Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Аналіз якості передачі сигналу в безкабельних мережах
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Компютерних технологій автоматики та метрології
Факультет:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Кафедра:
Кафедра інформаційно-вимірювальної техніки (ІВТ)
Інформація про роботу
Рік:
2019
Тип роботи:
Дипломна робота
Предмет:
Комп’ютерні мережі та комунікації
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
НУЛП, каф. ЕОМ,
Бакалаврська кваліфікаційна робота на тему:
“Аналіз якості передачі сигналу в безкабельних мережах”
Анотація
В бакалаврській роботі досліджено метод підвищення якості сигналу. На сучасному етапі розвитку мережевих технологій, технологія бездротових мереж Wi-Fi є найбільш зручною в умовах, які вимагають мобільність, простоту установки і використання. Це стимулювало дослідження задач підвищення ефективності безпровідних систем передавання даних. Такі дослідження дозволили виявити, що користувачі з бездротовим доступом до інформації завжди і скрізь можуть працювати набагато більш продуктивно і ефективно, ніж їх колеги, прив'язані до дротових телефонних і комп'ютерних мереж. Проте рівень промислових завад дуже часто призводить до зниження ефективності мереж типу wi-fi. В результаті виникає задача підвищення якості сигналу безпровідних мереж, шляхом використання новітніх методів та засобів пов’язаних із високочастотними антенами все направленої та направленої дії.
Мета роботи: вирішення актуальної науково-технічної задачі розвитку методів підвищення якості сигналу на основі розробки теоретичних положень, методів і програмних засобів щодо використання високочастотних антен все направленої та направленої дії.
WI-FI, МЕРЕЖІ, БЕЗДРОТОВІ МЕРЕЖІ, СИГНАЛ, ПРОТОКОЛИ ПЕРЕДАЧІ ДАННИХ
SUMMARY
In the Bachelor’ the researcher of the method of signal quality. At the present stage of development of network technologies, wireless communication technology is very convenient, which requires mobilization, simplicity of installation and use. Evaluate the effectiveness of research on the efficiency of wireless data transmission systems. Such studies make it possible to find that users with continuous access to information can always work more productively and efficiently than their teams linked to internal telephone and computer networks. However, the level of industrial savings often leads to a decrease in the efficiency of networks such as wi-fi. As a result of testing the signal quality of wireless networks, the latest methods and means that have a high degree of exposure are used.
The purpose of the work: actual scientific and technical work of methods for assessing the quality of the signal based on the developed theoretical positions, methods and software tools for the use of high-quality antennas of popular and directional action. WI-FI, NETWORKS, NETWORK NETWORKS, SIGNAL, PROTOCOLS OF TRANSMISSION OF DATA
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ
АСК (АС Кnowledge) – короткий кадр підтвердження.
АР (Access Point) – точка доступу.
BSS (Basic Service Set) – базова зона обслуговування.
ССК (complementary code keying) – модуляція комплементарним кодом.
CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - множинний доступ з виявленням несучої і запобіганням колізій.
DCF (Distributed Coordination Function) - функції управління розподілені між усіма пристроями мережі.
DS (Distribution System) – розподільча система.
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - інститут інженерів з електротехніки та електроніки.
ISO (International Organization for Standardization) - Міжнародна організація зі стандартизації.
LLS (Logical Link Control) - підрівень управління логічного ланки.
L-LTF (Legacy Long Training Field) - довга підстроювальна послідовність.
L-SIG (Legacy OFDM Signal field ) – сигнал.
L-STF (Legacy Short Training Field) - коротка підстроювальна послідовність.
МАС (Media Access Control) - управління доступом до носія.
MCS ( Modulation and Coding Scheme) – кодово-модуляційна схема.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) - множина входів множина виходів.
MISO (Multiple Input Single Output) - множина входів єдиний вихід. MU-MIMO ( Multi-user MIMO) – багато множинний доступ.
OFDM (OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing)- мультиплексування з ортогональним частотним розділенням каналів.
OSI (Open Systems Interconnection) - модель взаємодії відкритих систем.
PBCH (Physical Broadcast Channel) – фізичний канал передачі мовної інформації.
PCF (Point Coordination Function) – функції управління, зосереджені в одній певній точці доступу.
PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) - фізичний канал передачі формату, який використовується для канала PDCCH.
PDCCH (Physical Downlink Control Channel) - фізичний канал керування "вниз".
PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channe) – фізичний канал для передачі HARQ ACK/NACK в відповідь при передачі інформації "вверх".
SISO (Single Input Single Output) – єдиний вхід єдиний вихід. S / N (signal/ noise) – сигнал/шум.
SU-MIMO (Single User-MIMO) – одно-користувацький МІМО. STBC (space-time block codes) - просторово-часові блокові коди.
TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) - протокол керування передачею / міжмережевий протокол.
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурно-амплітудна модуляція.
VHT (Very High Throughput) - дуже велика пропускна здатність.
Wi-Fi (Wireless Fidelity) - загальновживана назва для стандарту IEEE
802.11 передачі цифрових потоків даних по радіоканалах. ZF (Zero Forcing) – нульовий примус.
WLAN (wireless local area network) - безпровідні локальні мережі. БМПІ – безпровідні мережі передачі інформації.
ЛЗ – лінія зв’язку.
ЗМІСТ
ЗМІСТ 5
Вступ 6
1. АНАЛІЗ функціонування безпровідної мережі 7
1.1. Поняття бездротової мережі 7
1.2. Алгоритм функціонування бездротових мереж 16
1.3. Ресурсне забезпечення бездротових мереж 22
1.4. Спосіб позиціонування 25
2. ВИБІР ЗАСОБІВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ БЕЗДРОТОВОЇ МЕРЕЖІ 31
2.1. Вибір апаратних засобів 31
2.2. Алгоритм побудови безпровідної мережі 35
3. Розробка системи аналізу якості сигналу в бездротових мережах 41
3.1. Архітертурне проектуання 41
3.2. Моделювання розрахунку коефіцієнтів якості сигналу в бездротових мережах 44
3.3. Тестування програмного додатку 58
4. ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА 60
4.1 Розрахунок собівартості програмного продукту дипломного проекту 61
4.2 Розрахунок ціни програмного продукту дипломного проекту 64
4.3 Розрахунок реалізаційної ціни виробу 65
ВИСНОВКИ 66
Список використаної літератури 68
Додаток А 70
ВСТУП
Актуальність теми роботи. На сучасному етапі розвитку мережевих технологій, технологія бездротових мереж Wi-Fi є найбільш зручною в умовах, які вимагають мобільність, простоту установки і використання.
Це стимулювало дослідження задач підвищення ефективності безпровідних систем передавання даних. Такі дослідження дозволили виявити, що користувачі з бездротовим доступом до інформації завжди і скрізь можуть працювати набагато більш продуктивно і ефективно, ніж їх колеги, прив'язані до дротових телефонних і комп'ютерних мереж. Проте рівень промислових завад дуже часто призводить до зниження ефективності мереж типу wi-fi. В результаті виникає задача підвищення якості сигналу безпровідних мереж, шляхом використання новітніх методів та засобів пов’язаних із високочастотними антенами всенаправленої та направленої дії.
В дипломній роботі досліджено метод підвищення якості сигналу.
Мета роботи: вирішення актуальної науково-технічної задачі розвитку методів підвищення якості сигналу на основі розробки теоретичних положень, методів і програмних засобів щодо використання високочастотних антен всенаправленої та направленої дії.
Об’єкт досліджень – процес передачі інформації через безпровідні мережі розподілених комп’ютерних мереж.
Предмет дослідження – методи та засоби підвищення якості сигналу, які дозволяють збільшити його силу і тим самим підвищити завадостійкість безпровідних мереж.
Методи дослідження - математичне та комп’ютерне моделювання, статистична обробка результатів експерименту, методи підвищення якості сигналу завдяки рамочним направленим антенам.
Отримані результати:
1. Переглянуто існуючі методи та інформаційні технології підвищення якості сигналу у безпровідних системах передачі інформації;
2. Вдосконалено існуючі методи збільшення ефективності безпровідних мереж;
3. Реалізовано запропонований метод підвищення якості сигналу.
5. Проаналізовано та порівняно вартість антени промислового виробництва до антен власного виробництва.
1. АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ БЕЗПРОВІДНОЇ МЕРЕЖІ
1.1. Поняття бездротової мережі
Головна особливість БСМ − велика кількість вузлів (мотів), що покривають контрольовану область з певним ступенем рівномірності. Це дозволяє передавати інформацію від одного вузла до іншого і далі на базову станцію (БС), що заощаджує енергію. У більшості випадків БСМ являє собою багатокоміркову мережу, що має один вузол збору даних і управління.
Після розміщення мотів і встановлення БС починається процес ініціалізації мережі − самоорганізований перехід від неструктурованих до структурованих бездротових multi-hop мереж з ефективним рівнем доступу до середовища (MAC). Етап ініціалізації − це не тільки перший етап життя мережі, але і важливий процес, тому що у щойно розгорнутої мережі вузли не мають надійної інфраструктури для зв'язку. Вибір алгоритму маршрутизації − один з найскладніших питань, що вирішуються при проектуванні сенсорної мережі. По-перше, маршрутизація вимагає координації роботи всіх вузлів мережі. По-друге, алгоритм маршрутизації повинен справлятися з виходами з ладу вузлів шляхом перенаправлення трафіку і оновлення баз даних. По-третє, для досягнення найкращих результатів алгоритм маршрутизації повинен мати можливість змінювати маршрути при перевантаженні деяких областей мережі.
Згідно з однією з класифікацій, протоколи маршрутизації в БСМ поділяються на: рівномірні, ієрархічні і засновані на географічному розташуванні пристроїв.
Третього виду маршрутизації, заснованому на географічному розташуванні пристроїв, віддається перевага при реалізації БСМ з огляду на їх простоту і точність. Для забезпечення працездатності цих алгоритмів повинні бути відомі координати, що ще раз підтверджує актуальність теми дисертаційної роботи.
При реалізації методів позиціонування об'єктів БСМ необхідно враховувати: обмеженість системних ресурсів, щільність вузлів, неопуклі топології, перешкоди і фізичні особливості місцевості, організацію системи.
За протоколом 802.15.4, що є частиною стека протоколів ZigBee, використання методу RSSI є невід'ємною частиною мережних пристроїв. Вони мають протокольну функцію оцінки якості зв'язку (LQI), дія якої зводиться до визначення потужності прийнятого сигналу. Результат цього виміру можна вивести, відкалібрувати по деякій відомій відстані і оцінити дальність до джерела. Тому в мережі, побудованої на основі пристроїв стандарту 802.15.4, переважним алгоритмом є RSSI, так як всі приймачі цього стандарту апаратно підтримують цю можливість.
Результати аналізу роблять обґрунтованим висновок про те, що в даний час однозначного і універсального рішення задачі визначення відстаней/ координат в сенсорних мережах не існує, а тому ця область представляє інтерес для проведення подальших наукових досліджень.
Для передавання даних використовують смуги частот радіо- та ультракороткохвильового діапазону. Кожен радіомодем має антену та передавач для напрямленого передавання сигналів. Найпопулярнішими технологіями безпроводового передавання цього класу є:
радіо Ethernet (IEEE 802.11);
HIPERLAN;
Bluetooth.
IEEE 802.11 - це родина технологій безпроводового передавання в радіодіапазоні. Сьогодні найпопулярніша технологія стандарту IEEE 802.11b; вона дає змогу передавати дані зі швидкістю 11 Мбіт/с на відстань від кількох до десятків кілометрів. Вихідна швидкість залежить від рівня завад, обладнання. На базі IEEE 802.11b будують безпроводові локальні мережі Wireless LAN (WLAN)).
Група стандартів IEEE 802.11 фактично визначає фізичний та канальний рівень протоколів передавання. Стандарти відрізняються реалізаціями фізичних рівнів передавання, забезпечують різні швидкості.
IEEE 802.11 — початковий стандарт безпровідних локальних мереж, заснований на безпровідній передачі даних в діапазоні 2.4 ГГц. Підтримує обмін даними з швидкістю до 1 — 2 Мбіт/с.
IEEE 802.11а — стандарт безпровідних локальних мереж, заснований на безпровідній передачі даних в діапазоні 5 ГГц. Діапазон розділений на три непересічні піддіапазони. Максимальна швидкість обміну даними становить 54 Мбіт/с, при цьому доступні також швидкості 48, 36, 24, 18, 12, 9 і 6 Мбіт/с.
IEEE 802.11b — стандарт безпровідних локальних мереж, заснований на безпровідній передачі даних в діапазоні 2,4 ГГц. У всьому діапазоні існує три непересічні канали, тобто на одній території, не впливаючи один на одного, можуть працювати три різні безпровідні мережі. У стандарті передбачено два типи модуляції — DSSS і FHSS. Максимальна швидкість роботи становить 11 Мбіт/с, при цьому доступні також швидкості 5.5, 2 і 1 Мбіт/с.
Стандарт IEEE 802.11b був прийнятий в 1999 році як розвиток прийнятого раніше стандарту IEEE 802.11. Він також передбачає використання діапазону частот 2.4 ГГц, але тільки з модуляцією DSSS. Продукти стандарту IEEE 802.11b, що поставляються різними виробниками, тестуються на сумісність і сертифікуються організацією Wireless Ethernet Compatibility Alliance, яка більше відома під назвою Wi-Fi Alliance. Сумісні безпровідні продукти, що пройшли випробування за програмою «Альянсу Wi-Fi» можуть бути маркіровані знаком Wi-Fi.
IEEE 802.11b+ — покращена версія стандарту 802.11b у виконанні окремих виробників, що забезпечує підвищення швидкості обміну даними. У інтерпретації компанії Texas Instruments відрізняється від оригінального варіанту модуляцією PBCC (Packet Binary Convolutional Coding), подвоєною максимальною швидкістю (до 22 Мбіт/с).
IEEE 802.11g — стандарт безпровідних локальних мереж, заснований на безпровідній передачі даних в діапазоні 2.4 ГГц. Діапазон розділений на три канали. Для збільшення швидкості обміну даними при ширині каналу, схожій з 802.11b, застосований метод модуляції з ортогональним частотним мультиплексуванням (OFDM, Ortogonal Frequency Division Multiplexing), а також метод двійкового пакетного згорткового кодування PBCC (Packet Binary Convolutional Coding).
IEEE 802.11е (QoS, Quality of service) — додатковий стандарт, що дозволяє забезпечити гарантовану якість обміну даними шляхом перестановки пріоритетів різних пакетів; необхідний для роботи таких потокових сервісів як VoIP або IPTV.
IEEE 802.11i — стандарт, що знімає недоліки у сфері безпеки попередніх стандартів. 802.11i вирішує проблеми захисту даних канального рівня і дозволяє створювати безпечні бездротові мережі практично будь-якого масштабу.
IEEE 802.11n — сучасний стандарт безпровідних локальних мереж нового покоління, заснований на безпровідній передачі даних в діапазоні 2.4 ГГц. Стандарт 802.11n значно перевищує за швидкістю обміну даними попередні стандарти 802.11b і 802.11g, забезпечуючи швидкість на рівні Fast Ethernet; зворотно сумісний з 802.11b і 802.11g. Основна відмінність від попередніх версій Wi-Fi — додавання до фізичного рівня (PHY) підтримки протоколу MIMO (multiple-input multiple-output). Теоретична швидкість може складати 600 Мбіт/с
IEEE 802.11ас — новий стандарт безпровідних локальних мереж Wi-Fi на частотах 5-6 ГГц. Якщо обидва пристрої підтримують цю технологію, то швидкість обміну даними може бути більшою за 1 Гбіт/с (до 6 Гбіт/с 8x MU-MIMO). Стандарт передбачає використання до 8 антен MU-MIMO та розширення каналу до 80 або 160 МГц. 20 січня 2011 прийнята перша редакція версії 0.1, а вже 1 лютого 2013 редакція версії 5.0.
Радіо Ethernet може працювати і в двопунктових сполученнях, однак найчастіше в мережі наявні один або декілька пунктів доступу (Access points). Станції, обладнані адаптерами IEEE 802.11, передають дані через пункт(и) доступу. Отже, мережа має зіркову топологію. Пунктом доступу здебільшого є призначена станція, яка може бути сервером служб DHCP, NAT, DNS та обладнана потужною антеною. Така конфігурація типова для безпровідних локальних мереж.
Подібними до пунктів доступу є домашні шлюзи (residential gateways), які вирізняються простотою адміністрування та призначені для вирішення проблеми доступу в мережах "останньої милі".
Підрівень МАС координує доступ окремих станцій до пункту доступу. Він є спільним для всіх реалізацій. Стандарт IEEE 802.11 визначає два методи доступу до радіоканалу — DCF (Distributed Coordination Function) та PCF (Point Coordination Function). Метод DCF є головним та обов'язковим, PCF — додатковим.
Метод DCF — це модифікація методу доступу з контролем частоти-носія і виявлянням колізій (CSMA/CA). Як і в звичайному CSMA-методі доступу, станції чекають на вивільнення каналу перед початком передавання. Кожна станція має лічильник NAV, у якому записано час передавання поточного кадру. Кожна станція перед початком передавання обчислює прогнозований час передавання свого кадру на підставі його довжини та швидкості передавання. Цей час записують у заголовок кадру, звідки його читають усі інші станції, які й оновлюють свої NAV. Як і в CSMA-методі доступу, якщо спроба передавання була невдалою, то наступна спроба буде відкладена на випадковий проміжок часу.
Особливістю радіомереж є те, що приймач не може прослуховувати канал під час передавання. Тому він не в стані виявити колізію, як це відбувається в кабельних мережах IEEE 802.3. Тому станція, що приймає, підтверджує приймання кожного кадру. Якщо підтвердження не отримано через визначений тайм-аут, то відбувається наступна спроба передавання.
Для підтримки ізохронного передавання метод DCF може бути доповнений методом PCF, який є різновидом методу доступу з опитуванням. У цьому випадку тривалість передавання поділяють на періоди з конкуренцією та без неї. В період без конкуренції, пункт доступу опитує всі станції та дозволяє їм передавання. Це дає змогу забезпечити як синхронне, так і асинхронне передавання.
HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) розроблена Європейським інститутом стандартів з телекомунікаційних технологій (European Telecommunications Standards Institute). Вона є аналогом IEEE 802.11, який використовують у Європі, і буває таких різновидів:
HiperLAN/1 - швидкість до 20 Мбіт/с у діапазоні 5 ГГц;
HiperLAN/2 - швидкість до 54 Мбіт/с у діапазоні 5 ГГц.
Bluetooth – це інтерфейсна безпроводова технологія.
Діаметр мережі 10-30 м (у перспективі–100 м). Працює в багатопунктовому режимі, не обов'язково в зоні прямої видимості. Головне призначення – створення побутових мереж, приєднання мультимедійної периферії, побутової техніки: пральних машин, холодильників тощо.
Концепцію мережі Bluetooth розробила 1994 р. шведська фірма Ericsson. Назва технології походить від прізвиська, що його дали вікінгу Геральду Блатанду, який у X ст. об'єднав розрізнені землі, створивши Данське королівство.
В 1997 р. створено перші приймачі-передавачі. У 1998 р. сформовано групу SIG, у яку ввійшли Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. У 1999 p. випущено специфікації на обладнання.
У мережі Bluetooth використовують неліцензований частотний діапазон – 2.45 ГГц. Однак у цьому діапазоні працюють багато інших користувачів, і він має багато завад. Під час передавання даних відбувається псевдовипадковий перехід на іншу частоту (FHSS) – до 1600 разів за 1 с. Крім того, реалізовано часовий розподіл каналів. Отже, метод доступу в такій мережі гібридний – FHSS/TDD. Швидкість передачі даних по радіоканалу – 1 Мбіт/с. Такий підхід забезпечує кращий захист від завад.
Пристрої Bluetooth об'єднують у групи – пікомережі (piconets), що розташовані на невеликій ділянці (10—100 м) та використовують один частотний канал. У такій групі роботою мережі керує один пристрій. Кількість абонентів в одній пікомережі обмежена і складає не більше 79 абонентів. Окремі групи можна об'єднувати, утворюючи розподілені мережі (scatternet). Сусідні групи працюють на різних каналах, проте є пристрої, що належать одночасно двом сусіднім групам. Через них і відбувається сполучення.
Системи на базі інфрачервоних каналів відрізняються невеликою вартістю приймачів та передавачів (від 1.5 до 4.5 дол. США), високими швидкостями передавання. Однак інфрачервоні канали працюють тільки в умовах прямої видимості. Асоціація Infrared Data Communications розробила стандарт передавання інфрачервоним каналом зі швидкістю 115.2 Кбіт/с.
WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального безпровідного зв'язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від рабочих станцій і портативних комп'ютерів до мобільних телефонів). Заснована на стандарті, який також називають Wireless MAN.
WiMAX використовується для вирішення таких завдань:
• З'єднання точок доступу Wi-Fi один з одним і іншими сегментами Інтернету.
• Забезпечення безпровідного широкосмугового доступу як альтернативи виділеним лініям і DSL.
• Надання високошвидкісних сервісів передачі даних і телекомунікаційних послуг.
• Створення WiMAX систем для віддаленого моніторингу
WiMAX дозволяє здійснювати доступ до Інтернет на високих швидкостях, з набагато більшим покриттям, ніж у Wi-Fi мереж. Це дозволяє використовувати як технологію «магістральних каналів», продовженням яких виступають традиційні DSL- і виділені лінії, а також локальні мережі. В результаті подібний підхід дозволяє створювати масштабовані високошвидкісні мережі в межах міст.
Технологія VSAT (Very Small Aperture Terminal) використовує для передачі даних геостаціонарні супутники, розміщені над екватором Землі на висоті 40 тис. км. Наземні станції для зв'язку зі супутником застосовують еліптичні антени діаметром 3 м. Канал VSAT забезпечує швидкість передавання даних до 2 Мбіт/с, дає змогу реалізувати сполучення на великі відстані з переходом державних кордонів та сумірний за ціною з кабельними каналами такої ж перепускної здатності. Водночас цей канал відрізняється значними затримками передавання даних, зумовленими великою відстанню до супутника (затримка становить приблизно 250 мкс, тоді як для кабельних мереж – 15 мкс). Тому канал VSAT не можна використовувати у системах реального часу та оперативного зв'язку.
Оскільки вартість супутникового каналу велика, то постачальник послуг купує у власника супутника канал зв'язку великої ємності і продає частини перепускної здатності каналу. Отже, мережа з використанням ланок VSAT має зіркову структуру.
Системи низькоорбітальних супутників. Системи на базі низькоорбітальних супутників LEO (Low Earth Orbit), як і системи VSAT, для передавання використовують супутник. Супутник розміщено на висоті близько 100 км на звичайній, а не геостаціонарній орбіті. У цьому випадку зменшується затримка в передаванні даних. Крім того, вивести такий супутник на орбіту значно дешевше, ніж геостаціонарний. Водночас для підтримування постійного зв'язку треба використовувати велику кількість таких низькоорбітальних супутників.
Серед наявних проектів LEO можна виділити систему Iridium, яка використовує 66 супутників.
У першому варіанті передбачали, що в системі буде 77 супутників. Саме стільки електронів містить атом іридію. Пізніше виявилось, що достатньо 66. Однак назву вирішили залишити (назва елемента з 66 електронами диспрозію походить від латинського disprosius - важкодосяжний).
Корпорація Teledesic, власниками якої є Білл Гейтс та Грег Маккей, планує створити всесвітню систему передавання мультимедійної інформації на основі LEO-технології. Планують, що така мережа використовуватиме 840 супутників і надаватиме користувачам канали перепускної здатності від 62 Кбіт/с до 2 Мбіт/с.
Мережі LTE дозволяють досягнути більш високої швидкості передачі даних – 173 Мбіта/с. Крім того, розгортання LTE можливе на базі існуючих мереж мобільних операторів, тобто є дешевшим варіантом. В нашій країні, цей процес по прогнозах має розпочатися через 2-3 роки. Пропускна спроможність мереж четвертого покоління робить їх привабливими не лише для мобільного Internetу, але і для домашнього використання. Однак вирішальним фактором, який визначить успіх чи поразку мереж LTE будуть все ж запропоновані операторами тарифні плани.
Технологія
Стандарт
Використання
Пропускна спроможність
Радіус дії
WI-FI
802.11a
WLAN
54 Мбіт/с
до 100 м
802.11b
11 Мбіт/с
802.11g
108 Мбіт/с
802.11n
до 300 Мбіт/с
WiMAX
802.16d
WMAN
75 Мбіт/с
6-10 км
802.16e
Mobile WMAN
40 Мбіт/с
1-5 км
802.16m
WMAN,
Mobile WMAN
1000 Мбіт/с
100 Мбіт/с
Стандарт в розробці
Bluetooth
802.15
WPAN
11-55 Мбіт/с
до 100 м
Інфрачервоний порт
IrDa
WPAN
16 Мбіт/с
5 – 50 см
до 10 м (при односторонньому зв’язку )
Характеристики бездротових мереж Таблиця 1.1
1.2. Алгоритм функціонування бездротових мереж
Процедура формування різних варіантів структур бездротового сегмента виконується за схемою на рис. 1.1.
/
Рис. 1.1 Схема формування варіантів організації бездротового сегмента
Процеси інформаційного обміну в бездротовому сегменті характеризують групи параметрів
Пос = ( Ппг , Пиг , Птг ), (1)
де Пос – множина параметрів, що впливають на ефективність інформаційного обміну в системі, Ппг , Пиг , Птг – множини параметрів груп користувача, інформаційної та топологічної відповідно.
Найбільш впливовими вважаються такі параметри виділених груп:
Ппг = ( N, Tдоп ), (2)
де N – кількість користувачів з різними потоками замовлень, Tдоп – максимальна тривалість часу обслуговування замовлень;
Пиг = ( An , О, (tпреб пс ), (3)
де An – закон розподілення інтервалу часу надходжень замовлень для кожного користувача, О – середній інформаційний об’єм за одним зверненням, (tпреб пс – тривалість перебування замовлення у дротовому сегменті;
Птг= ( dn ), (4)
де dn – коефіцієнт ослаблення сигналу точки доступу для зони розташування користувача з мобільним терміналом.
Основні параметри, що характеризують технологію бездротової передачі:
Птех = ( V , N ), (5)
де Птех – множина параметрів технологічної групи, V – швидкість передачі даних.
Множина параметрів ПРБС процесу функціонування бездротового сегмента функціонально залежать від наведених вище параметрів:
ПРБС = f ( Пос, Птех ) = f ( N , Tдоп , An , О, (tпреб пс , dn , V ). (6)
Запропоновано представлення процесів функціонування бездротового сегмента на основі моделей системи масового обслуговування. Загальна схема функціонування бездротового сегмента показана на рис.2.
/
Рис. 1.2. Загальна схема функціонування бездротового сегмента
як системи масового обслуговування
Уведено штучне представлення інформаційного об’єму за одним зверненням користувача у вигляді рівноцінних «кадрів». Характеристики одноканального бездротового сегмента визначено таким чином: розподілення часу надходжень та обслуговування замовлень довільне, кількість приладів обслуговування – один, спосіб обслуговування – без втрат, дисципліна обслуговування черг – без пріоритетів.
Обґрунтовано доцільність використання апарату дослідження полінгових систем при циклічній обробці черг «кадрів» замовлень.
Визначені основні характеристики для кожного замовлення zn з метою імітаційного моделювання процесів функціонування бездротового сегмента для оцінки функціональної ефективності бездротового сегмента в інформаційній системі.
, (7)
де – час перебування замовлення в системі, – час очікування початку обслуговування, – час обслуговування, - час знаходження в перервному стані (при наявності декількох замовлень до системи).
При уведенні детермінованої величини ( тривалості виконання «кадру», можна представити обслуговування максимальною або середньою кількістю кадрів:
або , (8)
де (n - середня тривалість обслуговування замовлень ().
Технологія бездротової передачі впливає на тривалість обробки даних у залежності від віддаленості користувача від точки доступу. Урахування такого впливу визначено уведенням в модель коефіцієнту dn.
Тому
. (9)
Оскільки в системі в черзі можуть знаходитися q замовлень час очікування можна представити як
. (10)
Кожному з замовлень, що знаходяться на обслуговуванні в системі, по-чергово буде виділено «кадр» (, тому у стані переривання замовлення, що прийняте до системи на обслуговування буде знаходитися продовж часу
, (11)
де – кількість інших замовлень в системі, окрім zn на k-ом «кадрі» при виконанні n-ого замовлення;
– фіксована тривалість часу ( виконання k-го «кадра» замовлення zn ().
Таким чином
, (12)
а
. (13)
Схема запропонованої імітаційної моделі процесу функціонування бездротового сегмента в інформаційній системі показана на рис. 3.
Запропонована модель використовується при проведенні модельних експериментів для отримання кількісних та часових статистичних характеристик, що забезпечують проведення порівняльного аналізу та попереднього оцінювання варіантів проектних рішень при виборі раціональної структури бездротового сегмента.
1.3. Ресурсне забезпечення бездротових мереж
Розроблено модель енергоспоживання вузлів при різних режимах їх роботи, які дозволяють оцінити витрату енергоресурсу батареї для різних способів організації пошуку місця розташування вузла.
У роботі отримані співвідношення для визначення енергії, що витрачається на забезпечення виконання функцій вузлом мережі (передача, ретрансляція даних, позиціонування). Зокрема, для оцінки енергії, що витрачається крайовим вузлом за 1 ітерацію використовується (1), що ілюструється енергоциклограмою рис. 1.3 .
Рис. 1.3. Циклограма енергоспоживання мота при ретрансляції агрегованої інформації
/
/
/. (1.1)
де – струм, споживаний мотом за 1 цикл; – тривалість циклу; – кількість запитів за цикл; – час включення МК; – час включення передавача; – час включення приймача; – час вимірювання; – час очікування сигналу приймачем; – час прослуховування каналу; – час обробки інформації МК; – струм, споживаний в режимі сну; – струм, споживаний МК; – струм, споживаний передавачем; – струм, споживаний приймачем; – струм, споживаний АЦП; – кількість символів результату вимірювання; – кількість символів адреси; – кількість символів синхронізації; – кількість службових символів; – розрядність контрольної суми; – швидкість передачі інформації.
Наведено аналіз методу позиціонування RSSI за допомогою теорії оцінювання (нерівність Крамера-Рао), в результаті чого отримано залежність точності координат від кількості ітерацій − взаємодій мотів з БС, необхідних для отримання довірчої інформації про місцезнаходження вузлів, тобто багаторазової передачі, що тягне за собою збільшення енергоспоживання і часу.
Отримані співвідношення для знаходження нижньої межі дисперсії помилки локалізації Крамера-Рао для позиціонування з використанням квантованного RSSI, які дають можливість аналізувати вплив різних параметрів на величину дисперсії помилки розташування. Середньоквадратичне відхилення (СКВ) дисперсії помилки місця розташування:
- зменшується із збільшенням кількості рівнів квантування значення RSSI , поки не досягне певного значення;
- зменшується при збільшенні щільності мережі;
- збільшується від збільшення номера шару розташування маяків;
- збільшується зі збільшенням розміру мережі (якщо маяки не налаштовані в шарі, так що число зовнішніх вузлів і число внутрішніх вузлів збалансовані);
- зменшується від збільшення щільності маяків у межах до 30%.
Зазначені особливості наведених алгоритмів позиціонування та інших аспектів, що впливають на точність і ефективність визначення місця розташування, а також структура інформації доступною об'єкту в бездротової мережі (стандарту 802.15.4) дозволяють сформулювати основні вимоги до радіонавігаційної системи, призначеної для використання в сенсорній мережі:
- Первинне визначення координат об'єктів мережі має бути проведене вже на етапі розгортання (ініціалізації) мережі.
- Необхідність в оснащенні частки об'єктів мережі датчиками систем глобального позиціонування має бути мінімальною.
- Переважне використання об'єктом мережі даних, отриманих в результаті взаємодії з базовими станціями, об'єктами, на які не накладаються обмеження по енергоспоживанню (для зниження навантаження на мережу та підвищення її енергоефективності).
- Визначення й уточнення координат доцільно проводити одночасно в рамках суміщеного експериментального і аналітичного циклів, щоб не збільшувати число ітерацій між об'єктами мережі, тобто економити енергоресурс мотів (сенсорів).
- У польовий мережі сенсорів необхідну щільність розподілу об'єктів доцільно забезпечувати тільки виходячи з умов вирішення завдання зв'язаності мережі, а не з умов визначення координат (які є більш жорсткими, в тому числі і по рівномірності розподілу сенсорів).
- У процесі реалізації задачі визначення координат з необхідною точністю бажано використовувати тільки ті можливості, які представлені відкритими стандартами, протоколами, специфікаціями, додатками і апаратно-програмними платформами.
Значною мірою цим критеріям відповідає розроблений метод позиціонування з суміщеним експериментально-аналітичним циклом.
1.4. Спосіб позиціонування
Суть способу позиціонування полягає у визначенні коригуючих коефіцієнтів для пілот-сигналів від кожної БС шляхом порівняння відстаней, отриманих за методом RSSI і високоточним методом ToF. Тим самим зменшується систематична похибка, що виникає внаслідок неідеальності траси. Завдяки чому досягається необхідна точність визначення місця розташування вузлів за одну ітерацію (передача базовими станціями по одному пілот-сигналу). Отримати такий результат дозволило використання додаткових мотів, аналогічних мотам мережі. Через що зменшується ймовірність появи похибки через різнорідність характеристик приймачів, а просторове рознесення додаткових мотів відносно БС, на якій вони встановлені, зменшує вплив наслідків багатопроменевого поширення радіохвиль.
На основі способу позиціонування, сформульованих початкових умов і запропонованого алгоритму роботи та взаємодії елементів мережі на етапі ініціалізації (самоорганізації) була використана комп'ютерна модель для дослідження алгоритму визначення координат. Інтерфейс програми складається з полів для введення значень: кількість мотів, площа поля, додаткового загасання від БС А, В, C і D і максимальної випадкової похибки (рис. 1.4).
/
Рис. 1.4. Результат моделювання процесу позиціонування
Як видно на наведеному рис. 1.4 відхилення обчислених координат в середньому становить 40,74 м. Це підтверджує дані, що наводяться в літературних джерелах про те, що у відкритому просторі точність методу RSSI становить приблизно (відстані). З цієї особливості RSSI очевидна залежність точності (СКВ обчислених координат) від площі поля (рис. 1.5). Залежність СКВ координат від величини максимальної випадкової похибки за методом RSSI (обчислених) і після корекції представлена на рис. 1.6.
Як видно з рис. 1.6 СКВ корегованих координат (суцільний графік) приблизно в 5 разів менше, ніж для методу RSSI (штриховий графік), що є задовільним результатом позиціонування для однієї ітерації обміну даними.
//
Для визначення точності методу була зроблена вибірка з 15 випадкових експериментів для 11 значень випадкової похибки. Усереднивши похибку визначення координат за методом RSSI і розробленим методом для кожного значення випадкової похибки отримали середню похибку позиціонування від випадкової похибки (табл. 1.2).
Залежність похибки позиціонування від величини випадкової похибки Таблиця 1.2.
Величина випадкової похибки, м
Середня точність координат RSSI
Середня точність корегованих координат
0,5
28,9313
0,0575
1
28,9667
0,2639
2
29,0353
0,9133
3
29,1327
1,5917
4
29,2147
2,2993
5
29,3667
3,0043
27.11.2019 17:11-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора