Управление режимами когнитивной радиосистемы для повышения эффективности передачи информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Батурин Иван Сергеевич

• Батурин Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Батурин Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Когнитивные системы радиосвязи

1.1 Анализ современного состояния систем радиосвязи

1.2 Когнитивность в программно-определяемом радио

1.3 Анализ целей и критериев оценки систем радиосвязи

1.4 Анализ ограничений рассматриваемых систем радиосвязи и методов их преодоления

1.5 Подходы к поддержке принятия решений по управлению параметрами

сложных систем

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Иерархическая модель когнитивной радиосистемы

2.1 Иерархическая модель системы радиосвязи

2.2 Подготовка экспертизы

2.3 Формирование оценочных матриц и расчет влияния параметров на эффективность радиосистемы

2.4 Анализ результатов оценки влияния параметров системы на

эффективность передачи информации

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Разработка и оценка эффективности методики управления характеристиками когнитивной радиосистемы

3.1 Основные принципы управления характеристиками работы радиосистемы

3.2 Исследование режимов работы радиосистемы в аналоговых системах связи

3.3 Результаты исследования влияния параметров радиолиний в цифровых системах связи

3.4 Алгоритм управления режимами радиолиний

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Реализация разработанных методов анализа и управления

параметрами радиолинии когнитивной радиосистемы

4.1 Применение разработанного метода при проектировании систем радиосвязи

4.2 Автоматизированная программа расчета параметров радиолиний для

повышения эффективности передачи информации

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложение А Акты о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление режимами когнитивной радиосистемы для повышения эффективности передачи информации»

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие беспроводных технологий и сетей беспроводной связи вызвало широкий спрос на их использование, как в повседневной жизни, так и в сфере безопасности, медицины, автоматизации и обеспечения деятельности силовых структур. Однако беспроводные технологии в широком понимании означают связь не только в локальном масштабе, но и в глобальном тоже. Очевидно, что для построения систем радиосвязи при решении задач доставки информации в глобальном масштабе требуется использование разнородных сетей обмена информацией и современных технологий при разработке оборудования, что требует принятия некоторых компромиссов для достижения стабильности работы радиотехнической системы. Актуальность темы исследования обусловлена тем, что решение такой задачи в настоящее время не имеет формализованных подходов для выработки технических решений на стадии проектирования радиосистем.

Развитие технологии программно-определяемых средств радиосвязи (SDR технологии) и технологии когнитивного радио позволяют создавать достаточно гибкие радиосистемы на локальных уровнях, однако достаточно остро встает вопрос алгоритмов управления параметрами радиосистемы для достижения наибольшей эффективности передачи информации [11,21,49,87]. Возникли противоречия между загруженностью сетей связи и возможностям и частотных ресурсов [87, 89].

При постановке задачи разработки радиотехнических систем заказчик, как правило, разрабатывает техническое задание на опытно-конструкторскую или научно-исследовательскую работу, в котором в назначении изделия отражается конечная желаемая цель разработки. Однако при этом не проводится оценка способов реализации системы для достижения цели или реализуемости проекта в целом. Таким образом, при составлении технического задания присутствует фактор

неопределённости, что негативно сказывается на процессе разработки и характеристиках получившейся в её результате радиосистемы.

Направлением исследований диссертации являются вопросы применения методов иерархического анализа и принятия решений к когнитивным радиосистемам.

Степень научной разработанности проблемы. Существенный вклад в развитие радиосвязи и обработки информации внесли отечественные и зарубежные ученые: А.Г. Зюко, А.И. Калинин, Б. Скляр, А.В. Дворкович, Д.Д. Кловский, Дж. Прокис, К. Клэнси, Д. Хекер, Д. Митола.

При исследовании подходов и методов системного анализа автор опирался на труды отечественных и зарубежных ученых: В.Н. Чернышова, А.В. Чернышова, П. Харкера, Т. Саати, Д. Голдберга.

Их исследования по направлениям передачи информации, ее обработке, управлению параметрами и системному анализу составляют теоретическую основу для решения поставленных задач.

В работах этих ученых рассматриваются вопросы построения радиосистем и их составных частей, особенностей радиолиний различных диапазонов частот, вопросов передачи информации различного назначения. Также описываются основные методы по управлению параметрами в автоматических и автоматизированных системах, элементы теории принятия решений, критерии принятия решений.

В этой области можно выделить работы А.А. Сироты, В.В Хворенкова, В.Г. Радзиевского, В.Г. Суздаля, В.К. Маригодова, В.Ф. Крапивина, Г.Н. Дюбина, Д. Снайдера, Дж. Медича, Е.А. Голубева, И.З. Климова, М.А. Бояршинова, Н.Н. Воробьёва, Э. Мулена, Э. Сейджа.

Вместе с тем, в недостаточной степени проработаны вопросы оценки значимости параметров радиолиний и определения приоритетов этих параметров при управлении когнитивной системой радиосвязи в сложной помеховой обстановке. Задача эффективного управления передачей информации в системе когнитивной

радиосвязи является задачей многокритериальной оптимизации - это максимизация скорости передачи, минимизация потерь, минимизация расхода ресурсов. Классификация по значимости параметров радиолинии и построение оптимизационной модели должно привести к повышению эффективности.

Объект исследования - когнитивные радиотехнические системы и радиолинии.

Предмет исследования - алгоритмы анализа и управления режимами когнитивной радиосистемы.

Цель исследования - повышение эффективности доставки информации в когнитивной радиосистеме путем адаптации режимов работы к предполагаемым условиям применения. Под эффективностью понимается доставка информации с заданной достоверностью в условиях ограничения ресурсов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен системный анализ параметров и выбор направлений развития разрабатываемых комплексов для оценки реализуемости технического задания на разработку когнитивной радиосистемы, с учетом достижений науки и техники на момент формирования технического задания на стадии выполнения опытно-конструкторских работ.

2. Разработана модель, позволяющая оценить влияние параметров когнитивной радиосистемы, на эффективность передачи информации (снижение энергоемкости, повышение скорости, повышение достоверности и снижение вычислительной нагрузки).

3. Проведена оценка расхода ресурсов, затрачиваемых радиосистемой, для передачи информации в течение времени, имеющийся запас этих ресурсов и эффективность их расхода в конкретном варианте применения когнитивной радиосистемы.

4. Разработан алгоритм изменения воздействия на управляющие параметры когнитивной радиосистемы при расходе ресурсов и воздействии внешних факторов для изменения режимов работы радиосистемы.

5. Автоматизированы расчеты важности параметров, влияющих на эффективность передачи информации и расход ресурсов когнитивной радиосистемы в аналоговых и цифровых режимах работы.

Методология и методы исследования. Теоретико-методологическую основу исследования составили труды отечественных и зарубежных ученых, занимающихся теоретическими и практическими вопросами: теории электрической связи, иерархического анализа, передачи информации и принятия решений.

Эмпирическую базу исследования составили статистические и другие информационные источники, материалы, характеризующие эффективность информационного обмена в радиосистемах различного назначения.

Научная новизна работы:

1. Предложена иерархическая модель когнитивной радиосистемы для оценки степени влияния элементов радиосистемы на эффективность доставки информации, отличающаяся от известных учётом ресурсов при передаче информации.

2. Определены параметры показателя эффективности связи когнитивной радиосистемы, влияющие на эффективность передачи данных в предложенных сценариях применения когнитивных радиосистем. Впервые определены нормы расхода ресурсов в цифровых и аналоговых режимах работы когнитивной радиосистемы при решении задач максимизации показателя эффективности связи.

3. Предложен алгоритм управления режимами когнитивной радиосистемы, повышающий эффективность доставки информации. Алгоритм отличается от известных выбором максимального показателя эффективности связи по матрице решений в различных условиях применения радиосистемы.

Практическая ценность результатов работы:

1. Предложенная модель когнитивного радио позволяет на стадии проектирования радиолиний различного назначения определять приоритетные параметры, по которым необходимо производить управление для достиже-

ния технических характеристик радиосистем и устройств, определенных техническим заданием

2. Применение разработанного алгоритма управления позволяет упростить процесс управления режимами работы радиосистемы для достижения поставленной цели, путём сокращения числа управляемых параметров.

3. Разработан стенд главного конструктора, позволяющий принимать научно-обоснованные решения по определению технических характеристик перспективных радиосистем различного назначения.

4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении СЧ ОКР «Смарт-Сеть-С», ОКР «Сатурн», выполненных АО «Сарапуль-ский радиозавод», а также внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова при изучении дисциплин «Мобильные системы передачи информации» по специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы», «Интеллектуальные технологии беспроводной связи» по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Радиотехнические системы передачи информации» по направлению «Радиотехника», что подтверждается соответствующими актами. В настоящее время результаты исследования используются при выполнении ОКР «Сатурн» по разработке комплекса средств связи, проводится верификация результатов исследования на изделиях, разработанных и изготавливаемых в ходе выполнения ОКР.

Решение поставленных задач и получение основных научно-практических результатов базируются на методах системного анализа, статистической теории связи, методах оптимизации, методах анализа иерархий. Также, в рамках работы применены методы численного и программно-аппаратного моделирования с использованием пакетов прикладных программ Matlab, MS SQL, Delphi, OMNeT++.

Положения, выносимые на защиту: 1. Модель определения приоритетов параметров, управляющих режимами работы когнитивной радиосистемы.

2. Модель оценки расхода ресурсов на управление параметрами радиолиний когнитивной радиосистемы при передаче информации в различных сценариях применения когнитивной радиосистемы.

3. Сценарии управления режимами работы когнитивной радиосистемы, повышающие эффективность обмена информацией при условии ограниченности ресурсов.

4. Информационная система стенда главного конструктора для моделирования функционирования когнитивной радиосистемы в условии ограниченности ресурсов на стадии предпроектных работ.

Достоверность выводов и рекомендаций обеспечивается использованием адекватного математического аппарата, соответствием результатов, полученных путем аналитического и имитационного моделирования, результатами экспериментальных исследований.

Теоретическая значимость исследования. Предложены алгоритмы решения задач многокритериальной оптимизации при построении цифровых систем радиосвязи. Предложенная модель когнитивного радио позволяет на стадии проектирования радиолиний различного назначения определять приоритетные параметры, по которым необходимо производить управление для достижения технических характеристик радиосистем и устройств, определенных техническим заданием. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы при дальнейшем развитии теории управления в цифровых системах радиосвязи.

Апробация результатов исследования

Результаты работы докладывались и обсуждались на ведущих научных конференциях, в том числе III Международной научно-технической конференции "Радиотехника, электроника и связь", 6 - 8 октября 2015 г., г. Омск; XI Международной научно-технической конференции "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства", 25-27 ноября 2015 г., г. Ижевск; ВНК ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, 20-22 мая 2015 г., г. Москва; ВНК ФГУП «18 ЦНИИ»

МО РФ, 24-26 мая 2017 г., г. Москва; V Международной конференции «Информационные технологии и нанотехнологии», 21-24 мая 2019 г., г. Самара; XXI Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», 18-22 ноября 2019 г., г. Казань, III Научный форум телекоммуникации: теория и технологии ТТТ-2019, 18-22 ноября 2019 г., г. Казань.

Публикации. По результатам диссертации опубликованы 19 научных работ, из них 3 научных труда в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертаций, 3 публикации индексируются в международных базах цитирования WOS/Scopus, получены 3 авторских свидетельства о регистрации программы для ЭВМ и баз данных.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 127 наименований. Она изложена на 168 страницах машинописного текста, приведено 38 рисунков и 31 таблица, 1 приложение.

ГЛАВА 1. КОГНИТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ 1.1 Анализ современного состояния систем радиосвязи

В последнее время в развитии технологий радиосвязи можно выделить несколько перспективных направлений: развитие сотовой связи пятого поколения (сетей широкополосного доступа), развитие SDR технологий, и технологий когнитивного радио. В основном внешнее проявление прогресса в развитии связи для конечного пользователя связано с развитием телефонии, а именно сотовой связи четвертого и пятого поколений. В России по состоянию на январь 2021 г. в коммерческую эксплуатацию запущены LTE-сети в 83 субъектах РФ с покрытием территории страны близким к 90 %. Однако, в настоящий момент уже ведутся работы по запуску и покрытию территории сотовой связью пятого поколения [9,95,115,119], что обусловлено значительным ростом количества подключенных устройств и трафика данных.

Основные направления развития - сети 4 поколения, перспективные сети пятого поколения, технология SDR и когнитивного радио, но и в более глобальном масштабе создание системы радиосвязи двойного назначения[7,64,65,99]. Вопрос создания системы радиосвязи двойного назначения рассматривался на заседании Совета Безопасности РФ 16.05.2014г.

В качестве предпосылок для создания таких систем можно выделить:

- гигантскую площадь страны;

- трудность выполнения государственных программ имеющимися средствами;

- развитие Арктики;

- необходимость обеспечения устойчивой работы систем связи различных видов.

В связи с вышесказанным можно выделить ряд направлений (прикладных задач), имеющих перспективы для ближайшего развития радиосвязи:

- развитие радиосвязи в направлении телеметрических систем и систем телеуправления для нефтегазодобывающей отрасли, и других сфер деятельности, при работе которых, как правило, отсутствует развитая инфраструктура связи;

- развитие средств радиосвязи для нужд Министерства по чрезвычайным ситуациям, силовых ведомств, Министерства обороны России, обеспечивающих надежную радиосвязь в сложной помеховой обстановке (плотная городская застройка, индустриальные помехи, лесной массив, гористая местность);

- обеспечение требуемого уровня информационной безопасности систем радиосвязи;

- разработка новых инфраструктурных, в разрезе организации радиосвязи, решений.

Все вышеперечисленное оказывает воздействие на требования и стандарты радиосвязи. Кроме того, к радиосвязи в настоящее время предъявляются жесткие требования по времени доставки информации, объему передаваемой информации, достоверности переданной информации (информация должна быть передана в любой помеховой обстановке). Все эти требования обязательно должны быть учтены при проработке вышеуказанных направлений развития радиосвязи. Невозможна реализация направлений радиосвязи без строго регламента обмена информацией в радиосети, обеспечивающего выполнение всех заданных требований по времени обмена, объему и достоверности переданной информации [48,79].

Очевидно, что для построения радиосетей в глобальном масштабе требуется применение разнородных сетей локального характера, т.к. на локальном уровне радиосети существенно различаются по своим параметрам ввиду разнородности решаемых задач и требований по передаче информации (дальность радиосвязи, объем передаваемых данных, скорость передачи информации, скрытность, ограничение по ресурсам оборудования и другие требования в соответствии со сценариями применения радиосистем). В этом направлении актуальными вопросами

остаются организации радиосвязи на дальние расстояния - от 1000 километров и далее. В настоящее время в связи с развитием систем космической связи этому направлению уделяется мало внимания, однако такие радиосистемы всегда находятся в горячем резерве для обеспечения связью с дальними районами страны и районами с отсутствующей инфраструктурой связи[61].

В условиях развития информатизации современного общества становится неоспоримым факт увеличения объемов передаваемой информации в сетях передачи данных. Большая часть трафика данных в настоящее время приходится на беспроводные сети передачи [27]. Все это стало возможным из-за развития техники и вычислительных возможностей радиопередающих устройств: устройств формирования сигналов, приемных устройств, цифро-аналоговых преобразователей, ЦАП, устройств кодирования и декодирования. Однако, наряду с современными устройствами, не выходят из строя и старые системы передачи информации. Связано это с тем, что в основном современные системы передачи информации (УКВ радиолинии, мобильная связь) предназначены для работы при развитой инфраструктуре. Однако, в труднодоступных районах страны и местах с отсутствующей инфраструктурой это невозможно, что выводит на первый план использование радиолиний длинноволнового и коротковолнового диапазонов, спутниковых радиолиний, а также систем связи ультракоротковолнового диапазона, не требующих обслуживающей инфраструктуры.

Каждая из радиолиний, как правило, не может доставить информацию до конечного получателя, что приводит к необходимости применения гетерогенных сетей передачи информации. В этом случае возникают конфликты согласования параметров, выбора радиоканалов, применяемых сигнально-кодовых конструкций и т.д., обусловленных параметрами конкретной радиолинии [5,27,49]. В настоящее время в связи с бурным развитием радиосвязи понятие радиолинии часто не употребляется. Чаще применяется термин протокол связи либо интерфейс. Однако если рассматривать процедуру радиосвязи в долгосрочной перспективе, то термин радиолиния является более правильным.

Структуры радиосистем и построение радиосистем подробно рассмотрены в [13,29,62]. Современные радиосистемы предназначены для передачи информации любого вида: телефонной речи, файловых данных, потоковых данных. В случае, если радиосистема использует для передачи цифровые сигналы, то передача информации любого типа сводится к передаче потока данных. Далее информация декодируется и интерпретируется в нужный вид у получателя сигнала, таким образом, при передаче информации не имеет значения тип данных, имеют значения параметры передачи, которые должны обеспечить необходимую скорость и надежность передачи информации. На рисунке 1.1 приведена общая структура системы радиосвязи.

Система радиосвязи

Рисунок 1.1 - Структура системы радиосвязи

Система радиосвязи включает в себя:

- источник сигнала (ИС);

- передатчик (ПРД);

- антенну передающую (антенна ПРД);

- среду распространения;

- антенну приемную (антенна ПРМ);

- приемник (ПРМ);

- получатель сигнала (ПС).

Каждая составная часть радиосистемы имеет свои параметры, способные влиять на качество и эффективность передачи информации [10,11].

В отличие от проводных систем передачи в радиосистемах на качество, скорость и надежность передачи информации влияет множество параметров. Это связано с тем, что эфир представляет собой непостоянную среду, поэтому для поддержания параметров передачи информации требуется постоянная адаптация параметров аппаратуры [2,12,22,29,52,53,100].

Существует достаточно большое количество классификаций радиолиний по различному принципу: по частотному диапазону, по дальности передаваемой информации, по принципам построения маршрутов доставки информации (с ретрансляцией и без), по используемому механизму распространения радиоволн.

Самой полной классификацией является классификация радиолиний по частотному диапазону, в котором работает аппаратура передачи информации. Эта классификация поглощает все остальные, т.к. в радиосвязи именно частотный диапазон работы аппаратуры определяет физические возможности передачи информации и ее возможные показатели (дальность, скорость и т.д.) [26,86,92,98]. По частотному диапазону классификации радиолиний приведена в [41].

Особенности длинноволновых и средневолновых радиолинии описаны в [3,11,50,84]. Очевидно, что применение радиолиний передачи информации на длинных и средних волнах применимо лишь в особо обоснованных случаях, особенно в современных реалиях с учетом объемов передаваемой информации и требованиям к скорости ее передачи.

Коротковолновые радиолинии применяются для организации линий связи на дальних дистанциях. Условия использования КВ диапазона для связи описаны в [2,39-41,84,92,97,109,117,123]. Основным достоинством КВ радиолиний является: большая дальность передачи информации без дополнительной инфраструктуры. Недостатками КВ радиолиний являются: относительная низкая скорость передачи информации, нестабильность радиосвязи в течение суток и времени года, а также большие габаритные размеры приемопередающей аппаратуры и антенно-

фидерных устройств, сложность формирования широкополосных сигналов [45,54-56,58,62,67,69,74].

Радиолинии в УКВ диапазоне предназначены для организации линий связи в ближней зоне [118,123], что обусловлено распространением радиоволн в этом диапазоне [57]. Связь в УКВ диапазоне обеспечивает передачу информации со скоростями от десятков кбит/с до нескольких сотен Мбит/с. При необходимости передачи информации на расстояния средней дальности возможна организация ретрансляции сигналов. Факторы, влияющие на эффективность работы в УКВ диапазоне, приведены в [15,32-35,110,125-127].

Сверхвысокочастотные радиолинии используются для организации линий связи с использованием ретрансляторов на искусственных спутниках Земли, либо для обеспечения радиосвязью в очень небольших ближних зонах. Их применение описано в [1,8,20,51,78,114,120]. Спутниковые радиолинии способны обеспечить скорость связи до нескольких десятков Мбит/с, однако, организации таких радиолиний требует значительных финансовых затрат, т.к. требуется установка сложных и дорогих наземных станции, а также запуска ИСЗ с установленными ретрансляторами.

Следует отметить, что все радиолинии имеют достаточно большой набор изменяемых параметров [15,27].

1.2 Когнитивность в программно-определяемом радио

Развитие мобильной связи в последние годы привело к широкому распространению беспроводных систем обмена информацией.

Программно-определяемые радиосистемы (Software-defined radio, SDR) -обеспечат дальность связи без увеличения энергозатрат, повысят ее качество, а

также позволят внедрить новые протоколы связи, не меняя при этом аппаратную часть.

На данный момент программно - реконфигурируемые устройства SDR активно развиваются. Одним из приоритетных направлений развития систем SDR, безусловно, является создание многопротокольных радиосистем. В этом направлении активно работают военные и силовые структуры, также это направление имеет высокую степень коммерциализации. Подробное назначение элементов архитектуры SDR системы описаны в [36-38,66,70-72,75,76,121].

Под когнитивной радиосистемой понимается способность радиосистемы обучаться и анализировать параметры успешности передачи информации в процессе работы. В совокупности с технологией программно-конфигурируемого радио применение технологии дает адаптивную систему передачи информации, значительно повышающую эффективность ее работы. Основные определения когнитивной радиосистемы приведены в

[52,63,70,72,75,83,94,103,104,108,112,116].

Отметим лишь основные особенности когнитивной радиосети (радиосистемы):

- изменение внутренней структуры в ответ на внешнее воздействие;

- самоадаптация на основе знаний;

- способность к изменению топологии и параметров под конкретные требования пользователей для эффективной передачи информации;

- способность к самоконфигурации с распределенным управлением;

- способность к самодиагностике п планированию.

В когнитивной радиолинии анализируются все факторы, влияющие на эффективность передачи информации. В когнитивном блоке происходит постоянный анализ количества ошибок переданной информации и происходит корректировка параметров радиосистемы для достижения необходимых показателей передачи информации [52,64,88,89]. Корректировка параметров происходит по опре-

деленным алгоритмам на основе установленного в радиосистеме метода принятия решений и заложенных алгоритмов оптимизации [16,21,23,105,106,107].

1.3 Анализ целей и критериев оценки систем радиосвязи

Принимая во внимание дальности радиосвязи, требуемые для организации глобальных сетей связи, а также разнородность сетей связи по всему миру, можно представить глобальную сеть связи как комбинацию когнитивных радиосистем архитектур трех типов: для дальней радиосвязи - структура типа инфраструктура с применением длинноволновых, средневолновых, коротковолновых и спутниковых радиолиний, для ближней радиосвязи структура типа инфраструктура и самоорганизующаяся сеть с использованием УКВ радиолиний с частотой до 500 МГц, и радиолиний абонентской связи с использованием ячеистой структуры с работой в УКВ радиолиниях на частотах выше 1 ГГц. При таком подходе возможно обеспечение радиосвязью в любой точке Земли, однако требуется согласование параметров разнородных радиолиний и управление объемом передаваемого информационного трафика.

Для корректной работы системы когнитивного радио абонентские станции должны:

- анализировать спектр частот;

- оценка прогнозировать состояние радиоканалов;

- динамически управлять спектром и корректировать операционные параметры;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Батурин Иван Сергеевич, 2024 год

3 Зарубежные источники 0,2 0,1 0,05

4 Личное знакомство с иностранным опытом 0,1 0,05 0,01

5 Оценка интуиции 0,1 0,05 0,01

Коэффициент Яи определен в случае, если эксперт: 0 - не знаком с пробле-

мой; 1/3 - знания поверхностны, проблема интересна; 4/6 — проблема известна, над проблемой не работает; 7/9 - знаком и решает проблему; 1 - идеальное знание ситуации.

Таблица 2.11 - Уровень компетентности экспертов

№ Эксперт Яи Яа Я'у Р/

1 Эксперт 1 7/9 0,3+0,4+0,05+0,1+0,1 3,01 0,13

2 Эксперт 2 4/6 0,1+0,5+0,1+0,05+0,1 2,46 0,11

3 Эксперт 3 7/9 0,3+0,5+0,2+0,1+0,1 3,64 0,16

4 Эксперт 4 1/3 0,2+0,2+0,2+0,1+0,05 3,39 0,15

5 Эксперт 5 1/3 0,1+0,5+0,05+0,05 1,37 0,06

6 Эксперт 6 1 0,3+0,5+0,2+0,1+0,1 8,65 0,38

2.3 Формирование оценочных матриц и расчет влияния параметров на

эффективность радиосистемы

2.3.1 Влияние процессов радиосистемы на цель передачи информации

Рассмотрим формирование оценочных матриц на примере оценки влияния элементов уровня / на уровень /0 (модель представлена на рисунке 2.3).

Воздействие / ^ /0. Проведем сравнение для Ж^ = {Ж1у}, у = 1, п/ . Превос-

ходство Жгл над Ж/т это ат. После С

п/1

сравнений запишем

А1 = [ а ,п11 хп^.

Рисунок 2.3 - Влияние / ^ /0 факторов, расположенных на уровне / на цель

системы /0

Заполним А{ значимость элементов уровня / для цели системы (таблица 2.12).

Таблица 2.12 - Воздействие / ^ /0

2

№ Пара Ответ Пояснение

1 Ж/11& Ж/12 а12 =7 очень сильное Ж1 - корректная и надежная работа системы радиосвязи с Ж/ 2 - воздействием помех, т.к. уст-

влияние ройство и приспособленность системы к передаче информации в любых условиях подразумевает успешное противодействие помехам.

2 Ж/11& Ж/13 а13 =5 сильное влияние Ж/1 - корректная работа системы оказывает сильное влияние на результат, в сравнении с Ш/ 3 - природно-географическими факторами, т.к. технические устройства системы радиостанций предназначены для преодолении этих факторов.

3 Ж/12& Ж/13 а23 =1 Равное влияние факторов Воздействие Ш/2 - природно-географических факторов (отсутствие прямой видимости: перепады высот, осадки, густая облачность, густая растительность, трудность во взаимодействии с ионосферой - грозовые облака) оказывает равное воздействие на результат, в сравнении с действием Ж 3 - воздействием помех, которые в равной мере оказывают негативное влияние на процесс передачи.

Сформируем А 1±, учитывая, что воздействие Шна /0 в сравнении с Ш / обратно влиянию Ж/ к на /0 атк =-(при условии, что = 1) (таблица 2.13).

1 акт

Таблица 2.13 - Матрица парных сравнений уровня 11

Ш ' /11 Ш/12 Ш/ .3

Ш,. 1 II 7 а13 = 5

Ш/12 1 _ 1 «12 7 1 «23 = 1

Ш/ ,3 1 _1 а13 5 -1 = 1 «23 1

Используем итеративную процедуру нахождения собственного вектора а] матрицы парных сравнений А ^, и наибольшего собственного числа Атах

АУ11 = ЛтаХ1У 1г, (2.9)

Пусть у(0) = {1,...,1} вектор размерности щ . По процессу

У

(к)

до

а *)

уТ у(*-1)

<а, (2.10)

где а - точность.

,(*)

У

Ашах /1 . (2.11)

У

7

У(*)и Л™* ответ в IV'к = Л 1 .и/'и = • • = А1 ,к V 'к Нормируем вектора С , по сумме координат

(2.12)

где Щ* вектор весов влияния / ^ /0 сил, расположенных на уровне / на /0.

Рассчитанные веса воздействия факторов на эффективность передачи информации сведены в таблицу 2.14, диаграмма распределения представлена на рисунке 2.4. Природные факторы и воздействие помех вносят равный вклад в успешную работу системы, вместе они определяют 25% достижения цели системы, остальной вклад вносит программно-аппаратная часть радиосистемы. Таблица 2.14 - Воздействие факторов на эффективность передачи информации

Факторы с ■1

Ж ^ - факторы, формируемые процессами, происходящими в работающей программно-аппаратной платформы сети приемопередатчиков 0,75

Ж 2 ~ 12 - воздействие помех 0,12

Ж /13 - воздействие природно-географических факторов 0,13

Рисунок 2.4 - Воздействие факторов на эффективность

Процедура определения согласованности матрицы парных сравнений.

Пусть обозначается через ау число, соответствующее значимости элемента С по сравнению с Су. Матрицу, состоящую из этих чисел, обозначим через А, т. е.

А=(ау), (2.13)

Матрица А - обратно-симметричная, т.е. а^Иа^. Если суждение ак=ау/аук истинно для всех у, к то матрицу А называют абсолютно согласованной (отношение согласованности равно нулю).

£у=± а.цчг } = гшь I = 1 , 2 ,. . .,п. (2.14)

Что эквивалентно

Aw=nw (2.15)

где w - собственный вектор матрицы А с собственным значением п. Покомпонентная запись (2.15)

/аг1 а12 ... а1п\ /и/л

А; = ( }. Ъ2 . ■ . . . а.2 - И . и Лтах ( ^ и Лта^. (2.16)

/ \™п/ \™п/

Пусть а у субъективны, тогда ау <>wг■/w7, и (2.16) не выполняется (рассогласовывается).

В качестве меры согласованности суждений в МАИ вводится отношение согласованности (ОС). ОС это отношение индекса согласованности (ИС) матрицы парных сравнений для у-го узла иерархии А ¡. к случайному индексу (СИ, СИ это

ИС для квадратной матрицы размерности п*п заполненной случайными числами).

И С= ^^ (2.17)

71 — 1 4 '

О С=—. (2.18)

си 4 }

К выводу обобщенного мнения допускаются результаты парных сравнений с ОС меньше 0,1 (в крайнем случае 0,2).

Для составленной матрицы парных сравнений индекс согласованности составил 0,001, что говорит о корректности суждений при составлении матрицы.

Определим воздействие 12 на 11 (модель представлена на рисунке 2.5).

Определим воздействие элементов 12 на /. Уровень /2: ^ - аппаратная оснащенность, ШШ 2 - устройство приемного тракта, 3 - управляемый режим передачи сигналов.

Проведем аналогичные парные сравнения элементов нижестоящего уровня на элементы вышестоящего уровня и запишем рассчитанные векторы приорите-

тов (0ч,I = 1,../1 для Ань1 = 1,..\ 11 \ уровня ¡2: Ш/2 ={ау},г = , К1 - объем 11. Распределение влияния акторов системы на факторы представлено в таблице

2.15.

Рисунок 2.5 - Воздействие акторов на факторы Таблица 2.15 - Матрица влияния акторов на факторы системы

Факторы 11 W - «Устройство системы радиосвязи» Щ 2 - «Воздействие помех» W,3 -«Природно-географические факторы»

Акторы 12 121 Ют 22 123

Щ 1 - аппаратная оснащенность 0,2 0,15 0,24

Щ 2 - Устройство наблюдателя 0,2 0,65 0,55

Щ з - убавляемый режим передачи сигналов 0,6 0,2 0,21

Далее перейдем к уровню /3 (рисунок 2.6): - минимизация расхода энергии, Щ 2 - максимизация достоверности передачи (снижение числа ошибок), Щ 3 -

максимизация скорости передачи данных. Рассмотрим его влияние на элементы уровня /2.

Рисунок 2.6 - Влияние / ^ /2

Рассчитаем и запишем векторы приоритетов ( ,\ = 1,..|/2| для оценочных

матриц А 131,1 = 1,..\ ¡2 I уровня 13 в виде матрицы IV ¡з = { с 1 ¿}, I = 1 12 \ , где |/2| -

мощность множества элементов уровня 12. Рассчитанные значения приведены в таблице 2.16.

Таблица 2.16 - Матрица влияния целей акторов на акторы системы

Акторы 12 Щ/21 -аппаратная оснащенность, % Щ2 2 - устройство наблюдателя, % Щ 4 - управляемый режим, %

Цели акторов 13 ( /31 ( /32 ( /34

Щ/з1 43 13 7

Щ/з2 11 48 45

Щ/з3 12 30 42

Щ/з4 34 8 6

Рассмотрим влияние уровня /4 (рисунок 2.7): Щ 1 - управление мощностью пе-

редатчика, Ж/ 2 - управление скоростью передачи, Щ 3 -управление регламентом

связи, Щ 4 - управление типом СКК принимаемых и передаваемых сигналов, Щ 5 - управление частотой передачи и приема.

Рисунок 2.7 - Влияние /4 ^ /3 действий акторов расположенных на уровне 14 на

цели акторов, расположенные на уровне 13

Запишем векторы приоритетов щ ,I = 1,..|/з| для оценочных матриц

Л/4 21,1 = 1,..| /3 | уровня 14 в виде матрицы Ши = { = 1 ,.. | /3 | , где - мощ-

ность множества элементов уровня 13.

В конце цепочки расчетов найдем глобальный вектор весов влияния акторов (таблица 2.17).

Вычислим воздействие 12 на 10.

щ = Щ щ =

0,2 0,15 0,24 0,2 0,65 0,55 ч0,6 0,2 0,21у

(0,75 0,12 0,13)г =

0,1992 0,2995 ч 0,5013 J

(2.19)

Так же установим воздействие 13 на 10. Таблица 2.17 - Матрица влияния действий акторов на цели акторов

2

Щ - Щ/з2 - максими- Щз3 - макси- Щз4 - минимиза-

Цели 13 минимизация зация достовер- мизация скоро- ция расхода вы-

расхода энергии ности передачи сти передачи числительных ре-

(снижение числа ошибок), сУрсов

Действия 14 141 (т 42 (т 143 (т 44

Ж 1 - УпРав-

ление мощностью передатчика 0,57 0,28 0,56 0,00

Ж1А 2 - УпРавление скоростью передачи 0,05 0,37 0,00 0,17

Ж143 -

управление регламентом связи 0,11 0,05 0,13 0,00

Ж1 4 - Управ-

ление типом принимаемых СКК 0,02 0,21 0,28 0,83

Ж1 5 - Управление часто- 0,08 0,10 0,03 0,00

той

Г

(От = Ж Ют =

13 13 2

0,43 0,13 0,07

0,11 0,48 0,45

0,12 0,30 0,42

0,34 0,08 0,06

(0,1992 0,2995 0,5013)г =

у

(2.20)

^0,1597л 0,3913 0,3243 ч 0,1218 у

Воздействие 14 на 10

со, = Ж со, =

0,57 0,28 0,56 0,00

0,05 0,37 0,00 0,17

0,11 0,05 0,13 0,00

0,02 0,21 0,28 0,83

0,08 0,10 0,03 0,0

(0,1597 0,3913 0,3243 0,1218)г =

(2.21)

л0,3822л 0,1735 0,0793 0,2773 ч 0,0616 ,

4

Глобальное влияние параметров СКР вычисляется

= М = М ЦМ = М иМ 1зМ 12щ1, (2.22)

где М - матрица локальных весов влияния элементов нижнего уровня на вышестоящий уровень, 1 = 1 ,т.

Результаты расчетов влияния элементов уровней на цель работы системы представлены в таблицах 2.18-2.21. Диаграммы распределения весов влияния элементов на цель работы системы представлены на рисунке 2.8. Таблица 2.18 - Влияние / ^ /0

Влияние / ^ /0 о /1, %

Ж 75

Ж/,2 12

Ж/3 13

Таблица 2.19 - Влияние /2 ^ /

11 Влияние /2 ^ /> о /2

Влияние / ^ /0 Ж п /11 Ж/ ,2 Ж .3

75% 12% 13%

Ж^ 1 - аппаратная оснащенность 14,94% 2,39% 2,59% 19,92%

Ж/2 2 - устройство наблюдателя 21,94% 3,51% 3,80% 29,25%

Ж2з - управляемый режим передачи сигналов 37,60% 6,02% 6,51% 50,13%

Таблица 2.20 - Влияние /3 ^ /0

12 Влияние /3 ^ /0 Ш

т т Ш Влияние /2 ^ /0 2 Ж/21 Ж/22 Ж/23

19,92% 29,25% 50,13%

Ж31 - увеличение скорости 3,18% 4,67% 8,00% 15,97%

Ж32 - уменьшение ошибок 7,79% 11,45% 19,62% 39,13%

Ж/ з - уменьшение энергоемкости 6,46% 9,49% 16,26% 32,43%

Ж34 - снижение вычислительной нагрузки 2,43% 3,56% 6,11% 12,18%

Таблица 2.21- Влияние /4

1з Влияние /4 ^ /0 Ш / 4

т т Ш Влияние /3 ^ /0 3 Ж Ж31 Ж/32 Ж/33 Ж Ж/34

15,97% 39,13% 32,43% 12,18%

Ж , - мощность /4 1 6,10 % 14,96% 12,39% 4,66% 38,22%

Ж^ 2 - скорость 2,77% 6,79% 5,63% 2,11% 17,35%

Ж/ 3 - регламент 1,27% 3,10% 2,57% 0,97% 7,93%

Ж , - тип СКК М4 4,43% 10,85% 8,99% 3,38% 27,73%

Ж- алгоритм обработки. 0,98% 2,41% 2,00% 0,75% 6,16%

а

б

в

г

Рисунок 2.8 - Распределения весов влияния элементов на цель работы системы:

а - элементов уровня ¡! на уровень 10; б - элементов уровня 12 на уровень 10; в - элементов уровня 13 на уровень 10; г - элементов уровня 14 на уровень 10

2.4 Анализ результатов оценки влияния параметров системы на эффективность

передачи информации

В приведенных режимах работы оценивалась согласованность матриц парных сравнений по узлам иерархии (таблица 2.22).

Таблица 2.22 - Общее количество экспертиз узла иерархии во всех режимах работы системы

№ Узел иерархии Количество экспертиз

1. Максимизация скорости передачи данных 35

2. Минимизация расхода вычислительных ресурсов 35

3. Минимизация расхода энергии 35

4. Управление мощностью передатчика 422

5. Управление регламентом связи 422

6. Управление типом СКК 422

7. Расход заряда батарей 94

8. Управление частотой 422

9. Управление полосой 422

10. Количество MIPS 104

11. Расход времени 84

12. максимизация достоверности 35

13. Снижение потребляемой энергии 9

14. Снижение ошибок при передаче 9

15. Увеличение скорости 9

16. Снижение вычислительной нагрузки 9

17. Мощность 36

18. Скорость 36

19. Регламент 36

20. Тип СКК 36

21. Частота 36

Рассмотрим в качестве характеристики согласованности проведенных экспертиз среднее отклонение ОС от 1.

ki

С, = (2.23)

где к) - количество проведенных экспертиз для у-го узла иерархии параметров когнитивного радио.

Весовой коэффициент мнений эксперта

/с £

уМ ¿/ = 1 С1 ^1=1 к:

Ъ = -*ТГ> (2.24)

4=1

kj

где Cl определяется по формуле (2.23).

Обобщенное мнение рассчитывается по формуле

(л)

=м=

Ui=i^ijpi

п,-

Zi=>jPj

(2.25)

где р - оценка компетентности эксперта.

Усреднённый результат оценки согласованности C приведен на рисунке 2.9.

L

0,95 0,9 0,05 0,8 0j7S 0,7 0,В5

о,е,

Рисунок 2.9 - Среднее отклонение согласованности от 1

На рисунке 2.9 цифрами обозначены узлы иерархии: 4- «количество MIPS», 5- «Максимизация достоверности», 6-«Максимизация скорости передачи данных», 7- «Минимизация расхода вычислительных ресурсов», 8- «Минимизация расхода энергии», 10- «Расход времени», 11- «Расход заряда батарей». По оси абсцисс на рисунке 1 цифрами обозначены экспертизы:

I. Важность воздействия управляющих параметров в цифровом режиме передачи данных: 1 - «Режим 4» (повторно), 2 - «Режим 1», 3 - «Режим 2», 4 - «Режим 3», 5 - «Режим 4».

II. Важность воздействия управляющих параметров в цифровом режиме передачи речи: 6 - «Режим 1», 7 - «Режим 2», 8 - «Режим 3».

III. Ресурсоемкость воздействия управляющих параметров в цифровом режиме передачи данных: 9 - «Режим 4» (повторно), 10 - «Режим 1», 11 - «Режим 2», 12 - «Режим 3», 13 - «Режим 4».

IV. Ресурсоемкость воздействия управляющих параметров в цифровом режиме передачи речи: 14 - «Режим 1», 15 - «Режим 2», 16 - «Режим 3».

V. Влияние управляющих параметров на показатель эффективности связи: 18 - Общая иерархия.

VI. Важность воздействия управляющих параметров в аналоговом режиме передачи информации: 19 - «Режим 1», 20 - «Режим 2», 21 - «Режим 3», 22 - «Режим 4», 23 - «Режим 5», 24 - «Режим 6».

Выявлено, что в ходе проведения экспертиз была получена разная согласованность матриц парных сравнений узлов иерархии. Например, хорошо согласованны матрицы (усреднённый результат оценки согласованности C ближе к 1) узлов «Количество MIPS» (С = 0,89) и «Минимизация расхода вычислительных ресурсов» (С = 0,87). Также можно указать на хорошую согласованность в матрицах парных сравнений «Воздействие помех», «Воздействие природно-географических факторов», «Оптимальная передача информации», «Снижение вычислительной нагрузки», «Снижение ошибок при передаче», «Снижение потребляемой энергии», «Увеличение скорости» в «Режим 1» при цифровой передаче информации. Достаточно хорошо согласованы матрицы узлов (усреднённый результат оценки согласованности C ближе к 0,8) «Управляемый процесс» и «Устройство наблюдения» в аналоговом режиме передачи информации «Режим 1», «Расход времени», «Расход заряда батарей» и «максимизация достоверности».

Матрицы парных сравнений в узлах иерархии «Минимизация расхода энергии» в «Режим 4», речи «Режим 2» и «Режим 3» , «Режим 4 повторно» и аналоговой передачи информации «Режим 6», «Максимизация скорости передачи данных» при оценке важности воздействия управляющих параметров в цифровом режиме передачи данных «Режим 3» обладают низкой согласованностью (C < 0,7).

При рассмотрении модели получены результаты, которые описывают влияние элементов каждого уровня модели на цель системы- повышение эффективности передачи информации. Особый интерес представляет влияние параметров радиосистемы на повышение эффективности передачи информации.

Можно выделить три параметра, которые в большей степени оказывают влияние на эффективность: мощность передающего устройства, сигнально-кодовая конструкция, используемая для передачи сигналов, а также скорость передачи информации. Связано это с тем, что важным параметром любой радиолинии является ее энергетика и способность противостоять помехам за счет применяемых алгоритмов обработки и кодирования сигналов. Вместе с тем, потери качества передачи информации могут быть компенсированы снижением скорости передачи, либо повышением мощности передаваемого сигнала.

Однако наряду с увеличением эффективности передачи информации именно эти параметры определяют расход ресурсов, обеспечивающих работу радиосистемы. Мощность радиопередающих устройств во многом определяет расход энергетических ресурсов, а также задает ограничение временных ресурсов на передачу информации, т.к. чем выше мощность излучения сигналов, тем меньше время работы радиосистемы в целом.

Сигнально-кодовая конструкция требует использования вычислительных ресурсов радиосистемы, а значит и энергетических затрат. Причем чем сложнее применяемая СКК, тем больше вычислительных ресурсов она потребует для формирования сигналов. С другой стороны, применение эффективных алгоритмов и кодов позволяет сократить время передачи информации.

Скорость передачи информации при хорошем канале связи позволит передать больше информации за единицу времени при постоянном расходе энергии, но при плохом канале снижение скорости позволит передавать информацию стабильно, хотя в целом ее объем снизится.

Выводы по главе 2

Анализ рассмотренных методов принятия решений показывает, что метод анализа иерархий оптимально подходит для задачи повышения эффективности передачи радиосистемой.

Для оценки влияния параметров на оптимальную передачу информации разработана иерархическая модель радиосистемы в вершине которой находится цель радиосистемы - оптимальная передача информации, а на нижнем уровне - параметры радиосистемы, которыми можно управлять для более эффективного достижения цели.

Проведена оценка влияния каждого уровня модели на цель работы радиосистемы.

Повышение эффективности передачи информации возможно за счет управления тремя основными параметрами работы радиосистемы: мощности, скорости передачи информации, применяемых сигнально-кодовых конструкций.

Увеличение мощности значительно может повысить качество передачи информации, но требует от системы значительных энергетических затрат.

Изменение скорости целесообразно применять для повышения достоверности сигнала при плохом канале связи, однако в целом это может потребовать больше временных ресурсов, т.е. время передачи единицы информации увеличится.

Применение удачно выбранных СКК значительно повышает эффективность работы радиосистемы, однако чем эффективнее и сложнее СКК, том больше вычислительных ресурсов требуется от системы и тем больше затрат энергетических ресурсов будет затрачено на формирование сигнала.

Таким образом, целесообразно рассматривать оптимизацию управления параметрами радиосистемы с учетом доступных для расходования ресурсов: энергетических, вычислительных, временных. Расход ресурсов необходимо рассматри-

вать в разрезе возможных сценариев применения радиосистемы: противодействия помехам (для повышения достоверности передачи информации), экономии ресурсов (для повышения автономности системы), потоковой передачи информации (для передачи максимально больших объемов информации), максимальной достоверности (для повышения надежности связи).

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДИКИ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ КОГНИТИВНОЙ РАДИОСИСТЕМЫ

3.1 Основные принципы управления характеристиками работы радиосистемы

Любая радиосистема при разработке и дальнейшей эксплуатации нацелена на выполнение определенных задач в различных ситуациях или сценариях применения. Кроме того, радиосистемы состоят из целого комплекса аппаратуры связи с различными характеристиками. Так, например, портативные радиостанции имеют малую выходную мощность передатчика и батарею небольшой емкости для обеспечения мобильности и удобства использования, стационарные радиостанции имеют большую выходную мощность и питание от промышленной сети, что не ограничивает время их использования. Однако, вместе с тем, при работе в системе радиостанции будут использовать одинаковый частотный ресурс и одинаковые сигнально-кодовые конструкции.

Рассматривать работу радиосистемы имеет смысл в различных режимах, которые определяются частотным ресурсом (частотным диапазоном и полосой частот сигнала), регламентом радиосвязи, доступной максимальной мощностью передатчика, типом модуляции.

Также имеет смысл проводить анализ работы радиосистемы с учетом имеющихся ресурсов. В главе 2 основными были определены следующие ресурсы -доступное время передачи, энергетический ресурс, вычислительный ресурс. Оценку эффективности необходимо проводить в определенных сценариях использования, т.к. способность радиосистемы адаптироваться к определенным условиям и является признаком когнитивности радиосистемы. Рассмотрим влияние параметров радиосистемы в различных режимах работы радиосистемы и спрогно-

зируем управление режимами работы радиосистемы для повышения эффективности передачи информации в зависимости от различных внешних условий применения.

Анализ влияния параметров радиолинии проведем в аналоговых и цифровых режимах передачи информации в следующих сценариях: без ограничения энергетических и временных ресурсов, средние ограничения энергетических ресурсов (батарея наполовину разряжена), значительные ограничения энергетических ресурсов (батарея почти полностью разряжена), временные ограничения ресурсов.

3.2 Исследование режимов работы радиосистемы в аналоговых системах связи

3.2.1 Результаты исследования влияния параметров радиолиний в аналоговых системах связи передачи в различных ситуациях применения

Для определения эффективности работы радиосистемы рассмотрим ее работу в конкретных режимах. Рассмотрим аналоговые режимы передачи информации (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Аналоговые режимы передачи информации

№ Мощность Регламент Тип СКК (вид модуляции) Частота Полоса

1 1 Вт, 10Вт, 100Вт Временной симплекс А1А - амплитудный телеграф 3.30 МГц, ВЧ (HF) 1кГц

2 1 Вт, 10Вт, 100Вт Временной симплекс 13Е - Однополосная амплитудная телефония с подавленной несущей, (до -40 дБ) 3.30 МГц, ВЧ (HF) 3,1 кГц

3 1Вт, 3Вт, 10Вт Временной симплекс Б3Е - Частотная телефония 30.300 МГц, ОВЧ (VHF) 12,5 кГц

4 1Вт, 3Вт, 10Вт Временной симплекс Б3Е - Частотная телефония 300..3000 МГц, УВЧ (UHF) 12,5 кГц

5 1Вт, 3Вт, 10Вт Временной симплекс А3Е - двухполосная амплитудная телефония 30.300 МГц, ОВЧ (VHF) 12,5 кГц

6 1Вт, 3Вт, Временной А3Е - двухполосная амплитудная 300....3000 МГц, 12,5

10Вт симплекс телефония УВЧ (иот) кГц

Для примера рассмотрим влияние параметров и определим их важность на расход ресурсов при работе радиосистемы в режиме №1.

Пусть мы рассматриваем первый режим работы, в котором неизвестно количество энергии, затрачиваемое на обеспечение регламента, вида модуляции, частоты и полосы. Для определения коэффициентов расхода ресурса можно воспользоваться подходом на основе собственного вектора.

Определим в какой степени параметры радиосистемы оказывают на расход емкости батарей. Для этого заполним таблицу парных сравнений (таблица 3.2) Таблица 3.2 - Таблица парных сравнений для определения коэффициентов расхо-

да энергетического ресурса

Параметр Абсолютное Очень сильное Сильное Слабое Равенство Слабое Сильное Очень сильное Абсолютное Параметр Пояснение

Мощность х Регламент Мощность преобладает, т.к. этот параметр максимально влияет на расход емкости батареи, однако режим и длительность работы определяет именно регламент

Мощность х Тип СКК Мощность преобладает очень сильно, т.к. несмотря на то что, в этом режиме вся энергия УМ уходит в излучаемый сигнал в узкой полосе, необходимо еще учитывать КПД УМ

Мощность х Частота Мощность по отношению к частоте очень слабо превалирует, т.к. фактически частота не влияет на расход батарей, но имеется косвенное влияние посредством нелинейности характеристик УМ в зависимости от рабочей частоты

Мощность х Полоса Параметры равнозначны, т.к. вся мощность в любом случае излучается во всей полосе

Регламент х Тип СКК Регламент влияет больше, т.к.

он определяет «объем» излучения

Регламент х Частота Регламент имеет абсолютное влияние т.к. рабочая частота никак не сказывается на расходе емкости батареи

Регламент х Полоса Регламент имеет абсолютное влияние т.к. полоса сигнала никак не сказывается на расходе емкости батареи

Тип СКК х Частота Тип СКК имеет абсолютное влияние, т.к. определяет энергию, отдаваемую в эфир

Тип СКК х Полоса Тип СКК имеет абсолютное влияние, т.к. определяет энергию, отдаваемую в эфир

Частота х Полоса Параметры равнозначны, т.к. не влияют напрямую на расход емкости батареи

Определим, в какой степени оказывают параметры на расход вычислительных ресурсов (таблица 3.3).

Таблица 3.3 - Таблица парных сравнений для определения коэффициентов расхо-

да вычислительного ресурса

рт е е е о н е о н е рт е

Е л ара аП Абсолютно ь « с ь н е и о н ь л е о б а О И т с н е в е о б а и о н ь л ь « с ь н е о Я н тю л о с б А Е ара аП Пояснение

ч О и С л С а Р л С и С ч О

Мощность х Регламент Излучаемая мощность никак не влияет на производительность системы, регламент влияет очень слабо

Мощность х Тип СКК Излучаемая мощность никак не влияет на производительность системы, в данном случае ввиду простоты СКК влияние слабое

Мощность х Частота Параметры равнозначны

Мощность х Полоса Параметры равнозначны

Регламент х Тип СКК Тип СКК имеет слабое преимущество, т.к. затраты на формирование сигнала все же больше чем регламент обмена информацией

Регламент х Частота Параметры равнозначны

Регламент х Полоса Параметры равнозначны

Тип СКК х Частота Абсолюное влияние, т.к. рабочая частота и полоса сигна-

ла в данном случае никак не влияют на производительность системы

Тип СКК х Полоса Полоса сигнала в данном случае никак не влияет на затраты производительности

Частота х Полоса Частота и полоса никак не влияют на производительность

Определим степень воздействия параметров на временные ресурсы (таблица 3.4).

Таблица 3.4 - Таблица парных сравнений для определения коэффициентов расхо-

да временного ресурса

Параметр Абсолютное Очень сильное Сильное Слабое Равенство Слабое Сильное Очень сильное Абсолютное Параметр Пояснение

Мощность х Регламент Мощность и регламент передачи информации

Мощность х Тип СКК В данном случае мощность оказывает сильное влияние на временной фактор передачи информации

Мощность х Частота Частота и полоса никак не влияют на время передачи информации

Мощность х Полоса Частота и полоса никак не влияют на время передачи информации

Регламент х Тип СКК В данном случае СКК простейшая и поэтому регламент передачи информации оказывает большее влияние чем СКК

Регламент х Частота Частота и полоса никак не влияют на время передачи информации

Регламент х Полоса Частота и полоса

никак не влияют на время передачи информации

Тип СКК х Частота Частота и полоса никак не влияют на время передачи информации

Тип СКК х Полоса Частота и полоса никак не влияют на время передачи информации

Частота х Полоса Частота и полоса никак не влияют на время передачи информации

Решим задачу достижения максимальной эффективности от использования имеющихся ресурсов.

Определим вектор целевой функции, задачи оптимизации достоверности передачи сигнала

= м,4щ; = м14м1зщ; = м^м^, (3.1)

где М - матрица локальных весов влияния элементов нижнего уровня на вышестоящий, .

Определим наибольшее значение целевой функции

F(c,x) = С/"*7 тах, (3.2)

где с = = =1,/7 (3.1); х = {х^,] = 1,п\ х\ - мощность передатчика; х2 -

скорость передачи; х3 - регламент передачи; х4 - тип СКК; х5 - алгоритм обработки сигналов.

Введем ограничения: Ь1 - емкость батарей, Ъ2 - уровень вычислительной нагрузки ЦП, Ъ3 - фонд времени

Ь = {Ь1Е [0 ; 1 ] }, I = Тт. (3.3)

Ях < Ь, (3.4)

где Я = { Гц], г у- это влияние активации х]- параметра на уровень расхода Ъ ресурса, I = 1 ,т, ] = 1, п.

Приведем задачу к безразмерному виду.

Ь = Щ(Е[0;\]},1 = \^п (3.6)

Введем нормирование

R = = 1}, 1 = ] = (3.7)

Коэффициенты Гц - затраты ресурсов Ъ{ (по видам).

Далее по тексту, для общности рассуждений, будем использовать вместо ЯЪц обозначение Аь. при обозначении строк матрицы ограничений на уровень активации параметров СКР по соответствующим ресурсам. Применим метод Т. Саати. Данные для заполнения матрицы парных сравнений Аь± (таблица 3.5) и расчета

нормированного значения вектора влияния а^ = }, wj = аХ], у = 1, п на расход

энергетических ресурсов переменными вектора х приведены в таблице 3.2. Таблица 3.5 - Парные сравнения по расходу Ъ\ А&1, вектор весов

% = }, ^ = а1 у , У = 1 п

Х1 Х2 Х3 х4 Х5

Х1 1 а12 а13 а14 а15 w1

.2 «21 1 а23 а24 а25

.3 «31 а32 1 а34 а35

х4 а41 а42 а43 1 а45

Х5 а51 а52 а53 а54 1

В таблице 3.6 .1 - мощность передатчика, х2 - скорость передачи, х3 - регламент передачи, х4 - тип СКК, х5 - алгоритм обработки сигналов. Распределение энергетических ресурсов приведено на рисунке 3.1.

Таблица 3.6 - Заполненная матрица АЙ1 и а^ = }, wj = а1 у, у = 1, п

Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 аъ,

Х1 1 7 7 7 7 0,6008

Х2 1/7 1 3 3 5 0,1892

Х3 1/7 1/3 1 3 1 0,0786

х4 1/7 1/3 1/3 1 1/5 0,0421

Х5 1/7 1/3 1 5 1 0,0893

ОС = 0,098

Рисунок 3.1 - Распределение энергетических ресурсов в аналоговых режимах Данные для заполнения матрицы парных сравнений А^ и расчета нормированного значения вектора влияния а^ = }, ^ = а2р у = 1, п на расход вычислительных ресурсов переменными вектора х приведены в таблице 3.7. Таблица 3.7 - Парные сравнения АЪг и вектор аь = },wj = а2у,у = 1,п для заполнения в соответствии с таблицей 3.3

Х1 Х2 Х3 х4 Х5 %

Х1 1 а12 а13 а14 а15 w1

Х2 а21 1 а23 а24 а25

Х3 а31 а32 1 а34 а35 Wз

х4 а41 а42 а43 1 а45 w4

Х5 а51 а52 а53 а54 1 w5

Данные для формирования матрицы парных сравнений АЬз и расчета нормированного значения вектора влияния а^ = }, ^ = а37, у = 1, п на расход временных ресурсов переменными вектора х приведены в таблицы 3.4, результат парных сравнений представлен в таблице 3.8.

Х1 Х2 Хз Х4 Х5 аь2

Х1 1 1/3 1/3 1 1/9 0,053

Х2 3 1 1/5 1/5 1/7 0,0632

Хз 3 5 1 5 1/5 0,2212

Х4 1 5 1/5 1 1/7 0,1001

Х5 9 7 5 7 1 0,5625

ОС =0,16

Количество операций

0,45 0,4 ч° 0,35 щ 5 0.3 1 0.25 ю 0,2 С 0,1 0,05 0

• УМП ^^УРС ^^УТСКК

а