9.12 Оптимізація систем зв'язку

9.12.1 Загальна методологія оптимізації системи

Якість роботи систем передачі інформації характеризується сукупністю великої кількості показників, основними з яких є завадостійкість, швидкість, пропускна здатність, дальність дії, електромагнітна сумісність, маса й габарити апаратури, вартість, екологічна сумісність.

Сукупність показників якості системи можна записати у вигляді вектора

. (9.34)

Найкращою (оптимальною) вважається така система , який відповідає найбільше (найменше) значення деякої функції [37]

(9.35)

від окремих показників якості . Величина називається ефективністю або узагальненим показником якості системи, а функція – цільовою функцією системи (критерієм якості).

Одним із центральних моментів методики оптимального проектування або порівняння систем є формування оцінок ефективності – цільових функцій системи.

Такі оцінки вкрай необхідні при системних дослідженнях, пов'язаних з такими завданнями, як вибір кращої системи із числа існуючих, оцінка рівня розробки системи у порівнянні з сучасними світовими зразками, визначення оптимального варіанта нової (проектованої) системи й т.ін.

У найпростіших випадках ефективність систем оцінюють за окремими найбільш суттєвим параметрам, наприклад за швидкістю, шириною смуги частот каналу, відношенням сигналу до шуму й т.д.

У загальному випадку необхідним є системний підхід, при якому ефективність оцінюється в цілому за сукупністю параметрів. При цьому насамперед необхідно врахувати усі найістотніші параметри систем. Прагнення врахувати всі параметри, у тому числі дрібні та другорядні, приводить до ускладнення цільової функції (критерію якості) і робить важкодоступними для огляду результати оцінювання. Разом з тим надлишкове обмеження кількості врахованих параметрів може призвести до того, що критерій виявиться занадто грубим.

Будь-яка оцінка ефективності систем проводиться з метою прийняття певного рішення. Так, при проектуванні потрібно визначити сукупність параметрів системи, при яких досягається найбільша ефективність.

Кількісна оцінка ефективності повинна задовольняти певним вимогам. Вона повинна досить повно характеризувати систему в цілому й мати ясний фізичний зміст, мати необхідну гнучкість й універсальність. Оцінювання ефективності системи повинно бути конструктивним - придатним як для аналізу, так і для синтезу систем. Нарешті, оцінювання ефективності повинно бути досить простим для обчислення й зручним для практичного використання. Розповсюдженим є оцінювання ефективності у вигляді лінійної функції

, (9.36)

де – кількість врахованих, (показників) параметрів ; - вагові коефіцієнти; - відносні значення параметрів, які враховують.

При такому визначенні параметрів, що входять у суму (9.36), величину можна визначити в межах від 0 до 1. Найкращою буде та система, для якої величина більша.

Вибір вагових коефіцієнтів у певній мері є довільним. Те ж саме стосується й кількості врахованих параметрів . Однак їх доля може бути доведена до мінімуму розробкою раціональної методики знаходження цих коефіцієнтів (наприклад, методики експертних оцінок). Абсолютні значення ваг не мають значення; істотними є тільки відносні ваги.

Сучасні складні системи зв'язку не завжди можуть бути вичерпно охарактеризовані одним єдиним показником. Оцінка по кількох показниках може бути більш повною й разом з тим більш предметною, що дозволяє охарактеризувати різні властивості системи.

Цілком очевидно, що велика кількість показників є неприйнятною. Потрібно мати кілька показників, які характеризують основні найсуттєвіші властивості системи: інформаційні, технічні, економічні й т.ін. У багатьох випадках досить обмежитися двома показниками, наприклад завадостійкістю й швидкістю передачі, частотною й енергетичною ефективністю, технічним ефектом і витратами.

Остаточне рішення, як правило, ґрунтується не тільки на кількісних даних розрахунку, але й на досвіді, інтуїції й інших евристичних категоріях, а також на додаткових міркуваннях, які не могли бути враховані при побудові математичної моделі.

У загальному випадку завдання оптимізації СПІ зводиться до знаходження максимуму цільової функції при варіації системи (її структури або значень її параметрів) з урахуванням вихідних даних та обмежень на структуру й параметри системи.

Якщо задано цільову функцію й визначена сукупність допустимих систем (або їхніх варіантів) , то оптимізація зводиться до задачі дискретного вибору з кінцевої кількості заданих систем, тобто до вибору системи, якій відповідає найбільше (найменше) із значень

, , …, ... (9.37)

Більш складним завданням є завдання оптимізації (синтезу) структури системи. Якщо структура системи може бути досить повно описана відомими функціями з кінцевою кількістю параметрів, то завдання зводиться до оптимізації цих параметрів. В окремому випадку, коли цільова функція та всі функції, що визначають обмеження, лінійно залежать від параметрів , завдання зводиться до лінійного програмування. У деяких випадках вдається вирішити завдання аналітично на підставі методів функціонального аналізу.

У загальному вигляді вирішення завдання оптимізації СПІ може виявитися складним і мало придатним для прийняття рішення. Тому як правило прибігають до поетапної процедури оптимізації. Спочатку, наприклад, здійснюється оптимізація за інформаційними параметрами, а потім – за техніко-економічними показниками. На першому етапі визначається структурна схема системи, це дозволяє оцінити її основні потенційні характеристики, вибрати способи модуляції й кодування, метод обробки сигналу в приймачі. Потім визначаються алгоритми функціонування й параметри окремих блоків системи (модему, кодека каналу, кодека джерела й т.ін.). Завершальним етапом є конструювання системи.

Техніко-економічний аналіз базується як мінімум на двох показниках: ефекті й витратах [44]. При цьому основним принципами визначення ефективності СПІ може бути принцип максимуму ефекту або принцип мінімуму витрат .

За витрати звичайно приймаються приведені річні витрати на одиницю продукції (у нашому випадку - вартість передачі одного біта в секунду).