Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технических характеристик оборудования беспроводной сети передачи данных автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии 14
1.1. Анализ принципов построения и работы автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии 14
1.2. Анализ топологии беспроводных сетей передачи данных АСКУЭ 21
1.3. Анализ свойств диапазонов радиоспектра и их использования в беспроводных сетях
1.4. Анализ широкополосных технологий DSSS, FHSS стандарта 802.11 (Radio-Ethernet) 29
1.5. Анализ технических характеристик оборудования беспроводных сетей передачи данных 1.5.1. Анализ технических характеристик оборудования Cisco Systems 33
1.5.2. Анализ технических характеристик оборудования Lucent Technolo -gies 38
1.5.3. Анализ технических характеристик оборудования BreezeCom 40
1.6. Анализ оборудования СВЧ тракта диапазона 2,4 ГГЦ 43
1.6.1. Антенны диапазона 2,4 ГГц 43
1.6.2. Антенные усилители 44
1.6.3. Вспомогательное оборудование 46
1.6.4. Пассивное оборудование СВЧ тракта диапазона 2,4 ГГц
1.7. Постановка задачи исследования 51
1.8. Выводы 53
2. Расчет и оптимизация уровней мощности сигналов в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ 57
2.1. Постановка задачи исследования и исходные данные з
2.2. Расчет баланса мощности в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ ...58
2.3. Расчет предельной дальности передачи данных в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ 65
2.4. Расчет высоты подвеса приемопередающих антенн в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ 70
2.5. Расчет суммарного усиления.сигнала в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ 72
2.6. Выводы 82
3. Расчет и оптимизация уровней мощности сигналов в беспроводной сети аскуэ внутри закрытых помещений .85
3.1. Постановка задачи исследования и исходные данные 85
3.2. Принцип организации работы и технические характеристики технологии Bluetooth 86
3.3. Расчет защитного расстояния от блокирования приемных устройств малого радиуса действия 91
3.4. Расчет коэффициентов отражения и преломления при распространении волны внутри помещений 99
3.5. Расчет вероятности принятия ошибочного кадра в условиях сильного переотражения принимаемого сигнала 116
3.6. Выводы 119
4. Экспериментальные исследования оборудования беспроводных сетей в условиях реальной эксплуатации .. 123
4.1. Анализ исходных данных и выбор оптимального варианта построения беспроводной сети компании «ЭФКО» 123
4.2. Экспериментальные исследования построенной беспроводной сети компании «ЭФКО» 126
4.3. Практические рекомендации по выбору антенного оборудования для беспроводных широкополосных систем АСКУЭ 132
4.4. Выводы 138
Заключение 140
Список используемых источников 143
- Анализ широкополосных технологий DSSS, FHSS стандарта 802.11 (Radio-Ethernet)
- Расчет баланса мощности в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ
- Расчет коэффициентов отражения и преломления при распространении волны внутри помещений
- Экспериментальные исследования построенной беспроводной сети компании «ЭФКО»
Анализ широкополосных технологий DSSS, FHSS стандарта 802.11 (Radio-Ethernet)
Важнейшей особенностью использования эфира для коммуникаций является ограниченный ресурс радиоспектра. Эти ограничения определяются с одной стороны, физическими характеристиками различных частотных диапазонов, с другой стороны - потребностями в использовании радиоволн для других целей, в первую очередь для вещания радио- и телепрограмм, а так же для радарного слежения за летящими объектами, как в военной, так и в гражданской авиации. Кроме того, значительная часть радиоспектра зарезервирована под военные и правительственные системы связи, реализуемые, для увеличения их надежности, с чрезвычайной избыточностью.
По физическим характеристикам различие частотных диапазонов заключается из общеизвестного принципа: чем выше частота волны (короче ее длина), тем меньших размеров препятствия она способна огибать, и тем в меньшей степени она способна отражаться от верхних слоев атмосферы.
Первой преградой для прохождения радиоволн является кривизна земной поверхности. Без учета отражения от атмосферы, дальность действия приемопередающего оборудования напрямую зависит от того, на какой высоте от уровня земли смонтированы приемопередающие антенны [33].
Как известно, волны относительно невысоких частот, от нескольких сот килогерц (длинные и средние волны) до нескольких мегагерц (короткие волны), могут многократно отражаться от атмосферы и земной поверхности, распространяясь, таким образом, на тысячи километров. В УКВ - диапазоне (десятки МГц) зона уверенного приема ограничивается прямой видимостью на рельефе, то есть уже необходимо учитывать высоту деревьев, построек и т.д., находящихся в зоне действия приемопередающего оборудования.
В диапазоне между 100...200 МГц перечисленные типы объектов становятся значительным препятствием для зоны уверенного приема. Причем, чем ближе к верхнему краю этого диапазона, тем меньших размеров объекты становятся препятствием. Однако, за счет огибания небольших преград и отражения радиоволн от более крупных препятствий, на некоторой территории, ограниченной вокруг передающего оборудования, может быть осуществлен достаточно уверенный прием.
В диапазоне свыше 2 ГГц распространение радиоволн является практически строго ограниченным прямой видимостью. В диапазоне частот свыше 2 ГГц развертывание мобильных систем связи, кроме спутниковых систем, невозможно, так как при движении абонента связь будет прервана.
Условие прямой видимости это не только серьезное ограничение, но значительное преимущество, заключающееся в возможности независимого использования одних и тех же частот различным передающим оборудованием при условии, что зоны действия этого оборудования не пересекаются. Этот принцип использования частот реализуется во всех сотовых сетях, и в первую очередь в сетях мобильной телефонии [34, 35].
Еще одним дополнительным фактором рационального использования частотного ресурса является применение направленных и секторных антенн. Секторные антенны нашли широкое применение в топологии «точка-многоточка». Они позволяют разбить зону действия передатчиков на сектора, с переиспользованием частотных каналов в несмежных секторах.
Узконаправленные антенны нашли применение в топологии «точка-точка», обеспечивая беспроводной связью два удаленных объекта, например две базовые станции сети. При этом они так фокусируют радиоизлучение, что не «загрязняют» остальной эфир. Теоретически, применение только узконаправленных антенн позволяет безгранично увеличить плотность использования радиоэфира на определенной территории. Однако на практика существуют определенные ограничения, как на плотность размещения абонентов, так и на их количество у одной базовой станции. Анализируя свойства различных диапазонов радиоспектра, следует помнить, что свойства огибать препятствия, проникать через них, отражаться от них или от ионосферы, существенно меняются с изменением частоты. При этом теоретически максимально возможная скорость передач в радиоканале зависит только от ширины канала, а не от участка спектра, в котором он находится.
Согласно межведомственному Государственному Комитету по Радиочастотам (ГКРЧ) в Росси радиочастоты были распределены следующим образом. Диапазоны ниже УКВ отданы для дальнего радиовещания, УКВ-диапазон — для телевизионного и регионального радиовещания, диапазон от 100 Мщ до 2000 Мгц - для мобильной двусторонней голосовой связи (мобильной телефонии). Нижняя часть диапазона мобильной телефонии больше подходит для транкинговых систем, средняя - для сотовых телефонных сетей с полным покрытием территории, а верхняя, ближе к 2 ГГц - для микросотовых сетей большой плотности в крупных городах или мегаполисах.
Диапазон выше 2 ГГц, в котором необходима только прямая видимость и, следовательно, обслуживать мобильных абонентов можно только через спутники, делится между различными спутниковыми системами (как для фиксированной, так и для мобильной связи) и наземными системами скоростной передачи данных.
В настоящее время в диапазоне частот 2,1...2,3 ГГц на территории России развернут целый ряд радиоэлектронных средств, главным образом радиорелейных систем, а также систем абонентского радиодоступа. Диапазон частот 2,3065...2,4815 ГГц в Российской Федерации является основным при разворачивании систем абонентского радиодоступа. Развернуто множество сетей с использованием технологии Radio-Ethernet различных производителей таких как: Lucent Technologies, Cisco Systems, BreezeCom и др., работающих в диапазоне 2,4...2,4835 ГГц.
Расчет баланса мощности в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ
Во второй главе разработана методика предварительной оценки реализуемости радиолинии беспроводной сети АСКУЭ, позволяющая рассчитать ее основные параметры, найти наиболее экономичный вариант ее построения в зависимости от состава и технических характеристик планируемого оборудования, а также условий приема передаваемого радиосигнала.
1. Осуществлен расчет баланса мощности в радиолинии беспроводной сети АСКУЭ. Показано, что для нормальной работы системы беспроводной сети АСКУЭ необходимо, чтобы суммарное усиление системы было боль ше, чем суммарное ослабление сигнала. Для обеспечения уверенного прие ма не только в обычных, но и в неблагоприятных метеоусловиях необходи мо иметь некоторый запас по мощности в пределах 10... 15 дБ.
Показано, что наибольшие потери в беспроводной сети АСКУЭ происходят в среде распространения передаваемого сигнала и так называемых кабелях снижения, пролегающих от приемопередающих антенн до приемопередающего оборудования. С увеличением удаленности приемопередающих антенн и суммарной длины кабеля снижения потери сигнала в беспроводной сети АСКУЭ возрастают.
2. Осуществлен расчет предельной дальности передачи данных в ра диолинии беспроводной сети АСКУЭ. Показано, что на предельную даль ность передачи данных в беспроводной сети АСКУЭ большое влияние ока зывает высота подвеса приемопередающих антенн. С увеличением высоты подвеса антенн величина предельной дальности радиолинии беспроводной сети АСКУЭ так же возрастает.
Показано, что достаточным условием возможности радиосвязи в диапазоне 2,4 ГГц является отсутствие препятствий в так называемой первой зоне Френеля. Препятствия, возникающие при распространении радиосигнала в зоне действия радиолинии беспроводной сети АСКУЭ не должны закрывать не только линию визирования, но и эллипсоид Френеля. На практике, как правило, допускается небольшое, в пределах 20 %, перекрытие препятствиями поперечного сечения эллипсоида Френеля.
3. Осуществлен расчет высоты подвеса приемопередающих антенн в беспроводной сети АСКУЭ. Показано, что при установке антенны базовой станции на большой высоте непосредственно вокруг антенны образуется «мертвая зона», при нахождении в которой абонентских станций, связь не возможна. Для устранения такой ситуации необходимо осуществить подъем антенн абонентских станций на высоту, обеспечивающую их попадание в главный лепесток диаграммы направленности базовой станции (в вертикаль ной плоскости).
Показано, что с увеличением диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости возрастает величина максимально допустимого перепада высот установки антенн базовой и абонентской станции, которая растет с увеличением расстояния между ними.
4. Осуществлен расчет суммарного усиления радиосигнала в радиоли нии беспроводной сети АСКУЭ. Показано, что на величину суммарного усиления радиосигнала влияют такие параметры радиолинии как: мощность передатчика, коэффициент усиления передающей антенны, коэффициент усиления приемной антенны, реальная чувствительность приемника, потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемопередающего тракта.
Если в результате расчета полученное усиление для требуемой дальности избыточно, то его можно уменьшить до требуемого значения, выбрав более дешевые антенны с меньшим коэффициентом усиления. Если усиление тракта недостаточно для обеспечения требуемой дальности, то необходимо его увеличить, выбирая антенны с большим коэффициентом усиления, уменьшая длину и, соответственно, затухание коаксиальных кабелей. Если этого оказывается недостаточно, необходимо использование дополнительных усилителей либо ретрансляторов.
5. Осуществлен расчет мощности полезного сигнала в точке приема беспроводной сети АСКУЭ. Показано, что на ее величину влияет не только выходная мощность передающего оборудования сети, коэффициент усиления передающей и приемной антенны, длина волны и дальность передачи, но и дополнительные потери, обусловленные целым комплексом причин, включая ослабление сигнала в соединительных разъемах, потери из-за несовпадения поляризации антенн и т.п. Обычно в расчетах величину дополнительных потерь принимают равной 10 дБ. Кроме того при расчете мощности необходимо учитывать запас помехоустойчивости к внешним помехам, величина которого определяется электромагнитной обстановкой в районе размещения радиолинии, задающейся в пределах 5... 15 дБ.
6. Осуществлен анализ влияния скорости передачи информации на величину мощности радиосигнала на принимаемой стороне. Показано, что с увеличением скорости передачи реальная чувствительность приемного оборудования беспроводной сети АСКУЭ ухудшается, при этом мощность принимаемого радиосигнала падает.
7. Осуществлен анализ влияния уровня помех в тракте на скорость передачи данных. Показано, что наличие помех сильно снижает скорость передачи данных даже при высоком уровне сигнала. Для обеспечения стабильной работы беспроводной сети АСКУЭ в сложной помеховой обстановке необходимо использовать оборудование, обладающее высокой помехоустойчивостью.
Расчет коэффициентов отражения и преломления при распространении волны внутри помещений
При выборе антенно-фидерных устройств (АФУ) часто основываются на широко распространенном, но ошибочном мнении, что чем больше усиление антенны и меньше затухание в кабелях, тем лучше. Для традиционных видов радиосистем это справедливо, но для широкополосных систем CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access protocol with Collision Avoidance) это совсем не так [87].
Обычно системы функционируют в установившемся режиме: передатчик постоянно передает несущую частоту, следовательно, приемник имеет возможность, сформировав сигнал АРУ, установить такой минимальный уровень усиления, чтобы помехи не принимались, а полезный сигнал был бы еще достаточно силен. В этих условиях — чем сильнее полезный сигнал, тем сильнее можно «подавить» помеху.
Для эффективной работы системы с CSMA/CA требуется очень тщательного выбора усиления АФУ. Системы с CSMA/CA находятся в трех основных состояниях - передача пакета, прослушивание эфира, прием пакета от своего корреспондента.
В первом состоянии - чем сильнее передаваемый сигнал, то есть, чем он выше уровня помехи в точке приема, тем меньше вероятность поражения уже отправленного пакета.
Два других состояния для оборудования системы с CSMA/CA технически идентичны. Приемник принимает имеющийся сигнал и в это время не может начать передачу своего пакета, даже если это не сигнал своего корреспондента, а помеха от другого передатчика, работающего где-то близко. Принятие решения приемником «близко или нет» зависит от общей чувствительности приемной системы. В паузе между полезными сигналами при 133 емник вынужден устанавливать максимально возможную чувствительность. Единственным средством заставить приемник не «слышать» помеху - это уменьшить для помехи усиления АФУ. В этом и заключается особенность и противоречие систем CSMA/CA в радиосреде. То есть, чтобы иметь более сильный сигнал при передаче, нужно иметь как можно большее усиление АФУ, а чтобы уменьшить влияние помехи при приеме - нужно снижать усиление АФУ [87].
Последствие поражения передаваемого сигнала в точке приема - потеря пакета, последствие наличия помехи в интервале между пакетами - невозможность передачи, то есть стопор системы. В последнем случае пакеты не теряются, но скорость системы может падать до предельно низких значений. Это значит, что даже если АФУ идеально и мощность передатчика выбрана с запасом, оптимум функционирования системы достигнут не будет, так как не была учтена вторая сторона проблемы. Это в свою очередь, скорее всего, приведет к тому, что скорость передачи будет минимальной.
Для выхода из такой ситуации необходимо идти на компромисс. Усиление АФУ должно быть выбрано таким, чтобы ОСШ было чуть выше уровня, при котором приемное оборудование обеспечивает предельную достоверность приема информации. Запас усиления связан с комплексацией уровня сигнала, вызванного изменением погодных условий, а так же для превышения полезного сигнала над локальной помехой на требуемый для данной системы уровень.
Вторым решением данной проблемы является уменьшение количества помех на входе приемника без изменения общего усиления АФУ. Это можно реализовать несколькими путями. Во-первых, отстроиться от помехи по частоте. Во-вторых, отстроиться по направлению. В-третьих, по поляризации. Лучше все это делать одновременно [87]. Для практической реализации первого решения необходимо: установить антенну с высоким усилением и кабель с большим затуханием. Высо 134 кое усиление антенны связано с сужением ее диаграммы направленности. Чем уже диаграмма направленности, тем меньше направлений, с которых собирается помеха, а, следовательно, меньше ее суммарный уровень и меньше вероятность наткнуться на источник мешающего сигнала. Помеха подавляется, полезный сигнал усиливается. Излишнее усиление нейтрализуется затуханием кабеля.
Учесть разницу ширины диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости можно следующим образом. Как известно, параболические антенны и антенны типа волновой канал имеют маленькую разницу в ширине диаграмм. Некоторые специальные антенны имеют в одной из плоскостей узкую диаграмму направленности, а в другой -широкую. К таким антеннам относится FA-16 - фазированная антенная решетка [88]. В горизонтальной плоскости она имеет ширину диаграммы направленности, сравнимую с соответствующей характеристикой зеркальной параболической 23 дБ антенны, в вертикальной плоскости - значительно больше. Как следствие, эта антенна имеет меньшее усиление (16 дБ) и часто не требует подавления избыточного усиления, имеет меньшие габариты. Учитывая тот факт, что отстройка от помех значительно эффективнее по азимуту (в горизонтальной плоскости), а не по углу места (в вертикальной плоскости), можно эффективно использовать эти свойства антенны FA-16, если не требуется большое усиление. Кроме того, FA-16 не имеет задних и боковых лепестков диаграммы направленности в задней полусфере, что позволяет полностью избавиться от помех с этих направлений и использовать антенны этого типа в непосредственной близости от источников помех. Широкая диаграмма направленности в вертикальной плоскости позволяет избавиться от наведения антенны по углу места [87].
Экспериментальные исследования построенной беспроводной сети компании «ЭФКО»
На представленных графиках введены следующие обозначения: SRD1 - устройства SRD1, 10мВт, узкая полоса, D=100%, внутри помещения; SRD2 - устройства SRD2, 10мВт, аналог, видео, D=100%, внутри помещения; R-LAN1(FHSS) - устройства R-LAN1, 100мВт, FHSS, D=100%, внутри помещения; R-LAN2(DSSS) - устройства R-LAN2, 100мВт, DSSS, D=100%, внутри помещения; Фикс. Доступ — устройства с фиксированным доступом, 100мВт, FHSS, снаружи; RFID(500MBT)15%FHSS - RFID, 500мВт, FHSS, BW=8MTII, D=15%, внутри помещения; RFID(500MBT)100%FHSS - устройства RFID, 500мВт, FHSS, В\=8МГц, D=100%, внутри помещения; RFID(100MBT)100% - устройства RFID, 100мВт, узкая полоса, D=100%, внутри помещения; Доступ 1 - устройства с фиксированным доступом 1, 2x2 Мбит/с MSK, снаружи; Доступ 2 - устройства с фиксированным доступом 2,34 Мбит/с, QPSK, снаружи.
Из представленных зависимостей видно, что в общем случае с увеличением плотности радиоэлектронных систем диапазона 2,45 ГГц вероятность суммарных помех создаваемые как самим устройствам Bluetooth, так и самими устройствами радиоэлектронным системам возрастает. Причем, данная вероятность прямо пропорционально зависит от мощности передающих устройств создающих эти помехи, и обратно пропорционально от мощности устройств, которым эти помехи создаются.
Кроме того, вероятность суммарных интермодуляционных помех напрямую зависит как от величины рабочего цикла передающего оборудования, создающего помехи, так и от величины рабочего цикла устройств, принимающих эти помехи. Чем меньше величина рабочего цикла передающего и приемного оборудования, тем меньше вероятность суммарных помех.
Как уже было отмечено, в беспроводном оборудование АСКУЭ работающем внутри помещений, выбор рабочих частот и мощность передатчика должен удовлетворять условиям, при которых сигнал будет проникать через внутренние перегородки, но не проникать через капитальные стены здания, чтобы не создавать помех радиоэлектронным системам, работающим за пределами здания.
При распространении радиоволн внутри здания волны могут, как отразиться от различных препятствий, так и пройти через эти препятствия. Степень отражения радиоволн определяется коэффициентом отражения, равным отношению комплексных амплитуд напряженности полей падающей и отраженной волн, а степень прохождения волны - коэффициентом преломления, равным отношению комплексных амплитуд напряженности полей падающей и преломленной волн.
Коэффициенты отражения (F) и преломления (f), или как их называют, коэффициенты Френеля, зависят от угла падения волны на объект, материала объекта и поляризации волны.
В табл. 3.4 приведены значения диэлектрической проницаемости и проводимости различных сред, типичных для беспроводной связи, на заданных частотах радиоволн в условиях сухого и влажного климата.
При распространении волн внутри здания, необходимо вычислить значения коэффициентов отражения и преломления от возникающих на их пути препятствий. Как правило, в качестве таких препятствий рассматриваются стены зданий и межкомнатные перегородки, представляющие собой диэлектрики конечной толщины d.
В первой и второй средах имеются падающие и отраженные волны, а за слой проходит только преломленная волна. Отражение волны происходит как от верхней, так и от нижней границ слоя. Волна (1) проходит сквозь слой, преломляясь в нем, отражается от нижней границы слоя и снова выходит наружу по углом (pj. Так как в точке выхода волны будет иметь место другая волна (2), которая отражается от слоя, то эти волны будут складываться. Фаза первой волны будет определяться электрическими свойствами диэлектрика и его толщиной, а фаза второй волны - расстоянием т, которое волна (2) проходит дополнительно до точки выхода волны (1).
В принципе, волна внутри слоя, прежде чем выйти наружу, может отразиться от его границ несколько раз и в какой-либо рассматриваемой точке волны, отраженные от нижней границы слоя 1, 2, 3 и т.д. раз, складываются с волной, отраженной от верхней границы слоя.
Так как при каждом новом отражения волна теряет свою энергию за счет разложения на отраженную и преломленную волну и за счет того, что испытывает дополнительное затухание при прохождении в диэлектрике дополнительное расстояние, то при выводе выражения для коэффициента преломления будем учитывать только две волны (см. рис. 3.10).
