Українська   English

Исследование современных стандартов радиосвязи для предоставления мультисервисных услуг в инфокоммуникационных сетях

Содержание

Введение

В настоящее время для охраны и защиты различных важных объектов применяются различные системы безопасности, построенные на основе проводных и беспроводных линий связи. В последнее время большое развитие получили беспроводные системы безопасности. Целесообразность использования радиоканала в системах безопасности объясняется простатой организации, меньшими затратами на построение и эксплуатацию, возможность применения при отсутствии проводных линий связи и в чрезвычайных ситуациях, возможностью оперативного изменения структуры и параметров систем при наращивании объектов охраны.

Обеспечение надежности и помехозащищенности радиоканала является одной из приоритетных задач при построении новых и совершенствовании существующих систем безопасности. В качестве одного из основных направлений выделяется необходимость повышения защищенности радиоканала систем безопасности от дестабилизирующих факторов. Можно выделить следующие виды дестабилизирующих факторов: перехват, просмотр, подмена, радиоэлектронное подавление.[1]

1. Актуальность темы

В качестве беспроводной системы безопасности возьмем беспроводную сеть специального назначения (БССН), а именно охранно – пожарную сигнализацию.

Беспроводные линии связи – это каналы передачи данных, работа которых, основана на распространении электромагнитных колебаний. Они являются необходимой составной частью радиорелейных систем связи, сотовых систем мобильной связи и локальных беспроводных сетей и других радиосистем. Радиоканал беспроводной линии связи, может быть использован, как мост между подсетями, так и выполнять функцию, общей среды для передачи данных в локальной сети. Также беспроводную связь используют для и объединения локальных сетей отдельных офисов и предприятий в корпоративные сети.[2]

Беспроводная сеть специального назначения – идеальное, быстрое и простое решение, не требующее прокладки кабелей. Использование беспроводных технологий в сети специального назначения позволяет предельно упростить монтаж устройств слежения, сделать настройку и запуск доступным для рядового пользователя, сохраняя при этом достаточный уровень эффективности.

Беспроводная сеть специального назначения призвана решать целый комплекс задач по обеспечению безопасности объекта:

    – Постоянное сканирование контролируемого объекта;

    – Фиксация параметров пожара: температура, задымленность, электромагнитное излучение, сравнение полученных данных с предельными значениями, занесенными в память приемно-контрольного устройства;

    – Выявление очага возгорания на ранних стадиях;

    – Формирование и пересылка тревожного сигнала на один из указанных в памяти адресов:

    – центральный диспетчерский пульт;

    – удаленный пульт оператора пожарной охраны;

    – телефон собственника объекта или ответственного лица;

    – Активация средств оповещения и системы эвакуации;

    – Активация средств автоматического пожаротушения.

Классические сети специального назначения требуют прокладки значительных по протяженности кабельных сетей: линий связи, сигнальных шлейфов, силовых кабелей, обеспечивающих питание отдельных извещателей и исполнительных устройств. Фактически все строение покрыто кабельной сетью по объему сопоставимой с сетью электроснабжения здания, а в некоторых случаях и превосходящее ее.

Если система должна контролировать объект большой площади или сложной структуры, то затраты на прокладку сети существенно возрастут. Кроме того, монтаж кабельных сетей не всегда можно выполнить по техническим или эстетическим причинам. В зданиях представляющих историческую ценность использование беспроводных систем иногда представляется единственным возможным выходом.

Передача информационных и тревожных сообщений в таких система происходит по радиоканальной связи. При этом производители подбирают такие частоты, на которые не влияют на работу бытовых приборов, самочувствие людей и домашних животных. Для защиты от влияния сторонних наводок и излучений передающийся сигнал шифруется или модулируется.[3]

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка модели радиоканала беспроводной сети специального назначения, обеспечивающая его надежность и помехозащищенность в реальных условиях эксплуатации.

Основные задачи исследования:

    1. Проанализировать существующие стандарты и технологии радиосвязи;

    2. Разработать математическую модель БССН;

    3. Произвести моделирование БССН;

    4. Экономически рассчитать стоимость модели;

    5. Выделить мероприятия по охране труда.

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Анализ существующих стандартов радиосвязи

В промышленности беспроводные сети передачи данных применяются уже много лет. В прошлом они обычно представляли собой технические решения в диапазоне ниже 1 ГГц. В них использовалась простая амплитудная или частотная модуляция (АМн или ЧМн). К недостаткам такого подхода относятся полное отсутствие защиты информации и ограниченная полоса.

За последние двадцать лет был разработан ряд стандартов надёжной беспроводной связи. Из последних большинство обеспечивают достаточную для широкого применения защиту информации. На сегодняшний день внедрение стандартизованных решений радиосвязи стало экономически эффективным и безопасным средством для устройств мониторинга и управления, работающих в удалённых условиях или на промышленном предприятии. Возникает вопрос оптимального выбора стандарта беспроводной связи из множества доступных.

Все стандарты и технологии беспроводной передачи данных могут быть классифицированы по ряду формальных параметров. В таблице 1 приведена общая классификация наиболее актуальных на данный момент стандартов беспроводной передачи данных.[4]

Таблица 1 – Общая классификация основных стандартов беспроводной передачи данных

Таблица 1– Общая классификация основных стандартов беспроводной передачи данных

Существуют три технических параметра, которые наиболее часто определяют область применения того или иного стандарта в конкретном приложении пользователя: энергопотребление (или потребление тока), дальность связи и скорость передачи данных. По значению этих параметров можно условно выделить следующих лидеров:

Bluetooth

Основная идея Bluetooth заключалась в создании универсального, надежного и очень дешевого радиоинтерфейса беспроводного доступа. Технология Bluetooth позволяет обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом гарантируется его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием. Как было указано в таблице, существует всего три класса устройств Bluetooth, если градировать их по излучаемой мощности: 1-й – до 100 метров (до 100 мВт); 2-й – до 10 метров (до 2,5 мВт); 3-й – до 1 метра (до 1 мВт).

Плюсы и минусы

    – высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей;

    – защита передаваемых данных;

    – низкая стоимость;

    – высокая дальность действия (до 1000 м);

    – универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Среди недостатков отметим:

    – Относительно высокое энергопотребление (работа от автономных источников питания не всегда возможна). Предполагается, что этого недостатка будет лишена новая версия спецификации Bluetooth 4.0.

    – Относительно невысокая скорость обмена данными (до 1 Мбит/с). Как правило, реальная скорость обмена данными ограничивается пропускной способностью внешних аппаратных интерфейсов модуля.

    – Одно из основных преимуществ стандарта Bluetooth заключается в его высоком уровне стандартизации и широчайшем распространении в составе пользовательских электронных устройств. Это позволяет в ряде случаев практически в два раза сэкономить время и затраты на разработку при проектировании некоторой системы сбора данных, телеметрии или управления на основе Bluetooth, поскольку в качестве одной из сторон беспроводного обмена данными может выступать, например, обычный серийно выпускаемый ноутбук или коммуникатор с поддержкой данной технологии.

Области применения

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения:

    – Автомобильная электроника. Модули Bluetooth могут использоваться в бортовых автомобильных системах контроля и управления. Эта область применения характерна для России.

    – Системы удаленного управления и телеметрии. Здесь устройства Bluetooth могут использоваться наряду с модулями технологий Wi-Fi, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Данная область применения в равной степени актуальна как для России, так и для зарубежных стран.

    – Компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth.[5]

Wi-Fi

Стандарт беспроводной передачи данных Wi-Fi был создан специально для объединения нескольких компьютеров в единую локальную сеть. Обычные проводные сети требуют прокладки множества кабелей через стены, потолки и перегородки внутри помещений. Также имеются определенные ограничения на расположение устройств в пространстве. Беспроводные сети Wi-Fi лишены этих недостатков: можно добавлять компьютеры и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные устройства Wi-Fi используют радиоволны из спектра частот, определенных стандартом IEEE 802.11. Существует четыре разновидности стандарта Wi-Fi (табл. 2). 802.11n поддерживает работу сразу в двух частотных диапазонах одновременно на четыре антенны. Суммарная скорость передачи данных при этом достигается 150 – 600 Мбит/с.

Таблица 2 – Разновидности стандарта Wi-Fi

Таблица 2 – Разновидности стандарта Wi-Fi

Плюсы и минусы

Сформулируем некоторые ключевые особенности стандарта Wi-Fi. К его достоинствам относятся:

    – высокая скорость передачи данных;

    – компактность;

    – большое разнообразие модулей под разные задачи;

    – высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей;

    – защита передаваемых данных.

Основные недостатки:

    – большое энергопотребление и невозможность работы в течение длительного времени от автономных источников питания;

    – относительно высокая стоимость (по сравнению с Bluetooth и ZigBee).

Области применения

Характерные особенности стандарта Wi-Fi диктуют основные области его применения:

    – Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi могут применяться в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии.

    – Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi могут применяться наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества – высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации.

    – Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.[5]

ZigBee

В случаях, когда дальность радиосвязи в прямой видимости оказывается недостаточно большой и возникает необходимость ее наращивания при сохранении энергопотребления на низком уровне, целесообразно обратить внимание на стандарт беспроводной связи ZigBee. Характерные особенности данного стандарта позволяют:

    – Создавать сложные сетевые решения с автоматической маршрутизацией, ретрансляцией пакетов данных и автоматическим восстановлением сети в случае выхода из строя отдельных узлов.

    – Обеспечивать высокий уровень защиты передаваемых данных.

    – Гибко настраивать узлы сети.

    – Поддерживать в одной сети от нескольких сотен до нескольких тысяч узлов.

    – Получить скорость обмена данными 250 кбит/с по радиоканалу.

Для облегчения процесса разработки и обеспечения максимальной совместимости устройств ZigBee разных производителей между собой была разработана библиотека ZigBee – кластеров (ZigBee Cluster Library, ZCL). Этот документ вводит понятие стандартных типов устройств, стандартных команд для этих устройств, наборы стандартных атрибутов, диапазоны значений этих атрибутов, типы данных для задания значений атрибутов и т. д. ZCL группирует кластеры по целевому предназначению: общего назначения; для работы с датчиками; для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т. д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием всех новых спецификаций ZigBee с 2007 г.

Для стандартных типов устройств существуют стандартные профили приложения. Спецификация профиля определяет параметры, необходимые для совместной работы устройств в одной сети. Существует по крайней мере два основных профиля:

    – Home Automation. Этот профиль дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «Умный дом». Он регламентирует работу устройств управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т. д.

    – Smart Energy. Этот профиль позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов.

Достоинства:

    – защита передаваемых данных;

    – поддержка сложных беспроводных сетей;

    –ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет).

Недостатки:

    – недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно – аппаратной платформы для разработки сложных приложений;

    – невысокая скорость передачи данных. Большая часть трафика ZigBee тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, пакеты синхронизации и т. д. Полезная скорость передачи данных составляет около 30 кбит/с.

Области применения

Основные области применения технологии ZigBee:

    – Домашние развлечения и контроль – рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.

    – Домашнее оповещение – датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.

    – Мобильные службы – мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.

    – Коммерческое строительство – мониторинг энергии, света, контроль доступа.

Промышленное оборудование – контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.[5]

GSM

Распространение сотовой связи и наличие полноценного покрытия практически повсюду привело к тому, что беспроводная сеть специального назначения GSM стала одной из самых распространенных систем среди устройств аналогичного назначения.

Ее преимущества перед линейными системами состоят в:

    – Возможности ведения отдаленного контроля в режиме реального времени;

    – Значительно большей скорости передачи информации;

    – Универсальности беспроводных сетей специального назначения;

Применением нескольких алгоритмов шифрования, исключающих несанкционированные вмешательства в работу.

Вместо мобильных телефонов для передачи данных используются модемы, которые работают и при минусовых температурах, и в условиях повышенной влажности. Обычные мобильные устройства в таких обстоятельствах работают плохо или не работают вообще.

Беспроводная сеть специального назначения GSM, по своему назначению, призвана не только обнаруживать очаги возгорания, но и контролировать доступ к объекту. Установка датчиков возгорания и оптических электронных датчиков доступа происходит параллельно и замыкается на один прибор, который является регистратором событий и передатчиком сигнала опасности.

Он может быть подключен к нескольким линиям постоянно работающего канала и предавать сообщения на централизованные пульты охранных служб, на телефоны или компьютеры владельцев и всех заинтересованных лиц, где бы они ни находились. Вся трансляция происходи в режиме онлайн. Беспроводная сеть GSM оборудована автономными источниками питания и не зависит от подключения объекта к сетям электроснабжения.

В автономном режиме датчики и контрольно-передающие приборы могут работать довольно длительное время. Качественные датчики обнаружения обладают встроенными приборами инфракрасной подсветки и могут работать в полной темноте.

GSM модули для беспроводной сети специального назначения встроены в корпус прибора и являются его конструктивной частью, подсоединенной к общей линии питания. В обычном режиме прибор подключен к общей энергосети через специальное устройство, которое, кроме выдачи напряжения питания до 16В, заряжает резервный автономный аккумулятор.

При отключении от сети в результате аварии или злого умысла контролер вместе с модулем и коммуникатором переходят в режим работы от аккумулятора. При этом сохраняется непрерывность наблюдения и связи.

Рассмотрев все возможные варианты, наилучшей пропускной способностью и самым развитым стеком протоколов обладает WiFi, но Bluetooth, GSM и Zigbee для определенных задач станут идеальным выбором. Zigbee лучше всего подойдёт для мониторинга множества датчиков с автономным питанием, которые распределены по большой площади. Bluetooth хорошо подойдут для замены кабельных соединений точка-точка или мониторинга датчиков на небольшом участке.

Хотя технические стандарты могут изменяться, все же нет повода сомневаться во все более широком распространении беспроводной связи в ближайшем будущем. С приходом промышленного интернета вещей, к всемирной сети подключатся миллионы устройств и многие из них по беспроводной связи.[6]

3.2 Основные элементы

К основным элементам беспроводной сети относятся:

1.Извещатели (пожарные детекторы)

В современных комплектах беспроводной сети используются детекторы двух типов:

    – Пороговые – датчики дыма и температуры. Они срабатывают при достижении одним из параметров критического значения заложенного в память устройства. Детекторы задымления определяют в воздухе помещения наличие количество окиси углерода. Температурные извещатели формируют тревожный сигнал не только при достижении определенной температуры, но и при резкой динамике ее изменения, что позволяет определить наличие очага возгорания на ранних стадиях.

    – Аналоговые – датчики пламени, реагирующие на общее электромагнитное излучение в помещении. Контролируют ключевой параметр в режиме реального времени. Срабатывание осуществляется на основании анализа динамического изменения параметра.

Независимо от принципа определения возгорания все извещатели делятся на:

    – Адресные – позволяют точно определить местонахождение сработавшего устройства обнаружения, что позволяет быстрее среагировать на возникшую аварийную ситуацию и принять более эффективные меры по локализации и ликвидации очага возгорания;

    – Безадресные – позволяют определить только сам факт возникновения пожара в строении. Определение места очага возгорания возможен только по сработавшему шлейфу, который обычно контролирует сразу несколько помещений.

2.Приемно-контрольный прибор

Получает от детекторов всю информацию по радиоканальной связи. Обычно количество устройств, с которыми работает ПКП, ограничивается. В простых (бытовых) системах безопасности ПКП выполняет функции главного прибора управления, самостоятельно формируя команды на основании полученных данных. Он включает исполнительные устройства: системы автоматического пожаротушения, вентиляторы дымоудаления, деблокирует двери, размыкая (отключая) электромеханические замки, устройства оповещения при эвакуации. Кроме того, ПКП контролирует исправность и работоспособность отдельных устройств и их режим работы. В сложных комплексных системах безопасности зданий ПКП безопасности передает всю полученную информацию на центральный диспетчерский пульт, с которого вручную или автоматически осуществляется управление всеми устройствами, обеспечивающими безопасную эвакуацию и эффективное пожаротушение.

3.Пожарные оповещатели

Как правило, в структуру беспроводной сети безопасности входят звуковые, речевые и световые пожарные оповещатели. Учитывая высокий уровень энергопотребления в аварийном режиме, практически все они должны иметь подключение к основной сети энергоснабжения строения.[3]

3.3 Преимущества и недостатки беспроводных сетей специального назначения

Преимущества:

    1. Установка может производиться после окончания отделочных работ в помещении, так как не требуется штробирования стен для скрытой прокладки кабелей;

    2. Система имеет более простую и в то же время гибкую конфигурацию;

    3. Устраняются финансовые затраты на кабель, стоимость самого монтажа существенно ниже, время выполнения работ значительно снижается;

    4. Более надежная работа системы в целом. Отсутствуют поломки связанные с утерей контакта или повреждениями шлейфов. Особенно во время пожара, что дает возможность отслеживать реальную ситуацию распространения огня в здании.

Недостатки:

    1. Ограничения дальности передачи данных по радиоканалу и нестабильность его работы. Несмотря на защиту, фиксируются ложные срабатывания от электромагнитных полей работающего оборудования. Использование беспроводных систем в строениях основные несущие и ограждающие конструкции, которых выполнены из железобетона или металла, сильно ограничено из-за экранирующего эффекта.

    2. Для некоторых устройств слежения и оповещателей требуются источники питания, что ограничивает их место размещения.

    3. Необходим мониторинг уровня заряда автономных источников питания для извещателей.[3]

Рисунок1 – Процесс работы беспроводной сети специального назначения

Рисунок 1 – Процесс работы беспроводной сети специального назначения (анимация: 19 кадров, бесконечное повторение циклов , 54 килобайт)

4.Анализ объекта

В последнее время радиоканал все чаще используется в качестве основной среды передачи информационных сигналов. Радиоканал имеет как преимущества по сравнению с проводными линиями связи, так и недостатки.

К преимуществам относятся простота организации канала связи, меньшая стоимость затрат на построение и техническое обслуживание.

К недостаткам – необходимость решения вопроса по выделению частотного ресурса, обеспечения надежности и помехозащищенности радиоканала в условиях сложной электромагнитной обстановки.

Радиоканал применяется во внутриобъектовых системах сигнализации, а также в радиоканальных системах передачи извещений. Обобщенная структурная схема радиоканала в системах безопасности приведена на рисунке 2, где ОК – объект контроля, И – извещатель, ПКП – приемно-контрольный прибор, РТР – ретранслятор, ПЦО – пульт централи- зованной охраны, fи-пкп, fпкп-ртр и fпкп-ртр – частоты передачи и приема.

Рисунок 2 – Обобщенная структурная схема радиоканала в системах безопасности

Рисунок 2 – Обобщенная структурная схема радиоканала в системах безопасности

Радиоканал является элементом системы безопасности. Под элементом понимается часть системы, которая отличается определенной самостоятельностью по отношению ко всей системе.

В этом смысле при построении систем безопасности с использованием радиоканала необходимо определиться с местом данного элемента в общей системе и требованиями, предъявляемыми к элементу по выполнению функциональных задач.

Требования, предъявляемые к радиоканалу в таких системах, могут быть различными. Так, в одноуровневых и двухуровневых системах радиоканал характеризуется:

    1. Расстоянием между приемопередающей аппаратурой от нескольких до сотен метров.

    2. Малой выходной мощностью передающих устройств.

    3. Необходимостью организации двусторонней связи (квитирования сигналов обмена).

    4. Возможностью автоматической смены рабочих частот при возникновении помех.

    5. Высокой скоростью передачи данных.

В многоуровневых системах радиоканал предназначен как для связи между собой приемопередающих устройств, расположенных на объекте контроля, так и связи внутриобъектового оборудования с пультом централизованной охраны.

Обобщенная структурная схема системы безопасности с использованием радиоканала представлена на рисунке 3, где i, j, m, n – соответственно количество И, ПКП и РТР на объекте контроля.

Радиоканал системы безопасности должен обеспечивать:

    1.Криптозащиту передаваемых сообщений.

    2.Защиту канала связи от несанкционированного доступа к нему злоумышленников.

    3.Надежность и помехозащищенность.

Рисунок 3. – Обобщенная структурная схема системы безопасности с использованием радиоканала

Рисунок 3 – Обобщенная структурная схема системы безопасности с использованием радиоканала

Одним из основных требований, предъявляемых к радиоканалу, является обеспечение его помехозащиты: способности работать в условиях воздействия естественных и организованных помех.[7]

Выводы

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче исследование современных стандартов радиосвязи для предоставления мультисервисных услуг в инфокоммуникационных сетях.

В рамках проведенных исследований выполнен анализ существующих стандартов и выбран наиболее подходщий для проектирования беспроводной сети специального назначения, также исследован радиоканал.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

    1.Построение модели радиоканала многоуровневой сети;

    2.Моделирование такой сети;

    3.Экономический расчет стоимости модели сети;

    4.Мероприятия по охране труда.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Гавришев А. А. Повышение защищенности беспроводных систем безопасности: аналитический обзор публикаций // Вестн. НГУ. Серия: Информационные технологии. 2017. Т. 15, № 1. С. 5–14.
  2. Беспроводные линии связи [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www.klaster-plus.ua/besprovodnye-linii-svyazi/ – дата доступа: ноябрь 2017.
  3. Беспроводная пожарная сигнализация [Электронный ресурс] – режим доступа: https://umniedoma.ru/besprovodnaya-pozharnaya-signalizaciya-strelec-ili-bolid/ – дата доступа: ноябрь 2017.
  4. WiFi, Bluetooth или Zigbee – какой стандарт лучше? [Электронный ресурс] – режим доступа: http://ua.automation.com/content/wifi-bluetooth-ili-zigbee-kakoj-standart-luchshe – дата доступа: ноябрь 2017.
  5. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi) и 434/868 МГц [Электронный ресурс] – режим доступа:http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2011_4_6.php – дата доступа: ноябрь 2017.
  6. Беспроводная охранно-пожарная сигнализация [Электронный ресурс] – режим доступа: http://proffidom.ru/23-ohranno-pozharnaya-signalizaciya-gsm.html – дата доступа: ноябрь 2017.
  7. Эсауленко А.В. Моделирование и обеспечение надежности радиоканала в системах безопасности: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Воронеж, 2015. 19 с.