1. Постановка задачи.

В настоящее время все более широкое применение в России получают высокоскоростные беспроводные (радио) сети передачи данных. Зоны, обслуживаемые такими сетями, зачастую выходят за пределы одного населенного пункта, охватывая значительные территории пересеченной местности. При этом расположение пунктов приема - передачи далеко не всегда соответствует условиям, благоприятным с точки зрения распространения радиосигналов между этими пунктами. Кроме того, во многих случаях требуется организовать прием - передачу данных между стационарными (с одной стороны) и передвижными пунктами (с другой), что в свою очередь осложняет организацию обмена данными между ними. [1] В этих условиях для выбора технических решений (обеспечивающих требуемую скорость обмена данными в сети и разумных с точки зрения финансовых затрат на их реализацию) актуальной становится проблема оценки уровня затухания радиосигналов с учетом как реального рельефа местности (с застройкой), характеристик предлагаемого (или имеющегося) оборудования, так и погрешностей и нестабильности позиционирования антенных устройств на пунктах приема - передачи.

Для решения указанных вопросов была разработана специальная программа, позволяющая оценивать уровень затухания, исходя из следующих факторов:

1 - паспортных значений обычно задаваемых параметров антенных устройств, таких как коэффициент усиления антенны, ширина диаграммы направленности по заданному уровню и интенсивность бокового излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, уровень обратного излучения, коэффициент перекрытия частотного диапазона;

2 - технологических погрешностей, эксплуатационных и временных нестабильностей позиционирования антенных устройств, задаваемых углами отклонения главного лепестка диаграммы направленности от требуемого направления в горизонтальной и вертикальной плоскостях и углом поворота антенного устройства относительно этого направления;

3 - картографических данных (или данных предварительных измерений), представленных в электронном виде матрицей высот точек ландшафта и застройки относительно уровня мирового океана в зависимости от их координат (широты и долготы) с приемлемым шагом. Влияние электрических характеристик подстилающей поверхности на уровень затухания целесообразно считать максимально неблагоприятным (предполагая, однако, что в структуре поверхности отсутствуют участки с выраженной периодичностью, соизмеримой с длиной волны).

Следует отметить, что в распространенных методиках проектирования радиолиний расчет затухания проводится лишь для свободного пространства (в лучшем случае с учетом поправок, определяемых в результате дополнительных измерений на местности) и рекомендуется таким образом размещать антенные устройства на пунктах приема - передачи, чтобы, по -возможности, большая часть первой зоны Френеля оставалась свободной от препятствий. При этом оговаривается, что реальное затухание сигнала, а, следовательно, и дальность радиопередачи (или, соответственно, скорость обмена данными) будет во многом определяться конкретными условиями на местности.

Решение задачи в предложенной постановке позволило не только количественно оценить степень влияния различных факторов, но и снизить затраты на проектирование сети, оборудование и монтажные работы, сократить сроки выполнения работы и определить обоснованные требования к точности и стабильности позиционирования антенных устройств.

2. Предприятие, на котором внедрено решение

Данная программа разработана и используется в Институте проблем управления РАН.

3. Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

Программа выполнена в среде программирования LabVIEW 7.0

4. Описание решения

Основная идея, определяющая логику работы программы, заключается в сканировании области пространства между пунктами приема - передачи по эллипсоидам зон Френеля взвешенным сигналом, подсчете уровней сигнала от отдельных зон в точке приема и суммировании этих уровней с учетом фазовых сдвигов. Такая логика основана на использовании принципов квантовой электродинамики, предлагающей алгоритм расчета амплитуды вероятности перехода фотона из одной точки пространства в другую. [2, 3]. На основе этих принципов разработан метод расчета затухания при распространении сигнала в реальных условиях [4, 5], который и был использован при разработке программы.

Поставленная задача решалась с использованием пакета LabVIEW. Программа представляет собой комбинацию отдельных функциональных модулей, реализуемых в виде SubVI и объединенных управляющей программой. Ниже приводится краткое описание основных модулей программы.

1) Модуль синтеза объемных (3-х мерных) диаграмм направленности используемых антенн по заданным значениям ширины основного лепестка, уровней бокового излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях и обратного излучения, коэффициента перекрытия по частоте. Синтез осуществляется с использованием семейства 2-х параметрических Лу-функций первого рода с параметром (v), равным, соответственно, -1/2 и 1. [6]. Выбор функций, используемых в дальнейших расчетах, осуществляется по заданным значениям коэффициентов усиления антенн. В результате синтеза формируются массивы значений диаграмм направленности в любых (с заданным шагом) направлениях. Эти массивы используются для контрольного визуального отображения диаграмм направленности. Эти же массивы поступают и в управляющую программу, где используются для расчета затухания радиолинии с данными антеннами.

На рис. 1 показана лицевая панель модуля синтеза диаграмм направленности антенн.

рис.1

2) Модуль формирования матрицы высот рельефа местности. В предлагаемой версии программы матрица высот рельефа формируется путем линейной интерполяции значений высот точек отдельных профилей рельефа, расположенных на выбранных расстояниях от вертикальной осевой плоскости. Сформированная таким образом матрица высот используется для контрольного визуального отображения подстилающей поверхности установленных размеров относительно эллипсоидов первой и любой другой (выбранной произвольно) зон Френеля (отображаемых относительно осевой линии, соединяющей антенные устройства, расположенные в заданных точках, на заданном расстоянии друг от друга и размещенные на выбранных высотах) Эта матрица поступает также в управляющую программу, где используется для расчета затухания радиолинии.

На рис. 2 показана лицевая панель модуля формирования матрицы высот.

рис. 2

3) Модуль управляющей программы.

рис. 3

Этот модуль обеспечивает ввод в программу основных параметров проектируемой радиолинии (таких, как рабочая длина волны, поляризация сигнала и расстояние между пунктами обмена данными), ввод возможных отклонений в позиционировании антенных устройств и модуля коэффициента отражения в «блестящей» точке. Этот модуль обеспечивает ввод в программу предлагаемого размера зоны обзора и возможность выбора алгоритма расчета, оптимального для данных условий, определяющих размеры как зоны обзора, так и области, свободной от препятствий. Управляющая программа осуществляет расчет затухания с использованием всех поступающих данных. Расчет осуществляется для сигнала с вертикальной, или с горизонтальной поляризацией. Результаты расчета отображаются на цифровом и графическом индикаторах. На цифровом индикаторе отображается значения затухания радиолинии; на графическом индикаторе отображается годограф уровней сигналов при сканировании по эллипсоидам зон Френеля в выбранном объеме. На рис. 3 показана лицевая панель модуля управляющей программы.

5. Преимущества технологий National Instruments

Использование пакета LabVIEW позволило легко и компактно написать программы всех модулей, объединить их в единый комплекс и быстро отладить программу.

6., Перспективы внедрения и развития решения

Данная программа разработана на стадии предварительного проектирования беспроводной сети передачи данных системы экологического мониторинга на объекте уничтожения химического оружия. Представляется перспективным применение разработанной программы при проектировании высокоскоростных беспроводных сетей передачи данных, к которым предъявляются повышенные требования по дальности, надежности, неуязвимости и стабильности работы. Программа может быть использована при автоматизации процесса выбора оптимального (как с точки зрения технической реализации, так и с точки зрения финансовых затрат на проектирование и внедрение сети передачи данных) решения.

Литература

[1] К. Ли Уильям. Техника подвижных систем связи. Перевод с английского. Москва «Радио и связь», 1985. McGraw - Hill Company New York, 1982.

[2] P. Фейнман, А. Хибс. Квантовая механика и интегралы по траекториям. Перевод с английского. Издательство «Мир» Москва 1968. McGraw - Hill Company New York, 1965.

[3] P. Фейнман. КЭД странная теория света и вещества. Перевод с английского. Москва «Наука» Главная редакция физико - математической литературы, 1988. Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 1985.

[4] Ю.С. Легович, Ю.В. Максимов, Д.Ю. Максимов. Проектирование беспроводных сетей WiFi повышенной дальности. Материалы международной конференции CAD/CAM/PDM -2006, стр.64

[5] Ю.С. Легович, Ю.В. Максимов, Д.Ю. Максимов. Метод расчета затухания сигнала в беспроводных системах передачи данных с учетом рельефа местности и параметров антенн, Автоматика и телемеханика, 2008.

[6] Справочник по радиолокации. Перевод с английского в четырех томах. Том 2 «Радиолокационные антенные устройства». Москва «Советское Радио», 1977. McGraw-Hill Book Company, 1970.

..............................................................................................................................