Методика расчета координаты заданной зоны покрытия для беспроводной сети внутри помещений, сооружений для произвольного луча сканирующего от источника излучения до приемника

УДК 004.42

А.В. Чугунов

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КООРДИНАТЫ ЗАДАННОЙ ЗОНЫ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ ВНУТРИ ПОМЕЩЕНИЙ, СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ПРОИЗВОЛЬНОГО ЛУЧА СКАНИРУЮЩЕГО ОТ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ДО ПРИЕМНИКА

Предложен и описан алгоритм расчета координаты заданной зоны покрытия беспроводной сети внутри помещений, в основе которого лежит метод трассировки лучей. Данный метод, несмотря на свою высокую точность, несет большие аппаратные затраты. Задачей алгоритма является уменьшение аппаратных затрат при расчете зон покрытия таким образом, чтобы точность получаемых данных была по-прежнему высокой. Результаты работы алгоритма были сопоставлены с данными экспериментальных измерений и находятся в хорошем соответствии.

IEEE 802.11, зона покрытия, метод трассировки лучей, архитектурные планы здания, лучи сканирования, уровень сигнала

A.V. Chugunov

CALCULATING THE COORDINATE FOR THE INDOOR WIRELESS COVERAGE WITH THE ARBITRARY BEAM SCANNING FROM THE RADIATION SOURCE TO THE RECEIVER

The paper suggests and describes an algorithm for calculating the coordinates of a given zone in a wireless network inside buildings, based on the ray tracing method. Despite its high accuracy, the method involves large hardware costs. The purpose of the algorithm is to reduce hardware costs when calculating the coverage, so that the accuracy of the data remained high. The results of the algorithm were compared with the experimental measurements and are consistent.

IEEE 802.11, coverage, rays transgression method, architectural plans of the building, scanning beams, the signal level

В настоящее время идет непрерывный рост доли беспроводных технологий в передаче сетевого трафика. Основной технологией построения беспроводных локальных сетей является семейство стандартов IEEE 802.11, имеющее более известное коммерческое название - Wi-Fi. Для увеличения мобильности бизнеса и производственных процессов повсеместно внедряются беспроводные локальные сети (WLAN). Wi-Fi сети легко развернуть в небольших помещениях, обычно при этом используется одна точка доступа. Примерами таких сетей являются домашние WLAN, а также беспроводные сети малого бизнеса. Однако при создании крупной корпоративной беспроводной сети архитектор сталкивается с рядом проблем. Семейство стандартов IEEE 802.11 работает частотах 2,4 и 5,1 ГГц, на них имеет место сильное поглощение радиосигнала средой и вместе с низкой мощностью точек доступа радиус их действия даже на открытой местности не превышает 70 м. В офисных и производственных помещениях, имеющих сложную конфигурацию межкомнатных перегородок, материалы которых обладают разными значениями комплексной диэлектрической проницаемости, определить зону покрытия без ее моделирования представляется довольно сложным процессом с большими временными затратами. Не используя программное моделирование, единственным способом определения области действия сети является измерение уровня радиосигнала с помощью специального оборудования во всех помещениях, в которых должна работать WLAN. Построение корпоративных беспроводных сетей подразумевает создание зоны покрытия большой площади, и, как следствие, измерение уровня сигнала экспериментальным путем для одной ТД не даст желаемого результата. Производить же ручные измерения для десятков и сотен беспроводных роутеров очень затратно как по времени, так и по финансам. Основываясь на этом, весьма актуальным является формирование специализированных алгоритмов программ, которые могут быть внедрены в САПР, дающие возможность на базе чертежей планов здания сделать оценку характера распространения электромагнитных волн и выбрать оптимальные местоположения ТД. Существующие на сегодня программы характеризуются большой' погрешностью в вычислениях, или в их вычислениях идет потребление огромного количества ресурсов [1].

Целью данной работы является создание алгоритма расчета зон покрытия беспроводных сетей семейства стандартов IEEE 802.11 внутри помещений со сложной конфигурацией перегородок с точностью получаемых данных, близкой к экспериментальным замерам.

Для разработки модели распространения сканируемых лучей используем в своей основе метод трассировки лучей [2-6]. Главным достоинством метода является то, что модели, построенные на этом методе, достаточно точные, но несут довольно большие аппаратные затраты - высокую стоимость вычислений. Задачей данного алгоритма является оптимизация модели трассировки лучей для уменьшения стоимости вычислений. Исходными данными выбран одинарный сканирующий луч произвольной длины с углом сканирования, равным 15 градусов, заданы расстояние до препятствия, его толщина, комплексная диэлектрическая проницаемость материала и угол падения на отражающую поверхность препятствия на каждом из 24 сканируемых лучей, а также заданы зоны покрытия,

для которых производится расчет. В основу алгоритма положен принцип расчета потерь при распространении радиоволны с шагом приращения 0,01 м до момента совпадения расчетных значений потерь со значением заданной зоны с последующей записью координаты определенной зоны в таблицу результатов расчета. По этому принципу рассчитываются все последующие лучи сканирования. Расчет уровня сигнала в алгоритме производится по формуле общих потерь распространении радиосигнала [7]:

Ьоб[

где Рт - мощность передатчика источника излучения; Р0 - опорная мощность; Ь0 - потери в свободном пространстве; Т - комплексный коэффициент передачи;

= 20 • ,

где 1 - длина волны излучения, 1 = 12,-10-2 м; й - расстояние до препятствия. Формула расчета коэффициента передачи [8, с. 15]:

Т = 1-кСс2'е

где

8 = +,-

где й - толщина строительного материала; ^ - коэффициент диэлектрической проницаемости материала препятствия; 0 - угол падения луча сканирования на поверхность препятствия;

=

3п =

=-, . ,-

IV-(Ипв)"

А

Таь = 20^^

На рис. 1, 2 показан алгоритм расчета зон покрытия беспроводной сети внутри помещений для произвольного луча сканирования.

Достоинства метода:

- программа учитывает затухание сигнала при прохождении через препятствие с учетом угла падения сканируемого луча, толщины и диэлектрических свойств материала препятствия;

- процесс расчета полностью автоматизирован до момента определения координаты заданной зоны покрытия;

- при использовании данного метода расчета мы получим координату зоны покрытия беспроводной сети для сканируемого луча, не задаваясь радиусом сканирования.

К недостаткам метода стоит отнести:

- отсутствие автоматического ввода координат препятствий, его толщины на пути сканирующих лучей с чертежа плана исследуемого помещения.

Для сравнения зоны покрытия, выполненной с помощью алгоритма, с реальными значениями уровней излучений от ТД в различных точках пространства были проведены замеры зон покрытия в одном из помещений вуза, имеющем сложную конфигурацию межкомнатных перегородок [9].

В исследуемом помещении беспроводной маршрутизатор выбирается точкой отсчета координат. На плане помещения от него строятся линии в виде лучей с интервалом в 15 градусов, вдоль которых будут проводиться измерения (рис. 3). Для детального определения изменений, вносимых отражённым от препятствий сигналом, в основной, при построении измерительных линий следует сделать более короткий интервал их построения. Такое решение приведет к резкому увеличению временных и финансовых затрат при проведении экспериментальных замеров зоны покрытия. 166

Рис. 1. Алгоритм расчета зон покрытия беспроводной сети внутри помещений для произвольного луча сканирования, часть 1

Рис. 2. Алгоритм расчета зон покрытия беспроводной сети внутри помещений для произвольного луча сканирования, часть 2

Рис. 3. Линии измерения на плане этажа

Использование компаса совместно с измерительным оборудованием, работающим на частоте 2,4 ГГц, не представляется возможным вследствие электромагнитных помех, вносимыми последним. Исходя из этого, точность перемещения по измерительным линиям при осуществлении замеров задается геометрическими расчетами на плане помещения, вследствие чего для осуществления экспериментальных измерений так важно иметь точный архитектурный план, а также прибор для измерения расстояний - лазерный дальномер.

Данные напряженности электромагнитного поля в приемной антенне измерительного устройства снимались с шагом в 1 м. В качестве измерительного оборудования использовался сканер беспроводных сетей семейства стандартов IEEE 802.11 AirCheck [10] от компании Fluke Networks. Он позволяет, просканировав радиоэфир, подключиться к нужной беспроводной сети и выбрать для исследования уровня сигнала определенную ТД. Уровень сигнала на приборе отображается в виде RSSI (индикатор силы принимаемого сигнала) [11, с. 194-195], выражаемой в dBm [12]. Данные значения всегда отрицательны. Если проводить замер уровня сигнала непосредственно под беспроводным маршрутизатором, значение RSSI будет в диапазоне от -35...-25 dBm в зависимости от мощности передатчика, варьируемой от 20 до 100 мВт. Уровень RSSI в -85 dBm является граничным для большинства клиентских устройств, поэтому, достигнув этого значения, дальнейшие замеры вдоль измерительной линии не имеют смысла и можно переходить к замерам вдоль следующей. Все измерения осуществлялись в одной плоскости, параллельной полу, на высоте 1,5 м. Антенна измерительного прибора всегда находится в направлении распространения сигнала вдоль линии измерения.

Для каждого из лучей были получены графики величины RSSI в приемной антенне измерительного устройства. По оси Y отложены значения уровня сигнала в dBm, по оси Х - расстояние от точки доступа с шагом в 1 м. В качестве влияния переотраженного сигнала на уровень сигнала в приемной антенне клиентских устройств можно привести график луча 18, пересекающего несколько помещений (рис. 4). Как видно из рисунка, расхождения данных об уровнях RSSI, полученных экспериментальным путем, от данных, полученных в ходе работы прототипа программы, построенной на основе алгоритма, приведенного выше, минимальна. Из этого следует, что базовые формулы по расчету потерь радиосигналов в открытом пространстве и при прохождении через препятствия, используемые в алгоритме, выбраны верно.

Луч 18

123456789 1011121314151617181920

Экперемент Расчетное

Дистанция от ТД, м

Рис. 4. Сравнение значений RSSI, полученных в ходе расчета с помощью алгоритма, с экспериментальными замерами

В результате разработки алгоритма мы получили возможность написания программного обеспечения определения зон покрытия беспроводной сети семейства стандартов IEEE 802.11 внутри помещений, имеющих сложную конфигурацию межкомнатных перегородок из различного материала. Это даст возможность производить сравнительный анализ размещения точек доступа при планировании зоны покрытия, что позволит сократить затраты на покупку беспроводного оборудования в сравнении с развертыванием беспроводной сети без планирования карты покрытия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чугунов А.В. Система мониторинга беспроводной локальной сети стандарта IEEE 802.11 |// Информационно-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании - ICIT 2014. Саратов, 27-29 янв. 2014 г. Саратов, 2014. С. 114-116.

2. Преображенский А.П., Чопоров О.Н. Методика прогнозирования радиолокационных характеристик объектов в диапазоне длин волн c использованием результатов измерения характеристик рассеяния на дискретных частотах // Системы управления и информационные технологии. 2004. Т. 14. № 2. С. 98-101.

3. Кульнева Е.Ю., Гащенко И.А. О характеристиках, влияющих на моделирование радиотехнических устройств // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-2. С. 50.

4. Исследование методов оптимизации при проектировании систем радиосвязи / Я.Е. Львович, И.Я. Львович, А.П. Преображенский, С.О. Головинов // Теория и техника радиосвязи. 2011. № 1. С. 5-9.

5. Преображенский А.П., Чопоров О.Н. Алгоритм расчета радиолокационных характеристик полостей с использованием приближенной модели // Системы управления и информационные технологии. 2005. Т. 21. № 4. С. 17-19.

6. Программный комплекс для автоматизированного анализа характеристик рассеяния объектов с применением математических моделей / И.Я. Львович, А.П. Преображенский, Р.П. Юров, О.Н. Чопоров // Системы управления и информационные технологии. 2006. Т. 24. № 2. С. 96-98.

7. Распространение радиоволн в мобильной связи: метод. указ. по курсу «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи» / сост.: С.Н. Шабунин, Л.Л. Лесная. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 38 с.

8. Рекомендация МСЭ-R P.1238-6. Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц - 100 ГГц. 2009. 25 с.

9. Чугунов А.В. Методика замера зон покрытия сетей IEEE 802.11, актуализирующая данные системы управления Cisco Prime Infrastructure // Проблемы управления в социально-экономических системах: труды XI Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, 09-10 апр. 2015 г. Саратов, 2015. С. 44-47.

10. Тестер AirCheck для сетей Wi-Fi [Электронный ресурс]: официальный сайт. Режим доступа http://download.fluke networks.com/Download/Asset/AirCheck_3611371_6500_RUS_F_W.PDF.

11. CC2510Fx/CC2511 Fx Low-Power SoC (System-on-Chip) with MCU, Memory, 2.4 GHz RF Transceiver, and USB Controller [Электронный ресурс]: официальный сайт. Режим доступа http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2511 .pdf.

12. Данилин А.А. Измерения в технике СВЧ: учеб. пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2008.

184 с.

Чугунов Алексей Владимирович -

старший преподаватель кафедры «Информационные системы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Aleksey V. Chugunov -

Senior lecturer

Department Information Systems and Technologies

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 10.06.15, принята к опубликованию 10.11.15