9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

311

recognition technique) and displayed, and a recognized

response line is updated. The recognized response line is

constructed on the base of the calculated coefficients

...zz

and it visualizes the result of recognition. In

many cases, the exact superimposition of the marker line

on the recognized response image is not necessary (e.g.,

ref. response “2” in Fig. 2): the recognition is finished if

the recognized response line is superimposed on the re-

sponse image in DFD.

Fig. 1. Double-frequency diagram (DFD) of the receiver.

Fig. 2. Response recognition results.

In addition to DFD given in Fig. 1, other DFDs

from [8], including results of high-order intermodulation

measurement, were used to validate the proposed tech-

nique.

Validation results indicate a high efficiency of the

proposed technique: all detected responses (desired, spu-

rious, and intermodulation of orders up to 41) were rec-

ognized correctly. The recognition was completed with-

out measurement of the frequencies

,,,

121 LO

fff

outLO

ff ,

due to high stability of frequency and high

accuracy of frequency setting in the measuring genera-

tors and in local oscillators of the receiver under test.

Conclusion

For the first time, the automated technique that

makes it possible to solve the problem of recognition

completely, i.e., to determine all the coefficients

channeling equation (1) for an arbitrary response and for

any number of frequency conversions in the receiver

under test, is developed.

The developed technique is universal – it can per-

form successful recognition based on different volume of

initial data: based on measurements of all or several fre-

quencies at every recognition point, or without meas-

urement of frequencies, or even without information

about internal configuration of the receiver under test.

High efficiency of the developed technique is con-

firmed by practice. Based on the technique, the response

recognition functionality in ADFTS of the new genera-

tion is implemented [9].

References

1. V.I. Mordachev, “Automated double-frequency

testing technique for mapping receiver interference re-

sponses,” IEEE Trans. on EMC, vol.42, No.2, pp. 213–

225, May 2000.

2. A.F. Aporovich and V.I. Mordachev, “Func-

tional possibilities of the EMC characteristics monitoring

of electronic apparatus by the two-frequency probing

method,” Proc. 9th Int. Wroclaw Symp. on EMC, Wro-

claw, Poland, 1988, pp. 867–872.

3. J.D. Porter, R.E. Billo, and M.H. Mickle, “Effect

of active interference on the performance of radio fre-

quency identification systems,” Int. J. Radio Frequency

Identification Technology and Applications, vol. 1,

No. 1, 2006, pp. 4–23.

4. V.I. Mordachev and E.V. Sinkevich, “Virtual

Testing Area” for solving EMC problems of spatially

distributed radiosystems based on automated double-

frequency test system,” Proc. 9th Int. Symp. on EMC

“EMC Europe 2010”, Wroclaw, 2010, pp. 714–720.

5. Military Standard “Radio Frequency Spectrum

Characteristics Measurement of” (MIL-STD-449D).

USA Department of Defense, Washington, 1973.

6. State Standards (GOSTs), (former) USSR State

Committee on Standards, Moscow, 1990.

7. G.A. Korn and T.M. Korn, Mathematical Hand-

book (for scientists and engineers). 2nd ed. McGraw-

Hill, New York, 1968.

8. Certain Results of the ADFTS Operation. Minsk,

2011.

9. Automated Double-Frequency Test System.

User’s Manual. Minsk, 2011

312

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ И

МЕТОДАМИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Ю. А. Малышев, С. В. Агапов, Россия

КГТУ им. А.Н. Туполева, E-mail: myuriya@rambler.ru

Аннотация. В докладе описываются способы и результаты прогнозирования электромагнитного из-

лучения от электронных средств, полученные применением численных методов и методами искусст-

венного интеллекта (искусственными нейронными сетями).

Abstract. Some results of prediction of electromagnetic radiation caused by electronic devices, obtained by

numerical methods and techniques of artificial intelligence (artificial neural networks), are described in the

paper.

Введение

Широко распространенным методом при опре-

делении величины создаваемого побочного элек-

тромагнитного излучения (ПЭМИ) является исполь-

зование экспериментальных исследований. Данный

способ определения ПЭМИ, несмотря на свою пра-

вильность, обладает рядом значительных недостат-

ков, среди которых, прежде всего, стоит выделить

высокую стоимость необходимого оборудования и

требования к квалификации персонала. Для преодо-

ления этих недостатков необходимо использовать

другие методы, среди которых стоит выделить чис-

ленные методы и методы на основе искусственного

интеллекта.

Экспериментальные исследования

В современных условиях для измерения ПЭМИ

наиболее распространенным является метод непо-

средственных измерений [1]. Данный метод заклю-

чается в следующем: в качестве основных измери-

тельных приборов используются устройства, позво-

ляющие измерять напряжение, к входу которых под-

ключается измерительная калиброванная антенна,

т.е. антенна с известной действующей высотой. В

качестве таких приборов применяются селективные

микровольтметры (измерительные приемники) или

анализаторы спектра. Селективные микровольтмет-

ры построены, как правило, по супергетеродинной

схеме, имеют высокую чувствительность и позволя-

ют измерять напряжения сигналов различной формы

и уровня. Для этого они имеют калиброванные дели-

тели и несколько переключаемых полос. Анализато-

ры спектра позволяют проводить измерения напря-

женности поля достаточно большого количества ра-

диостанций в широком диапазоне частот практиче-

ски одновременно. Антенну располагают непосред-

ственно в точке измерения напряженности поля. Из-

меренное напряжение на входе приемника или ана-

лизатора с помощью калибровочных графиков, вхо-

дящих в комплект измерительной антенны, пересчи-

тывают в напряженность электрического поля. В

зависимости от диапазона частот и условий измере-

ния применяются различные типы измерительных

антенн: диполи, рамки, логопериодические антенны.

Вышеперечисленные антенны имеют направленные

свойства, поэтому при измерениях данные типы ан-

тенн необходимо ориентировать в направлении мак-

симального излучения или проводить измерение

трех взаимно ортогональных составляющих.

Для проведения экспериментальных исследова-

ний ПЭМИ от цифровых ЭС использовался стенд,

схематично изображенный на рис. 1.

Антенна

Объект

исследования

Измерительный

приемник

Рис. 1. Структурная схема экспериментального

стенда.

Для измерения величин напряженности элек-

трического поля при ПЭМИ от цифровых ЭС ис-

пользовался измерительный приемник РИАП 1.8 с

диапазоном рабочих частот от 9 кГц до 1,8 ГГц.

В качестве тестовых исследований было прове-

дено измерение величины напряженности электри-

ческого поля от медного проводника диаметром 1

мм, длиной 10 и 20 см. На проводник подавался си-

нусоидальный сигнал напряжением в 1 В и частотой

колебания 300 МГц. Точки измерения выбирались в

ближней зоне в произвольном порядке. Результаты

экспериментальных исследований ПЭМИ от провод-

ников длиной 10 см и 20 см приведены соответст-

венно в табл. 1 и 2.

Табл. 1. Результаты экспериментальных иссле-

дований и моделирования ПЭМИ от проводника

длиной 10 см.

313

Напряженность электри-

ческого поля, дБ(мкВ/м)

Номер

измере-

ния

Экспери-

мент

Моделиро-

вание

Расхож-

дение, %

1 74,5 73,6 1,2

2 64,5 65,3 1,2

3 63,2 60,7 4

4 63,4 63,1 0,5

5 59,7 58,3 2,3

6 70,9 68,4 3,5

7 63,7 64,2 0,8

8 76,2 77,8 2,1

9 73,1 72,3 1,1

10 56,9 56,1 1,4

Табл. 2. Результаты экспериментальных иссле-

дований и моделирования ПЭМИ от проводника

длиной 20 см.

Напряженность

электрического поля, дБ

(мкВ/м)

Номер

измере-

ния

Экспери-

мент

Моделиро-

вание

Расхож-

дение, %

1 87,7 89,2 1,7

2 79,8 81,5 2,1

3 78,9 76,4 3,1

4 78,8 77,1 2,1

5 73,3 76,8 4,8

6 85,1 87,1 2,3

7 79,7 77,9 2,2

8 88,2 86,3 2,1

9 87,4 85,9 1,7

10 74 76,3 3,1

1. Численное моделирование ПЭМИ

Для численного моделирования использовался

пакет Microwave Studio. Данный пакет использует в

качестве математической основы метод конечных

интегралов [2].

Результаты, полученные при использовании па-

кета Microwave Studio, сравнивались с эксперимен-

тальными исследованиями. Результаты сравнения

приведены в табл. 1 и 2.

В задачах защиты информации интерес пред-

ставляет определение ПЭМИ от электронных

средств целиком, а не только от их отдельных ком-

понентов. Для этого было проведено исследование

ПЭМИ от цифрового ЭС с помощью эксперимен-

тального стенда.

В качестве примера современного цифрового

ЭС рассматривается персональный компьютер с

корпусом наиболее распространенного АТХ формата

и установленными функциональными блоками. Ис-

ходные данные объекта исследования: размеры -

420х180х410 мм; толщина стенок - 1 мм; материал –

сталь (проводимость - 2·10

См/м; относительная

магнитная проницаемость – 1000); с двух сторон

корпуса имеются 96 конструктивных отверстий диа-

метром по 3 мм; материнская плата и плата видео-

адаптера представляют собой МПП размерами

310х240х2,65 мм (расположение платы вертикаль-

ное) и 170х200х2,65 мм (расположение горизонталь-

ное), соответственно; длина исследуемых межсоеди-

нений в каждой печатной плате – 100, 150, 200 мм;

ширина исследуемых контуров (толщина изоляцион-

ного слоя печатных плат) – 0,86 мм; материал осно-

вания МПП FR-4 (ε=4,9); ширина межсоединений –

0,25 мм; величина нагрузки на концах контуров – 50

Ом; радиатор процессора представлен в виде прямо-

угольного алюминиевого параллелепипеда размера-

ми 80х80х30 мм; блок питания представлен в виде

прямоугольного корпуса размерами 150х140х80 м.

Исследование ПЭМИ от цифрового ЭС осуще-

ствлялось последовательно с 4 сторон. Наибольшее

значение излучения фиксировалось со стороны ли-

цевой панели ЭС. В дальнейшем с этой стороны про-

водились измерения.

При измерении излучения от цифрового ЭС бы-

ло произведено сканирование спектра частот от 9

кГц до 1,8 ГГц, и было установлено, что наибольшее

излучение от исследуемого ЭС находится на часто-

тах 367 МГц и 430 МГц. В дальнейшем на данных

частотах и проводилось исследование.

Результаты экспериментальных исследований

ПЭМИ от цифрового ЭС (частота 367 МГЦ и 430

МГц) и данные моделирования приведены соответ-

ственно в табл. 3 и 4.

Табл. 3. Результаты экспериментальных иссле-

дований и моделирования ПЭМИ цифрового ЭС на

частоте 367 МГц.

Напряженность электриче-

ского поля, дБ (мкВ/м)

Рассто-

яние от

измеряе-

мого объ-

екта, м

Экспери-

мент

Моделиро-

вание

Рас-

хож-

дение,

0,5 72,7 66,5 8,5

1 69,6 65 6,6

1,5 65,4 62,4 4,6

2 64 59,1 7,6

Табл. 4. Результаты экспериментальных иссле-

дований и моделирования ПЭМИ цифрового ЭС на

частоте 430 МГц.

Напряженность электри-

ческого поля, дБ (мкВ/м)

Расстоя-

ние от

измеря-

емого

объекта, м

Экспери-

мент

Моделирова-

ние

Расхож-

дение,

0,5 71,3 78,2 9,6

1 65,9 73,6 11,6

1,5 63,9 69,3 8,5

2 58,9 65,5 11,2

314

Методы на основе искусственного

интеллекта

Однако численные методы также обладают зна-

чительными недостатками, среди которых можно вы-

делить значительное время счета для объектов слож-

ной конфигурации, а также высокую стоимость про-

граммных пакетов.

Для ликвидации подобных недостатков в данной

работе предлагается использовать методы на основе

искусственного интеллекта. В качестве подобных ме-

тодов предлагается использовать искусственные ней-

ронные сети.

В качестве программного обеспечения искусст-

венной нейронной сети выберем среду MATLAB и

специализированную надстройку к нему – Toolbox

ИНС [3]. ИНС была выбрана GRNN-типа (от англ.

generalized regression neural network –обобщенно-

регрессионная нейронная сеть) [4].

В качестве тестовой задачи рассмотрим оценку

ПЭМИ от печатных плат ЭС: печатную плату с 10

проводниками произвольной конфигурации. Каждый

из проводников имеет нагрузку 50 Ом и источник

гармонического сигнала частотой 500 МГц.

Промоделируем данную структуру в HFSS 9.0

(рис. 2). Будем рассматривать также объем с размера-

ми 2х2х2 м вокруг печатной платы.

Рис. 2. Модель печатной платы с 10 проводника-

ми в HFSS 9.0.

Найдем значения напряженностей электрическо-

го поля данной структуры в тех же точках, что и в

предыдущем примере. На полученных обучающих

выборках построим нейронные сети. Далее произве-

дем анализ построенных сетей при помощи тестовой

выборки и оценим погрешность прогнозирования по-

ля нейронной сетью.

Таблица. 5 Зависимость погрешности прогнози-

рования ПЭМИ от числа точек.

N 100 250 500 2500 5000 10000

δср,

% 33,35 14,9 16,62 9,26 5,19 1,96

Из данных результатов видно, что ИНС обеспе-

чивают достаточную точность при прогнозировании

ПЭМИ: средняя погрешность меняется от 14,5% для

выборки из 250 точек до 1,9% для выборки из 10000

точек.

Выводы

1. В результате сравнения для ряда реальных

примеров, можно отметить, что результаты моделиро-

вания ПЭМИ от цифровых ЭС и экспериментальные

данные хорошо согласуются. Расхождение данных

составляет не более 12 %.

2. Хорошая согласованность результатов при оп-

ределении ПЭМИ численными методами и методами

на основе искусственного интеллекта, где максималь-

ное расхождение составило 14,9%.

3. Применение подхода на основе использования

методов численного моделирования и искусственного

интеллекта является эффективным, адекватным и пер-

спективным инструментом для прогнозирования элек-

тромагнитного излучения от цифровых ЭС.

Литература

1. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков про-

дукции. – М.: Издательский дом «Технологии», 2003.

– 540 с.

2. Агапов С.В., Чермошенцев С. Ф. Методы и

средства анализа и прогнозирования электромагнит-

ных излучений от электронных средств // Информа-

ционные технологии. – 2003. – №11. – С. 2-12.

3. Круглов В. В., и др. Нечеткая логика и ис-

кусственные нейронные сети: Учеб. пособие для ву-

зов/.-М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

4. Агапов С. В. , Малышев Ю.А. Моделирова-

ние электромагнитного излучения от электронных

средств с помощью генетического алгоритма и ис-

кусственных нейронных сетей // Инфокоммуника-

ционные технологии республики Татарстан:

Сб.тезисов докладов 4-я ежегодной международной

научно-практической конференции. – Казань, 2006. –

С.283-285.

315

СПЕЦИФИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ЭМС ДЛЯ СТУДЕНТОВ И

СЛУШАТЕЛЕЙ КУРСОВ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ

В.

И.

ФАНОВ

ОССИЯ

А.

ИХОМИРОВ

ОССИЯ

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР),

e-mail: fpk@main.tusur.ru

Аннотация. Представлено обобщение опыта работы авторов по преподаванию дисциплины «Электро-

магнитная совместимость РЭС» для студентов, а также опыт организации и проведения курсов повыше-

ния квалификации по данному направлению для специалистов Сибирского Федерального округа.

Abstract. The presentation focuses on general conclusion of teaching experience of the subject “Electromag-

netic Compability of Radioelectronic Equipment” for students as well as organizational experience of the sub-

ject for specialists of Siberian Federal region.

ТУСУР – один из ведущих ВУЗов РФ в области

инфокоммуникационных технологий, информаци-

онной безопасности и электроники. Преимущест-

вами ТУСУРа являются его высокий научный по-

тенциал и соответствие специальностей приоритет-

ным направлениям развития науки и техники в

Российской Федерации, таким как информацион-

но-телекоммуникационные и радиоэлектронные

технологии, наноэлектронные, оптоэлектронные и

лазерные технологии и др. В 2006 году ТУСУР

стал победителем всероссийского конкурса лучших

инновационных вузов в рамках национального про-

екта "Образование". Высокий уровень профессио-

нальной компетентности выпускников ТУСУРа

подтверждается тем фактом, что созданные ими

наукоемкие предприятия производят 80% объема

продукции и услуг в сфере инфокоммуникаций в

Томской области и успешно развиваются в других

регионах.

В подготовке будущих специалистов основное

внимание уделяется актуальным и практически

значимым вопросам, среди которых одно из первых

мест занимает проблема обеспечения электромаг-

нитной совместимости радиоэлектронных средств.

Важность этой проблемы связана с тем, что сфера

применения радиосистем быстро расширяется и

количество радиосредств стремительно возрастает.

При этом проблема эффективного использования

РЧС и обеспечения ЭМС РЭС усложняется и, соот-

ветственно, возрастает важность качественной под-

готовки и повышения квалификации соответст-

вующих специалистов.

Авторы доклада имеют многолетний опыт

преподавания дисциплины «Электромагнитная со-

вместимость РЭС». Курс читается более 20 лет, ее

содержание постоянно обновляется с учетом со-

временного состояния РЭС и требований радиочас-

тотного контроля. Курс «Электромагнитная со-

вместимость» является одним из профилирующих

курсов в ТУСУРе, относится к вариативной части

профессионального цикла по направлениям подго-

товки бакалавров «Инфокоммуникационные техно-

логии и системы связи» и «Радиотехника».

Эффективным инструментом повышения каче-

ства подготовки студентов является учебно-

методический комплекс (УМК) дисциплины, пред-

ставляющий собой совокупность взаимосвязанных

учебно-методических материалов, предусматри-

вающих использование в учебном процессе раз-

личных информационно-коммуникационных тех-

нологий.

Представляемый УМК разработан авторами и

апробирован в учебном процессе на кафедре

СВЧиКР Радиотехнического факультета ТУСУРа.

Учебно-методическое пособие «Электромагнитная

совместимость радиоэлектронных средств и сис-

тем» рекомендовано СибРУМЦ по образованию в

области радиотехники и электроники для студентов,

обучающихся по направлениям подготовки специа-

листов 210400 «Телекоммуникация» и 210300 «Ра-

диотехника» [1]. Пособие состоит из двух частей; в

первой части представлены следующие главы:

- Электромагнитная обстановка в совокупно-

сти средств;

- ЭМС блоков, устройств и систем РЭС;

- Принципы обеспечения ЭМС;

- ЭМС наземных и космических радиослужб.

Вторая часть пособия содержит материалы,

посвященные помехам в линиях связи, а также рас-

крывает вопросы экранирования, фильтрации и

заземления. Отдельная глава посвящена методам и

средствам измерения характеристик ЭМС. Боль-

шинство глав содержат контрольные вопросы.

Для чтения лекций подготовлены мультиме-

дийные презентации, позволяющие задействовать

все каналы восприятия информации у студентов.

Лабораторный практикум по курсу предпола-

гает выполнение студентами четырех натурных

лабораторных работ в объеме 16 часов, содержание

которых тесно увязано с рабочей программой курса.

Кроме того, в состав УМК входят «Методические

указания по организации самостоятельной работы

316

студентов» [2], «Расчетные задания», «Методиче-

ские указания по курсовому проектированию» [3],

«Сборник задач по межсистемной ЭМС». Разрабо-

тана база вопросов для тестового контроля знаний

по дисциплине.

В связи с переходом на государственные обра-

зовательные стандарты третьего поколения возрас-

тает значимость самостоятельной работы студента,

в ходе которой должны формироваться важнейшие

профессиональные компетенции. Самостоятельная

работа – один из способов активного, целенаправ-

ленного приобретения студентом социально-

профессиональных знаний и навыков. Важное зна-

чение имеет самостоятельная работа для студентов

заочного и вечернего, дистанционного обучения.

Неумение решать вопросы самообразования поро-

ждает в студенческой среде многообразные нега-

тивные последствия: консерватизм, приспособлен-

чество, некритический склад мышления, пассив-

ность (познавательная, трудовая, управленческая),

неумение и нежелание брать на себя полноту от-

ветственности и т.п. Контролируемая самостоя-

тельная работа направлена на углубление и закреп-

ление знаний студентов, развитие аналитических

навыков по проблематике курса. Самостоятельная

работа студентов является неотъемлемой частью

учебного процесса в подготовке квалифицирован-

ных специалистов, способных самостоятельно и

творчески решать стоящие перед ними задачи.

«Методические указания по организации само-

стоятельной работы студентов» полно и содержа-

тельно раскрывают все виды самостоятельной ра-

боты при изучении дисциплины "Электромагнит-

ная совместимость радиоэлектронных средств". В

данном пособии приводится программа курса, его

цели и задачи. Каждый раздел программы заканчи-

вается методическими указаниями со ссылкой на

литературу. Представлены темы лабораторных за-

нятий, а также темы практических занятий с при-

мерами решения типовых задач. Представлен пере-

чень индивидуальных расчетных заданий. Даны

примеры решения расчетных работ. Приводится

список экзаменационных вопросов. Методические

указания предназначены для студентов очной, ве-

черней, заочной и дистанционной форм обучения

по дисциплине «Электромагнитная совместимость

радиоэлектронных средств» и могут быть исполь-

зованы студентами, обучающимися по направлени-

ям «Радиотехника» и «Телекоммуникации». Они

очень полезны как в процессе изучения курса, так и

при подготовке к экзамену.

Профессиональный подход к подготовке спе-

циалистов предусматривает эффективное взаимо-

действие ТУСУРа с работодателями и профессио-

налами. Кафедра организует консультации, при-

глашает студентов на обсуждение рефератов, в ко-

торых освещаются проблемные материалы, на вы-

ставки рекомендованной литературы, пропаганди-

рует наглядные пособия, стенды, видеофильмы. В

пользование студентам представляется библиогра-

фические списки, в том числе в электронном виде,

отечественные и зарубежные.

С 2003 года ФПК проводит занятия для спе-

циалистов РЧЦ всего Сибирского Федерального

округа. За последние 10 лет обучено более 200 че-

ловек. В разные годы слушателями ФПК станови-

лись также специалисты РЧЦ других Федеральных

округов. Особенностью программ ФПК ТУСУР

является ярко выраженная предметная составляю-

щая с учетом новейших достижений науки, техники,

технологий и инновационного развития. Производ-

ственная база инновационных предприятий, окру-

жающих ТУСУР, позволяет обеспечить создание

практико-ориентированной образовательной среды.

В обучении принимают участие специалисты фирм

и компаний, разработчики радиоэлектронной аппа-

ратуры. Разработан учебно-методический комплекс,

обеспечивающий повышение квалификации спе-

циалистов РЧЦ: разработаны мультимедийные пре-

зентации и методические пособия по основным

тематическим модулям, создана база тестовых за-

даний для контроля результатов обучения. Эти ма-

териалы постоянно обновляются и совершенству-

ются. По окончанию курса каждый слушатель по-

лучает основные материалы на электронных носи-

телях.

Так, в 2011 году в рамках курсов «Радиокон-

троль и электромагнитная совместимость РЭС»

прочитаны следующие модули: «Сигналы в циф-

ровых системах передачи информации (ЦСПИ)»;

«Сотовые системы связи (ССС)»; «Системы широ-

кополосного радиодоступа (MMDS, WiFi,

WiMax)»; «Транкинговые системы связи»; «Элек-

тромагнитная совместимость РЭС»; «Радиопомехи:

виды, спектры, проявления»; «Цифровое телевиде-

ние»; «Метрология»; «Устройство и принцип рабо-

ты современных цифровых анализаторов спектра и

контрольно-измерительной аппаратуры». Практи-

ческие занятия проходили на аппаратуре компании

“ROHDE@SCHWARZ” с участием ее представите-

лей.

Необходимо отметить, что тесное сотрудниче-

ство со специалистами РЧЦ стимулирует научную

деятельность преподавателей ТУСУРа.

Литература

1. Ефанов В.И., Тихомиров А.А. Электромаг-

нитная совместимость радиоэлектронных средств и

систем: Учеб.пособие. – Томск: ТУСУР, 2004. – 298 с.

2. Тихомиров А.А. Электромагнитная со-

вместимость радиоэлектронных средств: учебно-

методическое пособие по организации самостоя-

тельной работы. – Томск: ТУСУР, 2010. – 30 с.

3. Тихомиров А.А. Электромагнитная со-

вместимость радиоэлектронных средств: методиче-

ские указания по курсовому проектированию. –

Томск: ТУСУР, 2011. – 26 с.

317

ВЛИЯНИЕ СЕТИ NANONET НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛА WI-FI

А.

В.

ОРОНОВ

ОССИЯ

А.

С.

ОЗЛОВ

ОССИЯ

СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, e-mail: kozlov_leti@eltech.ru

Аннотация. Рассмотрено влияние сети Nanonet на характеристики сети Wi-Fi, расположенных в

одном помещении. Представлены зависимости от следующих характеристик адаптера Nanonet:

пиковая мощность, скважность (задержка между пакетами) и положение в пространстве. Показано,

что существует взаимное положение антенн, способствующее уменьшению негативного влияния

работающей сети Nanonet на характеристики Wi-Fi канала.

Abstract. The influence of Nanonet network on the characteristics of the Wi-Fi located in the same

room. The influence presented according to the following characteristics of Nanonet adapter: peak power,

duty cycle (the delay between packets) and position in space. It is shown there is a mutual position of

antennas that reduces the negative influence of running Nanonet network on the characteristics of the Wi-Fi

channel.

Введение

На сегодняшний день расцвет беспроводных

средств связи (GSM, Wi-Fi, Bluetooth, GPS и т.д.)

поднял большое количество проблем, которые

пристально не рассматривались во времена проводных

средств связи. Единая среда передачи сигналов и

данных и ее ограниченность вызвали необходимость

решать проблемы совместимости различных устройств,

которым приходится работать в одном диапазоне.

Отсутствие четкой границы затухания сигналов также

сделало актуальным проблемы безопасности

переданных данных. Производители оборудования в

данный момент находятся между двумя «огнями» с

одной стороны электромагнитная совместимость с

другими устройствами и безопасность, которые

требуют уменьшать мощность сигнала, с другой

стороны необходимость увеличивать качественные

характеристики сигнала, такие как скорость,

вероятность ошибки. Особенно остро этот вопрос стоит

для устройств, работающих на «открытых»

нелицензируемых частотах, ввиду их широкой

популярности и повсеместной распространенности.

Наиболее активная конкуренция сейчас наблюдается в

полосе 2,4…2,483 ГГц, которая достаточно широка

для создания потенциально быстрого канала и

относительно невысокой стоимости оборудования для

работы. Наиболее распространенный способ передачи

в этом диапазоне на данный момент удерживают Wi-

Fi устройства.

Помехоустойчивость устройств Wi-Fi

обеспечивается расширением спектра передаваемых

сигналов. Хотя системы, реализующие технологии

расширения спектра, работают довольно надёжно,

почти невозможно создать многосотовую

беспроводную локальную сеть, не столкнувшись с

проблемами в работе её устройств, вызванными

помехами. Необходимость совместить

помехоустойчивость и высокую скорость передчи

данных привели к адаптивной системе

помехоустойчивости. Хотя мощность, излучаемая

антенной Wi-Fi устройства, не меняется,

адаптивность реализована с помощью сетки

возможных скоростей.

При недостаточно высоком

отношении сигнал/шум пропускная способность

систем Wi-Fi уменьшается из-за возникновения

ошибок в пакетах данных и их повторной передачи.

Чтобы устранить эти негативные явления, по мере

уменьшения уровня принимаемого сигнала системы

Wi-Fi автоматически переходят на менее

эффективный метод модуляции, как показано в табл.

1, снижая тем самым свою максимальную скорость

передачи данных (при этом помехоустойчивость

повышается).

Таблица 1. Модуляции стандарта 802.11g.

Скорость

передачи

данных

Модуляция

Степень

кодирова

ния

Скорость

передачи

символов

млн.

симв./с

Инф.

бит/

симв.

1 Мбит/с DBPSK 1/11 1 1

2 Мбит/с DQPSK 1/11 1 2

5,5 Мбит/с

DBPSK

1/2

1,375

6 Мбит/с BPSK 1/2 0,25 24

9 Мбит/с BPSK 3/4 0,25 36

11 Мбит/с

DQPSK

DBPSK

1,375

12 Мбит/с

QPSK

1/2 0,25 48

18 Мбит/с

QPSK 3/4 0,25 72

22 Мбит/с

8-PSK 2/3 11 3

24 Мбит/с

16-QAM 1/2 0,25 96

33 Мбит/с

8-PSK 1 11 3

36 Мбит/с

16-QAM 3/4 0,25 144

48 Мбит/с

64-QAM 2/3 0,25 192

54 Мбит/с

64-QAM 3/4 0,25 216

318

Основным показателями пропускной

способности и качества канала связи, построенном

на том или ином оборудовании, являются:

• максимальная скорость передачи данных

(пропускная способность) на Ethernet интерфейсе;

• битовая ошибка BER.

В исследовании рассмотрена Wi-Fi сеть и ее

поведение при наличии внешней помехи. В качестве

помехи выбран передатчик, используемый для

построения специализированных сетей типа Nanonet

(IEEE 802.14.4a).

В работе поставлены и решены следующие

задачи:

♦ Влияние мощности сигнала сети Nanonet на

характеристики канала Wi-Fi

♦ Влияние скважности данных передаваемых в сети

Nanonet на характеристики канала Wi-Fi

♦ Влияние положения источника сигнала сети

Nanonet на характеристики канала Wi-Fi

Описание методологии испытаний

В качестве исследуемой сети взяты два

компьютера, на которых установлена операционная

система Windows

XP. Они соединены методом Ad-

Hoc, Wi-Fi адаптеры – Netgear WN311T с внешней

антенной. Компьютеры расположены таким образом,

чтобы между антеннами было 6 метров.

В качестве представителя адаптеров семейства

Nanonet выбрано устройство Nanotron TRX. Он

предназначен для работы на скорости до 1Мбит/сек,

выполнен на базе чипа NanoPAN 6361 и находится

посередине между устройствами, то есть на

расстоянии в 3 метра от каждой из антенн. Антенна

для этого устройства выбрана ненаправленная, с

усилением 7 dBm, фирма производитель – LevelOne.

Структурная схема стенда приведена на рис. 1. В

устройстве имеется возможность программной

установки выходной мощности передатчика и

задержки между пакетами.

Рис. 1. Схематичное описание стенда.

Характеристики сигнала устройства Nanotron

TRX: центральная частота сигнала 2,44 ГГц, ширина

64 МГц – как следствие практически полностью

занимающий полосу, используемую Wi-Fi

устройствами стандарта IEEE 802.11g. Спектр

представлен на рис. 2.

Исследования проводились в комнате размерами

7х5 метров, то есть в типичном помещении для

различного рода деловых встреч и конференций.

Рис. 2. Спектр сигнала Nanotron TRX.

Для определения текущих характеристик

канала, с одного компьютера на другой передавался

файл данных размером 150Mb. Все измерения

проведены с помощью программного продукта

Wireless Mon установленного на компьютере,

получающем файл данных. С помощью данного

программного продукта можно определить

количество принятых, отправленных пакетов,

запросов на повтор, отношение сигнал шум на

приемнике и скорость передачи данных.

Влияние пиковой мощности мешающего

сигнала

Изменяя значение регистров Nanotron, можно

менять выходную мощность. Помимо «мягкого»

изменения мощности имеющего 19 градаций (на

самом деле значение регистра варьируется от 0 до

63, но к использованию разрешена только часть

интервалов), можно изменять регистр, отвечающий

за работу усилителя. Этот регистр имеет всего две

вариации: 0 – не задействован и 1 – работает.

Таблица возможных значений регистров

отвечающих за мощность сигнала устройства

Nanotron рассмотрена в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость мощности от значений

регистров

Значение

регистра

Усилитель

включен

Пиковое

значние,

dBm

63 Да -1

57 Да -3

41 Да -12

39 Да -15

63 Нет -20

21 Да -26

57 Нет -26

5 Да -30

1 Да -34

41 Нет -37

39 Нет -40

21 Нет -45

5 Нет -55

1 Нет -58

Помеха

319

Из-за того, что Wi-Fi устройство адаптируется к

внешним помехам путем смены модуляции и

скорости, а, соответственно, подстройкой уровня

энергии, приходящейся на бит данных, отношение

сигнал/шум на приемнике является

малоинформативной характеристикой. В ходе

испытаний не было выявлено ярко выраженной

зависимости отношения сигнал/шум от излучаемой

мощности Nanotron. Результаты представлены на

рис. 3.

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Пиковое значение помехи, dBm

dB m

Рис. 3. Отношение сигнал/шум на приемной Wi-

Fi антенне

Поскольку для измерения значения BER

необходимо использовать специализированное

оборудование, то на практике обычно применяют

производные от BER параметры качества канала

связи.

Поэтому рассматривались следующие

характеристики: скорость канала и количество

запросов на повтор пакета, по которому можно

косвенно оценить количество пакетов не прошедших

проверку по контрольной сумме, а, следовательно,

принятых с ошибкой.

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Пиковое значение помехи, dBm

Мбит/с

Рис. 4. Скорость передачи.

Как видно из графиков (рис. 4 и 5) увеличение

мощности «стороннего» сигнала, отрицательно

влияет на качество сигнала Wi-Fi сети – сужается

пропускная способность канала и возрастает

количество пакетов принятых с ошибкой.

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Пиковое значение помехи, dBm

Рис. 5. Количество запросов на повтор пакета на

1000 пакетов

Влияние скважности мешающего сигнала

Изменяя значение соответствующего регистра,

Nanotron позволяет изменять задержку между

пакетами при передаче. Таблица возможных

значений регистров отвечающих за скважность

сигнала устройства Nanotron рассмотрена в

таблице 3.

Таблица 3. Зависимость скорости от задержки

Значение

Регистра

Задержка,

мкс

Скорость,

Кбит/с

Скваж-

ность

0 134 723 1,11

1 1212 402 1,95

2 2290 286 2,8

3 3368 231 3,64

100

150

200

250

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Значние регистра скважности

Пик. Значение помехи -26 dBm

Пик. Значение помехи -12 dBm

Рис. 6. Количество запросов на повтор пакета на

1000 пакетов.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Значние регистра скважности

Мбит/с

Пик. Значение помехи -26 dBm

Пик. Значение помехи -12 dBm

Рис. 7. Скорость передачи.

320

При достаточно большой задержке между

пакетами, скорость Wi-Fi сети приближается к

значениям, снятым в отсутствие помехи (см. рис. 6).

Пакеты передаются на высоких скоростях в моменты

задержки, а те которые отправлены в момент

передачи данных Nanotron и принятые с ошибкой,

запрашиваются повторно. Это видно по графику

(рис. 7) запроса повторов, их количество около 100

на тысячу, тогда как в отсутствии помехи эта цифра

не более 40.

Влияние положения источника мешающего

сигнала

Перемещение Nanotron к антенне Wi-Fi

передающей файл, обозначено на графиках

отрицательными числами, перемещение к

принимающей – положительными, а ноль –

положение посередине между антеннами, в котором

и проводились предыдущие опыты. Данная серия

опытов проводилась при следующих значениях

регистров: мощность – 22, задержка – 0, усилитель –

1 (пиковое значение мощности -26 dBm, скорость

723 Kb/s).

Результаты можно увидеть на рис. 8 и 9.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Смещ ение, м

Мбит/с

Без смещения Со смещением

Рис. 8. Скорость передачи.

-3 -2 -1 0 1 2 3

Смещ ение, м

Без смещения Со смещением

Рис. 9. Количество запросов на повтор пакета на

1000 пакетов.

Чем ближе находится источник помехи к любой

из антенн, тем больше его негативное влияние на

характеристики канала. Это происходит из-за того,

что затухание сигнала зависит от степенной функции

расстояния. Соответственно приближение к одной из

антенн производит больший вклад в шумовую

обстановку, нежели отдаление от второй антенны.

Следует отметить, что в процессе измерений, а

на отметках 1 и –1 метр, были получены результаты

более высокие, нежели ожидалось, и которые не

вписываются в эту закономерность. При смещении

источника помехи перпендикулярно оси

соединяющей антенны на 30–40 см, результаты

вернулись в рамки ожидаемого. Это вызвано тем, что

излучение Nanotron складывалось на приемной или

передающей стороне противофазно. Чтобы узнать,

на какой именно антенне происходит это явление,

потребуется сделать достаточно точную модель

помещения и в зависимости от материалов стен и

изделий осуществить расчет переотражений, что

является крайне трудоёмкой задачей и не

рассматривается в данной статье.

Заключение

Совместное функционирование двух сетей: Wi-

Fi и Nanonet в одном помещении является крайне

проблематичным. Невозможно добиться

стабильности работы с приемлемой скоростью для

обеих сетей одновременно. Можно сделать сигнал

сети Nanonet достаточно слабым или уменьшить

скорость передачи, тем самым увеличив скважность,

для того, чтобы обеспечить сети Wi-Fi хорошие

условия для работы. Но тогда качество сети Nanonet

сильно упадет. Так что сосуществование этих двух

сетей – компромисс между характеристиками

каналов, который можно принять только после

анализа потоков трафика в каждой из сетей

Использование «аномальных» точек для

расположения антенн, для обеспечения

противофазного сложения на антеннах не своего

стандарта, выглядит крайне маловероятным. Любое

изменения обстановки, даже появление человека в

помещении способно сломать «хрупкий» баланс.

9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.