Математическое моделирование систем цикловой синхронизации с параллельным поиском в условиях интенсивных помех

В современном мире все возрастающую роль играют цифровые системы передачи (ДСП) [69, 79], использующие в зависимости от решаемых задач разнообразные линии, передачи: волоконно-оптические, радиорелейные, тропосферные, спутниковые, симметричный и коаксиальный фидеры и др.

В первичных сетях связи общего пользования Единой сети электросвязи Российской Федерации интенсивно развиваются ЦСП на основе синхронной цифровой иерархии, использующие в качестве основной среды распространения сигнала оптические волокна и создаваемые на их основе волоконно-оптические кабели [10, 47]. Такие системы характеризуются очень низкой вероятностью ошибки (10″ 94−10″ n). С другой стороны все большее развитие получают также выделенные, технологические и особенно сети связи специального назначения, где используются, как правило, ЦСП плезиохронной иерархии, работающие по цифровым трактам, характеризующимся высокой вероятностью ошибки (Рош > 10″), пакетированием ошибок, фазовыми дрожаниями, задержками, проскальзываниями и т. д. [11, 23].

Важным элементом ЦСП, определяющим во многом помехоустойчивость связи и качество цифровых каналов, предоставляемых пользователям, является система цикловой синхронизации (СЦС). В настоящее время большинство.

СЦС, находящихся в эксплуатации, построены по принципу скользящего поi иска синхросигнала с адаптацией к помеховой обстановке [16, 41]. Однако в условиях интенсивных помех они имеют невысокие показатели по быстродействию и помехоустойчивости [24, 73, 74]. Более перспективными в этом смысле являются СЦС с параллельным поиском, но известные технические решения [2, 25−27, 54, 55] таких систем уже не удовлетворяют современным и перспективным требованиям к их помехоустойчивости [61, 62]. Поэтому задача I проектирования СЦС, обеспечивающих функционирование в условиях интенсивных нестационарных помех, является актуальной. Одним из ключевых вопросов при этом является разработка математических моделей СЦС и создание на их основе методики синтеза и параметрической оптимизации систем для заданных условий эксплуатации.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности СЦС с параллельным поиском синхросигнала в условиях интенсивных помех.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать аналитические математические модели подсистем поиска и удержания синхросигнала, ориентированные на обеспечение высокой помехоустойчивости.

2. Разработать имитационную математическую модель СЦС с параллельным поиском синхросигнала с возможностью моделирования сложной помеховой обстановки, приводящей к проскальзываниям цифрового сигналавысокой вероятности и пакетированию ошибок.

3. На основе аналитической и имитационной моделей разработать методику определения внутренних параметров для синтеза СЦС по заданным критериям помехоустойчивости и быстродействия.

Для достижения цели исследований применялись следующие методы исследований: теории вероятностей, теории случайных процессов, теории марковских цепей, математического моделирования, статистических испытаний и комбинаторной оптимизации.

Научная новизна результатов.

1. На базе математического аппарата теории марковских цепей разработана новая аналитическая математическая модель подсистемы удержания СЦС с параллельным поиском синхросигнала, позволяющая по сравнению с известными моделями повысить точность расчета функции распределения вероятностей времени удержания синхронизма и увеличить среднее время удержания синхронизма в условиях интенсивных помех.

2. Для аналитической модели подсистемы поиска СЦС предложен новый принцип учета весов откликов опознавателя синхросигнала, что позволило уменьшить вероятность обнаружения ложного синхросигнала, особенно при высокой вероятности и пакетировании ошибок.

3. На основе аналитических моделей подсистем поиска и удержания.

I • синхросигнала впервые получены зависимости, связывающие функциональные показатели СЦС (вероятность ложного обнаружения, время установления и удержания циклового синхросигнала) с ее внутренними параметрами (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов).

4. Разработана новая имитационная математическая модель СЦС с параллельным поиском синхросигнала, позволяющая находить характеристики восстановления и удержания синхронизма, а также внутренние параметры, системы в условиях изменяющейся динамической помеховой обстановки с учетом структуры синхрогрупп, их размещения в цикле и различных законов группирования ошибок. Имитационная модель может быть использована также для оценки адекватности аналитических моделей СЦС.

Практическая ценность результатов работы.

1. В рамках имитационной модели разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее посредством статистического моделирования найти основные показатели СЦС с параллельным поиском в режимах как истинных, так и ложных сбоев синхронизма с учетом пакетирования ошибок, а также проскальзывания сигнала в цифровом линейном тракте.

2. Разработана методика, позволяющая проектировать новые помехоустойчивые СЦС с параллельным поиском синхросигнала, предназначенные для функционирования в условиях сложного комплекса помех, приводящего в высокой вероятности и пакетированию ошибок, а также проскальзыванию сигнала в цифровом линеином тракте.

3. С использованием методики разработаны новые запатентованные устройства цикловой синхронизации и временного группообразования, имеющие по сравнению с известными аналогами меньшее время восстановления синхронизма и обеспечивающие минимизацию потерь информации в условиях сбоя циклового синхронизма за счет адаптации внутренних параметров к изменению качества канала связи. I.

Реализация результатов. Разработанные модели и методика, реализованные в форме алгоритмического и программного обеспечения внедрены в деятельность 29-го Испытательного полигона МО РФ (г. Ульяновск) и ФГУП НПО «Марс» (г. Ульяновск).

Полученные результаты и разработанное программное обеспечение применяются также в учебном процессе Ульяновского высшего военного инженерного училища связи при изучении дисциплины «Цифровые системы передачи» для специальности «Эксплуатация систем, средств и комплексов электросвязи».

Полученные результаты не противоречат известным взглядам на вопросы синтеза и оптимизации СЦСих достоверность обеспечивается применением хорошо апробированного математического аппарата, полнотой учета влияющих факторов, высокой степенью детализации математических моделей процесса цикловой синхронизации.

На защиту выносится:

1. Аналитическая математическая модель подсистемы удержания СЦС с параллельным поиском синхросигнала, дающая по сравнению с известными моделями возможность увеличить среднее время удержания синхронизма в условиях интенсивных помех.

2. Новый принцип учета весов откликов опознавателя синхросигнала подсистемы поиска СЦС, обеспечивающий уменьшение вероятности обнаружения ложного синхросигнала при высокой вероятности и пакетировании ошибок.

3. Имитационная математическая модель СЦС с параллельным поиском, позволяющая находить характеристики восстановления и удержания синхронизма, а также внутренние параметры системы в условиях изменяющейся динамической помеховой обстановки.

4. Методика параметрического синтеза помехоустойчивых СЦС с параллельным поиском синхросигнала, предназначенных для функционирования в условиях сложного комплекса помех, приводящего в высокой вероятности и пакетированию ошибок, а также проскальзыванию сигнала в цифро вом линейном тракте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, 2006), на XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006), на Научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники: Радиотехнические системы», (Красноярск, 2006), на международной «Конференции по логике, информатике, науковедению» (Ульяновск: 2007), на научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2007), на XIV военно научной-технической конференции 29 испытательного полигона МО РФ (Ульяновск, 2007), на научно-технических конференциях Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (2006, 2007).

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликованы 20 работ, в том числе 7 статей, две из которых в изданиях из перечня ВАК, и 8 работ в трудах и материалах международных и всероссийских конференций, 2 патента на изобретение, всего 8,4 печатных листа. Некоторые результаты работы отражены в учебном пособии.

Структура и объем работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 133 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований и двух приложений.

4.6. Основные результаты и выводы.

1. На основе аналитической и имитационной моделей разработана методика оптимизации внутренних параметров СЦС с параллельным поиском по критерию минимума среднего времени восстановления при ограничениях на допустимую вероятность обнаружения ложного синхронизма и среднее время удержания состояния циклового синхронизма. Оптимизируемыми параметрами являются пороги обнаружения и потери синхросигнала, весовые коэффициенты откликов на синхросигнал и допустимое число искаженных синхросимволов.

2. С использованием методики синтезирована новая охраноспособная СЦС, обеспечивающая в условиях сложной помеховой обстановки высокие показатели быстродействия и помехоустойчивости. Методика позволяет разрабатывать и другие устройства, в состав которых входит СЦС. В качестве примера разработана приемная часть системы временного группообразова-ния, обеспечивающая передачу информации с минимальными потерями в условиях сбоя циклового синхронизма. Разработанные системы защищены патентами на изобретения.

3. Разработана методика анализа помехоустойчивости СЦС, использующая аналитическую модель и статистические данные группирования ошибок в цифровом линейном тракте. Анализ СЦС на основе данных группирования ошибок в тропосферной линии Р-423 показал, что разработанная система несколько (на 1,7%) проигрывает лучшей из известных СЦС с параллельным поиском [14] по среднему времени удержания циклового синхронизма, однако ее быстродействие существенно выше. Так, выигрыш по среднему времени восстановления составил 45,7% (4,2 и 7,7 циклов соответственно).

4. Показано, что частость возникновения и длительность кратковременных перерывов на выходе цифрового канала, обусловленные сбоями циклового синхронизма, полностью определяется параметрами СЦС. При этом разработанная СЦС оказывает меньшее влияние на ухудшение качества канала. Так, например, при допустимой частости возникновения кратковременных перерывов 0,125 1/час, коэффициент ошибки на выходе цифрового канала при использовании разработанной СЦС в 1,8 раза меньше, чем при использовании известной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработаны математические модели СЦС с параллельным поиском синхросигнала в условиях интенсивных помех и на их основе создана методика синтеза СЦС, таким образом, поставленная в диссертации цель достигнута.

1. С использованием теории марковских цепей разработана аналитическая математическая модель СЦС с параллельным поиском, что по сравнению с моделями, основанными на теории вероятностно-временных графов и производящих функций, дало увеличение точности расчета функции распределения времени обнаружения выхода из синхронизма при сокращении вычислительных затрат.

2. Предложены новые алгоритмы формирования отклика на синхросигнал и обнаружения выхода из состояния синхронизма, позволившие уменьшить среднее время восстановления синхронизма и вероятность обнаружения ложного синхросигнала.

3. Построена имитационная модель СЦС с параллельным поиском, позволяющая проводить моделирование с учетом высокой вероятности и пакетирования ошибок, эффекта проскальзывания цифрового сигнала, структуры синхрогрупп и их размещения в цикле, что позволило увеличить ее адекватность реальным системам в ситуации воздействия интенсивных нестационарных помех.

4. На основе аналитической и имитационной моделей разработана методика оптимизации внутренних параметров СЦС (пороги обнаружения и потери синхросигнала, веса отклика на синхросигнал, допустимое число искаженных синхросимволов) в зависимости от требуемых функциональных показателей (вероятность ложного обнаружения, время установления и удержания циклового синхросигнала) и помехоустойчивости цифрового тракта. С использованием этой методики синтезирована новая охраноспособная СЦС, обеспечивающая в условиях сложной помеховой обстановки высокие показатели быстродействия и помехоустойчивости.

5. Проведенное моделирование показало, что разработанная в диссертации СЦС имеет лучшие показатели быстродействия и помехоустойчивости в условиях интенсивных помех по сравнению с известными аналогами. Так, например, при длине цикла передачи 1200, длине синхрогруппы 9 и вероятности ошибочного обнаружения символа 5-Ю-2 выигрыш в уменьшении среднего времени восстановления синхронизма по сравнению с лучшим из аналогов составляет 1,45 раза, а при пакетировании ошибок в канале связи до 10 элементов — в 1,8 раза.