Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Останнім часом в розвинених державах світу проводиться напружена робота по створенню свіжих високотехнологічних радіопристроїв малого радіусу дії SRD (Short Range Devices), що застосовуються у всіляких пристроях передачі даних, в системах виявлення, охорони і захищеності, системах збору телеметричної інформації, а ще великій кількості приладів різного призначення.

Бездротові SRD використовують неліцензованому спектрі частот 2,4 ГГц, в якому вже працюють всілякі радіотехнічні приладу в промисловості, науці та медицині. Систематичне нарощування щільності розміщення радіоелектронних засобів (РЕЗ) в обмеженому частотному спектрі призводить до різкого нарощування значення викликаються ними перешкод. Досить гостро питання перешкод варто там, де РЕЗ потрібно розміщувати в обмеженому просторі. Як правило, їх кількість може вимірюватися десятками, а відстань між ними варіюватися від метрів до сантиметрів.

Для отримання високої завадостійкості в подібній обстановці в технологіях SRD [3] вжито всі необхідні заходи, наприклад використовуються сигнали з розширенням діапазону методом стрибкоподібної перебудови частоти FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum) по псевдослучайному закону. Крім того, що передані пакети можуть бути захищені з підтримкою завадостійкого кодування, а ще способами, при застосуванні яких пересилання загублених пакетів повторюється автоматично.

Всі стандарти і технології бездротової передачі інформації можуть класифікуватися по ряду різних параметрів. У таблиці 3.1 наведена коротка класифікація найбільш актуальних на даний момент стандартів бездротової передачі інформації.

1. Актуальність теми

Актуальність обраної теми обумовлена тим, що кількість користувачів бездротових систем передачі стає дедалі більше, а ресурси технології бездротового зʼєднання обмежені. Одночасне зростання навантаження на бездротові комунікації і відсутність глобальних можливостей розширення ресурсів бездротових каналів звʼязку вимагає підвищення інформаційної ефективності бездротової системи передачі.

Стандарти 802.11 є сучасним стандартам бездротового звʼязку, забезпечують більшу швидкість передачі даних, задовольняє вимоги всіх сучасних послуг і додатків.

2. Мета і завдання дослідження

Метою дослідження є підвищення інформаційної ефективності стандарту 802,11 за допомогою алгоритму зміни сигнально– кодових конструкцій.

Основні завдання дослідження:

  1. Аналіз параметрів, що впливають на інформаційну ефективність у сучасних бездротових мережах;
  2. Побудувати імітаційну модель для дослідження алгоритму перемикання сигнально– кодових конструкцій в стандартах 802,11;
  3. Ha основі даних дослідження зробити пропозиції щодо поліпшення інформаційної ефективності в стандартах 802.11.

Обʼєкт дослідження : безпровідні мережі на основі стандартів IEEE 802,11

Предмет дослідження: інформаційна ефективність бездротових засобів звʼязку на основі стандартів 802,11.

3.Аналіз технологій обміну даними Bluetooth, WiFi, і ZigBee

Всі стандарти і технології бездротової передачі даних можна класифікувати по ряду формальних параметрів. В таблиці 3.1 приведена Загальна класифікація найбільш актуальних на даний момент стандартів бездротової передачі даних.[1]

Таблиця 3.1  – Загальна класифікація основних стандартів бездротової передачі інформації

Параметри класифікації ZigBee Bluetooth Wi–Fi
Швидкість передачі даних, кбіт/с 250 721 11000/54000
Дальність звʼязку, м 200 класс 1 – 100;
класс 2 – 10;
класс 3 – 1		 100
Споживання струму, active мА/sleep мкА 30/1 70/20 450
Модуляція DSSS FHSS DSSS
Топологія крапка–крапка,
зірка,
дерево		 крапка–крапка,
зірка,
дерево		 крапка–крапка,
зірка,
Частоти, МГц 2400–2483 2400–2483 2412–2484

Існують три технічних параметра, які найчастіше визначають область застосування того або іншого стандарту в конкретному додатку користувача: енергоспоживання (або споживання струму), дальність звʼязку та швидкість передачі даних. За значенням цих параметрів можна умовно виділити наступних лідерів:

3.1 Bluetooth

Стандарт Bluetooth є компромісним з точки зору співвідношення параметрів економічність / дальність / швидкість. За свооєю функціональністю і можливості застосування в різних додатках він має найбільшу кількість перетинів з іншими стандартами групи Short Range RF. Тому для початку Розглянемо саме його.

Основна ідея Bluetooth полягала у створенні універсального, надійного і дуже дешевого радіоінтерфейсу безпроводового доступу. Технологія Bluetooth дозволяє забезпечити пара з різним професійним та побутовим обладнанням в режимах передачі промови, даних та мультимедіа, при цьому гарантується його електромагнітна сумісність з іншим домашнім або офісним обладнанням. Як було зазначено в таблиці, існують лише три класи пристроїв Bluetooth, якщо градіровать їх по випромінюваної потужності: 1–й – до 100 метрів (до 100 мВт); 2–й – до 10 метрів (до 2,5 мВт); 3–й – до 1 метра (до 1 мВт).

Плюси і мінуси

Проаналізувавши сучасний стан технології Bluetooth, можна позначити плюси і мінуси. До переваг стандарту належать:

Основні недоліки:

Галузі застосування

Виходячи з характерних особливостей модулів Bluetooth, сформувалися їх області застосування в Росії і за кордоном:

3.2 Wi–Fi

Стандарт бездротової передачі даних Wi–Fi був створений спеціально для обʼєднання декількох компʼютерів в єдину локальну мережу. Звичайні дротові мережі вимагають прокладки безлічі кабелів через стіни, стелі та перегородки всередині приміщень. Також є певні обмеження на розташування пристроїв в просторі. Безпровідні мережі Wi–Fi позбавлені цих недоліків: можна додавати компʼютери та інші бездротові пристрої з мінімальними фізичними, часовими і матеріальними витратами. Для передачі інформації бездротові пристрої Wi–Fi використовують радіохвилі зі спектру частот, визначених стандартом IEEE 802,11. Існує чотири різновиди стандарту Wi–Fi (табл. 4). 802,11n підтримує роботу відразу в двох частотних діапазонах одночасно на чотири антени. Сумарна швидкість передачі даних при цьому досягається 150–600 Мбіт/с.

Таблиця 3.2 різновиди стандарту Wi–Fi

Стандарт 802.11b 802.11g 802.11a 802.11n
Кількість використовуваних неперекривающіхся радіоканалів 3 3 3 11
Частотний діапазон, ГГц 2,4 2,4 5 2,4/5
Максимальна швидкість передачі даних в радіоканалі, Мбит/с 11 54 54 150–600

Плюси і мінуси

Сформулюємо деякі ключові особливості стандарту Wi–Fi. До його достоїнствам належать:

Основні недоліки:

Галузі застосування

Характерні особливості стандарту Wi–Fi диктують основні галузі його застосування. Це:

3.3 ZigBee

У випадках, коли дальність радіозвʼязку в прямій видимості виявляється недостатньо великий і виникає необхідність її нарощування при збереженні енергоспоживання на низькому рівні, доцільно звернути увагу на стандарт бездротового звʼязку ZigBee. Характерні особливості даного стандарту дозволяють:

Для полегшення процесу розробки та забезпечення максимальної сумісності пристроїв ZigBee різних виробників між собою була розроблена бібліотека ZigBee–кластерів (ZigBee Cluster Library», ZCL). Цей документ вводить поняття стандартних типів пристроїв, стандартних команд для цих пристроїв, набори стандартних атрибутів, діапазони значень цих атрибутів, типи даних для завдання значень атрибутів і т. д. ZCL групує кластери з цільовим призначенням: загального призначення; для роботи з датчиками; для управління освітлювальними пристроями, вентиляцією і т. д. Використання стандартних кластерів для пересилання повідомлень є обовʼязковою вимогою всіх нових специфікацій ZigBee з 2007 р.

Для стандартних типів пристроїв існують стандартні профілі додатки. Специфікація профілю визначає параметри, необхідні для спільної роботи пристроїв у одній мережі. Існує принаймні два основних профілю:

Плюси і мінуси

Виходячи з особливостей стандарту ZigBee, сформулюємо його плюси і мінуси.

Гідності:

Галузі застосування

Основні галузі застосування технології ZigBee:

4. Особливості поширення радіохвиль

Радіохвиля в процесі поширення в просторі займає обсяг у вигляді еліпсоїда обертання з максимальним радіусом у середині прольоту, який називають зоною Френеля. Природничі (земля, пагорби, дерева) і штучні (будівлі, стовпи) перепони, що потрапляють в цей простір, послаблюють сигнал.

Поняття зон Френеля засноване на принципі Гюйгенса, згідно з яким кожна точка середовища, до якої доходить обурення, сама стає джерелом вторинних хвиль, і поле випромінювання може розглядатися як суперпозиція всіх вторинних хвиль. На основі цього принципу можна показати, що обʼєкти, що лежать всередині концентричних кіл, проведених навколо лінії прямої видимості двох трансиверів, можуть впливати на якість як позитивно, так і негативно. Всі перешкоди, що потрапляють всередину першої окружності (першої зони Френеля), мають найбільш негативний вплив. Обчислити її можна за формулою:

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

де r – радіус першої зони Френеля, м;

f – значення частоти обміну, GHz;

D1 і D2 – відстані до перешкоди від передавача і приймача, км.

Наприклад, для радіолінії діапазону 2,4 ГГц при відстані між станціями 1 км радіус першої зони Френеля складе 5,5 м. Тобто вздовж лінії, що зʼєднує приймач і передавач в її середній частині в радіусі 4,4 м (80%) (або хочаб 3,3 м – 60%) не повинно бути предметів, що відображають або розсіюють радіовипромінювання. Тільки забезпечивши цю умову, має сенс говорити про домінування прямого луча та про ослаблення, повʼязаному лише з довжиною radiotrassy. Для порівняння: при протяжності 500 м радіус цієї зони складе всього 3,9 м (80% – 3,2 м), а при відстані 100 м виходячи з цього принципу слід розблокувати зону діаметром всього 2,8 м.

Трохи Докладніше про вплив рослинності. Як правило, уникнути проходу через неї (наприклад, через листя високих дерев) на всій radiotrasse не вдається. В такому випадку, на думку фахівців компанії D-link, необхідно орієнтуватися на наступні оцінки: поглинання 12-20 дБ на одне дерево для листяних порід і до 40 дБ – для групи з одного-трьох хвойних дерев, коли листя знаходиться всередині 60% першої зони Френеля. Основними багатопроменевими ефектами, до яких призводить наявність листяного покриву, є дифракція і розсіювання. Присутність дерев поблизу місця розташування абонента може призвести до завмирання сигналу внаслідок багатопроменевого розповсюдження. Відзначається також, що ефекти останнього сильно залежать від вітру.

Уточнимо також, що навіть в цих порівняно нескладних (див. нижче про поширення радіохвиль у приміщенні) умовах, для того щоб забезпечити оптимальне функціонування WLAN, слід скрупульозно підходити до розрахунку енергетики траси. Причому з посиленням на приймальній стороні важливо як не перебрати (збільшиться рівень перешкод від сторонніх радіозасобів, аж до блокування приймача), так і не недобрати (потенціал радіолінії виявиться недостатнім для стійкої роботи з високими швидкостями).

Особливості поширення радіохвиль в приміщенні

Умови поширення радіохвиль в приміщенні набагато складніший, ніж у вільному просторі.

По-перше, через наявність стін і масивних 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. Металеві стіни і перекриття істотно впливають на дальність, аж до повної неможливості звʼязку. Неоднозначно вплив некапітальних гіпсокартонних стін від низького до дуже високого залежно від конструкції решітки в її основі і в ряді випадків може коливатися при зміні вологості в приміщенні.

По–друге, інтерференційний характер електромагнітного поля всередині приміщень (за рахунок багаторазових відображень від предметів) виражений більш різко. Проявляється це у зменшенні напруженості поля і зміні вихідної площині поляризації хвиль.[2]

Гіф зображення (8 кадрів, 7 циклів, 99 Кбайт)

Рисунок 1 – глибокі завмирання рівня сигналу на 20 дБ і більше, наступні з інтервалами близько половини довжини хвилі, становище яких у просторі залежить від несучої частоти сигналу та розміщення обʼєктів у приміщенні

У більшій частині приміщень можна зіткнутися і з так званими «мертвими зонами», в яких прийом сигналу сильно утруднений. Така ситуація можлива, навіть якщо передавач і приймач знаходяться в прямої видимості. Освіта «мертвих зон» повʼязане з тим, що сигнал слід по шляхах різної довжини, відбиваючись від металевих обʼєктів, таких як сталеві конструкції, бетонні стіни, металеві двері, вікна, стелі і т. д. «Мертва зона» зʼявляється, якщо довжини шляхів поширення ефективно розходяться на непарну кількість півхвиль (рисунок 1). 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 та інших обʼєктів, через які повинен пройти сигнал, і радіочастотний шум від інших пристроїв. Крім цього, рівень сигналу, що приймається антеною в будівлі або поблизу нього, буде змінюватись в часі через руху обʼєктів (відчинення дверей та т. д.) на шляху поширення радіохвиль.

5. Вибір та обґрунтування критеріїв інформаційної ефективності для бездротових засобів звʼязку

Узагальненою характеристикою ефективності систем звʼязку є коефіцієнт використання каналу пропускної здатності (інформаційна ефективність), який характеризує реальну швидкість передачі інформації по відношенню до пропускної здатності каналу звʼязку:

η=Rд/Cн,
 (5.1)

де Rд – продуктивність дискретного каналу, Cн – пропускна здатність безперервного каналу. Інформаційна ефективність η завжди менше одиниці; чим ближче до одиниці, тим досконалішими система. Інформаційна ефективність фактично показує, наскільки повно використовується наявна в пропускна здатність безперервного каналу.[5–7]

Метою є досягнення найкращого інформаційної ефективності бездротових систем передачі на основі перерозподілу ресурсів каналів звʼязку.

В даній роботі критерій максимуму інформаційної ефективності обраний у звʼязку з тим, що якість роботи бездротової системи передачі можна оцінити по таким параметрам, як кількість інформації, що передається в одиницю часу, і достовірність, з якої ця інформація передається. При цьому обовʼязковою умовою є забезпечення необхідної достовірності інформації, що передається поруч з прагненням досягти максимальної продуктивності джерела повідомлень при деяких виділених ресурсах системи передачі і доступної пропускної спроможності каналу передачі.[8–9]

У критерій максимуму інформаційної ефективності закладені кількісні та якісні параметри, на підставі яких можна судити про якість роботи системи.

Використовуються наступні показники ефективності використання ресурсів каналу звʼязку:

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

де Rд – продуктивність, N0 – спектральна щільність потужності білого шуму, Pпри – потужність сигналу в точці прийому. Таким чином, β показує ефективність використання продуктивності по відношенню до енергетичних ресурсів системи передачі. Показник енергетичної ефективності є найважливішим показником систем передачі, де потужність передавача суворо обмежено (наприклад, системи супутникового звʼязку і ін.)[4].

раничні можливості системи передачі інформації можна оцінити за допомогою формули для пропускної здатності гауссовського безперервного каналу звʼязку з смугою частот ΔF:

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

Тут Pc=EbB – середня потужність сигналу: Eb –енергія, яка витрачається на передачу одного біта інформації; B=1/Tb – швидкість передачі інформації джерела;Tb – час передачі джерелом одного біта інформації; Pш=N0ΔF – середня потужність шуму в смузі частот.

В реальних засобах електрозвʼязку швидкість передачі інформації B  [біт/с], менше пропускної здатності безперервного каналу: B≤C. Можна показати, що після елементарних перетворень цю нерівність приводиться до вигляду:

\[ β≤\frac{γ}{2^γ-1} \] (5.5)

где

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

Тоді інформаційна ефективність для гауссовского безперервного каналу може бути знайдена за формулою:

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

тим самим представляючи собою узагальнений показник ефективності бездротової системи передачі.

Висновки

Таким чином, обґрунтовано доцільність дослідження інформаційної ефективності бездротових засобів звʼязку в цілому і безпосередньо на основі стандартів 802,11 були розглянуті характеристики бездротових мереж, що надають їм перевагу перед дротовими, серед яких головною є можливість швидкої інсталяції мережі без витрат на ведучу структуру.

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2020 р. повний текст роботи та матеріали за теми можуть бути отримані у автора після певної дати.

Перелік посилань

  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.