”крањнська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Всеобщее распространение беспроводных систем связи приводит к необходимости приближенного расчета поля в помещениях для оптимального расположения передатчика. Это помогает решить как задачу обеспечения покрытия зоны обслуживания передатчиком, так и задачу предотвращения утечки информации по беспроводному каналу связи.

За последние годы очень актуальным является вопрос детального анализа угроз безопасности беспроводных систем, вероятность их появления, вероятность их предотвращения существующими средствами предотвращения угроз. Огромное количество комплексных систем защиты информации было разработано специалистами в области информационной безопасности, проведено множество практических тестов. Однако вопрос теоретического расчета защищенности сети передачи данных остается открытым.

Целью работы является разработка модели затухания радиоволн для помещений сложной формы и проверка возможности ее применения на практике. А также создание инструмента для схематичного отображения на компьютере помещения сложной формы и наглядного представления результатов модели в виде зоны покрытия передатчика с учетом отражения волн.

1. Актуальность темы

Актуальность разработки простого, наглядного метода расчета распространения поля локальной беспроводной сети связано 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 может сэкономить энергию. А также помочь уменьшить вредоносное влияние полей на человеческий организм, помогая расположить передатчики на безопасном расстоянии от людей.

Большинство используемых методов предлагают двухмерное решение данной задачи, что позволяет очень 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 магистерской работы является разработка разработка модели затухания радиоволн, в которой бы учитывались геометрические особенности окружающей среды.

Основные задачи исследования:

  1. Разработка простого графического редактора для создания формы помещений.
  2. Создание модели распространения радиоволн с испольнованием трассировки лучей.
  3. Наглядное представление результатов моделирования.
  4. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

Объект исследования: локальная беспроводная сеть.

Предмет исследования: объединение методов расчета распространения радиоволн.

3. Обзор исследований и разработок

Исследуемая тема является популярной как в международном научном сообществе, так и в локальном. Об этом свидетельствует большое количество исследований и разработок.

В работе [1] 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 [2] 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 [3] 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 [5] описывается аналитический метод определения видимости и приводится его реализация на языке С.

Сам процесс трассировки лучей для двоичных деревьев описывается в статье [4], в качестве структурных элементов строения используются выпуклые многогранники.

4. Особенности распространения радиоволн локальных беспроводных сетей.

Радиоволнами называют электромагнитное излучение с длинами волн в электромагнитном спектре длиннее инфракрасного света. Радиоволны имеют частоту от 3кГц до 300 ГГц, и соответствующую длину волны от 1 миллиметра до 100 километров. Распространение радиоволн в помещениях имеет следующие особенности:

1) На распространении радиоволн сказываются стены и массивные предметы обстановки. По степени влияния их можно разделить на следующие группы:

а) Слабое влияние: стены и перекрытия из дерева, синтетических материалов, стекла.

б) Среднее влияние: препятствия из кирпича, бетона.

в) Высокое влияние: препятствия из железобетона и стены с фольговыми утеплителями.

Металлические стены и перекрытия существенно влияют на дальность, вплоть до полной невозможности связи. Неоднозначным считается влияние некапитальных гипсокартонных стен – от слабого до очень высокого в зависимости от конструкции решетки в ее основе, - и в ряде случаев может колебаться при изменении влажности в помещении.

2) Внутри помещений становится существенным влияние явления интерференции. За счет многократных отражений от различных конструкций интерференционный характер электромагнитного поля внутри помещений выражен более резко. Это приводит к уменьшению напряженности поля в некоторых местах помещения и увеличению в других. В некоторых случаях это может также привести к так называемым замираниям («мертвым зонам»), в которых прием сигнала сильно затруднен. Такое может произойти даже если приемник находится в прямой видимости от передатчика. Образование «мертвых зон» связано с тем, что сигнал следует по путям разной длины, отражаясь от разнообразных объектов, таких как стальные конструкции, бетонные стены, металлические двери, окна, потолки и т.д. «Мертвая зона» появляется, если длины путей распространения расходятся на нечетное количество полуволн. Но «абсолютно мертвые зоны» обычно очень локальны и могут быть устранены небольшим перемещением антенн приемника и/или передатчика. Это очень важно при планировании размещения устройств беспроводной связи в помещениях.

5. Геометрические модели.

Существуют два основных класса геометрических моделей [6]:

1)Конструктивная сплошная (блочная) геометрия (КСГ). Технология, используемая в моделировании твёрдых тел. Конструктивная блочная геометрия зачастую, но не всегда, является способом моделирования в трёхмерной графике и САПР. Она позволяет создать сложную сцену или объект с помощью битовых операций для комбинирования нескольких иных объектов. Это позволяет более просто математически описать сложные объекты, хотя не всегда операции проходят с использованием только простых тел. Так, часто с помощью конструктивной блочной геометрии представляют модели или поверхности, которые выглядят визуально сложными; на самом деле, они являются немногим более чем умно скомбинированные или декомбинированные простые объекты.

Простейшие тела, используемые в конструктивной блочной геометрии — примитивы, тела с простой формой: куб, цилиндр, призма, пирамида, сфера, конус. Набор доступных примитивов зависит от программного пакета. Так, некоторые программы позволяют создание конструктивной блочной геометрии на основе кривых объектов, а некоторые нет. Построение более сложного объекта происходит путём применения к описаниям объектов булевых (двоичных) операций на множествах — объединение, пересечение и разность. Примитив, как правило, может быть описан процедурой, которая принимает некоторые значения параметров, например, для построения сферы достаточно знать её радиус и положение центра.

Основным преимуществом КСГ является простота описания, однако этот метод имеет некоторые недостатки:

- Метод недостаточно гибок: приемлемость КСГ зависит от заданного набора примитивов. Если среди примитивов нет необходимого для конкретного случая, моделирование будет затруднено.

- КСГ дает недостаточно важной информации. Например, для визуализации, которая требует триангуляции.

2) Граничное представление – метод представления объемной формы путем описания ее границ. Трехмерное тело представляется набором связанных друг с другом поверхностей, задающих границу между представляемым телом и остальным пространством.

а) Граничное представления с помощью граней. Поверхности трехмерных объектов делятся на отдельные плоские треугольники. Когда поверхности разбиты на треугольники, объекты могут быть описаны как список треугольников. Хотя такой метод и позволяет точно и явно описать объект, он все же является неточным, треугольники должны быть очень маленькими, чтобы точно описать модель. Преимущество метода – простота визуализации, существующие графические библиотеки с аппаратным ускорением позволяют легко рисовать на экране подобные объекты.

б) Граничное представление с помощью параметрических поверхностей. Вместо треугольников для описания граней используются параметрические поверхности. Данный метод широко используется для представления транспортных средств (машин, самолетов, кораблей). Его преимущество по сравнению с представлением треугольниками является возможность точного описания гладких поверхностей.

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. 1). 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. 2).

Помещение в окне редактора

Рис. 1. 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.

Представление многогранника в файле

Рис. 2. 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. Примером такой структуры может быть двоичное разбиение (рис. 3) [7]. В качестве разбивающих выбираются такие плоскости, которые делят многоугольники на два примерно равных списка. Разбиение производится до тех пор, пока каждый узел дерева не станет выпуклым.

Пример двоичного дерева

Рис. 3. Пример двоичного дерева

Подробно процесс нахождения пересечений описан в [4].

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):

, где – падающий вектор, – нормаль поверхности.

Отраженный луч должен иметь уже меньшее значение напряженности, это учитывается с помощью коэффициента отражения [1]:

, где – угол падения луча, – относительная диэлектрическая проницаемость стены.

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. В качестве сигнала взят гармонический. Полученная сетка выводится на экран в виде точек — чем больше точка, тем больше интенсивность (рис. 4).

Результат расчета

Рис. 4. Результат расчета для глубины 1-8
(анимация: 8 кадров, 7 циклов повторения, 116 килобайт)

Выводы

Результаты расчета показывают, что данная приближенная модель распространения показывает достаточно достоверный результат для простой оценки оптимальности расположения передатчика в помещении.

Замечание. При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. 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
  2. Алгоритм трехмерной трассировки радиоволн локальной беспроводной сети [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/algoritm-trehmernoy-trassirovki-radiovoln-lokalnoy-besprovodnoy-seti
  3. Binary Space Partioning Trees and Polygon Removal in Real Time 3D Rendering [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sha.nnoncarey.com/physics/SamuelRanta-Eskola_BSPTrees.pdf
  4. Quake 3 BSP Collision Detection [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://openzone.googlecode.com/git-history/f73bb8dfe8e6a16c13d39aba1c8f6537ee263d07/doc/Quake3BSP.html
  5. Binary Space Partitioning Tutorial [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cs.utah.edu/~jsnider/SeniorProj/BSP/default.htm
  6. Sandy Sefi, Ray Tracing Tools for High Frequency Electromagnetics Simulations, Licentiate Thesis Royal Institute of Technology -Режим доступа: https://www.nada.kth.se/utbildning/forsk.utb/avhandlingar/lic/030612sefi.pdf
  7. Gary Simmons, Binary Space Partitioning Tutorial // [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.cs.utah.edu/~jsnider/SeniorProj/BSP/default.htm