Коллективное поведение взаимодействующих беспроводных сверхширокополосных приемопередающих систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
Лазарев, Вадим Анатольевич
АВТОР
|
||||
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
005533517
На правах рукописи
ЛАЗАРЕВ Вадим Анатольевич
Коллективное поведение взаимодействующих беспроводных сверхширокополосных приемопередающих систем
01.04.03 - Радиофизика
Автореферат Диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
2 6 СЕН 2013
Москва-2013
005533517
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН).
Научный руководитель: Дмитриев Александр Сергеевич
доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты: Старков Сергей Олегович;
доктор физико-математических наук, профессор, зав. каф. Компьютерные системы, сети и технологии НИЯУМИФИ
Бутковекий Олег Ярославович;
доктор физико-математических наук, профессор кафедры Математики и информатики Финансовой академии при правительстве РФ (Владимирский филиал)
Ведущая организация: ФБГУН Институт прикладной физики РАН
(г. Нижний Новгород).
Защита состоится 11 октября 2013 г., в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, г. Москва, ул. Моховая, 11, корпус 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
Автореферат разослан « /У » сентября 2013 г.
Ученый секретарь А.А. Потапов
диссертационного совета " ■-■'•—■
доктор физико-математических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Повышенный интерес к динамике систем, состоящих из многих элементов, проявляется, как минимум, с начала 80-х годов. Именно к этому времени относятся первые работы по исследованию динамики дискретизированного уравнения Гинзбурга-Ландау [1] и связанных отображений [2]. Позже возникло целое направление исследование в этой области. Как правило, в качестве «парциального элемента», элементарной ячейки, при этом использовалось, либо одномерное отображение, либо динамическая система с непрерывным временем, описываемая системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Еще одним классом элементарных ячеек были системы с конечным числом состояний - автоматы.
Несмотря на существенно динамический характер таких многоэлементных систем — ансамблей, их изучение имело и имеет важное значение отнюдь не только для собственно динамических систем в узком смысле, но и для понимания возможных типов существования и поведения самых разнообразных многоэлементных систем, состоящих из взаимодействующих элементов.
Это обусловлено следующими причинами:
- изучение ансамблей позволило ввести ряд новых понятий, которые относятся как к динамическим системам в узком смысле, так и к любым системам, для которых характерно изменение во времени: однородность, кооперативное поведение, синхронизация, связи между элементами и др.;
- непосредственно при этих исследованиях (хотя не и только благодаря им) формировался аппарат и методы исследований многоэлементных взаимодействующих систем;
- многие исследователи, работающие с ансамблями, в процессе своих изысканий опираются на опыт работы в своей предметной области, а потом «проецируют» на нее полученные результаты;
Есть еще один важный аспект исследования ансамблей. Кроме элементарных ячеек, для существования ансамбля нужны связи между этими ячейками. Они даже в чисто динамических системах могут быть весьма разнообразными, как по
типу (по какому закону осуществляется связь между элементами), так и по топологии (между какими элементами такая связь имеет место).
В результате, в том числе и этих исследований, во второй половине 90-х годов резко возрос интерес к таким многоэлементным системам как сети. В отличие от ансамблей динамических систем, где довлеющей парадигмой являются динамические характеристики системы, сети, в широком смысле, могут состоять из самых разных элементов, взаимодействие которых вовсе не обязательно сводится только к динамике, и которые могут вообще могут не являться системами, имеющими отношение к динамическим системам (по крайней мере, в узком смысле).
В данной работе рассматривается коллективное поведение ансамблей сверхширокополосных приемопередающих систем. Элементы этих ансамблей не являются динамическими системами в узком смысле (т.е. их наиболее важные с точки зрения функционирования свойства не сводятся к таковым, описываемым некоторыми эволюционными уравнениями.). Вместе с тем это - безусловно, динамические системы в широком смысле, поскольку они постоянно меняют свое состояние в соответствии с теми задачами, которые решают, и той информацией, которую передают через себя.
В связи с этим представляет интерес подойти к анализу коллективного поведения коммуникационных сетей не только как к конкретной инженерной задаче по построению алгоритмов, обеспечивающих выполнение возложенных на ансамбль задач, но и попытаться связать это с общими принципами характерными для коллективного поведения ансамблей и сетей. Именно такой подход используется в данной работе.
Элементами ансамбля в данном случае являются приемопередающие устройства, которые по беспроводным сверхширокополосным каналам связи обменивается информацией со своими соседями, образующими в своей совокупности ансамбль приёмопередатчиков. Такого рода ансамбли, как распределённые коммуникационные системы, способны решать различные практические задачи по обмену информацией в распределенных системах управления и сбора информации (беспроводные сенсорные сети).
Носителем информации в беспроводном канале связи в рассматриваемых в работе приемопередатчиках являются сверхширокополосные хаотические радиоимпульсы [3-5]. На основе сигналов такого типа теоретически можно построить надежные каналы связи, устойчивые к многолучевому распространению, обеспечивающие электромагнитную совместимость с существующими узкополосными средствами связи и экологическую безопасность.
Исследование и разработки в области сверхширокополосных сетевых систем связи с использованием хаотических сигналов имеют не только научно-технический интерес, но и большое практическое значение, свидетельством которого является внедрение хаотических радиоимпульсов в промышленные стандарты персональной связи [6, 7].
Сверхширокополосные устройства предназначены для применения в разнообразных системах передачи и обработки информации, в которые могут входить десятки и сотни узлов. При разработке таких систем приоритетами являются следующие вопросы:
- организация коллективного поведения элементов сети (приемопередатчиков), для формирования информационных потоков между элементами ансамбля (узлами сети);
- разработка методов и средств управления и организации обмена информацией между узлами сети;
- обеспечение надежной передачи данных между устройствами (низкие вероятности ошибки на бит) в режиме точка-точка;
- обеспечение длительного времени автономной работы;
- достижение теоретического предела по дальности при существующих ограничениях на излучаемую мощность;
- получение максимально возможной скорости передачи данных в условиях помещений, характеризуемых многолучевым распространением.
Исследованию этих вопросов и посвящена данная диссертация.
Актуальность работы определяется существующим в настоящее время интересом к практическому применению динамического хаоса; развитием сверхширо-
кополосной радиосвязи; необходимостью разработки эффективных СШП прямо-хаотических приемопередающих устройств и методов управления сетями, в том числе в соответствии со стандартами беспроводных локальных сетей связи (стандарты IEEE 802.15.4а и 802.15.6).
Целью работы исследование путей создания сверхширокополосных прямо-хаотических приемопередатчиков для беспроводных мультимедийных сенсорных сетей с длительным временем автономной работы, разработка методов и средств организации коллективного поведения ансамблей таких приемопередатчиков.
Основные задачи, решаемые в работе.
• исследование путей создания энергетически эффективных сверхширокополосных приемопередатчиков, использующих в качестве носителей информации хаотические радиоимпульсы;
• разработка принципов функционирования прямохаотических приемопередатчиков в составе беспроводной сети;
• разработка и исследование сетевых алгоритмов инициализации, самосборки, работы в режиме передачи информации, самодиагностики и самовосстановления;
• применение разработанных аппаратных и программных решений в сенсорной сети сбора и передачи мультимедийной информации;
• разработка подходов к созданию беспроводных персональных сетей медицинского и бытового назначения на основе прямохаотических средств связи.
Научная новизна результатов заключается в том, что:
• предложены новые высокоэффективные решения передачи и приема СШП хаотического сигнала предназначенные для применения в беспроводных мультимедийных сенсорных сетях, позволяющие достичь практически предельных характеристик в СШП канале связи;
• разработаны, изготовлены и исследованы экспериментальные аппаратные и программные средства (сверхширокополосные прямохаотические приемопередатчики), реализующие предложенные решения;
• предложены, реализованы и исследованы алгоритмы коллективного взаимодействия, включающие в себя инициализацию, самосборку, самодиагностику и самовосстановление в ансамбле из сверхширокополосных приемопередатчиков;
• созданы и исследованы экспериментальные сенсорные сети для передачи аудиоинформации:
• показано, что разработанные аппаратные и программные средства могут быть использованы в качестве прототипов для персональных сетей медицинского и бытового назначения.
Достоверность диссертационной работы подтверждается соответствием расчетов и оценок, полученных и используемых автором, теоретическим положениям известным из литературы, техническими характеристиками разработанных аппаратных и программных решений, результатами экспериментальным исследованием созданных приемопередатчиков и беспроводных сенсорных сетей на их основе
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- методы, позволяющие создавать энергетически эффективное аппаратное решение для приема и передачи хаотических радиоимпульсов для длительной автономной работы в беспроводных мультимедийных сенсорных сетях;
- структура сверхширокополосной сенсорной сети сбора и передачи аудиоинформации;
- алгоритмы коллективного поведения ансамбля из сверхширокополосных приемопередатчиков, обеспечивающие эффективную работу беспроводных сверхширокополосных мультимедийных сенсорных сетей;
- методы формирования и обработки хаотических сигналов и устройство их реализующее для передачи и приема хаотических радиоимпульсов со скоростями вплоть до 100 Мбит/сек.
Научно - практическое значение
Результаты диссертации используются при разработке СШП прямохаотиче-ских приемопередающих устройств и при создании беспроводных сенсорных сетей СШП связи на хаотических радиоимпульсах с длительным временем автономной работы.
Апробация работы.
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI-ой научная школа «Нелинейные волны -2012» Н. Новгород; Конкурсах работ молодых учёных и аспирантов им. И. В. Анисимкина в 2007, 2008, 2010 и 2011 годах (ИРЭ РАН, Москва, Россия); 50-й, 52-ой и 55-ой научных конференциях «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (МФТИ, Москва, Россия); 26-ом международном симпозиуме «Достижения в электромагнитных исследованиях PIERS'2009» (Москва, Россия, 2009); 5-ой всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, Россия, 2011); 6-ой всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, Россия, 2012); V Всероссийские Армандовские чтения, «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», 26.06-28.06.2012 г., Муром; III Всероссийские Армандовские чтения, «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», 28.06-01.07.2010 г., Муром;
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статьи в изданиях, входящих в перечень изданий рекомендованных ВАК РФ, 8 работ в трудах научных конференций.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержит /^страниц, ^рисунков, ^Ттаблиц. Список цитированной литературы содержит ¿¿наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.
Во Введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту и краткое содержание работы.
В Первой главе сверхширокополосные сенсорные сети (рис. 1) рассматриваются как динамические сети специального вида. Дается краткий обзор известных из литературы результатов по сетям, касающихся передачи информации и таким аспектам коллективного поведения ансамблей приемопередатчиков как синхронизация и коллективная обработка поступающих в детекторы сенсорных узлов данных. Показывается, что кроме стандартных применений по сбору и передаче данных беспроводные (сенсорные) сети могут быть использованы для моделирования широкого круга явлений и процессов в многоэлементных физических и технических системах. Ключевыми элементами в стандартных приложениях беспроводных сенсорных сетей и при их использовании для целей моделирования в работе являются эффективные сверхширокополосные приемопередатчики, предназначенные для работы, как в режиме "точка-точка", так и в составе сети.
О
о
о
Ретранслятор Вазовое устройство 0 Сенсорный узел
Рис. 1. Пример беспроводной сенсорной сети.
В конце главы ставится задача по созданию таких устройств и программных средств их взаимодействия, которые решаются в последующих двух главах.
Во Второй главе исследуется задача создания прямохаотических сверхширокополосных приемопередатчиков для беспроводных сетей с длительным сроком автономной работы (рис. 2). Обсуждаются характеристики существующих решений и формулируются основные требования к разрабатываемым сетевым устройствам. Выделяются три направления совершенствования характеристик приемо-
передатчиков: скорость передачи данных, дальность действия беспроводных сверхширокополосных приемопередатчиков и их энергопотребление. Далее исследуются эти направления и излагаются полученные результаты.
Делаются теоретические оценки максимальной скорости беспроводной передачи данных в условиях многолучевого распространения, которые основываются на параметрах среды распространения сигнала и статистических свойств хаотических радиоимпульсов. Согласно этим оценкам максимальная скорость передачи данных при полосе частот 2 ГГц составляет 27-30 Мбит/с в условиях многолучевого распространения в офисах и жилых помещениях и более 100 Мбит/с в свободном пространстве.
ВУ 1
ЦБ
ГХ
«
V
Ключ
АЦП (<-
до
А А;
Рис. 2. Структура прямохаотического приёмопередатчика (1111) и фрагменты сигнала в различных точках системы. ВУ - внешнее устройство. ЦБ - цифровой блок. ГХ - генератора хаоса. ДО - детектор огибающей. АЦІ1 -аналого-цифровой преобразователь.
Излагаются результаты проведенных экспериментальных исследований и разработок, позволившие создать СШП прямохаотический приемопередатчик ППС-43 для работы в помещениях со скоростью передачи данных 6 Мбит/с и прямо-хаотический приемопередатчик ППС-42, обеспечивающий в свободном пространстве передачу данных со скоростями вплоть до 96 Мбит/с (рис. 3).
Рис. 3. - Эпюры напряжений, снятые на выходе детектора огибающей в приёмнике (вверху), и на выходе модулятора генератора хаотических радиоимпульсов (внизу). Скорость передачи пакета 96 Мбит/с.
В обоих устройствах существенно улучшено качество передаваемого сигнала по сравнению с имеющимися на момент начала исследований прототипом - СШП прямохаотическим приемопередатчиком ППС-40А. Так, например, в режиме "точка-точка" для ППС-40А вероятность ошибки составляет 10' -10"4, то в новых созданных устройствах она снижена до Ю^-Ю" .
Дальность действия устройства ППС-43 повышена до 35-40 м по сравнению с 15-20 м в ППС-40А за счет дополнительного усиления хаотических радиоимпульсов и оптимизации процесса приема.
В созданных устройствах реализован энергосберегающие режимы, как при работе по схеме "точка-точка", так и при работе в составе сети (рис. 4). В режиме энергосбережения в приемопередатчике потребляют только те блоки, которые в данный момент необходимы для обеспечения работы устройства (черный цвет) остальные блоки отключаются и не потребляют энергии (белый цвет).
Прием Обработка Передача Ожидание
гх 1 1
Приемник __
ПЛИС МК ш
Кварц, генератор мн
Компаратор
ЦАП
Стабилизатор > е«К
Рис.4. Диаграмма функционирования блоков приемопередатчика в цикле ретрансляции пакета данных. Прием - время приема данных. Обработка - время обработки принятых данных. Передача - время передачи данных. Ожидание - время ожидания. Линиями обозначена работа
элементов приемопередатчика. Кварц, генератор - кварцевый генератор
Это позволяет значительно уменьшить среднюю потребляемую приемопередатчиками мощность. Так приемопередатчик ППС-43 потребляет при скорости передачи 64 Кбит/с около 23 мВт что примерно в 10 раз меньше, чем приемопередатчик-прототип ППС-40А.
Глава 3 посвящена разработке и исследованию алгоритмов организации коллективного поведения приемопередатчиков, составляющих беспроводную сеть. В данной главе предлагается, реализуется и исследуется сверхширокополосная сенсорная сеть с физической скоростью передачи данных между узлами до 6 Мбит/с, использующая в качестве носителя информации хаотические радиоимпульсы. Особое внимание уделяется алгоритмам организации сети, поддержанию ее в работоспособном состоянии при выходе отдельных сенсорных узлов из строя.
В результате проведенных исследований была предложена структура СШП беспроводной сети, обеспечивающая одновременную передачу мультимедийных данных от нескольких источников, основными элементами которой являются разработанные СШП прямохаотические приемопередатчики ППС-43 и ПП-42. Был разработаны принципы работы сети, которые обеспечивают длительное время автономной работы сети за счет использования режимов энергосбережения. Работа сети включает в себя следующие фазы коллективного поведения:
1) побудку приемопередатчиков из состояния глубокого сна;
2) обнаружение приемопередатчиков;
3) установление возможных связей между ними;
4) вычисление маршрута до выбранного узла сети;
5) прокладку маршрута к выбранному узлу сети;
6) съем данных назначенными сенсорными узлами;
7) доставка данных от сенсорных узлов к стоку и их обработка;
8) перевод, не используемых в данный момент времени, приемопередатчиков в состояние глубокого сна.
Для всех этих фаз коллективного поведения в диссертации разработаны алгоритмы, реализованные в виде программ для микроконтроллеров и персонального компьютера.
Работа алгоритмов побудки приемопередатчиков из состояния глубокого сна, обнаружения их, установления всех возможных связей и вычисление маршрутов до выбранного сенсорного узла моделируется сначала с помощью пакета МаЙаЬ, а затем в специально разработанном программном комплексе управления работой сети (рис. 5). Моделирование показало эффективную работу предложенных алгоритмов и адекватное поведение сети.
Рис. 5. Результат работы моделирования. Квадратами обозначены приемопередатчики, а линиями - связи между ними. Большой квадрат - приемное устройство.
После моделирования был собран экспериментальный макет сверхширокополосной беспроводной сенсорной сети, содержащей от 3 до 20 узлов и проведены
его экспериментальные исследования. В процессе этих исследований постепенно наращивали сложность сети и решаемых ею задач. В финальной части экспериментов в нем были использованы все 8 фаз коллективного поведения и осуществлялась одновременная передача непрерывных аудиоданных от 1,2 и 3 каналов.
В конце главы делаются выводы о соответствии теоретических и экспериментальных результатов при создании сверхширокополосной беспроводной сенсорной сети и исследовании коллективного поведения ее узлов.
В Четвертой главе исследуется возможность создания беспроводных сетей медицинского и бытового назначения па основе СШП прямохаотических приемопередатчиков и в соответствии с новым стандартом IEEE 802.15.6 для персональных беспроводных сетей. Важная роль в новом стандарте отводится беспроводным СШП средствам связи на основе хаотических радиоимпульсов. Рассматриваются основные требования к беспроводной передаче информации в стандарте IEEE 802.15.6. Показывается, что созданные приемопередатчики ППС-43 по своим основным характеристикам близки к требованиям нового стандарта и могут быть использованы в качестве прототипов при разработке соответствующей аппаратуры (Табл. 1).
Таблица 1.
Характеристики Стандарт ШЕЕ 802.15.6 ППС-43
Дальность 2 - 5 м в помещении 5-30 м в помещении
Скорость передачи данных 1 кбит/с -10 Мбит/с 1 кбит/с - 6 Мбит/с
Потребляемая мощность 0,01 мВт -спящий режим 40 мВт — активный, 500 Кбит/сек 0,09 мВт - спящий режим (100%); 50 мВт -500 Кбит/с;
В Заключении суммируются полученные результаты и делаются выводы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. На основе теоретических и экспериментальных исследований созданы эффективные СШП прямохаотические приемопередатчики для беспроводных сетей и длительным временем автономной работы.
2. Предложена и исследована структура для СШП беспроводной, сети предназначенной для передачи мультимедийной информации.
3. Разработаны и исследованы алгоритмы коллективного поведения ансамбля узлов, входящих в беспроводную есть, и установлено их соответствие задачам, решаемым на различных фазах работы системы.
4. Проанализирована возможность создания беспроводных сетей медицинского и бытового назначения, отвечающих требованиям стандарта персональных беспроводных сенсорных сетей IEEE 802.15.6 на основе разработанных прямохаотических приемопередатчиков и алгоритмов коллективного поведения и показано, что разработанные устройства по своим основным характеристикам близки к требованиям нового стандарта.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Публикации в журналах из списка ВАК РФ
1. A.C. Дмитриев, Е.В. Ефремова, В.А. Лазарев, М.Ю. Герасимов «Сверхширокополосная беспроводная самоорганизующаяся прямохаотическая сенсорная сеть» // Успехи современной радиоэлектроники 2013, №3, С. 19-29.
2. Дмитриев A.C., Лазарев В.А., Рыжов А.И. «Прохождение сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов через щели в металлических поверхностях» // Радиотехника и электроника, 2012, Т. 57. № 3. С. 349-352
3. Никишов А.Ю., Ефремова Е.В., Клецов A.B., Лазарев В.А. «Сверхширокополосный прямохаотический приемопередатчик NX010», Свидетельство о госу-
дарственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2010630085 от 03.08.2010.
4. Е.В. Ефремова, В.А. Лазарев «Анализ энергопотребления приемопередатчиков для сверхширокополосных беспроводных сенсорных сетей» // Успехи современной радиоэлектроники 2013, №3, С. 43-54
5. Андреев Ю.В., Ефремова Е.В., Лазарев В.А. «Энергосберегающие режимы приемопередатчиков в сверхширокополосных сенсорных сетях» // Журнал радиоэлектроники, № 1, январь 2012, С. 26.
6. Рыжов А.И., Лазарев В.А., Мохсени Т.И., Никеров Д.В., Андреев Ю.В., Дмитриев A.C., Чубинский Н.П. «Ослабление сверхширокополосных хаотических сигналов диапазона 3-5 ГГц при прохождении через стены зданий» // Журнал радиоэлектроники, № 5, май 2012, С. 15.
Доклады на конференциях
1. Рыжов А.И., Лазарев В.А., Мохсени Т.И., Никеров Д.В., Андреев Ю.В., Дмитриев A.C., Чубинский Н.П. «Прохождение СШП хаотических сигналов диапазона 3-5 ГГц через стены зданий», Доклады 5 Всероссийской науч.-техн. конф. «Радиолокация и радиосвязь», 21-25 ноября 2011 г., Москва, Россия, с. 447-451.
2. Андреев Ю.В., Ефремова Е.В., Лазарев В.А. «Энергосберегающие режимы приемопередатчиков в сверхширокополосных коммуникационных сетях», Доклады 5 Всероссийской науч.-техн. конф. «Радиолокация и радиосвязь», 21-25 ноября 2011 г., Москва, Россия, с. 515.
3. Лазарев ВА., Герасимов М.Ю., Мохсени Т.И. «Алгоритм самоорганизации и управления беспроводной сетью связи», Доклады 5 Всероссийской науч.-техн. конф. «Радиолокация и радиосвязь», 21-25 ноября 2011 г., Москва, Россия, с. 517.
4. Рыжов А.И., Лазарев В.А. «Прохождение сверхширокополосного хаотического сигнала через щели в металлических поверхностях», Труды III Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г., с. 187-191.
5. Лазарев В.А. «Синхронизация символов в сверхширокополосном приемнике хаотических радиоимпульсов», Труды III Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г., с. 290-294.
6. Ефремова Е.В., Мохсени Т.И., Лазарев В.А. «Энергосбережение в сверхширокополосных беспроводных приемопередатчиках и сенсорных сетях». Труды V Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» , 26.06-28.06.2012 г., Муром.
7. Kuzmin L.V., Kletsov A.V., Lazarev V.A. "Ultrawideband direct chaotic transceiver for multimedia applications", Proc. PIERS-2009, Moscow, Russia, 18-21 August, 2009.
8. Дмитриев A.C., Герасимов М.И., Рыжов А.И., Лазарев В.А. «Сверхширокополосные беспроводные нательные сенсорные сети». Труды V Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» , 26.06-28.06.2012 г., Муром.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ В АВТОРЕФЕРАТЕ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. М.И. Рабинович, ДМ. Трубецков. Введение в теорию колебаний и волн. -М.: Наука, 1984 (1 изд.), 1992 (2 изд.), 2002 (3 изд.).
2. Karteko К. Spatiotemporal chaos in one- and two-dimensional coupled map lattices // Physica D, 1989, V.37, P.60-82.
3. Дмитриев А.С., Старков С.О. Передача сообщений с использованием хаоса и классическая теория информации. - Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1998. № 11. С. 4-32.
4. Дмитриев А. С, Панас А. И. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи. М: Физматлит, 2002.
5. Дмитриев А. С., Панас А. К, Старков С. О. Динамический хаос как парадигма современных средств связи. — Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997. № 10. С. 4-26.
6. IEEE Р802.15.4а Wireless Personal Area Networks. N.Y.: IEEE, 2005.
7. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 15.6: Wireless Body Area Networks. N.Y.: IEEE, 2012.
Лазарев Вадим Анатольевич
Коллективное поведение взаимодействующих беспроводных сверхширокополосных приемопередающих систем
Автореферат
Подписано в печать:
09.09.2013
Заказ № 8717 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское щ., 36 (499) 788-78-56 www. autoreferat. ru
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт Радиотехники и Электроники им. В. А. Котельникова РАН
На правах рукописи
04201361527 у
Лазарев Вадим Анатольевич
Коллективное поведение взаимодействующих беспроводных сверхширокополосных приемопередающих систем
01.04.03 - «Радиофизика»
Диссертация на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук
Научный руководитель
доктор физико-математических наук, профессор А.С. Дмитриев
Москва 2013
Содержание
Введение..................................................................................................................4
Глава 1. Ансамбли и сети взаимодействующих систем..............................15
1.1. Введение......................................................................................................15
1.2. Что такое сети?............................................................................................16
1.3. Сила сетей....................................................................................................22
1.4. Коммуникационные сети...........................................................................25
1.5. Сетевые беспроводные технологии..........................................................27
1.6. Сверхширокополосные беспроводные сенсорные сети.........................28
1.7. Выводы.........................................................................................................31
Глава 2. Сверхширокополосные приемопередатчики................................33
2.1. Введение......................................................................................................33
2.2. Беспроводные приемопередатчики как элементы ансамбля динамических систем........................................................................................33
2.3. Принципы функционирования прямохаотических приемопередатчиков ..............................................................................................................................35
2.4. Скорость передачи данных и проблема ее повышения..........................40
2.5. Повышение радиуса действия приемопередатчиков..............................56
2.6. Энергопотребление.....................................................................................58
2.7. Выводы.........................................................................................................73
Глава 3. Динамика создания и функционирования беспроводных сетей связи.......................................................................................................................75
3.1. Введение......................................................................................................75
3.2. Структура сети............................................................................................76
3.3. Основные элементы сети...........................................................................77
3.4. Управление сетью.......................................................................................79
3.5. Моделирование...........................................................................................83
3.6. Экспериментальное исследование инициализации сети........................85
3.7. Процесс сбора данных................................................................................88
3.8. Эксперименты по передаче данных и самовосстановления сети..........93
2
3.9. Выводы.........................................................................................................99
Глава 4. Персональные сенсорные сети медицинского и мультимедийного назначения........................................................................101
4.1. Введение....................................................................................................101
4.2. Беспроводные нательные сенсорные сети.............................................103
4.3. Приложения БНС......................................................................................108
4.4. Стандарт IEEE 802.15.6............................................................................ 110
4.5. Сравнение характеристик прямохаотических приемопередатчиков с требованиями стандарта IEEE 802.15.6......................................................... 116
4.6. Выводы.......................................................................................................119
Заключение.........................................................................................................120
Список литературы..........................................................................................121
Введение
Повышенный интерес к динамике систем, состоящих из многих элементов, проявляется, как минимум, с начала 80-х годов. Именно к этому времени относятся первые работы по исследованию динамики дискретизированного уравнения Гинзбурга-Ландау [1] и связанных отображений [2]. Позже возникло целое направление исследование в этой области. Как правило, в качестве «парциального элемента», элементарной ячейки, при этом использовалось, либо одномерное отображение, либо динамическая система с непрерывным временем, описываемая системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Еще одним классом элементарных ячеек были системы с конечным числом состояний - автоматы.
Несмотря на существенно динамический характер таких многоэлементных систем — ансамблей, их изучение имело и имеет важное значение отнюдь не только для собственно динамических систем в узком смысле, но и для понимания возможных типов существования и поведения самых разнообразных многоэлементных систем, состоящих из взаимодействующих элементов.
Это обусловлено следующими причинами:
- изучение ансамблей позволило ввести ряд новых понятий, которые относятся как к динамическим системам в узком смысле, так и к любым системам, для которых характерно изменение во времени: однородность, кооперативное поведение, синхронизация, связи между элементами и др.;
- непосредственно при этих исследованиях (хотя не и только благодаря им) формировался аппарат и методы исследований многоэлементных взаимодействующих систем;
- многие исследователи, работающие с ансамблями, в процессе своих изысканий опираются на опыт работы в своей предметной области, а потом «проецируют» на нее полученные результаты;
Есть еще один важный аспект исследования ансамблей. Кроме элементарных ячеек, для существования ансамбля нужны связи между этими ячейками. Они даже в чисто динамических системах могут быть весьма разнообразными, как по типу (по какому закону осуществляется связь между элементами), так и по топологии (между какими элементами такая связь имеет место).
В результате, в том числе и этих исследований, во второй половине 90-х годов резко возрос интерес к таким многоэлементным системам как сети. В отличие от ансамблей динамических систем, где довлеющей парадигмой являются динамические характеристики системы, сети, в широком смысле, могут состоять из самых разных элементов, взаимодействие которых вовсе не обязательно сводится только к динамике, и которые могут вообще могут не являться системами, имеющими отношение к динамическим системам (по крайней мере, в узком смысле).
В данной работе рассматривается коллективное поведение ансамблей сверхширокополосных приемопередающих систем. Элементы этих ансамблей не являются динамическими системами в узком смысле (т.е. их наиболее важные с точки зрения функционирования свойства не сводятся к таковым, описываемым некоторыми эволюционными уравнениями.). Вместе с тем это - безусловно, динамические системы в широком смысле, поскольку они постоянно меняют свое состояние в соответствии с теми задачами, которые решают, и той информацией, которую передают через себя.
В связи с этим представляет интерес подойти к анализу коллективного поведения коммуникационных сетей не только как к конкретной инженерной задаче по построению алгоритмов, обеспечивающих выполнение возложенных на ансамбль задач, но и попытаться связать это с общими принципами характерными для коллективного поведения ансамблей и сетей. Именно такой подход используется в данной работе.
Элементами ансамбля в данном случае являются приемопередающие
устройства, которые по беспроводным сверхширокополосным каналам связи
5
обменивается информацией со своими соседями, образующими в своей совокупности ансамбль приёмопередатчиков. Такого рода ансамбли, как распределённые коммуникационные системы, способны решать различные практические задачи по обмену информацией в распределенных системах управления и сбора информации (беспроводные сенсорные сети).
Носителем информации в беспроводном канале связи в рассматриваемых в работе приемопередатчиках являются сверхширокополосные хаотические радиоимпульсы [3-5]. На основе сигналов такого типа теоретически можно построить надежные каналы связи, устойчивые к многолучевому распространению, обеспечивающие электромагнитную совместимость с существующими узкополосными средствами связи и экологическую безопасность.
Исследование и разработки в области сверхширокополосных сетевых систем связи с использованием хаотических сигналов имеют не только научно-технический интерес, но и большое практическое значение, свидетельством которого является внедрение хаотических радиоимпульсов в промышленные стандарты персональной связи [6, 7].
Сверхширокополосные устройства предназначены для применения в разнообразных системах передачи и обработки информации, в которые могут входить десятки и сотни узлов. При разработке таких систем приоритетами являются следующие вопросы:
организация коллективного поведения элементов сети (приемопередатчиков), для формирования информационных потоков между элементами ансамбля (узлами сети);
- разработка методов и средств управления и организации обмена информацией между узлами сети;
- обеспечение надежной передачи данных между устройствами (низкие вероятности ошибки на бит) в режиме точка-точка;
- обеспечение длительного времени автономной работы;
- достижение теоретического предела по дальности при существующих ограничениях на излучаемую мощность;
- получение максимально возможной скорости передачи данных в условиях помещений, характеризуемых многолучевым распространением.
Исследованию этих вопросов и посвящена данная диссертация.
Актуальность работы определяется существующим в настоящее время интересом к практическому применению динамического хаоса; развитием сверхширокополосной радиосвязи; необходимостью разработки эффективных СШП прямохаотических приемопередающих устройств и методов управления сетями, в том числе в соответствии со стандартами беспроводных локальных сетей связи (стандарты IEEE 802.15.4а и 802.15.6).
Целью работы исследование путей создания сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков для беспроводных мультимедийных сенсорных сетей с длительным временем автономной работы, разработка методов и средств организации коллективного поведения ансамблей таких приемопередатчиков.
Основные задачи, решаемые в работе.
• исследование путей создания энергетически эффективных сверхширокополосных приемопередатчиков, использующих в качестве носителей информации хаотические радиоимпульсы;
• разработка принципов функционирования прямохаотических приемопередатчиков в составе беспроводной сети;
• разработка и исследование сетевых алгоритмов инициализации, самосборки, работы в режиме передачи информации, самодиагностики и самовосстановления;
• применение разработанных аппаратных и программных решений в сенсорной сети сбора и передачи мультимедийной информации;
• разработка подходов к созданию беспроводных персональных сетей медицинского и бытового назначения на основе прямохаотических средств связи.
Научная новизна результатов заключается в том, что:
• предложены новые высокоэффективные решения передачи и приема СШП хаотического сигнала предназначенные для применения в беспроводных мультимедийных сенсорных сетях, позволяющие достичь практически предельных характеристик в СШП канале связи;
• разработаны, изготовлены и исследованы экспериментальные аппаратные и программные средства (сверхширокополосные прямохаотические приемопередатчики), реализующие предложенные решения;
• предложены, реализованы и исследованы алгоритмы коллективного взаимодействия, включающие в себя инициализацию, самосборку, самодиагностику и самовосстановление в ансамбле из сверхширокополосных приемопередатчиков;
• созданы и исследованы экспериментальные сенсорные сети для передачи аудиоинформации:
• показано, что разработанные аппаратные и программные средства могут быть использованы в качестве прототипов для персональных сетей медицинского и бытового назначения.
Достоверность диссертационной работы подтверждается соответствием расчетов и оценок, полученных и используемых автором, теоретическим положениям известным из литературы, техническими характеристиками разработанных аппаратных и программных решений, результатами экспериментальным исследованием созданных приемопередатчиков и беспроводных сенсорных сетей на их основе
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- методы, позволяющие создавать энергетически эффективное аппаратное решение для приема и передачи хаотических радиоимпульсов для длительной автономной работы в беспроводных мультимедийных сенсорных сетях;
- структура сверхширокополосной сенсорной сети сбора и передачи аудиоинформации;
- алгоритмы коллективного поведения ансамбля из сверхширокополосных приемопередатчиков, обеспечивающие эффективную работу беспроводных сверхширокополосных мультимедийных сенсорных сетей;
- методы формирования и обработки хаотических сигналов и устройство их реализующее для передачи и приема хаотических радиоимпульсов со скоростями вплоть до 100 Мбит/сек.
Научно - практическое значение
Результаты диссертации используются при разработке СШП прямохаотических приемопередающих устройств и при создании беспроводных сенсорных сетей СШП связи на хаотических радиоимпульсах с длительным временем автономной работы.
Апробация работы.
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI-ой научная школа «Нелинейные волны - 2012» Н. Новгород; Конкурсах работ молодых учёных и аспирантов им. И. В. Анисимкина в 2007, 2008, 2010 и 2011 годах (ИРЭ РАН, Москва, Россия); 50-й, 52-ой и 55-ой научных конференциях «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (МФТИ, Москва, Россия); 26-ом международном симпозиуме «Достижения в электромагнитных исследованиях PIERS'2009» (Москва, Россия, 2009); 5-ой всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, Россия, 2011); 6-ой всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, Россия, 2012); V Всероссийские Армандовские чтения, «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», 26.06-28.06.2012 г., Муром; III Всероссийские Армандовские чтения, «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», 28.06-01.07.2010 г., Муром;
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статьи в изданиях, входящих в перечень изданий рекомендованных ВАК РФ, 8 работ в трудах научных конференций.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержит 126 страниц, 37 рисунков, 15 таблиц. Список цитированной литературы содержит 67 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.
В Первой главе сверхширокополосные сенсорные сети рассматриваются как динамические сети специального вида. Дается краткий обзор известных из литературы результатов по сетям, касающихся передачи информации и таким аспектам коллективного поведения ансамблей приемопередатчиков как синхронизация и коллективная обработка поступающих в детекторы сенсорных узлов данных. Показывается, что кроме стандартных применений по сбору и передаче данных беспроводные (сенсорные) сети могут быть использованы для моделирования широкого круга явлений и процессов в многоэлементных физических и технических системах. Ключевыми элементами в стандартных приложениях беспроводных сенсорных сетей и при их использовании для целей моделирования в работе являются эффективные сверхширокополосные приемопередатчики, предназначенные для работы, как в режиме "точка-точка", так и в составе сети.
В конце главы ставится задача по созданию таких устройств и программных средств их взаимодействия, которые решаются в последующих двух главах.
Во Второй главе исследуется задача создания прямохаотических
сверхширокополосных приемопередатчиков для беспроводных сетей с
длительным сроком автономной работы. Обсуждаются характеристики
10
существующих решений и формулируются основные требования к разрабатываемым сетевым устройствам. Выделяются три направления совершенствования характеристик приемопередатчиков: скорость передачи данных, дальность действия беспроводных сверхширокополосных приемопередатчиков и их энергопотребление. Далее исследуются эти направления и излагаются полученные результаты.
Делаются теоретические оценки максимальной скорости беспроводной передачи данных в условиях многолучевого распространения, которые основываются на параметрах среды распространения сигнала и статистических свойств хаотических радиоимпульсов. Согласно этим оценкам максимальная скорость передачи данных при полосе частот 2 ГГц составляет 27-30 Мбит/с в условиях многолучевого распространения в офисах и жилых помещениях и более 100 Мбит/с в свободном пространстве.
Излагаются результаты проведенных экспериментальных исследований и разработок, позволившие создать СШП прямохаотический приемопередатчик ППС-43 для работы в помещениях со скоростью передачи данных 6 Мби