей определения сигналов: пространственной, частотно-пространственной. Для оценки эффективности децентрализованных алгоритмов используется критерий скорости сходимости эффективности алгоритма к оптимальной. В качестве математического аппарата используется аппарат игр автоматов. Радиофизической моделью, для которой применимы полученные результаты, служит модель транкинговых КПИ.
Четвертый раздел диссертации посвящен анализу вопросов информационной поддержки процедуры обеспечения ЭМС. Процедура обеспечения ЭМС — это в общем случае динамическая процедура, т.к. в процессе выполнения задачи группой КПИ изменяются внешние воздействия, изменяются и параметры самой группы, поэтому желательно разбить общий временной масштаб функционирования системы обеспечения ЭМС на три шкалы. Шкала планирования операции использует данные, которые мало изменяются за время выполнения определенной задачи группой КПИ. Результаты анализа ЭМС и рекомендации по назначению параметров могут быть заранее рассчитаны и в диссертации предлагается пригодность различных способов представления знаний о ЭМС для информации. Шкала реального масштаба времени должна обеспечивать возможные отслеживания эволюции группы РЭС: изменения расположения КПИ и вызванные этим эффекты изменения средних значений параметров, изменения в целях выполняемых задач и вызванные этим изменения алгоритмов управления. В этой шкале времени обосновывается необходимость использования ЭВМ, работающих в реальном масштабе времени.
И, наконец, третий масштаб времени — это масштаб текущего времени. Этот масштаб позволяет работать с реальными сигналами. В этом масштабе времени предлагается синтезировать и оценивать эффективность устройств увеличения помехоустойчивости КПИ к непреднамеренным помехам.
В выводах к разделам и заключении приводятся и обсуждаются основные полученные результаты и формулируются рекомендации к практическому использованию этих результатов.
По мнению автора, новыми научными результатами, полученными в диссертации, являются следующие результаты.
1. Получена математическая модель группы каналов передачи информации с взаимными помехами друг другу, отличающаяся от существующих тем, что впервые математически сформулированы и классифицированы различные виды ограничений на параметры КПИ, приводящие к возникновению взаимных помех.
2. Сформулирован векторный критерий оценки качества функционирования группы КПИ с взаимными помехами, позволяющий показать, что оптимальное значение оценки для отдельного КПИ может быть получено только с учетом качества работы остальных КПИ.
3. Управление распределением радиочастотным ресурсом может быть сведено для различных способов обработки сигналов приемными устройствами или к использованию методов математического программирования или к методам многосвязного управления.
4. Определены соотношения между числом КПИ и величиной РЧР, при которых децентрализованное управление размещение РЧР по отдельным КПИ, приводит в конце концов к тем же результатам, что и централизованное.
5. Показано, что наиболее приемлемым способом представления знаний при информационном обеспечении решении проблем ЭМС является фреймовая структура.
Совокупность перечисленных новых результатов определяет научную новизну работы в целом.
Результаты, полученные в работе, изложены в трех статьях [86, 87, 88] и обсуждались на двух международных [91, 92] и двух республиканских конференциях [91, 92].
Выводы.
1. При обеспечении ЭМС РЭС на этапе планирования операции целесообразно использовать методы искусственного интеллекта, в частности, базу знаний.
2. В качестве способа организации базы знаний наилучший результат дают фреймовые структуры.
3. Для обеспечения работы фреймовых структур в динамическом режиме необходима соответствующая модификация способа представления фрейма, приведенная в настоящем разделе.
Заключение
.
Как показали проведенные исследования, задача обеспечения ЭМС в группе РЭС распадается на несколько этапов.
В начале целесообразно осуществить выбор целевой функции, определяющей качество работы группы РЭС в целом. Целевая функция определяется через общепринятые критерии оценки работы отдельных РЭС (вероятности ошибок первого и второго рода, среднеквадратическую ошибку или величину среднего риска) путем их усреднения по случайным составляющим величины ОПВР, используемого отдельными РЭС.
Далее необходимо учесть ограничения на величину потребляемого группой РЭС РЧР, определенную подсистемой высшего уровня. Ограничения на распределение ресурса между РЭС определяются допустимой сложностью отдельных систем и характеристиками элементной базы.
Процедуры решения задачи обеспечения ЭМС в группе РЭС состоит из этапов выбора помехоустойчивых к НП приемников, организации системы сигналов и трасс распространения НП. Последовательность использования этапов определяется целесообразностью применения предлагаемых методов при разработке или эксплуатации РЭС.
Выбор помехоустойчивых к НП методов приема, включает, как индивидуальные, так и коллективные для всей группы РЭС способы помехозащиты. Применение оптимальных методов приема с учетом НП в каждой РЭС приводит к декомпозиции системы сигналов, которые оказываются, связанными друг с другом только величиной потребляемого РЧР. Одним из интересных результатов использования оптимальных методов приема сигналов в каждой РЭС является эффект исключения зависимости степени воздействия НП на приемники в пределах динамического диапазона от их мощности. Связывающим ограничением становится только ограничение на динамический диапазон по блокированию приемных устройств.
Величина потерь качества приема сигналов в группе РЭС зависит от числа взаимодействующих РЭС и имеет порядок роста, являясь при выбранной статистической модели НП максимальной.
Для снижения потерь необходимо организовать систему сигналов в группе РЭС. Минимальные потери в системе получаются при выборе огибающей элементарных сигналов в виде функций с двойной ортогональностью и соответствующего разложения конечномерного подпространства на составляющие с учетом ограничений на пиковую или среднюю мощность передатчиков отдельных РЭС и в группе РЭС.
Поскольку выбранная целевая функция является математическим ожиданием от случайных величин потребления составляющих ОПВР, то при синтезе оптимальной системы сигналов можно воспользоваться методами стохастического программирования. В зависимости от наличия априорных данных о параметрах НП и возможности управления ими задачу можно рассматривать, как одноэтап-ную (централизованное обеспечение ЭМС) или как многоэтапную (децентрализованное адаптивное обеспечение ЭМС).
Задача оптимального выбора параметров сигналов в группе РЭС является векторной задачей. Её решение при централизованном управлении возможно методами линейного или выпуклого нелинейного программирования.
Наиболее сложной процедурой при организации системы сигналов является процедура упорядочения использования РЧР. Предпочтительными методами её решения являются последовательный перебор или адаптивные методы организации.
По времени выполнения адаптивное упорядочение системы сигналов мало отличается от упорядочения с использованием последовательного перебора при использовании одних и тех же вычислительных средств.
Применение модели НП, учитывающей статистическую зависимость между амплитудами импульсом приводит при создании устройств помехозащиты к существенному выигрышу в эффективности их работы по сравнению с применением случайной модели.
НП. Однако система обработки сигналов требует дополнительных усложнений, исключающих эффект размножения полезного сигнала и случайных помех.
Использование предложенной методики позволяет осуществить разработку технических и организационных мер для обеспечения ЭМС в группе РЭС на этапах проектирования и эксплуатации отдельных РЭС и групп РЭС.
В работе общая методика обеспечения ЭМС иллюстрируется только отдельными наиболее важными частными случаями. При формулировке конкретных практических задач данная методика может быть распространена и на другие условия.
