автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка методики проектирования беспроводных локальных сетей с учетом ЭМС

Список обозначений.

Введение.

Глава 1: Анализ особенностей работы беспроводных локальных сетей стандарта 802.

1.1. Анализ беспроводных локальных сетей стандарта 802.

1.2. Проблемы ЭМС и методы их решения в WLAN.

1.3. Постановка задач.

Выводы по первой главе.

Глава 2: ЭМС в беспроводных локальных сетях стандарта 802.

2.1. Анализ задач по оценке ЭМС при проектировании беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.

2.2. Анализ технических требований к оборудованию WLAN.

2.3. Разработка алгоритмов работы для механизма резервирования среды передачи 62 Выводы по второй главе.

Глава 3: Разработка методики проектирования беспроводных локальных сетей, учитывающей ЭМС.

3.1. Определение базовых характеристик.

3.2. Анализ внутрисистемных помех.

3.3. Анализ взаимного влияния параметров и выбор режимов работы беспроводной сети.

3.4. Анализ межсистемной ЭМС.

3.5. Реализация беспроводной сети.

Выводы по третьей главе.

Глава 4: Разработка и экспериментальная проверка алгоритмов расчетов параметров WLAN, результаты внедрения.

4.1. Разработка алгоритмов расчетов параметров WLAN.Ill

4.2. Экспериментальная проверка алгоритмов расчетов.

Выводы по четвертой главе.

В России для построения беспроводных локальных сетей наибольшую популярность нашло оборудование стандартов 802.11 b и g. Эти технологии появились недавно: окончательная спецификация 802.1 lb вышла в 2001 году, а стандарт 802.1 lg был опубликован только в 2003 году. Частотный диапазон, используемый для таких сетей 2400.2483 МГц. Для внутриофисных сетей, работающих на этих частотах, не требуется получение лицензии. Преимуществами беспроводных локальных сетей стандартов 802.11 bug являются высокая скорость передачи данных (до 54 Мбит/с), простота и малое время развертывания сети, возможность мобильного доступа пользователей к сети, доступность и большой выбор оборудования. Благодаря своим преимуществам, беспроводные сети находят применение для организации локальных сетей в помещениях, построения сетей публичного доступа (Hot-Spot), организации беспроводного канала связи между зданиями, для построения корпоративных сетей.

Рост популярности беспроводных сетей приводит к увеличению числа источников помех в диапазоне 2,4 ГГц. Дополнительное мешающее излучение в этом диапазоне создает различное оборудование: беспроводные телефоны, Bluetooth-устройства, микроволновые печи. Сложная электромагнитная обстановка заставляет учитывать требования межсистемной ЭМС при проектировании беспроводных сетей.

Другая серьезная проблема беспроводных локальных сетей - это внутрисистемная ЭМС. При наличии в беспроводной сети хотя бы двух сот, начинают действовать внутрисистемные помехи. Их уровень значительно возрастает при числе сот более трех. Это связано с тем, что в нелицензируемом диапазоне частот, используемом оборудованием стандартов 802.11 b и g, можно разместить только три неперекрывающихся частотных канала. Поэтому приходится использовать один частотный канал сразу в нескольких сотах.

Для решения проблем ЭМС используются организационные и технические меры. Технические меры обеспечения ЭМС обусловлены изменением технических параметров РЭС (например, снижение уровней внеполосных и побочных излучений передатчиков, повышение избирательных свойств приемников, снижение уровней боковых лепестков диаграмм направленности антенн и др.). Они достаточно эффективны, но могут использоваться в основном при разработке новых типов оборудования. Для РЭС, находящихся в эксплуатации, наиболее приемлемыми и действенными мерами обеспечения ЭМС являются организационные меры. Они включают рациональное назначение рабочих частот, сочетаемое с введением частотных, территориальных, временных и пространственных ограничений, накладываемых на РЭС.

Существующие системы проектирования беспроводных локальных сетей используют алгоритмы расчетов зоны покрытия, позволяющие оцепить влияние особенностей местности, в которой развертывается беспроводная сеть, но не учитывают воздействие межсистемных помех и помех от соседних сот. Существующий механизм доступа к среде передачи предназначен для организации безконфликтной работы приемопередающих устройств внутри одной соты и уязвим для помех, создаваемых передающими станциями соседних сот.

Механизмы, заложенные в WLAN, ориентированы на организацию работы беспроводной сети внутри одной соты, а дополнительные меры (IEEE 802.11 h и к) эффективны в небольших сетях и лишь расширяют возможности проектировщика. Для защиты беспроводных локальных сетей WLAN от воздействия радиопомех необходимо создание методики проектирования беспроводных локальных сетей, учитывающей внутрисистемную и межсистемную ЭМС. Для оценки и уменьшения влияния радиопомех необходима разработка алгоритмов расчетов, позволяющие моделировать различные зависимости, существующие между параметрами WLAN и значениями уровней сигналов и помех в рецепторах WLAN. Для обеспечения внутрисистемной ЭМС между соседними сотами, работающими на одной территории па одинаковых (или перекрывающихся) частотных каналах, необходима разработка алгоритмов доступа к среде передачи, обеспечивающих безкопфликтпую работу приемопередатчиков соседних сот.

На основании проведенного анализа сформулирована цель диссертационной работы: повышение эффективности проектирования беспроводных локальных сетей. Повышение эффективности проектирования WLAN заключается в снижении уровней внутрисистемных помех между приемопередатчиками соседних сот, в повышении помехоустойчивости проектируемых беспроводных локальных сетей к внешним по отношению к WLAN помехам, в сокращении материальных и временных затрат на проектирование беспроводных локальных сетей.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи.

1. Проведение анализа характеристик и принципов работы беспроводных локальных сетей, проблем ЭМС и методов их решения, существующих в таких сетях.

2. Разработка алгоритмов работы механизмов доступа к среде передачи.

3. Разработка методики проектирования беспроводных локальных сетей, учитывающей проблемы ЭМС.

4. Разработка алгоритмов расчетов, позволяющих моделировать различные зависимости, существующие между параметрами WLAN.

5. Реализация разработанных методов и алгоритмов расчетов в программе расчета и их экспериментальная проверка.

В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода, математического моделирования, теория вероятности, теория электромагнитной совместимости, а также экспериментальные исследования.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 64 наименования и приложений. Объем работы без приложений 130 страниц.

Выводы по четвертой главе

1. На основе предлагаемой методики проектирования WLAN были разработаны алгоритмы расчетов, позволяющие моделировать различные зависимости, необходимые для проектирования беспроводной локальной сети. Разработанные алгоритмы расчетов внедрены в программу «Расчет беспроводных локальных сетей Wi-Fi (W-plane)». Ее использование позволит упростить расчет и сократить время проектирования WLAN.

2. Выполнены экспериментальные исследования по проверке разработанных методов и алгоритмов расчетов, подтверждена правомерность их применения в практике проектирования беспроводных локальных сетей.

Заключение

В работе сформулированы и решены следующие задачи.

1. Выполнен анализ характеристик и принципов работы беспроводных локальных сетей, проблем ЭМС и методов их решения, существующих в беспроводных локальных сетях, проанализирована эффективность их применения. Показано, что учет внутрисистемных и межсистемпых помех необходимо проводить на ранних стадиях проектирования беспроводных локальных сетей. Рассмотрены основные принципы оценки ЭМС радиосистем и сформулированы задачи по оценке ЭМС, которые необходимо решать при проектировании беспроводных локальных сетей.

2. Разработаны алгоритмы работы механизма резервирования среды передачи, позволяющие обеспечить бесконфликтную работу на одной территории нескольких сот, использующих один частотный канал.

3. Разработана методика проектирования беспроводных локальных сетей, позволяющая оценить уровни внутрисистемных и межсистемных помех, а также снизить их влияние.

4. На основе предлагаемой методики проектирования WLAN были разработаны алгоритмы расчетов, позволяющие моделировать различные зависимости, существующие между параметрами WLAN и значениями уровней сигналов и помех в рецепторах WLAN.

5. Разработанные алгоритмы расчетов реализованы в программе «Расчет беспроводных локальных сетей Wi-Fi (W-plane)». Выполнены экспериментальные исследования по проверке разработанных методов и алгоритмов расчетов, подтверждена правомерность их применения в практике проектирования беспроводных локальных сетей. Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании беспроводных локальных сетей различных компаний, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Практическая полезность работы состоит в том, что использование разработанной методики проектирования беспроводных локальных сетей с учетом ЭМС позволит снизить уровень внутрисистемных помех между приемопередатчиками соседних сот за счет рационального выбора параметров беспроводной локальной сети; повысить помехоустойчивость проектируемых беспроводных локальных сетей за счет учета межсистемных помех на ранних стадиях проектирования; снизить материальные и временные затраты па повторное проектирование за счет учета влияния радиопомех на ранних стадиях проектирования. Реализация разработанных алгоритмов расчетов в программе позволит сократить время и материальные затраты на проектирование WLAN за счет автоматизации вычислений, проводимых при проектировании. Использование в

WLAN разработанных алгоритмов работы механизма резервирования среды передачи позволит организовать безкопфлпктную работу па одной территории нескольких сот, использующих один частотный канал за счет разделения пропускной способности между взаимодействующими приемопередающими устройствами этих сот.

В разработанной программе «Расчет беспроводных локальных сетей Wi-Fi (W-plane)» реализован расчет различных конфигураций WLAN, отличающихся используемым оборудованием, типом и расположением антенн точек доступа. Интерфейс программы позволяет задавать значения различных параметров WLAN: скорость работы, радиус сот, характеристики приемников и передатчиков WLAN, КУ и ДП антенн, и т.д. По результатам расчетов строятся графики, демонстрирующие различные зависимости между параметрами беспроводной локальной сети и позволяющие рационально выбрать режимы работы WLAN.

Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании беспроводных локальных сетей компаний ЗАО «Компания СФТ» и ОАО «РосДорБапк». Акты внедрения представлены в приложениях.

Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭМ. Так, на основе предложенной методики оценки межсистемной ЭМС, разработано учебное пособие. Методические материалы используются в лекционных курсах и на практических занятиях по дисциплине "ЭМС и защита информации" для студентов 9-10 семестров групп Р и PC, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов по специальностям 200800 и 220500. Всего по дисциплине "ЭМС и защита информации" па тему «Межсистемная ЭМС» выполнено более 60 курсовых проектов.

1. IEEE 802.11, «Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications», 1997.

2. IEEE 802.11b, «Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band», 1999.

3. IEEE 802.11b, «Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band», Corrigendum 1, 2001.

4. IEEE 802.11a, «Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band», 1999.

5. IEEE 802.1 lg, «Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band», 2003.

6. Князев А.Д., «Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств», М., Радио и связь, 1984.7. «802.11 Wireless LAN Fundamentals», Pejman Roshan, Jonathan Leary, Cisco Press December 23, 2003.

7. Князев А.Д., Кечиев JI.П., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.

8. В.А.Григорьев, О.И.Лагутенко, Ю.А.Распаев, «Сети и системы радиодоступа», М., Эко-Трендз, 2005.

9. В.Г.Гавриленко, В.А.Яшпов, «Распространение радиоволн в современных системах мобильной связи», Нижний Новгород, 2003.

10. Дружественное разделение спектра, Майкл Си, Сети, #12/2004.

11. Единство в многообразии символов, Павел Иванов, Сети, #14/2004.

12. IEEE 802.11 Handbook: A Designer's Companion, Second Edition, Softcover, 2005.

13. IEEE Wireless Communication Standards: A Study of 802.11, 802.15, and 802.16, Todor Cooklev, Soflcover, 2004.

14. Krishna Sankar, Sri Sundaralingam, Andrew Balinsky, Darrin Miller, «Cisco Wireless LAN Security», Cisco Press, 2004.

15. Jim Geier, «Wireless Networks first-step», Cisco Press, 2004.

16. Jack Unger, «Deploying License-Free Wireless Wide-Area Networks», Cisco Press,2003.

17. Dcvin Akin, Jim Geier, «CWAP Certified Wireless Analysis Professional Official Study Guide (Exam PW0-300)», McGraw-Hill/Osborne, 2004.

18. Frank Ohrtman, Konrad Roeder, «Wi-Fi Handbook: Building 802.11b Wireless Networks», McGraw-Hill/Osborne, 2003.

19. Thomas Maufer, «Field Guide to Wireless LANs for Administrators and Power Users», Prentice Hall PTR, 2003.

20. Eric Ouellet, Robert Padjen, Arthur Pfund, Ron Fuller, Tim Blankenship, «Building a Cisco Wireless LAN», Syngress Publishing, Inc., 2002.

21. Christian Barnes, Tony Bautts, Donald Lloyd, Eric Ouellet, Jeffrey Posluns, David M. Zendzian, Neal O'Farrell, «Hack Proofing Your Wireless Network», Syngress Publishing, Inc., 2002.

22. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services // IEEE Trans. Veh. Technol. 1980. - V. 29. - № 3. - P. 317 325.

23. Jeffrey Wheat, Randy Hiser, Jackie Tucker, Alicia Neely, Andy McCullough «Designing a Wireless Network», Syngress Publishing, Inc., 2001

24. Брэдли Дапсмор, Тоби Скандьер, «Справочник по телекоммуникационным технологиям», М., Издательский дом «Вильяме», 2004.26. «Руководство по технологиям объединенных сетей», 3-е издание, М., Издательский дом «Вильяме», 2002.

25. И.Шахнович, «Современные технологии беспроводной связи», М., Техносфера,2004.

26. В.Д.Челышев, «Приемные радиоцентры», М., Связь, 1975.

27. Йогап Шиллер, «Мобильные телекоммуникации», М., Издательский дом «Вильяме», 2002.

28. Воскресенский Д.И., Гостюхип B.JI., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ. М. Издательство МАИ, 1999. - 528 е.: ил.

29. Перфилов О.Ю., Тележный Б.Г., Модель оценки вероятностно-временных показателей ЭМС систем подвижной радиосвязи. Электросвязь. 2001. №9. - М.: Радио и связь.

30. Смирнов Н.И., Сивов В.А., Караваев Ю.А. Методика оценки ЭМС сотовых систем связи с кодовым и временным разделением каналов. Электросвязь. 2001. №4. -М.: Радио и связь.

31. Шинаков Ю.С. Управление мощностью в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов. Электросвязь. 2001. №2 - М.: Радио и связь.

32. Апорович А.Ф., Березка М.В. Непреднамеренные радиопомехи и размеры ячеек сотовой связи. Электросвязь. 2000. №10 - М.: Радио и связь.

33. Никитин А.Н. Повышение эффективности систем CDMA методом адаптации шага регулирования мощности передатчиков подвижных станций. Электросвязь. 2000. №7 - М.: Радио и связь.

34. Ларин Е.А. Метод расчета функций распределения ослабления радиоволн при замираниях на интервалах радиорелейных линий. Электросвязь. 1998. №8 - М.: Радио и связь.

35. Бадалов A. JL, Михайлов А. С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС. Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.

36. Ларин Е.А. Расчет дифракционного ослабления на приземных трассах над пересеченной и горной местностью. Электросвязь. 1997. №1 - М.: Радио и связь.

37. Yacoub M.D. Foundations of mobile radio engineering. CRC Press.: Boca Raton, 1993. -481 p.

38. Lee W.C.Y. Mobile communications engineering. McGrow-Hill.:N.Y., 1982.

39. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ./ Под ред. В.И.Журавлева М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

40. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. У.К. Джейкса. М.: Связь. 1979.-520с.

41. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. 1114 с.

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

43. Дымович Н.Д., Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1974. 536 с.

44. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. Радио, 1972.-464 с.

45. Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн.-М.: Радио и связь, 1984.-272 с.

46. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1967. с.

47. Фейпберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.: АН СССР. 1961.-546 с.

48. Введенский Б.А., Аренберг А.Г. Вопросы распространения ультракоротких волн. М.: Сов. Радио, 1948.

49. White, Donald R. J. «А Handbook on Electromagnetic Interference and Compatibility», Volume 3. Gainesville, Va: Don White Consultants.

50. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи: Пер. с англ., вып. 3/ Под ред. А.Д. Князева. М.: Сов. радио, 1979.-464 с.

51. Кечиев J1.H., Степанов П.В. ЭМС: стандартизация и функциональная безопасность. -М.: МИЭМ, 2001.-82 с.

52. Вайштейп JI.J1. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. -440 с.

53. Письменный Д.Т., Конспект лекций но теории вероятностей и математической статистике. -М.: Айрис-пресс, 2004. -256 с.

54. Олифер В. Г., Олифер Н. А., Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, С.-П.: ИД Питер, 2001;

55. Кечиев J1.H., Тряпицын А.В. Межсистемная электромагнитная совместимость. Методические указания и задание к курсовой работе по дисциплине "ЭМС и защита информации". М. МИЭМ, 2002. -48с.

56. Тряпицын А.В. Методы управления влиянием межсистемпых ЭМП//Тез докл. пауч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М.: МИЭМ, 2002.

57. Тряпицын А.В. Анализ стандартов управления доступом к среде передачи в беспроводных локальных сетях стандарта 802.11 //Тез докл. науч.-техп. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М.: МИЭМ, 2003.

58. Тряпицын А.В. Особенности построения беспроводных локальных сетей //Тез докл. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. -М.: МИЭМ, 2004.

59. Тряпицын А.В. Анализ АЧХ оборудования беспроводных сетей //Тез докл. иауч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М.: МИЭМ, 2005.

60. Тряпицын А.В. Беспроводные радиосети. Тестирование существующей аппаратуры стандартов 802.1 la/b/g. //ЭМС и проектирование электронных средств: Сб. науч. трудов кафедры РТУиС МИЭМ под ред. Л.Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2004, с. 207.

61. Тряпицын А.В. Помехоустойчивость технологий Wi-Fi. //ЭМС, проектирование и технология электронных средств: Сб. науч. трудов кафедры РТУиС МИЭМ под ред. Л.Н. Кечиева. -М.: МИЭМ, 2004, с. 174- 178.

62. Тряпицын А.В., программа «Расчет беспроводных локальных сетей Wi-Fi (W-plane)», заявлена 15.11.2005, зарегистрирована 10.01.2006, регистрационный номер в Реестре программ для ЭВМ 200610206.