Оценка качества каналов сети Wireless Mesh в условиях воздействия радиации

УДК 621.396.22

Оценка качества каналов сети Wireless Mesh в условиях воздействия радиации

Алексей Николаевич Руднев, к.т.н., доцент, e-mail: alexrudnev@mail.ru

ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва

Рассмотрено влияние радиационного излучения на эффективность передачи видеопотока в сети Wireless Mesh и мощности дозы излучения на вероятность появления ошибочных бит в канале связи; определены предельно-допустимые уровни ионизационных излучений; экспериментально доказано, что передача информации в сети Wireless Mesh обеспечивается в условиях радиационного облучения до уровней 130 Гр/ч, а при увеличении радиационного фона вероятность появления ошибочных бит в канале связи резко возрастает.

The authors considered the influence of radiation on the efficiency of transmission of video streams in Wireless Mesh Network and radiation dose on the probability of bit errors in the channel. The article defined maximum allowable levels of ionizing radiation. It's experimentally proved that the transmission of information in a Wireless Mesh network is provided in terms of radiation exposure to levels of 130 g / h, while increasing the radiation background probability of occurrence of erroneous bits in the channel increases dramatically.

Ключевые слова: сети Wireless Mesh, радиационное излучение, мощность дозы облучения.

Keywords: Networks Wireless Mesh, radiation, the dose of irradiation.

Постановка задачи

В связи с бурным развитием атомной энергетики возрастает интенсивность оборота ядерных материалов и радиоактивных веществ, поэтому увеличивается вероятность возникновения аварийных ситуаций. Перевозки радиоактивных веществ и ядерных материалов осуществляются по территории России, в том числе и по труднодоступным участкам местности. Воздействие ионизационных излучений на качество каналов связи и управления приводит к дезорганизации в работе аварийнотехнических центров, обеспечивающих проведение работ по ликвидации последствий радиационных аварий.

Целью исследования является определение предельно допустимых уровней ионизационных излучений на качество передачи данных по каналам связи.

Воздействию подвергался персональный портативный видеокодер (PVE), передававший тестовое видеоизображение на автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора посредством беспроводного канала передачи данных Wireless Mesh.

Использование каналов Wireless Mesh при проведении работ в зоне аварии с радиационным фактором

Современные сети связи на основе технологии широкополосного доступа (Wireless Mesh) предназначены для построения абонентских сетей класса Wi-Fi в масштабах города. В этих сетях используются принципы глобального покрытия при помо-

щи множества точек доступа и механизмы оптимальной маршрутизации и резервирования. Благодаря возможности обеспечения защищенного беспроводного покрытия как внутри, так и вне помещений, в крупных населенных пунктах и районах, сеть Wireless Mesh может быть использована для быстрого развертывания сети управления при необходимости обеспечения внутренней безопасности или в случаях чрезвычайных ситуаций.

Если ближайшая точка доступа перегружена, данные перенаправляются к соседнему незагруженному узлу. Блок данных продолжает перемещаться от одного узла к другому, пока не достигнет места назначения. Примером многоузловой сети (только в кабельном исполнении) может служить Интернет. Как и в случае с беспроводными mesh-сетями, сообщение электронной почты не пересылается получателю напрямую. Вместо этого оно передается от одного сервера к другому по наиболее эффективному маршруту, в зависимости от загруженности сетей.

Как только точка доступа установлена и включена, она автоматически обнаруживает другие точки доступа и «определяет» свою роль в сети. Это исключает необходимость ручного администрирования сети и обеспечивает оперативное развертывание оборудования. В тот момент, когда сеть запускается в эксплуатацию, она начинает автоматически управлять своей работой, благодаря функциям самовосстановления и самоадаптации. Если точка доступа отключается или какой-либо сегмент сети оказывается перегруженным, сеть ав-

Таблица. Сравнительные характеристики систем передачи данных по беспроводному каналу связи

Системы Технические характеристики

Возможная скорость транспортных средств при передаче данных Пропускная способность, бит/c Радио- покрытие Безопас- ность Определение местополо-жения Беспроводная маршрутизация (передача данных по множеству каналов) Дальность, м

WI-MAX Невозможна 54 Точка-точка, звезда, многоячейковая сеть Аутенти- фикация Нет Нет До 300

WI-FI То же 11 То же То же Нет Нет До 100

ZeeGBee То же 250 То же То же Нет Нет До 50

Wireless Mesh До 300 км/ч 6 Самоорганизующаяся архитектура Встроенные сервисы безопасности Да Да До 1000

тематически переопределяет маршруты передачи данных между точками, что позволяет предотвратить сбои коммуникаций. Приведем сравнительные характеристики различных систем передачи данных (таблица составлена по материалам открытых источников компании Motorola, D-Link).

Анализируя выбранные характеристики, видно, что системы, построенные на основе Wireless Mesh, обладают следующими преимуществами: высоким быстродействием, маршрутизацией, возможностью работы на достаточно высоких скоростях. Таким образом, при ликвидации аварий с радиационным фактором применение этих сетей является оптимальным решением, поскольку оно идеально подходит для покрытия беспроводными локальными сетями больших открытых пространств или помещений, особенно в тех случаях, когда прокладывание Ethernet-кабелей невозможно или требуется свести к минимуму потребность в выделенных транзитных каналах.

На рис. 1 изображен комплекс, который обеспечивает сбор и передачу телеметрической информации на необорудованных участках территории в зоне аварии с радиационным фактором (АРФ).

Комплекс программно-аппаратных средств обеспечения безопасности в зоне АРФ строится на основе самоорганизующейся, полностью резервируемой сети Wireless Mesh. Сети Wireless Mesh состоят из стационарных устройств сетевой инфраструктуры: точек доступа (ТД), блоков контроля (БК), блоков видеоконтроля (БВК), предоставляющих сети полное радиопокрытие. Основным назначением этого комплекса является передача телеметрической информации о фактах входа кон-

тролируемых лиц в зону АРФ на автоматизированное рабочее место оператора (АРМ оператора). Эта информация поступает с модулей контрольных (МК) и мобильных видеокамер, установленных на контролируемых лицах. Запись о фактах входа контролируемых лиц в зону АРФ и передача видеоизображения осуществляется по беспроводным каналам связи. Комплекс обеспечивает контроль наличия персонала в зоне АРФ и передачу информации о прекращении связи с МК, мобильными видеокамерами, БК или БВК на АРМ оператора. Если в узле инфраструктуры происходит сбой, самоформирующиеся, самовосстанавли-вающиеся системы Wireless Mesh быстро (за миллисекунды) маршрутизируют пакеты данных вокруг «неисправного узла». Параллельно программное обеспечение Wireless Mesh обнаруживает неисправный узел и извещает сеть о данном инциденте с помощью сигналов простого протокола управления сетью (SNMP).

В случае использования специальной маршрутизации для ускорения трафика расширяется масштабируемость мобильной беспроводной сети. Архитектура Wireless Mesh предоставляет возможность маршрутизации трафика от приложений через МК и мобильные камеры без использования ТД или проводного Интернета. В результате этого снижается объем требуемого обратного транзита и абонентские устройства могут выполнить транзит независимо от того, где возникает данная возможность. Также уменьшаются затраты на установку системы и операционные расходы. Система Wireless Mesh обеспечивает связь между ресурсами независимо от того, какая инфраструктура будет доступна в непосредственной близости.

Рис. 1. Схема организации обеспечения безопасности при проведении работ в зоне аварии с радиационным фактором

Влияние ионизационного излучения на канал передачи Wireless Mesh

Проведение испытаний проводилось на моделирующей установке К-120000 с источниками ионизирующего излучения изотопа кобальт-60 типа ГИК-7-4 в НИИ ЯФ СПбГПУ.

В ходе проведения эксперимента доза облучения контролировалась при помощи термолюминесцентных дозиметров ДВГ-01, закрепленных на поверхности облучаемого объекта. Время облучения составляло 600 с. Мощность дозы рассчитывалась исходя из времени облучения. Схема эксперимента приведена на рис. 2.

Камера облучающей установки К-120000

PVli 400М

40

БТД

Ї ^1

АРМ оператора

Рис. 2. Схема проведения эксперимента на установке К-120000

Посредством программы Ping.exe из состава Windows XP непрерывно контролировалась дос-

тупность блоков (наличие откликов в установленное время - 200 мс), длительность двусторонних задержек по маршруту (не более 150 мс) и число последовательно потерянных пакетов

Проведенные исследования доказали высокую стойкость элементов комплекса, работоспособность которого сохранялась при увеличении мощности излучения вплоть до 130 Гр/ч.

Оценка эффективности передачи видеопотока по беспроводным сетям в условиях воздействия ионизационного излучения

Помехоустойчивое кодирование предполагает исправление случайных независимых ошибок. Замирания сигнала чаще всего возникают по причине многолучевого распространения, когда сигнал поступает на приемник по нескольким путям различной длины. Следствием является различная фаза сигналов, и в итоге суммарный сигнал оказывается искаженным. Таким недостатком обладают каналы беспроводной связи. Также на вероятность появления ошибок влияет скорость перемещения передатчика или приемника. Кроме того, возможно присутствие коммутационных и других помех. Все эти факторы, вызывающие ухудшение свойств радиоканала, сильно коррелированы, что приводит к

группированию ошибок. Известно, что для систем связи с многолучевым распространением спектр сигналов от побочных путей распространения можно аппроксимировать распределением Рэлея.

Основными методами цифровой модуляции сигнала для передачи через беспроводной канал являются BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) и QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Вероятность того, что каждый бит данных будет искажен, оценивается как функция от эффективного значения SNR (Eb /N0 ) :

Pb = Q

2Еь

I N0

PbBPSK (Г) = 0,5

PQpsk (г) = 0,5

Pb16QAM(n = 0,5

1 -

1 -

1+Г

2 + Г

1 -

10 + Г

+11 -

9Г

10 + 9Г

P

-6

,64QAM ______

(Г) = 24|14 - 7

Г

42 + Г

9Г

25Г

81Г

121Г

42+9Г V42+25Г V42+81Г V42+121Г 442+169Г

169Г

Качество передачи данных в условиях радиационного излучения оценивалось по приведенным формулам, в которых отношение сигнал/шум на бит определялось следующим соотношением:

Г=-

Pc

Pn + Pp

где Eb - энергия одного бита; N0/2 - спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц; Q( •) - вероятность того, что случайная переменная с гауссовским распределением будет больше значения (•).

Вероятность появления ошибочных бит BER (Bit Error Rate) для BPSK, QPSK, 16QAM и 64QAM-модуляций оценивается следующими уравнениями [2]:

где Pc - средняя мощность одного бита сигнала на

NF

входе приемника; Pn = 4KRTfs (1010 +1) - мощность тепловых помех на входе приемника (К -постоянная Больцмана; T - шумовая температура; R - полное сопротивление источника; fs - частота дискретизации; NF (Noise Figure) - коэффициент шума, который характеризует уровень собственных шумов усилителя); Pp = Пар - мощность радиационной помехи (П - полоса пропускания на входе приемника, МГц; ар = F (D) - дисперсия

радиационной нормальной помехи (D - мощность дозы облучения, Гр/ч)).

Зная точные значения переменных Eb и N0, можно получить точные значения вероятности искажения данного бита сигнала и построить график зависимости битовой ошибки от отношения сигнал/шум (рис. 3).

rv^Tv\\vvvv?vvvwvvv$\v\v\vv^?\\vvv4vvv^vCv\\\\

7.-\ч^^^\хд\хдх\д\д\д\\5д\д>д\\^д\д\\д\д\д\\\д\дуд\\д\\’^\>

- AWGN “ Rayleigh “ Rician

Ш

00

10s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

EJN0, дБ

а)

ч\ч\ч\\<\_\\\ч\\\чч\\ччч\ч\ч\\\ч\\\\\\ч\\\ч\\\ч\\ч\очч\'

—S—QAM 16

—A—QAM32 -Э— QAM64

Ш

CO

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

_________________________________________________б)______________________________________

Рис. 3. Зависимости вероятности появления битовой ошибки от отношения сигнал/шум: а - в различных моделях канала с модуляцией QAM; б - при различных видах модуляции в канале с рэлеевскими замираниями

Экспериментальная зависимость значения BER от радиационной мощности излучения для сети Wireless Mesh представлена на рис. 4.

BER 0,01

0,001 0,0001

1Е-05

1Е-07

1Е-08

1F.-09

Рис. 4. BER для приемопередатчика Wireless Mesh при различной радиационной мощности излучения

Результаты проведенного эксперимента подтвердили, что частота появления ошибочных битов возрастает при увеличении дозы облучения, но в случае облучения мощным излучением (130 Гр/ч) приемопередатчик Wireless Mesh сохраняет работоспособность в течение длительного времени и может использоваться в составе робототехнических комплексов.

Оценка качества передачи видеоизображения в условиях радиационного излучения

Для оценки качества изображения использовалась стандартная телевизионная испытательная таблица EIA1956v3.

На рис. 5 приведены результаты качественной оценки передачи видеоизображения в условиях воздействия радиационного излучения.

Как видно из представленных на рис. 5 данных, качество изображения ухудшается на 20 % в условиях радиационного облучения начиная с уровней приблизительно 30 Гр/час. При уровнях радиационного облучения 130 Гр/ч изображение с камеры передается с 90-процентной потерей качества.

Таким образом, передача информации в сети Wireless Mesh обеспечивается в условиях радиационного облучения до уровня 130 Гр/ч. При увеличении радиационного фона вероятность появления ошибочных битов BER в канале связи резко возрастает - с уровня 1E-09 при отсутствии радиационного воздействия до уровня 1E-02 при дозе 100 Гр/ч.

Для обеспечения безопасности при проведении работ в зоне аварии с радиационным фактором рекомендован представленный комплекс программноаппаратных средств. Он может использоваться при аварийно-спасательных и других неотложных работах силами Госкорпорации «Росатом» в условиях планируемого повышенного облучения.

Мощность дозы, Гр/ч

0 Гр/ч 2,7 Гр/ч

27 Гр/ч 50 Гр/ч

Рис. 5. Результаты воздействия радиационного излучения на качество видеоизображения в зависимости от дозы облучения

ЛИТЕРАТУРА

1. IEEE Trans. І97б. V. NS-23. No. б. P. І7З8 - І742.

2. IEEE Trans. І98З. V. NS-30. No. б. P. 421б - 4223.

3. IEEE Trans. І977. V. NS-24. No. б. P. 2З4І - 234б.

4. IEEE Trans. І 983 V. NS-30. No. б. P. 4235 - 4239L.W.

Rickets. Fundamentals of Nuclear Hardering of Electronics Equipment, John. І978. P. 548.

5. Горбчанский О., Попов В., Николаев Ю. Повышение радиационной стойкости индустриальных средств автоматики в составе бортовой аппаратуры // Современные технологии автоматизации, космонавтика. Контрольно-измерительные системы. Программное обеспечение АСУ ТП. 200І. №4.

6. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники // Под ред. Е. А. Ладыгина. М.: Сов. радио. І980.

7. Влияние облучения на материалы и элементы электронных схем: Пер. с англ. // Под ред. В. Н. Быкова, А. С. Соловьева. М.: Атомиздат. І9б9.

8. Гобчанский О. Применение Micro PC в вычислительных комплексах специального назначения // Современные технологии и автоматизация. І997. № І.

9. Слетер. Дж. Действие излучения на материалы // УФН. І952. Т. 47. Вып.1.

10. ГОСТ i8298-79. Радиационная стойкость аппаратуры, комплектующих элементов и материалов. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, i979.

11. Shimizu, T., Matsumoto, Y., Fujii, K., Sugiura, A, Performance Evaluation of the OFDM-based WLAN System Interfered by Radiated Noises from Personal Computers. 5i0-5ii, 0-7803-8404-0/04, 2004. IEEE.

i3. Иванов Ю. А. Невструев И. А., Федоров К. Е. Структура и помехоустойчивость систем беспроводного доступа с OFDM // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2009. Т. 5. № 3. С. 25-29.

Поступила 06.03.2010 г.