Вплив технологічних параметрів на експлуатаційні характеристики електронної безпроводової системи передавання даних
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Омельянець О. О. Вплив технологічних параметрів на експлуатаційні характеристики електронної безпроводової системи передавання даних. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 «Електроніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2025. В дисертації отримано такі нові наукові результати: 1. Отримав подальший розвиток метод дослідження експлуатаційних характеристик безпроводових мереж на підґрунті концепції віртуального конкурентного вікна для визначення показників якості передавання мультимедійного трафіка в змішаних мережах з пріоритизацією; 2. Удосконалено метод оцінювання впливу технологічних параметрів на граничні експлуатаційні характеристики електронної безпроводової системи передавання даних за стандартом IEEE 802.11 ac в режимі конкурентного доступу. 3. Вперше обґрунтовано оцінки ефективності технологічних рішень, застосованих для підвищення пропускної здатності безпроводової електронної системи передавання даних за стандартом IEEE 802.11 ac за умов обмеженого енергетичного ресурсу. 4. Отримала подальший розвиток теорія функціонування безпроводової мережі передавання даних з конкурентним доступом в режимі пріоритезації трафіку. Дисертаційну роботу присвячено поглибленому дослідженню впливу технологічних параметрів на експлуатаційні характеристики електронної безпроводової системи передавання даних за специфікацією 802.11ac для удосконалення процесу проектування і експлуатації зазначених мереж шляхом врахування гранично можливого рівня якісних показників. В роботі використано метод аналізу, що ґрунтується на концепції віртуального конкурентного вікна, який дозволяє врахувати всі технологічні параметри для моделювання процесів в електронних системах передавання даних. Зміст дисертаційного дослідження викладений у п’яти розділах, у яких подано результати теоретичних і експериментальних досліджень. У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано доцільність і актуальність обраного напряму досліджень. Показано, що технології безпроводових локальних мереж стандарту IEEE 802.11 (Wi-Fi) набули значного поширення як засіб створення локальних мереж обміну даними і засіб доступу до ресурсів Інтернет. З часу створення у 1997 році технології фізичного і канального рівнів мереж IEEE 802.11 зазнали суттєвих змін і удосконалення. Удосконалення спрямовані на збільшення пропускної здатності мережі і поліпшення якісних показників. В межах одного стандарту IEEE 802.11 кожну його модифікацію оформлено окремою специфікацією, що є невід’ємним складником стандарту. Зараз найбільш поширеними специфікаціями є 802.11 n, ac і слід очікувати, що така ситуація збережеться протягом тривалого часу. Запроваджується обладнання для безпроводових мереж за специфікацією 802.11 ax, що суттєво відрізняється від попередніх версій, в якій використано систему множинного доступу OFDMA. На стадії стандартизації знаходиться технологія IEEE 802.11 be. Дослідженню процесів в мережах передавання даних присвячено багато дослідницьких робіт, але отримані в них результати часто є суперечливими або отримані за спрощеною схемою. Особливість мереж IEEE 802.11ac є розширення частотного діапазону частотних каналів, застосування багатопотокового передавання даних, застосування квадратурної модуляції носійних частот OFDM символу квадратурною модуляцією збільшеної кратності. Технологія мереж IEEE 802.11ac є останньою і найбільш досконалою технологією із застосуванням модуляції OFDM. Проведені в дисертаційній роботі дослідження дозволять більш ефективно використовувати можливості зазначеної технології. В першому розділі наведено результати критичного аналізу особливостей технічних рішень передбачених специфікацією IEEE 802.11ac. Зокрема розглянуто питання доступу до середовища, частотні ресурси, можливі для застосування, спосіб організації частотних каналів в межах діапазону 5 ГГц, розподіл часу і тривалості часових інтервалі під час конкурентного доступу до каналу, особливості радіоканалу і характеристики систем модуляції і кодування. Також проаналізовано структуру кадру без агрегування і агрегованого кадру. Окремо розглянуто структуру електронної системи передавання даних і особливості її апаратної реалізації. На завершення першого розділу наведено результати огляду досліджень експлуатаційних характеристик мереж IEEE 802.11ac, оприлюднених в науково-технічних інформаційних джерелах. Другий розділ присвячено теоретичному оцінюванню експлуатаційних характеристик мереж IEEE 802.11ac. Перш за все обґрунтовано метод подальших досліджень. На підставі аналізу методів часового слоту, запропонованого Дж. Б’янкі, і методу, що ґрунтується на концепції віртуального конкурентного вікна, обрано останній оскільки в цьому методі сформовано математичну модель, в які установлені однозначні залежності між системними параметрами і експлуатаційними характеристиками. Із застосуванням методу віртуального конкурентного вікна зроблено теоретичні дослідження пропускної здатності безпроводового каналу в разі використання частотних смуг 20, 40, 80, 160 МГц для мереж без конкуренції (одна станція з насиченим навантаження) і для режиму конкурентного доступу з числом станцій від 2 до 16. В дослідженні розглянуто режими модуляції і кодування від MCS5 до MCS9. Отримано оцінки для затримки передавання і її нерівномірності. З’ясовано, що зі збільшенням кількості активних станцій у мережі зростає ймовірність того, що не всі станції зможуть передати свої кадри з використанням семи (першої і шести повторних) наданих спроб. Залежно від типу кадрів і налаштування мережі такі кадри можуть бути відкинуті або будуть продовжені спроби їх передати. Зі збільшенням кількості активних станцій у безпроводовій мережі сумарна пропускна здатність зростає в інтервалі від однієї до чотирьох станцій внаслідок зменшення усередненої величини конкурентного вікна, а потім зменшується через виникнення колізій, тим швидше, чим більше станцій у мережі. Збільшення ширини частотної смуги безпроводового каналу в однопотоковому режимі є не дуже ефективним засобом збільшення пропускної здатності каналу за відсутності агрегування пакетизованого потоку даних. В разі застосування агрегованих кадрів для передавання насиченого трафіку (наприклад, «закачка» великих файлів) пропускна здатність безпроводового каналу значно зростає. Якщо застосувати агрегування вхідних файлів PSDU до максимального рівня передбаченого в специфікації IEEE802.11ac (11454 байти) пропускна здатність каналу зростає і перевищує 50, максимальної теоретично розрахованої величини в каналах 20 і 40 МГц. Третій розділ присвячено дослідженню зони обслуговування точки доступу. Визначено радіус зони обслуговування для станції з випромінюваною потужністю 100 мВт для всіх можливих режимів модуляції і кодування MCS0 – MCS9. Проведено розрахунки радіусу зони обслуговування в разі застосування кількох просторових потоків для передавання даних. З’ясовано, що розмір зони обслуговування залежить від застосованого в мережі режиму модуляції й кодування, і радіус зони може змінюватись до десяти разів. Цей розмір залежить також від ширини частотної смуги радіоканалу і зменшується вдвічі, у разі збільшення частотної смуги в чотири рази. Хоча в діапазоні 5ГГц сигнали частотних смуг окремих каналів на рівні «мінус»20 дБ майже не перекриваються, внаслідок відносно великої інтенсивності позасмугового випромінювання і великої чутливості приймачів, у суміжних частотних каналах можуть виникати помітні взаємні завади під час передавання преамбули попередніх специфікацій стандарту, що зменшує ефективність використання канального ресурсу. У четвертому розділі розглянуто питання пов’язані з передаванням голосового трафіку в мережах IEEE 802.11ac зі змішаним навантаженням. Наведено результати порівняльного аналізу кодеків для застосування в IPмережах. Розглянуто особливості генерування голосового трафіку і зроблено розрахунок максимально можливої кількості голосових з’єднань в мережі з однією точкою доступу. Для розрахунку використано характеристики найменш ефективного кодеку G.711. Теоретично досліджено функціонування мереж зі змішаним трафіком, в одній із яких пріоритизований трафік складається із насиченого низькопріоритетного трафіку типу «background» і високопріоритетного голосового трафіку (voice over IP), а в іншій – із насиченого трафіку загального пріоритету «best effort» і високопріоритетного голосового трафіку. Обґрунтовано можливість організації великої кількості (кілька десятків) голосових з’єднань через одну точку доступу. З урахуванням того, що технологію IEEE 802.11ac призначено для використання в приміщеннях в межах відносно невеликої зони обслуговування, вона є надійним засобом організації голосових з’єднань. У п’ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень пропускної здатності безпроводового каналу IEEE 802.11ac в реальних умовах. Для дослідження використано стаціонарний компп’ютер, як файлообмінний сервер локальної мережі, два ноутбуки, одиніз яких з однією приймально/передавальною антеноа, а інший – з двома, смартфони. Вимірювання пропускної здатності мережі здійснено програмними засобами OpenWrt, Wi-Fi Analyzer, SpeedTest. Визначено, що при передаванні насиченого трафіку точки доступу здійснюють агрегування файлів, максимальна величина яких визначається налаштуваннями виробника. Практичні вимірювання підтвердили результати теоретичних досліджень. Під час експериментів отримано оцінки впливу неузгодженості антен абонентської станції і точки доступу, а також вплив умов багатопроменевого розповсюдження на рівень сигналу на вході абонентської станції. Зроблено експерименти щодо організації голосових з’єднань з чотирма смартфонами в мережі з насиченим трафіком, які підтвердили висновки теоретичних розрахунків. Отримані результати досліджень мають практичне значення і можуть бути ефективно застосовані для проектування, планування та обслуговування безпроводових мереж стандарту IEEE 802.11ac, зі змогою сформувати прогнозну оцінку швидкості передавання даних, для обґрунтованого планування і розгортання безпроводових VoIP мереж, у навчальному процесі в дисциплінах, пов’язаних з організацією і функціонуванням безпроводових локальних мереж передавання даних за стандартом IEEE 802.11ac.
Опис
Ключові слова
апаратні засоби, випромінювана потужність, зона обслуговування, електромагнітна сумісність, електронна система, контент, оцінка ефективності, мережні технології, пропускна здатність, спосіб модуляції і кодування, ширина частотної смуги, hardware, radiated power, service area, electromagnetic compatibility, electronic system, content, performance assessment, bandwidth, modulation and coding method, frequency bandwidth, network technologies
Бібліографічний опис
Омельянець, О. О. Вплив технологічних параметрів на експлуатаційні характеристики електронної безпроводової системи передавання даних : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Омельянець Олександра Олександрівна. – Київ, 2025. – 162 с.