CC BY
104
• 7universum.com
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УРОВНЯ СИГНАЛА БЕСПРОВОДНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ
Дядюнов Александр Николаевич
доцент, канд. техн. наук, преподаватель кафедры ИУ-3, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, РФ, г. Москва, улица 2-я Бауманская, дом 5
E-mail: [email protected]
Кадырбаева Анастасия Рустемовна
студент,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, РФ, г. Москва, улица 2-я Бауманская, дом 5
E-mail: [email protected]
Осененко Александр Евгеньевич
студент,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, РФ, г. Москва, улица 2-я Бауманская, дом 5
E-mail: alex. astora@yandex. ru
STATISTICAL СНАКАСТЕККТ^ OF LOCAL WIRELESS NETWORK SIGNAL LEVEL
Alexander Dyadunov
Associate Professor, Candidate of Engineering sciences, lecturer of IU-3Chair,
Bauman Moscow state technical university, 105005, Russia, Moscow, 2d Bauman's st., 5
Anastassya Kadyrbaeva
Student, Bauman Moscow state technical university, 105005, Russia, Moscow, 2d Bauman's st., 5
Alexander Osenenenko
Student, Bauman Moscow state technical university, 105005, Russia, Moscow, 2d Bauman's st., 5
Дядюнов А.Н., Кадырбаева А.Р., Осененко А.Е. Статистические характеристики уровня сигнала беспроводной локальной сети // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2016. № 3-4 (25) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/3082
АННОТАЦИЯ
В условиях города мобильная связь может быть нестабильной из-за наличия внешних помех связи. С целью исследования характеристик этих явлений проведено моделирование влияния помех в канале связи с использованием языковой среды Matlab. Быстрые изменения уровня сигнала обусловлены отражениями и влиянием других каналов связи близких по частоте. На вход приемника поступают несколько сдвинутых по времени копий исходного сигнала с разными амплитудами. Таким образом, радиосвязь между базовой станцией и любой другой мобильной станцией в случайный момент времени будет иметь различного рода помехи. В большинстве случаев помехи от посторонних радиостанций и каналов, а также городской застройки и географических явлений, при которых сигнал может прерываться, вызывают замирания. Частотно-селективный характер замирания приводит к искажениям передаваемых сигналов, вызывая переходные шумы при передаче аналоговой информации и межсимвольную интерференцию при передаче цифровой информации, а также случайные искажения формы принимаемого сигнала. Из-за развития мобильной беспроводной связи, изучение замираний и различных помех в канале мобильной связи является одной из приоритетных задач исследований. Результаты исследований могут быть использованы для улучшения качества мобильной и беспроводной локальной сети (Wi-Fi), передачи информации на большие расстояния с меньшим количеством помех.
ABSTRACT
Mobile networks can be unstable in urban environments due to external interferences. To research characteristics of this effects we simulated impact of interferences on communication channel in Matlab. Fast signal level changes are caused by reflections and interferences from other signals on similar frequencies. Several copies of the same signal with shifted times gets to the receiver. Thus radio link between base station and any other mobile station in different time intervals will have different noises. In most cases interferences with another radio signals
and channels, city buildings and geographical phenomena course signal fading. The frequency-selecting characteristic of signal fading causes distortion of transmitted signal, that leads to transient noises in analog information and intersymbolic interferences in digital information and also random receiving signal distortions. Due to heavy spread of mobile wireless communications, research of signal fading and different kinds of interferences in mobile networks becomes one of the most important field of interest. The research results can be used to improve the quality of mobile and wireless LAN (Wi-Fi), data transmission over long distances with less interference.
Ключевые слова: помехи, замирание, амплитуда сигнала, флюктуация, квантиль.
Keywords: noise, fading, amplitude, signal, fluctuation, quintile.
В городской среде из-за постоянного развития абонентской сети мобильной беспроводной связи в каналах связи возникают помехи, которые искажают передаваемый сигнал. В большинстве случаев помехи от посторонних радиостанций и каналов, а также городской застройки и географических явлений, при которых сигнал может прерываться, вызывают замирания.
Замирания приводят к тому, что на некоторых интервалах времени уровень принимаемого сигнала становится соизмеримым с уровнем аддитивных помех, а иногда и меньше. Средняя длительность замирания определяется средним временем, в течение которого огибающая сигнала находится ниже выбранного порога Ъ (рис. 1). И выглядит следующим образом:
- _ р(г(У<г)
2 = I ,
где: Lz - средняя частота пересечения огибающей заданного порога [1]. Глубина замираний и их периодичность зависят от скорости движения мобильной станции и рабочей частоты. Расстояние между замираниями
приблизительно равно половине длины волны колебания, т. е. для GSM это расстояние составляет 17 сантиметров.
z(t)=|r(t)|
«1
1
Т
Рисунок 1. Средняя частота замираний
По мере увеличения эффекта Доплера длительность замирания уменьшается в связи с тем, что свойства канала связи изменяются быстрее и мощность сигнала оказывается ниже порога на меньших промежутках времени [3].
Для моделирования сигнала с краткосрочными замираниями мы воспользовались языковой средой Ма^аЬ. Результаты разработки показывают уровень сигнала (рис. 2), приходящего на приемник (красный цвет) до (изображение а) и после (изображения б, в) воздействия на сигнал глубоких замираний (синяя линия). Моделирование проводилось на основе передачи единичного пакета данных.
а) уровень принимаемого одиночного сигнала
б) уровень сигнала в первые моменты времени после влияния глубоких
замираний
в) уровень сигнала через некоторое время после влияния глубоких замираний
Рисунок 2. Уровень сигнала на приемнике после глубоких замираний
После краткосрочного глубокого замирания, вызванного разными источниками, сигнал восстанавливается, однако некоторое время в нем присутствуют искажения. Закон распределения появившихся ошибок в сигнале на входе приемника можно рассчитать с помощью языковой среды Matlab. Распределение появившихся в принимаемом сигнале ошибок показано на гистограмме (рис. 3). По построенной гистограмме, программа подбирает наиболее подходящий закон распределения (рис. 4).
Рисунок 3. Гистограмма
Рисунок 4. Теоретический подбор распределения
Полученные данные имеют распределение Релея. Для проверки правильности выбора теоретического распределения воспользуемся критерием согласия Колмогорова. Для его применения нужно найти максимальную по модулю разность между экспериментальной функцией распределения и теоретической, а затем вычислить статистику Колмогорова.
Для применения критерия согласия Колмогорова нужно построить теоретическую и экспериментальную функции распределения (рис. 5). График теоретической функции распределения представляет собой ступенчатую линию (высота ступеньки 1/п). Найдя максимальную разность по модулю между теоретической и экспериментальной функциями, можно вычислить статистику Колмогорова по формуле:
А = DVn = 0.030627200 = 0.433, где: D - максимальная разность между теоретической и экспериментальной функциями распределения, п - количество отсчетов.
При доверительной вероятности р = 0.9, квантиль распределения Колмогорова А09 = 1.2238. Это означает, что распределение подобрано верно, так как X < Х0.9 .
! ) 4 5
Рисунок 5. Теоретическая и экспериментальная функции распределения
Проведенные исследования доказывают, что замирания описываются Релеевским законом распределения. Чем больше влияния различных помех на передаваемый сигнал, тем сильней замирания. Они могут привести к краткосрочному разрыву связи, при котором могут потеряться некоторые данные. Восстановление сигнала займет некоторое время.
Таким образом, по результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Сигнал, возобновляется с появлением ошибок от влияния замираний (вплоть до прерывания связи). Сигнал какое-то время будет передаваться с помехами, пока не восстановится окончательно.
2. Изменение амплитуды сигнала объясняется тем, что амплитуда составляющих сигнала, передаваемого по каналу с замиранием, подвержена флюктуации.
3. Самые глубокие замирания в обычных условиях описываются релеевским законом распределения.
Список литературы:
1. Баскаков С.С. Надежность радиочастотного цифрового канала связи при крупномасштабном замирании и случайном разбросе параметров приемопередачи // Успехи современной радиоэлектроники. - 2008. - № 12. -С. 47-52.
2. Дядюнов А.Н., Кузнецов К.Н. Моделирование беспроводных сенсорных сетей // Научный вестник МГТУ ГА. - 2009. - № 139. - С. 64-70.
3. Солонина А.И., Клионский Д.М. Цифровая обработка сигналов и Matlab: учеб. пособие - СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 512 с.
References:
1. Baskakov S.S. The reliability of the radio-frequency digital communication channel for large scale fading and random variation of parameters transceiver. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki [Successes of modern radioelektroniki]. 2008, no. 12, pp. 47-52 (In Russian).
2. Dyadunov A.N., Kuznetsov K.N. Wireless sensor networks simulation. Nauchnyi vestnik MGTU GA [Scientific Bulletin of Bauman Moscow state technical university]. 2009, no. 139, pp. 64-70 (In Russian).
3. Solonina A.I., Klionsky D.M. Digital signal processing and Matlab. St. Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2014. 512 p. (In Russian).
