Организация беспроводной вычислительной сети повышенной дальности на основе технологии Wi-Fi

в системах экологического мониторинга

А.Ю. Ефремов,

н.с., andre@ipu.ru,

Н.Г. Журавлева,

н.с., zhurav@ipu.ru,

Ю.С. Легович,

зав. лаб., к.т.н., legov@ipu.ru,

Ю.В.Максимов,

н.с., phoenixjhanjaa@yandex.ru,

ИПУ РАН, г. Москва

В статье рассматриваются вопросы проектирования высокоэффективных беспроводных сетей для систем экологического мониторинга в условиях сложного рельефа. Планирование структуры сети, выбор антенн, определение необходимых высот их установки и оценка возможных скоростей передачи данных проводится по результатам математического моделирования.

This article discusses the issues of design of high-performance wireless networks for environmental monitoring systems in a complex terrain. Planning the network structure, choosing the antennas, determining the necessary installation elevation and estimating of possible data transfer rates are based on the results of mathematical simulation.

Введение

Вычислительная сеть системы экологического мониторинга предназначена для организации сбора экологической и технологической информации в системах экологического мониторинга крупномасштабных объектов [1]. Посредством сети информация, получаемая в автоматических стационарных постах контроля (АСПК) и передвижных лабораториях (ПЛ) передается в информационно-аналитический центр (ИАЦ) для последующей обработки и анализа с целью принятия управленческих решений.

Беспроводная транспортная сеть в системе экологического мониторинга осуществляет передачу следующей информации:

• непрерывную передачу экологической информации от всех АСПК;

• непрерывную передачу технологической информации от всех АСПК;

• периодическую (несколько раз в сутки) передачу экологической информации от ПЛ;

• поддержку передачи информации от WEB-камер, расположенных в АСПК;

• передачу данных от систем охранно-пожарной сигнализации АСПК и ПЛ;

• передачу данных от систем контроля доступа АСПК и ПЛ.

Как правило, объекты уничтожения химического оружия характеризуются сложным рельефом местности. Так, например беспроводная вычислительная сеть объекта в городе Щучье Курганской области объединяет более 14 узлов, расположенных на площади около 130 квадратных километров. На территории расположены лесополосы и лесные массивы высотой до 25 м. Перепад высот рельефа местности достигает 53 м, а максимальная дальность радиотрасс - 20 км.

1. Топологии сетей передачи данных

Традиционно беспроводные сети систем экологического мониторинга строятся по топологии типа «звезда». В этом случае коммуникации осуществляются между абонентскими станциями, располагаемыми в АСПК и ПЛ, и базовой станцией, расположенной в ИАЦ. По такой топологии построены сети на всех объектах уничтожения химического оружия. Базовая станция (точка доступа) оснащается всенаправленной антенной или группой направленных антенн. Недостатком применения всенаправленной антенны является значительное снижение дальности уверенного приема радиосигнала. Наиболее существенный недостаток данной структуры заключается в необходимости использования очень высоких антенных мачт (до 80 м), общая стоимость которых с учетом затрат на их установку во много раз превышает стоимость устанавливаемого радиотехнического оборудования.

2. Технология Wi-Fi и особенности ее применения в системах экологического мониторинга

Технология Wi-Fi используется сегодня практически во всех локальных беспроводных сетях широкополосного доступа. Основной областью применения технологии Wi-Fi являются:

• обеспечение связи на небольшой территории и внутри помещений;

• высокоскоростная передача данных;

• простота принципов построения и функционирования сети.

Данные свойства технологии Wi-Fi в сочетании с такими факторами как доступное оборудование, принцип безлицензионного использования полосы радиочастот 2,4 ГГц, широкая поддержка ведущими производителями оборудования, позволили ей в довольно короткий срок получить широкое распространение. Этому способствовала разработка целого семейства стандартов IEEE 802.11a/b/d/e/f/g/h/i/n/s. Стандартом предусматривается возможность оснащения станций направленными антеннами с высоким коэффициентом усиления, что значительно увеличивает дальность радиосвязи. Именно эта возможность позволяет использовать технологию Wi-Fi при построении сетей экологического мониторинга, охватывающих большие территории.

Однако, применение антенн с высоким коэффициентом усиления, а значит с узкой диаграммой направленности, приводит к значительному увеличению трудоемкости как процесса пуско-наладочных работ, так и процесса эксплуатации сети, поскольку процесс точного ориентирования антенн значительно усложняется с увеличением дальности трассы и высоты антенных мачт.

3. Повышение эффективности транспортной сети с помощью повторителей

Рынок беспроводных устройств передачи данных постоянно растет, пополняясь новыми техническими решениями, предлагающими потребителям все больше сервиса и возможностей. Как известно, в проводных сетях для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети широко используется повторители (repeater). Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала — восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т.п. В последние годы аналогичные методы и средства появились и в технологии беспроводных сетей - технология WDS (Wireless Distribution System) в сетях Wi-Fi и технология Mesh.

Технология WDS позволяет расширить зону покрытия беспроводной сети Wi-Fi путем объединения нескольких точек доступа в единую сеть без необходимости наличия проводного соединения между ними. Точки доступа, работающие в режим беспроводного повторителя, фактически выполняют функцию повторителей сигнала и тем самым позволяют значительно увеличить дальность радиолинии. Принципы данной технологии заложены в новой технологии Mesh [2]. Одной из главных особенностей является то, что mesh-сети являются ретрансляционными беспроводными сетями, а построенная на таких принципах сеть обеспечивает возможность организации связи между любыми двумя узлами, используя при этом динамическую маршрутизацию трафика для поиска «наилучшего» пути между ними. Диапазон рабочих расстояний может достигать 35 км (в случае прямой видимости) при типовом радиусе сети 10 км (для режима Mesh при высоте размещения антенны 50 м).

4. Иерархическая структура сети (топология дерево)

Структура сети передачи данных с использованием повторителей позволяет:

- учитывая особенности местности, минимизировать препятствия прохождению сигнала вдоль выбранных трасс;

- использовать радиотехническое оборудование АСПК, находящееся в зоне прямой видимости для ретрансляции сигнала.

С целью нахождения правильного места установки радиочастотных блоков и антенн с учетом зон Френеля и наличия источников интерференции проводится обследование местности, выполняется поиск участков открытой трассы между АСПК. Так, в районе объекта УХО, в городе Щучье Курганской области была проведена радиоразведка с использованием тестовой аппаратуры, в результате которой:

• определены координаты всех точек беспроводной сети;

• замерены расстояния между ними;

• отмечены все преграды (высота деревьев, домов и т.п.);

• проведена корректировка электронной карты;

• проведены исследования по соответствию типов антенн реальным условиям;

• проверена методика позиционирования антенн;

• на тестовой аппаратуре проведены замеры реальной скорости на всех сегментах беспроводной сети;

• выявлены возможные проблемы при организации сети;

• намечена предварительная структура сети.

Ответственным этапом, определяющим точность расчета высот антенных опор, является построение профиля местности по трассе радиолинии. В геоинформационной системе MapInfo этот процесс автоматизирован и при наличии электронной карты не вызывает никаких трудностей.

рис.1 рис. 2

Пример структуры беспроводной сети передачи данных типа «дерево» представлен на рис. 1. Здесь АСПК2, АСПК6, АСПК7, АСПК10 выполняют функции ретрансляторов.

Кроме того, данная структура позволила в два раза сократить максимальную дальность сегментов радиотрасс, доведя ее до 10 км, что положительно сказалось на скорости передачи данных (оборудование технологии Wi-Fi поддерживает механизм динамического изменения скорости передачи данных, автоматически выбирающий наилучшую скорость передачи в зависимости от объема трафика и внешних условий). Кроме того, существует обратная зависимость между скоростью передачи данных и излучаемой мощностью. Таким образом, при одних и тех же параметрах антенно-фидерного тракта, снижение дальности трасс приведет к значительному повышению пропускной способности сети.

В работе [3] рассматривается методика, позволяющая оптимально выбрать параметры радиотехнического оборудования на основе разработанного авторами метода расчета затухания сигнала в радиолинии с учетом рельефа подстилающей поверхности. Данная методика была апробирована при проектировании Wi-Fi сети для объекта УХО в п.г.т. Горный Саратовской области. Результаты моделирования радиоканала с учетом реального профиля поверхности между двумя АСПК приведены на рисунке 2.

Планирование линии включает в себя анализ профиля пути и подсчет потерь на трассе с целью выбора требуемого коэффициента усиления антенн и высоты их подвеса для достижения необходимого уровня сигнала на входе приёмника. Данные радиоразведки учитывались при выборе антенн для каждой точки доступа, при определении необходимых высот их установки и оценке возможных скоростей передачи данных по рассмотренным направлениям при выбранных параметрах аппаратуры.

Из опыта эксплуатации беспроводных сетей можно предположить, что большая часть проблем со связью на больших расстояниях возникает из-за того, что расчет радиолинии выполняется очень неточно, без учета рефракции и изменения градиента диэлектрической проницаемости в зависимости от погодных условий. В связи с этим было проведено математическое моделирование радиоканала передачи данных диапазона 2.4 ГГц с использованием методики [3]. На рисунке графически показаны области пространства, существенные для распространения радиосигналов по рассмотренным направлениям с точки зрения их уверенного приема в заданных пунктах при выбранных высотах размещения антенн в условиях реального рельефа местности. На этих рисунках горизонтальная координатная ось проходит через точки, в которых расположены антенны на пунктах приема – передачи. Вертикальная координатная ось проходит через середину отрезка, соединяющего точки расположения антенн. Высоты установки антенн относительно уровня Земли (выделены синим цветом) указаны под обозначениями пунктов приема - передачи (выделены желтым цветом). В этой системе координат эллипсы Ye ограничивают область пространства, существенную для распространения радиосигналов между точками расположения антенн (характеризуется параметром π функции Ye), или область, свободную от препятствий (при значении указанного параметра <π). Другие цифровые параметры отображаемых функций представляют, соответственно, расстояние между пунктами передачи и высоты установки антенн относительно уровня моря. Ломаные кривые yRHL показывают рельеф местности (с учетом строений и лесопосадок) вдоль горизонтальной оси, заданный отдельными точками отсчета в таблице HL (рельеф). Вертикальные прямые yH1 и yh показывают местоположение антенн. Прямая ydl показывает границу диаграммы направленности антенны с шириной 5 град. Функция yR (при выбранном масштабе на рисунках не видна) отображает нулевой уровень (уровень моря).

Заключение

Показано, что на основе технологии WDS в сетях Wi-Fi и технологии mesh-сетей можно строить высокоэффективные беспроводные сети крупномасштабных систем экологического мониторинга. Главным достоинством такого подхода является отсутствие необходимости установки высоких антенных мачт и значительное уменьшение дальности трасс.

Литература

1. Максимов Д.Ю. Синтез нейросети для задачи формирования сети беспроводной передачи данных экологического мониторинга объекта уничтожения химического оружия. // Нейрокомпьютеры. - 2006, № 11.

2. Aggeliki Sgora, Dimitris D. Vergados and Periklis Chatzimisios. IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks: Challenges and Perspectives. MOBILIGHT, 2009, Vol. 13, P. 263-271.

3. Легович Ю.С., Максимов Ю.В., Максимов Д.Ю. Методы расчета затухания сигнала в беспроводных системах передачи данных с учетом рельефа местности и параметров антенн. // Автоматика и телемеханика. - 2008, № 2, С. 180-189.