Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В последнее время развитие общества в большей мере сталкивается с проблемами обеспечения безопасности и защиты человека. В Украине такие трудности, касающиеся человека и окружающей среды, растут с каждым днем. Такие трудности решаются с привлечением современных видов технологий и телекоммуникационного оснащения. В связи с этим растет темп развития беспроводных сетей в зданиях. На нынешний день беспроводные технологии активно внедряются и не уступают в развитии иным технологиям связи. К таковым технологиям относится Wi-Fi.

В городах быстрым темпом растут высотные строения с различными формами строения. Большинство из них составляют кабинеты, банки, супермаркеты, торговые центры, которые обустроены различными устройствами и требуют внедрения новейших технологий. Но ошибкой является полагать, что беспроводные технологии в процессе своего развития вполне вытеснят присутствие кабельных систем. Беспроводные технологии имеют большинство проблем с прохождением сигнала в высотных помещениях разной конструкции. Наиболее сложно стоит вопрос, предсказания мощности сигнала беспроводных систем связи в помещениях, в которых появляются дополнительные причины такие как: фиксированное затенение (перегородки), мобильное затенение (люди) и затенение сигналов оборудованием, мебелью. Все перечисленные выше трудности, которые осмотрены в данной работе, говорят о том, как актуальна эта тема.

1. Актуальность темы

В последние годы возросло количество сетей, использующих беспроводную связь внутри помещений. При этом возникает ряд проблем, связанных с моделированием препятствий па пути распространения сигналов, а также в связи с многолучевым распространением сигналов и большим количеством переотражений. Актуальность разработки связана не только с необходимостью защиты информации от утечки, но также с необходимостью определения оптимального места расположения передатчика. Это помогает решить задачу покрытия как можно большего количества помещений в здании при как можно меньшем количестве передатчиков, что позволяет сэкономить энергию. А также помочь уменьшить вредное влияние полей на человеческий организм, помогая расположить передатчики на безопасном расстоянии от людей.

Большинство используемых методов предлагают двухмерное решение данной задачи, что позволяет быстро оценить оптимальность расположения передатчика. Этого достаточно для большинства случаев, однако для случая многоэтажных зданий данный метод не позволяет учесть распространение волн между этажами. В данной работе предлагается метод для построения трехмерной сетки с приближенным распределением поля, что обычно является избыточным для простой локальной беспроводной сети в здании, однако для отдельных случаев может показать значительно более точный результат по сравнению с двухмерными методами.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является оценка параметров распространения радиоволн в зданиях сложной формы, а так же на базе экспериментов разработать модель затухания внутри помещения.

Основные задачи исследования:

  1. Исследование возможности прохождения сигнала в многоэтажных зданиях с использованием технологии Wi-Fi;
  2. Исследование различных материалов конструкции здания и анализ прохождения сигнала через них;
  3. Создание модели распространения радиоволн с испольнованием трассировки лучей;
  4. Наглядное представление результатов моделирования;
  5. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

Объект исследования: локальная беспроводная сеть.

Предмет исследования: объединение методов расчета распространения радиоволн.

3. Обзор исследований и разработок

В работе [6] предложена двухмерная модель многолучевого канала распространения дециметровых волн в зданиях. В основе модели лежат методы геометрической оптики, что предусматривает детерминированное описание геометрических характеристик помещений. Отражение радиоволн от стен моделируется как отражение от плоской поверхности с некоторым эффективным коэффициентом отражения. Предложенная модель и разработанное на ее основе программное обеспечение позволяют определить ключевые параметры канала связи: затухание, время распространения сигнала, импульсную характеристику и т.д.

В работе [7] предлагается использование трассировки лучей для нахождения обрастей тени от элементов конструкций зданий также на основе методов геометрической оптики. Расчет же поля в выбранной точке производится с помощью зеркальных отображений источника сигнала. В работе проведено сравнение распределений ослабления сигналов, рассчитаных разными способами.

В работе [6] подробно описан алгоритм построения двоичного дерева и его использование для определения видимости между узлами. Однако определение видимости производится численным методом, что не всегда дает верный результат. В статье [7] описывается аналитический метод определения видимости и приводится его реализация на языке С. Сам процесс трассировки лучей для двоичных деревьев описывается в статье [7], в качестве структурных элементов строения используются выпуклые многогранники.

4.Распространение радиоволн

ВЧ генератор является источником радиоволны, где энергия распространяется через антенну в пространство. На распространение сигнала препятствия оказывают огромное воздействие, какие имеют свойство отражения. Препятствия могут быть искусственные и естественные. Волны отражаются от поверхности земли и за счет этого происходят такие явления как: дифракция, рассеяние, преломление [1].

Природные препятствия отлично отражают радиоволну так как, в их составе имеется вода. Стоит отметить, что вода безупречная среда для переотражения сигнала. Это доказывается и тем, что одно и то же оборудование на 70 процентов эффективнее, чем на суше. К естественным препятствиям можно отнести деревья, горы, моря и. т. д. Что касается искусственных препятствий, в главном, это армированные строения и металлоконструкции.

4.1 Особенности распространения радиоволн в помещении

Условия распространения радиоволн в помещении сложнее, чем в свободном пространстве. Во-первых, из-за наличия стен и больших предметов обстановки. Стены и перекрытия из дерева, синтетических материалов, стекла оказывают низкое влияние на распространение радиоволн, препятствия из кирпича, бетона – среднее, железобетона и стен с фольговыми утеплителями – высокое. Стены с металла сильно влияют на дальность, даже до полной невозможности связи. Неоднозначно влияние гипсокартонных стен – от низкого до очень высокого в зависимости от конструкции решетки в ее основе – колеблется при изменении влажности в помещении.

Во-вторых, интерференционный характер электромагнитного поля внутри помещений (за счет множества отражений от предметов) выражен более резко. Происходит это в уменьшении напряженности поля и изменении исходной плоскости поляризации волн [3].

распространение

Рисунок 1 – Распространение сигнала, Wi-Fi роутера, в помещении.

(анимация: 6 кадров, 7 циклов повторения, 141 килобайт)

В большинстве помещений можно встретиться и с «мертвыми зонами», в которых прием сигнала сильно затруднен. Такая ситуация может быть, даже если передатчик и приемник находятся в прямой видимости. Образование «мертвых зон» связано с тем, что сигнал идет по путям разной длины, отражаясь от металлических объектов, таких как стальные конструкции, бетонные стены, металлические двери, окна и т. д. «Мертвая зона» появляется, если длины путей распространения эффективно делятся на нечетное количество полуволн. Но «абсолютно мертвые зоны» обычно очень локальны и могут быть устранены небольшим перемещением антенн приемника и/или передатчика.

Итак, на дальность работы влияет множество физических факторов: число стен, перекрытий и других объектов, через которые должен пройти сигнал, и радиочастотный шум от других устройств. Кроме этого, уровень сигнала, принимаемого антенной в здании или возле него, будет меняться во времени из-за движения объектов на пути распространения радиоволн [2].

4.2 Влияние строительных материалов, оборудования и мебели на распространения сигнала

Характеристики распространения в помещении зависят от отражения от строительных материалов и проникновения сигнала через них. Отражательные характеристики и пропускная способность материалов зависят от комплексной диэлектрической проницаемости материалов. Естественно, что в моделях прогнозирования распространения, учитывающих специфику места, в качестве главной исходной информации могут понадобиться данные о комплексной диэлектрической проницаемости строительных материалов.

5.Трассировка лучей

В ходе проведенной работы была использована программа – редактор для построения модели помещения, а также программа, производящая расчет распространения поля локальной беспроводной сети. Для ее создания был использован метод трассировки лучей от передатчика в окружающее пространство. При этом учитывается возможность многолучевого распространения сигналов с учетом отражения радиоволн от элементов конструкции помещения [5].

Метод трассировки применим только для случая, когда размер препятствия существенно больше длины волны моделируемого источника. Это один из методов геометрической оптики — исследование оптических систем путём отслеживания взаимодействия отдельных лучей с поверхностями. Простейшим взаимодействием является зеркальное отражение луча. При необходимости кроме моделирования отражения, также можно учесть явление дифракции, однако это окажет несущественное влияние на результат [6].

- Общий принцип

Обычно трассировка предполагает следующие шаги:

  1. Подготовка. В этом шаге уменьшается количество поверхностей, которые требуется проверить на пересечения. Например это может быть проверка на ориентированность поверхности против направления луча, а также проверка на пересечение с окружающим сложный объект параллелепипедом.
  2. Предварительное угадывание. В этом необязательном шаге на основе расположения передатчика и источника выбираются наиболее важные для расчета точки и заносятся в отдельный список.
  3. Выбор направления. Выбирается следующий луч для проверки на пересечение. Это может быть случайный выбор или на основе списка точек, полученного на предыдущем шаге.
  4. Проверка луча на пересечение. Луч проверяется на пересечение, строится его зеркальное отображение и производится необходимое количество отражений, записываются все необходимые данные.
  5. Расчет поля. В зависимости от задачи, данные полученные на предыдущем шаге используются для отображения конечного результата.

    6. - Нахождения пересечений

    Существуют такие способы нахождения пересечений с поверхностями:

    1. Методы с разбиением.
      • Рекурсивное разбиение окружающего объема. Если объем, в котором находится поверхность (окружающий объем) пересекается с лучом, тогда поверхность разбивается и для каждой ее части рассчитывается окружающий объем и процесс повторяется до тех пор, пока пересекаемый объем не окажется пустым или пока размеры объема не станут ниже определенного значения.
      • Разбиение на треугольники. Поверхности представляются треугольными сетками. Если моделируемый объект уже представлен таким образом, то разбиение не требуется. На пересечение проверяется каждый треугольник.
    2. Алгебраические и численные методы. Если поверхность описана уравнением, то в него подставляется уравнение луча в параметрических координатах и находится решение относительно параметра.

    - Пространственное разбиение

    Для ускорения трассировки, уменьшения количества проверок на пересечение принято использовать разбиение пространства на непересекающиеся регионы. Пространственное разбиение может быть однородным, то есть разбиваться на одинаковые области, и неоднородным, когда плотность разбиения зависит от количества объектов в данной области пространства. Пространственное разбиение позволяет создавать различные иерархические структуры данных, которые используются в тестах пересечений.

    Примером неоднородного разбиения являются так называемые octree-структуры. Пространство разбивается на восемь кубических регионов рекурсивно, пока не будет выполнено некоторое простое условие, регионы индексируются. Самый первый octree называют "world" (мир), самый маленький с наибольшей глубиной вложенности – voxel (воксель). Каждый воксель помечается как пустой, заполненный или смешанный (частично заполненный). Octree-структура содержит имя каждого вокселя (индекс), флаг разбиения и список объектов, пересекающих данный воксель. Этот метод показывает хорошие результаты для сцен с большим количеством объектов, плотность распределения которых в пространстве меняется. Еще один метод разбиения пространства носит название binary space partitioning (BSP) – двоичное разбиение пространства. Это неоднородное разбиение пространства, при котором каждый регион содержит в себе два вложенных, разбиение производится плоскостями. Сначала все пространство разбивается на две части некоторой плоскостью, затем каждая новая часть независимо разбивается еще на две части другой плоскостью и т.д.

    6. Построение модели помещения.

    Окно редактора представляет из себя набор из четырех видовых проекций в центре окна и панели инструментов справа. Изначально на экране есть лишь строительный элемент в виде параллелепипеда, который можно перемещать и менять его размер. Основной операцией для создания помещений является добавление выпуклых многогранников. В качестве геометрических примитивов выбраны именно выпуклые многогранники, так как их можно легко объединять. При нажатии на соответствующую кнопку на панели справа на месте строительного элемента появляется созданный элемент.

    Помещение строится из выпуклых многогранников, плотно прилегающих друг к другу (рис. 2). Их математическое представление – список плоскостей, описывающих каждую грань. Плоскости описаны тремя точками с целыми координатами, это позволяет избежать проблем с точностью дробных чисел и убедится в точном расположении плоскостей «по сетке». Все многогранники записываются в простой текстовый файл (рис. 3).

    Рис. 2. Помещение в окне редактора

    Рис. 2. Помещение в окне редактора

    Собранные вместе многогранники образуют замкнутое помещение. Для визуального представления из многогранников путем нахождения точек пересечения плоскостей строятся многоугольники, которые выводятся на экран. Все невидимые внешние поверхности будут удалены позже.

    Рис. 3. Представление многогранника в файле. 1 - Три точки описывающие плоскость. 2 - Дополнительная информация для визуального представления

    Рис. 3. Представление многогранника в файле. 1 - Три точки описывающие плоскость. 2 - Дополнительная информация для визуального представления

    При трассировке лучей потребуется нахождение пересечения многоугольников и луча. Из всех точек пересечения необходимо будет выбрать ближайшую. Таким образом, для луча потребуется проверка на пересечение с каждым многогранником при каждом отражении. Это значит, что вместе с усложнением формы помещения или его размеров линейно будет расти и время расчета. Чтобы избавиться от такой зависимости принято строить специальные ускоряющие структуры, которые позволяют сразу отбросить большие куски пространства при проверке пересечения с лучом.

    7. Построение распределение поля

    В качестве источника сигнала используется точка, излучающая равномерно во все стороны. Из точки выбирается случайный вектор и находится его пересечение с помещением. Полученный отрезок и соответствующее ему значение напряженности поля сохраняется в список. Из конца отрезка зеркально строится следующий луч. Отраженный вектор можно построить по формуле (векторы единичные):

    3

    где v – падающий вектор, n – нормаль поверхности.

    Процесс продолжается для требуемого количества отражений и лучей. Когда расчет лучей закончен, строится сетка с разрешением 100х100х100, каждый отрезок лучей прибавляет значение своей интенсивности с учетом пройденного пути в фиксированный момент времени к тем ячейкам сетки, через которые он проходит [5]. В качестве сигнала взят гармонический. Полученная сетка выводится на экран в виде точек — чем больше точка, тем больше интенсивность (рис. 4).

    Рис. 4. Результаты Расчетов

    Рис. 4. Результаты расчетов

    Вывод

    В ходе проведенной работы были изучены и рассмотрены алгоритмы моделирования распространения радиоволн в помещении. Был использован метод трассировки лучей от передатчика в окружающее пространство. При этом учитывалась возможность многолучевого распространения сигналов с учетом отражения радиоволн от элементов конструкции помещения. Однако в работе не были учтены следующие моменты:

    • алгоритм расчета не учитывает прохождение радиоволн сквозь стены помещения;
    • при расчете на прохождение радиоволн влияют только конструкции помещения, но не остальные предметы.

    Список источников

    1. Гуреев А.В., Кустов В.А. "Волноводная модель беспроводных каналов связи внутри зданий" Электронный журнал "Исследовано в России", 135. - 2002. - С. 1519-1536.
    2. Немировский М.С., Шорин О.А., Бабин А.И., Сартаков А.Л. Беспроводные технологии от последней мили до последнего дюйма. – М.: Эко – Трендз, 2009. – 196 с.
    3. Расторгуев Н., Шуклин А. Строим Wi-Fi. // Экспресс-Электроника. - №12, - 2004.- С. 10-17.
    4. Рахманов С. Особенности развития современных технологий беспроводного доступа Wi-Fi и WiMAX в России и во всем мире // Мобильные телекоммуникации. – Т.62. - № 4. - 2006. - С. 33-36.
    5. Яблоков, С.А. Разработка и исследование модели затухания радиоволн для помещений сложной формы /С.А. Яблоков, В.В.Паслён// Вестник Иститута гражданской защиты Добасса. – 2015.-№1. – С. 57-61.
    6. Липлянский И.А., Спунитис А.А. Модель трассировки лучей для распространения радиоволн в помещениях [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ortus.rtu.lv/science/lv/publications/4272;jsessionid=451EC9D108A3C5E8ED2E87815EE674EF/fulltext.pdf
    7. Алгоритм трехмерной трассировки радиоволн локальной беспроводной сети [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/algoritm-trehmernoy-trassirovki-radiovoln-lokalnoy-besprovodnoy-seti