ВВЕРХ
English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Сегодня происходит постепенное внедрение технологии 5G в сети мобильной сотовой связи. Это позволяет увеличить скорость передачи данных до 10 Гбит/с, надежность подключения, а также плотность числа подключенных устройств, что достигается за счет многоканальности и увеличения несущих радиочастот до десятков ГГц. Сети 5G работают на частотах ниже 6 ГГц и в миллиметровом диапазоне свыше 24ГГц вплоть до 100ГГц. Они должны гарантировано обеспечивать достаточную пропускную способность для передачи большого объема данных. Технология Free Space Optics или атмосферные оптические линии связи (АОЛС) является технологией передачи волн в оптическом диапазоне в безволоконной среде, то есть через атмосферу или даже вакуум.

Для организации сети 5G по технологии FSO используются полностью оптические системы, позволяющие применять различные механизмы модуляции на стороне передатчика и распознавания на стороне приемника. Как следствие, описанная технология становится популярной для передачи данных в беспроводном режиме. В ней используется свет как носитель информации между передатчиком и приемником в полнодуплексном режиме. Преимущество систем АОЛС заключается в том, что они обеспечивают высокую безопасность, поскольку угол расходимости световых лучей, достаточно мал (менее 0,5 градуса). Это делает ее достаточно защищенной, так как перехватить такой сигнал довольно сложно. Такое решение позволяет организовать сеть с высокой пропускной способностью, а также сделать сеть более долговечной и устойчивой к различным природным условиям (особенно туман и различные виды осадков) [1].

К недостаткам представленной технологии можно отнести значительное влияние остаточных явлений после штормов, приводящих к высокой частоте битовых ошибок и увеличению вектора ошибок. Остаточное штормовое состояние представляет собой размытие уровня на исследуемой частоте (21-29 ГГц).

АОЛС обеспечивают более высокую пропускную способность передачи данных и улучшенное значение частоты битовых ошибок в результате незначительного влияния многолучевости и размытия. По результатам воспроизведения обнаружено, что система АОЛС имеет прирост производительности на 62% по сравнению с РЧ для достижения частоты битовых ошибок 10-5. Существует несколько гибридных моделей передачи по оптическим беспроводным линиям связи. Соединения АОЛС зависят от различных климатических воздействий, снижающих доступность соединения. Использование гибридной системы, состоящей из АОЛС соединения и резервного интерфейса, в гигогерцовом диапазоне обеспечивает высокую доступность, а также практически одинаковую скорость передачи данных [2].

Текущее направление имеет следующие проблемы исследования:

Следовательно, из вышесказанного целью работы является поиск эффективной модели для внедрения атмосферных оптических линий связи в технологию 5G. Для достижения этой цели необходимо выполнить ряд следующих задач:

1. Анализ предложенных решений

В 2019 году была предложена многоуровневая структура миллиметровых ячеек, где процесс, протекающий в крупных базовых станциях, работающие в диапазоне ниже 6 ГГц принимают как пуассоновского точечного процесса, а в базовых станциях с небольшими ячейками, работающих на миллиметровых волнах или частоте ниже 6 ГГц, принимают как неоднородный пуассоновский процесс.

В 2015 году предложена общая система оценки быстродействия систем сотовой связи с использованием миллиметровых волн. С использованием метода Line-of-sight (LOS) области базовых станций LOS и не-LOS определяются в виде двух автономных неоднородных точек Пуассона. В свете предложенной системы были определены соотношения сигнала к колебаниям и сопротивлению. Миллиметровые волны и скорость анализируются как составляющие геометрии приемного провода и базовой станции. Результаты показывают, что мощные системы на миллиметровых волнах могут обеспечить передачу большого количества данных и гораздо более высокую скорость передачи информации, чем обычные ячейки. В результате текущего исследования была выведена рекомендация о том, что при подборе размера ячейки необходимо учитывать ее территориальное расположение для достижения идеального SINR (Signal to Interference Noise Ratio, то есть для достижения идеального отношения полезного сигнала к помехам) [3].

В 2017 году предложен метод определения необходимого количества длин волн и размера хранилища при больших объемах передаваемых данных. Реализация протокола автоматического повторного запроса позволила обеспечить полосу пропускания в 10 Гбит/с с миллисекундной задержкой передаваемых пакетов. Передача данных по восходящему каналу 5G требует высокой пропускной способности и гибрида РЧ/АОЛС для обеспечения связи в гигабитном диапазоне. Погодные условия влияют на РЧ, АОЛС, МВ соединения. В высокую облачность, при доступности гибридного соединения, передача больших объемов данных доступна для ограниченных периодов и в неполной мере. Однако, на высоте 17-22 км частота битовых ошибок достигает значения меньше, чем 10-3 и может использоваться для передачи данных чувствительных к задержкам [4].

Исследование для передачи данных по восходящему каналу (АОЛС/оптика) показали, что при использовании идеального оптоволоконного канала с нормальной мощностью, достигается скорость более 1.5 Гбит/с. При идеальных условиях и использовании миллиметрового радиочастотного доступа на 50%.

Гибрид (АОЛС/МВ) предлагается использовать для каждого удаленного радиоблока с целью подключения к централизованной сети радиодоступа, разработанной для нестабильных ситуаций, возникающих в час пик, либо для быстрого получения информации в реальном времени с высокой надежностью. Такая организация является перспективной, она может соответствовать требованиям предъявляемых к системам прямой передачи в 5G. Также данный гибрид может использоваться в плохих климатических условиях и обеспечивать необходимое качество [5].

Инновации 5G предлагают улучшенный характер администрирования с высокой скоростью передачи информации, для этого необходима реализация концепции IoT. Так как подключения 5G в IoT является актуальным, предлагается модернизация включения с использованием технологии FSO, то есть усовершенствованная система быстрого подключения к сети АОЛС на большие расстояния для использования 5G. Текущая модель показывает высокий уровень производительности при различных климатических условиях [6].

В 2019 году реализована двунаправленная оптическая координация безволоконного пространства на основе мультиплексирования с разделением по поляризации. Для передачи данных разработана система АОЛС со скоростью 128 Гбит/с для нисходящего и 10 Гбит/с для восходящего каналов. Внедрена технология 5G в управляемой и неуправляемой среде оптической беспроводной связи. Частота передачи по оптической линии связи в микроволновом диапазоне составляет от 3 ГГц до 30 ГГц. Различные станции атмосферных оптических линий АОЛС работают на скорости 5G. Коэффициент качества и максимальное разделение передачи при разумной мощности передатчика достигаются с помощью отдельных каналов [7-8].

Одной из перспективных гибридных моделей для сети 5G является РЧ/АОЛС. Как передатчик, так и приемник оперируют двумя способами: основной интерфейс в радиочастотном исполнении в варианте канала Вейбулла, а последующие подключения осуществляются в соответствии с технологией АОЛС. Оба сигнала соединяются в коллекторе с использованием метода максимального комбинирования коэффициентов, происходит восстановление функции формирования момента общего отношения сигнал/шум. Новая система передачи данных АОЛС на основе мультиплексирования с разделением по модам MDM, использующую технологию манипуляции сдвигом поляризации PolSK для расширения предела передачи данных в пределах данной системы до дальности передачи АОЛС в 90 км при ясных погодных условиях. Такая система показывает лучшие результаты в различных климатических условиях. Также можно усилить системы АОЛС с помощью радиочастотных соединений частотой 40 ГГц, чтобы обеспечить доступность, близкую к транспортному классу.

Ряд исследований системы WDM/АОЛС показал, что при ясных погодных условиях на линии протяженностью 180 км со скоростью передачи 2,5Гбит/с передача производится эффективно. Однако, при изменении параметров линии или наличии сильной облачности, ливней различной интенсивности, стоит изменить протяженность линии АОЛС.

В вышеперечисленных условиях можно использовать системы передачи данных RoFSO на основе OFDM со скоростью 40 Гбит/с и 80 ГГц путем объединения MDM двух режимов Эрмита-Гаусса (HG01 и HG03). Суть данного объединения состоит в том, что, два автономных радиосигнала частотой 40 ГГц, каждый из которых оптически сбалансирован со скоростью 20 Гбит/с, передаются по каналу свободного пространства под воздействием динамических климатических условий и расширяющейся точки уникальности.

Сочетание инноваций в области OWC и оптического волокна позволяет улучшить характеристики АОЛС следующим образом. OWC использует инфракрасный свет для передачи сообщений от отправителя к получателю. OWC - это решение проблемы «последней мили», по большей части в перенаселенных городских зонах. С другой стороны, оптическое волокно также выполняет значительную роль в системе оптической связи из-за его исключительно низкого уровня помех (0,2 дБ/км), малого веса и высокой пропускной способности [9].

Одним из решений является конструирование и изготовление радиопровода, который обладает высокой пропускной способностью при передаче данных на миллиметровых волнах, стабильным излучением и улучшенным коэффициентом отражения на частоте 28 ГГц для решений задач сетей 5G. Для проектирования и создания предлагаемого приемного устройства использована печатная плата FR-4, имеющая меньший размер (5,5x4,35) мм2, диэлектрическую проницаемость 4,4, толщину 1,6 мм и отклонение от нормы 0,002. Предлагаемая схема была спланирована и воспроизведена с использованием тестовой системы высокочастотного структурного симулятора (High-Frequency Structure Simulation), которая зависит от стратегии использования ограниченных компонентов. Частота передачи данных с полным сопротивлением, обеспечиваемая планируемым приемным проводом, составляет около 4,10 ГГц (25,8 ГГц–29,9 ГГц) [10].

В 2018 году была предложена схема предварительной настройки оборудования, включающую в себя один усилитель мощности и каскад RC-канала с повторением высоких частот для повышения полосы пропускания. Используя предложенную схему предварительного выделения, можно достичь пропускной способности передачи данных в 3 дБ при оптическом удаленном соединении в диапазоне от 225 до 942 МГц (в отличие от 289-469 МГц без схемы предварительного выделения). Экспериментальные данные показали, что при оптической силе на 2,5 дБ - BER 2x10-3 и 3,6 дБ при BER 1x10-9, обеспечивается скорость передачи информации в 1,244 Гбит/с [11].

2. Цель и задачи исследования

Основываясь на представленной выше информации можно сформулировать цель квалификационной работы как: поиск эффективной модели для внедрения атмосферных оптических линий связи в технологию 5G. Чтобы достичь поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

Выводы

Таким образом был проведен анализ предложенных решений по внедрению технологии АОЛС в сети 5G. Для проведения таких мероприятий необходимо задействовать гибридные системы, среди которых: РЧ/АОЛС; АОЛС/оптика; АОЛС/МВ; двунаправленная оптическая координация безволоконного пространства на основе мультиплексирования с разделением по поляризации; система передачи данных АОЛС на основе мультиплексирования с разделением по модам использующую технологию манипуляции сдвигом поляризации; WDM/АОЛС; система передачи данных RoFSO на основе OFDM; АОЛС/OWC.

Внедрение технологии АОЛС для повышения производительности сети 5G на данный момент является достаточно нетривиальной задачей, требующей определенных технологических, технических и экономических затрат. Исследования в данной области показывают, что использование гибридных моделей систем АОЛС позволят организовать сеть 5G с более высокой надежностью и пропускной способностью. Т.о., объединение АОЛС и 5G потенциально может обеспечить предоставление высокоскоростных и надежных услуг связи в регионах, где традиционная инфраструктура проводной или беспроводной связи недоступна или непрактична. Такая интеграция потенциально может обеспечить широкополосные каналы связи между базовыми станциями, восходящими линиями и даже конечными пользователями.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2025 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Abou-Rjeily .C, Kaddoum .G and Karagiannidis .G. K, Ground-to-air FSO communications: When high data rate communication meets efficient energy harvesting with simple designs, Optics Express, 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://doi.org/10.1364/oe.27.034079 - Загл. с экрана
  2. Зеленюк, Ю.И. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи [Текст]/ Ю.И. Зеленюк, И.В. Огнев, С.Ю. Поляков, С.Е. Широбакин – Вестник связи №4. 2002.
  3. Alkholidi .A. G and Altowij .K. S (2014), Free space optical communications — Theory and practices, Contemporary Issues in Wireless Communications. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://doi.org/10.5772/58884 - Загл. с экрана
  4. H.Kaushal, G.Kaddoum, " Free Space Optical Communication: Challenges and Mitigation Techniques", arXiv:1506.04836, 2015. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://arxiv.org/pdf/1506.04836 - Загл. с экрана
  5. Al-Ogaili .F and Shubair .R. M , Millimeter-wave mobile communications for 5G: Challenges and opportunities, 2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://doi.org/10.1109/aps.2016.7696210 - Загл. с экрана
  6. Deep Singh .K and Sood .S. K, 5G ready optical fogassisted cyber-physical system for IoT applications, IET Cyber-Physical Systems: Theory and Applications, 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://doi.org/10.1049/iet-cps.2019.0037 - Загл. с экрана
  7. Коваль, С. А. Анализ возможностей организации связи в полевом районе с помощью атмосферных оптических линий связи / С. А. Коваль, В. А. Горжий, А. С. Пульнев. -Технические науки: традиции и инновации: материалы I Междунар. науч. конф. (г. Челябинск, январь 2012 г.). — Челябинск : Два комсомольца, 2012. — С. 17-20. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://moluch.ru/conf/tech/archive/6/1529/
  8. Гребнев А. К. и др. Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев; Под. ред. Ю.В. Гуляева. - М.: Радио и связь, 1998. -336 с.: ил. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.elec.ru/files/2020/02/06/___A.K.Grebnev__V.N.Gridin._Optoyelektronnuee.PDF
  9. Mutamed Khatib Contemporary issues in wireless communications, 2014 [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://s3.us-east-1.amazonaws.com/
  10. В.О. Тихвинский, С.В. Терентьев,В.А. Коваль, Е.Е. Девяткин Развитие сетей мобильной связи от 5G Advanced к 6G: проекты, технологии, архитектура 2 изд., дополненное [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.technosphera.ru/files/book_pdf/0/book_702_969.pdf
  11. Скляров О. К Волоконно-оптические сети и системы связи: Учебное пособие. — 3-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2016. — 268 с.: ил. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://vk.com/doc9221513