63398 (Широкополосные беспроводные сети передачи информации)

Реферат

с. 86, рис. 34, табл. 10

широкополосные цифровые сети, сети передачи данных, mesh-сети, телеметрическая информация, специальные объекты.

Произведен обзор современного состояния цифровых широкополосных сетей передачи данных. Описано их применение для передачи телеметрической информации от специальных объектов. Описаны принципы построения и расчета сетей с использованием технологий Wi-Fi и WiMax.

Описано построение базовой станции, подбор и построение антенно-фидерных трактов для абонентских устройств.

Содержание

Введение 4

Раздел 1. Обзор современного состояния сетей передачи телеметрической информации 6

1.1 Термины и определения 6

1.2 Сети передачи телеметрической информации 6

1.3 Цели и задачи работы 11

Раздел 2. Расчетно-теоретический раздел 12

2.1 Организация цифровых широкополосных сетей 12

2.3 Цифровые широкополосные сети стандарта WiMax 16

2.3.1 Принципы работы 17

2.3.2 Fixed WiMAX 19

2.3.3 Nomadic WiMAX 19

2.3.4 Portable WiMAX 19

2.3.5 Mobile WiMAX 20

2.4 Расчет зоны действия сигнала 21

2.4.1 Расчет дальности работы беспроводного канала связи 21

2.4.2 Расчет зоны Френеля 23

Раздел 3. Практическая реализация построения сети 25

3.1 Построение беспроводных сетей доступа 25

3.1.1 Пример проекта беспроводной сети доступа на оборудовании стандарта 802.11b 25

3.1.2 Пример построения беспроводной сети операторского класса 28

3.2 Построение антенно-фидерных трактов и радиосистем с внешними антеннами 29

3.2.1 Антенно-фидерный тракт с усилителем 30

3.2.2 Простой антенно-фидерный тракт 35

3.2.3 Точка доступа, подключенная напрямую к антенне 35

3.3 Обеспечение конфиденциальности в беспроводных сетях 36

3.3.1 Ограничения физического доступа на объект 37

3.3.2 Криптозащита в беспроводных сетях 40

3.3.3 Угрозы безопасности информации в беспроводных сетях 42

Заключение 47

Список литературы 48

Приложение А 50

Введение

В случае возникновения любого стихийного бедствия или беспорядков общественные беспроводные сети подвергаются перегрузке. Дозвониться по сотовому телефону или пробиться через хаотичный радиоэфир, чтобы отдать приказ или выслушать донесение, – задача непростая [1].

Можно, конечно, использовать кабельные сети, но тогда подразделения по обеспечению законности и команды спасателей оказываются "стреноженными", а ведь события развиваются стремительно и необходимо грамотно маневрировать резервами. Еще одна напасть – это частые повреждения проводных сетей в результате аварий на электросетях или в случае ураганов, наводнений, цунами. До недавнего времени государственные органы власти во всем мире, отлично зная о подобных проблемах, пытались решить их "в лоб": вводили специальные приоритеты для спецпотребителей сотовой связи, создавали сети конфиденциальной связи поверх общественных сетей, стимулировали провайдеров связи резервировать мощности на случай чрезвычайных ситуаций (ЧС). Однако это не решало всех проблем – все подобные системы нельзя было оперативно развернуть на местности, подключить к ним видеопотоки от камер, датчики телеметрической информации, обеспечить прием данных с клиентских устройств и быстрый пропуск голосового трафика "по воздуху". Для подобного класса задач необходимы специальные сети, которые могли бы работать полностью автономно, без всяких проводов (кроме, разумеется, электропитания), передавали бы данные с гарантированным качеством и могли адаптироваться к выходу из строя отдельных фрагментов системы при ЧС [2].

Данная работа посвящена вопросам оперативного получения телеметрической информации от удаленных объектов, в том числе подвижных.

Телеметрия – совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю. Для сбора данных обычно используют либо датчики телеметрии (с возможностью работы в телеметрических системах, то есть специальным встроенным модулем связи), либо устройства связи с объектом, к которым подключаются обычные датчики [3].

Телеметрия, обычно, применяется в следующих областях:

сельское хозяйство;

водоснабжение и водоотведение;

медицина;

оборона и космос;

авто- и мотоспорт;

системы глобального позиционирования, в т.ч. GPS мониторинг транспорта;

IP-мониторинг;

энергетика;

системы безопасности (сигнализация, видеонаблюдение).

Раздел 1. Обзор современного состояния сетей передачи телеметрической информации

1.1 Термины и определения

Сеть передачи данных – совокупность оконечных устройств (терминалов) связи, объединённых каналами передачи данных и коммутирующими устройствами (узлами сети), обеспечивающими обмен сообщениями между всеми оконечными устройствами.

Существуют следующие виды сетей передачи данных:

Телефонные, телеграфные сети – сети, в которых оконечными устройствами являются простые преобразователи сигнала между между электрическим и видимым/слышимым.

Компьютерные сети – сети, оконечными устройствами которых являются компьютеры.

Специальные объекты – пункты управления государством и Вооруженными Силами Российской Федерации, а также другие объекты, обеспечивающие функционирование федеральных органов государственной власти и органов государственной власти субъектов Российской Федерации в военное время [4].

В рамках данной работы под специальными объектами подразумеваются также спецтехника (автомобильная, авиационная и т.д.), используемая данными органами, а также лица, наблюдение за которыми установлено согласно законодательству.

1.2 Сети передачи телеметрической информации

Телеметрия - область техники, предметом которой является разработка технических средств приёма информации для контроля за состоянием объектов на расстоянии. Однако интеграторы и разработчики телеметрии и телемеханики оперируют термином "Телеметрия", имея ввиду, системы, передающую данные в обе стороны, т.е. не только получающие информацию с объекта наблюдения, но и передающие команды управления на объект.

В качестве среды передачи данных используются как беспроводные (радио, GSM/GPRS, WLAN), так и проводные (телефонные, ISDN, xDSL, компьютерные) сети (электрические или оптические). Для передачи данных в системах телеметрии могут использоваться протоколы RS-232, RS-485, TCP/IP, Ethernet.

Системы беспроводной передачи данных широко применяются в телеметрических устройствах [5]. Это обусловлено простотой инсталляции и высокой надежностью радиочастотных систем передачи данных. Во многих практических случаях подвести проводные линии связи к объекту наблюдения либо чрезвычайно затруднено, либо невозможно физически [6].

В промышленных телеметрических системах находят применения практически все стандарты беспроводной передачи данных (табл. А.1). Ключевые факторы, определяющие выбор того или иного беспроводного решения:

Расстояние передачи данных и характеристики пространства

Скорость передачи информации

Требование совместимости с существующими стандартами

Количество работающих устройств в сети

Телеметрические GSM/GPS-модемы позволяют не только отслеживать перемещение каких-либо ценных объектов по всему миру, но и получать в реальном времени данные о текущем состоянии тех или параметров мобильного объекта. При этом они могут следить за такими параметрами, как температура, уровень заряда аккумуляторов, уровень влажности, текущее состояние и т. п. Эта функциональность сослужит хорошую службу заказчикам из любой отрасли, которым необходимо следить за технологическими процессами и оптимизировать их, совершенствовать управление материальными ресурсами и сокращать потери.

Пример: Благодаря современным системам GPRS телеметрии установленным на велосипеды некоторых гонщиков, фанаты Тур де Франс смогли воочию через ТВ и Интернет отслеживать физическое состояние кумиров: актуальный сердечный ритм и расход энергии.

Современные GSM-модемы имеют расширенный набор интерфейсов, что позволяет стыковать их с большим количеством промышленного оборудования. GSM-модемы используются для получения информации о работе заправочных станций, газораспределительных установок, состоянии систем питания базовых станции сотовых операторов и множества другого оборудования.

Технология Bluetooth широко используется в индустриальных применениях в качестве заменителя кабельного соединения RS-232. Простота внедрения, высокая помехозащищенность канала связи и большая скорость передачи данных, делают Bluetooth-решения крайне привлекательными для получения телеметрической информации от промышленного оборудования.

Технология ZigBee прекрасно подходит для сбора информации с большого числа беспроводных датчиков, в том числе и с батарейным питанием. С помощью маломощных ZigBee-модулей становится возможным создание сети сбора информации с сотен датчиков, объединенных в единую сеть и обладающих способностью передавать информацию по цепочке. ZigBee трансиверы Texas Instruments используются отечественными производителями для построения систем промышленной автоматики.

Пример: На базе ZigBee-модулей XBee компании MaxStream в США реализована система контроля уровня воды в высокогорных озерах.

В тех случаях, когда необходимо передавать телеметрическую информацию между двумя точками на расстояние 10-100 метров идеально подходят микросхемы трансиверов, работающие в безлицензионных диапазонах 433, 868 и 2400 МГц. Использование этих продуктов позволяет построить систему телеметрии с минимальной стоимостью.

Пример: Беспроводная система, передающая значение усилия, с которым закручиваются гайки на конвейере, реализована на базе трансивера CC1021 (рассчитан на диапазоны 315, 433, 868 и 915 МГц). Применение этого трансивера позволило обеспечить высокую надежность передачи информации при работе в реальных индустриальных условиях.

При необходимости передавать большие объемы данных, например видеоинформацию, в системах телеметрии могут использоваться системы Wi-Fi и WiMax.

Системы подвижного мониторинга объектов позволяют контролировать перемещения любых движущихся объектов, как транспортных средств, так и людей. Главной задачей мониторинга является контроль в режиме реального времени местоположения объекта и маршрута его движения. Система мониторинга позволяет сохранять маршруты движения объекта, создавать отчеты о движении объекта, его скорости, простое, о техническом состоянии транспортного средства посредством аналогового подключения к датчикам автомобиля. Существует возможность создания маршрута движения и контроля его прохождения [2].

На подвижном объекте размещается мобильный навигационный контроллер с приемником GPS, gsm/gprs приемопередатчиком и различными датчиками. GPS-приёмники принимают сигналы с видимых спутников. Затем информация о географическом положении объекта, точном времени, данные с датчиков передаются в центр управления (web-server+ PC со специализированный программным обеспечением) по gsm каналу. Центр управления принимает и обрабатывает эти данные и отображает информацию о положении каждого движущегося объекта на карте в реальном времени. Центр управления может посылать команды на мобильный навигационный контроллер, например, включать звуковой сигнал, останавливать двигатель, изменять направление движения, доставлять сообщения и т.д.

Рис. 1.1 Реализация системы подвижного мониторинга

Преимуществом использования системы мониторинга является не только возможность контролировать перемещение транспортного средства и его состояние, но и значительно оптимизировать расходы на его эксплуатацию, расходы по управлению автопарком в целом.

Мониторинг может использоваться и как противоугонная система, и как система поиска автомобиля в случае его угона.

Мониторинг частных лиц позволяет контролировать местонахождение детей, лиц пожилого возраста, а также сотрудников, имеющих разъездной характер работы. Эффективна система мониторинга подвижных объектов и для поиска домашних животных.

Сферы применения системы мониторинга:

Корпоративный автотранспорт

Муниципальный транспорт

Такси

Авиационный транспорт

Пожарные службы

Спасательные бригады

Инкассаторы

Частные лица

Частный автотранспорт

Редкие и дорогостоящие животные

1.3 Цели и задачи работы

Целью данной работы является разработка широкополосной системы передачи телеметрической информации от специальных объектов.

На практике данная схема построения сети может быть использована в различных отраслях народного хозяйства: в медицине – передача информации от машин скорой помощи в госпиталь, в правоохранительных органах – слежение за подвижными объектами с возможностью документирования событий; организации связи при стихийных бедствиях, дистанционного контроля за объектами (передача телевизионного сигнала, передача кодов управления на различное оборудование – например на камеры лимба и объекта при отслеживании траектории полёта ракет-носителей в космонавтике); установка всевозможных датчиков (в том числе мобильных – к примеру, специальные браслеты для детей), смонтированных в общую систему оповещения;

Аппаратная реализация основана на использовании беспроводных систем передачи информации, так называемые mesh-сети, т. е. самоорганизующиеся ячеечные сети беспроводной передачи данных, полоса пропускания в которых может обеспечивать гарантированное качество канала и высокую скорость передачи.

Раздел 2. Расчетно-теоретический раздел

2.1 Организация цифровых широкополосных сетей

В сетях радиопередач используются как узконаправленные антенны, так и антенны с более широким сектором охвата, вплоть до всенаправленных (круговых). Для соединения типа точка-точка используются две нацеленные друг на друга (узко)направленные антенны; так строятся, например, радиорелейные линии передач, в которых расстояние между соседними релейными вышками может исчисляться десятками километров. Узконаправленная антенна фокусирует радиолуч, увеличивая плотность его энергии; таким образом передатчик данной мощности "простреливает" на большее расстояние [7].