Підвищення якості прийому сигналу в сенсорних телекомунікаційних мережах міста шляхом використання відбиття радіохвиль міліметрового діапазону
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Лавріненко В.С. Підвищення якості прийому сигналу в сенсорних телекомунікаційних мережах міста шляхом використання відбиття радіохвиль міліметрового діапазону. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 17 «Електроніка та телекомунікації» за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024.
За матеріалами дисертації опубліковано: 7 робіт, з яких 3 – це статті у журналах, що входять до переліку фахових видань затверджених МОН України за спеціальністю дисертації або у періодичних виданнях іноземних держав, 4 - публікації у матеріалах конференцій, у тому числі, міжнародних. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково-практичної задачі підвищення якості передачі сигналу міліметрового діапазону, його енергетики у складних умовах міста сенсорних мереж п’ятого покоління для поліпшення можливості мереж радіодоступу. Дисертаційна робота є вагомим внеском у вирішенні актуальних завдань оптимізації та підвищення продуктивності телекомунікаційних систем, зокрема бездротових сенсорних мереж. Зміст дисертаційного дослідження викладено у трьох розділах, у кожному з яких представлено з поясненням основні результати дослідження: У вступі виконано обґрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи: пояснена важливість бездротових сенсорних мереж та окреслено складнощі, з котрими стикається та може зітнутися в майбутньому галузь Інформаційнокомунікаційних технологій. Із розвитком критично важливих IoT-сервісів та збільшенням обсягу даних зростає попит на пропускну здатність, технічні засоби та енергію, роблячи використання частотного ресурсу міліметрових хвиль ключовим для підвищення швидкості та якості бездротового зв’язку. Проте, міліметровий діапазон зустрічає перешкоди у вигляді високого рівня затухання сигналів та чутливості до перешкод, особливо в міському середовищі з його високою густонаселеністю та численними об'єктами. Саме це обмежує дальність та надійність зв'язку. Використання штучних відбивачів, що дозволяють керувати дифракцією та відбиттям хвиль, стає стратегією для подолання цих обмежень, забезпечуючи поліпшення пропускної спроможності та дальності зв'язку. Ці технологічні новації відкривають дорогу для оптимізації міліметрових телекомунікаційних мереж, що є вирішальним для розширення бездротових мереж, включно з IoT-пристроями та сенсорними мережами, забезпечуючи стабільне покриття та високоякісний зв'язок у складних умовах міського середовища. Виходячи з цього сформульовано мету та визначено завдання дослідження, надано інформацію про наукову та практичну новизну роботи, апробацію основних результатів дослідження на науково-практичних конференціях та їх публікацію у формі статей у фахових виданнях. У першому розділі на основі розгляду наукових джерел висвітлено різні аспекти телекомунікаційних технологій. Розглянуто поняття бездротових сенсорних мереж, їх роль та вплив у контексті зеленої комунікації, що є фундаментом для розуміння їх ролі та потенціалу в сучасному світі комунікацій. Пропонується огляд потрібних технологій, а також основних викликів, з якими стикаються мультимедійні бездротові сенсорні мережі, визначається широкий спектр застосувань даних мереж у різних секторах, окреслено практичну важливість. Також представлено основні характеристики сенсорних мереж та визначені вимоги до ефективності та надійності. У розділі детально аналізуються основні компоненти, включаючи види сенсорних вузлів, програмне забезпечення, розглядаються стандарти та технології, що стосуються транспортних протоколів для бездротових мереж, особливий акцент робиться на технологіях бездротової передачі даних, їх характеристиках та архітектурних особливостях. Завершуючи розділ, підбито висновки, які резюмують ключові аспекти, розкриті в контексті сучасних і прогресуючих сенсорних мереж. У другому розділі розглянуто та проаналізовано ряд архітектурних моделей для сервісів Інтернету речей, включно з трирівневою, програмно-конфігурованою та восьмирівневою структурою спеціалізованою для 5G-IoT, що призначені для оптимізації та підвищення продуктивності IoT-мереж. На основі аналізу існуючих пропозицій стосовно архітектур, виділено та описано ключові рівні для ефективного функціонування розгортуваного сервісу. Розглядаються архітектури 5G New Radio, включаючи сценарії використання, варіативність у розгортанні мереж та властивості мережі радіодоступу. Заключна частина розділу – проаналізований розрахунок зони покриття для IoT-сервісів на основі 5G, виділяються ключові компоненти для роботи сервісу та конкретизуються теоретичні аспекти, що підкреслює вплив високої щільності під’єднаних пристроїв та розміщення базових станцій на комплексність та ресурсоємність мереж. Третій розділ дослідження присвячений вирішенню окресленої науковоприкладної задачі за рахунок аналізу поширення хвиль міліметрового діапазону, увага приділяється питанням ліцензування та особливостям поширення радіохвиль міліметрового діапазону в різних умовах та сценаріях, зокрема міського середовища, описані деякі вже існуючі моделі каналів міліметрового діапазону хвиль. Також розглядається бюджет радіосистеми з врахуванням підсилення, акцент зроблено на аналізі дифракції, посиленні та загасанні сигналу міліметрового діапазону, розглядаються ефекти відбиття та розсіювання з метою створення моделі поширення та підсилення хвиль. Зокрема, пошук варіантів створення зон зі штучними відбивачами, що може покращити ефективність та розширити зону покриття мобільних систем міліметрового діапазону в міському середовищі без втручання на пряму в складні гетерогенні структури бездротових сенсорних та стільникових мереж. Наукова новизна одержаних результатів при виконанні дисертаційної роботи полягає у наступному: 1. Отримали подальший розвиток теоретичних досліджень щодо використання стільникової мережі п’ятого покоління в сенсорних мережах, зокрема використання міліметрового діапазону 60-65 ГГц, для підвищення якості передачі сигналу, розширення частотного ресурсу, підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж. 2. Запропоновано застосування суперпозиції та відбиття для посилення сигналу в міліметровому E-діапазоні радіохвиль сенсорних мереж, які використовуються в мобільних системах міського середовища. Це дає можливість розширити зону покриття або зменшити енерговитрати у приймальнопередавальних пристроях. 3. Вперше отримано модель радіоканалів, яка дозволяє моделювати проходження сигналів міліметрового діапазону 60-65 ГГц телекомунікаційних систем у місті з урахуванням відбиття. Також на основі моделі розроблено методику для покращення проходження сигналу і підвищення якості його прийому в телекомунікаційних системах міліметрового діапазону каналів 5G. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що: На основі аналізу розповсюдження сигналів міліметрового діапазону в сенсорних мережах у складних умовах міста виявлено, що якість передачі сигналу може бути підвищена шляхом застосування рішень, які використовують суперпозицію та відбиття для посилення сигналу. В конкретних умовах міського середовища важливими є штучні відбивачі, які здатні посилити сигнал, тим самим теоретично розширити зону покриття та енергоефективність для критично важливих систем IoT, які розгортаються на базі сенсорних мереж. Загалом, також можна констатувати важливість подальших досліджень та розробок у галузі з використанням міліметрового діапазону в телекомунікаційних системах, зокрема продовжувати вивчення особливостей поширення хвиль у цьому діапазоні, із використанням запропонованої моделі, щоб ефективно впроваджувати нові технології для забезпечення надійності та швидкості мобільного зв'язку. Отримані в ході дисертаційних досліджень нові теоретичні та практичні результати були впроваджені в навчальний процес кафедри прикладної радіоелектроніки радіотехнічного факультету Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», згідно з актом впровадження, під час підготовки лабораторних та практичних занять з навчальної дисципліни [RE-200] «Мультимедійні технології в радіозв'язку» для студентів за спеціальністю 172 — «Електронні комунікації та радіотехніка».
Опис
Ключові слова
сенсор, безпроводова сенсорна мережа, мобільна бездротова сенсорна мережа, безпроводова мережа, енергоефективність, 5G, телекомунікаційна мережа, Інтернет речей, міліметрові хвилі, відбиття, радіозв'язок, безпровідний канал зв’язку, канал зв’язку, мережі зв'язку, математичне моделювання, sensor, wireless sensor networks, mobile wireless sensor network, wireless network, energy efficiency, telecommunication network, Internet of Things, mmWave, reflection, radio communication, wireless communication channel, communication channel, communication networks, mathematical modeling
Бібліографічний опис
Лавріненко, В. С. Підвищення якості прийому сигналу в сенсорних телекомунікаційних мережах міста шляхом використання відбиття радіохвиль міліметрового діапазону : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Лавріненко Владислав Сергійович. – Київ, 2024. – 153 с.