автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования беспроводных устройств малого радиуса действия

На правах рукописи

КОРЧАГИН ВАСИЛИЙ АРКАДЬЕВИЧ ;

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени; : кандидата технических наук

Москва -2010

004603972

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы» ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор АРТЮШЕНКО Владимир Михайлович доктор технических наук, профессор ГУРЕЕВ Александр Кимович кандидат технических наук АРСЕНЬЕВ Максим Владимирович ЗАО «Институт специальных технологий» Российская Академия Наук

Защита диссертации состоится « // » ¿/^¿Г ^^ 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.150.08 при ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» по адресу: 141221 Московская обл., Пушкинский р-н, п. Черкизово, ул. Главная д. 99, ауд.1209, Зал заседаний советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса».

Автореферат разослан « ^ » /У/1?/ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одними из ключевых технологий в современной концепции построения и развитая сетевых телекоммуникационных инфраструктур являются технологии беспроводного доступа с использованием устройств малого радиуса действия SRD (Short Range Devices), как правило, не, превышающего 10-30 метров. 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). Постоянное увеличение плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) в ограниченном частотном диапазоне приводит к резкому увеличению уровня взаимных помех, нарушая их нормальную работу. Очень остро эта проблема 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.

Для достижения высокой помехоустойчивости в. такой сложной обстановке в технологии SRD предприняты различные меры, например используются сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частота FHSS (Frequency Нор Spread Spectrum) по псевдослучайному закону. Кроме того, передаваемые пакеты могут быть защищены с помощью помехоустойчивого кодирования, а также средствами, при использовании которых передача утерянных пакетов автоматически повторяется.

vi

Проблемам помехозащищенности систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки частоты посвящено большое число трудов, как отечественных, так и зарубежных ученых. Этими проблемами занимались такие ученые как JI.E. Варакин, Г.И. Тузов,

D.J. Torrieri, М.К. Simon, J.K. Omura, R.A. Scholtz, В.К. Levitt, D.C. Schleher,

E. Waltz, J.S. Lee, R.H. French, L.E. Miller. Большую роль в их развитии сыграли работы 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 отечественных ученых. 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, G. Ennis, J. Zyren, N. Golmie. Экспериментальные -A. Kamerman, I. Howitt, D. Fumolari. Результаты имитационного моделирования, для ряда устройств типа Bluetooth, - S. Zurbes, N. Golmie и J. Lansford.

Постоянное расширение областей применения беспроводных технологий, внедрение новейшей микропроцессорной техники и современной элементной базы, ставят задачи дальнейшего развития исследований в этой области, что делает диссертационную работу весьма актуальной.

Объемом исследования являются беспроводные устройства малого радиуса действия.

Предметом исследований являются методы повышения эффективности беспроводных устройств малого радиуса действия.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности беспроводных устройств малого радиуса действия в условиях интенсивного воздействия внешних помех.

В соответствии с этим, были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ особенностей распространения радиоволн и оценка существующих подходов расчета зоны обслуживания в пикосетях БЯО;

2. Разработка методики расчета и оптимизации энергетических параметров пикосети 81Ш;

3. Разработка методики расчета оценки влияния помех от РЭС на БИВ;

4. Разработка методики расчета защитного расстояния для БИЛ от помех

РЭС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета зон уверенной работы БЩЭ в пикосети, в зависимости от технических характеристик 81Ш и условий приема;

2. Разработана методика оценки влияния помех на БШ} от РЭС находящихся в зоне их действия.

3. Разработана методика расчета защитного расстояния для Б ГШ от помех РЭС приводящих не только к появлению внутриканальных и интермодуляционных помех, но и блокированию БЮЭ.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Предложена методика, позволяющая рассчитать энергетические параметры пикосети найти наиболее экономичный вариант ее построения в зависимости от технических характеристик 81Ш и условий приема;

2. Предложены критерии размещения БЫ) в пикосети, позволяющие в максимальной степени использовать не только их энергетику, но и обеспечить их устойчивую работу в заданной зоне обслуживания.

3. Предложена методика, позволяющая рассчитать защитные расстояния от помех РЭС, находящихся в зоне действия 81Ш. Получены зависимости вероятности появления внутриканальных и интермодуляционных помех от величины рабочего цикла и числа источников помех в зоне действия БЯО.

Методы исследования основываются на использовании методов теории вероятностей, теория случайных процессов, математической теории поля, математической статистики, статистической радиотехники, математического моделирования на ПК.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждена строгостью применяемых математических методов, рецензированием работ, опубликованных в центральной печати, согласованием основных теоретических научных положений с результатами имитационного моделирования.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета зон уверенной работы БМ) в пикосети при различных условиях распространения сигнала;

2. Методика расчета оценки влияния помех на БЫ) от РЭС находящихся в зоне их действия.

3. Методика расчета вероятности появления внутриканальных и интермодуляционных помех в пикосетях Б1Ф.

4. Методика расчета защитного расстояния для БИО от помех РЭС, приводящих к появлению внутриканальных и интермодуляционных помех, а также к блокированию 81Ш.

Научные результаты и практические рекомендации реализованы в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» (ФГОУВПО «РГУ-ТиС»), в том числе по ЕЗН Федерального агентства по образованию РФ (РГУ-ТиС - 1.6.09 № ГР. 01200902038) «Разработка новых математических и методологических подходов к созданию информационных технологий в системах управления коммуникационной инфраструктуры «интеллектуальных зданий». Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Группа СпецБиз-несПроект», что подтверждается актом о внедрении.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритмов и программ используются в учебном процессе ФГОУВПО «РГУТиС» по дисциплинам «Про-

ектирование информационных систем», «Электронные информационные системы и организация каналов связи», «Организация сетей мобильной связи», «Информационные сети», «Беспроводные .технологии в; информационных системах», а так же в дипломных проектах, что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 13-й, 14-й Международной научно-технической конференции «Наука - сервису» (Москва, 2008 - 2010 гг.); на 4-й, 5-й Межвузовской научно-пракгаческой конференции «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем» (Москва, 2008 - 2010 гг.); на заседаниях кафедры ФГОУВПО «РГУТиС» «Информационные системы» (Москва, 2008-2010 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна работа в рецензируемом журнале из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 122 наименования и приложения. Основной текст работы изложен на 139 страницах машинописного текста, поясняется 67 рисунками и 6 таблицами. В приложении объемом 2 страницы содержатся материалы внедрения результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель и основные задачи, решаемые в работе, обоснована актуальность проблемы, определены научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приводятся сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе осуществлен анализ беспроводных технологий передачи данных, рассмотрены и проанализированы особенности распространения ра-

диоволн, а так же существующие подходы расчета зоны обслуживания в пико-сетях SRD.

Анализ организации работы, принципов построения и топологий беспроводных технологий обмена данными Bluetooth, WiFi, и ZigBee, нашедших на сегодняшний день наиболее широкое распространение в частотном диапазоне 2,4 ГГц, показал, что одной из важнейших проблем для сетей беспроводного доступа является прогнозирование зон уверенной работы SRD как вне, так и внутри помещений. Главная причина этого заключается в неравномерном затухании сигнала и многочисленных рассеивающих препятствиях, что обусловлено сильной пространственной неоднородностью среды распространения радиоволн.

Были рассмотрены особенности распространения радиоволн для различных условий размещения SRD. Проанализированы типовые модели распространения радиоволн при размещении SRD как вне, так и внутри помещений. Проанализированы существующие подходы расчета зон обслуживания, в том числе, эмпирические формулы Окомуры и Хата.

Анализ имеющихся методик и формул расчета показал, что они дают лишь приблизительную оценку затухания радиоволн при их распространении в различных условиях, и не подходят для решения задач по расчету зон уверенного обслуживания SRD как на открытой местности, так и внутри помещений.

В заключении главы, исходя из проведенного анализа, были сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе разработана методика расчета энергетических параметров пикосетей SRD, предложены критерии размещения SRD в пикосети, позволяющие в максимальной степени использовать не только его энергетику, но и обеспечить устойчивую работу в заданной зоне обслуживания.

Одной из важнейших проблем для пикосетей SRD является прогнозирование зон их уверенной работы как вне, так и внутри помещений. Главная причина этого заключается в неравномерном затухании сигнала и многочисленных

рассеивающих препятствиях, что обусловлено сильной пространственной неоднородностью среды распространения радиоволн.

В пикосети БЫ), работающей внутри помещения, волны от передающего до приемного БШЗ, могут распространяться различными путями. Большую часть пути они проходят через свободное пространство, часть пути -через различные препятствия, такие как стены, двери, окна, пластиковые перегородки, мебель и т.д. При этом напряженность поля зависит как от числа препятствий, через которые проходит волна, так и от материала, из которого эти препятствия изготовлены.

Были получены выражения, позволяющие рассчитать мощность сигнала на входе приемного БШЗ, отраженного от препятствия в виде слоя диэлектрика конечной толщины, или прошедшего через него, при любой поляризации волны. Проведенные исследования показали, что из-за многократного отражения в пикосетях мощность суммарной волны на входе 5ГШ носит колебательный характер, меняясь как от места его расположения, так и во времени. Причем, частота изменений зависит как от высоты расположения передающего (ведущего) к\ и приемного (ведомого) й2 так и от расстояния между ними I, а амплитуда - от поляризации волны £ и свойств отражающей поверхности е.

Зависимость модуля ослабления суммарной волны с произвольной поляризацией 5(5 и й2, 4) от расстояния между передающим (ведущим) и приемным (ведомым) устройствами при различных значениях угла поляризации £, для помещения с высотой Я = 3 м, представлена на рис. 1.

Получены выражения для нахождения напряженности поля на входе 81Ш в условиях многолучевого распространения радиоволн при размещении Б1Ф, как на открытом пространстве, так и внутри закрытого помещения.

Результаты расчетов показывают, что характер колебания напряженности существенно зависит от высоты расположения а поляризация волны сказывается лишь на амплитуде колебаний.

X 1 ж

Рис. 1. Зависимость модуля ослабления суммарной волны с произвольной поляризацией

Предложены критерии размещения ведущего БГШ в пикосети, позволяющие определить место его размещения таким образом, чтобы в максимальной степени использовать его энергетику и обеспечить устойчивую работу ведомых БШЗ в заданной зоне обслуживания.

В общем случае при работе ведомых необходимо обеспечить наибольшее значение напряженности поля в некотором конечном числе точек их расположения, в пределах радиуса действия ведущего 51Ш.

Если заданное число точек равно я, то критерий оптимизации, обеспечивающий наибольшие значения мощности, где расположены ведомые БМЗ, можно записать в следующем виде:

тах^Л^Я)},

1 "

где: - функционал критерия оптимизации;

п

=г/, с? - расстояние между точками.

Зависимость функционала критерия оптимизации от высоты расположения ведущего БМ), при Н = 3 м, для различных высот расположения ведомых БМ) й2 = 0,5,1,1,5 м, представлена на рис. 2.

.1.«92 2

с(ь,,0.5,п,з) 15 С^.М.з)

.0.624, „ ,

' 1 1.2 1.4 1.6 1 8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

X Ь, А

Рис. 2. Зависимость функционала критерия оптимизации от высоты размещения ведущего БЫ)

На представленных зависимостях видны три характерные точки максимума высоты расположения ведущего для каждой высоты расположения ведомого 81Ш. Это, соответственно, И1 = 2,5 м (при Ь2 = 0,5 м), = 2 м (при /¡2 = I м) и Л) = 1,5 м (при Иг = 1,5 м). То есть, в сумме высота расположения ведущего и ведомого БЫ) составляют высоту потолка Я= 3 м.

Если необходимо обеспечить наибольшую напряженность поля на входе ведомых Б1Ш, расположенных на различных высотах, то функционал критерия

оптимизации можно записать в виде:

тп

где: т - число дискретных значений высот расположения ведомых БЛО, -значение высот расположения ведомых БМЭ.

Результаты проведенных расчетов показывают, что при «разворачивании» пикосети внутри закрытых помещений наилучшая точка размещения ведущего устройства для всех заданных высот расположения ведомых Я ГШ, при любой высоте помещения, должна быть как можно выше от пола.

В третьей главе проведена оценка влияния помех от радиоэлектронных средств на беспроводные устройства малого радиуса действия.

Было рассмотрено и проанализировано влияние шумовых помех на БИО использующих сигналы с расширением спектра, путем скачкообразной перестройки частоты РНББ по псевдослучайному закону, и частотной манипуляцией (ЧМ). Рассмотрен наихудший случай, когда помеха от РЭС попадает в канал приемника до перескока его рабочей частоты.

Было показано, что если на системы Б1Ш со скачкообразной перестройкой частоты РНББ и двоичной ЧМ, воздействует помеха представляющая собой сосредоточенный по рабочей полосе 8ШЗ белый гауссовский шум, то средняя вероятность ошибки, при приеме бита информации, зависит не только от отношения сигнал/помеха (ОСП), но и отношения сигнал/шум (ОСИ1). Чем больше значение ОСШ, тем . больше на величину ошибки влияет величина ОСП, и наоборот, чем меньше ОСШ, тем меньше величина ОСП влияет на среднюю величину ошибки

Рьос = (2 + р)-1ехр{-[2<Зш/£с + Л,//>сГ1} =(2 + РГ'ехр{-[2/уш' +а"']'1}, где рш = EJGШ - ОСШ; рп = Рс/Р„ - ОСП; Ес - энергия сигнала на бит; (7Ш -спектральная плотность мощности собственных шумов приемного устройства; РС,Р„- соответственно, мощность сигнала и помехи; Р = рш /р„.

Произведена оценка влияния шумовых помех на 8ИЗ с РНББ и А/-ичной ЧМ. Показано, что увеличение размера алфавита сигнала М при постоянной скорости передачи и энергии сигнала на бит приводит к увеличению помехоустойчивости БИВ с РНББ и М-ичной ЧМ при воздействии на него шумовой помехи. Причем 81Ф с РНББ и А/-ичной ЧМ, по сравнению с двоичной ЧМ, более устойчивы к воздействию на них шумовых помех. Так, при М = 4 воздействие шумовых помех на вЫ) с РНББ и Л/-ичной ЧМ уменьшается почти на 2 дБ, а при М= 8 почти на 3 дБ.

Произведена оценка влияния гармонических помех на ББШ с РШЭ и ЧМ. Показано, что если на основной канал Б1Ш с ИНЗБ воздействуют гармониче-

ские помехи с частотой равной частоте сигнала и равномерной распределенной фазой, то характер изменения средней вероятности ошибки в приеме бита информации практически такой же, как и при воздействии шумовой помехи на основной канал БЫ) с РНЗБ.

При оценке воздействия гармонической помехи на БЯО с РНББ необходимо учитывать не только ее мощность, но и разность фаз между ней и сигналом. Если фазовый сдвиг между сигналом и гармонической помехой равен 9, то мощность результирующего сигнала может быть найдена исходя из выражения:

В наихудшем случае, когда мощность помехи от РЭС, воздействующая на с РШБ и двоичной ЧМ, соизмерима с мощностью полезного сигнала р^ ~ 1, а их частоты равны шп = а>„ мощность результирующего сигнала, в зависимости от разности фаз 9, может меняться в пределах 0 < < 4. При этом разность между максимальным и минимальным значениями средней вероятности ошибки может достигать несколько порядков.

Произведена оценка влияния гармонических помех на БШ) с РНБЗ и М-ичной ЧМ. Показано, что, так же как и при воздействии шумовой помехи, при воздействии гармонической помехи на канал БШЭ с РНББ и А/-ичной ЧМ по которому ведется передача, помехоустойчивость БМЭ возрастает с увеличением размера алфавита сигнала М, при постоянной скорости передачи символов и энергии сигнала на информационный бит. Так, по сравнению с двоичной ЧМ (М = 2), при М=4 помехоустойчивость увеличивается примерно на 2 дБ, а при М-8 - почти на 3 дБ.

Произведена оценка влияния комбинированной (шумовой и гармонической) помехи на БМ) с РНББ и ЧМ. Средняя вероятность ошибки в приеме бита информации, в этом случае, может быть найдена исходя из выражения:

Рх ~ + (21р„0,5)со%& + д"1).

В случае воздействия иа Б1Ш с РИББ и двоичной ЧМ комбинированной помехи, помехоустойчивость ЭЫЭ мало отличается от случая, когда воздействует только шумовая или только гармоническая помеха (рис. 3).

1

■5

I 0,1

О

¡5

0 0,01 х

1

& 0,001 ш

I 0,0001

о а о

0,00001

0 5 10 15 20 25

ОСП, дБ

-1 - комбинированная 4

-2 - шумовая

гармоническая

Рис. 3. Зависимость средней вероятности ошибки на бит информации от ОСП, при ОСШ = 13 дБ, при воздействии на основной канал: 1 - комбинированной помехи; 2 - только шумовой помехи; 3 - только гармонической помехи

Разница будет ощущаться лишь при относительно небольших значениях ОСП. По мере увеличения ОСП она практически сводится к нулю.

Произведена оценка влияния помех от РЭС на системы 81Ш с РНББ, двоичной ЧМ и блоковым кодированием. Показано, что применение простых двоичных блоковых кодов приводит к повышению помехоустойчивости двоичных БШЭ с РНББ и случайной ЧМ. Так, применение кода Хэмминга (7,4), в условиях воздействия наихудшей шумовой помехи (рь = Ук'х), позволяет повысить ОСШ примерно на 8 дБ при средней вероятности ошибки в приеме бита информации ^БХ тахосн Ю И ОКОЛО 12 дБ при /'¿■¿так ое, = Ю (рИС. 4).

Штриховыми линиями, на рис. 4 представлена зависимость Рв.тт.оси °т ОСШ при воздействии наихудшей шумовой для БЫ) с РНББ и двоичной ЧМ без кодирования, когда относительная скорость кода Ук = 1. Штрих-пунктирные линии соответствуют средней вероятности ошибки в приеме бита информации Рб о.осн при отсутствии помех.

ч

ф

а. х

и 2

г|

х а V о

0,1

0,01

0,001

5 I 0,0001

по 2 п

X

0

1 0,00001

0,000001

10 15 20 25

* -

\\ « « ч.

\ 1 Ч4! NN

\ \

\ % ж

ОСШ.дБ

►"-Код Хемминга (7,4) —Код БЧХ (15,7) Рб.0

-Код Голея (23,12) ' — РЬ.шах.осн

Рис. 4. Зависимости максимальной средней вероятаоста ошибки в приеме бита информации от ОСШ при воздействии наихудшей шумовой помехи

Применение кодирования с исправлением ошибок, в условиях воздействия наихудших гармонических помех, позволяет значительно повысить помехоустойчивость ЯИЭ с РНББ и случайной ЧМ.

В четвертой главе осуществлен расчет защитного расстояния беспроводных устройств малого радиуса действия от помех РЭС.

При осуществлении расчетов считалось, что на системы вМ) с РНББ, воздействуют помехи от РЭС также использующие скачкообразную перестройку частоты. Были получены зависимости вероятности появления внутриканаль-ной помехи от величины рабочего цикла и числа источников помех РЭС. Показано, что вероятность внутриканальной помехи увеличивается не только с ростом числа РЭС, но и с увеличением их рабочего цикла.

В результате математического моделирования, были получены зависимости минимально допустимых значений ОСШ и защитного расстояния (рис. 5) для БЯБ от величины рабочего цикла мешающих РЭС, при различных значени-

ях мощности, их передатчиков Рпср, для наихудшего случая, когда на пути мешающего сигнала отсутствовали какие-либо препятствия.

Рабочий цикл, % —Рпер = 4 Вт 3Вт--2 Вт -"—0,5 Вт —*—0,1 Вт

Рис. 5. Зависимости защитного расстояния для БЫ) с РЫБ8 от величины рабочего цикла РЭС, при различных значениях мощности его передатчика

Было показано, что с увеличением рабочего цикла РЭС, для недопущения блокировки приемных БМ) должны возрастать не только значения ОСШ, но и защитные расстояния.

При совместном функционировании РЭС и 51Ш необходимо учитывать не только направление главного лепестка диаграммы направленности приемопередающих антенн РЭС, но и их боковых лепестков. Для бокового лепестка РЭС со 100%-м рабочим циклом, защитное расстояние от помех, воздействующих на 81Ф, при одной и той же мощности мешающего сигнала, может быть уменьшено в 3 раза, при блокировании - более чем в 5 раз.

Осуществлен расчет вероятности появления интермодуляционных помех от РЭС работающих в полосе частот БИО с РШБ. Показано, что с увеличением плотности РЭС возрастает как вероятность суммарных интермодуляционных помех создаваемых 81Ф, так и вероятность интермодуляционных помех создаваемых самими БЫ} радиоэлектронным системам, причем она за-

висит прямо пропорционально от мощности передающих устройств создающих эти помехи, и обратно пропорционально от мощности устройств, которым эти помехи создаются.

На рис. 6. представлена зависимость вероятности появления ингермоду-ляционных помех от числа РЭС т?эс начинающих одновременно работать, приводя к появлению интермодуляционных помех, при различном количестве А/рэс мешающих РЭС, находящихся внутри защитного интервала 81Ш с РНББ.

0,1

к °-01

к

I

е 0,001 0,0001 0,00001

3 4 5 6 7 8 9 10 11

X. \] X

X \ \ \

> \ к л \

\ V \ ч

Число мешающих устройств [—*—М[РЭС) = 64 —»—32 —О—1С -»<—8

Рис. 6. Зависимость вероятности появления иатермодуляционньк помех от числа одновременно работающих мешающих РЭС

Было показано, что вероятность суммарных интермодуляционных помех напрямую зависит как ог 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 появления суммарных интермодуляционных помех.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении содержатся материалы внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке методов повышения эффективности беспроводных устройств малого радиуса действия в условиях интенсивного воздействия внешних помех.

При решении поставленных задач получены результаты, на основании которых можно сделать следующие выводы:

1. Получены выражения для нахождения напряженности поля на входе БМЗ в условиях многолучевого распространения радиоволн при размещении 8МЭ, как на открытом пространстве, так и внутри закрытого помещения. Результаты расчетов показывают, что характер колебания напряженности существенно зависит от высоты расположения 8ШЭ, а поляризация волны сказывается лишь на амплитуде колебаний.

2. Предложены критерии размещения 81Ф в пикосети, позволяющие определить место его размещения таким образом, чтобы в максимальной степени использовать его энергетику и обеспечить устойчивую работу в заданной зоне обслуживания.

3. Произведена оценка влияния шумовых и гармонических помех на

с РНББ и ЧМ. Показано, что если на с РНЗБ воздействуют гармонические помехи с частотой равной частоте сигнала и равномерной распределенной фазой, то характер изменения средней вероятности ошибки в приеме бита информации практически такой же, как и при воздействии на 81Ш с РН88 шумовой помехи.

При оценке воздействия гармонической помехи на 81Ш с РШ8 необходимо учитывать не только ее мощность, но и разность фаз между ней и сигналом. Если ОСП близко к единице, то разность между максимальным и минимальным значениями средней вероятности ошибки может достигать несколько порядков.

4. Произведена оценка влияния шумовых и гармонических помех на БИ) с РН58 и М-ичной ЧМ. Показано, что, так же как и при воздействии шумовой помехи, при воздействии гармонической помехи на ЗЯБ с ЕШв и М-ичной ЧМ по которому ведется передача, помехоустойчивость 81Ш возрастает с увеличением размера алфавита сигнала М, при постоянной скорости передачи символов и энергии сигнала на информационный бит. Так, по сравнению с двоичной ЧМ (А/= 2), при М= 4 помехоустойчивость увеличивается примерно на 2 дБ, а при М = 8 - почти на 3 дБ.

5. Произведена оценка влияния помех от РЭС на системы БЯЕ) с РНЗЭ, двоичной ЧМ и блоковым кодированием. Показано, что применение даже простых двоичных блоковых кодов приводит к повышению помехоустойчивости ЭМ). Так, применение кода Хэмминга (7,4), в условиях воздействия наихудшей шумовой помехи, позволяет повысить ОСИ! примерно на 8 дБ при средней вероятности ошибки в приеме бита информации Ю"3 и около 12 дБ при 10"4. Применение кода Голея (23,12), кодирования с исправлением ошибок, при средней вероятности ошибки в приеме бита информации 10"3 и тех же условиях, обеспечивает выигрыш уже около 10 дБ.

6. Осуществлен расчет вероятности появления внутриканальных помех в пикосетях 5ГШ с РШБ при работе в зоне их действия мешающих РЭС. Показано, что вероятность появления внутриканальных помех в пикосетях увеличивается не только с ростом численности мешающих РЭС, но и с увеши-чением их рабочего цикла.

7. Получена методика расчета защитного расстояния от помех РЭС, приводящих к блокированию БЫ) с РНББ. Показано, что с увеличением рабочего цикла РЭС, для недопущения блокировки БМ) должны возрастать не только значения ОСШ, но и защитные расстояния.

При совместном функционировании РЭС и БШЗ необходимо учитывать не только направление главного лепестка диаграммы направленности приемопередающих антенн РЭС, но и их боковых лепестков. Показано, что для боко-

вого лепестка РЭС со 100%-м рабочим циклом, защитный интервал от помех, воздействующих на SRD, при одной и той же мощности мешающего сигнала, может быть уменьшен в 3 раза, при блокировании - более чем в 5 раз.

8. Осуществлен расчет вероятности появления интермодуляционных помех от РЭС работающих в полосе частот SRD с FHSS. Показано, что с уве-личёнием плотности РЭС возрастает как вероятность суммарных интермодуляционных помех создаваемых SRD, так и вероятность интермодуляционных помех создаваемых самими SRD радиоэлектронным системам, причем она зависит прямо пропорционально от мощности передающих устройств создающих эти помехи, и обратно пропорционально от мощности устройств, которым эти помехи создаются.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Корчагин В.А. Электромагнитная совместимость беспроводных устройств малого радиуса действия - Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2010. - №1, т.6 - С.З - 9,0,6 пл.

Публикации в других изданиях

2. Артюшенко В.М., Корчагин В.А., Малёнкин A.B. Расчет нагрузки кабеля при воздушной подвеске с учетом влияния внешних факторов. // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. - 2008. - №3(28). - С.18 - 20, 0,4 п.л. (в том числе лично автора 0,2 п.л.).

3. Артюшенко В.М., Корчагин В.А., Енютин К.А. Выбор кабельного оборудования с учетом их электротехнических характеристик. Вестник МГУС / Научный журнал. - М., 2008. - №1. - С.55 - 58, 0,4 п.л. (в том числе лично автора 0,2 пл.).

4. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Схемы подключения управляющего и измерительного оборудования в системах автоматизации жизнеобеспечения зданий. - Электротехнические и информационные комплексы и системы-2009. - №3, т.5, - С.З -11,1,0 пл. (в том числе лично автора 0,8 пл.).

/

5. Коёкин В.А., Корчагин В.А. Защита от помех управляющего и измерительного электрооборудования системы автоматизации жизнеобеспечения зданий. - Электротехнические и информационные комплексы и системы. №3, т.5, 2009. - С.12 - 18,0,9 п.л. (в том числе лично автора 0,6 пл.).

6. Отчет о НИР. Разработка новых математических и методологических подходов к созданию информационных технологий в системах управления коммуникационной инфраструктуры «интеллектуальных зданий. J Руководитель темы Артюшенко В.М., № Г.Р. 01200902038., ФГОУВПО «РГУТиС», - М.: 2009 г. // Артюшенко В.М., Шелухин О.И., Тенякшев AM., Симонян А.Г., Корчагин В.А., Коёкин В.А., Столяров П.Н., Чередилин И.Н. - 4,5 пл. (в том числе лично автора 0,6 пл.).

7. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Анализ особенностей распространения радиоволн в пикосетях беспроводных устройств малого радиуса действия. // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2009. - №4(31). - С.32 -37, 0,8 пл. (в том числе лично автора 0,6 пл.).

8. Корчагин В.А., Артюшенко В.М. Проблемы электромагнитной совместимости цифрового электротехнического оборудования на промышленных и бытовых объектах // Научный журнал. Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2009. - №4 (11). - С.95 - 98,0,4 пл. (в том числе лично автора 0,2 пл.).

КОРЧАГИН ВАСИЛИЙ АРКАДЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Печатается в авторской редакции

Лицензия ИД № 04205 от 06.03.2001 г.

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет туризма и сервиса» (ФГОУВПО «РГУТиС») 141221, Московская обл., Пушкинский р-он, пос. Черкизово, ул. Главная, 99

Сдано в производство 29.04.2010 Объем 1,0 пл. Формат 60x84/16

Тираж 120 экз. Изд. №29 Заказ 29

© ФГОУВПО «РГУТиС», 2010

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБМЕНА ДАННЫМИ.

1.1. Применение беспроводных технологий в системах автоматизации производственных и офисных помещений.

1.2. Сравнительный анализ технологий беспроводной передачи данных Bluetooth, WiFi, ZigBee.

1.2.1. Технология беспроводной передачи данных Bluetooth.

1.2.2. Технология беспроводной передачи данных WiFi.

1.2.3. Технология беспроводной передачи данных ZigBee.

1.3. Анализ особенностей распространения радиоволн в пикосетях.

1.4. Существующие подходы для расчета зоны обслуживания в пикосетях

1.5. Постановка задачи исследования.

1.6. Выводы по первой главе.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПИКОСЕТИ SRD.

2.1. Общие положения.

2.2. Отражение волн и их прохождение через препятствия.

2.3. Работа пикосетей SRD на открытой местности.

2.4 Работа пикосетей SRD внутри помещения

2.5 Оптимизация размещения SRD в беспроводной пикосети.

2.6. Выводы по второй главе.

3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА БЕСПРОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ

3.1. Влияние шумовых помех РЭС на беспроводные устройства малого радиуса действия.

3.1.1. Влияние шумовых помех на SRD с FHSS и ЧМ.

3.1.2. Влияние шумовых помех на SRD с FHSS и Л4-ичной ЧМ.

3.2. Влияние гармонических помех от РЭС на беспроводные устройства малого радиуса действия

3.2.1. Влияние гармонических помех на SRD с FHSS и ЧМ.

3.2.2. Влияние гармонических помех на SRD с FHSS и М-ичной ЧМ

3.2.3. Влияние комбинированной (шумовой и гармонической) помехи на SRD с FHSS и ЧМ.

3.3. Влияние помех от РЭС на беспроводные устройства малого радиуса действия с FHSS, двоичной ЧМ и блоковым кодированием.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. РАСЧЕТ ЗАЩИТНОГО РАССТОЯНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ ОТ ПОМЕХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ.

4.1. Расчет защитного расстояния от внутриканальных помех в пикосетях SRD с FHSS.

4.2. Расчет защитного расстояния от блокирования в пикосетях SRD с FHSS.

4.3. Расчет защитного расстояния в пикосетях SRD с FHSS с учетом боковых лепестков диаграммы направленности мешающих РЭС.

4.4. Расчет вероятности интермодуляционных помех в пикосети SRD с FHSS.

4.5. Выводы по четвертой главе.

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.

Объектом исследования являются беспроводные устройства малого радиуса действия.

Предметом исследований являются методики повышения эффективности беспроводных устройств малого радиуса действия.

Целыо диссертационной работы является повышение эффективности беспроводных устройств малого радиуса действия в условиях интенсивного воздействия внешних помех.

В соответствии с этим, были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ особенностей распространения радиоволн и оценка существующих подходов расчета зоны обслуживания в пикосетях SRD;

2. Разработка методики расчета и оптимизации энергетических параметров пикосети SRD;

3. Разработка методики расчета оценки влияния помех от РЭС на SRD;

4. Разработка методики расчета защитного расстояния для SRD от помех РЭС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета зон уверенной работы SRD в пикосети в зависимости от технических характеристик SRD и условий приема;

2. Разработана методика оценки влияния помех на SRD от РЭС, находящихся в зоне их действия.

3. Разработана методика расчета защитного расстояния для SRD от помех РЭС, приводящих не только к появлению внутриканальных и интермодуляционных помех, но и блокированию SRD.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Предложена методика, позволяющая рассчитать энергетические параметры пикосети SRD, найти наиболее экономичный вариант ее построения в зависимости от технических характеристик SRD и условий приема;

2. Предложены критерии размещения SRD в пикосети, позволяющие в максимальной степени использовать не только их энергетику, но и обеспечить их устойчивую работу в заданной зоне обслуживания.

3. Предложена методика, позволяющая рассчитать защитные расстояния от помех РЭС, находящихся в зоне действия SRD. Получены зависимости вероятности появления внутриканальных и интермодуляционных помех от величины рабочего цикла и числа источников помех в зоне действия SRD.

Методы исследования основываются на использовании методов теории вероятностей, теория случайных процессов, математической теории поля, математической статистики, статистической радиотехники, математического моделирования на ПК.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждена строгостью применяемых математических методов, рецензированием работ, опубликованных в центральной печати, согласованием основных теоретических научных положений с результатами имитационного моделирования.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета зон уверенной работы SRD в пикосети при различных условиях распространения сигнала;

2. Методика расчета оценки влияния помех на SRD от РЭС, находящихся в зоне их действия.

3. Методика расчета вероятности появления внутриканальных и интермодуляционных помех в пикосетях SRD.

4. Методика расчета защитного расстояния для SRD от помех РЭС, приводящих к появлению внутриканальных и интермодуляционных помех, а также к блокированию SRD.

Научные результаты и практические рекомендации реализованы в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» (ФГОУВПО

РГУТиС»), в том числе по ЕЗН Федерального агентства по образованию РФ (РГУТиС - 1.6.09 № ГР. 01200902038) «Разработка новых математических и методологических подходов к созданию информационных технологий в системах управления коммуникационной инфраструктуры «интеллектуальных зданий». Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Группа СпецБизнесПроект», что подтверждается актом о внедрении.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритмов и программ используются в учебном процессе ФГОУВПО «РГУТиС» по дисциплинам «Проектирование информационных систем», «Электронные информационные системы и организация каналов связи», «Организация сетей мобильной связи», «Информационные сети», «Беспроводные технологии в информационных системах», а так же в дипломных проектах, что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 13-й, 14-й Международной научно-технической конференции «Наука - сервису» (Москва, 2008 - 2010 гг.); на 4-й, 5-й Межвузовской научно-практической конференции «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем» (Москва, 2008 - 2010 гг.); на заседаниях кафедры ФГОУВПО «РГУТиС» «Информационные системы» (Москва, 2008 -2010 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна работа в рецензируемом журнале из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 122 наименования и приложения. Основной текст работы изложен на 139 страницах машинописного текста, поясняется 67 рисунками и 6 таблицами. В приложении объемом 2 страницы содержатся материалы внедрения результатов диссертационной работы.

4.5. ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1. Осуществлен расчет уровней внутриканальных помех приемных SRD с FHSS при работе в непосредственной близости от мешающих РЭС. Получены зависимости вероятности внутриканальной помехи от величины рабочего цикла и числа источников помех РЭС. Показано, что вероятность внутриканальной помехи SRD с FHSS увеличивается не только с ростом численности РЭС, но и с увеличением их рабочего цикла.

2. Получена методика расчета защитного расстояния от воздействующих помех, приводящих к блокированию приемных SRD с FHSS. Показано, что с увеличением рабочего цикла РЭС, для недопущения блокировки приемных SRD с FHSS должны возрастать не только значения ОСШ, но и защитные расстояния.

3. Показано, что при совместном функционировании РЭС и SRD с FHSS необходимо учитывать не только направление главного лепестка диаграммы направленности приемопередающих антенн РЭС, но и их боковых лепестков. Показано, что для бокового лепестка РЭС со 100%-м рабочим циклом, защитный интервал от помех, воздействующих на SRD с FHSS внутри канала, при одной и той же мощности мешающего сигнала, может быть уменьшен в три раза, при блокировании — более чем в пять раз.

4. Осуществлен расчет вероятности появления интермодуляционных помех от РЭС в рабочей полосе частот SRD с FHSS. Показано, что в общем случае с увеличением плотности радиоэлектронного оборудования диапазона 2,45 ГГц вероятность суммарных помех, создаваемых как самими SRD с FHSS, так и РЭС, возрастает. Причем, данная вероятность зависит прямо пропорционально 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 интермодуляционных помех.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке методов повышения помехоустойчивости беспроводных устройств малого радиуса действия в условиях интенсивного воздействия внешних помех.

При решении поставленных задач получены результаты, на основании которых можно сделать следующие выводы:

1. Получены выражения для нахождения напряженности поля на входе SRD в условиях многолучевого распространения радиоволн при размещении SRD, как на открытом пространстве, так и внутри закрытого помещения. Результаты расчетов показывают, что характер колебания напряженности существенно зависит от высоты расположения SRD, а поляризация волны сказывается лишь на амплитуде колебаний.

2. Предложены критерии размещения SRD в пикосети, позволяющие определить место его размещения таким образом, чтобы в максимальной степени использовать его энергетику и обеспечить устойчивую работу SRD в заданной зоне обслуживания.

3. Произведена оценка влияния шумовых и гармонических помех на SRD с FHSS и ЧМ. Показано, что если на основной канал SRD с FHSS воздействуют гармонические помехи с частотой равной частоте сигнала и равномерной распределенной фазой, то характер изменения средней вероятности ошибки в приеме бита информации практически такой же, как и при воздействии шумовой помехи на основной канал SRD с FHSS.

При оценке воздействия гармонической помехи на SRD с FHSS необходимо учитывать не только ее мощность, но и разность фаз между ней и сигналом. Если ОСП близко к единице, то разность между максимальным и минимальным значениями средней вероятности ошибки может достигать несколько порядков.

4. Произведена оценка влияния шумовых и гармонических помех на SRD с FHSS и М-ичной ЧМ. Показано, что, так же как и при воздействии шумовой помехи, при воздействии гармонической помехи на канал SRD с FHSS и М-ичной ЧМ по которому ведется передача, помехоустойчивость SRD возрастает с увеличением размера алфавита сигнала М, при постоянной скорости передачи символов и энергии сигнала на информационный бит. Так, по сравнению с двоичной ЧМ (М = 2), при М = 4 помехоустойчивость увеличивается примерно на 2 дБ, а при М- 8 — почти на 3 дБ.

5. Произведена оценка влияния помех от РЭС на системы SRD с FHSS, двоичной ЧМ и блоковым кодированием. Показано, что применение кода Хэмминга (7,4), в условиях воздействия наихудшей шумовой помехи, позволяет повысить ОСШ примерно на 8 дБ при средней вероятности ошибки в приеме бита информации 10"3 и около 12 дБ при 10~4. Применение кода Голея (23,12), кодирования с исправлением ошибок, при средней вероятности ошибки в приеме бита информации 10"3 и тех же условиях, обеспечивает выигрыш уже около 10 дБ.

6. Осуществлен расчет вероятности появления и уровней внутрика-нальных помех в пикосетях SRD с FHSS при работе в зоне их действия мешающих РЭС. Показано, что вероятность появления внутриканальных помех в пикосетях SRD с FHSS увеличивается не только с ростом численности мешающих РЭС, но и с увеличением их рабочего цикла.

7. Получена методика расчета защитного расстояния от помех РЭС, приводящих к блокированию SRD с FHSS. Показано, что с увеличением рабочего цикла РЭС, для недопущения блокировки SRD с FHSS должны возрастать не только значения ОСШ, но и защитные расстояния.

При совместном функционировании РЭС и SRD с FHSS необходимо учитывать не только направление главного лепестка диаграммы направленности приемопередающих антенн РЭС, но и их боковых лепестков. Показано, что для бокового лепестка РЭС со 100%-м рабочим циклом, защитный интервал от помех, воздействующих на SRD с FHSS внутри канала, при одной и той же мощности мешающего сигнала, может быть уменьшен в три раза, при блокировании — более чем в пять раз.

8. Осуществлен расчет вероятности появления интермодуляционных помех от РЭС работающих в полосе частот SRD с FHSS. Показано, что с увеличением плотности РЭС вероятность суммарных помех, создаваемых как самими SRD с FHSS, так и РЭС, возрастает, причем она зависит прямо пропорционально 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 появления суммарных интермодуляционных помех.

1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 364 с.

2. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами/ Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др.; Под ред. Г.И. Тузова. М.: Радио и связь, 1985.-264 с.

3. Адресные системы управления и связи. Вопросы оптимизации/ Г.И. Тузов, Ю.Ф. Урядников, В.И. Прытков и др.; Под ред. Г.И. Тузова. М.: Радио и связь, 1993. - 384 с.

4. Torrieri D.J. Principles of Secure Communication Systems. Dedham, M.A.: Artech House, Inc., 1985. 286 p.

5. Simon M.K., Omura J.K., Scholtz R.A., Levitt B.K. Spread spectrum communications, vol. 1. Rockvitte, Maryland: Computer Science Press Inc., 1985. - XVII+402 p.; vol. 2.-358 p.; vol. 3, - XIX+423 p.

6. Schleher D.C. Advanced Electronic Warfare Prnciples: Artech House, Inc., 1998.-382 p.

7. E. Waltz. Introduction to Information Warfare: Artech House, Inc., 1998. -288 p.

8. Lee J.S., French R.H., Miller L.E. Error-Correcting Codes and Nonlinear Diversity Combining Against Worst Case Partial-Band Noise Jamming of Frequency-Hopping MFSK Systems// IEEE Trans, 1988. vol. COM-36. - №4. - pp. 471 -478.

9. Борисов В.И., Зинчук B.M., Лимарев A.E. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. -М.: Радио и связь, 2000. 384 с.

10. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Немчилова А.В., Чаплыгина А.А. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станции ответных помех при подавлении систем радиосвязи. — М.: РадиоСофт, 2008. 362 с.

11. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. — М.: Эко-Трендз, 2005. 392 с.

12. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем: Учебное пособие / Бузов А.Л., Быховский М.А., Васе-хо Н. В., Волкова Ю.В. и др. М.: Экотрендз, 2006. - 372 с.

13. S. Shellhammer. Packet Error Rate of an IEEE 802.11 WLAN in the Presence of Bluetooth, IEEE P802.15 Working Group Contribution, IEEE P802.15-00/133r0, Seattle, Washington, May 2000.

14. G. Ennis. Impact of Bluetooth on 802.11 Direct Sequence. IEEE P802.ll Working Group Contribution, IEEE P802.11-98/319. September 1998.

15. J. Zyren. Reliability of IEEE 802.11 WLANs in Presence of Bluetooth Radios, IEEE P802.15 Working Group Contribution, IEEE P802.15-99/073r0, Santa Rosa, California, September 1999.

16. N. Golmie, F. Mouveaux, Interference in the 2.4 GHz ISM band: Impact on the Bluetooth access control performance, Proceedings of IEEE ICC, Helsinki, Finland, June 2001.

17. A. Kamerman. Coexistence between Bluetooth and IEEE 802.11CCK: Solutions to avoid mutual interference. IEEE P802.ll Working Group Contribution. IEEE P802.11-00/162r0. July 2000.

18. Howitt, V. Mitter, J. Gutierrez. Empirical Study for IEEE 802.11 and Bluetooth Interoperability, in IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), Spring 2001, May 2001.

19. D. Fumolari. Link Performance of an Embedded Bluetooth Personal Area Network. Proceedings of IEEE ICC'01, Helsinki, Finland. June 2001.

20. S. Zurbes, W. Stahl, K. Matheus, J. Haartsen, Radionetwork performance of Bluetooth. Proceedings of IEEE International Conference on Communications, ICC 2000, vol. 3, New Orleans, LA, June 2000, p. 1563 1567.

21. N. Golmie, Interference Aware Bluetooth Scheduling Techniques, IEEE P802.15 Working Group Contribution, IEEE P802.15-01/143r0, Hilton Head, NC, March 2001.

22. N. Golmie, F. Mouveaux, Interference in the 2.4 GHz ISM band: Impact on the Bluetooth access control performance, Proceedings of IEEE ICC, Helsinki, Finland, June 2001.

23. J. Lansford, R. Nevo, B. Monello, Wi-Fi (802.11b) and Bluetooth Simultaneous Operation: Characterizing the Problem, Mobilian White Paper, www.mobilian.com, September 2000.

24. J. Lansford, R. Nevo, E. Zehavi, MEHTA: A method for coexistence between co-located 802.11b and Bluetooth systems, IEEE P802.15 Working Group Contribution, IEEE P802.15-00/360r0, November 2000.

25. Автоматизация зданий. Обзор и сравнение технологий. http://www.armo-training.ru/article/.

26. Прохоров А. Цифровой дом завтрашнего дня // КомпьютерПресс. -2003.-№5. С.39 43.

27. H.R. Kranz. Коммуникационные системы для устройств автоматизации жизнеобеспечения зданий. // Вентиляция. Отопление. Кондиционирование. М. №1. 2003. С.88 - 90.

28. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Схемы подключения управляющего и измерительного оборудования в системах автоматизации жизнеобеспечения зданий. Электротехнические и информационные комплексы и системы. №3, т.5, 2009. С.З - 11.

29. Коёкин В.А., Корчагин В.А. Защита от помех управляющего и измерительного электрооборудования системы автоматизации жизнеобеспечения зданий. Электротехнические и информационные комплексы и системы. №3, т.5, 2009. С. 12 - 18.

30. Артюшенко В.М., Корчагин В.А., Малёнкин А.В. Расчет нагрузки кабеля при воздушной подвеске с учетом влияния внешних факторов. // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2008. №3(28). С. 18 20.

31. Артюшенко В.М., Корчагин В.А., Енютин К.А. Выбор кабельного оборудования с учетом их электротехнических характеристик. Вестник МГУС / Научный журнал. М., 2008. №1. С.55 - 58.

32. Опыт построения сети беспроводных датчиков для мониторинга систем ОВК зданий // АВОК. 2006. № 1.

33. Проблемы проектирования и эксплуатации беспроводных устройств функционирующих в нелицензируемом диапазоне ISM 2,4ГГц и пути их решения // Беспроводные технологии. 2006. № 3

34. Пахомов С. Технологии беспроводных сетей семейства 802.11 // КомпьютерПресс. -2003. -N5. С.66 81.

35. Чернобровцев A. Ethernet в промышленности. Предприятие. -Compiiterworld, № 32, 27.08.2000. http://www.opensystems.ru.

36. Гайкович Г.Ф. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики. Электронные компоненты, 2007, №10, С. 64.

37. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005.-591с.

38. Майская В. Беспроводные сенсорные сети. — Электроника: НТБ, 2005, №2, С. 18-22.

39. Баскаков С., Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы Meshlogic ТМ. Электронные компоненты, 2006, №8, С.65 - 69.

40. Баскаков С. С. Беспроводные системы сбора данных на базе радиочастотных модулей ML-Module-Z // Беспроводные технологии. 2009. № 1.

41. Vishnevslciy V.M. One approach to wireless multimedia sensor network design. International conferences. Proceeding, Barcelona, Information and telecommunication's technologies in intelligent systems, Mallorea Spain, 2007, p.8-11.

42. Akyildiz I.F. et.al. A survey on wireless multimedia sensor networks. -Computer networks, 0ct.2007, p.75-84.

43. ZigBee specification. ZigBee Document 053474r06, Version 1.0. 2005. http://www.zigbee.org/

44. Bluetooth specification, Version 2.0 + EDR. 2004. // http:// www. blue-tooth.com/

45. WiFi specification. 2006. http://www.wifi.com/pfaq.html

46. IEEE 802.11XX specification. 2005. http://www.ieee.org/portal/site

47. Агафонов Н. «OEM-модули Bluetooth на российском рынке», Современная электроника, 2005, №1. С. 42.

48. Алексеев В. «Готовые модули Bluetooth фирмы Bluegiga для системных интеграторов телеметрического оборудования». «Компоненты и технологии», 2004, № 7. С. 78.

49. Агафонов Н, Алексеев В. «Универсальные интерфейсы пользователя Bluetooth-модулей производства фирмы Bluegiga». «Компоненты и технологии», 2004, № 8. С. 56.

50. Алексеев В. «Проектирование Bluetooth устройств, с использованием модулей BlueGiga», «Беспроводные технологии», 2005, №1.

51. Беспроводной модуль ML-Module-Z: модель энергопотребления. http://www.meshlogic.ru/data/EnergyModelML-Module-Z.zip

52. Беспроводной модуль ML-Module-Z: Описание системы команд. http://www.meshlogic.ru/data/ML-Module-Z API Reference Guide.pdf.

53. Жиганов Е. Д., Красков С. Е., Мощевикин А. П. Исследование условий применимости приемопередатчиков стандарта nanoNET в беспроводных сетях датчиков // Беспроводные технологии. 2007. № 1,2.

54. Дмитриев С. А., Жиганов Е. Д., Мощевикин А. П. NanoNET-модуль с интерфейсом USB // Беспроводные технологии. 2008. №1.

55. Питер Рисеви. Путеводитель по стандартам на беспроводные ЛВС. Сети и системы связи Online (http://www.ccc. ru).

56. Беспроводные сети передачи данных. Радиооборудование. М.: СОМРТЕК, 2001.- 81 с.

57. Варгаузин В. Состояние и перспективы сетей Radio Ethernet диапазонов 2.4 и 5 ГГц // ТелеМультиМедиа, 2002, №5 (15), С. 18 20.

58. Radio Frequency Test Suite Structure (TSS) and Test Purposes (TP) System Specif! cation 1.2/2.0/2.0+EDR, March 21, 2005, Rev. 2.O.E. 3, Document Number RFTS/2.0.E. 3

59. Кессених В., Иванов Е., Кондратов 3. Bluetooth: Принципы построения и функционирования. Технико-консультационный центр «Эрикс-сон» (http://www.chipnews.ru).

60. Баскаков С. С. Стандарт ZigBee и платформа MeshLogic: эффективность маршрутизации в режиме «многие к одному» // Первая миля (приложение к журналу «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес»). 2008. №2-3.

61. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005.

62. Агафонов Н. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi //Беспроводные технологии. 2006. №1.

63. Байчаров С. Выбор технологии беспроводного обмена данными для решения задач автоматизации систем жизнеобеспечения офисно-производственных помещений // Беспроводные технологии. 2007. №2. С.59 — 61.

64. Соколов М., Воробьев О. Реализация беспроводных сетей на основе технологии ZigBee стандарта 802.15.4 // Компоненты и технологии. 2005. №2.

65. Specification of the Bluetooth System. Profiles. Bluetooth Specification Version 1.0 B, Vol. 2.

66. Мейтин M. Bluetooth: устройство всех стран соединяйтесь! . без проводов.// Электроника. №5, 2000. С. 14 22.

67. Bluetooth Specification. V. 1.1. part H:l. Host Controller Interface.

68. Haartsen J. The Bluetooth Radio Systems. IEEE Personal Communications, February 2000.

69. Haartsen J., Mattisson S. Bluetooth A New Low-Power Radio Interface Providing Short-Range Connectivity. - In: Proceedings of the IEEE, October 2000.

70. Miller В., Bisdikian С. Bluetooth Revealed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001.

71. Rodbell M. Bluetooth: Wireless Local Access, Baseband and RF Interfaces, and Link Managament. Communications System Design, March, April, May 2000.

72. Wilson J., Kronz J. Inside Bluetooth: Part I and Part II. Dr. Dobb's Journal, March, April 2000.

73. Кессених В., Иванов E., Кондратов 3. Bluetooth: Принципы построения и функционирования. Технико-консультационный центр «Эрикс-сон» (http://www.chipnews.ru).

74. Киселев В. Прорезался Bluetooth. Журнал «Мир ПК», №2, 2001 // Издательство «Открытые системы».

75. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 640 с.

76. Вишневский В., Ляхов А., Портной С., Шахнович И. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Эко-Трендз, 2005. -592 с.

77. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. — Спб.: Питер, 2006. 958 с.

78. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. — М.: Эко-Трендз, 2005. 384 с.

79. Рошан Педжман, Лиэри Джонатан. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. - 304 с.

80. Joint Proposal: High throughput extension to the IEEE 802.11 Standard: PHY. IEEE 802.11-05/1102r4.

81. Joint Proposal: High throughput extension to the IEEE 802.11 Standard: MAC. IEEE 802.11-05/1095r5.

82. Кривченко Т.И. Беспроводные сети компании Ember (ZiBee и EmberNet) для систем контроля и сбора данных. Беспроводные технологии N1,2005.

83. Пушкарев О. ZigBee в вопросах и ответах // Сайт Беспроводные технологии.

84. Материалы сайта: www.zigbee.org.

85. Кук К.И. Антенны в DECT системах / Электросвязь, - № 4. 1999. С. 65-69.

86. Рыбаченков В.В. Выбор площадок под строительство базовых станций сотовых сетей радиосвязей / Мобильные системы. № 3, 2000. С. 23 -26.

87. Маковеева М.М. Сигналы и помехи в системах подвижной радиосвязи: Учебное пособие / МТУСИ. М., 1999. - 35 с.

88. Григорьян И.В. Анализ электротехнических особенностей распространения радиоволн в пикосетях. Наука сервису: Сб. научных трудов. -МГУС филиал г. Сочи, 2004. С.73 - 75.

89. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: Радио и связь, 1989. 656 с.

90. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991. — 608 с.

91. Фенберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М. 1999.-76 с.

92. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. С англ. М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

93. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Анализ особенностей распространения радиоволн в пикосетях беспроводных устройств малого радиуса действия. // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2009. №4(31). С.32 37.

94. Волков JI.H., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебн. пособие. М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.

95. Robert Morrow. Bluetooth operation and use McGraw-Hill TELECOM. 2002.

96. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М., «Связь», 1972. 234 с.

97. Черникова E.JL, Чернышев О.В. Распространение радиоволн: Учебник для вузов связи. — М.: Радио и связь, 1984. — 272 с.

98. Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебн. пособие для вузов. — 3-е изд., перераб. И доп. -М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит. 1989. 544 с.

99. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Радиотехника». М.: Высш. Шк., 1992. -416 с.

100. Коняев А.К. Обеспечение радиопокрытия в DECT системах / Мобильные системы. №9, 1999. С.34 - 39.

101. Оценка воздействия ответных помех на системы радиосвязи с медленной ППРЧ/ В.И. Борисов, В.М. Зинчук, Н.П. Мухини др.// Теория и техника радиосвязи, 1994. Вып. 1. С. 3 - 19.

102. Torrieri D.J. Principles of Secure Communication Systems. Dedham, MA.: Artech House, Inc., 1985. 286 p.

103. Системы радиосвязи с расширением спектра сигналов (аналитический обзор)/ В.И. Борисов, В.М. Зинчук, В.И. Николаев и др.// Теория и техника радиосвязи, 1998.-Вып. 1. С. 18-48.

104. Blanchard J.E. A Slow Frequency-Hopping Technique That is Robust to Repeat Jamming// IEEE Milconf 82,Conf.Boston, 1982. V.l. - pp.14.1 -14.19.

105. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты./Под ред. В.И. Борисова. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.

106. Витерби А. Принципы когерентной связи: Пер. с англ./ Под ред.Б.Р. Левина. М.: Сов. Радио, 1970. - 392 с.

107. Torrieri D.J. Principles of Military Communication Systems. Dedham, MA.: Artech House, Inc., 1981. 306 p.

108. Диксон P.K. Широкополосные системы: Пер. с англ./ Под ред. В.И. Журавлева. -М.: Связь, 1979. 304 с.

109. Кларк Дж., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи: Пер. с англ./ Под ред. Б.С. Цыбакова. М.: Радио и связь, 1987.-392 с.

110. Torrieri D.J. The Information Bit Error for Block Codes// IEEE Trans, 1984/ - vol. COM-32. - №4. - P.474 - 476.

111. Портной C.A., Тузков A.E., Щаев О.И. Корректирующие коды в системах связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. //Зарубежная радиоэлектроника, 1988. №1, - С.26 — 43.

112. Васехо Н.В., Дудуки С.Н., Тихвинский В.О. Особенности использования и проблемы обеспечения ЭМС технологии BLUETOOTH // Мобильные системы. №4, 2002.

113. ERC Decision of 12 March 2001 on harmonized frequencies, technical characteristics and exemption from individual licensing of Non-specific Shot Range Devices operating in the frequency band 2400-2483.5 MHz (ERG/DEC/(01 )05).

114. Compatibility of Bluetooth with other existing and proposed Radio communication Systems in the 2.45 GHz frequency band. ERC Report 109, October 2001.

115. Корчагин В.А. Электромагнитная совместимость беспроводных устройств малого радиуса действия. — Электротехнические и информационные комплексы и системы. №1, т.7, 2010. С. 12 — 18.

116. Артюшенко В.М., М. Med Tayeb Laskri, Григорьян И.В. Организация связи и технические характеристики технологии Bluetooth. Информационные технологии в XXI веке. Материалы 5-й Международной научно-практической конференции. -М.: МГУС, 2003. С. 109 113.