УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК G06F17/00 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и предназначено для моделирования системы радиосвязи, функционирующей в режиме незакрепленных каналов (в режиме радио-АТС).

Известно устройство для моделирования системы связи, содержащее два счетчика, генератор импульсов, табло отображения и последовательно соединенные генератор случайного потока импульсов, элемент НЕ и элемент И [1]
Однако данное устройство не обеспечивает возможности моделирования работы системы радиосвязи с незакрепленными каналами в режиме потери сигнала "освобождение рабочего канала" в служебном канале вследствие возникших в этом радиоканале радио-АТС помех.

Наиболее близким к прелагаемому по технической сущности является устройство для моделирования систем связи, содержащее генератор заявок, последовательно соединенные первый элемент НЕ и первый элемент И, второй элемент И, реверсный счетчик, датчик случайного потока, элемент ИЛИ и суммирующий счетчик [2]
Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет моделировать в системе радиосвязи с незакрепленными каналами (в радио-АТС) режим потери сигнала "освобождение рабочего канала" в служебном канале вследствие возникших в этом радиоканале радио-АТС помех.

Цель изобретения повышение точности моделирования устройства за счет воспроизведения режима потери сигнала "освобождение рабочего канала" в служебном канале вследствие возникших в этом радиоканале радио-АТС помех.

Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор заявок, последовательно соединенные первый элемент НЕ и первый элемент И, второй элемент И, реверсивный счетчик, датчик случайного потока, элемент ИЛИ и суммирующий счетчик, введены третий, четвертый и пятый элемент И, генератор тактовых импульсов, генератор случайных импульсов со случайной длительностью, второй элемент НЕ и группа элементов ИЛИ, причем выход генератора заявок соединен через первый элемент И с суммирующим входом реверсного счетчика, прямые разрядные выходы которого соединены с первыми входами элементов ИЛИ группы, выходы которых соединены с входами второго элемента И, подключенного выходом к входу первого элемента НЕ, и через элемент ИЛИ с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход третьего элемента И с входом датчика случайного потока, выход которого соединен через четвертый элемент И с вычитающим входом реверсного счетчика и через пятый элемент И с входом суммирующего счетчика, выходы которого соединены с вторыми входами соответствующих элементов ИЛИ группы, а выход генератора случайных импульсов со случайной длительностью соединен со вторым входом четвертого элемента И через второй элемент НЕ со вторым входом пятого элемента И.

Введение в прототип новых отличительных признаков трех элементов И, генератора тактовых импульсов, генератора случайных импульсов со случайной длительностью, элемента НЕ и группы элементов ИЛИ и их новых связей позволяет устройству моделировать режим потери сигнала "освобождение рабочего канала" в служебном канале вследствие возникших в этом радиоканале радио-АТС помех.

Известно, что системы радиосвязи с незакрепленными каналами называют системами радио-АТС и последние содержат определенное число рабочих радиоканалов, выделяемых абонентам для связи по запросу, и служебный радиоканал, при этом сигналы запроса рабочего канала для связи и освобождения рабочего канала после информационного обмена передаются по служебному радиоканалу.

Известно также, что в первом приближении системы связи с незакрепленными каналами, в том числе и системы с радиоканалами (радио-АТС), моделируются как системы массового обслуживания. При этом учитывается только лишь отсутствие или наличие свободного рабочего канала связи, по которому осуществляется информационный обмен между абонентами системы связи. Наличие или отсутствие помех в служебном радиоканале и влияние их на служебные сигналы при этом не учитывается. Учет этого фактора важен на этапе проектирования систем радиосвязи, что и обуславливает важность введения такого режима в предлагаемое устройство.

В связи с тем, что предлагаемое устройство имеет отличительные от прототипа признаки, оно удовлетворяет критерию "новизна".

Введенные отличительные признаки элементы И, НЕ, ИЛИ, генератор тактовых импульсов встречаются в других аналогах, однако там они служат для достижения других целей. Поставленная в изобретении цель достигается только благодаря введению предложенных отличительных признаков. Следовательно, заявляемое устройство удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Промышленная воспроизводимость элементов И, НЕ, ИЛИ, генератора тактовых импульсов обусловлена наличием элементной базы. Промышленная воспроизводимость датчика случайного потока известна и описана в [3]
Генератор случайных импульсов со случайной длительностью нестандартный и содержит генератор заявок, два элемента И, два суммирующих счетчика и RS-триггер, первый выход которого является выходом генератора случайных импульсов со случайной длительностью и соединен с первым входом первого элемента И, второй выход RS-триггера соединен с первым входом второго элемента И, вторые входы элементов И соединены с выходом генератора заявок, а их выходы соединены соответственно с входами первого и второго суммирующих счетчиков, выходы которых подключены к первому и второму входам RS триггера.

Промышленная воспроизводимость элементов И и RS-триггера обусловлена наличием элементной базы.

На фиг. 1,2 представлена электрическая структурная схема предлагаемого устройства для моделирования работы системы радиосвязи.

На фиг. 1 обозначено: 1 генератор заявок (первый); 2, 3, 7, 10, 13 - соответственно 1, 2, 3, 4, 5-й элементы И; 4, 12 соответственно 1, 2 элементы НЕ; 5 реверсный счетчик; 6 элемент ИЛИ; 8 датчик случайного потока; 9 генератор тактовых импульсов; 11 генератор случайных импульсов со случайной длительностью (генератор импульсов); 14 суммирующий счетчик (первый); 21 элементы ИЛИ группы.

На фиг. 2 представлена электрическая структурная схема генератора импульсов со случайной длительностью (генератор импульсов) 11.

На фиг.2 обозначено: 15 RS-триггер; 16, 17 соответственно 2-й и 3-й суммирующие счетчики; 18, 19 соответственно 6-й и 7-й элементы И; 20 - генератор заявок (второй).

Устройство для моделирования работы системы радиосвязи содержит генератор заявок 1, реверсный счетчик 5, генератор тактовых импульсов 9, генератор импульсов 11, датчик случайного потока 8, соответственно 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й элементы И2, И3, И7, И10, И13, соответственно 1-й и 2-й элементы НЕ4 и НЕ12, элемент ИЛИ6, группу элементов ИЛИ, причем выход первого генератора заявок 1 соединен через первый элемент И2 с суммирующим входом реверсного счетчика 5, управляющий вход первого элемента И2 через первый элемент НЕ4 соединен с выходом второго элемента И3, прямые выходы реверсного счетчика 5 через первые входы группы элементов ИЛИ соединены с входами второго элемента И3 и через элемент ИЛИ6 с третьим элементом И7, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 9, а выход третьего элемента И7 соединен с входом датчика случайного потока 8, выход которого соединен через четвертый элемент И10 с вычитающим входом реверсного счетчика 5 и через пятый элемент И13 с входом первого суммирующего счетчика 14, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими вторыми входами группы элементов ИЛИ, а выход генератора случайных импульсов со случайной длительностью 11 соединен со вторым входом четвертого элемента И10 и через второй элемент НЕ12 со вторым входом пятого элемента И13. При этом генератор случайных импульсов со случайной длительностью 11 выполнен в виде совокупности последовательно соединенных второго генератора заявок 20, шестого элемента И18, второго суммирующего счетчика 16, RS-триггера 15, причем первый выход RS-триггера 15 является основным и соединен со вторым входом шестого элемента И18, второй выход RS-триггера 15 соединен со вторым входом седьмого элемента И19, второй вход которого соединен с выходом второго генератора заявок 20, а выход седьмого элемента И19 соединен со входом третьего суммирующего счетчика 17, выход которого соединен со вторым входом RS-триггера 15.

Генератор импульсов 11 предназначен для формирования случайных импульсов со случайными паузами.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на основном выходе RS -триггера 15 имеется уровень логической "1". Следовательно, импульсы, поступающие со второго генератора заявок 20 через открытый элемент И18, будут поступать на вход второго суммирующего счетчика 16, в котором подсчитывается количество импульсов, поступающих со второго генератора заявок 20. Как только второй суммирующий счетчик 16 заполнится, то следующий пришедший импульс обнулит его и переведет RS-триггер 15 в инверсное состояние. Последующие импульсы будут проходить через открытый элемент И19, так как на инверсном выходе RS-триггера 15 будет присутствовать уровень логической "1" и заполнять третий суммирующий счетчик 17. Как только третий суммирующий счетчик 17 заполнится, то следующий пришедший импульс обнулит его и переведет RS-триггер 15 в исходное состояние. Далее генератор импульсов 11 работает выше описанным образом.

Учитывая, что с выхода второго генератора заявок 20 выходят импульсы случайной последовательности, имеем то, что импульсы, выдаваемые суммирующими счетчиками 16 и 17, будут также случайными во времени. Таким образом, импульсы на R и S входах RS-триггера 15, определенные импульсами счетчиков 16 и 17, также будут случайными, и низкий уровень на прямом выходе RS-триггера 15 (логический "о") будет соответствовать наличию помехи в служебном радиоканале системы связи, а соответственно высокий уровень на прямом (основном) выходе RS триггера 15 (логическая "1") будет соответствовать отсутствию помехи.

Интервал длительности помехи в служебном радиоканале задается суммирующим счетчиком 17, а временной интервал между помехами задается суммирующим счетчиком 16.

Среди элементов предлагаемого устройства имеется реверсный счетчик 5. Из логики работы всего устройства ясно, что на S и R-входах данного счетчика 5 возможно одновременное появление логических "1". По логике работы всего устройства состояние моделирующей системы радиосвязи в этом случае не изменится, т.к. в системе одновременно должно произойти
1) занятие одного канала информационным обменом;
1) освобождение одного занятого канала после окончания инфомационного обмена.

Следовательно, при наличии логических "1" на и входах реверсного счетчика 5 его состояние меняться не должно. С другой стороны, такая ситуация на входах реверсного счетчика является запрещенной. Данное противоречие разрешено схемотехнически в ряде устройств(например, авт. cв.СССР N 563722, кл. H 03 K 21/06, 30.07.75, Устройство для разделения входных импульсов реверсного счетчика; авт. св. СССР N 974595, кл.H 03 K 23/00, 20.05.81. Реверсное счетное устройство).

В рамках предлагаемого устройства для моделирования работы системы радиосвязи предполагается, что реверсный счетчик 5 содержит необходимые элементы и связи для исключения ситуации одновременного появления логических "1" на его S и R-входах.

Устройство для моделирования системы радиосвязи работает следующим образом.

В радиосистеме связи с незакрепленными каналами имеется h рабочих каналов, каждый из которых может быть задействован по запросу для информационного обмена одного абонента с другим. Кроме того, в системе радиосвязи имеется один служебный радиоканал, по которому выдаются запросы на выделение рабочего канала и сигналы на освобождение рабочего канала после сеанса связи. Общее количество имеющихся в системе радиосвязи рабочих каналов в устройстве определяется емкостью реверсного счетчика 5.

В служебном радиоканале циркулируют следующие основные служебные сигналы.

1. "Запрос на соединение". Поступает от абонентов системы радиосвязи в центр управления информационным обменом (ЦУИО) радио-АТС. ЦУИО при наличии свободного рабочего канала радиосвязи выдает его абонентам для связи.

2. "Освобождение рабочего канала радиосвязи". Поступает от абонентов (инициаторов связи) в ЦУИО. ЦУИО переводит радиосвязи из рабочего состояния в свободное.

Помехи в служебном радиоканале могут исказить как первый сигнал, так и второй. Наиболее важным для рассматриваемой системы радиосвязи является второй случай, так как освободившийся рабочий канал радио-АТС ЦУИО будет считаться занятым, что скажется на качестве обслуживания других запросов ни соединение. Именно данный случай и моделируется в предлагаемом устройстве.

Однако для выявления особенностей моделирующего режима потери сигнала "освобождение рабочего канала радиосвязи" необходимо рассмотреть порядок занятия и освобождения рабочих каналов.

В данном устройстве количество рабочих каналов радиосвязи, освободившихся от обслуживания, но не воспринятых ЦУИО, как "свободные" вследствие искажения сигналов "освобождение рабочих каналов связи", накапливается в суммирующем счетчике 14.

Таким образом, в устройстве могут моделироваться две возможные ситуации, имеющие место в моделирующей системе радиосвязи при переходе по служебному радиоканалу запроса на соединение двух абонентов.

Ситуация 1. В системе радиосвязи имеются хотя бы один свободный рабочий канал связи. Помехи в служебном радиоканале могут как присутствовать, так и отсутствовать. Приходящий запрос на соединение поступает на обслуживание.

Ситуация 2. В системе радиосвязи отсутствуют свободные рабочие каналы связи. Помехи в служебном канале могут как присутствовать, так и отсутствовать. Приходящий запрос на соединение на обслуживание не поступает и теряется.

В исходном состоянии значения счетчиков 5 и 14 равны нулю.

В ситуации 1 предлагаемое устройство работает так. Количество занятых рабочих каналов радиосвязи в системе отображается двоичным числом в реверсном счетчике 5. При этом на соответствующих данному числу прямых счетчика 5 имеется уровень логической "1", так как есть занятые каналы радиосвязи. Так как есть и свободные каналы радиосвязи, то на выходе элементов И3 будет уровень логического "О", а соответственно на выходе элемента НЕ4 и на входе элемента И2 будет уровень логической "1". Таким образом, пришедший запрос на соединение пройдет через открытый элемент И2 и поступит на суммирующий вход реверсивного счетчика, значение которого увеличится на единицу.

Моделирование процесса обслуживания заявок осуществляется так.

Датчик случайного потока 8 работает следующим образом.

Генератор тактовых импульсов 9 через открытый элемент И7 выдает с большой частотой на вход датчика случайного потока 8 импульсы, при этом первый поступающий импульс запускает датчик 8, а последующие тактовые импульсы обеспечивают его работу. Через случайное количество импульсов, равное времени обслуживания пришедшей заявки на соединение, датчик случайного потока 8 формирует на своем выходе импульс, который свидетельствует, что обслуживание завершено и один из занятых каналов радиосвязи необходимо освободить.

Этот импульс поступает на вход элемента И10. Если на входе генератора импульсов 11 в это время имеется высокий потенциал (уровень логической "1"), что соответствует отсутствию помехи в служебном радиоканале, то этот импульс, пришедший с датчика 8, через открытый элемент И10 поступает на вычитающий вход реверсного счетчика 5, и емкость последнего уменьшается на единицу. Таким образом, произойдет освобождение одного занятого рабочего канала радиосвязи, что даст дополнительную возможность обслуживать приходящие последующие запросы.

Если же на выходе генератора импульсов 11 в это время имеется низкий потенциал (уровень логического "о"), что способствует присутствию помехи в служебном радиоканале, то элемент И10 будет закрыт, а элемент И13 будет открыт через элемент НЕ12, и импульс с выхода датчика 8 через элемент И13 поступит на вход суммирующего счетчика 14, значение которого увеличится на единицу. Таким образом, освобождения одного занятого рабочего канала радиосвязи не будет и дополнительной возможности обслуживать приходящие новые запросы не появиться. Следовательно, на соответствующих входах элемента И3 будет присутствовать уровень логической "1" независимо от состояния реверсивного счетчика 5.

Потеря в служебном радиоканале сигналов "освобождение рабочего канала радиосвязи" по причине помех может привести к ситуации, когда все рабочие каналы связи ЦУИО будут считаться занятыми, хотя многие из них будут в это время свободными и все приходящие запросы на соединение получат отказ. Произойдет "блокировка" радио-АТС, что имеет место в реальных системах радиосвязи, работающих по незакрепленным каналам при наличии в служебном радиоканале помех. В этом случае ЦУИО проверяет реальную "занятость" и "свободность" рабочих радиоканалов и переводит радио-АТС в рабочее состояние. В данном устройстве при полном заполнении счетчика 14 на его выходах будут уровни логической "1", что приведет через группу элементов ИЛИ элемент И3, элемент НЕ4 к блокировке элемента И2 и, как следствие, к потере всех приходящих запросов. Разблокировка радио-АТС имитируется в данном устройстве переполнением счетчика 14, при этом на всех его выходах появится уровень логического "о", и управление элементом И2 станет осуществляться реверсным счетчиком 5.

Заметим также, что процесс обслуживания занятых каналов радиосвязи осуществляется по описанному выше алгоритму даже в случае отсутствия нового пришедшего запроса на соединение.

В ситуации 2 предлагаемое устройство работает так. Так как в системе радиосвязи все каналы заняты, то на всех входах элемента И3 будет присутствовать уровень логической "1", а, следовательно, на выходе элемента НЕ4 и входе элемента И2 будет уровень логического "0". Значит пришедший запрос на соединение будет потерян. При этом в системе связи происходит моделирование указанным образом.

К основным показателям качества систем связи с незакрепленными каналами (АТС, радио-АТС) относится среднее число занятых рабочих каналов [4] При этом известно [4] что при стационарной информационной нагрузке система связи с незакрепленными каналами с течением времени входит в установившийся режим работы, в котором среднее число занятых (а значит и свободных) рабочих каналов есть величина постоянная, которую несложно найти из аналитических соотношений. Однако при этом не учитывается эффект поражения помехи сигналов "освобождение рабочего канала" в служебном радиоканале радио-АТС, что приводит к реальной радио-АТС к тому, что ЦУИО фиксирует большее число занятых рабочих каналов, чем есть на самом деле. Продемонстрировать этот эффект и выявить его динамику и позволяет предлагаемое устройство.

В реверсном счетчике 5 будет находиться текущее число занятых каналов, которое состоит из числа истинно занятых каналов и каналов свободных, но считывающих также занятыми из-за потери сигналов по их освобождению, при этом число последних каналов также будет находиться в первом суммирующем счетчике 14. Подключая к реверсному счетчику 5 и к первому суммирующему счетчику 14 двоично-десятичные индикаторные устройства, можно наблюдать текущие значения указанных чисел и их динамику. Кроме того, по времени переполнения счетчика 14 можно выявить период "блокировки" радио-АТС.

Запуск устройства осуществляется с подачей на него питания, при этом предположим, что все счетчики устанавливают в ноль (это сделать несложно). Установившийся режим работы наступит при появлении с выхода первого генератора заявок числа импульсов, не меньшего среднего числа занятых каналов (т. е. можно предположить, что не меньшего емкости счетчика 5). Так как это число конечно, то при значительной тактовой частоте всех генераторов этот интервал времени не превысит единиц секунд.

Отметим, что установившийся режим в данном устройстве наступит после его включение даже и при ненулевых значениях всех счетчиков, поэтому устанавливать их в "0" специально необязательно. Это следует из того, что моделируемая система радио-АТС есть система массового обслуживания, для которой стационарный режим достигается при любых начальных условиях [4]
Условие стационарности информационной нагрузки в данном устройстве выполняется, т.к. первый генератор заявок 1, датчик случайного потока 8 и генератор импульсов 11 формируют в течение времени моделирования случайные импульсы, но с постоянными интенсивностями.

Время моделирования радио-АТС предлагаемым устройством не ограниченно, выход на установившийся режим осуществляется за единицы секунд.

Предлагаемое устройство может использоваться, например, в демонстрационных целях при показе проявления эффекта поражения сигнала "освобождение рабочего канала" в служебном радиоканале радио-АТС.

Изобретение обладает расширенными функциональными возможностями и позволяет моделировать работу системы радиосвязи с незакрепленными каналами с учетом поражения помехами в служебном канале сигналов освобождения рабочих каналов на соединение. Устройство содержит генератор 1 заявок, реверсивный счетчик 5, генератор 9 тактовых импульсов, генератор 11 случайных импульсов со случайной длительностью, элемент ИЛИ 6, датчик случайного потока 8, элементы И 2, 3, 7, 10, 13, элементы НЕ 4, 12, суммирующий счетчик 14, группу элементов ИЛИ 21. Количество занятых /свободных/ каналов в системе радиосвязи моделирует реверсивный счетчик 5. Импульсы с первого генератора заявок поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 5 через первый элемент И, который открыт при наличии в системе радиосвязи хотя бы одного свободного рабочего канала. Поражение сигналов освобождения рабочих каналов связи имитируется генератором импульсов 11 и элементом И 10, который закрыт в случае наличия помех. Обслуживание заявок имитируется датчиком случайного потока 8, импульсы с которого поступают на вычитающий вход реверсного счетчика 5. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для моделирования работы системы радиосвязи, содержащее генератор заявок, последовательно соединенные первый элемент НЕ и первый элемент И, второй элемент И, реверсивный счетчик, датчик случайного потока, элемент ИЛИ и суммирующий счетчик, отличающееся тем, что в него введены третий, четвертый и пятый элементы И, генератор тактовых импульсов, генератор случайных импульсов со случайной длительностью, второй элемент НЕ и группа элементов ИЛИ, причем выход генератора заявок соединен через первый элемент И с суммирующим входом реверсивного счетчика, прямые разрядные выходы которого соединены с первыми входами элементов ИЛИ группы, выходы которых соединены с входами второго элемента И, подключенного выходом к входу первого элемента НЕ, и через элемент ИЛИ с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход третьего элемента И соединен с входом датчика случайного потока, выход которого соединен через четвертый элемент И с вычитающим входом реверсивного счетчика и через пятый элемент И с входом суммирующего счетчика, выходы которого соединены с вторыми входами соответствующих элементов ИЛИ группы, а выход генератора случайных импульсов со случайной длительностью соединен с вторым входом четвертого элемента И и через второй элемент НЕ с вторым входом пятого элемента И. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор случайных импульсов со случайной длительностью содержит генератор заявок, два элемента И, два суммирующих счетчика и RS-триггер, первый выход которого является выходом генератора случайных импульсов со случайной длительностью и соединен с первым входом первого элемента И, второй выход RS-триггера соединен с первым входом второго элемента И, вторые входы элементов И соединены с выходом генератора заявок, а их выходы соединены соответственно с входами первого и второго суммирующих счетчиков, выходы которых подключены к первому и второму входам RS-триггера.