Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов

Клецов, Андрей Владимирович

Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Клецов, Андрей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов»

Автореферат диссертации на тему "Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов"

На правах рукописи

КЛЕЦОВ Андрей Владимирович

ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ, ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ И БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат Диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва-2009

003464278

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор ИРЭ РАН Дмитриев Александр Сергеевич;

Научный консультант кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник ИРЭ РАН Кузьмин Лев Викторович;

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник ИКИ РАН Суровяткина Елена Дмитриевна;

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник МИАН РАН Широков Максим Евгеньевич;

Ведущая организация: Московский институт радиотехники электроники и автоматики.

Защита состоится 2^5"марта 2009 г., в 1Ш на заседании диссертационного совета Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-

технического института.

Автореферат разослан « 7-0 » февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Н.П. Чубинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Динамический (детерминированный) хаос, фундаментальное явление в нелинейных системах различной физической природы, был открыт в шестидесятых годах XX века. В это же время началось его интенсивное исследование.

Суть динамического хаоса заключается в возникновении в нелинейных динамических системах нерегулярных шумоподобных колебаний детерминированной природы, не связанной с флуктуациями и внешними шумами. Такие колебания, например, проявляются в объектах, описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений с размерностью фазового пространства (пространства состояний) больше 3.

Результаты исследований явления динамического хаоса в начале 90-х годов позволили сделать вывод о возможности и целесообразности его использования в информационных и коммуникационных технологиях, в частности, для передачи информации по проводам, оптоволоконным линиям и эфиру.

Привлекательность динамического хаоса для применения в системах связи вызвана следующими свойствами:

1. Возможность получения сложных колебаний с помощью простых по структуре устройств;

2. Способность реализовать большое количество различных хаотических мод в одном устройстве;

3. Возможность управления хаотическими режимами путем малых изменений параметров системы;

4. Большая информативная емкость хаотических колебаний как несущей сигнала для передачи информации;

5. Разнообразием методов ввода информационного сигнала в хаотический;

6. Увеличение скорости модуляции по отношению к модуляции регулярных сигналов;

7. Возможность самосинхронизации передатчика и приемника;

8. Нетрадиционные методы мультиплексирования; \

9. Конфиденциальность при передаче информации.

В 1992-1993 годах, вскоре после открытия явлений хаотической синхронизации и хаотического синхронного отклика, начались непосредственные исследования по передаче аналоговой и цифровой информации с помощью хаотических сигналов. Были предложены первые схемы передачи информации на основе динамического хаоса с использованием самосинхронизации передатчика и приемника: хаотическая маскировка (chaotic masking), переключение хаотических режимов (chaos shift keying), схема с нелинейным подмешиванием информационного сигнала (npnlinear mixing).

В дальнейшем было опубликовано большое количество работ, в которых наряду с развитием принципов перечисленных схем, предлагались новые в рамках самосинхронизации передатчика и приемника.

На этом этапе исследований основными привлекательными свойствами динамического хаоса как средства передачи информации являлись простота приемо-передающих устройств и конфиденциальность передаваемой информации.

Однако, более подробное изучение схем передачи информации, использующих хаотическую самосинхронизацию, показало их низкую устойчивость к таким артефактам, как: шумы, возмущения в канале связи, разброс параметров электронных компонентов в приемнике и передатчике и др. В целом помехоустойчивость-этих схем оказалась значительно хуже, чем помехоустойчивость традиционных схем передачи информации, а их применение целесообразно только в хороших каналах связи, например, в проводных и волоконно-оптических.

В связи с проблематичностью использования хаотической самосинхронизации при передаче информации через каналы среднего качества (например, по эфиру), возник интерес к схемам передачи, не использующим хаотическую самосинхронизацию. Первой из них стала схема с использованием относительной хаотической манипуляции (DCSK - Differential Chaotic Shift Keying).

По своей устойчивости к шумам схема DCSK близка классическим методам передачи информации. Однако и она не нашла практического применения, поскольку требует наличия в приемопередатчиках специальных элементов широкополосных задержек, эффективная реализация которых в микроволновом диапазоне представляет сложную техническую проблему. Тем не менее, эта схема сыграла важную роль в поиске практического применения хаотических сигналов в схемах беспроводной передачи информации.

Следующим этапом было создание в 2000 году в ИРЭ РАН прямохаотиче-ской схемы связи, в которой в качестве носителя информации используются хаотические радиоимпульсы.

Первые исследования прямохаотической схемы связи, проведенные в 2000-2001 годах, показали ее практическую реализуемость, достаточно высокую устойчивость к шумам и достижимость больших скоростей передачи (до 500 Мбит/с).

В 2002 году Федеральной комиссии США по связи (FCC - Federal Commission on Communications) было принято решение открыть полосу частот от 3,1 до 10,6 ГГц для нелицензируемого использования сверхширокополосными (СШП) системами, что дало возможность их свободного применения. Вскоре после этого была начата разработка первых стандартов СШП беспроводной связи: IEEE 802.15.3 - для высокоскоростной передачи мультимедийной информации, 802.15.4а - для низкоскоростных персональных систем беспроводной связи.

Поскольку хаотические сигналы по своей природе обладают широким спектром, возникла идея их использования в СШП системах связи. Плодотворность этой идеи была подтверждена уже на первом этапе исследований и разработок, проведенных в этом направлении. Для дальнейшего ее развития требовалось сначала теоретически, с помощью математического моделирования, а затем экспериментально подтвердить пригодность систем связи на основе хаотических радиоимпульсов для решения задач, возлагаемых на СШП локальные беспроводные персональные системы связи. К таким зада-

чам относятся: обеспечение связи со скоростями от 100 кбит/с и выше; возможность работы в мобильных приложениях; возможность определения местоположения приемопередатчика в сети, состоящей из таких устройств; реализации сетей из приемопередатчиков с возможностью передачи сигнала через ретрансляцию.

Актуальность работы определяется существующим в настоящее время интересом к практическому применению динамического хаоса; потребностью в эффективных методах генерации СШП СВЧ сигналов и необходимостью развития СШП радиосвязи.

Целью работы является исследование метода прямохаотической связи и его дальнейшее развитие применительно к задачам СШП локальных беспроводных систем связи различного назначения. Основные задачи, решаемые в работе:

• исследование генерации фазового хаоса в радиодиапазоне;

• исследование метода приема СШП хаотических радиоимпульсов логарифмическим детектором мощности;

• разработка структуры прямохаотических беспроводных персональных и сенсорных сетей и их применение;

• создание и исследование приемопередающей платформы для беспроводной передачи данных, дистанционного управления объектами, измерения расстояния между объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов.

Научная новизна результатов заключается в том, что:

• впервые получен и исследован фазовый хаос СВЧ диапазона на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАП);

• предложен и исследован эффективный приемник для демодуляции СШП хаотических радиоимпульсов;

• экспериментально подтверждена применимость беспроводных систем передачи информации на основе хаотических радиоимпульсов для дистанционного управления мобильными объектами;

• предложен и экспериментально исследован метод определения расстояния между объектами с помощью хаотических радиоимпульсов;

• разработана структура беспроводной системы мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений;

расчетных и экспериментальных результатов, полученных автором, а также их сравнением с ранее известными результатами других авторов.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• генерация фазового хаоса в радиодиапазоне;

• беспроводное дистанционное управление мобильными объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов;

• метод определения расстояния между объектами с помощью хаотических радиоимпульсов;

• СШП прямохаотический приемопередатчик для использования в локальных беспроводных системах связи и сенсорных сетях;

• структура беспроводной системы для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений.

Научно практическое значение.

Результаты диссертации были применены при разработке и создании экспериментальных сенсорных сетей, в частности в учебно-научно-исследовательском комплексе «Беспроводные СШП сенсорные сети», а также в системе мониторинга Крытого конькобежного центра в Крылатском (г. Москва).

Разработанный приемопередатчик использован в качестве метрологического источника радиосигнала при формировании спектральной маски для нелицензируемых беспроводных СШП систем связи в Российской Федерации.

В дальнейшем на основании результатов работы предполагается создать средства СШП локальной беспроводной связи и сенсорных сетей различного назначения.

Апробация работы, публикации, внедрение и использование результатов. Материалы работы докладывались на Международной конференции ICCSC'2004 (International Conference on Circuits and Systems for Communications), 30 июня - 2 июля, Москва, Россия, 2004 г.; XLVII научной конференции МФТИ, часть VIII, Москва - Долгопрудный 2004 г.; 6-ой международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимирский Государственный Университет, Владимир, 2005 г.; 1-ой Международной конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005 г., Суздаль, Россия; Международном симпозиуме NOLTA'2006, Болонья, Италия, 11-14 сентября 2006 г.; Международной конференции "Dynamics Days Europe 2006", Крит, Греция, 2006 г.; Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006 г., 4-7 июля, Муром, Россия; 2-ой Международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 25-27 сентября 2007 г., Суздаль, Россия; «Нелинейные Волны 2008», Нижний Новгород, 1-7 марта 2008 г.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе: 7 статей в рецензируемых журналах, 13 работ в трудах научных конференций, 1 препринт и 1 патент РФ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Содержит 134 страницы, 55 рисунков, 5 таблиц. Список цитированной литературы содержит 59 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор основных направлений использования хаотических сигналов в системах связи. Отмечено, что в настоящее время практически реализованы только прямохаотические системы связи, использующие в качестве носителя информации хаотические радиоимпульсы. Сформулированы цели и задачи работы, рассмотрена структура диссертации, обоснована актуальность решаемых задач и выдвинуты научные результаты и положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию генерации широкополосного фазового хаоса, с целью его использования в прямохаотических системах связи. В первом разделе дано краткое описание идеи и принципа работы прямохаотических систем связи. Затем обращается внимание на два типа динамического хаоса: амплитудно-фазовый и фазовый.

К моменту начала работы над диссертацией в прямохаотических системах связи использовались транзисторные генераторы амплитудно-фазового хаоса. Их особенностью является наличие значительных флуктуации энергии хаотического радиоимпульса, особенно при малых длительностях импульсов. Для фазового хаоса такие флуктуации выражены значительно меньше, поэтому он является предпочтительным носителем информации для ряда приложений, в частности, в задаче определения дальности с помощью хаотических радиоимпульсов. До настоящего времени источники фазового хаоса в радиодиапазоне не были разработаны.

В связи с этим формулируется задача создания и исследования источника фазового хаоса радиодиапазона. Далее обсуждается состояние вопроса с генерацией фазового хаоса в системах ФАЛ.

Для решения поставленной задачи вводится и исследуется математическая модель системы ФАЛ третьего порядка (2) с характеристикой фазового детектора (3), реализуемой в промышленных устройствах ФАЛ, и с делителями

частоты СВЧ сигнала. В общем случае уравнение для разности фаз (р имеет вид

p<p + nyF{<p)K(p) = nii, (1)

где Qy - полоса удержания ФАП; QH - разность между частотой колебаний соог опорного генератора (ОГ) и частотой свободных колебаний а>0 генератора, управляемого напряжением (ГУН): Qn = сал. -а>0; р - оператор дифференцирования; F(q>) - характеристика фазового детектора; К(р) - передаточная характеристика фильтра. Уравнение, исследуемое при моделировании:

P9+9jl—т—(2)

п LCp + RCp + 1 тп где тип - коэффициенты деления частоты колебаний ОГ и ГУН. Характеристика фазового детектора в модели:

F{<p):

2 / 71 \ А

-(<?--), О «р< п

7Г 2 ■ ($)

О, к < (р < 2ж

Затем ее динамика сравнивается с динамикой модели, использующей в качестве нелинейной характеристики фазового детектора синусоиду. Результаты моделирования используются для разработки и создания экспериментального макета ФАП радиодиапазона с фазовым хаосом (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид макета генератора фазового хаоса на основе петли ФАП.

После этого описывается созданный макет ФАП, работающий в диапазоне 800 - 1200 МГц. Приводятся экспериментальные результаты, демонстрирующие хаотические режимы в устройстве (рис. 2). Показано, что эти результаты находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования.

V.B

5 дБ -ю

-30

-50

-"О

'......................i........i...............i.......:......

.. .......i.....jlj______________

. .: ...

.............................:......¿OJ

¡ЫМГ''1;:'', ............

'ДО. Al

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 £ггц О 8 ic 24 32 '-"КС

а) б)

Рис. 2. Результаты экспериментального исследования макета генератора. Спектр сигнала на выходе ГУН (а) и фрагмент временной реализации сигнала, на входе ГУН (б).

Глава 2. Одной из важных задач, которую должны решать СШП беспроводные средства связи - связь с мобильными объектами. Если для узкополосных систем главным ограничением в этом вопросе является доплеровское смещение частоты, то в СШП системах это вопрос излучения и приема радиосигнала антеннами. Так, для формирования в пространстве ультракоротких импульсов необходима не только высокая эффективность излучения все-направленной антенны во всей излучаемой полосе частот, но и наличие совпадающего для всей этой полосы частот фазового центра излучающей антенны. Такие СШП средства связи, как правило, требуют настройки взаимного расположения антенн, что ограничивает их пригодность для мобильной связи.

В прямохаотических приемопередатчиках используются достаточно длинные импульсы, поэтому фазовые соотношения между компонентами

сигнала на разных частотах не должны приводить к радикальному искажению структуры «шумоподобного» импульса при его передаче и приеме СШП антеннами. Влиянием доплеровского эффекта на данный вид приемопередатчиков можно пренебречь, до тех пор, пока основная часть мощности импульса находится в исходной полосе излучаемого хаотического радиоимпульса. Это условие заведомо выполняется для всего спектра скоростей наземных и воздушных мобильных объектов.

Таким образом, предварительное рассмотрение СШП прямохаотических приемопередатчиков показало, что они обладают всеми необходимыми свойствами для обеспечения устойчивой связи с мобильными объектами. Однако этот вывод нуждается в экспериментальной проверке и подтверждении.

Во второй главе представлена лабораторная СШП беспроводная система связи с подвижным (мобильным) объектом, описываются проведенные с ней эксперименты и полученные результаты.

Разработанная система состоит из передатчика, встроенного в пульт управления мобильным объектом, и приемника, установленного на мобильном объекте. В качестве мобильного объекта используется модель автомобиля с электрическим двигателем и стандартной схемой управления движением на основе широтно-импульсной модуляции.

Антенна передатчика может находиться в пространстве в произвольном положении. Антенна приемника размещена перпендикулярно поверхности передвижения объекта. Такое размещение антенн позволяет реализовать в экспериментах практически любое их взаимное расположение.

Для управления мобильным объектом использовались СШП хаотические радиоимпульсы в диапазоне частот 3-5 ГГц, длина импульсов в зависимости от передаваемой команды изменялась в диапазоне 0,5-1,5 мс.

Проведенные эксперименты показали устойчивую управляемость мобильного объекта при практически любом взаимном положении антенн при дальности 10-12 м, что соответствует расчетам.

В Главе 3 рассмотрена задача определения расстояния между объектами с помощью СШП СВЧ хаотических радиоимпульсов. Для определения расстояния применен метод определения дальности по времени распространения сигнала между двумя объектами: передатчиком и приемником.

Специфика применения хаотических радиоимпульсов для решения этой задачи заключается, с одной стороны, в сверхширокой полосе сигнала, что потенциально позволяет получать высокую точность определения дальности, а с другой стороны, в нерегулярности структуры импульсов, которая приводит к вариабельности их передних фронтов и снижению точности оценки дальности. Дополнительным требованием к решению поставленной задачи является низкое потребление энергии, расходуемой при работе системы определения дальности, что может быть достигнуто только при использовании низкой тактовой частоты цифровой части системы (не более 10 МГц).

а) б)

Рис. 3. Схема эксперимента по измерению расстояния (а). Тяг - время распространения сигнала по радио каналу , Ти - время распространения сигнала по НЧ кабелю. Зависимость измеренного времени распространения сигнала от расстояния между приемопередатчиками (б).

В главе проведена оценка потенциальной точности определения дальности при выбранной структуре приемопередатчика. Показано, что при имеющихся в приемнике ограничениях на полосу сигнала огибающей и с учетом вариабельности фронта импульса точность измерения времени прохождения

сигнала между передатчиком и приемником составляет примерно 2 нсек при однократном измерении и отношении энергии бита к спектральной плотности белого шума Е6 /N = 23 дБ. Повышение точности измерения расстояния может быть достигнуто за счет использования ряда измерений дальности и последующего усреднения.

С целью уменьшения тактовой частоты цифровой части системы предложен метод подсчета временных задержек, использующий принцип стробоскопа. Для экспериментальной апробации предложенных решений разработан и изготовлен макет системы для измерения расстояния, проведены эксперименты (рис. За), которые подтвердили практическую реализуемость предложенной схемы измерения дальности. Погрешность измерения расстояния составила 18 см (0,6 нсек) на расстоянии 7 м и усреднении по 10 измерениям (рис. 36), что соответствует расчетным оценкам.

Глава 4 посвящена вопросам разработки и реализации беспроводных сенсорных сетей на основе прямохаотических систем связи.

В начале главы описывается созданный при активном участии автора первый серийный СШП приемопередатчик ППС-50 (рис. 4), предназначенный для беспроводных систем мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений. Затем рассматривается задача разработки структуры системы беспроводной связи на основе СШП приемопередатчиков, обеспечивающей задачу мониторинга. Далее перечисляются требования к программному обеспечению системы беспроводной сети мониторинга.

Кроме самой задачи доставки данных, получаемых с датчиков (сенсоров), серьезной проблемой является обеспечение автономной работы системы (без замены источников питания) в течение длительного времени. С этой целью в структуру приемопередатчиков введены специальные элементы, обеспечивающие глубокие спящие режимы системы, а в программный комплекс -программы под держки этих режимов.

Практическая апробация разработанной СШП беспроводной системы мониторинга производилась в крытом конькобежном центре (ККЦ) в Крылатском (г. Москва).

Рис. 4. Приемопередатчик ППС-50.

Система включает в себя 57 приемопередатчиков, установленных в местах снятия данных с трехкоординатных акселерометров (сенсоров), и 20 приемопередатчиков ретрансляторов. Здание катка представляет собой сооружение, имеющее в проекции сверху вид полудиска диаметром 260 м. Из-за больших размеров сооружения и сложных условий распространения микроволнового сигнала при опросе каждого датчика используется режим однократной ретрансляции.

Принципы размещения приемопередатчиков ретрансляторов и методика ввода элементов системы в рабочий режим представляли собой серьезные экспериментальные проблемы, решение которых также обсуждается в главе.

В заключении суммируются полученные в работе результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые получена генерация фазового хаоса радио диапазона в системе

ФАП.

2. Впервые осуществлено беспроводное дистанционное управление мобильным объектом с помощью хаотических радиоимпульсов. Экспериментально показано отсутствие влияния эффекта Доплера, а также взаимного положения антенн на качество хаотической радиосвязи.

3. Предложен, теоретически и экспериментально исследован метод определения расстояния между объектами, обеспечивающий высокую точность измерения при низких тактовых частотах системы обработки сигнала. Показано хорошее совпадение точностных характеристик, полученных из эксперимента с рассчитанными численно.

4. Разработана структура беспроводной сети для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений. При активном участии автора, для практической реализации беспроводных сетей мониторинга предложены, созданы и исследованы прямохаотические приемопередатчики диапазона частот 3-5 ГГц с дальностью действия до 40 м. Структура беспроводной сети экспериментально апробирована в одном из сооружений Москвы.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Dmitriev A.S., Kletsov A.V., Kuznetsov A.V., Laktushkin A.M., Panas A.I. Ü1-trawideband direct chaotic communications for low-bitrate information transmission, Proc. ICCSC'2004, June 30 - July 2, Moscow, Russia, 2004.

2. Andreyev Yu.V., Kletsov A.V., Equalizer for multipath channel, Proc. ICCSC'2004, June 30 - July 2, Moscow, Russia, 2004.

3. Эквалайзер для канала с многолучевым распространением. Клецов A.B. Труды XLVII научной конференции МФТИ, часть VIII, Москва - Долгопрудный 2004.

4. Лактюшкин А.М., Клецов A.B., Кинев A.B. «Дистанционное управление мобильными объектами с помощью СШП хаотических сигналов», Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Перспек-

тивные технологии в средствах передачи информации», Владимирский государственный университет, Владимир, 2005, стр. 65.

5. Дмитриев A.C., Кинев A.B., Клецов A.B., Кяргинский Б.Е., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Атанов Н.В., Сельменев Е.А. Дистанционное управление мобильными объектами с помощью сверхширокополосных хаотических СВЧ сигналов, Препринт ИРЭ РАН, №1 (639), 2005.

6. Дмитриев A.C., Андреев Ю.В., Клецов A.B., Коротеев М.В. Способ беспроводной передачи информации по многолучевому каналу и Система для его осуществления, заявка per. № 2005120295 от 30.06.2005.

7. Дмитриев A.C., Ефремова Е.В., Клецов A.B., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М. "Генерация хаотических радиоимпульсов в неавтономной динамической системе", Труды 1-ой Международной конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия, С. 130-133.

8. Андреев Ю.В., Дмитриев A.C., Клецов A.B., Коротеев М.В., Лактюшкин

A.M. "Эффект многолучевого усиления в сверхширокополосной беспроводной системе связи", Труды 1-ой Международной конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия, с. 147-150.

9. Dmitriev A., Kletsov A., Kuzmin L., Laktushkin A., Panas A., Sinyakin V. "Ultrawideband Transceiver Platform Based On Chaotic Signals", Proc. Int. Symp. NOLTA '2006. Bologna, Italy, September 11-14. 2006, 479-482.

10. Andreyev Yu.V., Dmitriev A.S., Kletsov A.V. "Effect of multipath amplification in chaotic communications", Abstracts of Int. Conf. "Dynamics Days Europe 2006", Crete, Greece, 2006.

11. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Лактюшкин A.M., Панас А.И., Синякин

B.Ю., "Сверхширокополосный малогабаритный приемопередатчик на основе хаотических сигналов", Труды Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006, 4-7 июля, Муром. Россия. С. 158-163.

12. Андреев Ю.В., Дмитриев A.C., Клецов A.B., "Усиление хаотических радиоимпульсов в многолучевой среде распространения", Труды Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006,4-7 июля, Муром. Россия. С. 220-226.

13. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Старков С.О. Сверхширокополосная беспроводная связь на основе динамического хаоса, Радиотехника и электроника, 2006, Т. 51, №10, с. 1193-1209.

14. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Синякин

B.Ю. Сверхширокополосная СВЧ приемопередающая платформа на основе хаотических сигналов, Радиотехника, 2007, №1.

15. Андреев Ю.В., Дмитриев A.C., Клецов A.B. Усиление хаотических радиоимпульсов в многолучевой среде распространения, Радиотехника и электроника, 2007, т. 52, №7, с. 838-846.

16. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Старков

C.О. «Сверхширокополосные коммуникационные системы на основе динамического хаоса», Труды 2-ой Международной конференции «Акусто-оптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 25-27 сентября 2007, Суздаль, Россия, С. 3-9.

17. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Кузьмин Л.В. «Эксперименты по генерации высокочастотных хаотических колебаний в системе с фазовой автоподстройкой частоты», Труды 2-ой Международной конференции «Акусто-оптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 25-27 сентября 2007, Суздаль, Россия, С. 40-44.

18. Клецов A.B. «Эксперименты по генерации хаотических колебаний СВЧ диапазона с использованием петли фазовой автоподстройки частоты», Нелинейные Волны 2008, Нижний Новгород, 1-7марта, 2008.

19. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Старков С.О., "Сверхширокополосные коммуникационные системы на основе динамического хаоса", Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1,46.

20. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Кузьмин Л.В. «Генерация высокочастотного хаоса в системе с фазовой автоподстройкой частоты», Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1,4-16.

21. Дмитриев A.C., Клецов A.B., Лактюшкин A.M., Панас А.И., Синякин В.Ю. "Технологическая платформа для создания приемопередатчиков на основе хаотических сигналов", Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1,77-83.

22. Дмитриев A.C., Ефремова Е.В., Клецов A.B., Кузьмин Л.В., Лактюшкин A.M., Юркин В.Ю., «Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети», Радиотехника и Электроника, 2008, т. 53, № 10, с. 1206.

Клецов Андрей Владимирович

Автореферат

Подписано в печать 16.02.2009 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1.1 Тираж 100 экз. Заказ № 8 Московский физико-технический институт (государственный университет)

141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Клецов, Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. Хаотические колебания микроволнового диапазона и их генерация в системе с фазовой автоподстройкой частоты

1.1 Введение

1.2 Генерация хаоса в системах фазовой автоподстройки частоты '

1.3 Математическая модель генератора 20 1А Численное моделирование

1.5 Экспериментальный макет

1.6 Характеристики элементов макета

1.7 Экспериментальные результаты

1.8 Управление спектром

Введение диссертация по физике, на тему "Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов"

2.2 Задача управления мобильными объектами и её особенности 40

2.3 Выбор объекта для проведения экспериментов 42

2.4 Схема беспроводного дистанционного управления с помощью хаотических сигналов 42

2.5 Характеристики передатчика и приёмника 45

2.6 Алгоритм обработки команд 50

2.7 Настройка системы 53

2.8 Экспериментальный макет в целом 54

2.9 Эксперименты с роботом и их результаты 56

2.10 Выводы

Глава 3. Позиционирование объектов 59

3.1 Введение 59

3.2 Измерение дальности с помощью сверхширокополосных микроволновых хаотических радиоимпульсов 61

3.3 Оценка точности измерения времени задержки сигнала с учетом помех 1 62

3.4 Численное моделирование измерения дальности 64

3.4.1 Модель подсчета времени задержки по пересекающимся импульсам 64

3.4.2 Моделирование системы измерения расстояния 67

3.4.3 Учет неопределенности знания частоты тактового генератора при измерении дальности 71

3.5 Эксперименты по измерению расстояния 73

3.5.1 Экспериментальный макет дальномера 73

3.5.2 Алгоритм работы экспериментального макета 75

3.5.3 Проведение экспериментов 77

3.6 Позиционирование объектов с помощью хаотических радиоимпульсов 79

3.7 Выводы 81

Глава 4. Беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиоимпульсов 83

4.1. Введение 83

4.2. Прямохаотический сверхширокополосный приемопередатчик ППС-50 84

4.3. Структура сетей на основе приемопередатчика ППС-50 89

4.4. Сенсорная сеть мониторинга в Крытом конькобежном центре 91

4.5. Алгоритм работы приемопередатчиков 98

4.6. Экспериментальные исследования компонентов сети мониторинга 102

4.7. Выводы 103

Заключение 105 Приложение. Техническое описание приемопередатчика ППС-50 107

Литература 130

Введение.

Динамический (детерминированный) хаос - фундаментальное явление в нелинейных системах различной физической природы, был открыт в шестидесятых годах XX века [1]. Тогда же началось его интенсивное исследование. Суть явления заключается в том, что в нелинейных динамических системах, например, описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений с размерностью фазового пространства (пространства состояний) больше 3 при определенных условиях возможно возникновение нерегулярных шумоподобных колебаний детерминированной природы, не связанной с флуктуациями и внешними шумами.

Исследование этого явления привело в начале 90-х годов к выводу о возможности и целесообразности использования динамического хаоса в информационных и коммуникационных технологиях, в частности для передачи информации по проводам, оптоволоконным линиям и эфиру. При этом привлекательность динамического хаоса для систем связи связывалась со следующими свойствами [2]:

1. возможностью получения сложных колебаний с помощью простых по структуре устройств;

2. способностью в одном устройстве реализовать большое количество различных хаотических мод;

3. возможностью управления хаотическими режимами путем малых изменений параметров системы;

4. большой информативной емкостью хаотических колебаний как несущей сигнала для передачи информации;

5. разнообразием методов ввода информационного сигнала в хаотический;

6. увеличение скорости модуляции по отношению к модуляции регулярных сигналов;

7. возможностью самосинхронизации передатчика и приемника;

8. нетрадиционными методами мультиплексирования;

9. конфиденциальностью при передаче информации.

Непосредственные исследования по передаче аналоговой и цифровой информации с помощью хаотических сигналов начались в 1992-1993 годах вскоре после открытия явлений хаотической синхронизации [3] и хаотического синхронного отклика [4].

Благодаря этим открытиям были предложены первые схемы передачи информации на основе динамического хаоса с использованием самосинхронизации передатчика и приемника: хаотическая маскировка (chaotic masking) [5], переключение хаотических режимов (chaos shift keying) [6, 7, 8], схема с нелинейным подмешиванием информационного сигнала (nonlinear mixing) [9] инверсные схемы [10].

В дальнейшем было опубликовано большое количество работ как развивающих принципы перечисленных схем, так и предлагающих новые в рамках самосинхронизации передатчика и приемника.

Как правило, на этом этапе исследований применение динамического хаоса для передачи информации в качестве полезных свойств рассматривались простота приемо-передающих устройств и конфиденциальность передаваемой информации.

Однако, изучение схем передачи информации, использующих хаотическую самосинхронизацию, показало их низкую устойчивость к шумам, возмущениям в канале связи, разбросу параметров электронных компонентов в приемнике и передатчике и другим артефактам. В целом помехоустойчивость этих схем оказалась значительно хуже, чем помехоустойчивость традиционных схем передачи информации. Поэтому их примение целесообразно только в хороших каналах связи, например в проводных и волоконно-оптических.

В связи с проблематичностью использования схем передачи информации на основе хаотической синхронизации при передаче через каналы среднего качества (например, по эфиру), возник интерес к схемам передачи, не использующим хаотическую самосинхронизацию. Первой из таких схем стала схема с использованием относительной хаотической манипуляции (DCSK - Differential Chaotic Shift Keying) [11].

Этот метод по своей устойчивости к шумам близок классическим методам передачи информации. Однако и он, во всяком случае пока, не нашел практического применения, поскольку требует наличия в приемопередатчиках специальных элементов широкополосных задержек, эффективная реализация которых в микроволновом диапазоне представляет сложную техническую проблему. Тем не менее, эта схема сыграла важную роль в выборе направления поиска практических схем (беспроводной) передачи информации с использованием хаотических сигналов.

Эти поиски привели в 2000 году к созданию прямохаотической схемы связи [12-15], в которой в качестве носителя информации используются хаотические радиоимпульсы.

Примерно в это же время сначала в США, а затем и в других странах быстро нарастал интерес к беспроводным нелицензируемым

-л сверхширокополосным (СШП) системам связи. В 2002 году Федеральной комиссией США по связи (FCC - Federal Commission on Communications) было принято решение открыть для нелицензируемого использования СШП системами микроволнового диапазона частот от 3,1 до 10,6 ГГц [16]. Вскоре после этого была начата разработка первых стандартов СШП беспроводной связи IEEE 802.15.3 для высокоскоростной передачи мультимедийной информации и 802.15.4а для низкоскоростных персональных систем беспроводной связи. Для обоих стандартов необходимо было разработать и выбрать СШП сигналы - носители информации.

Поскольку хаотические сигналы по своей природе обладают широким спектром, возникла идея их использования в СШП системах связи.

Проведенные в этом направлении исследования и разработки уже на первом этапе подтвердили плодотворность этой идеи. Однако требовалось теоретически, с помощью математического моделирования и экспериментально подтвердить пригодность и эффективность систем связи на основе хаотических радиоимпульсов для решения задач, возлагаемых на СШП локальные беспроводные персональные системы связи. К этим задачам относятся: обеспечение связи со скоростями от 100 кбит/с и выше; возможность работы в мобильных приложениях; возможность определения местоположения приемопередатчика в сети из таких устройств; реализации сетей из приемопередатчиков с возможностью передачи сигнала через ретрансляции.

Актуальность работы определяется существующим в настоящее время интересом к практическому применению динамического хаоса; потребностью в эффективных СШП сигналах СВЧ; развитием СШП радиосвязи.

• исследование генерации фазового хаоса в радиодиапазоне;

• исследование метода приема СШП хаотических радиоимпульсов логарифмическим детектором мощности;

• разработка структуры прямохаотических беспроводных персональных и сенсорных сетей, и их применение;

Научная новизна результатов заключается в том, что:

• впервые разработаны и исследованы генераторы фазового хаоса радио диапазона на основе системы фазовой автоподстройки частоты;

• предложен и исследован эффективный приемник для демодуляции СШП хаотических радиоимпульсов;

• разработана структура беспроводной системы для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений;

• создан СШП прямохаотический приемопередатчик для использования в локальных беспроводных системах связи и сенсорных сетях. Достоверность диссертационной работы подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных результатов полученных автором, а также их сравнением с ранее известными результатами других авторов.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Генерация фазового хаоса в радио диапазоне.

• Беспроводное дистанционное управление мобильными объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов.

• Метод определения расстояния между объектами с помощью хаотических радиоимпульсов.

• СШП прямохаотический приемопередатчик для использования в локальных беспроводных системах связи и сенсорных сетях.

• Структура беспроводной системы для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений.

Научно - практическое значение.

Результаты диссертации были использованы при разработке и создании экспериментальных сенсорных сетей, в частности в учебно-научно-исследовательском комплексе «Беспроводные СШП сенсорные сети» и в 9 системе мониторинга Крытого Конькобежного Центра в Крылатском (г. Москва).

Разработанный СШП приемопередатчик был использован в качестве метрологического источника СШП сигнала при формировании спектральной маски для нелицензируемых беспроводных СШП систем связи в Российской Федерации.

В дальнейшем результаты работы будут использованы при создании средств СШП локальной беспроводной связи и сенсорных сетей различного назначения.

Апробация работы, внедрение и использование результатов.

Материалы работы докладывались на Международной конференции ICCSC'2004 (International conference on circuits and systems for communications), 30 июня - 2 июля, Москва, Россия, 2004; XLVII научной конференции МФТИ, часть VIII, Москва - Долгопрудный 2004; 6-ой международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимирский гос. ун-т, Владимир, 2005; 1-ой Международной конференции

Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия; Международном симпозиуме NOLTA'2006. Болонья, Италия, 11-14 сентября 2006; Международной конференции "Dynamics Days Europe 2006", Крит, Греция, 2006; Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006, 4-7 июля, Муром. Россия; 2-ой Международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 25-27 сентября 2007, Суздаль, Россия; Нелинейные Волны 2008, Нижний Новгород, 1-7 марта, 2008.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, 13 работ в трудах научных конференций, 1 препринт и 1 патент РФ.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

4.7. Выводы.

В четвертой главе рассмотрена задача разработки и реализации сенсорных сетей на основе СШП беспроводных систем связи, использующих в качестве носителя информации хаотические радиоимпульсы.

Описан, созданный при активном участии автора, первый серийный СП1П приемопередатчик ППС-50, предназначенный для беспроводных систем мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений.

Разработана структура системы беспроводной связи на основе СШП приемопередатчиков, обеспечивающей задачу мониторинга зданий и сооружений.

На основе разработанных принципов построения СШП беспроводных сенсорных сетей создана экспериментальная беспроводная сенсорная сеть мониторинга состояния конструкции для ККЦ.

Разработан программный комплекс для управления сетью. Он позволяет собирать информацию в сети, ретранслировать ее через приемопередатчики, а также обеспечивает длительную эксплуатацию приемопередатчиков с автономным питанием.

Заключение.

Диссертация посвящена исследованию метода прямохаотической беспроводной сверхширокополосной связи и его дальнейшему развитию. В процессе выполнения работы решены следующие задачи:

• исследована генерация фазового хаоса в радиодиапазоне;

• исследован метод приема СШП хаотических радиоимпульсов логарифмическим детектором мощности;

• разработана и апробирована структура прямохаотических беспроводных персональных и сенсорных сетей;

• создана и исследована приемопередающая платформа для беспроводной передачи данных, дистанционного управления объектами, измерения расстояния между объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов.

В результате проведенных исследований были получены следующие основные результаты:

1. Впервые получена генерация фазового хаоса радиодиапазона в системе ФАП.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Клецов, Андрей Владимирович, Москва

1. Харкевич А.А. Передача сигналов модулированным шумом. // Электросвязь. 1957. №11. С. 42-49.

2. Дмитриев А. С., Панас А.И. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи.—М.: Физматлит, 2002.

3. Афраймович B.C. Веричев Н.И., Рабинович М.И. Стохастическая синхронизация колебаний в диссипативных системах. // Изв. Вузов. Сер. Радиофизика. 1986. Т. 29, № 9. С. 1050-1062.

4. Pecora L.M., Carroll T.L. Synchronization in chaotic systems // Phys. Rev Lett. 1990. Y 64, №8. P. 821-824.

5. Kocarev L., Halle K.S., EckertK., ChuaL., Parlitz U. Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization // Int. J. Bifurcation and Chaos. 1992. V. 2, №3. P. 709-713.

6. Dedieu H., Kennedy M., Hasler M. Chaos shift keying: Modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua's circuits. // IEEE Trans. Circuits and Systems. 1993. V. CAS-40, №10. P. 634-642.

7. Билъчинская С.Г., Кравцов Ю.А., Суровяткина Е.Д. Флуктуационные характеристики сигналов при передаче сообщений путем модуляции параметров хаотических последовательностей. 2002. Препринт ИКИ РАН №2073.

8. Волковский А.Р., Рулъков Н.В. Синхронный хаотический отклик нелинейной системы передачи информации с хаотической несущей. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19, вып. 3. С. 71-75.

9. Bohme F., Feldman U., Schwarz W., Bauer A. Information transmission by chaotizing. //Proc. of NDES'94. Krakow, Poland., 1994. P. 163-168.

10. G. Kolumban, Z. Jako, G. Kis. Enhanced versions of the DCSK systems, Proc. NOLTA'OO; Xi'an, China, October 7-11, 2002, pp. 95-98.

11. Дмитриев А. С., Кяргинский Б.Е., Максимов H.A. и др. II Радиотехника. 2000. № 3. С. 9.

12. Дмитриев А. С., Панас А.И., Старков С. О. и др. IIРЭ. 2001. Т. 46. № 2. С. 224.

13. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Панас А.И. u dp: II РЭ. 2002. Т. 47. №10. С. 1219.

14. Dmitriev A.S., Kyarginsky В. Ye., Panas A.I. et al. II Int. J. Bifurcation and Chaos. 2003. V. 13. №6. P. 1495.

15. Revision of Part 15 of the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband-Transmission Systemshttp://hraunfoss.fcc.gov/edocsjublic/attachmatch/FCC-02-48Al.pdf.

16. Win M.Z., Scholtz R.A. II IEEE Comm. Lett. 1998. V. 2. №. 2. P. 36.

17. Fontana R.J., Ameti A., Richley E. et al. II Proc. IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technology. Baltimore, USA. May 2002. P. 129.

18. Атанов H.B., Дмитриев А. С., Ефремова E.B., Максимов H.A. // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. №15. С. 1.22.