Повышение устойчивости управления параметрами функционирования пространственно-распределенных радиотехнических систем робототехнических комплексов на основе нечетких множеств

Предложен метод и модель системы управления параметрами системы передачи информации с целью повышения устойчивости многоканальных пространственно-распределенных радиотехнических систем. Метод позволяет адаптировать параметры пространственно-временного помехоустойчивого кода к изменяющимся параметрам многолучевой антенной решетки и мощности передатчика относительно нескольких радиоканалов. Идея метода основана на решении задачи многокритериальной оптимизации множества разнородных параметров системы передачи информации на основе аппарата теории нечетких множеств. Получены основные аналитические выражения нечеткой оптимизации отдельных параметров и построения пространственно-временного кода. Все вычисления и построения графиков осуществлялись в MATLAB. Приведен вариант реализации системы управления параметрами в Simulink.

Развитие цифровых технологий обусловило актуальность вопросов защищенности информации в существующих и разрабатываемых системах передачи информации по радиоканалам. Эти вопросы тесно связаны с устойчивостью функционирования радиотехнических систем (РТС), так как применение средств и методов защиты информации в радиоканалах определяется параметрами радиоканала, параметрами системы передачи информации и деструктивным воздействием нарушителя. В современных РТС различного назначения все чаще применяются многолучевые антенные решетки (МАР) [1]. В последнее время разрабатываются бортовые МАР для робототехнических комплексов (РТК) [2, 3]. Так как информация в таких РТС передается по нескольким каналам за счет МАР, то их можно охарактеризовать как многоканальные пространственно-распределенные РТС. Несмотря на все преимущества МАР обладают рядом недостатков. Жесткие требования к МАР приводят к противоречию между помехоустойчивостью (ПМУ) и пропускной способностью (ПС) РТС, которые являются основными характеристиками РТС и обеспечивают устойчивость ее функционирования при изменении сигнально-помеховой обстановки и защищенность информации в РТС [3].

В связи с этим повышение устойчивости функционирования РТС может быть определено в виде многокритериальной задачи, решение которой требует системного подхода [4, 5]. Декомпозиция РТС на подсистемы позволяет выявить узловые точки, оказывающие непосредственное влияние на ее системные характеристики: кодер канала (КК), передатчик (ПРД) и МАР. Из работ Борисова В.Н., Тузова Г.И. следует, что перспективным направлением совершенствования РТС является применение сложных сигнально-кодовых конструкций и МАР, а также их комплексирование [6, 7]. Это требует установления аналитической взаимосвязи между параметрами ПРД, КК и МАР, а также разработки методов и моделей пространственно-временных кодов, методов управления их параметрами.

Целью статьи является разработка метода повышения устойчивости функционирования многоканальных пространственно-распределенных РТС на основе адаптивного управления параметрами ПРД, КК и МАР. Рассмотрим многокритериальную задачу.

Классическим подходом применения методов многокритериальной оптимизации [8, 9] является использование метода множителей Лагранжа. В соответствии с ним задача (1) может быть сведена к определению экстремума функции Лагранжа. Однако поиск оптимальных множителей Лагранжа является сложной вычислительной задачей. Предложим другой подход, позволяющий учитывать критерии в равной степени, основанный на определении функции принадлежности (ФП) каждого показателя в обобщенной ЦФ, определяющей устойчивость функционирования РТС РТК на основе теории нечетких множеств (НМ) [10]. Запишем ЦФ в виде операций коньюнкции и дизъюнкции ФП. Обобщенная ЦФ будет определяться в каждый момент времени точкой пересечения ФП значений каждого из показателей оптимальному решению. Согласно теории устойчивости [11] любая система, описываемая дифференциальными уравнениями, устойчива по Ляпунову, если решение системы удовлетворяет заданному интервалу. Решение в каждый момент времени будет давать отклонение от номинального значения. При этом необходимо и достаточно, чтобы решение стремилось к нулю при бесконечном времени.

Предлагаемый метод базируется на идее и понятии параллельных каналов, предложенных Л.М. Финком [11]. Модель гауссовского радиоканала в пакете Simulink представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Имитационная модель радиоканала в пакете Simulink

В [11] указывается на то, что мощность ПРД может быть распределена в каналах произвольно, однако принцип оптимизации не указывается. Кроме того, информация, передаваемая в параллельных каналах, одинакова по количеству бит. В отличие от известных предлагается разработка метода оптимизации мощности в параллельных каналах, парциальных характеристик направленности (ХН) МАР для каждого канала и оптимального распределения информации между параллельными каналами на основе пространственно-временного кода. Требования к ПМУ и ПС параллельных каналов при функционировании РТК в условиях помех обусловлены отношением сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ) в каждом канале. В работе предложен общий метод повышения устойчивости функционирования многоканальной пространственно-распределенной РТС на основе предложенного способа пространственно-временного кодирования и нечеткого управления параметрами МАР. Получены аналитические выражения, позволяющие проследить взаимосвязь параметров МАР (количество лучей, ширина ДН, коэффициент перекрытия, фазовое распределение) с параметрами мощности ПРД и синтезированного кода на основе системы остаточных классов, а также оценить влияние данной взаимосвязи на такие системные показатели, как помехоустойчивость и пропускная способность РТС. Для повышения устойчивости функционирования РТС выбран подход на основе теории нечетких множеств, позволяющей достичь более гибкого решения задачи многокритериальной оптимизации.

Полный текст работы можно скачать в разделе Файлы ниже.

Литература

1. Филиппов В.С. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / В.С. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1994. – 592 с.
2. Макаренко С.И. Робототехнические комплексы военного назначения - современное состояние и перспективы развития // Системы управления, связи и безопасности. – 2016. – № 2. – С. 73-132.
3. Бобылкин И.С. Разработка пеленгационной антенной решетки, расположенной на борту беспилотного летательного аппарата / И.С. Бобылкин, А.В. Муратов, Л.А. Носова, А.С. Самодуров. // Вестник Воронежского государственного технического университета. – Воронеж. ВГТУ, 2015. – С. 133-135.
4. Коротченко А.Г., Кумагина Е.А, Сморякова В.М. Введение в многокритериальную оптимизацию. – Нижний Новгород: ИИТММ, 2017. – 55 с.
5. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. – М.: Наука, 1981. – 488 с.
6. Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. – М.: Радио и связь, 2000. – 384 с.
7. Тузов Г.И. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др. ‑ М.: Радио и связь, 1985. – 264 с.
8. Березовский Б.А. Многокритериальная оптимизация: Математические аспекты / Б.А. Березовский, Ю.М. Барышников, В.И. Борзенко, Л.М. Кемпнер. – М.: Наука, 1989. – 128 с.
9. Пантелеев А.В. Методы оптимизации в примерах и задачах, 2-е изд., – М.: Высшая школа, 2005. – 544 с.
10. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление / пер. с англ. – 2-е изд. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2013. – 798 с.
11. Ногин В.Д. Теория устойчивости движения. – СПб.: СПбГУ, 2008. – 159 с.
12. Андронов И.С. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. / И.С. Андронов, Л.М. Финк. ‑ М.: Советское радио, 1971. – 408 с.
13. Махов Д.С. Метод оптимизации энергетических параметров системы передачи информации в парциальных радиоканалах малоразмерных подвижных объектов на основе аппарата теории нечетких множеств / Системы управления, связи и безопасности. – 2019.– № 4. – С. 27-49.
14. Махов Д.С. Метод фазового синтеза антенной решетки по результатам пробных изменений фазового распределения / Д.С. Махов, С.Е. Мищенко // Радиотехника. – 2012. – № 9. – С. 176-185
15. Безуглов А.А. Амплитудно-фазовый синтез оптимальной по Парето антенной решетки / А.А. Безуглов, А.В. Литвинов, С.В. Землянский, С.Е. Мищенко. // Вестник РГУПС. – 2016. – № 1. – С. 71-78.
16. Минкович Б.М. Теория синтеза антенн. / Б.М. Минкович, В.П. Яковлев. – М.: Советское радио, 1969. – 296 с.
17. Бененсон Л.С. Антенные решетки. Реферативный сборник зарубежных работ. – М. Наука, 1986. – 367 с.
18. Акушский И.Я. Машинная арифметика в остаточных классах. / И.Я. Акушский, Д.И. Юдицкий. – М.: Советское радио, 1968. – 440 с.
19. Бакулин М.Г. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. / М.Г. Бакулин, Л.А. Варукина, В.Б. Крейнделин. – М.: Горячая линия-Телеком, 2014. – 244 с.
20. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами Matlab. ‑ М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 288 с.