Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Организация сети распределенного сбора данных систем экологического контроля 8
1.1. Система производственного экологического мониторинга 8
1.2.0боснование размеров (площади) зоны защитных мероприятий 10
1.3. Определение перечня общепромышленных загрязнителей 11
1.4. Технические средства контроля общепромышленных загрязнителей для использования в системе производственного экологического мониторинга... 12
1.5. Базовые элементы системы производственного экологического мониторинга в зоне защитных мероприятий 15
1.5.1. Автоматический стационарный пост 15
1.5.2. Передвижная лаборатория контроля качества атмосферного воздуха. 16
1.5.3. Передвижная лаборатория контроля качества воды и почвы 17
1.5.4. Информационно-аналитический центр системы производственного экологического мониторинга 18
1.6. Выводы 19
Глава 2. Анализ и выбор методов беспроводной передачи данных 20
2.1. Современное состояние беспроводной передачи данных в компьютерных сетях 20
2.1.1. Беспроводные ЛВС 21
2.1.2. Технология Bluetooth 23
2.1.3. Сверхширокополосные системы 25
2.1.3.1. Преимущества UWB 27
2.1.4. Новые системы широкополосного доступа 29
2.2. Выбор типа беспроводной сети при построении системы экологического 30
мониторинга
2.2.1. Основные исходные данные для проектирования 31
2.2.2. Классификация основных беспроводных вычислительных сетей 31
2.3. Выводы 35
Глава 3. Принципы построения беспроводной компьютерной сети системы экологического мониторинга 37
3.1. Оценка возможностей Radio Ethernet 37
3.1.1. Стандарт IEEE 802.11и его расширение 802.1 lb 37
3.1.2. Физический уровень 802.11 40
3.1.3. Методы передачи FHSS и DSSS 47
3.1.4. Скорости передачи протокола IEEE 802.11 49
3.1.5. Канальный (Data Link) уровень 802.11 52
3.1.6. Подключение к сети 55
3.1.7. Безопасность сети 56
3.1.8. Безопасность для здоровья 59
3.1.9. Перспективы увеличения скорости стандарта IEEE 802.11 60
3.1.10. Заключение 61
3.2. Надежность функционирования БКС системы экологического мониторинга 63
3.2.1. Защищенность каналов связи 64
3.2.2.. Влияние помех 65
3.2.3.. Проблемы реализации 66
3.3. Основные математические схемы алгоритмов 71
3.3.1. Обобщенный алгоритм функционирования БКС 71
3.3.2. Детерминированная имитационная модель БКС и алгоритм функционирования 71
3.3.3. Марковские случайные процессы 76
3.3.4. Моделирование работы БКС с помощью методов теории массового обслуживания 78
3.3.4.1.Моделирование вередеGPSS 86
3.4. Выводы 89
Глава 4. Структурная и программная реализация БКС 90
4.1. Работа основной сети (Radio-Ethernet) 90
4.1.1 .Основные методы структурной организации сети 90
4.1.2. Алгоритм приема кадра данных в основной сети и подсчета ошибок. 94
4.2. Работа вспомогательной сети (Узкополосная радиосеть) 99
4.2.1 Принципы организации узкополосной радиосети
4.2.2. Организация обмена данными в узкополосной радиосети 100
4.2.2.1. Общие принципы информационного обмена ИАЦ и ПК 100
4.2.2.2. Классификация запросов 102
4.2.2.3. Структура запросов 103
4.2.2.4. Алгоритм работы вспомогательной сети 108
4.2.2.4.1. Алгоритм информационного обмена ИАЦ и ПК 112
4.2.2.4.2. Алгоритм информационного обмена при запросе ПК 118
4.3. Взаимодействие основной и вспомогательной сетей 120
4.3.1. Программа - «Диспетчер беспроводной вычислительной сети» 120
4.4. Выводы 122
Заключение 124
Список использованных источников
- Технические средства контроля общепромышленных загрязнителей для использования в системе производственного экологического мониторинга...
- Сверхширокополосные системы
- Скорости передачи протокола IEEE 802.11
- Принципы организации узкополосной радиосети
Технические средства контроля общепромышленных загрязнителей для использования в системе производственного экологического мониторинга...
Выбор технических средств контроля общепромышленных загрязнителей для использования в системе мониторинга объекта по уничтожению химического оружия выполнялся на основе разработанной методики сравнительной оценки технических средств контроля общепромышленных загрязнителей. В ее основу положены следующие принципы: -технические средства, предполагаемые к использованию в системе мониторинга на объекте по уничтожению химического оружия, должны обеспечивать контроль за загрязнителями в воздухе на уровне максимальных разовых ПДК в воздухе населённых мест, в почве - ПДК, а в воде - ПДК в воде водоёма; - передвижные экоаналитические лаборатории должны быть оснащены оборудованием, позволяющим вести отбор проб воздуха, воды, почвы; консервирование и доставку проб на анализ в заводскую аналитическую лабораторию, а также проводить аналитический контроль воздушной среды; - стационарные посты контроля должны быть оснащены приборами, позволяющими вести автоматический контроль воздушной среды и оснащены средствами передачи информации; - система экологического мониторинга должна быть укомплектована техническими средствами российского производства; - техническое средство должно серийно выпускаться.
Показатели и параметры, поддающиеся оценке, проверялись на соответствие предъявленным требованиям. В первую очередь технические средства, предполагаемые к использованию в системе экологического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия, должны обеспечивать контроль за содержанием загрязняющих веществ в следующих средах: - в воздухе - на уровне максимальных разовых и среднесуточных предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест; - в почве и донных отложениях - на уровне предельно допустимых концентраций; - в поверхностных водах - на уровне ПДК для воды водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, а также водных объектов рыбохозяйственного назначения; - в подземных водах (контрольные наблюдательные скважины) и в снежном покрове - на уровне требований к питьевой воде.
Рассчитывался определяющий показатель. Определяющий показатель является основой для принятия решения об определении лучшего технического средства. В случае равенства (в пределах доверительного интервала) определяющего критерия, предпочтение отдавалось техническому средству с наилучшим показателем (в порядке предпочтения): - экономичности; - технологичности; - качества измерений. В общем виде математическая модель проведения оценки выглядит следующим образом. Сравнительная оценка технических средств группой экспертов на основании расчета обобщенных показателей (целевых функций - Fk) имеет вид: где Fk - значение целевой функции для к - ого технического средства; aj - весовой коэффициент j-ro группового показателя; fj - значение j-ro группового показателя;
Коэффициенты ai и aj определялись методом экспертных оценок, а единичные показатели (Ki) вычислялись аналитически .
Предлагаемая целевая функция рассчитывалась в баллах и позволяла сочетать экспертные методы с расчетно-аналитическими методами при проведении оценки предлагаемых технических средств.
При оценке единичных и групповых показателей в баллах целевая функция имеет вид: - оценка в баллах і-го единичного показателя в j-ой группе; аі - весовой коэффициент і-го единичного показателя в j-ой группе; Кі - значение і-го показателя в j-ой группе; Ші - принятая шкала балльной системы ; Bj - оценка в баллах j-ro группового показателя; ctj - весовой коэффициент j-ro группового показателя; fj - значение j-ro группового показателя. Представленные выше условия формирования целевой функции дали возможность на количественном уровне осуществлять оценку технических средств, представленных на конкурс.
Сверхширокополосные системы
В одной piconet может быть только один master, однако каждый slave может одновременно являться master oM для других устройств, и образовывать свой piconet. Несколько piconet объединенных таким образом образуют scattemet. В рамках scatternet разные устройства могут не только быть одновременно master и slave одновременно для различных piconet, но и просто slave для разных piconet.
Если процесс обнаружения устройств прошёл нормально, то новое Bluetooth устройство получает набор адресов доступных Bluetooth устройств, и за этим следует device name discovery, когда новое устройство выясняет имена всех доступных Bluetooth устройств из списка. Каждое Bluetooth устройство должно иметь свой глобально уникальный адрес (вроде как МАС-адреса у сетевых плат), но на уровне пользователя обычно используется не этот адрес, а имя устройства, которое может быть любым, и ему не обязательно быть глобально уникальным.
Стандартизация, используемая в Bluetooth, позволяет делать периферийные беспроводные устройства, которые будут подходить к любому PC.
Очередной новинкой в области телекоммуникаций становятся сверхширокополосные системы - Ultra Wideband (UWB). По определению FCC, к UWB относятся все сигналы со спектральной полосой не менее 1,5 ГГц, а также сигналы, у которых ширина спектральной полосы составляет, по крайней мере, 25% от значения центральной частоты. Данное определение вполне однозначно связано с достигнутым уровнем развития UWB сигналов и систем.
Сегодня подобные средства, в принципе, могут работать в ряде диапазонов частот (включая, полосы 30-50 МГц, 225-400 МГц и др.), однако чаще всего это они используют интервал от 1 до 11 ГГц, а полное название новой технологии - Ultra Wideband Pulse Technology - сверхширокополосная импульсная технология.
Основная идея UWB заключается в том, что в качестве носителей информации используются последовательности сверхкоротких импульсов с крутыми фронтами и без высокочастотного заполнения, что позволяет рассматривать эту технологию как предельный случай "гармонических" систем, в которых длительность импульсов просто сделана равной одному периоду несущей. На практике, длительность импульсов составляет от 200 пикосекунд до одной наносекунды, а интервалы следования импульсов лежат в пределах от 10 до 1000 не.
Поскольку передача в UWB-системах осуществляется с очень малыми уровнями мощности ("под шумами"), то принять правильное решение по одному импульсу сложно. По этой причине для надежной передачи информации в UWB используются длинные серии моноциклов, большая частота следования которых позволяет использовать для передачи каждого бита информации пачки из 100 и более импульсов, что и обеспечивает их высокую защиту от помех.
При передаче используется технология TM-UWD, при которой сигналы формируются с помощью времяимпульсной модуляции (Pulse-Position Modulation - PPM), т. е. информационным параметром является временное положение переднего фронта импульсов. При РРМ, в зависимости от мгновенного значения модулирующего сигнала, позиция каждого рабочего импульса изменяется во временной области по отношению к положению периодических опорных импульсов. Другими словами, для передачи логического "О" рабочий импульс посылается, например, немного раньше своего "стандартного" временного положения в импульсной последовательности, а для передачи "1" - немного позже. Типовая величина временного сдвига составляет 1/4 от длительности импульса. Период же повторения импульсов определяет в конечном итоге скорость передачи данных. Так при периоде повторения импульсов 10 не максимальная скорость передачи составит 100 Мбит/с.
Демодуляция принимаемой последовательности моноциклов обычно осуществляется с помощью корреляционных приемников, выполняющих операцию "свертки" - сопоставления по определенным правилам принимаемого сигнала с соответствующим эталонным сигналом.
Все преимущества технологии UWB перед нынешними "узкополосными" и "широкополосными" системами следуют из самой физической сути формирования, передачи и приема сверхширокополосных сигналов. К числу наиболее значимых преимуществ могут быть отнесены: 1. Большие скорости передачи информации. 2. Сверхвысокополосные системы обладают высокой помехозащищенностью. Поскольку UWB сигнал распределен в широком спектре частот, влияние узкополосных помех на него оказывается незначительным. 3. Устойчивая связь в условиях многолучевого распространения радиоволн.. 4. Высокая степень защищенности связи от перехвата. Приемники обычных радиосистем воспринимают UWB-сигналы как случайные помехи, которые к тому же нередко оказываются и по амплитуде полностью скрыты в естественных шумах. 5. Высокая электромагнитная совместимость. Шумоподобная структура и обычно довольно малые уровни сигналов UWB-систем практически не создают помех для других устройств.
Скорости передачи протокола IEEE 802.11
Столь пристальное внимание фазовой модуляции уделяется потому, что именно она используется в протоколе IEEE 802.11 для кодирования данных. При передаче данных на скорости 1 Мбит/с используется двоичная относительная фазовая модуляция (DBPSK). При этом сам информационный единичный бит передается 11-чиповой последовательностью Баркера, а нулевой бит — инверсной последовательностью Баркера. Соответственно, сама относительная фазовая модуляция применяется именно к отдельным чипам последовательности.
Как уже отмечалось, информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (basic access rate), но опционально возможна передача и на скорости 2 Мбит/с (enhanced access rate). Для передачи данных на такой скорости также используется относительная фазовая модуляция, но уже квадратурная (DQPSK). Это позволяет в два раза повысить информационную скорость передачи. При этом ширина самого спектра остается прежней, то есть 22 МГц.
В дополнении к стандарту IEEE 802.11, то есть в стандарте 802.11b, кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с обязательными являются также скорости 5,5 и 11 Мбит/с. Для работы на таких скоростях используется уже несколько иной способ расширения спектра.
В настоящей версии стандарта IEEE 802.11b используется несколько способов кодирования с использованием комплементарных кодов (Complementary Code Keying, ССК).
Использование ССК-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бита на символ при скорости 5,5 Мбит/с. При этом сами кодовые последовательности являются 8-чиповыми и при скорости передачи 11 Мбит/с кодирование 8 бит на символ соответствует символьной скорости 1,385 мегасимволов в секунду (11/8 = 1,385). Аналогичная символьная скорость используется и при скорости передачи 5,5 бит/с, так как при такой скорости в одном символе кодируется только 4 бита.
Особый интерес представляют сами ССК-последовательности. Прежде всего определим, что следует называть ССК-последовательностью. Для двух ССК-последовательностей равной длины сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю.
В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных последовательностях, содержащих элементы с четырьмя различными фазами, то есть о комплементарных последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов Сами комплементарные последовательности, как и прежде, используются для уширения спектра сигнала (DSSS) и являются 8-чиповыми. Скорость передачи при этом составляет 11 Мчип/с, что дает скорость 1,375 мегасимволов в секунду. При этом ширина спектра сигнала, как и при использовании последовательностей Баркера, составляет 22 МГц, что позволяет использовать в частотном диапазоне от 2,4 до 2,4835 ГГц три неперекрывающиеся частотные полосы.
Для однозначного определения СКК-последовательности требуется 8 бит входных данных. Первый дибит данных — как для скорости передачи 5,5 Мбит/с, так и для скорости 11 Мбит/с — задает сдвиг целого символа по фазе по отношению к фазе предыдущего переданного символа.
Для скорости 5,5 Мбит/с в одном символе кодируется 4 бита, то есть два дибита (d0 - d3). Первый дибит определяет фазовый сдвиг четных и нечетных символов. Следующий дибит, то есть биты d2, d3, определяет остальные фазы ССК-последовательности по формулам:
Рассмотрим, к примеру, последовательность данных 11011000. Разбивая ее на пару четырехбитовых символов 1101 и 1000, первый из которых нечетный, а второй — четный, получим, что для нечетного символа Тогда комплексная СКК-последовательность примет вид:
Аналогично для второго символа последовательность имеет вид: Как нетрудно заметить, обе последовательности сдвинуты друг относительно друга на 90, точнее, вторая последовательность, соответствующая четному символу, сдвинута относительно первой последовательности на
При скорости 11 Мбит/с в одном символе кодируется одновременно 8 бит данных. При этом первый дибит последовательности данных, как и прежде, задает сдвиг фазы при относительной фазовой модуляции целого символа в зависимости от того, четный он или нечетный, точно так же, как и для скорости 5,5 Мбит/с. Тогда сама ССК-последовательность примет вид:
Как уже отмечалось, для задания СКК-последовательности используются только 6 бит данных (второй, третий и четвертый дибиты). Первый дибит определяет сдвиг по фазе всего символа и используется в относительной фазовой модуляции. Шесть бит данных могут иметь 64 различные комбинации (26 = 64). Поэтому говорят, что в протоколе IEEE 802.11b при кодировании каждого символа используется одна из 64 возможных восьмиразрядных СКК-последовательностей. Последовательности, формируемые в СКК-модуляторе, в дальнейшем поступают на I- и Q-каналы QPSK-модулятора.
Принципы организации узкополосной радиосети 99
Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдёт повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, всё же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приёмо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.
Глава компании Airgo Грэг Ралей (Greg Raleigh) сообщил, что новые чипы смогут обеспечить скорость передачи данных 240 Мбит/с, то есть более чем в четыре раза выше по сравнению с обычной скоростью 54 Мбит/с. Даже с учетом факторов, снижающих реальную скорость передачи данных, новые чипы все равно будут быстрее, чем обычная проводная Ethernet-сеть, имеющая скорость 100 Мбит/с. Он нашел способ использовать интерференцию волн для одновременной передачи большего объема данных по радиоканалу. Он назвал новую технологию MIMO OFDM (многоканальный ввод, многоканальный вывод и мультиплексирование с ортогональным делением частот). Технология Airgo совместима с существующим стандартом беспроводных сетей Wi-Fi (802.1 la/b/g) и способна повысить надежность приема сигналов Wi-Fi.
В 2007 году планируется разработать и должен получить широкое распространение новый стандарт Wi-Fi, который будет гораздо быстрее и надежнее существующего. Об этом объявили представители Консорциума по усовершенствованию беспроводных технологий (Enhanced Wireless Consortium).
Производители чипов Wi-Fi объявили о намерении выработать новый стандарт для беспроводной передачи данных Wi-Fi, который будет обеспечивать скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
Спецификация EWC кроме обычных компьютеров затронет также и КПК и прочую пользовательскую электронику, которая подразумевает работу по беспроводной связи. В новой спецификации найдется место и технологии Space Time Block Coding (STBC) и другим, которые позволят улучшить совместимость устройств.
Спецификация EWC затрагивает много технических аспектов, в т.ч. совместимость с существующими сетями 802.1 la/b/g, скорость передачи данных, которой будет достаточно для передачи нескольких потоков HDTV, сбор пакетов и прочее. По предварительным данным будет использоваться прежняя частота - 2,4 ГГц/5 ГГц и более эффективное использование спектра частот. Новый стандарт основывается на технологии multiple-input/multiple-output (MIMO), который позволяет передачу двух различных (отдельных) сигналов по одному каналу 802.11, что позволяет увеличить пропускную способность радиоканала.
При более детальном изучении выявлены некоторые еще не решенные проблемы, которые могут оказать большое влияние на структуру построения БКС системы экологического мониторинга. Возможные проблемы, таящиеся в технологии Radio Ethernet:
Пропускная способность сетей Wi-Fi напрямую зависит от скорости самого медленного адаптера в сети. Виной всему метод доступа к беспроводному каналу. Протокол CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) предусматривает прослушивание эфира беспроводными устройствами во избежание коллизий. Когда канал занят медленным устройством, остальные вынуждены выжидать, пока оно закончит приём/передачу информации. Протокол CSMA/CA реализован в стандартах 802.11а, Ь, и g. Если один из клиентов беспроводной сети находится дальше остальных, это также заметно снижает скорость доступа прочих абонентов к сети. Для борьбы с этим некоторые производители оборудования для беспроводных сетей предусматривают блокирование устройств, не способных обеспечить скорость выше определённого уровня. Но принятие этих мер означает отход от стандарта. Решение проблемы возможно в механизме QoS (quality of service), который сейчас обсуждается в организации IEEE, занимающейся выработкой технических стандартов беспроводной передачи данных. Поддержка QoS предусмотрена в протоколе 802.11е, который пока ещё не стал стандартом. Сейчас же операторы связи готовы внедрять оборудование стандарта 802.1 lg, но их клиенты не получат всех преимуществ беспроводных коммуникаций, пока в сетях Wi-Fi будут встречаться устройства стандарта 802.1 lb.
Основное содержание стандарта 802.11 и его более поздних расширений («a», «b», «g»)— организация беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети. Несколько абонентов имеют равноправный и нерегулируемый доступ к общему ресурсу — точке доступа. Такая схема доступа может быть неприемлема при использовании беспроводных ЛВС на некоторых промышленных предприятиях, где доступ должен быть строго регулированным.
Следует отметить, что Wi-Fi (802.1 lb/g) в ряде случаев конфликтует по частоте с Bluetooth, DECT и другими генерирующими приемо-передатчиками, что неприемлемо для промышленной связи.
В России диапазон 2,4 ГГц, в котором работает оборудование 802.1 lb, для построения сетей вне помещений практически исчерпан (по крайней мере, в крупных городах), а стандарт 802.11а запрещает использование внешних антенн с высоким коэффициентом усиления.
Желание максимально эффективно использовать имеющийся частотный ресурс в диапазоне 2,4 ГГц, а также появление новых технологий обработки сигнала, вызвало к жизни новый стандарт из семейства IEEE 802.11— 802.1 lg, который теоретически позволяет достичь скоростей до 54 Мбит/с, т.е. практически в 5 раз больше, чем дает 802.11b. Однако на практике все обстоит не так уж и хорошо. У 802.1 lg есть существенные недостатки.
