Сеть мониторинга объектов энергораспределения на основе радиоканалов

Одним из видов таких сообщений является сообщение об "обновлении маршрутизации". Обновления маршрутизации обычно включают всю маршрутную таблицу или ее часть. Анализируя информацию об обновлении маршрутизации, поступающую ото всех роутеров, любой из них может построить детальную картину топологии сети. Другим примером сообщений, которыми обмениваются роутеры, является "объявление о состоянии канала". Объявление о состоянии канала информирует другие роутеры о состоянии каналов отправителя.

Канальная информация также может быть использована для построения полной картины топологии сети. После того, как топология сети становится понятной, роутеры могут определить оптимальные маршруты к пунктам назначения [19].

Алгоритмы маршрутизации можно дифференцировать, основываясь на нескольких ключевых характеристиках. Во-первых, на работу результирующего протокола маршрутизации влияют конкретные задачи, которые решает разработчик алгоритма. Во-вторых, существуют различные типы алгоритмов маршрутизации, и каждый из них по-разному влияет на сеть и ресурсы маршрутизации. И, наконец, алгоритмы маршрутизации используют разнообразные показатели, которые влияют на расчет оптимальных маршрутов.

Оптимальность, вероятно, является самой общей целью разработки. Она характеризует способность алгоритма маршрутизации выбирать "наилучший" маршрут. Наилучший маршрут зависит от показателей и от "веса" этих показателей, используемых при проведении расчета. Например, алгоритм маршрутизации мог бы использовать несколько пересылок с определенной задержкой, но при расчете "вес" задержки может быть им оценен как очень значительный [19].

Естественно, что протоколы маршрутизации должны строго определять свои алгоритмы расчета показателей. Алгоритмы маршрутизации разрабатываются как можно более простыми. Другими словами, алгоритм маршрутизации должен эффективно обеспечивать свои функциональные возможности, с минимальными затратами программного обеспечения и коэффициентом использования. Особенно важна эффективность в том случае, когда программа, реализующая алгоритм маршрутизации, должна работать в компьютере с ограниченными физическими ресурсами. Алгоритмы маршрутизации должны обладать живучестью. Другими словами, они должны четко функционировать в случае неординарных или непредвиденных обстоятельств, таких как отказы аппаратуры, условия высокой нагрузки и некорректные реализации. Т.к. роутеры расположены в узловых точках сети, их отказ может вызвать значительные проблемы. Часто наилучшими алгоритмами маршрутизации оказываются те, которые выдержали испытание временем и доказали свою надежность в различных условиях работы сети.

Алгоритмы маршрутизации должны быстро сходиться. Сходимость - это процесс соглашения между всеми роутерами по оптимальным маршрутам [6]. Когда какое-нибудь событие в сети приводит к тому, что маршруты или отвергаются, или становятся доступными, роутеры рассылают сообщения об обновлении маршрутизации. Сообщения об обновлении маршрутизации пронизывают сети, производя пересчет оптимальных маршрутов и, в конечном итоге все роутеры прийти к соглашению по этим маршрутам. Алгоритмы маршрутизации, которые сходятся медленно, могут привести к образованию петель маршрутизации или выходам из строя сети.

Алгоритмы маршрутизации должны быть также гибкими. Другими словами, алгоритмы маршрутизации должны быстро и точно адаптироваться к разнообразным обстоятельствам в сети. Например, предположим, что сегмент сети отвергнут. Многие алгоритмы маршрутизации, после того как они узнают об этой проблеме, быстро выбирают следующий наилучший путь для всех маршрутов, которые обычно используют этот сегмент. Алгоритмы маршрутизации могут быть запрограммированы таким образом, чтобы они могли адаптироваться к изменениям полосы пропускания сети, размеров очереди к роутеру, величины задержки сети и других переменных.

Как уже говорилось в начале работы, большинство современных информационных беспроводных сетевых комплексов, в том числе и для решений задач телемеханики, формируют маршруты из соображений кратчайшего расстояния [6]. Иными словами, ретрансляторы назначаются так, что бы совокупное расстояние, пройденное сообщением от пункта-отправителя через ретрансляторы к пункту-получателю было наименьшим из всех возможных. Кроме того, существенным минусом является применение фиксированной ( статической ) маршрутизации. То есть пункт-ретранслятор назначается оператором при установке нового пункта. Сформированные маршруты заносятся в специальные маршрутные таблицы, которые не меняются. Выход из строя одного из узлов сети, или ухудшения условий связи приводи к потере всех узлов, для которых он является ретранслятором, без возможности изменить маршрут до вмешательства обслуживающего сеть оператора. Такой способ организации маршрутов прост, но не является «гибким», что часто приводит к авариям, поломкам, а так же требует регулярного контроля квалифицированным персоналом. Желаемым для нас результатом является адаптивная маршрутизация, то есть возможность построения новых маршрутов в случае, когда предыдущие маршруты невозможны ( выход из строя одного из узлов ) или не обеспечивают связь надлежащего качества. Автоматизация процессов анализа состояния сетевых трасс и формирования маршрутов, составления новых маршрутных таблиц ( процессов адаптации), так же является важным шагом на пути развития сетевых технологий. Данный подход позволит сети самостоятельно выполнять поиск возможных ретрансляторов, формировать маршруты, анализировать состояние маршрутов, что в значительной степени повысит эффективность, работоспособность сети, а так же снизит зависимость от человеческого контроля.

5.2 Поиск кратчайших путей

Под алгоритмом маршрутизации понимается правило, в соответствии с которым в каждом узле сети передачи данных осуществляется выбор линии связи для передачи данных. Под фиксированной маршрутизацией будем понимать такую процедуру выбора маршрутов, при которой для передачи данных от узла-источника узлу-адресату используется единственный маршрут 6],[18],[19].

Один из наиболее эффективных алгоритмов для решения задачи поиска кратчайшего пути является алгоритм Дейкстры. Этот алгоритм был предложен в 1959 году нидерландским ученым Э. Дейкстрой. Он находит кратчайшие маршруты и их длину между одной вершиной и остальными вершинами графа [20].

В общем случае этот метод основан на приписывании вершинам временных пометок, причем пометка вершины дает верхнюю границу длины пути от s к этой вершине. Эти пометки постепенно уменьшаются с помощью некоторой итерационной процедуры, и на каждом шаге итерации точно одна из временных пометок становится постоянной. Последнее указывает на то, что пометка уже не является верхней границей, а дает точную длину кратчайшего пути от s к рассматриваемой вершине. Опишем этот метод на примере[6].

Рассмотрим граф изображенный на рисунке (Рис 2.1), где каждое неориентированное ребро рассматривается как пара противоположно ориентированных дуг равного веса. Матрица весов приведена ниже. Требуется найти все кратчайшие пути от вершины ко всем остальным вершинам.

Рисунок 25 - Пример графа [19].



Воспользуемся алгоритмом Дейкстры. Постоянные пометки будем снабжать знаком +, остальные пометки - временные.

Рисунок 26 - Веса ребер графа.

Алгоритм работает так.

1)

Первая итерация.

2) -

все пометки временные. Возьмем сначала . По формуле получаем: , аналогично

.

3)



4) получает постоянную пометку

,

5) Не все вершины имеют постоянную метку, поэтому переходим к шагу 2.

Вторая итерация.

) -

все пометки временные. Возьмем сначала . По формуле получаем: , аналогично

.

3)

4) получает постоянную пометку

,

5) Не все вершины имеют постоянную метку, поэтому переходим к шагу 2.

Продолжая этот процесс, получим окончательную картину расстановки пометок. Для нахождения кратчайшего пути между вершиной и начальной вершиной мы последовательно используем соотношение . Единственной такой вершиной является вершина . Продолжая процедуру, получим кратчайший путь между вершинами [20].



5.3 Критерии выбора маршрута

Обратимся к формуле 5.1 которая описывает ослабление сигнала в зависимости от расстояния в свободном пространстве.

(5.1)

где - мощность принимаемого сигнала,

мощность передаваемого сигнала,

- длина волны,

d- расстояние между антеннами,

Gb- коэффициент усиления передающей антенны,

Gm- коэффициент усиления принимающей антенны.

Действительно, исходя из формулы, можно сделать вывод, что при одинаковой конструкции передатчиков, единственным фактором ослабления сигнала является расстояние между пунктами. Однако мы живём в реальной среде, где радиоканал подвержен внешнему воздействию в виде помех различного происхождения, а это значит, что формирование маршрутов по кратчайшему расстоянию не всегда является объективным, с точки зрения уровня полезного сигнала.

Одной из важнейших характеристик в системах связи является отношение сигнал/шум (сигнал/помеха). Отношение сигнал/шум показывает отношения мощности сигнала к мощности шума. При использовании модели белого шума его полная мощность является бесконечной величиной, поэтому для использования данного параметра необходимо определить, в какой полосе частот будет измеряться мощность шума [21]. Как правило, речь идёт о той же полосе, что и у полезного сигнала. Таким образом параметр сигнал шум можно определить следующим образом:



(5.2)

Где Ps -- мощность полезного сигнала, No -- спектральная плотность мощности (СПМ) белого шума, - ширина спектра полезного сигнала.

Поскольку единицей информации является бит, то отношении сигнал/шум по мощности для цифровых систем недостаточно информативно. Применяется другая мера: сигнал/шум на бит, вычисляется как Eb/No. Отношение сигнал/шум на бит, определяемое как отношение энергии сигнала Eb, приходящейся на один бит передаваемых данных, к СПМ белого шума.

Для установления связи между соотношениями сигнал/шум, вычисляемыми разными способами, укажем: Ps=EbR, тогда:

(5.3)

Где R - битовая скорость передачи данных, т.е. SNR равно произведению Eb/No и спектральной эффективности системы [21].

Само по себе отношение сигнал шум не даёт нам информации об эффективности передачи данных, однако эта информация содержится в другой, важнейшей характеристики, связанной с отношением сигнал/шум, эта характеристика называется вероятность ошибки, т.е. вероятность того, что принятое числовое значение бита не совпадает с переданным. Строго говоря, вероятность битовой ошибки указывает на частоту появления ошибок во времени, то есть на долю общего числа переданных бит в информационном сообщении. Важно так же заметить, что формула 5.3 справедлива при определённых типах модуляции, когда 1 символ содержит 1 бит. При сложных типах модуляции Es=mEb, где m - число символов на бит. Поскольку разбор различных типов модуляции не входит в цели нашего исследования, положим, что в нашем случае 1 символ состоит из 1 бита. Вероятность битовой ошибки определяется формулой:

(5.4)

где функция - называется Q-функцией, и является дополнением до единицы известной функции , называемой - гауссов интеграл вероятности.

Соответственно = 1 - .

Интеграл вероятности раскрывается как:

= (5.5)

Отсюда вероятность битовой ошибки Pb определяется формулой:

(5.6)

где i, j - пункты, между которыми передаётся сообщение.

Выражение 5.6 упрощается следующим образом:

(5.7)



Поскольку информационное сообщение содержит множество бит, предположим, общее количество бил . Тогда, вероятность ошибки л\для пакета длиной бит будет выглядеть:

(5.8)

Итак, предположим, что сообщение идет от пункта k к пункту 0 через ретрансляторы. Рассчитаем общую вероятность ошибки для всего маршрута.

Пусть - вероятность правильной передачи на всем пути от узла k к узлу 0 (ДП), а - вероятности ошибочной передачи пакета от узла i к узлу j по ребру соединяющему эти два узла. Тогда вероятность правильной передачи по этому ребру равна . Отсюда следует, что вероятность правильной передачи пакета по всему пути до узла 0 равна произведению вероятностей правильной передачи по всем ребрам, входящим в путь . Отсюда определим вероятность ошибочной передачи пакета по всему пути , так как произведения вероятностей достаточно малы, чтобы ими можно было пренебречь. Общая формула для определения вероятности ошибки всего маршрута есть сумма вероятностей ошибок промежуточных участков, то есть участков между ретрансляторами.

(5.9)



Итак, приняв топологию сети за граф, подставив в уже известный нам алгоритм поиска кратчайшего пути на графе вместо длинны ребер значения вероятности правильной передачи, мы получим набор маршрутов, от одного пункта (диспетчерского) до всех остальных пунктов (контролируемых), обеспечивающих наименьшую вероятность ошибки. Таким образом мы уходим от недостатка маршрутов, использующих в качестве критерия выбора пути кратчайшее расстояние. Еще одним выигрышем от использования подобного метода является то, что выбор канала по наименьшей вероятности ошибки (наивысшему отношению сигнал/шум )при фиксированной полосе обеспечивает наивысшую пропускную способность[21].

5.4 Измерение отношения сигнал/шум

Определив подходящий нам критерий выбора маршрута, мы возвращаемся к ещё одному желаемому моменты - автоматизации процессов формирования маршрута. Это означает, что сетевые узлы должны самостоятельно «уметь» измерять отношение сигнал/шум на участках трассы между соседними узлами, выполнять расчёт вероятности ошибки, составлять маршрутные карты, в которых будут содержаться основные маршруты, а так же потенциальные возможные. Кроме того, сетевые узлы должны уметь анализировать составленные маршруты, и, в случае ухудшения измеренных и рассчитанных характеристик маршрутов, формировать новые.

Для реализации этих требований измерение отношения сигнал/шум должно проводиться автоматически, а не персоналом, работающим с оборудованием системы телемеханики.

Добавим в структуру информационного сообщения т.н. измерительный бит. Этот измерительный бит представляет собой квазисинусоиду, т.е. отрезок синусоиды заданной длительности.



(5.10)

Для оценки параметров динамического процесса воспользуемся уравнениями пространства состояний. Запишем наш сигнал в дифференциальной форме:

;

Обозначим :

тогда а

Введём дополнительные обозначения [22].

; F=(5.11)

Теперь запишем x(t) через уравнение состояния:

; где (5.12)

Уравнение наблюдения, в свою очередь, будет выглядеть[23]:

(5.13)

где n(t)- шум наблюдения с параметрами, , где N - ковариационная матрица шумов наблюдения

Введем далее обозначения:

где гауссовский шум с равномерным спектром и ковариационной матрицей

Тогда уравнение состояния :

(5.14)

Таким образом, сигнал на входе получателя сообщения описан двумя уравнениями: дифференциальным уравнением состояния (5.14) и уравнением наблюдения (5.13).

Решением уравнения (5.14) является плотность распределения вероятностей вектора состояния . Эта плотность распределения вероятностей описывается уравнением Фоккера - Планка - Колмогорова:



(5.15)

Наблюдение позволяет найти апостериорную плотность распределения вероятностей

Апостериорная плотность распределения вероятностей вектора состояний является основой для нахождения наилучшей, в определенном смысле, оценки вектора Обычно применяют критерий получения оценки, минимизирующий средний квадрат ошибки. Если оценку обозначить как , то средний квадрат ошибки можно записать в виде:

(5.17)

Оценка вектора , минимизирующая средний квадрат ошибки (5.17), будет равна

. (5.18)

Для получения алгоритма оценки в более простом виде, предположим, что апостериорная плотность распределения вероятностей вектора состояний (5.16) имеет гауссово распределение. В этом случае оценка будет также рапределена по гауссовскому закону. Следовательно, для описания оптимального алгоритма оценивания вектора состояния достаточно знания значения вектора и значения его дисперсии - .

Математическая модель гармонического сигнала, находящегося в смеси с гауссовой помехой, посредством описания методом уравнений состояния может быть представлена в виде [22],[23]:

(5.19)

Примем, что ковариационные матрицы порождающего процесса и шумов наблюдения равны, соответственно, X и N.

Соответствующие этой модели уравнения оценки вектора состояния и дисперсии вектора состояния можно представить так [22]:

(5.20)

(5.21)

Рассмотрим отдельные элементы алгоритмов (5.20) и (5.21), соответствующие математической модели гармонического сигнала (5.19).



Уравнение (5.16) с учетом описанных элементов примет вид:

Стационарный случай, (), получим систему уравнений:

, (5.22)

(5.23)

(5.24)

Решение уравнения (5.14):

. (5.25)

С учётом (5.25), из уравнения (5.22)получается:

. (5.26)

Из уравнения (5.23), учитывая (5.25) и (5.26), получим:

.

Уравнение оценки вектора состояния , учитывая(5.25) и (5.26) выглядит [22], [23]:



. (5.27)

Уравнению (5.22) соответствует структурная схема фильтра на рисунке 27.

Рисунок 27 - Структурная схема фильтра [22]

5.5 Моделирование алгоритма оценки

Рисунок 28 - Модель алгоритма оценивания.



Выполним моделирование изложенного выше алгоритма при помощи MatLab. Для этого сформируем схему канала передачи и приемника, осуществляющего оценивание.

На рисунке 28 представлена модель оценивания сигнала x(t). Блок Constant и блок State-Space в совокупности формируют синусоидальный сигнал. Этот сигнал отображается на экране Scope3.

Рисунок 29 - Сформированный сигнал.

Рисунок 30 - Смесь сигнала и шума.



Уравнение наблюдения является смесью полезного сигнала и гауссово шума, эта смесь наблюдается на экране Scope.

На верхнем графике рисунка 30 представлена смесь сигнала и шума, нижний график - шум. Блок модели State-Space формирует сигнал, задавая его, указанными выше, уравнениями пространства состояний.

(5.28)

Где х - Вектор состояния, y - вектор выхода, u - вектор управления. А - матрица состояния, В - матрица управления, С - матрица выхода. Du - в нашем случае равняется нулю. Значение отношения сигнал помеха определяется в дальнейшем как отношение амплитуды сигнала Ак среднеквадратическому значению помех - .

А= В=[1; 0] С=[1 0] (5.29)

с,

Часть схемы, начиная с вычитающего у же стройства, осуществляет оценку параметра . Блок модели State-Spac1 также задан уравнениями пространства состояний. По сути, блок State-Space1 формирует наше априорное, доопытное значение оценки.

На выходе вычитающего элемента (рисунок 29) вычисляется разность сигнала наблюдения r(x) и оценки . Процесс на выходе вычитающего элемента носит название обновляющий. Этот процесс поступает на вход блока State-Space1, выполняя коррекцию значения оценки. В том случае, когда оценка совпадает с истинным значением сигнала x1(t), их разность представляет собой шум n(t). На выходе вычитающего элемента наблюдаем шум. Когда разность отлична от шума, обновляющий процесс, помимо шума, содержит информацию о сигнале, то он оказывает воздействие на блок State-Space1, выполняя коррекцию, в результате которой в следующие моменты времени оценки становятся ближе к истинному сигналу.

При совпадении оценки сигнала с истинным значением x1(t), на выходе вычитающего устройства , можно определять значение параметра шума - значения дисперсии, , на входе приемника, а результат оценки может служить основой для оценки параметра сигнала - его амплитуды А.

Чтобы реализовать измеритель шума необходимо осуществить оценку среднего квадрата шума. Это реализуется следующими блоками: MathFunction (возводит значение шума в квадрат), на выходе Integrator получаем значение энергии, блок Gain1 является множителем времени измерения, позволяющий из значения энергии получить мощность шума. Аналогично построен измеритель сигнала из блоков MF1, Integrator1, Gain2.

Рисунок 31 - Блок Scope1.



На рисунке 31 представлен экран Scope1. Первый график соответствует исходному сигналу, график ниже представляет собой смесь полезного сигнала и шума, поступающую на схему оценивания. Нижний график есть результат оценивания, как видно из него, выходной сигнал совпадает со входным начиная с момента 5 (примерно). Общее время моделирования - 20. Обратимся теперь к обновляющему процессу, он представлен на экране Scope2. Из рисунка 32 так же видно, что начиная с 5 процесс перестаёт нести в себе информацию о сигнале и представляет собой чистый щум, а амплитуда оценки (рисунок 31) равняется амплитуде входного сигнала.

Рисунок 32 - Обновляющий процесс.

Генераторы ступенчатых функций (Step, Step1) и ключи (Switch) осуществляют подключение шума и сигнала к структурам оценки их параметров. Эти генераторы срабатывают в момент времени 5, когда оценка совпадает с реальным значением.

Рисунок 33 - Экран Scope5.



Рисунок 34 - Экран Scope6.

На рисунке 33 мы видим изображения выходных сигналов и шума модели. Задержка в начале графика есть время, за которое оценка стала равна истинному значению , после чего сработали переключатели Step, Step1. На рисунке 34 представлены входные сигнал и шум. Как видно, модель успешно выполняет выделение сигнала и шума, что дает возможность расчёта параметра сигнал/шум.

Повторим измерения, увеличив дисперсию шума.

Рисунок 35 - Увеличение дисперсии шума.

На экране Scope6 наблюдается следующая картинка:



Рисунок 36 - Scope6.

Результат выполнения моделирования (Scope5)

Рисунок 37 - Scope5.

Как видно из результатов, алгоритм продолжает выделение сигнала и шума. Несмотря на ухудшения точности, измеренная амплитуда сигнала позволяет рассчитать отношение сигнал/шум.

Обратим внимание и на вектора накопления, полученные на экране Scope4.

Как видно из рисунка 38, накопленная энергия сигнала (нижние графики) не меняется, что говорит о довольно точном выделении сигнала из шума при различных уровнях шума. Значение энергии шума, соответственно, увеличилось при увеличении дисперсии шумов.



Рисунок 38 - Вектора накопления шума и сигнала для различных амплитуд шума



6. ОРГАНИЗАЦИЯ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА

6.1 Множественный доступ к среде передачи сообщений

В многопользовательских системах в пределах общего частотно-временного ресурса организуется множество линий связи, так что любому индивидуальному абоненту предоставляется право передавать или принимать свою собственную информацию параллельно с другими пользователями и независимо от них [24].

При проектировании любой многопользовательской системы принципиальным моментом является обеспечение множественного доступа, т.е. возможности предоставления канала связи для одновременной работы многих абонентов с минимальным взаимовлиянием.

Главной проблемой любых широковещательных сетей является вопрос о том, как определить, кому предоставить канал, если пользоваться им одновременно хотят несколько потребителей (абонентов, узлов, терминалов, станций и т.п.). Проблема организации доступа к каналу связи играет особо важную роль, если посылаемые абонентами сообщения имеют форму коротких пакетов, вследствие чего установление фиксированного соединения было бы напрасной тратой системного времени. Представим себе конференцию, в которой принимают участие несколько человек, причем каждый использует свой телефон. Все они соединены таким образом, что каждый может слышать всех остальных. Весьма вероятно, что когда один из них закончит свою речь, сразу двое или трое начнут говорить одновременно, тем самым создавая неловкую ситуацию.

При коллективном непосредственном общении подобные проблемы предотвращаются внешними средствами, например, поднятием руки для получения разрешения говорить. Когда доступен всего один канал, определить, кто может говорить следующий, значительно сложнее. В литературе такие широковещательные каналы иногда называют каналы с множественным доступом или каналы с произвольным доступом. Протоколы, определяющие то, “кто будет говорить следующим”, относятся к подуровню канального уровня [19], называемому MAK (MediumAccessControl - управление доступом к среде). Этот подуровень особенно важен в локальных сетях, так как все они используют канал множественного доступа.

В глобальных сетях используются двухточечные соединения. Исключением являются только спутниковые сети.

6.2 Система ALOHA

В 70-х годах Норман Абрамсон и его коллеги из гавайского университета разработали весьма оригинальный метод распределения каналов. В основе метода лежит простая идея - разрешить пользователям передачу, как только у них появятся данные для отсылки. При этом будут столкновения, и кадры будут разрушены.

Однако благодаря обратной связи отправитель всегда может установить, дошел ли кадр до получателя или был разрушен. Если кадр уничтожен, отправитель ожидает некоторое случайное время и пытается переслать этот кадр снова. Время ожидания должно быть случайным. В противном случае при равных фиксированных интервалах времени ожидания коллизии будут повторяться снова и снова.

Системы, в которых несколько пользователей используют один общий канал таким способом, что время от времени возникают конфликты, называются системами с конкуренцией.

В чистой системе ALOHA кадры передаются в абсолютно произвольное время.

Определим возможную загрузку среды передачи при использовании ALOHA, считая, что суммарная интенсивность поступления пакетов от всех пользователей в среднем равна пакетов в единицу времени, длительности пакетов одинаковы и равны , а статистика их поступления описывается законом Пуассона, т.е. вероятностью того, что за время от всех пользователей в сумме поступит пакетов [21]:

Считаем, что пакеты при отсутствии коллизий передаются без ошибок, а при коллизии пакет теряется. Коллизия будет отсутствовать, если при передаче пакета не возникло «конкуренции» на протяжении интервала длительностью 2. Таким образом, вероятность отсутствия коллизии ( а следовательно, и успешной доставки пакета):

Частота успешной доставки пакетов будет равна , а доля времени, занятого успешно доставленными пакетами [21]:

(6.1)

Максимальная производительность достигает значения , что приблизительно равно 0,184 при =0,5. Другими словами, лучшее, на что мы можем надеяться, - это использование канала на 18%. Когда каждый передает, когда хочет, трудно ожидать стопроцентного успеха.

В 1972г. Робертс опубликовал описание метода позволяющего удвоить производительность системы ALOHA. Предложение заключалось в разделении времени на дискретные интервалы, соответствующие времени одного кадра. При таком подходе пользователи должны согласиться с определенными временными ограничениями.

В системе Робертса, известной под названием дискретная ALOHA, для начала передачи необходимо дождаться нового такта. При этом опасный временной интервал становится в два раза короче и производительность канала будет равна

(6.2)

Зависимость (6.2) имеет максимум при =1 , производительность канала составляет ,что приблизительно равно 0,368, то есть в два раза больше, чем в чистой системе ALOHA. В дискретной (слотированной) системе ALOHAв оптимальной ситуации 37% процентов интервала будут пустыми, 37% с успешно переданными кадрами и 26% - со столкнувшимися кадрами.

6.3 Расчёт вероятности коллизий

Итак, рассмотрим риски, связанные со столкновением пакетов в нашей системе телемеханики. Зададим число пунктов, участвующих в сети: .

Формируемые станциями сообщения имеют объём .

Скорость передачи канала сети телемеханики .

Тогда длительность пакета

Передаваемые в сети пакеты можно разделить на пакеты, идущие по запросу диспетчерского пункта раз в какое-то время, (обязательные пакеты). И пакеты, формируемые КП без запроса, и отправляемые на ДП (экстренные пакеты). Передача таких пакетов происходит в случайные моменты времени (когда отслеживаемые показатели объектов близки к критическим).

Поскольку обязательные пакеты идут от КП по запросу ДП, каждому КП отправляется запрос, и выделяется время на передачу, следовательно, взаимное столкновение обязательных пакетов невозможно. Случайные же пакеты генерируются и отправляются в случайные моменты времени без каких-либо запросов, и возможно их столкновение, как между собой, так и с обязательными пакетами.

Несмотря на случайность передачи экстренных пакетов, присутствует определенная зависимость, связанная с нагрузкой на энергетические объекты. В среднем, генерация случайных пакетов одним КП происходит примерно 1 раз в 6 часов.

В соответствии с формулой выше рассчитаем вероятность отсутствия коллизий между случайными пакетами.

;

Параметр является произведений числа конкурирующих пунктов и частоты отправки пакета каждым пунктом , что даёт суммарную интенсивность поступления пакетов от всех пользователейв единицу времени.

В среднем случайные пакеты генерируются каждым пунктов раз в шесть часов, т.е. пак./сек.

Тогда

вероятность отсутствия столкновений между экстренными пакетами.

Вероятность столкновения экстренного пакета с обязательным определяется отношением длительности пакета к периоду излучения . Однако, поскольку коллизией считается не только полное совпадение времени излучения, но и частичное, то «опасный» участок времени равен (участок, на котором возможно частичное или полное столкновение пакетов). Тогда вероятность столкновения экстренного пакета с обязательным

.

Поскольку события столкновения пакетов экстренных между собой и столкновения пакета экстренного с обязательным не исключают друг друга, то мы можем считать их совместными. Поскольку экстренный пакеты - случайный во времени, то данные события можем назвать независимыми. Тогда вероятность наступления хотя бы одного (любого из этих событий или их одновременного выполнения)

Подставив ранее полученные значения, получаем . Вероятность отсутствия коллизий любого происхождения равна:

.



7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

7.1 Воздействие на человека

Поскольку в центре внимания нашей работы лежат информационные сети мониторинга, требующие присутствия человека на диспетчерском пункте, то человек подвергается воздействию, как и, непосредственно, радиоизлучения, так и воздействию устройств рабочего места.

Известно, что ткани тела частично поглощают энергию электромагнитных полей. Излучение воздействует на свободные заряды в теле человека. Колебания свободных зарядов (ионов)к увеличению токов проводимости и потере энергии, связанной с электрическим сопротивлением среды [25].

Безусловно, пункты связи в отличие от химических, нефтеперерабатывающих, горнодобывающих и т. д. по своему воздействию на биосферу, атмосферу, литосферу и гидросферу является менее опасными. Тем не менее, процессы и оборудование, используемое на объектах связи, так же оказывает воздействие на окружающую среду и экологию, в целом. Радиосигналы являются источниками электромагнитных полей, а станции связи для удалённых объектов требуют высокой мощности, поэтому вопрос обеспечения безопасности и минимизация отрицательного воздействия на экосистему являются весьма значимыми [26].

Итак, диспетчер системы телемеханики всецело подвержен воздействию различного рода исключений. Целью данного раздела является минимизация рисков получения травм, заболеваний, чрезмерного воздействия излучения на организм.



7.2 Рабочее место диспетчера

Оборудование рабочего места диспетчера представлено на рисунке 39:

Рисунок 39 - Оборудование центрального ДП

Комплект аппаратуры ЦДП обеспечивает передачу запросов состояния всех КП, зарегистрированных в системе по уникальным адресам. Запрос формирует программа верхнего уровня «Обзор», инсталлированная на компьютере ЦДП. Посредством интерфейса RS-232 запрос транслируется в радиомодем RM4A, в котором происходит помехоустойчивое кодирование запросной информации и формирование сигнала определенной формы для подачи на вход модулятора радиостанции и передачи по радиоканалу. В системе предусмотрена возможность подключения GSM (GPRS)-модема RM5A, PLC модема или модема RM3 для работы по выделенным телефонным парам [2].

Как видно из рисунка, на рабочем месте присутствуют различные источники излучения: электромагнитных полей, инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества и др. [25].

Важным является заметить, что система телемеханики «Обзор», обслуживающая сеть «Петродворцовые электросени», является системой контроля и управления энергетическими объектами, иными слова, при установке оборудования КП (контролируемых пунктов) на объекты персонал подвергается определенным рискам. Однако, устройство самих энергетических объектов не рассматривается в данной работе, и останавливаться на этом не будем.

При организации рабочего места диспетчера необходимо предусмотреть меры защиты от вредных факторов, в первую очередь, работа с ПЭВМ . Уровни воздействия не должны превышать предельные, а так же воздействие должно быть ограничено по времени. Кроме того, рабочее место должно удовлетворять и ряду других условий, обеспечивающих максимальную производительность труда без нанесения вреда здоровью [25].

7.3 Требования безопасности

При подготовке рабочего места должны соблюдаться «Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок» (утверждены приказом Минтруда РФ от 24 июля 2013 г. N 328н) и «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (утверждены приказом Минэнерго РФ от 13 января 2003 г. N 6). Рабочее место должно быть обеспечено напряжением переменного тока 220 В, 50 Гц. Кроме того, рабочее место должно быть обеспечено защитным заземлением.

При работе с ЭВМ на человека воздействует вредное электромагнитное излучение, которое может вызвать ряд нарушений здоровья человека[27]. Правильный выбор цветовой гаммы оформления пользовательского интерфейса, структура экрана пользователя влияют на зрение. Продолжительная работа с ЭВМ может вызвать как нарушения зрения, так и функциональные нарушения работы внутренних органов.

При работе с ЭВМ возможны следующие нарушения:

- резь в глазах, быстрая утомляемость глаз (астенопатия).

- проблемы с фокусировкой зрения;

- боль в спине, пояснице, в области шеи и др.;

- боль в плечах, руках и кистях (запястный синдром);

- стенокардия;

- стрессы;

- сыпь на лице, «стягивание кожи», аллергические реакции;

- хронические головные боли;

- раздражительность;

- нарушение сна;

- возбудимость или депрессия.

В соответствии с СанПиН 2.2.2./2.4 1340-03, к организации и оборудованию рабочих мест с видео дисплейными терминалами (ВДТ) и ПЭВМ предъявляются следующие требования.В соответствии с п.8.1.1. рабочие места с ВДТ и ПЭВМ по отношению к световым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева.

По п.8.1.4. оконные проемы в помещениях использования ВДТ и ПЭВМ должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

Т.к. болезнь глаз является доминирующим профессиональным заболеванием, то особое внимание следует обратить на освещенность рабочего места.

В соответствии с п.7.2. искусственное освещение в помещениях должно осуществляться системой общего равномерного освещения.

П.7.3. гласит: освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300 - 500 лк. Допускается установка светильников местного освещения для подсветки документов. Местное освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана и увеличивать освещенность экрана более 300 лк.

По п.7.8. рекомендуется применение люминесцентных ламп типа ЛБ в качестве источников света при искусственном освещении.

Таблица 3.Пределы изменения визуальных параметров.

	Пределы значений параметров
Наименования параметров	Минимальный	Максимальный
Яркость знака (яркость фона) кд/м2 (измеренная в темноте)	35	120
Внешняя освещенность экрана, лк.	100	250
Угловой размер знака, угл. мин.	16	60

Санитарно-гигиенические нормы выдвигают следующие требования к ВДТ и ПЭВМ: минимальный размер светящейся точки - не более 0.31 мм; контрастность изображения - не менее 0.8; частота регенерации изображения при работе с позитивным контрастом в режиме обработки текста - не менее 70 Гц. Количество точек на строке - не менее 640. Низкочастотное дрожание изображения в диапазоне 0.05 - 1 Гц должно находится в пределах 0.1 мм. Экран должен иметь антибликовое покрытие. Размер экрана - не менее 14'' по диагонали при размере точки на экране 0.28 мм, при этом расстояние до глаз оператора должно быть в пределах 40 - 80 см.

Работающий монитор является источником вредного излучения, состоящего из:

- оптических лучей (видимых, и/к, у/ф)

- электромагнитного излучения от самых низких частот (порядка 5 Гц) до - частот порядка сотен кГц и выше, которое опасно само по себе

- рентгеновского излучения, особенно у мониторов с большими размерами ЭЛТ

- гамма-излучения

- электростатического поля, возникающего между экраном и оператором

Для электростатических полей, согласно ГОСТ 12.1.045-84, предельная напряженность поля, при которой допускается работать в течение часа, равно 60 кВ/м. В течение рабочей смены разрешается работать без специальных мер защиты при напряженности 20 кВ/м. Для электрического поля промышленной частоты в соответствии с ГОСТ 12.1.002-84 предельно допустимый уровень напряженности электрического поля, пребывание в котором не допускается без применения специальных мер защиты, равен 25 кВ/м. Согласно стандарту допускается пребывание без специальных средств защиты в течение всего рабочего дня в электрическом поле напряженностью до 5кВ/м. Для магнитных полей в соответствии с СН 1742-77 установлена напряженность поля в течение рабочей смены при работе с магнитными установками и магнитными материалами равной 8 кА/м.

7.4 Электромагнитная совместимость

К специальным задачам обеспечения безопасности изделий относятся вопросы электромагнитной совместимости. Электромагнитная совместимость - функционирование изделий с надлежащим качеством, в заданной электромагнитной обстановке, без создания недопустимых (чрезмерных) электромагнитных помех другим изделиям. Иными словами, при совместной работе изделий взаимное воздействие изделий друг на друга не должно влиять на качество работы каждого изделия и всего рабочего места [24]. Электромагнитные помехи, т. е. любые электромагнитные явления, которые ухудшают функционирование установки, в большинстве случаев являются неотъемлемой частью окружающей среды и поэтому должны быть учтены при разработке и конструировании изделий. Электромагнитная эмиссия (помехоэмиссия) - генерирование источником электромагнитной помехи, которая излучается в пространство в виде поля или распространяется или распространяется по проводам путём кондукции.

Исходя из вышесказанного, безопасность изделий определяется и их электромагнитная совместимость определяются:

Помехоустойчивостью

Помехоэмиссией

Электромагнитная совместимость обеспечивается в том случае, если суммарный уровень помехоэмиссии всех устройств, участвующих на рабочем месте, был ниже уровня помехоустойчивости каждого компонента, аппарата или системы, размещённых в этом месте. Опасными помехами считаются высокоуровневые кондуктивные помехи, передаваемые в сети питания, как правило, от источников питания (ламповых генераторов, тиристорных и транзисторных генераторов), а также излучаемые помехи (электромагнитные поля) от разных излучающих систем и силовых кабелей. Следовательно, особое внимание разработчиков должны привлекать вопросы обеспечения защиты от «паразитной» энергии в цепях питания и внешних электромагнитных полей от других источников ЭМП, а также вопросы негативного воздействия изделия на сеть электропитания и другие электротехнические и электронные устройства, находящиеся в электромагнитном окружении рядом с ним.

На сегодняшний день в России существуют стандарты помехоустойчивости ГОСТ Р 51317.1.2-2007 (МЭК 61000-1-2-2001) «Совместимость технических средств электромагнитная. Методология обеспечения функциональной безопасности технических средств в отношении электромагнитных помех». Это стандарты обеспечения функциональной безопасности устройства, устанавливающие максимально возможное влияние внешних помех на функциональность устройства. При воздействии электромагнитных помех необходимо провести оценку возможного их влияния, и выполнить проектирование, установку и монтаж так, чтобы риск, связанный воздействием ЭМ помех, был снижен до допустимого значения.

Основными этапами обеспечения функциональной безопасности изделия с точки зрения электромагнитных помех, в соответствии с ГОСТ 32134.1-2013 «Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства радиосвязи. Общие технические требования и методы испытаний», а так же ГОСТ 30429-96 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования и аппаратуры, устанавливаемых совместно со служебными радиоприёмными устройствами гражданского назначения. Нормы и методы испытаний» можно выделить:

определение функции изделия;

определение электромагнитной обстановки в зоне размещения;

установление требований безопасности;

анализ безопасности;

проведение испытаний на электромагнитную совместимость;

проведение валидации (подтверждение установленного уровня функциональной безопасности, на месте размещения изделия)для демонстрации того, что изделия функционирует в соответствии с установленными требованиями;

создание инструкции по эксплуатации

В общем и целом можно выделить два основных пункта требований функциональной безопасности изделий.

- Совокупные внешние электромагнитные помехи не должны вызывать отказов в работе, а так же приводить к потере точности и надежности приборов не более допустимых величин.

- Внутренние помехи не должны влиять на элементы изделия, в первую очередь на электронные системы, связанные с безопасностью.

Если разработчик предполагает, что имеется вероятное критическое влияние той или иной помехи на функциональную безопасность, он должен продумать необходимые средствах защиты [26].



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе была обоснована необходимость модернизации информационных сетей телемеханики.

Представленные идеи и принципы построения системы связи позволяют перейти к многомаршрутной передаче и существенно увеличить надёжность связи.

Кроме того, важнейший параметр, системы это синхронизация процесса приёма сообщения, значительно улучшена, что гарантирует надёжность и полноту передачи. Модель синхронизации, предложенная в работе, имеет ряд преимуществ, а так же легко реализуема в стандартных передающих станциях телемеханики. Добавление в структуру информационного сообщения измерительного бита позволяет рассчитать вероятность битовой ошибки при передаче данных между узлами сети, а алгоритм поиска кратчайших путей реализует построение маршрутной карты, где оптимальные маршруты будут обеспечивать минимальное число ошибок.Параметры передаваемых сообщений позволяют увеличивать число пунктов сети без существенного риска столкновения сообщений, что является важным этапом при организации случайного доступа.

Изложенные идеи модернизации системы диспетчерского управления и контроля носят универсальный характер и могут быть применены не только для сетей мониторинга объектов энергетики, но и для других задач, в которых участвует телемеханика: службы водо- и газоснабжения, службы скорой помощи, различные службы Министерства Внутренних Дел. Кроме того, подобные идеи, как в совокупности, так и отдельно могут быть применены во многих других задачах, связанных с РТ системами.



СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение. -М.: Энергоиздат, 1982, 560с.

2. Аппаратно-программный комплекс телемеханики «Обзор». Техническое описание АПДТ-2004.01-01 Т - СПб, 2008

3. Свирен С.Я. Электрические станции, подстанции и сети. -Киев: Государственное издательство технической литературы УССР, 1962, 282с

4. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л. и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. -М.: Техносфера, 2005, 592с.

5. Семенов Ю.А. Протоколы сетей X.25 [Электронный ресурс]. URL:

6. http://citforum.ru/nets/semenov/4/43/x25_432.shtml

7. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. - СПб.: Питер, 2005.

8. Левин Б.Р., Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Радио и связь. -1989. -656 стр.

9. Столлингс В., Беспроводные линии связи и сети - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.

10. Соловьёв А.А., Цифровые методы формирования радиосигналов: учеб. пособие. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 131с.

11. Сало А. А., Садыков Ж. Б., Цымбалова Е. И. Система синхронизации по абсолютному точному времени [Текст] // Актуальные вопросы технических наук: материалы III Междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2015 г.). -- Пермь: Зебра, 2015. -- С. 54-57.

12. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Советское Радио. -1979. -280 с.

13. Cкляр Б., Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс».

14. [Электронный ресурс]

15. http://www.datatelecom.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=19:2010-02-15-16-21-24&catid=21:2010-08-28-17-01-49&Itemid=62

16. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Советское Радио. -1979. -280 с

17. Иванов М. Т., Сергиенко А.Б., Ушаков В.Н., Теоретические основы радиотехники: Учебное пособие / Под. Ред. В.Н. Ушакова. - 2е изд. - М.: Высш. шк., 2008.

18. Тихонов В.И., Статистическая радиотехника. - М.: Советское Радио. -1982.

19. Бартсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

20. Мартин Дж., Вычислительные сети и распределенная обработка данных: программное обеспечение, методы и архитектура / Пер. С англ.; Предисл. В. С. Штаркмана. - Вып. 2. - М.: Финансы и статистика, 1986.

21. Таненбаум Э., Компьютерные сети. ? СПб.: Питер, 2006

22. Майник Э., Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. -М.: 1981, 323с.

23. Сергиенко А.Б., Цифровая связь: Учебное пособие. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 164 с.

24. Г.Ван Трис., Теория обнаружения, оценок и модуляции. - М.: Советское радио, 1977

25. Снайдер Д., Метод уравнений состояния для непрерывной оценки в применении к теории связи. ? М.: Энергия: 1982, 104с.

26. Ипатов В.П., Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. - М.: Техносфера, 2007. - 488с.

27. Безопасность жизнедеятельности. /Под ред. Н.А. Белова - М.: Знание, 2000, 364с.

28. Блажко Н. В., Буканин В. А. Вопросы обеспечения безопасности в выпускных квалификационных работах. - С.: СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 85 с.

29. Бурлак Г.Н., Безопасность работы на компьютере: Организация труда на предприятиях информационного обслуживания: Учеб. пособие.- М.: Финансы и статистика, 1998.

Размещено на Allbest.ru