Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Загальне поширення бездротових систем зв'язку призводить до необхідності наближеного розрахунку поля в приміщеннях для оптимального розташування передавача. Це допомагає вирішити як задачу забезпечення покриття зони обслуговування передавачем, так і завдання запобігання витоку інформації по бездротовому каналу зв'язку.

За останні роки дуже актуальним є питання детального аналізу загроз безпеки бездротових систем, ймовірність їх появи, ймовірність їх запобігання існуючими засобами запобігання загроз. Величезна кількість комплексних систем захисту інформації було розроблено фахівцями в галузі інформаційної безпеки, проведено безліч практичних тестів. Однак питання теоретичного розрахунку захищеності мережі передачі даних залишається відкритим.

Метою роботи є розробка моделі загасання радіохвиль для приміщень складної форми і перевірка можливості її застосування на практиці для оцінки захищеності локальних бездротових мереж від витоків. А також створення інструменту для схематичного відображення на комп'ютері приміщення складної форми і наочного подання результатів моделі у вигляді зони покриття передавача з урахуванням відбиття хвиль.

1. Актуальність теми

Актуальність розробки простого, наочного методу розрахунку розповсюдження поля локальної бездротової мережі пов'язано не тільки з необхідністю захисту інформації від витоку, але також з необхідністю визначення оптимального місця розташування передавача. Це допомагає вирішити завдання покриття якомога більшої кількості приміщень в будівлі при якомога меншій кількості передавачів, що може заощадити енергію. А також допомогти зменшити шкідливий вплив полів на людський організм, допомагаючи розташувати передавачі на безпечній відстані від людей.

Більшість використовуваних методів пропонують двомірне рішення даної задачі, що дозволяє дуже швидко оцінити оптимальність розташування передавача. Цього достатньо для більшості випадків, однак для випадку багатоповерхових будівель даний метод не дозволяє врахувати поширення хвиль між поверхами. У даній роботі пропонується метод для побудови тривимірної сітки з наближеним розподілом поля, що зазвичай є надлишковим для простої локальної бездротової мережі в будівлі, проте для окремих випадків може показати значно більш точний результат у порівнянні з двомірними методами.

2. Цілі та задачі дослідження, заплановані результати.

Метою магістерської роботи є розробка розробка моделі загасання радіохвиль, в якій би враховувалися геометричні особливості навколишнього середовища.

Основні завдання дослідження:

  1. Розробка простого графічного редактора для завдання форми приміщень.
  2. Створення моделі розповсюдження радіохвиль з використанням трасування променів.
  3. Наочне представлення результатів моделювання.
  4. Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними.

Об'єкт дослідження: локальна бездротова мережа.

Предмет дослідження: об'єднання методів розрахунку розповсюдження радіохвиль.

3. Огляд досліджень та розробок.

Досліджувана тема є популярною як в міжнародному науковому співтоваристві, так і в локальному. Про це свідчить велика кількість досліджень і розробок.

В роботі [1] запропонована двомірна модель багатопроменевого каналу розповсюдження дециметрових хвиль в будівлях. В основі моделі лежать методи геометричної оптики, що передбачає детермінований опис геометричних характеристик приміщень. Відображення радіохвиль від стін моделюється як відображення від плоскої поверхні з деяким ефективним коефіцієнтом відображення. Запропонована модель і розроблене на її основі програмне забезпечення дозволяють визначити ключові параметри каналу зв'язку: загасання, час поширення сигналу, імпульсну характеристику і т.д.

В роботі [2] пропонується використання трасування променів для знаходження областей тіні від елементів конструкцій будівель також на основі методів геометричної оптики. Розрахунок ж поля у вибраній точці проводиться за допомогою дзеркальних відображень джерела сигналу. У роботі проведено порівняння розподілів ослаблення сигналів, розрахованих різними способами і показано, що запропонований метод дає достовірний результат.

В роботі [3] докладно описаний алгоритм побудови двійкового дерева і його використання для визначення видимості між вузлами. Однак визначення видимості проводиться чисельним методом, що не завжди дає вірний результат. У статті [5] описується аналітичний метод визначення видимості і приводиться його реалізація мовою С.

Сам процес трасування променів для довічних дерев описується в статті [4], в якості структурних елементів будови використовуються опуклі багатогранники.

4. Особливості поширення радіохвиль локальних бездротових мереж.

Радіохвилями називають електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль в електромагнітному спектрі довші інфрачервоного світла. Радіохвилі мають частоту від 3кГц до 300 ГГц, і відповідну довжину хвилі від 1 міліметра до 100 кілометрів. Поширення радіохвиль у приміщеннях має такі особливості:

1) На розповсюдженні радіохвиль позначаються стіни і масивні предмети обстановки. За ступенем впливу їх можна розділити на наступні групи:

а) Слабкий вплив: стіни та перекриття з дерева, синтетичних матеріалів, скла.

б) Середнє вплив: перешкоди з цегли, бетону.

в) Високий вплив: перешкоди із залізобетону і стіни з фольгових утеплювачами.

Металеві стіни та перекриття суттєво впливають на дальність, аж до повної неможливості зв'язку. Неоднозначним вважається вплив некапітальних гіпсокартонних стін - від слабкого до дуже високого залежно від конструкції решітки в її основі, - і в ряді випадків може коливатися при зміні вологості в приміщенні.

2) Усередині приміщень стає істотним вплив явища інтерференції. За рахунок багатократних віддзеркалень від різних конструкцій інтерференційний характер електромагнітного поля всередині приміщень виражений більш різко. Це призводить до зменшення напруженості поля в деяких місцях приміщення і збільшенню в інших. У деяких випадках це може привести до так званих завмирань («мертвим зонам»), в яких прийом сигналу сильно утруднений. Таке може статися навіть якщо приймач знаходиться в прямої видимості від передавача. Утворення «мертвих зон» пов'язане з тим, що сигнал прямує шляхами різної довжини, відбиваючись від різноманітних об'єктів, таких як сталеві конструкції, бетонні стіни, металеві двері, вікна, стелі і т.д. «Мертва зона» з'являється, якщо довжини шляхів поширення розходяться на непарну кількість напівхвиль. Але «абсолютно мертві зони» зазвичай дуже локальні і можуть бути усунені невеликим переміщенням антен приймача і / або передавача. Це дуже важливо при плануванні розміщення пристроїв бездротового зв'язку в приміщеннях.

5. Геометричні моделі.

Існує три основних класи геометричних моделей:

1) Конструктивна суцільна (блокова) геометрія (КСГ). Технологія, використовувана в моделюванні твердих тіл. Конструктивна блокова геометрія часто, але не завжди, є способом моделювання в тривимірній графіці і САПР. Вона дозволяє створити складну сцену або об'єкт за допомогою бітових операцій для комбінування кількох інших об'єктів. Це дозволяє більш просто математично описати складні об'єкти, хоча не завжди операції проходять з використанням тільки простих тіл. Так, часто за допомогою конструктивної блокової геометрії представляють моделі або поверхні, які виглядають візуально складними; насправді, вони є трохи більше ніж розумно скомбіновані або декомбіновані прості об'єкти.

Найпростіші тіла, використовувані в конструктивній блокової геометрії - примітиви, тіла з простою формою: куб, циліндр, призма, піраміда, сфера, конус. Набір доступних примітивів залежить від програмного пакета. Так, деякі програми дозволяють створення конструктивної блокової геометрії на основі кривих об'єктів, а деякі ні. Побудова більш складного об'єкта відбувається шляхом застосування до описів об'єктів булевих (двійкових) операцій на множинах - об'єднання, перетину і різниці. Примітив, як правило, може бути описаний процедурою, яка приймає деякі значення параметрів, наприклад, для побудови сфери досить знати її радіус і положення центру.

Основною перевагою КСГ є простота опису, однак цей метод має деякі недоліки:

- Метод недостатньо гнучкий: прийнятність КСГ залежить від заданого набору примітивів. Якщо серед примітивів немає необхідного для конкретного випадку, моделювання буде утруднено.

- - КСГ дає недостатньо важливої інформації. Наприклад, для візуалізації, яка вимагає тріангуляції.

2) Граничне подання - метод подання об'ємної форми шляхом опису її кордонів. Тривимірне тіло представляється набором пов'язаних один з одним поверхонь, які задають кордон між репрезентованою тілом і іншим простором.

а) Граничне подання за допомогою граней. Поверхні тривимірних об'єктів діляться на окремі плоскі трикутники. Коли поверхні розбиті на трикутники, об'єкти можуть бути описані як список трикутників. Хоча такий метод і дозволяє точно і явно описати об'єкт, він все ж є неточним, трикутники повинні бути дуже маленькими, щоб точно описати модель. Перевага методу - простота візуалізації, існуючі графічні бібліотеки з апаратним прискоренням дозволяють легко малювати на екрані подібні об'єкти.

б) Граничне подання за допомогою параметричних поверхонь. Замість трикутників для опису граней використовуються параметричні поверхні. Даний метод широко використовується для представлення транспортних засобів (машин, літаків, кораблів). Його перевага в порівнянні з поданням трикутниками є можливість точного опису гладких поверхонь.

6. Побудова моделі приміщення.

Вікно редактора представляє з себе набір з чотирьох видових проекцій в центрі вікна і панелі інструментів праворуч. Спочатку на екрані є лише будівельний елемент у вигляді паралелепіпеда, який можна пересувати і змінювати. Основною операцією для створення приміщень є додавання опуклих багатогранників. В якості геометричних примітивів обрані саме опуклі багатогранники, так як їх можна легко об'єднувати. При натисканні на відповідну кнопку на панелі справа на місці будівельного елементу з'являється створений елемент.

Приміщення будується з опуклих багатогранників, щільно прилеглих один до одного (рис. 1). Їх математичне подання - список площин, що описують кожну грань. Площини описані трьома точками з цілими координатами, це дозволяє уникнути проблем з точністю дрібних чисел і переконається в точному розташування площин «по сітці». Всі багатогранники записуються в простий текстовий файл (рис. 2).

Помещение в окне редактора

Рис. 1. Помещение в окне редактора

Зібрані разом багатогранники утворюють замкнуте приміщення. Для візуального представлення з багатогранників шляхом знаходження точок перетину площин будуються багатокутники, які виводяться на екран. Всі невидимі зовнішні поверхні будуть видалені пізніше.

Представление многогранника в файле

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

При трасуванні променів потрібно знаходження перетину багатокутників і променя. З усіх точок перетину необхідно буде вибрати найближчу. Таким чином, для променя буде потрібна перевірка на перетин з кожним багатогранником при кожному віддзеркаленні. Це означає, що разом з ускладненням форми приміщення або його розмірів лінійно зростатиме і час розрахунку. Щоб позбутися такої залежності прийнято будувати спеціальні прискорюють структури, які дозволяють відразу відкинути великі шматки простору при перевірці перетину з променем. Прикладом такої структури може бути двоичное розбиття (рис. 3). В якості розбивають вибираються такі площини, які ділять багатокутники на два приблизно рівних списку. Розбиття проводиться до тих пір, поки кожен вузол дерева чи не стане опуклим.

Пример двоичного дерева

Рис. 3. Зразок двійкового дерева

Детально процес знаходження перетинів описаний в [4].

7. Побудова розподілу поля.

В якості джерела сигналу використовується точка, яка випромінює рівномірно в усі сторони. З точки вибирається випадковий вектор і знаходиться його перетин з приміщенням. Отриманий відрізок і відповідне йому значення напруженості поля зберігається в список. З кінця відрізка дзеркально будується наступний промінь. Відбитий вектор можна побудувати за формулою (вектори одиничні):

, где – падаючий вектор, – нормаль поверхні.

Відбитий промінь повинен мати менше значення напруженості, це враховується за допомогою коефіцієнта відбиття [1]:

, де – кут падіння променя, – відносна діелектрична проникність стіни.

Процес продовжується для необхідної кількості віддзеркалень і променів. Коли розрахунок променів закінчений, будується сітка з роздільною здатністю 100х100х100, кожен відрізок променів додає значення своєї інтенсивності з урахуванням пройденого шляху в фіксований момент часу до тих осередків сітки, через які він проходить. У якості сигнала узятий гармонійний. Отримана сітка виводиться на екран у вигляді точок - чим більше точка, тим більше інтенсивність (рис. 4).

Результат розрахунку

Рис. 4. Результат розрахунку для глибини 1-8
(анимація: 8 кадрів, 7 циклів повторення, 116 кілобайт)

Висновки

Результати розрахунку показують, що дана наближена модель розповсюдження показує досить достовірний результат для простої оцінки оптимальності розташування передавача в приміщенні.

Зауваження. При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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