Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБМЕНА ДАННЫМИ... 12
1.1. Применение беспроводных технологий в системах автоматизации производственных и офисных помещений 12
1.2. Сравнительный анализ технологий беспроводной передачи данных Bluetooth, WiFi, ZigBee 15
1.2.1. Технология беспроводной передачи данных Bluetooth 17
1.2.2. Технология беспроводной передачи данных WiFi 19
1.2.3. Технология беспроводной передачи данных ZigBee 21
1.3. Анализ особенностей распространения радиоволн в пикосетях 24
1.4. Существующие подходы для расчета зоны обслуживания в пикосетях 28
1.5. Постановка задачи исследования 34
1.6. Выводы по первой главе 35
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПИКОСЕТИ SRD 37
2.1. Общие положения 37
2.2. Отражение волн и их прохождение через препятствия 39
2.3. Работа пикосетей SRD на открытой местности 56
2.4 Работа пикосетей SRD внутри помещения 62
2.5 Оптимизация размещения SRD в беспроводной пикосети 73
2.6. Выводы по второй главе 77
3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА БЕСПРОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ 79
3.1. Влияние шумовых помех РЭС на беспроводные устройства малого радиуса действия 79
3.1.1. Влияние шумовых помех на SRD с FHSS и 4M 79
3.1.2. Влияние шумовых помех на 81Ш с РНББ и Л4-ичной ЧМ 83
3.2. Влияние гармонических помех от РЭС на беспроводные устройства малого радиуса действия 87
3.2.1. Влияние гармонических помех на 8Ш) с БИББ и ЧМ 87
3.2.2. Влияние гармонических помех на 81Ш с РИЗ 8 и М-ичной ЧМ 93
3.2.3. Влияние комбинированной (шумовой и гармонической) помехи на БИТ) с БШЗ и ЧМ 96
3.3. Влияние помех от РЭС на беспроводные устройства малого радиуса действия с РН88, двоичной ЧМ и блоковым кодированием 97
3.4. Выводы по третьей главе 103
4. РАСЧЕТ ЗАЩИТНОГО РАССТОЯНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ ОТ ПОМЕХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 106
4.1. Расчет защитного расстояния от внутриканальных помех в пикосе тях 81Ш с БН88 106
4.2. Расчет защитного расстояния от блокирования в пикосетях 81Ш с РШБ 109
4.3. Расчет защитного расстояния в пикосетях 8ЯО с РН88 с учетом боковых лепестков диаграммы направленности мешающих РЭС 113
4.4. Расчет вероятности интермодуляционных помех в пикосети 8ИЕ) сРШ8 116
4.5. Выводы по четвертой главе 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 140
Введение к работе
Сегодня задача построения распределенных систем сбора данных, управления и мониторинга как никогда актуальна в самых различных прикладных областях. Однако использование для этого традиционных проводных соединений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по технологическим или организационным причинам, поэтому все большее применение находят беспроводные сети.
По сравнению с проводными системами беспроводные сети имеют целый ряд преимуществ: отсутствие кабелей электропитания и передачи данных; низкая стоимость монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы; внедрение и модификация сети на эксплуатируемом объекте без вмешательства в процесс функционирования; надежность и отказоустойчивость всей системы при нарушении отдельных соединений между узлами.
Уникальные особенности и отличия беспроводных сетей от традиционных проводных систем передачи данных делают их применение эффективным в самых различных областях. Например, в области безопасности, мониторинга окружающей среды, здравоохранения, в различных приложениях автоматизации зданий, где использование традиционных проводных систем передачи данных часто нецелесообразно по экономическим причинам. Например, если требуется внедрить новую или расширить существующую систему в эксплуатируемом здании, то в этом случае применение беспроводных решений не требует проведения дополнительных монтажных работ с нарушением внутренней отделки помещений, практически не причиняются неудобства сотрудникам или жильцам здания и т.д. В итоге значительно снижается стоимость внедрения системы.
Еще одним примером являются офисные здания со свободной планировкой, для которых на этапе проектирования и строительства невозможно указать точные места установки различного рода датчиков. При этом планировка офисов в процессе функционирования здания может многократно изменяться, а затраты времени и средств на переконфигурацию системы должны быть минимальны. В качестве примеров применения беспроводных решений в офисных зданиях можно привести: мониторинг температуры, расхода воздуха, управление оборудованием отопления, вентиляция и кондиционирования (ОВК) для поддержания микроклимата; управление освещением и энергоснабжением; сбор показаний квартирных счетчиков газа, воды, электроэнергии и т.д.; охранно-пожарная сигнализация; мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений.
Решения на основе беспроводных сетей в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым и со стороны промышленности: отказоустойчивость; масштабируемость; адаптируемость к условиям эксплуатации; энергетическая эффективность; учет специфики прикладной задачи; экономическая рентабельность и т.д. Технологии беспроводных сетей находят свое применение в таких задачах промышленной автоматизации как: контроль и диагностика промышленного оборудования; техническое обслуживание оборудования по текущему состоянию; мониторинг производственных процессов; телеметрия для исследований и испытаний и многих других задачах.
Одними из ключевых технологий в современной концепции построения и развития сетевых телекоммуникационных инфраструктур являются технологии беспроводного доступа с использованием устройств малого радиуса действия SRD (Short Range Devices). Наиболее перспективными являются те области, где требуется сбор и обработка большого количества одновременно измеряемых параметров. Внедрение технологий SRD в эти области позволяет не только упростить взаимодействие между различным оборудованием и периферийными устройствами, но и заменить традиционные проводные соединения на беспроводные каналы.
Беспроводные SRD работают в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц, в котором функционируют различные радиотехнические устройства в промышленности, науке и медицине ISM (Industrial, Scientific, Medical). Как правило, дальность их передачи не превышает 10...30 м. Она может быть увеличена до 100 м, однако чем меньше дальность, тем больше экономия энергии и меньше воздействующих помех.
Постоянное увеличение плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) в ограниченном частотном диапазоне приводит к резкому увеличению уровня взаимных помех, нарушая их нормальную работу. Очень остро проблема взаимных помех проявляется там, где целые комплексы РЭС должны размещаться на ограниченной территории. При этом их число может достигать несколько десятков, а расстояние между ними составлять от несколько метров до нескольких сантиметров. Плотное размещение SRD может привести не только к нарушению их нормального функционирования, но и к полному выходу их из рабочего состояния.
Устройства SRD могут не только подвергаться воздействию внешних электромагнитных помех, но и сами выступать в качестве источников таких помех (интерференции) для других радиотехнических систем и устройств. Интерференция может возникнуть тогда, когда устройства работают с перекрытием частоты или диаграмм направленности антенн, одновременно в непосредственной близости друг от друга. При этом не последнюю роль играет плотность и место размещения передатчиков в пространстве.
Для достижения высокой помехоустойчивости в такой сложной поме- ховой обстановке в технологии SRD предприняты различные меры, например скачкообразная перестройка частот, осуществляемая с большой скоростью (1600 переключений в секунду). Кроме того, передаваемые пакеты могут быть защищены с помощью помехоустойчивого кодирования, а также средствами, при использовании которых передача утерянных пакетов автоматически повторяется.
Проблемам помехозащищенности систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки частоты посвятили большое число трудов, как отечественные, так и зарубежные ученые, а именно JI.E. Варакин, Г.И. Тузов, D.J. Torrieri, М.К. Simon, J.K. Omura, R.A. Scholtz, B.K. Levitt, D.C. Schleher, E. Waltz, J.S. Lee, R.H. French, L.E. Miller [1 - 9]. Большую роль в развитии этих проблем сыграли работы отечественных ученых В.И. Борисова, В.М. Зинчука, А.Е. Лимарева, А.В. Немчилова, А.А. Чаплыгина, Л.Н. Волкова, М.С. Немировского, Ю.С. Шинакова, М.А. Быховского и многих других ученых [10—13].
Однако, как правило, данные исследования были посвящены вопросам помехозащищенности систем радиосвязи с дальностью действия превышающей порой десятки километров, при воздействии на них организованных (преднамеренных) помех.
В последнее время были проведены различные исследования с целью определения степени влияния помех как от РЭС на характеристики SRD, так и от SRD на РЭС. Аналитические результаты в своих работах получили S. Shellhammer [14], G. Ennis [15], J. Zyren [16], N. Golmie [17]. Экспериментальные -A. Kamerman [18], I. Howitt [19], D. Fumolari [20]. Результаты имитации, для ряда устройств типа Bluetooth, - S. Zurbes [21], N. Golmie [22 - 24] и J. Lansford [25, 26].
Следует отметить, что наибольшую точность, при оценке степени влияния помех, может обеспечить применение имитационного моделирования, однако точность результатов, в этом случае, будет зависеть от допущений, сделанных в процессе моделирования.
Постоянное расширение применения беспроводных технологий, внедрение в эти технологии новейшей микропроцессорной техники и современной элементной базы, ставят задачи дальнейшего развития исследований в этой области, что делает диссертационную работу весьма актуальной.
