Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Змiст

Вступ

Останнім часом розвиток суспільства в більшій мірі стикається з проблемами забезпечення безпеки і захисту людини. В Україні такі проблеми, що стосуються людини і навколишнього середовища, ростуть з кожним днем. Такі проблеми вирішуються із залученням сучасних видів технологій та телекомунікаційного обладнання. У зв'язку з цим зростає темп розвитку бездротових мереж в будинках. На нинішній день бездротові технології активно впроваджуються і не поступаються в розвитку іншим технологіям зв'язку. До таких технологій відноситься Wi-Fi.

У містах швидким темпом ростуть висотні будівлі з різними формами будови. Більшість з них становлять кабінети, банки, супермаркети, торговельні центри, які облаштовані різними пристроями і вимагають впровадження новітніх технологій. Але помилкою є вважати, що бездротові технології в процесі свого розвитку цілком витіснять присутність кабельних систем. Бездротові технології мають більшість проблем з проходженням сигналу в висотних приміщеннях різної конструкції. Найбільш складно стоїть питання, передбачення потужності сигналу бездротових систем зв'язку в приміщеннях, в яких з'являються додаткові причини такі як: фіксоване затінення (перегородки), мобільне затінення (люди) і затінення сигналів обладнанням, меблями. Всі перераховані вище труднощі, які оглянуті в даній роботі, говорять про те, як актуальна ця тема.

1. Актуальність теми

В останні роки зросла кількість мереж, що використовують бездротовий зв'язок всередині приміщень. При цьому виникає ряд проблем, пов'язаних з моделюванням перешкод па шляху поширення сигналів, а також у зв'язку з багатопроменевим поширенням сигналів і великою кількістю переотраженій. Актуальность розробки пов'язано не тільки з необхідністю захисту інформації від витоку, але також з необхідністю визначення оптимального місця розташування передавача. Це допомагає вирішити задачу 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 надмірною для простої локальної бездротової мережі в будинку, однак для окремих випадків може показати значно точніший результат у порівнянні з двомірними методами.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою дослідження є оцінка параметрів поширення радіохвиль в будівлях складної форми, а так само на базі експериментів розробити модель загасання всередині приміщення.

Основні завдання дослідження:

  1. Дослідження можливості проходження сигналу в багатоповерхових будівлях з використанням технології Wi-Fi;
  2. Дослідження різних матеріалів конструкції будівлі і аналіз проходження сигналу через них;
  3. Створення моделі поширення радіохвиль з іспольнованіем трасування променів;
  4. Наочне представлення результатів моделювання;
  5. Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними.

Об'єкт дослідження : локальна бездротова мережа.

Предмет дослідження : об'єднання методів розрахунку поширення радіохвиль.

3. Огляд досліджень і розробок

В роботі [6] запропонована двомірна модель многолучевого каналу поширення дециметрових хвиль в будівлях. В основі моделі лежать методи геометричної оптики, що передбачає детерміноване 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 [7] пропонується використання трасування променів для знаходження обрости тіні від елементів конструкцій будівель також на основі методів геометричної оптики. Розрахунок же поля в потрібній точці проводиться за допомогою дзеркальних відображень джерела сигналу. В роботі проведено порівняння розподілів ослаблення сигналів, розрахованих різними способами.

В роботі [6] 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 [7] описується аналітичний метод визначення видимості і наводиться його реалізація на мові С. Сам процес трасування променів для довічних дерев описується в статті [7], в якості структурних елементів будови використовуються опуклі багатогранники.

4.Поширення радіохвиль

ВЧ генератор є джерелом радіохвилі, де енергія поширюється через антену в простір. На поширення сигналу перешкоди роблять величезний вплив, які мають властивість відображення. Перешкоди можуть бути штучні і природні. Хвилі відбиваються від поверхні землі і за рахунок цього відбуваються такі явища як: дифракція, розсіювання, заломлення [1].

Природні перешкоди відмінно відображають радіохвилю так як, в їх складі є вода. Варто зазначити, що вода бездоганна середовище для переотражения сигналу. Це підтверджується і тим, що одне і те ж обладнання на 70 відсотків ефективніше, ніж на суші. До природних перешкод можна віднести дерева, гори, моря і. т. д. Що стосується штучних перешкод, в головному, це армовані будови і металоконструкції.

4.1 Особливості поширення радіохвиль в приміщенні

Умови розповсюдження радіохвиль в приміщенні складніше, ніж у вільному просторі. По-перше, через наявність стін і великих предметів обстановки. Стіни і перекриття з дерева, синтетичних матеріалів, скла надають низький вплив на поширення радіохвиль, перешкоди з цегли, бетону - середнє, залізобетону і стін з фольгових утеплювачами - висока. Стіни з металу сильно впливають на дальність, навіть до повної неможливості зв'язку. Неоднозначно вплив гіпсокартонних стін - від низького до дуже високого залежно від конструкції решітки в її основі - коливається при зміні вологості в приміщенні.

По-друге, інтерференційний характер електромагнітного поля всередині приміщень (за рахунок безлічі віддзеркалень від предметів) виражений більш різко. Відбувається це в зменшенні напруженості поля і зміні вихідної площини поляризації хвиль [3].

распространение

Малюнок 1 - Поширення сигналу, Wi-Fi роутера, в приміщенні

(анімація: 6 кадрів, 7 циклів повторення, 141 кілобайт)

У більшості приміщень можна зустрітися і з «мертвими зонами», в яких прийом сигналу сильно утруднений. Така ситуація може бути, навіть якщо передавач і приймач знаходяться в прямої видимості. Освіта «мертвих зон» пов'язане з тим, що сигнал йде по шляхах різної довжини, відбиваючись від металевих об'єктів, таких як сталеві конструкції, бетонні стіни, металеві двері, вікна і т. Д. «Мертва зона» з'являється, якщо довжини шляхів поширення ефективно діляться на непарну кількість півхвиль. Але «абсолютно мертві зони» зазвичай дуже локальні і можуть бути усунені невеликим переміщенням антен приймача і / або передавача.

Отже, на дальність роботи впливає безліч фізичних факторів: число стін, перекриттів і інших об'єктів, через які повинен пройти сигнал, і радіочастотний шум від інших пристроїв. Крім цього, рівень сигналу, що приймається антеною в будівлі або біля нього, буде змінюватися в часі через рух об'єктів на шляху поширення радіохвиль [2].

4.2 Вплив будівельних матеріалів, обладнання та меблів на поширення сигналу

Характеристики поширення в приміщенні залежать від відображення від будівельних матеріалів і проникнення сигналу через них. Відбивні характеристики і пропускна здатність матеріалів залежать від комплексної діелектричної проникності матеріалів. Природно, що в моделях прогнозування поширення, що враховують специфіку місця, в якості головної вихідної інформації можуть знадобитися дані про комплексної діелектричної проникності будівельних матеріалів.

5.Трасування променів

В ході проведеної роботи була використана програма - редактор для побудови моделі приміщення, а також програма, яка виробляє розрахунок поширення поля локальної бездротової мережі. Для цього був використаний метод трасування променів від передавача в навколишній простір. При цьому враховується можливість многолучевого поширення сигналів з урахуванням відбиття радіохвиль від елементів конструкції приміщення [5].

Метод трасування можна застосувати тільки для випадку, коли розмір перешкоди істотно більше довжини хвилі моделируемого джерела. Це один з методів геометричної оптики - дослідження оптичних систем шляхом відстеження взаємодії окремих променів з поверхнями. Найпростішим взаємодією є дзеркальне відображення променя. При необхідності крім моделювання відображення, також можна врахувати явище дифракції, проте це надасть несуттєвий вплив на результат [6].

- Загальний принцип

Зазвичай трасування передбачає наступні кроки:

  1. Підготовка. У цьому кроці зменшується кількість поверхонь, які потрібно перевірити на перетину. Наприклад це може бути перевірка на орієнтованість поверхні проти напрямку променя, а також перевірка на перетин з навколишнім складний об'єкт параллелепипедом.
  2. Попереднє вгадування. У цьому необов'язковий крок на основі розташування передавача і джерела вибираються найбільш важливі для розрахунку точки і заносяться в окремий список.
  3. Вибір напрямку. Вибирається наступний промінь для перевірки на перетин. Це може бути випадковий вибір або на основі списку точок, отриманого на попередньому кроці.
  4. Перевірка променя на перетин. Луч перевіряється на перетин, будується його дзеркальне відображення і проводиться необхідну кількість відображень, записуються всі необхідні дані.
  5. Розрахунок поля. Залежно від завдання, дані отримані на попередньому кроці використовуються для відображення кінцевого результату.

    6. - Знаходження перетинів

    Існують такі способи знаходження перетинів з поверхням

    1. Методи з розбиттям.
      • Рекурсивне розбиття навколишнього обсягу. Якщо обсяг, в якому знаходиться поверхню (навколишній обсяг) перетинається з променем, тоді поверхня розбивається і для кожної її частини розраховується навколишній обсяг і процес повторюється до тих пір, поки що перетинається об'єм не виявиться порожнім або поки розміри обсягу не стануть нижче певного значення.
      • Розбиття на трикутники. Поверхні представляються трикутними сітками. Якщо модельований об'єкт вже представлений таким чином, то розбиття не потрібно. Відділення знаходиться на перехресті перевіряється кожен трикутник.
    2. Алгебраїчні та чисельні методи. Якщо поверхню описана рівнянням, то в нього підставляється рівняння променя в параметричних координатах і знаходиться рішення щодо параметра.

    - Просторове розбиття

    Для прискорення трасування, зменшення кількості перевірок на перетин прийнято використовувати розбиття простору на непересічні регіони. Просторове розбиття може бути однорідним, тобто розбиватися на однакові області, і неоднорідним, коли щільність розбиття залежить від кількості об'єктів в даній області простору. Просторове розбиття дозволяє створювати різні ієрархічні структури даних, які використовуються в тестах перетинів.

    Прикладом неоднорідного розбиття є так звані octree-структури. Простір розбивається на вісім кубічних регіонів рекурсивно, поки не буде виконана деяка просте умова, регіони індексуються. Найперший octree називають "world" (світ), найменший з найбільшою глибиною вкладеності - voxel (воксель). Кожен воксель позначається як порожній, заповнений або змішаний (частково заповнений). Octree-структура містить ім'я кожного вокселя (Індекс), прапор розбиття і список об'єктів, які перетинають даний воксель. Цей метод показує гарні результати для сцен з великою кількістю об'єктів, щільність розподілу яких в просторі змінюється. Ще один метод розбиття простору носить назву binary space partitioning (BSP) - бінарне розбиття простору. Це неоднорідне розбиття простору, при якому кожен регіон містить в собі два вкладених, розбиття проводиться площинами. Спочатку все простір розбивається на дві частини деякої площиною, потім кожна нова частина незалежно розбивається ще на дві частини іншої площиною і т.д.

    6. Побудова моделі приміщення.

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

    Приміщення будується з опуклих багатогранників, щільно прилеглих один до одного (рис. 2). Їх математичне уявлення - список площин, що описують кожну грань. Площині описані трьома крапками з цілими координатами, це дозволяє уникнути проблем з точністю дрібних чисел і переконається в точне розташування площин «по сітці». Все багатогранники записуються в простий текстовий файл (мал. 3).

    Мал. 2. Помещение в окне редактора

    Мал. 2. Приміщення в вікні 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.

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

    Мал. 3. Подання багатогранника в файлі. 1 - Три точки описують площину. 2 - Додаткова інформація для візуального представлення

    При трасуванні променів потрібно знаходження перетину багатокутників і променя. З усіх точок перетину необхідно буде вибрати найближчу. Таким чином, для променя буде потрібно перевірка на перетин з кожним многогранником при кожному відображенні. Це означає, що разом з ускладненням форми приміщення або його розмірів лінійно зростатиме і час розрахунку. Щоб позбутися від такої залежності прийнято будувати спеціальні прискорюють структури, які дозволяють відразу відкинути великі шматки простору при перевірці перетину з променем.

    7. Побудова розподіл поля

    Як джерело сигналу використовується точка, яка випромінює рівномірно на всі боки. 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):

    3

    де v - падаючий вектор, n - нормаль поверхні.

    Процес триває для необхідної кількості відображень і променів. Коли розрахунок променів закінчений, будується сітка з дозволом 100х100х100, кожен відрізок променів додає значення своєї інтенсивності з урахуванням пройденого шляху в фіксований момент часу до тих осередків сітки, через які він проходить [5] . Як сигнал узятий гармонійний. Отримана сітка виводиться на екран у вигляді точок - чим більше точка, тим більше інтенсивність (мал. 4).

    Рис. 4. Результаты Расчетов

    Мал. 4. Результати розрахунків

    Висновок

    В ході проведеної роботи були вивчені і розглянуті алгоритми моделювання поширення радіохвиль в приміщенні. Був використаний метод трасування променів від передавача в навколишній простір. При цьому враховувалася можливість багатопроменевого поширення сигналів з урахуванням відбиття радіохвиль від елементів конструкції приміщення. Однак в роботі не були враховані такі моменти:

    • алгоритм розрахунку не враховує проходження радіохвиль крізь стіни приміщення;
    • при розрахунку на проходження радіохвиль впливають тільки конструкції приміщення, але не інші предмети.

    Список джерел

    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 [Електронний ресурс]. Режим доступа: https://ortus.rtu.lv/science/lv/publications/4272;jsessionid=451EC9D108A3C5E8ED2E87815EE674EF/fulltext.pdf
    7. Алгоритм трехмерной трассировки радиоволн локальной беспроводной сети [Електронний ресурс]. Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/algoritm-trehmernoy-trassirovki-radiovoln-lokalnoy-besprovodnoy-seti