CC BY
107
УДК 621.391.827
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ
А. В. Куюн ГОУ ВПО «МГУС», г. Москва
Постановка задачи. В течение последнего десятилетия в мире велась интенсивная работа по созданию радиоустройств малого радиуса действия (Short Range Devices - SRD). Подобные устройства широко используются в системах сбора телеметрической информации и в огромном числе других приборов различного назначения, куда входят системы обнаружения, охраны и безопасности, устройства передачи данных.
Постоянное увеличение плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) при ограниченном частотном ресурсе приводит к увеличению уровня взаимных помех, нарушая нормальную работу этих средств. Весьма остро проблема взаимных помех проявляется там, где целые комплексы РЭС должны размещаться на ограниченной территории. Число антенн на объекте может достигать несколько десятков, а расстояние между ними могут составлять единицы метров и менее. Плотное и размещение антенн приводит к тому, что электромагнитные поля, излучаемые антеннами радиопередатчиков (РПД), могут создавать в антеннах радиоприемников (РПМ) высокочастотную ЭДС, что может привести к перегрузке входных каскадов и нарушение нормального функционирования РПМ или даже выхода из строя. Не менее опасным являются одновременное воздействие нескольких сигналов, порождающих в выходных каскадах и выходных каскадах РПМ интермодуляционные помехи, которые могут попасть в полосу рабочих частот приемников и ухудшать условия приема полезных сигналов.
Поскольку использование SRD устройств, принимает массовый характер, оценим их электромагнитную совместимость (ЭМС) с другими РЭС.
Устройства SRD могут выступать в качестве источников помех (интерференции) для других систем, и сами могут подвергаться воздействию внешних помех. Интерференция возникает, если устройства работают с перекрытием частоты; в непосредственной близости друг от друга; одновременно; с перекрытием диаграмм направленности антенн; а также зависит от плотности размещения передатчиков в пространстве.
Внутриканальные помехи и блокирование
Оценим внутриканальные помехи и блокировку на примере взаимодействия устройств технологии Bluetooth и другими РЭС работающих в полосе частот 2,45 ГГц, используя метод Минимальных Совокупных Потерь (МСП). Известно, что минимальный принимаемый сигнал в технологии Bluetooth, должен быть равен Максимально Возможной Чувствительности (МВЧ), которая составляет -70 дБм. Минимальный принимаемый сигнал приемника Bluetooth, определяется формулой:
PnpM = МВЧ + 3 = -70 + 3 = -67 дБм. (1)
Распространение радиоволн в полосе частот 2,45 ГГц внутри здания отличается от распространения вне здания, т.к. распространение внутри здания находится под сильным воздействием многих изменяющихся факторов. К ним относятся расположение здания, типа и материалов из которого изготовлено здание, а также и другие свойства относящиеся к зданиям. Из - за того, что длинна волны в полосе 2,45 ГГц составляет приблизительно 12 см, существует очень много объектов и поверхностей внутри здания имеющие размеры порядка половины длинны волны (6 см), которые могли бы взаимодействовать в полосе 2,45 ГГц. Каждый объект такого типа, является потенциальным источником рефракции, дифракции, или рассеивания радиочастотной энергии.
На частоте 2,45 ГГц, для расстояний меньших 15 метров, потери распространения оцениваются соотношением:
Ц, (d), дБ = 40,2 + 20 log d, (2)
а для расстояний больших 15 метров
L п (d), дБ = 63,7 + 20 log d/15, (3)
где d - дистанция, м.
Зависимость затухания сигнала от расстояния внутри помещения представлена на рис.
‘L„(d),dE
1 10 100 Рис. 1. Зависимость затухания сигнала от расстояния внутри помещения
Оценим МСП и защитную дистанцию d3. С этой целью вычислим МСП как:
ЦМСП = Рпрд - Рпрм + С/1, (4)
где: Рпрд - эффективная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) интерферирующего передатчика, дБм; C/I- отношение сигнал-интерференция для приемника Bluetooth, дБ.
Если положить Ln = ЬМСП, то защитную дистанцию d3 между интерферирующими передатчиком и приемником можно оценить формулами:
dз = 10(L" - 40,2) / 20 , для Ln < 63,7 дБ, и
dз = 15(Цп - 63,7) / 30, для Ln > 63,7 дБ.
Виды интерференции от различных источников помех при воздействии на устройства технологии Bluetooth, показаны в табл. 1.
Таблица 1. Механизмы интерференции Bluetooth при различных источниках помех
Источники помех Виды интерференции
RFID Блокирование
RLAN FHSS Блокирование
RLAN DSSS Внутриканальные помехи
Цифровое средство ENG/OB с мобильной видеокамерой Внутриканальные помехи
В табл. 1 обозначены: RFID (Radio Frequency Identification Devices) - технология радиочастотной идентификации, радиочастотное распознавание осуществляется с помощью закрепленных за объектом специальных меток, несущих идентификационную и другую информацию; RLAN (Radio Local Area Network) - локальные радиосети передачи
данных с использованием широкополосных методов модуляции, которые обеспечиваются за счёт использования таких способов расширения спектра, как программная перестройка частоты FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) или псевдослучайной последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum); цифровое средство ENG/OB (Electronic News Gathering/Outside Broadcasting) с мобильной видеокамерой, осуществляющая передачу сигнала по радиоканалу.
Исходные данные приведены в табл. 2.
Таблица 2. Исходные данные
Исходные Данные RFID RLAN FHSS RLAN DSSS Цифровое средство ENG/OB с мобильной видеокамерой
ЭИИМ, Рпрд, дБм 36 20 20 35
С/I Bluetooth приемника при внутриканальной интерференции, дБ 11 11 11 11
С/I Bluetooth приемника при блокировании, дБ -40 -40 -40 -40
Рпрм> дБм -67 -67 -67 -67
Рассчитанные значения МСП и соответствующие им защитные дистанции по изложенной выше методике для различных источников помех с 100% рабочими циклами передатчиков при воздействии на устройства технологии Bluetooth в зависимости от механизма интерференции приведены в табл. 3.
Таблица 3. Рассчитанные значения
Рассчитанные Значения RFID RLAN FHSS RLAN DSSS Цифровое средство ENG/OB с мобильной видеокамерой
МСП при внутриканальной интерференции Ьмсп, дБ 63 47,0 47 62
МСП при блокировании Ьмсп, дБ 114 98 98 113
Защитная дистанция ёз, м, при Ьмсп < 63,7 дБ 13,8 2,19 - -
Защитная дистанция ёз, м, при Ьмсп > 63,7 дБ - - 22,1 85,6
Защитные дистанции для различных источников помех при воздействии на устройства технологии Bluetooth в зависимости от механизма интерференции приведены в табл. 4, которые были получены на основе измерений проведенных английским агентством по радиосвязи (RA/UK).
Таблица 4. Защитные дистанции
RFID RLAN FHSS RLAN DSSS Цифровое средство ENG/OB с мобильной видеокамерой
С/I, дБ -33 -33 2,5 -2
МСП, дБ 70 54 77,7 91,3
Защитная дистанция ёз, м, при Ln < 63,7 дБ - 4,9 - -
Защитная дистанция ёз, м, при Ln > 63,7 дБ 24 - 44 125
Таким образом, согласно приведенной выше методике, рассчитанные защитные дистанции между устройством технологии Bluetooth и следующими РЭС составили: RFID 24 метров, RLAN с FHSS 4,9 метров, RLAN с DSSS 44 метров, цифровым средством ENG/OB с мобильной видеокамерой 125 метров.
Оценка интермодуляционных помех
Оценим интермодуляционные помехи на примере технологии Bluetooth и устройств радиочастотной идентификации и обнаружения RFID мощностью 4 Вт. Поскольку в технологии Bluetooth и устройствах RFID используется широкополосный сигнал со скачкообразной перестройкой частоты FHSS, то существует вероятность того, что при определенной разности частот появится интермодуляционная составляющая помехи на частоте приемника Bluetooth.
Это один из видов побочных радиоизлучений, возникающих при одновременной работе радиоэлектронных средств, расположенных на одном объекте интеллектуального здания.
Интермодуляционное излучение - побочное радиоизлучение, возникающее в результате воздействия на нелинейные элементы высокочастотного тракта РПД
устройства, генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля (от других передатчиков). Выделяют две основные причины возникновения интермодуляционных колебаний: 1) мешающий сигнал поступает на оконечный каскад передатчика и усиливается вместе с полезным сигналом; 2) сигнал на частоте помехи, изменяет параметры активного элемента во времени, что приводит к модуляции полезного сигнала на рабочей частоте и к появлению в спектре выходного сигнала передатчика интермодуляционных составляющих. При взаимодействии двух передатчиков с рабочими частотами/ и/2 интермодуляционные составляющие возникают на частотах/и = р/1 + и/2, р, п = ± 1, 2, 3.... Их число быстро увеличивается с ростом порядка интермодуляции N = |р| + |п|.
Значения некоторых интермодуляционных частот приведены в табл. 5.
Таблица 5. Сочетания частот
Порядок интермодуляции 2 3 5 7
Сочетание частот f + /2| 2/г - /2 2fi + /2 3f - 2/2 3f + 2/2 4/1 - 3/
Мощность интермодуляционного колебания зависит от мощности мешающего передатчика, типа активных элементов в выходных каскадах, степени связи между передатчиком и от разности рабочих частот f и f2.
Интермодуляционные частоты четного порядка имеют значительную расстройку относительно рабочей частоты передатчика, и поэтому их уровни сильно ослаблены фильтрующими элементами. Составляющие 3-го порядка по частоте наиболее близки к частоте основного излучения и могут попадать в полосу пропускания выходного каскада. Они мало ослабляются избирательными цепями каждого передатчика и поэтому оказывают наибольшее мешающее действие. Составляющие 5-го и 7-го порядков также могут находиться в полосе усиления оконечных каскадов, но их мощность значительно меньше составляющих 3-го порядка.
Отметим, что интермодуляционные компоненты 3-го порядка ограничены девятнадцатью каналами Bluetooth, проиллюстрировано на рис. 2.
Рис. 2. Количество интерференционных составляющих при семи одновременно работающих передатчиков RFID
Из рис. 2 видно, что если все семь RFID передатчиков передают одновременно на различных частотах, то девятнадцать рядом расположенных каналов Bluetooth приемника перекрываются. В этом случае вероятность интерференции для Bluetooth приемника определяется формулой:
число мешающих каналов _ 19 _ 0 24
..w, "70 ’
. (5)
Рнт = -
общее число каналов приемников 79
Если интерферирующие устройства находятся вне защитного диапазона интермодуляции, то интерференция будет возникать в 7 МГц полосе пропускания RFID. В этом случае вероятность наложения для Bluetooth приемника определятся как:
Рн
не мешающие каналы общее число каналов приемников 79
7
= — = 0,089
(6)
Подобное уменьшение вероятности интерференции вызвано эффективным использованием специальных методов: уменьшение цикла загрузки, увеличение
направленных свойств антенны.
Проведем анализ интермодуляции (табл. 6)подразумевающее увеличение плотности активных устройств внутри интермодуляционного защитного диапазона при N = 8, 16 и 32 RFID устройствах.
Таблица 6. Плотность активных устройств для вычисленной интермодуляции
Сценарий Число устройств внутри защитной зоны главного лепестка Число устройств внутри главного лепестка
общий случай 8 1
случай увеличенной плотности 16 1
экстремальный и очень редкий случай 32 3
Так как два события являются статически независимыми, вероятность того, что отдельное ЯНО устройство будет интерферировать с приемниками, определяется как:
Р = РВн ' РВр , (7)
где: РВн - вероятность того, что приемник находится внутри главного лепестка антенны
передатчика; Рвр - вероятность того, что передатчик включен в заданный момент времени.
Вероятность одновременно передающих п устройств из N устройств находящиеся внутри интермодуляционного защитного диапазона Р(п), может быть вычислена при помощи следующей формулы:
N!
Р (п) = ■
рп -С1 - р )
N-п
п! - п)!
Результаты вычисления Р(п) представлены на рис. 3. Р(п)
(8)
0123456789 10
Рис. 3. Вероятность одновременно передающих п устройств
п
Вероятность того, что четыре устройства одновременно активны (n = 4) при нахождении 8 устройств внутри интермодуляционного защитного диапазона составляет P(n) = 0,000138, при 16 устройствах - P(n) = 0,0026, при 32 устройствах P(n) = 0,027, а при 64 устройствах не превышает P(n) = 0,135.
Литература
1. Compatibility of Bluetooth with other existing and proposed Radio communication Systems in the 2.45 GHz frequency band. - ERC Report 109, October 2001.
2. ERC Decision of 12 March 2001 on harmonized frequencies, technical characteristics and exemption from individual licensing of Non-specific Shot Range Devices operating in the frequency band 2400-2483.5 MHz (ERG/DEC/(01)05).
3. Регламент радиосвязи Российской Федерации, М.: ГКРЧ - 1999.
Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебное пособие / Под ред. д.т.н., проф. М. А. Быховского. - М.: Эко-Трендз, 2006. - 376с.
УДК 621.39
ИССЛЕДОВАНИЕ САМОПОДОБИЯ GPRS ТРАФИКА
Пастухов А.С., Матвеев С.Б.
ГОУ ВПО «МГУС», г. Москва
В настоящее время наблюдается бурное развитие сервисных услуг в сотовых сетях связи на базе стандарта GSM (Global System for Mobailcommunition). Одним из направлений развития является внедрение услуги пакетной передачи данных GPRS (Generalpacket radio service) в сотовых сетях.
Основной целью GPRS является доступ к Internet сети с помощью мобильного телефона. Информация, предаваемая по каналу, называется GPRS трафиком, который аналогичен Internet трафику.
Согласно [1] поведение сетевого трафика определяет состояние сети. Зная поведение трафика, можно судить на сколько данная конфигурация сети сможет выполнять возложенные на нее обязанности, т.е. можно рассчитать задержку, коэффициент потерь и т.д.
