Підвищення якості прийому сигналу в сенсорних телекомунікаційних мережах міста шляхом використання відбиття радіохвиль міліметрового діапазону

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСтепанов, Михайло Миколайович
dc.contributor.authorЛавріненко, Владислав Сергійович
dc.date.accessioned2024-08-22T13:36:27Z
dc.date.available2024-08-22T13:36:27Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractЛавріненко 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».
dc.description.abstractotherLavrinenko V.S. Improving Signal Reception Quality in Urban Sensor Telecommunication Networks Through the Utilization of Millimeter-Wave Radio Wave Reflections. - The qualification scientific work presented as a manuscript. Dissertation for obtaining the scientific degree of PhD in the field of knowledge 17 "Electronics and telecommunications" in the specialty 172 "Telecommunications and radio engineering". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kyiv, 2024. According to the materials of the PhD thesis published: 7 Papers, 3 of which are articles in journals included in the list of professional publications approved by the Ministry of Education and Science of Ukraine in the specialty of the dissertation or in periodicals of foreign countries, 4 - publications in conference proceedings, including international. The dissertation work is devoted to the solution of the actual scientific and practical problem of improving the quality of millimeter range signal transmission, and its energy in the complex conditions of the city of the fifth-generation sensor networks to improve the possibility of radio access networks. The dissertation is a significant contribution to the solution of current tasks of optimizing and increasing the productivity of telecommunication systems, in particular wireless sensor networks. The content of the dissertation research is presented in three sections, in each of which the main research results are presented with an explanation: The introduction substantiates the relevance of the chosen topic of the dissertation: the importance of wireless sensor networks is explained and the difficulties that the field of Information and Communication Technologies is facing and may face in the future are outlined. With the development of mission-critical IoT services and the increase in the amount of data, the demand for bandwidth, hardware, and energy is increasing, making the use of the millimeter wave frequency resource key to improving the speed and quality of wireless communication. However, the millimeter range faces obstacles in the form of a high level of signal attenuation and sensitivity to interference, especially in an urban environment with its high population density and numerous objects. This is what limits the range and reliability of communication. The use of artificial reflectors to control the diffraction and reflection of waves is becoming a strategy to overcome these limitations, providing improved bandwidth and communication range. These technological innovations pave the way for the optimization of millimeter-scale telecommunication networks, which is crucial for the expansion of wireless networks, including IoT devices and sensor networks, ensuring stable coverage and high-quality communication in challenging urban environments. Based on this, the goal and tasks of the research were formulated, information was provided about the scientific and practical novelty of the work, the approval of the main results of the research at scientific and practical conferences, and their publication in the form of articles in professional publications. The first chapter highlights various aspects of telecommunication technologies based on a review of scientific sources. The concept of wireless sensor networks, their role, and their influence in the context of green communication is considered, which is the foundation for understanding their role and potential in the modern world of communications. An overview of the necessary technologies is offered, as well as the main challenges faced by multimedia wireless sensor networks, a wide range of applications of these networks in various sectors is determined, and the practical importance is outlined. The main characteristics of sensor networks and the requirements for efficiency and reliability are also presented. The section analyzes in detail the main components, including types of sensor nodes, software, standards, and technologies related to transport protocols for wireless networks, with special emphasis on wireless data transmission technologies, their characteristics, and architectural features. At the end of the chapter, conclusions are drawn, which summarize the key aspects revealed in the context of modern and progressive sensor networks. The second chapter reviews and analyzes several architectural models for IoT services, including a three-layer, software-configurable, and eight-layer structure specialized for 5G-IoT, designed to optimize and improve the performance of IoT networks. Based on the analysis of existing proposals regarding architectures, the key levels for the effective functioning of the deployed service are highlighted and described. 5G New Radio architectures are reviewed, including usage scenarios, variability in network deployment, and radio access network properties. The final part of the chapter analyzes the calculation of the coverage area for IoT services based on 5G, highlights the key components for the operation of the service, and specifies the theoretical aspects, which emphasizes the impact of the high density of connected devices and the placement of base stations on the complexity and resource intensity of networks. The third chapter of the study is dedicated to solving the outlined scientific and applied problem through the analysis of millimeter wave propagation, attention is paid to licensing issues and features of millimeter wave propagation in various conditions and scenarios, in particular the urban environment, some already existing models of millimeter wave channels are described. The budget of the radio system is also considered, taking into account amplification, the emphasis is placed on the analysis of diffraction, amplification, and attenuation of the millimeter range signal, and the effects of reflection and scattering are considered in order to create a model of propagation and amplification of waves. In particular, the search for options for creating zones with artificial reflectors, which can improve the efficiency and expand the coverage area of millimeter-range mobile systems in the urban environment without directly interfering with the complex heterogeneous structures of wireless sensor and cellular networks. The scientific novelty of the results obtained during the dissertation work is as follows: 1. The further development of theoretical research on the use of the fifth generation cellular network in sensor networks, in particular the use of the millimeter range of 60-65 GHz, to improve the quality of signal transmission, expand the frequency resource, and increase the bandwidth of telecommunication networks, has been achieved. 2. The application of superposition and reflection to enhance signal strength in the millimeter-wave E-band range of radio waves in sensor networks used in urban mobile systems has been proposed. This allows for extending coverage areas or reducing energy consumption in transceiver devices. 3. For the first time, a radio channel model has been obtained that enables the modeling of signal propagation in the 60-65 GHz millimeter wave range of telecommunication systems in urban environments, taking into account reflection. Based on this model, a methodology has been developed to improve signal propagation and enhance its reception quality in 5G millimeter-wave channel telecommunication systems. The practical importance of obtained results is as follows: Based on the analysis of millimeter wave signal propagation in sensor networks in complex urban conditions, it has been found that signal transmission quality can be improved by implementing solutions that utilize superposition and reflection to enhance the signal. In specific urban environments, artificial reflectors are crucial as they can amplify the signal, theoretically extending coverage areas and energy efficiency for critical IoT systems deployed on sensor networks. In general, it is also possible to state the importance of further research and development in the field using the millimeter range in telecommunication systems, in particular, to continue studying the characteristics of wave propagation in this range, using the proposed model, in order to effectively implement new technologies to ensure the reliability and speed of mobile communication. The new theoretical and practical results obtained in the course of dissertation research were implemented in the educational process of the Department of Applied Radio Electronics of the RRadio engineering Faculty of National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, in accordance with the act of implementation, during the preparation of laboratory and practical classes in the academic discipline [RE - 200] "Multimedia technologies in radio communication" for students majoring in 172 — "Electronic communications and radio engineering".
dc.format.extent153 с.
dc.identifier.citationЛавріненко, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/68482
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectсенсор
dc.subjectбезпроводова сенсорна мережа
dc.subjectмобільна бездротова сенсорна мережа
dc.subjectбезпроводова мережа
dc.subjectенергоефективність
dc.subject5G
dc.subjectтелекомунікаційна мережа
dc.subjectІнтернет речей
dc.subjectміліметрові хвилі
dc.subjectвідбиття
dc.subjectрадіозв'язок
dc.subjectбезпровідний канал зв’язку
dc.subjectканал зв’язку
dc.subjectмережі зв'язку
dc.subjectматематичне моделювання
dc.subjectsensor
dc.subjectwireless sensor networks
dc.subjectmobile wireless sensor network
dc.subjectwireless network
dc.subjectenergy efficiency
dc.subjecttelecommunication network
dc.subjectInternet of Things
dc.subjectmmWave
dc.subjectreflection
dc.subjectradio communication
dc.subjectwireless communication channel
dc.subjectcommunication channel
dc.subjectcommunication networks
dc.subjectmathematical modeling
dc.subject.udc621.396.94+004.72]:621.391.8(043.3)
dc.titleПідвищення якості прийому сигналу в сенсорних телекомунікаційних мережах міста шляхом використання відбиття радіохвиль міліметрового діапазону
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Lavrinenko_dys.pdf
Розмір:
2.6 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (РЕ)
Дисертації (вільний доступ)