авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Процедура взаимодействия центральной и абонентских станций сети спутниковой связи в режиме оперативного сбора данных о состоянии контролируемых объектов

На правах рукописи

КОНДРАШИН АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ ПРОЦЕДУРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ И АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ В РЕЖИМЕ ОПЕРАТИВНОГО СБОРА ДАННЫХ О СОСТОЯНИИ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ Специальность: 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2011 1

Работа выполнена в МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шиманов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Цимбал Владимир Анатольевич кандидат технических наук, доцент Архипов Евгений Анатольевич

Ведущая организация: ЗАО «Научно- исследовательский внедренческий центр автомати зированных систем», г. Москва.

Защита состоится « » 2011 года в на заседании диссертационного совета ДС 212.025.04 при Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г. Вла димир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государствен ного университета

Автореферат разослан «_» _ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.025. доктор технических наук, профессор А.Г. Самойлов I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Современный этап научно-технического прогресса ха рактеризуется возрастанием объема информации, поступающей к руководи телю производства и необходимой для принятия обоснованного управленче ского решения. Повышение эффективности управления в настоящее время невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий и прогрес сивных математических моделей управления.

АСУ территориально распределенными объектами (АСУ ОАО «Газ пром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств) имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект – АСУ общего назначения (АСУ ОН). Отме тим, что в АСУ ОН имеются звенья управления (ЗУ), состоящие друг с дру гом в иерархической зависимости и связанные информационной сетью.

Одной из важных задач функционирования АСУ ОН является задача контроля верхними ЗУ состояния нижних ЗУ. Данная задача актуальна, на пример, в АСУ функционированием газопроводов, нефтепроводов и др., ко гда осуществляется управление «сверху» положением заслонок в трубе. При этом информационная сеть такой АСУ строится по радиально-узловому принципу. В такой сети, как правило, имеется верхнее ЗУ (ВЗУ), несколько средних ЗУ (СЗУ) и совокупность нижних ЗУ (НЗУ), совмещнных непо средственно с объектами управления (например, заслонками газопроводов).

Информация о состоянии НЗУ должна периодически обновляться в ба зах данных СЗУ и ВЗУ. При этом сбор данной информации должен происхо дить циркулярно за минимальное время (оперативно) и с допустимой затра той пропускной способности информационной сети (ИС) АСУ ОН.

Основу ИС для АСУ ОН территориально распределенных подвижных объектов (ПО) составляет система спутниковая связи (ССС), система радио связи метрового диапазона, тропосферная, а также KB радиосвязь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ОН ПО яв ляется ССС.

Вопросы развития спутниковой связи гражданского назначения реша ются на правительственном, межведомственном (ГКРЧ) и ведомственном (Министерство связи и информатизации РФ, Росавиакосмос и др.) уровнях.

Российские спутниковые системы связи находятся под юрисдикцией госу дарства и эксплуатируются отечественными государственными (ГП КС) или частными коммерческими операторами.

В нашей стране разрабатываются несколько проектов подвижной пер сональной спутниковой связи («Ростелесат», «Сигнал», «Молния Зонд»).

Российские предприятия участвуют в нескольких международных про ектах персональной спутниковой связи («Иридиум», «Глобалстар», ICO и др.). В настоящее время прорабатываются конкретные условия применения систем подвижной связи на территории Российской Федерации и их сопря жения с Единой сетью электросвязи России. В разработке и создании ком плексов ССС принимают участие: Государственный оператор ГП «Космиче ская связь», Красноярский НПО/ПМ им. Решетнева и компания Alcatel (соз дание трех спутников нового поколения «Экспресс А»), НИИР, ЦНИИС, ООО «Гипросвязь», ГСП РТВ, ОАО «Ростелеком», ЗАО «НИВЦ АС» и др.

В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами все ССС можно разделить на три группы: с фиксированным распределением, со случайным доступом и с распределением по требованию.

Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим чис лом малогабаритных (VSAT, USAT) низкоскоростных терминалов, генери рующих пульсирующий трафик. Число терминалов в таких сетях может дос тигать сотен и более единиц. Именно такая ситуация имеется в АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть» и других, подобным им, где число заслонок в трубах (или других исполнительных механизмов или датчиков) очень велико. По следние в рамках исследования будем называть обобщенно НЗУ или контро лируемые объекты (КО) в АСУ ОН.



К системе оперативного сбора информации АСУ ОН о состоянии НЗУ (КО) предъявляются достаточно высокие требования и, в первую очередь, к своевременности и достоверности процесса сбора. Однако ИС АСУ ОН, по строенная на базе ССС, для реализации этого процесса может выделить толь ко ограниченный ресурс (пропускную способность), так как основная е часть расходуется в интересах текущего информационного обмена всех ЗУ между собой. Кроме того, штатный информационный обмен всех ЗУ между собой в рамках ИС АСУ ОН ведтся на базе заданного стека протоколов, ориентированного на «гладкий» (стационарный) трафик (например, стек про токолов типа ТСР/IP). Трафик же циклического опроса и оперативного сбора информации о состоянии КО является «взрывным», импульсным и для сво его доведения требует реализации протокола специального типа.

С другой стороны, в ССС имеется общий запросно-вызывной канал (ЗВК), обеспечивающий взаимодействие центральной и абонентских станций ССС при организации различных режимов обслуживания сетевого трафика (режим предоставления каналов по требованию, СМД и др.). При этом, не снижая общности исследования, будем рассматривать, например, ССС типа «VSAT», имеющую такой ЗВК, для которого отработан протокол физическо го уровня. Отсюда вытекает задача использования ЗВК (общего канала ССС) для оперативного сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН.

В работах В.Вишневского, Х.Такаги, С.Борста хорошо изучены систе мы упорядоченного циклического опроса – системы поллинга, являющиеся разновидностью систем массового обслуживания с несколькими очередями и общим обслуживающим прибором или несколькими приборами. Однако ана лиз систем поллинга показывает, что их эффективность прямо пропорцио нальна помехоустойчивости «обратного» канала связи – канала, по которому осуществляется передача команд управления от центра управления связью к КО.

В работе Д.Бертсекаса, С.Бунина проведена оценка протокола маркер ного доступа, при котором право передачи абонентам предоставляется по средством передачи служебного пакета. Организация маркерного протокола доступа, ввиду большого числа КО в АСУ ОН явно неэффективна.

В 70-х годах для организации и ведения информационного обмена в информационно-вычислительных сетях с низким парциальным трафиком пользователей были предложены и обоснованы протоколы случайного мно жественного доступа (СМД) (ALOHA, S-ALOHA, PB-ALOHA и их модифи кации). Исследования Л.Клейнрока, С.Лама, школ Цыбакова Б.С. (НИИ ППИ), Шарова А.Н. (ВА связи им. С.М.Буденого) и др. показали относитель но высокую потенциальную эффективность данных протоколов по пропуск ной способности и задержке, определи границы их устойчивости и управляе мости в условиях стационарного трафика системы. В 80-х – 90-х годах даль нейшее развитие протоколы СМД нашли при построении ЛВС, пакетных ра диосетей различного назначения, ЗВК спутниковых систем и систем мобиль ной сотовой связи основных стандартов. Отличительной особенностью дан ных протоколов, делающей их привлекательными для применения в систе мах связи различного назначения, является почти полное отсутствие требо ваний по координации действий абонентов друг с другом при работе в общем канале. Однако отмеченное достоинство протоколов обуславливает и их главный недостаток, а именно: существенную нестабильность в условиях не стационарной нагрузки.

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: между высокими требованиями к своевременности системы сбора информации о со стоянии КО в АСУ ОН с одной стороны и невозможностью их реализации на основе существующих типовых протоколов информационного обмена, с дру гой.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Про цедура взаимодействия центральной и абонентских станций сети спутнико вой связи в режиме оперативного сбора данных о состоянии контролируемых объектов».

Цель диссертационного исследования является обеспечение требуемой оперативности сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН.

Объект исследования – программно-технический комплекс средств приема и обработки информации о состоянии КО в АСУ ОН в режиме опера тивного опроса.





Предмет исследования – процедура взаимодействия центральной и абонентских станций ССС в режиме оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена научная задача - обоснование параметров процедуры сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН по общему каналу ССС, обеспечивающей требуе мые вероятностно-временные характеристики данного процесса.

Основные результаты, представляемые к защите 1. Комплекс математических моделей оперативного сбора данных о со стоянии КО в АСУ ОН для различных алгоритмов передачи информации по ЗВК ССС в условиях ограниченности коммуникационного ресурса.

2. Алгоритм взаимодействия центральной и абонентских станций ССС в режиме оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН.

Научная новизна полученных результатов 1. Впервые разработана математическая модель списочного режима использования общего канала ССС при опросе состояния КО в АСУ ОН как модифицированного алгоритма поллинга.

2. Разработанный комплекс математических моделей оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН для различных алгоритмов переда чи информации по общему каналу ССС в условиях ограниченности комму никационного ресурса, в отличие от известных, позволяет оптимизировать параметры алгоритмов СМД с точки зрения оперативности сбора информа ции с учетом воздействие помех как по прямому, так и по обратному каналам общего канала ССС.

3. Впервые обоснован алгоритм определения оптимальной точки пере ключения общего канала ССС с режима списочного опроса в режим СМД ал горитма взаимодействия центральной и абонентских станций в режиме сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью и логиче ской обоснованностью постановок задач, принятых допущений и ограниче ний, использованием апробированного математического аппарата теории ко нечных марковских цепей, теории статистических решений и рядя других научных направлений.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что они доведены до уровня протоколов, методик, алгоритмов машин ных моделей, обеспечивающих требуемую своевременность сбора информа ции о состоянии КО в АСУ ОН по общему каналу ССС. Полученные резуль таты непосредственно использованы при разработке материалов ОКР по сис теме «Кедр-УМ».

Результаты работы реализованы:

1. В ЗАО «НИВЦ АС» при разработке материалов в рамках ОКР «От лучка» при разработке системотехнических решений аппаратуры контроля и управления «Кедр-УМ» (акт о реализации ЗАО «НИВЦ АС» от 08.09.2010г.).

2. В МОУ «ИИФ» при разработке системотехнических решений под системы оперативного сбора данных о состоянии разнородных средств связи автоматизированного узла связи специального назначения в рамках ОКР «Решка - ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 10.10.2010г.).

3. В СВИ РВ использованы в учебном процессе института по кафедре «Автоматизированные системы управления и связи» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и теле коммуникации») (акт о реализации СВИ РВ от 02.09.2010г.).

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы док ладывались, обсуждались и были одобрены на: трех Сессиях Российского НТОРЭС им А.С. Попова;

двенадцати НТК различного уровня. Работа вы полнена лично автором и является результатом исследований, в которых ав тор принимал непосредственное участие в течение последних 7 лет. За это время непосредственно по теме диссертации опубликовано 34 работы, в том числе: 24 научные статьи (пять статей в журнале из Перечня ВАК), тезисы 4 х докладов на НТК, 3 отчта о НИР и 2 отчет об ОКР. Получен один патент на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложения, изложена на 174 страницах машино писного текста. В список литературы внесено 100 научных источников.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены выдвигаемые требования по своевременности оперативного сбора информа ции к системе сбора, сформированы научные подзадачи, позволяющие синте зировать комбинированный алгоритм и обосновывать параметры процедуры сбора информации о состоянии КО АСУ ОН по ЗВК ССС типа «VSAT», обеспечивающего требуемые ВВХ процесса, изложены результаты, пред ставляемые к защите, приведены аннотация и структура работы.

В первом разделе проведен анализ возможностей и особенностей функ ционирования элементов ССС «VSAT» при организации сбора информации о состоянии КО АСУ ОН. Исходя из централизованной структуры ССС, функ ция организации и управления процессом сбора информации будет возложе на на центральный узел спутниковой связи (ЦУСС). При этом в ССС исполь зуются: служебный системный канал управления (СКУ), обеспечивающий циркулярное или избирательное доведение служебных сообщений из центра к периферии, и ЗВК (их может быть несколько), обеспечивающий доведение служебной информации от ЗС к ЦУСС.

Проведена формальная постановка задачи исследований.

Пусть заданы параметры ССС «VSAT» S : N, AlИО,kЗВК, где N – количество опрашиваемых ЗС (КО в АСУ ОН);

AlИО – алгоритм информационного обмена по служебным каналам ССС (СКУ, ЗВК);

kЗВК – множество возможных значений количества ЗВК, выделяемых для оперативного сбора информации;

текущая помеховая обстановка - V : PСКУ, PЗВК ;

где PСКУ – вероятность успешной передачи сообщения по СКУ;

PЗВК – вероятность успешной передачи сообщения по ЗВК разработать такую процедуру оперативного сбора информации Pr(S,V ) о со стоянии опрашиваемых ЗС (КО в АСУ ОН), которая обеспечивала бы тре буемую вероятность сбора - Pтр за время, не превышающее заданное - Tзад :

Pr(S,V ) : PPr (t Tзад ) Pтр. (1) Во втором разделе проведен анализ организации сбора информации на основе существующего протокола функционирования ЗВК и выявлена его крайняя неэффективность при действии помех как в «прямом» так и в «об ратном» канале связи, а также неэффективное использование канального ре сурса.

Проведен анализ существующих алгоритмов сбора информации, показа ны их преимущества и недостатки и их применимость в ССС «VSAT» при организации оперативного сбора информации.

Среди существующих протоколов сбора информации, применимых в ССС «VSAT», можно выделить следующие:

алгоритмы упорядоченного циклического опроса - системы поллинга, являющиеся разновидностью систем массового обслуживания и имеющие преимущества в условиях «слабых» помех;

алгоритмы СМД - самоорганизующиеся алгоритмы доступа к каналь ному ресурсу, имеющие преимущества в условиях «сильных» помех.

Применение существующих систем поллинга в явном виде ввиду наличия существенной задержки в распространении сигналов в каналах ССС ведет к неэффективному использованию канального ресурса, что требует их предва рительной модификации.

Применение существующих алгоритмов СМД в ССС, ввиду наличия су щественной задержки в каналах ССС, ограничено классическими алгоритма ми СМД. Применение в явном виде существующих классических алгоритмов СМД, исходя из специфики задачи организации оперативного сбора инфор мации, наличия явления захвата в ССС «VSAT», а также действием помех как в «прямом», так и в «обратном» канале связи является неэффективным.

Для эффективного использования канального ресурса, а также организа ции управляемого оперативного сбора информации предлагается логическая модификация структуры спутникового канала связи, представляющая собой чередующуюся последовательность кадров двух множеств. При организации сбора информации по ЗВК доступ к ЗВК неопрашиваемых ЗС прекращается.

Для обеспечения инициализации процесса сбора информации с высокой на дежностью введена процедура расчета необходимого количества повторов v передачи команды инициализации (КИ). Передача команд управления, а так же квитанций от ЦУСС в адрес ЗС осуществляется по СКУ.

Суть предлагаемого списочного опроса заключается в следующем. Мно жество опрашиваемых ЗС (КО в АСУ ОН) разделено на k очередей, в соот ветствии с которыми каждая из ЗС будет передавать информацию о своем состоянии. Исходя из структуры спутникового канала связи, размер очереди m равен размеру кадра ( K slot ), причем каждой из ЗС в очереди соответствует свой слот. Таким образом, мы имеет передачу без конфликтов.

Перед началом сбора информации каждая из ЗС знает свою очередь и свой слот в очереди передачи. Таким образом, имеется список из всех опра шиваемых ЗС с соответствующим номером очереди и номером слота в оче реди, причем каждая из ЗС в этом списке имеет свой условный номер, что позволит уменьшить информационную мкость номера опрашиваемой ЗС при адресном квитировании передачи. Исходя из вышеописанной кадровой схемы канала, общее количество очередей разделено на два множества, каж дое из которых соответствует одному из номеров кадра. Получив команду инициализации, которая свидетельствует о начале оперативного сбора ин формации, каждая из опрашиваемых ЗС в соответствии со своей очередью и номером слота в кадре передает пакет о своем состоянии – пакет состояния.

Передача пакетов ЗВК на момент сбора информации о состоянии ЗС контро лируемых объектов прекращается. После каждой очереди ЦУСС по СКУ вы дат квитанцию (КВ), в которой отражается результат передачи ЗС пакета состояния и номер очереди, на которую выдатся КВ.

Если в момент начала оперативного сбора информации ЗС любого из КО в АСУ ОН из-за действия помех не приняла КИ, ЗС может определить факт начала сбора информации по принятой КВ любой из очередей. В соответст вии с номером очереди в КВ и своим номером очереди ЗС определяет момент начала передачи пакета о своем состоянии. Повтор списочного опроса осу ществляется при получении установленной команды от ЦУСС.

По результатам списочного опроса все множество передающих пакет состояния ЗС разделится на три следующих множества:

ЗС, передавшие пакет состояния на ЦУСС, но из-за действия помехи не получившие КВ по результатам своего доведения и участвующие далее в процессе оперативного сбора информации. Условимся в дальнейшем их называть зарегистрированными ЗС N zar ;

ЗС, непередавшие пакет состояния. Условимся их называть незареги стрированными ЗС N zar ;

ЗС, вышедшие из режима передачи пакета состояния N ПРД – пере давшие и получившие КВ по результатам своей передачи.

Каждое из этих множеств определяется по следующим аналитическим соотношениям:

число зарегистрированных ЗС в момент времени t (t кратно длитель ности повтора списочного опроса) N zar (t ) N zar (t 1) PЗВК 1 P СКУ N zar (t 1) 1 PСКУ ;

(2) число незарегистрированных ЗС в момент времени t N zar (t ) N zar (t 1) 1 PЗВК ;

(3) число ЗС, передавших пакет состояния N ПРД (t ) N zar (t 1) PЗВК PСКУ N zar (t 1) PСКУ. (4) На начальном этапе сбора информации N zar 0, N zar N ЗС, где N ЗС количество опрашиваемых ЗС (КО в АСУ ОН).

Процесс оперативного сбора информации в режиме списочного опроса представляет собой конечную марковскую цепь (КМЦ). Состоянием данного процесса является количество передавших ЗС в режиме списочного сбора информации Si i 0, N ЗС, (5) где i - количество ЗС, передавших пакет состояния на ЦУСС;

N ЗС - количество опрашиваемых ЗС.

Количество состояний рассматриваемого случайного процесса равно:

Q N ЗС 1. (6) где N ЗС - количество опрашиваемых ЗС.

Матрица переходных вероятностей (МПВ) процесса сбора информации в режиме списочного опроса синтезируется по следующему правилу.

Правило 1.

(1 PЗВК ) N ЗС, n m P(n, m), (7) ( N ЗС m) ( m n) CN ЗС n PЗВК 1 PЗВК mn, mn где PЗВК - вероятность передачи сообщения по каналу ЗВК;

C ij - биномиальный коэффициент.

Алгоритмы СМД делятся на статические и динамические СМД.

Суть статического СМД состоит в неизменности параметра СМД (веро ятности передачи пакета в выбранный момент времени) в течение работы ал горитма. Сбор информации в режиме статического СМД представляет собой поглощающую марковскую цепь. Состояние данной цепи характеризуется двумя индексами S zn z 0, NСМД ;

n 0, NСМД, (8) где z - число зарегистрированных ЗС, то есть тех, кто успешно передал пакет состояния до ЦУСС, но не получивших КВ о своем доведении (в последую щем также участвуют в СМД). В начальный момент времени z 0 ;

n - количество незарегистрированных ЗС. В начальный момент времени n 0.

Процесс сбора информации в режиме статического СМД является так же КМЦ, и его МПВ находится по следующему правилу.

Правило 2:

G i i (G i ) z CG Pc (1 Pc ) PЗ ' i PСКУ, m n, k z i 1 G G C i P i (1 P )(G i ) N n P ' i P G c СКУ, m n 1, k z (9) З c G i P r1, r 2 G (G i ) 1 PЗ ' i PЗ ' i 1 PСКУ, m n, k z z 1 Pc CG Pc (1 Pc ) G ii G i G N n CG Pci (1 Pc )(G i ) PЗ ' i 1 PСКУ, m n 1, k z i i1 G где r1, r 2 - порядковые номера состояний до и после очередного t -го вре менного сегмента (слота);

N - количество незарегистрированных ЗС в начальный момент времени, участвующих в СМД, информация о состоянии которых на ЦУСС отсутству ет (в начальный момент времени равно количеству опрашиваемых ЗС);

G - общее количество ЗС, участвующих в передаче пакета состояния в текущий момент времени (как зарегистрированных так и незарегистрирован ных);

Pc - вероятность передачи пакета состояния (параметр процедуры);

PСКУ - вероятность успешной передачи КВ от ЦУСС в адрес объектов;

PЗ ' n - совокупная вероятность захвата одного пакета состояния из n одновременно передаваемых, определяемая как:

( PЗ (n) PЗ (n) PЗВК, ' 10) где PЗВК - вероятность успешной передачи пакета состояния ЗС.

Задача определения оптимального значения параметра статического СМД решается численным методом на основе метода «золотого сечения».

Суть динамического СМД состоит в динамическом изменении парамет ра протокола в процессе работы алгоритма с целью улучшения его характе ристик.

В рамках исходного исследуемого процесса задачу изменения парамет ра Pc необходимо проводить в целях увеличения вероятности передачи паке та состояния PПРД.в каждом из состояний, что в итоге приведет к наимень шему времени сбора информации. Так как состояние процесса сбора инфор мации характеризуется количеством ЗС, участвующих в передаче пакета со стояния, вероятность передачи пакета состояния в текущем состоянии для заданного значения Pc имеет вид:

G G i PПРД ( Pc ) CG Pci 1 Pc Pз ' i, i (11) i где G - количество передающих ЗС.

Исходя из приведенной аналитической зависимости, должен быть сформирован вектор оптимальных значений параметра СМД, элементами ко торого являются оптимальное значение Pcopt, обеспечивающее максимальное значение вероятности передачи пакета состояния для текущего количества G участвующих в передаче ЗС. Данная задача также решается численным ме тодом на основе метода «золотого сечения».

Исходя из сформированного вектора оптимальных значений, алгоритм работы динамического протокола СМД в соответствии с организацией струк туры спутникового канала связи имеет следующий вид.

1. Оценка текущего состояния случайного процесса сбора информации количества участвующих в передаче объектов в течение каждого слота теку щего номера (1 или 2) множества кадра.

2. Выбор и передача оптимального значения параметра Pc для текущего состояния.

Оценка количества участвующих в передаче объектов Gb (b 1,2) в од * ном из двух множеств кадров b, исходя из результатов передачи и оценки помеховой обстановки по окончании каждого слота, производится по сле дующему правилу.

Правило 3.

G* max 0;

G* P СКУ, succ b b, (12) Gb Gb, idleor coll * * где succ - успешная передача;

idleor coll - отсутствие передачи в канале связи или неуспешная переда ча;

* Gb - оценка количества ЗС, передающих в кадре множества b.

* Оценка Gb проводится по окончании каждого слота текущего номера кадра. Изначально оценка количества объектов, участвующих в процессе сбора информации, равна количеству объектов, участвующих в СМД ( NСМД ).

Выбор оптимального значения Pcopt из вектора Pcopt производится ис ходя из средней нагрузки на слот. Оценка средней нагрузки ЗС, приходящей ся на слот, равна:

G* Gb, slot round b * K slot. (13) Так как индексы вектора оптимальных значений параметра Pc целочислен ные, вводится операцию округления ( round ).

На ЦУСС происходит непрерывная оценка среднего количества участ вующих в передаче ЗС на слот с учетом предыдущего значения оценки и пе редача оптимального значения параметра динамического СМД по истечении каждого слота в квитанции (КВ).

Оценка характеристик работы алгоритма сбора информации на основе ди намического СМД проводилась посредством имитационного моделирования.

Характеристиками процесса сбора информации о состоянии ЗС (КО в АСУ ОН) являются:

среднее время сбора информации;

дисперсия времени сбора информации;

ВВХ сбора информации, характеризующая своевременность сбора информации;

Расчет среднего и дисперсии времени сбора информации на основе спи сочного алгоритма и статического СМД производится на основе теории по глощающих КМЦ следующим образом.

1. Представление МПВ в каноническом виде:

P (14) OI, где - матрица размерности Q 1 Q 1, элементы которой суть переход ные вероятности из невозвратных состояний в невозвратные, - матрица размерности Q 1 1 переходных вероятностей из невоз вратных состояний в поглощающее;

O - нулевая матрица размерности 1 Q 1 ;

I - единичная матрица размерности 11.

2. Переход к фундаментальной матрице поглощающей КМЦ:

T ij I, (15) где ij - среднее время нахождения процесса до поглощения в состоянии j при выходе из состояния i.

3. Расчет среднего времени сбора информации :

(0) T, (16) где - вектор столбец, все компоненты которого равны 1, а дисперсия сред него времени сбора информации;

0 - вектор начальных состояний случайного процесса. Расчет дис персии времени сбора информации D :

D (0)(2T I )T ( (0)T )2, (17) где T - вектор – столбец, элементы которого – среднее время до поглощения при выходе из состояния, соответствующего номеру строки. Данный вектор столбец определяется следующим образом:

T T. (18) Расчет ВВХ сбора информации проводится на основе МПВ процесса сбора информации с использованием уравнения Колмогорова-Чепмена:

(t ) (t 1) P, (19) где (t ) вектор вероятностей состояний цепи в момент времени t ;

(t 1) - вектор вероятностей состояний цепи в момент времени t 1;

P - МПВ исследуемого процесса.

Расчет характеристик динамического СМД исследуемого процесса произ водится путем имитационного моделирования с использованием теории ма тематической статистики.

В третьем разделе производится сравнение эффективности работы каж дого из рассматриваемых алгоритмов на различных этапах сбора информа ции за счет введения такого понятия как скорость сбора информации.

Скорость сбора информации - это темп роста за единицу времени количе ства ЗС (КО в АСУ ОН), от которых получена информация. Количество заре гистрированных ЗС, передавших пакет состояния, не учитывается.

Исходя из определения, скорость сбора информации рассчитывается по следующей формуле:

N ПРД ( Ссбор, Tпрд ) где N ПРД - количество незарегистрированных ЗС, передавших пакет со стояния за время передачи Tпрд.

Расчет N ПРД для каждого алгоритма производится на основе составлен ных математических моделей.

Исследование скорости сбора информации списочного алгоритма и СМД на различных этапах сбора информации позволило выявить наличие точки оптимального переключения между режимами работы ЗВК и разработать ме тодику ее определения, позволяющую повысить своевременность сбора ин формации и являющуюся основой комбинированного алгоритма (процеду ры), включающего в себя как списочный алгоритм сбора информации, так и алгоритм СМД. Выбор между статическим и динамическим СМД обусловлен информационной нагрузкой на ЦУСС.

Расчет остаточного времени, в течение которого необходимо проводить сбор информации после переключения ЗВК в режим СМД TEnd SMD, произ водится исходя из количества зарегистрированных и незарегистрированных ЗС и помеховой обстановки на основе функции распределения времени сбора информации с учетом требуемой вероятности сбора информации Pтр.

Механизм оценки N zar и N zar в зависимости от принадлежности приня того пакета состояния к зарегистрированной или незарегистрированной ЗС состоит в следующем:

при приеме пакета состояния от зарегистрированной ЗС:

N * N zar PСКУ * zar * ;

(21) N zar N zar * при приеме пакета состояния от незарегистрированной ЗС:

N * N zar (1 PСКУ ) * zar *. (22) N zar N zar * На начальном этапе N * и N * равны соответствующим результатам zar zar оценки работы списочного алгоритма Комбинированный алгоритм сбора информации представлен на рисунке 1.

Функциональное назначение блоков алгоритма состоит в следующем.

1. Инициализация сбора информации на основе списочного алгоритма.

2. Сбор информации на основе списочного алгоритма.

3. Проверка условия на завершение процесса сбора информации.

4. Оценка эффективности работы и выбор алгоритма сбора информации (режима работы ЗВК) 5. Проверка условия на сбор информации в режиме СМД.

6. Инициализация сбора информации в режиме СМД с доведением до ЗС оптимального значения параметра СМД 7. Сбор информации на основе СМД в течении TEnd SMD (в случае ис пользования динамического СМД – сбор информации с расчетом оп тимального значения параметра СМД для текущего состояния процес са).

Полученные результаты моделирования для частного случая помеховой СКУ 0.9, PЗВК 0.6 ) при оптимальном размере кадра, равном обстановки ( P восьми слотам (0,64 с.) представлены на рисунках 2 и 3.

На рисунке 2 представлен график сравнения ВВХ алгоритмов сбора ин формации при количестве опрашиваемых ЗС, равном 120. Время представле но в длительности слота (0,08 с). Из данного графика следует, что ВВХ ком бинированного алгоритма сбора информации находятся выше ВВХ осталь ных алгоритмов. Сравнивая каждый алгоритм по отдельности, становится ясным, что при сложной помеховой обстановке организация оперативного сбора информации в режиме СМД является более эффективной по отноше нию к списочному алгоритму такого сбора.

На рисунке 3 представлен график зависимости среднего времени опера тивного сбора информации от количества опрашиваемых ЗС при тех же ус ловиях помеховой обстановки. Из данного графика видно преимущество не только комбинированного алгоритма сбора информации, но и алгоритмов СМД, адаптированных под решение задачи оперативного сбора информации с учетом состояния помеховой обстановки и наличия явления захвата, над классическим псевдо-Байесовским алгоритмом (PB Aloha) СМД, являющим ся наиболее эффективным из используемых классических алгоритмов.

НАЧАЛО инициализация сбора информации на основе списочного алгоритма (передача КИ в кол-ве v повторов) сбор информации на основе списочного алгоритма все ЗС 3 да довели?

нет Оценка эффективности работы и выбор алгоритма 4. оценка P, PЗВК СКУ 4.4 4. 4.3 4. прогнозирование Pcopt оценка рез-ов расчет выбор алг-ма на шаге (t 1) рез. работы списочного 4. СМД алгоритма прогнозирование работы и скорости скорости сбора N zar, N zar сбора списочного СМД алгоритма 4. СРАВНЕНИЕ И ВЫБОР (с расчетом v ) нет СМД?

да инициализация сбора информации на основе СМД Pcopt и доведение сбор информации на основе СМД в TEnd SMD течении (с расчетом Pcopt для дин.СМД) КОНЕЦ Рисунок 1 – Комбинированный алгоритм сбора информации о состоянии ЗС Функция распределения времени Среднее время сбора информации спис.+стат.СМД спис.+дин.СМД PB Aloha сбора информации стат.СМД стат.СМД дин.СМД (слот) дин.СМД спис. алг. спис.+стат.СМД спис.+дин.СМД Количество опрашиваемых ЗС Время (слот) Рисунок 2 Рисунок ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения работы был разработана процедура взаимодействия центральной и абонентских станций в режиме оперативного сбора данных о состоянии КО в АСУ ОН, включающая в себя:

методику определения точки переключения между режимами рабо ты ЗВК ССС «VSAT» и оптимального значения параметра СМД;

алгоритмы функционирования КАУ ССС и ПАУ ЗС ССС «VSAT»;

Реализация разработанной процедуры позволит обеспечить требуемую своевременность сбора информации о состоянии КО в АСУ ОН по ЗВК ССС «VSAT» в условиях различной помеховой обстановки и специфики функ ционирования ССС, сократить время сбора информации по отношению к ал горитму на основе: статического СМД на 50% ;

динамического СМД на 30% и 80% по отношении к списочному и существующему алгоритмам.

Дальнейшие исследования можно продолжить в таких направлениях:

организация приоритетного статического и динамического сбора информации в режиме СМД по ЗВК по отношению к служебным пакета;

оптимизация предложенного процедуры с учетом ее комплекси рования с другими подсистемами сбора информации о КО в АСУ ОН.

Список основных трудов, опубликованных по теме диссертации:

Кондрашин А.Е. Информация об ионосфере и коротковолновая радио связь. // Информация и космос. 2001. № 1. С. 31-34.

Кондрашин А.Е., Присяжнюк А.С. Модуль расчта радиолинии тропо сферной связи по цифровой картографической информации в условиях преднамеренных и непреднамеренных помех с учтом рельефа местно сти и объектового состава. // Информация и космос. 2004. № 2. С. 60-63.

Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Кондрашин А.Е. Максимальная частота отражения декаметровой волны от сферически-слоистой ионосферы. // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. Издание на ционального технического университета Украины. «Киевский политех нический институт». 2005. № 5. С. 12- 20.

Пашинцев В.П., Кондрашин А.Е. Методика оценки времени перерыва космической связи при взрывах в ионосфере. Сборник научных трудов.

Выпуск № 23. – Ставрополь: СВИС РВ, 2005. С. 79-82.

Кондрашин А.Е. Методика измерения диффузности в декаметровой ра диосвязи. // Информация и космос. 2006. № 2. с. 35- 39.

Присяжнюк А.С., Амбрасовский С.В., Кондрашин А.Е. Комплекс плани рования, организации и восстановления радиосвязи на основе цифровых карт местности. // Информация и космос. 2007. № 3. с. 113-120.

Кондрашин А.Е. Описания основных режимов адаптации системы ра диосвязи метрового диапазона к помеховой обстановке. // Труды VII Российской НТК. «Новые информационные технологии в системах свя зи и управления». 3 – 4 июня 2008 г. - Калуга: изд-во Н.Ф. Бочкаревой.

С.106-111.

Шиманов С.Н., Кондрашин А.Е. Моделирование и сравнительный ана лиз вариантов организации сбора информации в системе поллинга с ши роковещательным каналом // LХV Научная сессия, посвященная дню радио. Труды. Т.1. – М: Радиотехника. 2010. С.230-232.

Шиманов С.Н., Кондрашин А.Е. Обоснование необходимости организа ции сбора информации в режиме случайного множественного доступа в условиях сложной помеховой обстановки // IV Международная НТК.

Сборник трудов. Т.2. – Серпухов 2010. С.280-282.

Кондрашин А.Е. Математическая модель поллинга в системе сбора ин формации о состоянии контролируемых объектов. // Труды IX Россий ской НТК. «Новые информационные технологии в системах связи и управления». 2 – 3 июня 2010 г. - Калуга: изд-во ООО «Ноосфера».

С.233-235.

Кондрашин А.Е. Варианты поллинга в широковещательном канале. // Проблемы обеспечения эффективности и безопасности функционирова ния сложных технических и информационных систем. Сборник №4.

Труды XXIХ Всероссийской НТК. – Серпухов, 2010. С.137-139.

Шиманов С.Н., Кондрашин А.Е. Сравнение характеристик упорядочен ного и самоорганизующегося алгоритмов сбора информации в условиях сложной помеховой обстановки. // Проблемы обеспечения эффективно сти и безопасности функционирования сложных технических и инфор мационных систем. Сборник №3. Труды XXIХ Всероссийской НТК. – Серпухов, 2010. С.124-127.

Патент № 63080 на полезную модель РФ, МПК G06F 15/00. Устройство для моделирования системы связи / Заявитель и патентообладатель СВИ РВ. – № 2006136505;

заявл. 16.10.2006. Шиманов С.Н., Чайков С.С., Буланов С.А.

Кондрашин А.Е.

Отчет об ОКР «Решка» - Серпухов МОУ «ИИФ», 2009. С. 67-91.

Отчет об ОКР. Решка». - Серпухов МОУ «ИИФ», 2010. С. 65-78.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.