Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В последнее время в развитых государствах мира проводится напряженная работа по созданию свежих сверхтехнологичных радиоустройств малого радиуса действия SRD (Short Range Devices), применяющихся во всевозможных устройствах передачи данных, в системах обнаружения, охраны и защищенности, системах сбора телеметрической информации, а еще большом количестве приборов разного предназначения.

Беспроводные SRD используют нелицензируемый спектре частот 2,4 ГГц, в котором уже работают всевозможные радиотехнические прибора в промышленности, науке и медицине. Систематическое наращивание плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) в ограниченном частотном спектре приводит к резкому наращиванию значения вызываемых ими помех. Довольно остро вопрос помех стоит там, где РЭС обязаны располагаться в ограниченном пространстве. Как правило, их количество может измеряться десятками, а расстояние меж ними варьироваться от метров до сантиметров.

Для получения высокой помехоустойчивости в подобной обстановке в технологиях SRD [3] предприняты всевозможные меры, к примеру используются сигналы с расширением диапазона методом скачкообразной перестройки частоты FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum) по псевдослучайному закону. Не считая того, что передаваемые пакеты имеют все шансы быть защищены с поддержкой помехоустойчивого кодирования, а еще способами, при применении которых пересылка утерянных пакетов повторяется автоматически.

Все стандарты и технологии беспроводной передачи информации могут классифицироваться по ряду различных параметров. В таблице 3.1 приведена краткая классификация наиболее актуальных на данный момент стандартов беспроводной передачи информации.

1. Актуальность темы

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что количество пользователей беспроводных систем передачи постоянно растет, а ресурсы технологии беспроводного соединения ограничены. Одновременный рост нагрузки на беспроводные коммуникации и отсутствие глобальных возможностей расширения ресурсов беспроводных каналов связи требует повышения информационной эффективности беспроводной системы передачи.

Стандарты 802.11 является современным стандартам беспроводной связи, обеспечивают большую скорость передачи данных, удовлетворяет требования всех современных услуг и приложений.

2. Цель и задачи исследования

Целью исследования является повышение информационной эффективности стандарта 802.11 с помощью алгоритма изменения сигнально–кодовых конструкций.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ параметров, влияющих на информационную эффективность в современных беспроводных сетях;
  2. Построить имитационную модель для исследования алгоритма переключения сигнально–кодовых конструкций в стандартах 802.11;
  3. На основе данных исследования сделать предложения по улучшению информационной эффективности в стандартах 802.11.

Объект исследования: беспроводные сети на основе стандартов IEEE 802.11

Предмет исследования: информационная эффективность беспроводных средств связи на основе стандартов 802.11.

3. Анализ технологий обмена данными Bluetooth, WiFi, и ZigBee

Все стандарты и технологии беспроводной передачи данных могут быть классифицированы по ряду формальных параметров. В таблице 3.1 приведена общая классификация наиболее актуальных на данный момент стандартов беспроводной передачи данных.[1]

Таблица 3.1  – Общая классификация основных стандартов беспроводной передачи информации

Параметры классификации ZigBee Bluetooth Wi–Fi
Скорость передачи данных, кбит/с 250 721 11000/54000
Дальность связи, м 200 класс 1 – 100;
класс 2 – 10;
класс 3 – 1		 100
Потребление тока, active мА/sleep мкА 30/1 70/20 450
Модуляция DSSS FHSS DSSS
Топология точка–точка,
звезда,
дерево		 точка–точка,
звезда,
дерево		 точка–точка,
звезда,
Частоты, МГц 2400–2483 2400–2483 2412–2484

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:

3.1 Bluetooth

Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность/дальность/скорость. По своей функциональности и возможности применения в различных приложениях он имеет наибольшее число пересечений с другими стандартами группы Short Range RF. Поэтому для начала рассмотрим именно его.

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

Проанализировав современное состояние технологии Bluetooth, можно обозначить плюсы и минусы. К достоинствам стандарта относятся:

Основные недостатки:

Области применения

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения в России и за рубежом:

3.2 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. 4). 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 3.2 Разновидности стандарта Wi–Fi

Стандарт 802.11b 802.11g 802.11a 802.11n
Количество используемых неперекрывающихся радиоканалов 3 3 3 11
Частотный диапазон, ГГц 2,4 2,4 5 2,4/5
Максимальная скорость передачи данных в радиоканале, Мбит/с 11 54 54 150–600

Плюсы и минусы

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

Основные недостатки:

Области применения

Характерные особенности стандарта Wi–Fi диктуют основные области его применения. Это:

3.3 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:

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:

Плюсы и минусы

Исходя из особенностей стандарта ZigBee, сформулируем его плюсы и минусы.

Достоинства:

Области применения

Основные области применения технологии ZigBee:

4. Особенности распространения радиоволн

Радиоволна в процессе распространения в пространстве занимает объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля. Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал.

Понятие зон Френеля основано на принципе Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой доходит возмущение, сама становится источником вторичных волн, и поле излучения может рассматриваться как суперпозиция всех вторичных волн. На основе этого принципа можно показать, что объекты, лежащие внутри концентрических окружностей, проведенных вокруг линии прямой видимости двух трансиверов, могут влиять на качество как положительно, так и отрицательно. Все препятствия, попадающие внутрь первой окружности (первой зоны Френеля), оказывают наиболее негативное влияние. Вычислить ее можно по формуле:

\[ r=17,3\sqrt{\frac{1}{f}\frac{D_{1}D_{2}}{D_{1}+D_{2}}} \] (4.1)

где r – радиус первой зоны Френеля, м;

f – значение частоты обмена, GHz;

D1 и D2 – расстояния до препятствия от передатчика и приемника, км.

Например, для радиолинии диапазона 2,4 ГГц при расстоянии между станциями 1 км радиус первой зоны Френеля составит 5,5 м. То есть вдоль линии, соединяющей приемник и передатчик в ее средней части в радиусе 4,4 м (80%) (или хотя бы 3,3 м – 60%) не должно быть предметов, отражающих или рассеивающих радиоизлучение. Только обеспечив это условие, имеет смысл говорить о доминировании прямого луча и об ослаблении, связанном лишь с длиной радиотрассы. Для сравнения: при протяженности 500 м радиус этой зоны составит всего 3,9 м (80% – 3,2 м), а при расстоянии 100 м исходя из этого принципа следует разблокировать зону диаметром всего 2,8 м.

Немного подробнее о влиянии растительности. Как правило, избежать прохода через нее (например, через листву высоких деревьев) на всей радиотрассе не удается. В таком случае, по мнению специалистов компании D–link, необходимо ориентироваться на следующие оценки: поглощение 12–20 дБ на одно дерево для лиственных пород и до 40 дБ – для группы из одного–трех хвойных деревьев, когда листва находится внутри 60% первой зоны Френеля. Основными многолучевыми эффектами, к которым приводит наличие лиственного покрова, являются дифракция и рассеяние. Присутствие деревьев вблизи месторасположения абонента может привести к замиранию сигнала вследствие многолучевого распространения. Отмечается также, что эффекты последнего сильно зависят от ветра.

Уточним также, что даже в этих сравнительно несложных (см. ниже о распространении радиоволн в помещении) условиях, для того чтобы обеспечить оптимальное функционирование WLAN, следует скрупулезно подходить к расчету энергетики трассы. Причем с усилением на приемной стороне важно как не перебрать (увеличится уровень помех от посторонних радиосредств, вплоть до блокирования приемника), так и не недобрать (потенциал радиолинии окажется недостаточным для устойчивой работы с высокими скоростями).

Особенности распространения радиоволн в помещении

Условия распространения радиоволн в помещении намного сложнее, чем в свободном пространстве.

Во–первых, из–за наличия стен и массивных 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. Металлические стены и перекрытия существенно влияют на дальность, вплоть до полной невозможности связи. Неоднозначно влияние некапитальных гипсокартонных стен – от низкого до очень высокого в зависимости от конструкции решетки в ее основе – и в ряде случаев может колебаться при изменении влажности в помещении.

Во–вторых, интерференционный характер электромагнитного поля внутри помещений (за счет многократных отражений от предметов) выражен более резко. Проявляется это в уменьшении напряженности поля и изменении исходной плоскости поляризации волн.[2]

Гиф изображение (8 кадров, 7 циклов, 99 Кбайт)

Рисунок 1 – Глубокие замирания уровня сигнала на 20 дБ и более, следующие с интервалами около половины длины волны, положение которых в пространстве зависит от несущей частоты сигнала и размещения объектов в помещении[2]

В большей части помещений можно столкнуться и с так называемыми «мертвыми зонами», в которых прием сигнала сильно затруднен. Такая ситуация возможна, даже если передатчик и приемник находятся в прямой видимости. Образование «мертвых зон» связано с тем, что сигнал следует по путям разной длины, отражаясь от металлических объектов, таких как стальные конструкции, бетонные стены, металлические двери, окна, потолки и т. д. «Мертвая зона» появляется, если длины путей распространения эффективно расходятся на нечетное количество полуволн (рисунок 1). 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 вблизи него, будет изменяться во времени из–за движения объектов (открывания дверей и т. д.) на пути распространения радиоволн.

5. Выбор и обоснование критериев информационной эффективности для беспроводных средств связи

Обобщенной характеристикой эффективности систем связи является коэффициент использования канала пропускной способности (информационная эффективность), который характеризует реальную скорость передачи информации по отношению к пропускной способности канала связи:

η=Rд/Cн,
 (5.1)

где Rд – производительность дискретного канала, Cн – пропускная способность непрерывного канала. Информационная эффективность η всегда меньше единицы; чем ближе к единице, тем совершеннее система. Информационная эффективность фактически показывает, насколько полно используется имеющаяся в распоряжении пропускная способность непрерывного канала.[5–7]

Целью является достижение наилучшего информационной эффективности беспроводных систем передачи на основе перераспределения ресурсов каналов связи.

В данной работе критерий максимума информационной эффективности выбран в связи с тем, что качество работы беспроводной системы передачи можно оценить по таким параметрам, как количество информации, передаваемой в единицу времени, и достоверность, с которой эта информация передается. При этом обязательным условием является обеспечение необходимой достоверности информации, передаваемой рядом со стремлением достичь максимальной производительности источника сообщений при некоторых выделенных ресурсах системы передачи и доступной пропускной способности канала передачи.[8–9]

В критерий максимума информационной эффективности заложены количественные и качественные параметры, на основании которых можно судить о качестве работы системы.

Используются следующие показатели эффективности использования ресурсов канала связи:

\[ β=\frac{R_д}{α}=\frac{R_д}{P_{прм}/N_0} \] (5.3)

где Rд – производительность N0 – спектральная плотность мощности белого шума, Pпри – мощность сигнала в точке приема. Таким образом, β показывает эффективность использования производительности по отношению к энергетическим ресурсам системы передачи. Показатель энергетической эффективности является важнейшим показателем систем передачи, где мощность передатчика строго ограничена (например, системы спутниковой связи и др.)[4].

Граничные возможности системы передачи информации можно оценить с помощью формулы для пропускной способности гауссовського непрерывного канала связи с полосой частот ΔF:

\[ C=ΔFlog_2(1+\frac{P_с}{P_ш}) \] (5.4)

Здесь Pc=EbB – средняя мощность сигнала: Eb – энергия, которая тратится на передачу одного бита информации;B=1/Tb–скорость передачи информации источника;Tb – время передачи источником одного бита информации; Pш=N0ΔF – средняя мощность шума в полосе частот.

В реальных средствах электросвязи скорость передачи информации B [Бит/с], меньше пропускной способности непрерывного канала: B≤C. Можно показать, что после элементарных преобразований это неравенство приводится к виду:

\[ β≤\frac{γ}{2^γ-1} \] (5.5)

где

\[ β=\frac{1}{h^{2}_3}=\frac{N_0}{E_b} \] (5.6)

Тогда информационная эффективность для гауссовского непрерывного канала может быть найдена по формуле:

\[ η=\frac{γ}{log_2(\frac{γ}{β}+1)} \] (5.7)

тем самым представляя собой обобщенный показатель эффективности беспроводной системы передачи.

Выводы

Таким образом, обосновано целесообразность исследования информационной эффективности беспроводных средств связи в целом и непосредственно на основе стандартов 802.11 были рассмотрены характеристики беспроводных сетей, предоставляющих им преимущество перед проводными, среди которых главной является возможность быстрой инсталляции сети без затрат на ведущую структуру.

При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена. Окончательное завершение: июнь 2020 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора после указанной даты.

Список источников

  1. Аникин А. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi–Fi) и 434/868 МГц [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://wireless-e.ru/wp-content....
  2. WLAN и практика распространения радиоволн [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://itc.ua/articles/wlan...
  3. Корчагин В. А. Повышение эффективности функционирования беспроводных устройств малого радиуса действия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.dissercat.com/content/povyshenie...
  4. Осипчук С. А. Повышение информационной эффективности беспроводных систем передачи на основе перераспределения ресурсов канала связи: Дис. канд. техн. наук / Осипчук С. А., 2015 – 182 с.
  5. Зюко А. Г. помехоустойчивость и эффективность систем связи /А. Г. Зюко // втором изд., Перераб. и доп. – М.: Связь, 1972. – 360 с.
  6. Shannon C. E. A mathematical Theory of Communication / C. E. Shannon. – The Bell System Technical Journal, vol. 27., 1948. – pp. 379–423, 623–656.
  7. Зюко А. Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи / А. Г. Зюко // 2–е изд., перераб. и доп. – М. : Связь, 1972. – 360 с.
  8. Джим Гейер. Беспроводные сети. Первый шаг: Пер. с англ. – М. : Издательский дом "Вильяме", 2005. – 192 с.: ил. – Парал.тит. англ.
  9. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Т18 Компьютерные сети. 5–е изд. – СПб.: Питер, 2012. – 960 с.: ил.