Городов И.А., кандидат военных наук, доцент; Беляев Д.В.; Трошков А.В.

Череповецкое высшее военное инженерное училище радиоэлектроники

Российская Федерация, 162600, Вологодская обл., г. Череповец, Советский пр., 126

 

Аннотация. Развитие систем и технологий радиосвязи за последние десятилетия привело к значительному изменению радиоэлектронной обстановки (РЭО).Все это вынуждает организации международного и национального уровней радиоконтроля пересматривать взгляды на ведение радиомониторинга. В частности, к одной из функций, связанной с контролем РЭО в интересах специальных операций. Полезность системы радиомониторинга в этом случае не всегда очевидна и трудно формализуема. В статье предлагается подход к решению задачи оценки эффективности на основе использования ряда показателей качества, приведены результаты моделирования.

Ключевые слова: радиоэлектронная обстановка, радиомониторинг, система множественного доступа, алгоритм депакетирования, демаскирующие признаки, оценка эффективности.

 

Р

азвитие систем и технологий радиосвязи за последние десятилетия привели к значительному изменению радиоэлектронной обстановки (РЭО). Для РЭО в настоящее время характерным является увеличение количества радиоэлектронных средств (РЭС) и используемых протоколов радиосвязи, повышение степени интеллектуальности РЭС, изменение архитектуры радиосистем, при котором радиосистемы представляются компонентами компьютерных систем. Все это вынуждает организации международного и национального уровней радиоконтроля пересматривать подходы к радиомониторингу [2]. В частности, к одной из функций радиомониторинга, связанной с контролем РЭО в интересах специальных операций.

Современные радиосистемы по принципу построения являются системами множественного доступа с каналами связи различных диапазонов частот. Они сочетают в себе сотни приемопередатчиков и доступные всем пользователям каналы связи. Каждому приемопередатчику соответствуют десятки источников сообщений (ИС) и получателей сообщений (ПС). Отдельный абонент системы (компьютер), как правило, не имеет необходимости в постоянном использовании канала. Он создает нерегулярную нагрузку, объем которой существенно меньше пропускной способности канала. Для упорядочения использования ресурсов канала абонентами вводится последовательность обязательных действий, выполняемых ими при возникновении потребности в передаче сообщения. Эту последовательность определяет протокол множественного доступа. Протоколы множественного доступа стандартизованы для радиосистем Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) и другими полномочными организациями в виде рекомендаций.

По принципу функционирования радиосистемы с множественным доступом выполняют роль концентраторов нагрузки. Важнейшей особенностью применения радиосистем с множественным доступом является их рекурсивная вложенность (рис.1).

Особенности построения и функционирования всех рекурсивно вложенных друг в друга систем множественного доступа (СМД) находят отражение в трафике фрагмента системы связи, который они составляют, что позволяет использовать содержание и особенности трафика для получения материалов и сведений различного характера в интересах системы радиомониторинга.

Эффективность функционирования каждой СМД зависит от эффективностей каналообразующих средств и используемого протокола множественного доступа (ПМД) [4; 5]. Для повышения устойчивости и пропускной способности радиосистем множественного доступа применяются специальные меры, в том числе использование сигнально-кодовых конструкций (СКК), обеспечивающих в каналах связи без памяти близкую к границе Шеннона пропускную способность. Текущее состояние канала данных определяет порядок использования сигналов передатчиками. Состояние СМД определяют состояния источников сообщений (ИС) и каналов доступа (КД).

 

Рисунок 1. Рекурсивная вложенность радиосистем с множественным доступом

 

Алгоритм множественного доступа задает матрица использования позиций сигнала передатчиком в том или ином состоянии, называемая матрицей доступа. Элементами матрицы доступа могут быть нули или единицы, либо – вероятности, тогда стратегию доступа называют смешанной. Задача совместной оптимизации неадаптивных СКК и алгоритмов множественного доступа (АМД) состоит в определении матриц доступа, обеспечивающих наилучший в некотором смысле режим функционирования распределенной системы множественного доступа (РСМД). Поиск лучшего алгоритма динамического выбора матриц доступа составляет содержание задачи совместной оптимизации СКК и АМД, адаптирующихся к изменениям распределения нагрузки и характеристик каналов доступа. В соответствии с этими взглядами разрабатывается и функционирует большинство современных радиосистем. Радиосистемы реализуются на основе использования эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). Регламентация моделей определяется стандартами для модемов передачи данных.

Рассмотрим РСМД cисточниками сообщений (ИС) и получателями сообщений (рис. 2).

 

 

Рисунок 2. Структура РСМД общего типа

 

Каждому источнику или группе источников, относящихся к одному объекту, соответствует свой модем (передатчик)– М, каждому получателю или группе получателей свой модем (приемник). Выполняемые ими операции включают совокупность процедур доступа, модуляции, кодирования. Потенциально каждый кодер источника может осуществлять передачу дискретных сообщений к каждому декодеру получателя. Все сообщения, передаваемые в РСМД, являются явно или неявно адресованными. Часть сообщения, которая может быть передана в РСМД независимо, называется пакетом. Сообщение может состоять из одного или нескольких пакетов.

Определим показатель эффективности системы радиомониторинга РСМД в виде одного общего показателя, который учитывает все частные показатели обработки СКК. Он определяет отношение результатов обработки к затратам ресурсов на ее осуществление:

(1)

где:N – количество решенных задач обработки;

K– качество решений;

Z– затраты ресурсов на обработку;

T– временные затраты.

При этом под оценкой качества решения будем понимать вероятность правильного решения соответствующей задачи за нормативное время.

Степень распознавания объекта радиомониторинга определяется числом обслуживающих его ИС, которые независимо создают демаскирующие признаки, таким образом, вероятность распознавания объектов определяется как показатель для систем параллельного резервирования [1;3;6]:

 ,                                                   

(2)

где:  – число ИС;

 – вероятность правильного распознавания ИС.

Вероятность распознавания ИС определим как вероятность обнаружения объекта с ограничениями [1;3;6]:

 

 ,                               (3)

где: – нормативная вероятность распознавания объекта радиомониторинга.

Вероятность решения информационных задач определим произведением полноты данных, подвергаемых обработке и достоверности данных, при заданных значениях информативности входного потока и вероятности ошибочного решения задач (инструментальная ошибка):

 ,                                (4)

где:  – полнота данных, подвергаемых обработке

 – достоверность данных, подвергаемых обработке

 – информативность входного потока;

 – инструментальная ошибка.

Полнота определяется количеством опознанных из некоторого входного массива сообщений за определенное время:

                                                 (5)

где:  – число релевантных сообщений, на основе которых решалась i задача радиомониторинга;

 – число релевантных сообщений поступивших на вход системы, но не участвовавших в решении задачи.

Достоверность характеризует точность решения задач за нормативное время. Она измеряется количеством сообщений, отражающих исследуемое событие и мерой сходства решений в случае ошибки:

(6)

где  – число нерелевантных сообщений при решении задачи.

Модель функционирования РСМД определяется моделью функционирования направления связи, если сообщения во всех направлениях передаются по одинаковым алгоритмам. Это имеет место практически во всех РСМД. В зависимости от назначения радиосистемы и вида канала связи используется большое количество пакетных протоколов, стандартизованных как Международным союзом электросвязи (МСЭ), так и другими полномочными организациями.

При обработке сообщений от источников самым распространенным барьером является ситуативный барьер, характеризующий несоответствие между количеством поступающей информации и возможностями обрабатывающей системы. Рассмотрим возможности РСМД по формированию сообщений и системы радиомониторинга по их обработке[3;5].

Суть пакетных методов заключается в разбиении информационного сообщения на отдельные блоки и передаче их по коммуникационной сети к потребителю. На приемной стороне происходит обратное преобразование, заключающееся в извлечении фрагментов информационного сообщения из пакетов и объединении их в исходное сообщение. Особенность пакетной передачи заключается в том, что пакеты одного сообщения могут быть доставлены потребителю различными путями (по различным маршрутам). Хотя пакетная передача не является способом мультиплексирования цифровых потоков, с точки зрения приемной стороны обработка пакетной информации имеет много общего с демультиплексированием цифровых потоков. Для выделения информации из пакета необходимо принять пакет, определить место информационных символов в пакете и считать их в некоторый буфер, хранящий другие части информационного сообщения.Так как приемная сторона обычно имеет дело с обработкой данных на канальном уровне, т.е. в соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем оперирует с кадрами данных, то обрабатываемый кадр данных в общем виде представляется следующей структурой (табл.1).

 

Таблица 1

Структура кадра данных

№ п/п	Содержание
1	Заголовок кадра
2	Заголовок пакета
3	Заголовок передачи
4	Заголовок процесса
5	Информация пользователя
6	Концевик кадра

 

Алгоритм выделения информационной части (депакетирования) сообщения представлен блок-схемой рис.3.

Рисунок3. Алгоритм выделения информационной части пакета

 

Работа алгоритма начинается с ввода исходных данных, в которых содержатся сведения о параметрах пакетной структуры в соответствии с используемым стандартом, затем производится запись очередного блока (кадра) информации в некоторый буфер (ОЗУ). После записи информации в ОЗУ с помощью специальной программы начинается ее обработка. Вначале, используя информацию о протоколе информационного обмена, определяются заголовки кадра, пакета, процесса и передачи, а также устанавливается позиционное положение проверочной части (концевика). После завершения определения местоположения основных элементов кадра считываются адреса корреспондентов, номер пакета и тип пакета. Анализ данной информации позволяет сделать вывод о принадлежности принятого пакета принимаемому сообщению. Если принятый пакет относится к принимаемому сообщению, то определяются границы информационной части, удаляются «нули» битстаффинга, считывается информационная часть и записывается в выходной буфер, в противном случае (пакет не информационный, либо принадлежит другому сообщению) выделение информационной части не производится и программа обработки переходит в режим ожидания очередного кадра входных данных. После проверки является ли принятый пакет последним в принимаемом сообщении, осуществляется либо регистрация сообщения, либо переход в режим ожидания очередного кадра данных.Характер передаваемой информации в пакетном режиме может быть самым разнообразным (различные форматы файлов): речь, графика, передача данных, текст и т.п. При передаче речи накопление информационной части в буфере не производится, а выделенная информационная часть подается непосредственно на речевой декодер.Специфика обработки в сетях с пакетной коммутацией может быть связана с отсутствием информации об используемых протоколах информационного обмена в наблюдаемой коммуникационной сети. В этом случае требуются специальные программные средства для вскрытия структуры протоколов, а приемная система должна быть адаптивной и самообучаемой в ходе обработки.

Выделение информационной части пакета основывается на распознавании ИСв соответствии со структурой алгоритма (рис.3). Решение задач распознавания ИС сопровождается элементами случайности. Исход ожидаемого результата не может быть точно предсказан, будет случайным. Поэтому в качестве показателя эффективности распознавания используем неслучайные характеристики случайной величины. В частности – вероятность события, поскольку задача решается достижением определенного эффекта.

Математическая модель решения задачи распознавания ИС основана на следующем абстрактном описании.

Система имеет множество ИС (компьютеров) – с неограниченными очередями потоков, сообщения поступают в очередь и опрашиваются единственным обслуживающим прибором (контроллером ЛВС);

Сообщения представляют собой Пуассоновский поток – с интенсивностями –

Суммарная интенсивность сообщений, поступающих в канал связи –

Вклад одного источника сообщений в трафик –

Проявление признаков распознавания ИС зависит от наличия и интенсивности передачи пакетов этого источника в потоке данных контролируемой радиосистемы. [3].

Различия ИС определяют демаскирующие признаки. [1; 3; 6]. Под демаскирующими признаками будем понимать любые количественные либо качественные меры, отличающие один ИСот другого. Носителями демаскирующих признаков являются технические параметры ИС (СКК, используемые протоколы и стандарты информационного обмена, характеристики этапов формирования сигналов и т.п.). По своей природе демаскирующие признаки можно разделить на технические и организационные. В свою очередь они могут быть индивидуальными и типовыми. Анализ индивидуальных признаков позволяет осуществлять идентификацию (поэкземплярное распознавание) ИС, а анализ типовых позволяет решать задачи классификации. К типовым демаскирующим признакам относятся признаки характерные для определенного протокола РСМД. По характеру проявления организационные демаскирующие признаки можно разделить на опознавательные и признаки состояния. Опознавательные признаки позволяют отнести ИС сообщения к конкретному модему(передатчику), каналу связи, радиосистеме, объекту радиомониторинга. Признаки состояния выводят на изменения структур, режимов, интенсивности трафика.

,

(7)

где:  – число ИС, обладающих некоторым признаком;

 – общее число ИС.

(7) показывает, что более информативными являются одиночные признаки, а признаки присущие группе источников уменьшают его значение. Для учета вклада отдельного признака в обобщенный показатель возможно использование весовых коэффициентов.

Расчет вероятности распознавания ИС(3) в зависимости от коэффициента информативности (7) отражает семейство кривых (рис.4). На их основе можно провести оценку достижения системой радиомониторинга нормативных значений распознавания ИС при различных условиях.

Рисунок 4. Зависимость  при различных частных условиях:

При определении своевременности распознавания ИС в задачах радиомониторинга необходимо учитывать оперативность их решения. Ограничения по времени задаются директивно, их значения заметно отличаются для различных ситуаций. Вероятность проявления признака за время наблюдения в РСМД зависит от интенсивности появления пакетов одного источника сообщенийв контролируемом потоке данных. [4; 5]. РСМД функционируют в условиях смешанной нестационарной нагрузки. Предположим, что процессы на выходе всех ИС дискретны и независимы,поэтому появление пакета, относящегося к одному источнику, случайно и определяется законом распределения Пуассона.

,                                                     (8)

где: – интенсивность смены параметров ИС.

С учетом введенных показателей определим полноту проявления признака за время наблюдения за источником:

,                                                    (9)

где  – время наблюдения ИС.

Результаты моделирования приведены на рис. 5.

Анализ кривых показывает, что при определенной интенсивности смены параметров кадрово-пакетных структур значение коэффициента информативности достигает высоких значений за десятки минут наблюдения за радиосистемой.

Новизна подхода при формализации задачи оценки эффективности системы радиомониторинга заключается в описании изменившихся условий работы ИС, определяемых массовым переходом к использованию РСМД, определении основных показателей: эффективности на основе использования вероятностных показателей решения задач обработки сигналов и выделения сообщений, разработке алгоритма выделения сообщений в пакетной структуре РСМД и моделирования на основе введенных показателей для оценки вероятности распознавания ИС. Полученные соотношения в рамках моделирования могут быть использованы при проектировании и модернизации технических структур радиомониторинга.

Рисунок5. Зависимость  при различных частных условиях:

Выводы:

1. Развитие радиосистем,связанное с реализацией новых архитектур построенных на принципах РСМД, привело к изменению принципов организации и интенсивности трафика, что оказывает негативное влияние на эффективность системы радиомониторинга.

2. Эффективность системы радиомониторинга предлагается оценивать на основе использования вероятностных показателей с выделением демаскирующих ИСпризнаков.

3. Моделирование позволяет сделать следующие заключения:

уровень распознавания ИС зависит от корректного описания , определяемого числом и весом параметров кадрово-пакетных структур СКК;своевременность достижения требуемых значений  зависит от интенсивности смены параметров кадрово-пакетных структур РСМД.

 

Литература:

1. Абчук В.А. и др. Справочник по исследованию операций/под общ. ред. Ф.А. Матвейчука. М.: Воениздат, 1979. 368 с.

2.Аксенов В.О. Современное состояние и тенденции развития систем радиоконтроля // Электросвязь. 2017. №9. С.15-20.

3.Городов И.А. Обработка сигналов систем радиосвязи аппаратно-программными средствами. Череповец. ЧВИИРЭ. 2009. 416 с.

4. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов /под ред. В.С. Семенихина. Радио и связь, 1986. 408 с.

5.ПутилинА.М. Радиосистемы с множественным доступом / под ред. А.М. Чуднова.СПб.: ВАС, 1998.148 с.

6. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства/под ред. А.М. Рембовского. М.: Горячаялиния – Телеком, 2006 г.– 492 с.

 

References

1. Abchuk V.A. Glossary for operations research. //М.: Voenizdat, 1979. p. 368.

2. AksenovV.O. Mordernpostionandevelopmenttrendradiocontrol systems. // Electrosvyaz. 2017. №9. p.15-20.

3. GorodovI.A. Signalprocessingofcommunicationsystems.// Cherepovets. CVVIURE. 2009. p.416.

4. MizinI.A., BogatyrevV.A., KuleshovA.P. Packets commutation networks. //Radio and communication, 1986. p. 408.

5. PutilinA.M. Multipleaccess radio systems.//St.Pt..: MAC, 1998. p.148.

6. RembovskiyA.M., AshihminA.V., KozminV.A. Radiomonitoring: objects, methods, tools.// М.: Hot line – Telecom, 2006, p. 492.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: