ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

технический университет»

С.Н. Яньшин В.В. Лавлинский

С.А. Змеев Е.А. Рогозин И.А. Новикова

М.В. Питолин Н.В. Ципина О.Ю. Макаров

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ ПЛАНИРОВАНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Воронеж 2017

УДК 681.3

Совершенствование методологии планирования радиочастотного спектра на основе технологий математического моделирования: монография / С.Н. Яньшин , В.В. Лавлинский, С.А. Змеев, Е.А. Рогозин, И.А. Новикова, М.В. Питолин, Н.В. Ципина, О.Ю. Макаров–Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. – 179 с.

ISBN

Актуальность темы монографии определяется сложившимся к настоящему времени противоречием между практикой существующего порядка использования радиочастотного спектра в большинстве освоенных диапазонов частот и методологией частотного планирования. Целью монографии является совершенствование существующей методологии обеспечения задач частотного планирования для устранения указанного противоречия. Научная новизна полученных результатов определяется прежде всего введением в условия решения задачи оптимального присвоения частот нескольких последовательно достигаемых целевых функций, соответствующих РЭС различных категорий приоритетности.

Издание предназначено для научных работников, специализирующихся в области математического моделирования, может быть полезно студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

Табл. 11. Ил. 57. Библиогр.: 76 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А.В. Муратов

Рецензенты: кафедра общепрофессиональных дисциплин Воронежского института правительственной связи (филиала) Академии ФСО России (начальник кафедры, д-р техн. наук, доц. О.В. Ланкин);

д-р техн. наук, проф. А.А. Хвостов

ISBN

© Яньшин С.Н., Лавлинский В.В., Змеев С.А., Рогозин Е.А., Новикова И.А., Питолин М.В., Ципина Н.В., Макаров О.Ю.

© Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в нашей стране и в мире сложилось значительное несоответствие между ростом числа радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения и возможностями удовлетворения их частотных потребностей в традиционно используемых полосах радиочастотного спектра. Так, за последние 10-15 лет потребности в радиочастотах для сетей сотовой связи и передачи данных, радиовещания, радиолокации, радионавигации, телевидения и космической радиосвязи увеличились более чем на два порядка, а освоенные полосы частот практически не расширились. Дефицит радиочастотного ресурса обусловливает необходимость многократного использования отдельных полос частот большим количеством РЭС различных классов и типов, что в свою очередь неизбежно предопределяет увеличение возможностей их взаимовлияния и, следовательно, требует применения необходимых организационных и технических мер по исключению непреднамеренных помех при работе РЭС в полосах совместного использования.

Из организационных мер, применяемых с этой целью радиочастотными органами (РЧО), широкое распространение получили различные меры обеспечения права преимущественного использования частот приоритетными РЭС при совместной работе в общих полосах, осуществляемые при перспективном, текущем и оперативном частотном планировании. Так до конца девяностых годовХХ века в таблице распределения полос частот Регламента радиосвязи [1] были установлены три категории приоритетности использования частот радиослужбами (использование частот на первичной, разрешенной и вторичной основе). Большая часть полос частот от 9 кГц до 275 ГГц, распределенных в Регламенте радиосвязи радиослужбам, предусматривает именно эту форму обеспечения права преимущественного использования частот. Выделение полос частот разрабатываемым (закупаемым за границей) типам РЭС и присвоение частот радиостанциям радиочастотные органы осуществляют, как правило, на дополнительных условиях, которые в большинстве случаев предусматривают различные формы частотно-пространственных ограничений на совместное использование частот менее приоритетными РЭС в интересах обеспечения права преимущественного их использования приоритетными РЭС. Полосы совместного использования частот, в которых тем или иным способом обеспечивается приоритетность РЭС, могут быть классифицированы как полосы преимущественного использования.

В настоящее время в России внедряются новые перспективные телекоммуникационные технологии, разрабатываемые за рубежом (цифровое телевидение, сотовая связь четвертого и пятого поколения и др.). Несоответствие приоритетности полос частот международного и Российского регламентов радиосвязи привело к тому, что эти перспективные технологии вынуждены будут внедряться в нашей стране в полосах, правом преимущественного использования которых во многих случаях обладают РЭС систем государственного и военного управления. Важность новых информационных технологий ставит актуальный вопрос о необходимости обеспечения совместной работы без непреднамеренных радиопомех РЭС гражданского и государственного управления при сохранении приоритета последних.

Одним из путей решения этой задачи является разработка автоматизированных программных комплексов, позволяющих решать задачи присвоения частот в полосах преимущественного использования. Создание этих комплексов требует соответствующего информационного, методического, программного и аппаратурного обеспечения. Основой при этом является методическое обеспечение, включающее обоснование методического подхода к решению задачи и его реализацию в соответствующих алгоритмах. Совершенствование методического обеспечения задач присвоения частот в полосах преимущественного использования составляет предмет исследований в данной монографии.

Задача присвоения частот обычно формулируется как оптимизационная с тем, чтобы обеспечивалось использование заданной полосы частот в определенном территориальном районе максимальным количеством РЭС при отсутствии взаимовлияния между ними. При решении этой задачи должны учитываться и меры обеспечения права преимущественного использования частот, поскольку эти меры существенным образом влияют на постановку задачи (ограничения на присвоение частот, целевую функцию) и, следовательно, вносят специфику в методы её решения. Правомерно возникает вопрос, насколько известные методы оптимального присвоения частот учитывают применяемые на практике меры обеспечения права преимущественного их использования?

Анализ существующего состояния развития методологии присвоения частот, проведенный по многочисленным отечественным и зарубежным публикациям [21-48], показывает, что большинство известных методов разработано без учета указанных мер. В известных работах не разработаны методы оптимального присвоения частот в полосах совместного использования с установленными категориями приоритетности радиослужб. Отсутствуют работы, в которых был бы предложен подход, универсальный с точки зрения единообразного учета при частотном планировании известных разновидностей вводимых частотно-пространственных ограничений. Лишь в ряде работ [23-25], посвященных обоснованию применения методов комбинаторной оптимизации, в задачах оптимального присвоения частот для ряда частных случаев учитываются устанавливаемые органами радиочастотной службы пространственные и частотные ограничения, и в частности - запрещенные номиналы (полосы) частот в пределах заданной полосы в определенных территориальных районах [23,24], а также априорно заданные частотные присвоения для приоритетных РЭС рассматриваемой группировки [24,25]. В известных работах, посвященных динамическому управлению использованием частот в условиях изменяющейся радиоэлектронной обстановки [24,28-30], не уделяется внимания вопросам приоритетности РЭС. Можно сделать вывод о том, что известные методы оптимального присвоения частот построены на принципе гарантированного обеспечения ЭМС РЭС с более высокими приоритетами и не позволяют для РЭС низших приоритетов получать максимально возможное число частотных присвоений без помех от РЭС высшего приоритета. Это предопределяет невозможность удовлетворения известными методами частотного планирования всех потребностей неприоритетных РЭС в частотных присвоениях, и как следствие - неэффективное использование загруженных полос частот. Для решения этой проблемы необходим новый методический аппарат, реализующий потенциальные возможности оптимального присвоения частот РЭС с более низким приоритетами, и тем самым обеспечивающий повышение эффективности совместного использования радиочастотного спектра всей совокупностью РЭС. Оптимизация присвоения частот должна сводить к минимуму ущерб, наносимый неприоритетным РЭС при присвоении частот средствам с высшим приоритетом. Таким образом, актуальным является совершенствование существующей методологии в области оптимального присвоения частот в полосах преимущественного использования.

Цель монографии состоит в совершенствовании методологии решения задач оперативного частотного планирования на основе учета факторов, определяющих право преимущественного использования частот, в интересах максимального удовлетворения потребностей в частотных присвоениях.

Работа выполнялась в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации «О связи» от 29.04.2008 г. № 58-ФЗ, а также «Порядком проведения экспертизы возможности использования заявленных РЭС и их ЭМС с действующими и планируемыми для использования РЭС, рассмотрения материалов и принятия решений о присвоении (назначении) радиочастот или радиочастотных каналов в пределах выделенных полос радиочастот», утвержденным Решением Государственной комиссии по радиочастотам от 20.12.2011 г. № 11-13-02.

В первой главе проводится анализ ситуаций совместного функционирования различных типов РЭС систем государственного и гражданского управления. В результате анализа выявлены полосы преимущественного использования частот, в которых задачи обеспечения ЭМС наиболее актуальны. Произведена классификация мер обеспечения права преимущественного использования частот. Выбраны ситуации, применительно к которым будут решаться поставленные в работе научные задачи. Дана для этих ситуаций содержательная постановка задач оптимального присвоения частот, решаемых в ходе исследований.

Во второй главе исследуются методы оптимального присвоения частот в полосах, право преимущественного использования которых обеспечивается установлением категорий приоритетности радиослужб. Дается формализованная постановка задач оптимального присвоения частот на первичной и вторичной основе, а также задач с произвольным числом категорий приоритетности. Для их решения предложен алгоритм итерационной числовой маркировки функционально взвешенного ориентированного мультиграфа. Для исследования и апробации этого алгоритма разработан ряд имитационных математических моделей: модель оптимального частотного планирования в полосах совместного использования РЭС на первичной и вторичной основе; модель оптимального присвоения частот сетям телевизионного вещания, работающим на первичной основе совместно с РЭС систем государственного управления; модель оптимального присвоения частот совместно функционирующим линиям радиосвязи с несколькими категориями приоритетности.

Третья глава посвящена разработке алгоритма оптимального присвоения частот в полосах, право преимущественного использования которых обеспечивается установлением различных частотно-пространственных ограничений. Дается формализованная постановка задач и разрабатывается необходимый методический подход к их решению. В результате исследований предложен универсальный алгоритм решения задачи оптимального присвоения частот в условиях частотно-пространственных ограничений, предусматривающий стандартную процедуру учета ограничений, вводимых в различной форме как на этапе частотного планирования, так и в процессе функционирования РЭС. На основе этого алгоритма разработаны следующие имитационные математические модели: модель оптимального присвоения частот телевизионным сетям при различных вариантах введения частотно-пространственных ограничений, модель оптимального присвоения частот оператору сотовой связи стандарта TDD в условиях постоянных частотных ограничений и модель минимизации временных запретов на излучение путем оптимального переприсвоения частот неприоритетным РЭС.

В четвертой главе проведена оценка эффективности разработанных алгоритмов оптимального присвоения частот в условиях изменяющейся радиоэлектронной обстановки. Эффективность оценивалась по достигаемой величине коэффициента повторения частот, характеризующего экономичность использования радиочастотного ресурса. Дана сравнительная оценка эффективности одиночного и группового динамического присвоения частот сетям УКВ радиосвязи. Для решения этой задачи был предложен метод раскраски вероятностного графа. Также проведена оценка эффективности динамического присвоения частот сетям сотовой связи, обеспечивающего возможность эпизодического повышения трафика в зонах отдельных базовых станций посредством подключения дополнительных приоритетных трансиверов при сохранении действующего частотного плана. Проведенные исследования основываются на использовании математического аппарата комбинаторной оптимизации (задачи раскраски графов, числовой маркировки функционально взвешенных ориентированных мультиграфов), теории игр (бескоалиционные игры нескольких лиц с непротивоположными интересами и полной информацией) и аппарата статистических испытаний на имитационных математических моделях.

В пятой главе представлены основные теоретические предпосылки математического обоснования методов описания информационных процессов на основе систем дифференциальных уравнений, и, имеется возможность оценивать внешние воздействия на основе устойчивости систем решения задач оперативного частотного планирования на основе учета факторов, определяющих право преимущественного использования частот, в интересах максимального удовлетворения потребностей в частотных присвоенияхс использованием понятий действия, бездействия, влияния, воздействия, взаимодействия, противодействия.