Моделирование вероятности появления внутриканальных и интермодуляционных помех при высокой плотности размещения беспроводных устройств с малым радиусом действия Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.391.827

В.М. Артюшенко

д-р техн. наук, профессор, кафедра информационных технологий и управляющих систем, ГБОУ ВПО Московской области «Финансово-технологическая академия», г. Королев

В.А. Корчагин

магистрант, кафедра информационных технологий

и управляющих систем, ГБОУ ВПО Московской области «<Финансово-технологическая академия», г. Королев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПОЯВЛЕНИЯ ВНУТРИКАНАЛЬНЫХ И ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ПОМЕХ ПРИ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ С МАЛЫМ РАДИУСОМ ДЕЙСТВИЯ

Аннотация. В статье рассматриваются вопросы, связанные с расчетом и моделированием вероятности появления внутриканальных и интермодуляционных помех устройств малого радиуса действия, при одновременной работе в зоне их действия радиоэлектронных систем и устройств, работающих с ними в одном частотном диапазоне. Показано, что вероятность суммарных интермодуляционных помех напрямую зависит как от величины рабочего цикла передающего оборудования, создающего помехи, так и от величины рабочего цикла устройств, принимающих эти помехи.

Ключевые слова: устройства малого радиуса действия, внутриканальные и интермодуляционные помехи.

V.M. Artyushenko, Financial and Technological Academy, Korolev

V.A. Korchagin, Financial and Technological Academy, Korolev

MODELLING OF PROBABILITY OF EMERGENCE INTRA CHANNEL AND INTERMODULATION

HINDRANCES AT THE HIGH DENSITY OF PLACEMENT OF WIRELESS DEVICES WITH A SMALL

RADIUS OF ACTION

Abstract. In article the questions connected with calculation and modeling of probability of emergence of intra channel and intermodulation hindrances of devices of small radius of action during the simultaneous work in a zone of their action of radio-electronic systems and devices, working with them in one frequency range are considered. It is shown that the probability of total intermodulation hindrances directly depends as on the size of a running cycle of the transferring equipment creating hindrances, and on the size of a running cycle of the devices accepting these hindrances.

Keywords: devices of small radius of action, intra channel and intermodulation hindrances.

Одними из ключевых технологий в современной концепции построения и развития сетевых телекоммуникационных инфраструктур являются технологии беспроводного доступа с малым радиусом действия SRD (Short Range Devices). Наиболее перспективными областями их применения являются те области, где требуется сбор и обработка большого количества одновременно измеряемых параметров. Внедрение технологий SRD в эти области позволит не только упростить взаимодействие между различным оборудованием и устройствами, но и заменить традиционные проводные соединения - на беспроводные каналы.

Учитывая высокую плотность размещения устройств SRD в ограниченном пространстве, важнейшей проблемой является обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими радиоэлектронными средствами (РЭС), работающими с ними в одном частотном диапазоне, в зоне их действия [1-6].

Проанализируем проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронного оборудования SRD на примере устройств, выполненных по технологии Bluetooth и работающих в диапазоне частот 2,45 ГГц.

Пусть в зоне действия SRD работает радиоэлектронное оборудование, использующее так же, как и Bluetooth-устройства, скачкообразную перестройку частоты FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum). В дальнейшем данное радиоэлектронное оборудование

будем обозначать как FHSS-устройство.

1. Расчет защитного расстояния от внутриканальных помех

Если предположить, что перестройка частоты приостановлена, то на основе традиционной модели распространения радиоволн можно рассчитать защитные расстояния £защ между мешающим радиоэлектронным оборудованием и Bluetooth-приемником, как в случае возникновения помех в совпадающем канале (внутриканальные помехи), так и в случае его блокирования (уменьшение усиления полезного сигнала во входном тракте приемника, вызванное действием интенсивного мешающего сигнала, частота которого находится вне основного канала приема).

В открытых технических источниках [6] приводятся некоторые защитные расстояния для устройств Bluetooth, при воздействии на них различных источников помех, например, от SRD - Short Range Devices, CATV - Community Antenna Television, RLAN - Radio Local Area Network, ENG/OB - Electronic News Gathering/Outside Broadcasting, RFID - Radio frequency identification devices. Однако необходимо отметить, что в расчетах, приведенных в этих источниках, предполагался наихудший случай, когда рабочий цикл источников помех равнялся 100%. То есть, когда источники помех воздействовали на Bluetooth-устройства в течение 24 часов в сутки. Но проведенные исследования показали, что рабочий цикл SRD составляет обычно всего 15% [7].

Вероятность внутриканальной помехи Рвн.п для канала Bluetooth от одного источника помех (FHSS-устройства) может быть найдена из выражения [8]:

Рвн.1 = DhT\

где D - рабочий цикл FHSS-устройства; N - число скачков частоты устройств технологии Bluetooth.

Зависимость вероятности внутриканальной помехи пикосети Bluetooth от величины рабочего цикла FHSS-устройств представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость вероятности внутриканальной помехи от рабочего цикла

Из представленной зависимости видно, что с уменьшением величины рабочего цикла мешающих устройств, вероятность внутриканальной помехи также уменьшается.

С ростом числа источников помех m вероятность внутриканальной помехи в пикосети Bluetooth увеличивается и может быть найдена из выражения:

PeH.i = D(1- [(N - 1)N-1] m).

Зависимость вероятности внутриканальной помехи в пикосети Bluetooth от количества источников помех, вызванных FHSS-устройствами, для различных значений величины рабочего цикла представлена на рисунке 2.

Исследования показывают, что величина рабочего цикла мешающего устройства оказы-

вает влияние не только на вероятность появления внутриканальнои помехи, но и на значение защитного расстояния.

Рисунок 2 - Зависимость вероятности внутриканальной помехи от числа источников помех

В результате моделирования были получены зависимости защитного расстояния ВШе№оШ-устройств (при недопущении появления внутриканальной помехи) от рабочего цикла различных мешающих устройств, представленные на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимость защитного расстояния от величины рабочего цикла мешающего устройства при различных значениях мощности его передатчика

Заметим, что в рассмотренных случаях внутриканальная помеха не приводила к снижению пропускной способности ниже 90%, так как более 90% спектра оставалась свободной от помех [9].

2. Расчет защитного расстояния от блокирования

Определим величину защитного расстояния, позволяющего избежать блокировки Bluetooth-устройств помехами, вызванными работой различных FHSS-устройств, мощность которых, как правило, значительно больше, чем мощность Bluetooth-устройств. Например, к таким устройствам можно отнести устройства радиочастотной идентификации RFID, мощность передатчика которого может составлять 4 Вт.

Согласно проведенным в [6] расчетам, при постоянной работе RFID и Bluetooth-устройств, защитное расстояние от блокирования приемника Bluetooth устройствами RFID составляет около 24 м, при отношении сигнал/шум (ОСШ) - не менее 33 дБ. Однако проведенные исследования показали, что, в зависимости от величины рабочего цикла, минимальные зна-

чения ОСШ для различных типов передатчиков RFID, создающих помехи, блокирующие работу ВШе^оШ-устройств, меняются, что в свою очередь ведет к изменению величины защитного расстояния. При уменьшении рабочего цикла источников помех, защитное расстояние обеспечивается при более низких значениях величины ОСШ.

На рисунке 4аб приведены зависимости, соответственно, минимальных значений ОСШ и защитных расстояний для В1ие^оШ-устройств, рассчитанных с помощью модели распространения для наихудшего случая, от величины рабочего цикла мешающих устройств RFID с мощностью передатчика 4 Вт [4, 9]. Из приведенных на рисунке 4 графиков видно, что для 15%-го рабочего цикла защитный интервал обеспечивается при более низких значениях ОСШ, при этом уменьшение величины ОСШ может достигать 15 дБ.

В результате моделирования были получены зависимости минимально допустимых значений ОСШ и защитного расстояния для В1ие^оШ-устройств от величины рабочего цикла мешающих FHSS-устройств, при различных значениях мощности их передатчиков Рпер, для наихудшего случая, когда на пути мешающего сигнала отсутствуют препятствия для его распространения, представленные на рис. 5а, б.

ш

Э

о о

о -10 -20 -30

-50 -60

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рабочий цикл, %

а)

б)

Рисунок 4 - Зависимости: а - минимальных значений ОСШ; б - защитного расстояния от величины рабочего цикла устройства RFID с мощностью передатчика 4 Вт

Из представленных зависимостей видно, что с увеличением рабочего цикла FHSS-устройств, для недопущения блокировки ВШе^оШ-устройств, должны возрастать как значения ОСШ, так и защитные расстояния.

Кроме того, величина защитного расстояния существенно зависит от мощности передатчика мешающего FHSS-устройства Рпер, влияющей на ОСШ. Зависимости защитного расстояния от мощности мешающего передатчика FHSS-устройства, при различных значениях величины рабочего цикла В1ие№оШ-устройств, представлены на рисунке 6 [4].

а)

б)

Рисунок 5 - Зависимости: а - минимальных значений ОСШ; б - защитного расстояния для ВШе^оШ-устройства от величины рабочего цикла устройства RFID, при различных значениях мощности его передатчика

Из представленных зависимостей видно, что чем выше мощность мешающего FHSS-устройства, тем больше должна быть величина защитного расстояния Ьзащ, при одних и тех же значениях рабочего цикла D.

Экспериментальные исследования показывают, что при совместном размещении FHSS и ВШе^оШ-устройств внутри помещений необходимо учитывать не только направление главного лепестка диаграммы направленности приемопередающих антенн FHSS-устройств, но и их боковых лепестков. При воздействии источников помех на ВШе^оШ-устройства через боковые лепестки диаграммы направленности антенны FHSS-устройства защитные расстояния, при одной и той же мощности мешающего сигнала, могут быть значительно уменьшены. Так предельно допустимое расстояние для борьбы с возникновением внутриканальных помех может быть уменьшено более чем в три раза, а для борьбы с блокированием ВШе^оШ-устройств - более чем в пять раз. Кроме того, с учетом, что рабочий цикл составляет 15%, защитные расстояния

могут быть уменьшены еще почти в четыре раза.

« 0,1 1 2 3 4

Мошность мешающего передатчика, Вт

—♦—D = 10% —■—20%--30% —40% —ж—50% -»-60% —I— 100%|

Рисунок 6 - Зависимости защитного интервала от мощности передатчика FHSS-устройства, при различных значениях величины рабочего цикла

3. Расчет вероятности появления интермодуляционных помех

Так как в передающем оборудовании FHSS используют скачкообразную перестройку частоты, то существует вероятность того, что при определенной разности частот появится интермодуляционная составляющая помехи на частоте приемника Bluetooth-устройства.

В соответствии со спецификациями Bluetooth, два передатчика могут создавать интермодуляционные помехи для Bluetooth-устройств, если каждый из них имеет уровень помех (-39) дБм [6]. В этом случае, используя модель потерь уровня сигнала при распространении, можно определить как защитное расстояние ^ащ, так и защитную область 5защ от интермодуляционных помех, которые будут составлять:

= 35 м и 5защ = 3848 м .

Вероятность появления интермодуляционных помех 2-го порядка РВ2 , от двух FHSS-устройств, работающих на частотах внутри двух полос, находящихся выше и ниже полосы приемника Bluetooth-устройства, может быть найдена так:

Рв2 = 2 N"1 = 2/79 = 2,53х10-2.

Вероятность совпадения главного луча диаграммы направленности передающей антенны источника помех FHSS-устройства с диаграммой приемника помех Bluetooth-устройства может быть найдена из соотношения:

PfHSS = a FHSS /«Bluetooth,

где «fHSS и aBluetooth - угол диаграммы направленности антенны передающего FHSS-устройства и приемника помех Bluetooth-устройства, a Bluetooth = 360°.

Из выражения видно, что чем больше угол диаграммы направленности антенны передающего FHSS-устройства, тем больше вероятность совпадения главного луча диаграммы направленности передающей антенны FHSS-устройства с диаграммой направленности приемника помех Bluetooth-устройством.

Вероятность появления интермодуляционных помех третьего порядка Рю может быть найдена

так:

РВ3 = 1 — (1 — РВ2 PFHSS РТ. FHSS)M, где PtfHSS - вероятность совпадения по времени действия передающего FHSS-устройства с приемником помех - Bluetooth-устройством; М - число мешающих FHSS-устройств, находящихся внутри защитного интервала Bluetooth-устройства.

Из приведенного выражения видно, что вероятность появления интермодуляционных

помех для В1ие^оШ-устройств возрастает с увеличением числа мешающих FHSS-устройств.

Воспользовавшись методикой расчета предложенной Европейским комитетом радиосвязи [7], в результате моделирования были получены графики вероятности интермодуляционных помех, как создаваемых В1ие^оШ-устройствами различным РЭС, так и им самим от радиоэлектронных систем, работающих в диапазоне 2,45 ГГц. Результаты моделирования представлены далее на рисунке 7.

X ф

s о

I- £ О X О X

X о

S к m I

Ш q

о

г

а. ф н

0,01

0,0001

0,000001

1Е-08

0,1 1 10 100 140000

Плотность средств, 1/ км.кв.

■ RFID(500MBT)1 00%FHSS ■FHSS(100%)_

RFID(1 00mBT)100%FHSS -FHSS(10%)_

a)

s

X

m

s

о с

s

1- о

о I

О I

Ё1 s ?

Q. q

щ 5. со q

о

s

а

ф I-х s

1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001

1 10 ------ ооо

х--

Плотность средств, 1/км.кв.

—♦—R-LANI(FHSS) —■—R-LAN2(DSSS)

—ù—SRD1 —м—SRD2

-RFID(500MBT)100%FHSS -RFID(100MBT)100%

б)

Рисунок 7 - Суммарная вероятность интермодуляционных помех: а) для Bluetooth-устройств от радиоэлектронных систем диапазона 2,45 ГГц: RFID, FHSS; б) от Bluetooth-устройств для радиоэлектронных систем диапазона 2,45 ГГц при ЭИИМ Bluetooth - 1 мВт

Здесь SRD1,2 - устройства SRD, 10мВт, D = 100%, соответственно 1 - узкая полоса, 2 -широкая (аналоговое видео); R-LAN1(FHSS) - устройства R-LAN1, 100мВт, FHSS, D = 100%; R-LAN2(DSSS) - устройства R-LAN2, 100мВт, DSSS, D =100%; RFID (500мВт) 100% FHSS - устройства RFID, 500мВт, FHSS, BW = 8МГц, D = 100%; RFID (100мВт) 100% - устройства RFID, 100мВт, узкая полоса, D =100%.

Из представленных зависимостей видно, что в общем случае, с увеличением плотности размещения радиоэлектронных систем диапазона 2,45 ГГц, возрастает как вероятность суммарных интермодуляционных помех, создаваемых ими Bluetooth-устройствам, так и вероят-

ность интермодуляционных помех, создаваемых самими В1ие^оШ-устройствам радиоэлектронным системам. Причем, данная вероятность зависит прямопропорционально от мощности передающих устройств, создающих эти помехи, и обратнопропорционально от мощности устройств, которым создаются эти помехи [3].

Кроме того, вероятность суммарных интермодуляционных помех напрямую зависит как от величины рабочего цикла передающего оборудования, создающего помехи, так и от величины рабочего цикла устройств, принимающих эти помехи. Чем меньше величина рабочего цикла передающего и приемного оборудования, тем меньше вероятность суммарных интермодуляционных помех.

Заметим, что результаты моделирования хорошо согласуются с результатами исследований, изложенными в работах [6, 7, 9].

Таким образом, осуществлен расчет и моделирование уровней внутриканальных помех приемных В!ие№оШ-устройств при работе в непосредственной близости от передающего FHSS-устройства. Получены зависимости вероятности внутриканальной помехи от величины рабочего цикла и числа источников помех FHSS-устройств. Показано, что вероятность внутриканальной помехи приемных В!ие№оШ-устройств увеличивается не только с ростом численности FHSS-устройств, но и с увеличением величины их рабочего цикла.

Получена методика расчета защитного расстояния от воздействующих помех, приводящих к блокированию приемных В!ие№оШ-устройств. Показано, что с увеличением величины рабочего цикла FHSS-устройств, для недопущения блокировки приемных В!ие№оШ-устройств, должны возрастать не только значения ОСШ, но и защитные расстояния.

Показано, что при совместном функционировании радиоэлектронного оборудования FHSS и В!ие№оШ-устройств необходимо учитывать не только направление главного лепестка диаграммы направленности приемопередающих антенн FHSS-устройств, но и их боковых лепестков. Так, для бокового лепестка FHSS-устройств со 100%-м рабочим циклом защитный интервал от помех, воздействующих на В!ие№оШ-устройства внутри канала, при одной и той же мощности мешающего сигнала, может быть уменьшен в три раза, а при полном блокировании -более чем в пять раз.

Осуществлен расчет и моделирование вероятности появления интермодуляционных помех от FHSS-устройств в рабочей полосе частот В!ие№оШ-устройств. Показано, что в общем случае, с увеличением плотности радиоэлектронного оборудования диапазона 2,45 ГГц, вероятность суммарных помех, создаваемых как самими В!ие№оШ-устройствами, так и FHSS-устройствами, возрастает. Причем, данная вероятность зависит прямопропорционально от мощности передающих устройств, создающих эти помехи, и обратнопропорционально от мощности устройств, которым эти помехи создаются.

Кроме того, вероятность суммарных интермодуляционных помех напрямую зависит как от величины рабочего цикла передающего оборудования, создающего помехи, так и от величины рабочего цикла устройств, принимающих эти помехи. Чем меньше величина рабочего цикла передающего и приемного оборудования, тем меньше вероятность суммарных интермодуляционных помех.

Список литературы:

1. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Проблемы электромагнитной совместимости цифрового электротехнического оборудования на промышленных и бытовых объектах // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса: научный журнал. 2009. № 4 (11). С. 95-98.

2. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Расчет и моделирование вероятности появления интермодуляционных помех при работе беспроводных устройств малого радиуса действия // Алгоритмические и программные средства в информационных технологиях радиоэлектронике и телекоммуникациях: сб. ст. I междунар. заоч. науч.-техн. конф. / Поволж. гос. ун-т сервиса.

Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2013. С. 295-302.

3. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Оценка влияния электромагнитных помех радиоэлектронных средств на беспроводные устройства малого радиуса действия // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. № 2, Т. 6. С. 10-17.

4. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Оценка влияния помех от радиоэлектронных систем на беспроводные устройства малого радиуса действия с блоковым кодированием // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. № 4, Т. 6. С. 3-6.

5. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Анализ беспроводных технологий обмена данными в системах автоматизации жизнеобеспечения производственных и офисных помещений // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. № 2, Т. 6. С. 18-24.

6. Васехо Н.В., Дудуки С.Н., Тихвинский В.О. Особенности использования и проблемы обеспечения ЭМС технологии BLUETOOTH // Мобильные системы. 2002. № 4. С. 38-41.

7. 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).

8. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Моделирование вероятности появления интермодуляционных помех в беспроводных пикосетях // Наука - промышленности и сервису: сб. ст. VI междунар. науч.-практ. конф.: ч. II / Поволж. гос. ун-т сервиса. - Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2012. С. 204-212.

9. Артюшенко В.М., Корчагин В.А. Экспериментальные исследования устойчивости связи беспроводных устройств малого радиуса действия в диапазоне частот 2,45 ГГц // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации: сб. статей II междунар. заоч. науч.-техн. конф.: ч. 1 / Поволж. гос. ун-т сервиса. - Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2012. С. 107-117.