Электромагнитная совместимость беспроводных систем стандарту IEEE 802.11



3. Анализ электромагнитной совместимости группировки беспроводных локальных сетей

3.1 Постановка задачи влияния нескольких беспроводных сетей абонентского радиодоступа на одну

Наряду с преимуществами в системах абонентского радиодоступа есть и недостатки, среди которых одной из главных является проблема электромагнитной совместимости (ЭМС), что возникает в результате открытости эфира. Следует отметить, что проблема появления нежелательных сигналов и помех возникает даже в радиоэлектронных системах (РЭС), где очень хорошо спланировано использование радиочастотного спектра, поскольку проблема ЭМС становится все более сложной относительно ее решения. Особенно трудная электромагнитная обстановка (ЭМО) в группировках локальных сетей в пределах одного здания или офиса. В данном случае возможна ситуация, когда в одном здании действует несколько локальных сетей, независимых друг от друга и использующих оборудование радиодлступа одного стандарта, например, наиболее популярного стандарта IEEE.802.11 или IEEE.802.15. Согласно IEEE 802.11, IEEE.802.15 доступ абонентов рекомендуется обеспечивать в радиочастотных нелицензируемых диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц. Близкой по параметрам является технология Hyper LAN, предложенная фирмой Ericsson. Поскольку, близко расположенные друг от друга локальные сети, которые используют оборудование одного стандарта, создают проблему внутрисистемной ЭМС.

Поэтому, на данный момент возникла задача оценки внутрисистемной ЭМС беспроводных линий связи (БЛС), которую нужно решать при проектировании и планировании новой сети исследователям, разработчикам БЛС, органам, контролирующим радиочастотный спектр. С этой целью нами разработана методика анализа ЭМС группировки локальных сетей, позволяющая достаточно просто, на инженерном уровне, оценить ЭМО уже действующих сетей и предоставить рекомендации по вновь вводимым сетям.

Особый интерес представляет использования САРД стандарта 802.11 в пределах отдельных помещений и внутри здания. Основными эффектами, наблюдаемыми при распространении радиоволн (РРВ) внутри помещений, является многолучевость, обусловленная многократными отражениями радиоволн, дифракция на многочисленных острых кромках предметов, расположенных внутри комнаты, и рассеяние радиоволн. Многообразие условий РРВ приводит к необходимости использовать некоторые эмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментах.

При планировании нескольких САРД в пределах зоны их совместного действия учитывают частотно-временные, энергетические, пространственно-поляризационные и другие параметры используемых сигналов. Чаще всего варьируют частотными и пространственными параметрами, считая другие - фиксированными. На примере технологии IEEE 802.11b рассмотрим формализацию последовательности действий при обеспечении ЭМС на этапе планирования САРД. Частотный спектр и деление на каналы в данной технологии представлены на рис. 1а. Как видно из рисунка многие из каналов перекрываются по частоте, что по критериям ЭМС недопустимо. Однако можно выбрать 3 независимых, неперекрывающихся по частоте 1, 6 и 11 каналы, которые часто и используют на практике.

Таким образом, в одной и той же комнате возможно задействование трех точек доступа, которые использовали эти каналы и не создавали взаимных помех. Если же решается другая задача - обеспечение радиопокрытия обслуживаемых помещений, то выбор каналов и назначение их точкам доступа осуществляется по принципу сотового планирования.

На рис.3.1б показан план САРД стандарта 802.11b с полным покрытием обслуживаемой территории.

В диапазоне частот 5 ГГц, в котором работает оборудование стандарта 802.11а, имеется восемь неперекрывающихся каналов, что делает его весьма привлекательным для развертывания сетей. Однако при этом следует иметь в виду, что радиус соты сети стандарта 802.11а меньше радиуса соты сети стандарта 802.11b.

а) б)

Рисунок 3.1- Схема беспрроводной сети стандарта 802.11b c перекрывающимися сотами, в которых используются неперекрывающиеся частотные каналы.

В отличии от метода планирования сотовых систем, где сам план реализуется на плоскости, при планировании САРД необходимо перейти к трехмерному пространству планирования, что позволит учесть воздействия других систем на соседних этажах и соседних зданиях.

Для исследования ЭМС необходимо иметь модель здания с помещениями в которых имеются вазимодействующие САРД или через которые может проникать электромагнитная энергия.

На рис.3.2 показана типовая схема расположения исследуемого помещения с размещенной САРД состоящем из 3-х этажей и нескольких помещений.

Вбизи исследуемой зоны (центральная часть здания), в соседних помещениях могут быть равернуты беспроводные сети и др. виды САРД. Как видно из рис.3.2 всего близлежащих помещений может составить 26, которые необходимо учесть в решении задачи иследования ЭМС.



Рисунок 3.2 - Схема расположения помещений вблизи исследуемой

зоны

Вблизи исследуемой зоны (локальная сеть в помещении 8) могут находиться следующие помещения:

два боковых офиса по широкой стенке (помещение 1);

два боковых офиса по узкой стенке (помещение 2)

офис этажом выше или ниже (помещение 3) (может быть два);

офис, расположенный в углу (помещение 4) (может быть четыре);

офис боковой верхний или нижний, расположенный по широкой стенке (помещение 5) (может быть четыре);

офис боковой верхний или нижний, расположенный по узкой стенке (помещение 6) (может быть четыре);

офис, расположенный в вершине (помещение 7) (может быть 8).

Очевидно возможна ситуация, когда в каждом из исследуемых помещений развернуты аналогичные системы с тремя точками доступа. Таким образом, на один источник полезного сигнала может приходится 78 источников помех.

Продемонстрируем возможность проведения анализа ЭМС САРД в пределах здания.

Такие взаимодействия могут рассматриваться как дуэльная ситуация, когда одна сеть является источником помех для другой. В данном случае, хотя и существует множество других источников помех, эти помехи не рассматриваются и не учитываются. Такая ситуация может возникнуть в том случае когда на исследуемой территории существует одна сеть и вводится новая (рис.3.3).

Для оценки влияния одной сети на другую производится расчет всех взаимных расстояний от каждого элемента исследуемой сети к каждому элементу влияющей сети.

Взаимодействия нескольких сетей более сложные по сравнению дуэльной ситуаций. В данном случае существует множество источников помех. Такая ситуация обычно возникает в зданиях с большим количеством офисов или в микрорайоне и городе, где уже существует множество сетей распределенного типа и вводится еще одна (рис.3.3).

Оценка влияния передатчиков нескольких сетей на одну производится по нижеизложенной.методике.

3.2 Методика анализа ЭМС

В качестве критерия обеспечения ЭМС возьмем показатель (1), который принято называть ОСПШ. Критерий ОСПШ в данном случае является вполне допустимым, поскольку, мешающие сигналы оказываются полностью совпадающие по частотному спектру. Кроме того, эти помехи, в силу их широкополосности, близки по своей структуре к белому шуму.

, (3.1)



где ,,- соответственно мощность сигнала, i-й помехи и шума в полосе частот приема.

Для расчета ОСПШ в каждой интересующей зоне здания необходимо наличие таких исходных данных:

размеры помещений здания - высота h, ширина d, длина ;

толщина стен т и перекрытий п;

- мощность передатчика;

, - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн в направлении исследуемого помещения;

- коэффициенты полезного действия приемного и передающего фидеров;

6) - длина волны несущей.

Уровень помехи на входе приемника можно рассчитать, используя уравнение передачи (все слагаемые выражены в дБ).

(3.2)

где - мощность влияющего передатчика;

- ослабления энергии в свободном пространстве;

- дополнительные потери на расстоянии разноса R между рецептором и источником помех.

Далее производится расчет расстояний от исследуемого потребителя сети к источнику полезного сигнала и источникам помех:

. (3.3)



При расчете энергетики сигналов распространяющихся внутри зданий и помещений, особую роль играет величина дополнительных потерь , которую можно представить

, (3.4)

где

- дополнительные потери сигнала при заполнении пространства различными предметами, дБ;

- дополнительные потери сигнала c учетом стен и перегородок, дБ;

- дополнительные потери сигнала c учетом межэтажных перекрытий, дБ;

- дополнительные потери сигнала c учетом замираний сигнала, дБ.

- дополнительные потери сигнала c учетом частотной отстройки помехи и полосы пропускания приемника, дБ.

Рассмотрим более подробно составляющие дополнительного затухания.

- учитывает потери энергии на рассеяние и поглощения в различных окружающих радиолинию предметах. Данный показатель представляет собой масштаб расстояний между заполняющими предметами возведенный в степень [2]:

,(3.5)

Учет потерь в N стенах производится по формуле [8]:

,(3.6)

- потери при прохождении сигнала сквозь одну стену.

Межэтажные перекрытия, как правило, имеют более сложную металлобетонную конструкцию, поэтому используют эмпирическую форумулу [15]

, (3.7)

где

- количество межэтажных перекрытий;

- затухание межэтажных перекрытий, дБ;

- поправочный коэффициент ().

Случайная составляющая дополнительного затухания обусловленная замиранием сигнала

(3.8)

где - отображают соответственно: медленные и быстрые случайные замирания.

В расчетных задачах по энергетике радиолиний САРД быстрыми замираниями обычно пренебрегают, ибо они характерны для достаточно протяженных, когда 30-50 км, преимущественно закрытых или полузакрытых радиотрасс. Для офисных, учрежденческих радиолиний или радиолиний в пределах микрорайона принято считать .

Причиной, порождающей случайно изменяющиеся уровни сигналов, являются различные перемещения людей и предметов, элементов мебели, перемещения транспортных единиц и др., отраженный сигнал от которых приходит в точку приема со случайной фазой и (или) со случайной фазой и амплитудой. Квазипериод этих замираний составляет секунды и более длительные временные отрезки. Медленные замирания со значительно большими квазипериодами (часы) могут быть результатом воздействия атмосферных факторов. Медленные замирания подчиняются случайному логарифмически-нормальному закону, когда логарифм от уровня сигнала - распределен нормально с параметрами . Тогда [5,6]

, дБ(3.9)

где - коэффициент корреляции между двумя сечениями случайного процесса изменения , разнесенных на интервал .

Дополнительные потери энергии сигнала за счет частотного несовпадения помехи и рабочей полосы пропускания приемника вычисляют по формуле [10]:

,(3.10)

где F() - функция ослабления мощности радиопомехи за счет частотного несовпдания, дБ;

- параметр, который характеризует частотную расстройку между -м передатчиком - источником помехи и -м приемником-рецептором помехи.

В случае однотипных взаимодействующих систем .

После расчета затухания производится расчет мощности принимаемого сигнала, определяемой в дБ в соответствии с уравнением передачи:

(3.11)



Очевидно, действующие помехи от других систем снижают показатели исследуемой или проектируемой системы. Один из наиболее чувствительных и важных показателей является пропускная способность канала.

При воздействии белого гауссового шума пропускная способность канала может быть найдена в соответствии с формулой Шеннона:

,(3.12)

где В - база сигнала.

По полученной пропускной способности и зная требуемую пропускную способность канала можно оценить реальную возможность функционирования сети в сложившейся ЭМО.

Вероятность ошибки.

а) Вычисление вероятности искажения одного бита при скорости 1 Мбит\с.

Вероятность искажения символа может быть найдена как

,(3.13)

где d - минимальное расстояние между любыми двумя отсчетами в созвездии сигнала;

- внутриполосная шумовая мощность в приемнике;

При скорости передачи 11Мбит/с в 802.11b используется дифференциальная (двойная) (differential) фазовая манипуляция BPSK (binary phase shift keying). Поэтому необходимо удвоить эффективную шумовую мощность в приемнике.



, (3.14)

где - шумовая энергия на входе приемника.

Расстояние между сигнальными отсчетами d может быть определено из сигнального созвездия вида модуляции BPSK. Расстояние между сигнальными точками для модуляции BPSK пропорционально, где - энергия посылок сигнала.

Таким образом

. (3.15)

тогда вероятность ошибки

.(3.16)

Для кода Баркера с n=11

.(3.17)

Это - также 1Мбит/с BER, потому что каждый символ кодирует единственный сигнальный бит.

б) Вычисление вероятности искажения одного бита при скорости 2 Мбит\с.

При скорости передачи 2 Мбит/с используется модуляция DQPSK. В сравнении с BPSK минимальное расстояние между сигнальными точками в QPSК-созвездии уменьшено на



. (3.18)

В итоге имеем

.(3.19)

Каждый символ из потока 2 Мбит/с кодирует два символа. Принятие ошибочной информации между смежными сигнальными отсчетами DQPSK созвездия наиболее вероятно и менее вероятно принятие сигнальных посылок располагающихся на противоположных сторонах созвездия. Поскольку символы закодированы кодом Грея, ошибочное принятие соседнего сигнального отчета приводит к потери только 1-го символа из 2 мегабитного потока.

в) Вычисление вероятности искажения одного бита при скорости 5,5 Мбит/с.

Суммарная вероятность ошибки символа,

,(3.20)

где - коэффиициент кода (отношение длины исходного блока информации к длине его кодированного представления);

- кодовое расстояние и сумма кодовых расстояний ко всем другим отсчетам. Для 802.11b при скорости 5.5 Mбит/с, вероятность ошибки символа ограниченная 0.5

(3.21)



.(3.22)

г) Вычисление вероятности искажения одного бита при скорости 11 Мбит/с

Для 802.11b при скорости 11 Mбит/с, вероятность ошибки принятия сигнала

.(3.23)

Поскольку каждый символ кодирует 8 бит, эффективная вероятность ошибки одного бита

(3.24)

д) Определение Q - функции.

Функция Q определена как плотности вероятности с нулевым средним (гаусссовское распределение)

.(3.25)

В этой модели используется приближение пятого порядка к Q (x):

(3.26)



В данном подразделе показаны результаты расчета вероятности искажения бита для для 802.11b и 802.15.1 (Bluetooth) для различных типов модуляции при использовании критериев соотношения сигнал/помеха показанных в табл.3.1

Моделирование упрощено, предполагая, что выше некоторого значения сигнал /помеха вероятность ошибки одного бита BER является фактически нолем и ниже некоторого SNIR (signal-to-interference ratio) BER фактически 0.5, [15].

Таблица 3.1 - Предел для отношения сигнал/помеха

Тип приемника	Верхняя граница предела отношения сигнал/помеха	Нижняя граница предела отношения сигнал/помеха
802.11b	10 дБ	-3дБ
802.15.1 (Bluetooth)	20дБ	1дБ

Рисунок 3.4 - Вероятность искажения бита для 802.11b и 802.15.1 (Bluetooth) для различных типов модуляции

Рисунок 3.4 показывает результаты вычисления вероятности искажения бита (BER) от отношения отношения сигнал/помеха в диапазоне -15 до 20 дБ для каждого типа модуляции, [15].

Для анализа ЭМС (рис.3.3) группировки локальных сетей были взяты следующие данные:

I) размеры помещений здания - высота h =4 м, ширина d =5м , длина =10 м;

толщина стен т =0,5 м и перекрытий п = 0,4 м;

Вт - мощность передатчика;

- коэффициент усиления передающей и приемной антенн; 10) - коэффициенты полезного действия приемного и

передающего фидеров.

11) длина волны несущей - м.

С помощью математического моделирования проведен анализ функционирования группировки БЛС в здании (рис.3.2). В таблице 3.2 представлены данные о затухание электромагнитной энергии в строительных материалах на частоте 2,4 ГГц.

Таблица 3.1 - Коэффициенты затухания стройматериалов для радиоволн с частотой 2,4 ГГц

№	Строительный материал	Коэфициент затухания , дБ
1	Шлакоблок	5,013
2	Гипсокартон	1,89
3	Кирпич красный	8,38
4	Бетон	10,486
5	Бетон+гипсокартон	12,385

На рисунке 3.5 представлены зависимости мощности принимаемого полезного сигнала от расстояния при ипользованнии стен помещения со стройматериалами табл. 3.2.



Pc(R) - открытое пространство;

P1(R) - cтена из шлакоблоков;

P2(R) - cтена из красного кирпича;

P3(R) - cтена из бетона;

P4(R) - cтена из бетона + гипсокартон ;

Рисунок 3.5 - Зависимость мощности принимаемого полезного сигнала от расстояния при ипользованнии стен помещения с различными стройматериалами

Из графика 3.5 можно сделать вывод, что при минимальном значении мощности принимаемого сигнала равным -100 дБ, что соотвествует чувствительности приемника, расстояние между рабочими станциями различно при наличии стен выполненных из различных стройматериалов. Наибольшее затухание полезного сигнала будет при наличии стен здания выполненных из бетона и облицовочных гипсокартоном.

С помощью математического моделирования проведен анализ функционирования группировки БЛС в здании (рис.3.2). В качестве исходных данных был использован сигнал с кодом Баркера с количеством уровней напряжения М=11, базой - В=8 и частотой передачи F=5 МГц. При этом пропуск ная способность по Найквисту должна соответствовать 35 Мбит/с. На практике же используется не весь канал и при частоте F=5 МГц информация передается со скоростью 1 Мбит/с или 2 Мбит/с.



На рис.3.6 представлены зависимости ОСПШ от воздействия помех соседних офисов. На рис.3.7 и рис.3.8 представлены соответственно пропускные способности и вероятности искажения одного бита передаваемой информации. Номер помещения соответствует следующему перечню:

1 - боковой офис, расположенный по широкой стенке помещения исследуемой сети;

2 - боковой офис, расположенный по узкой стенке;

3 - офис, расположенный этажом выше или ниже;

4 - угловой офис, расположенный на этаже исследуемой сети;

5 - боковой офис, расположенный по широкой стенке этажом выше или ниже помещения исследуемой сети;

6 - боковой офис, расположенный по узкой стенке этажом выше или ниже помещения исследуемой сети;

7 - угловой офис, расположенный этажом выше или ниже помещения исследуемой сети;

Кривые 1 на рис.3.6, рис.3.7 и рис.3.8 соответствуют случаю воздействия одного источника помехи (работает один источник соседней сети, расположенный в центре своего помещения) при расстоянии до источника полезного сигнала равном 1 метр. Кривые 2 на этих же рисунках соответствуют случаю воздействия двух источников помех. Кривые 3 соответствуют случаю воздействия трех источников помех. Кривые 4, 5 и 6 получены для тех же исходных данных соответственно 1, 2 и 3 источникам помех при расстоянии до источника полезного сигнала равном 3 метра.

Из приведенных графиков видно, что наибольшее влияние оказывают БЛС, расположенные в помещениях 1 и 2 . Поэтому, применение в исследуемом помещении системы того же стандарта, который используется сетями помещений 1 и 2 нежелательно. Влияние БЛС, расположенных в помещениях 3 и 4 меньше и дает допустимые показатели. Наименьшее влияние оказывают БЛС, расположенные в помещениях 5, 6 и 7.

Проведен анализ функционирования сети при изменении расстояния до источника полезного сигнала в исследуемом помещении при воздействии БЛС, расположенной в помещении 4. Получены зависимости рассмотренных выше показателей от расстояния до источника полезного сигнала. На рис.3.9, рис.3.10 и рис.3.11 показаны соответственно зависимости ОСПШ, пропускной способности и вероятности искажения одного бита информации от расстояния до источника полезного сигнала.



Кривые 1, 2 и 3 как и в предыдущем исследовании соответствуют случаям воздействия 1, 2 и 3 источникам помех. Из полученных графиков видно, что влияние помех помещения 4 несущественно при расстоянии передатчика от приемника исследуемой сети не более 6 метров.

3.3 Оценка ЭМС при влиянии сетей распределенного типа на РЭС других радиослужб

Как известно, в системах связи распределенного типа используют методы широкополосной передачи сигналов. Данная особенность позволяет работать этим системам в совмещенных полосах частот с другими системами радиосвязи (радиорелейными, спутниковыми и т.д.) без создания непреднамеренных помех, поскольку малая спектральная плотность мощности радиосигнала этих систем ограничивает радиус зоны их действия до нескольких десятков метров (802.11, Bluetooth, DECT).



Заключение

Данная методика анализа ЭМО БЛС позволит вести прогнозирование влияния вновь вводимых сетей и мониторинг уже существующих сетей. При наличии системы измерения и общей для всего здания центральной станции в режиме мониторинга возможно создание системы управления параметрами ЭМС. Так, если соседняя сеть оказывает недопустимое воздействие, то системой управления принимается решение, например, на изменение частоты.

Данная методика позволяет оценить:

- влияние каждого в отдельности из передатчиков нескольких сетей на приемники исследуемой (одной) сети;

- влияние суммы усредненных помех передатчиков нескольких сетей на приемники исследуемой сети;

- влияние суммы максимальных помех передатчиков нескольких сетей на приемники исследуемой сети.

Размещено на Allbest.ru