М. В. АЛЮШИН, И. И. ЖУКОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО радиоканала ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ на частотах 2,5 и 5 ГГц
Рассмотрены перспективы применения высокоскоростной технологии передачи данных на частотах 2,5 и 5 ГГц для создания мобильных вычислительных комплексов. Представлены результаты экспериментального исследования пропускной способности радиоканалов беспроводной связи 802.11n на частотах 2,5 и 5 ГГц.
В настоящее время беспроводная связь широко используется при создании образцов мобильных измерительных комплексов, охранных систем, промышленного оборудования. Для ряда задач использование радиоканала является единственной приемлемой возможностью реализации такой связи. Типичными примерами могут являться медицинские системы, ориентированные на сбор данных из мобильных биометрических приборов, установленных на пациентах, а также диагностические системы, осуществляющие текущий контроль за психоэмоциональным состоянием учащихся в процессе проведения занятий.
Одной из перспективных технологий организации высокоскоростного канала передачи данных является технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1], предполагающая реализацию одновременной передачи данных по нескольким каналам. Максимальная пиковая пропускная способность таких устройств может достигать 600 Мбит/с, что дает возможность, например, одновременно следить за кардиограммами десятков пациентов, находящихся в медицинском учреждении. Однако на практике достигаемая скорость передачи зависит от целого ряда факторов, приводящих, как правило, к снижению производительности. Поэтому изучение режимов работы радиоэлектронного оборудования, обеспечивающих максимальную скорость передачи, является актуальной в настоящее время задачей.
Целью работы является экспериментальное исследование реально достигаемых скоростей передачи данных внутри помещения на частотах 2,5 и 5 ГГц при реализации протокола передачи 802.11N [2]. В качестве радиоэлектронного оборудования использовалась аппаратура компании Cisco, которая предполагает одновременное использование частот 2,5 и 5 ГГц. На рис. 1 представлена схема организации многоканального сбора данных.
Рис. 1. Многоканальная система сбора и обработки данных на частотах 2,5 и 5 ГГц:
1 – люди, у которых установлены (например, в виде браслетов) мобильные биометрические приборы 2;
3 – элементы конструкции здания; 4, 5 – группы антенн для осуществления обмена информацией соответственно на частотах 2,5 и 5 ГГц; 6 – высокоскоростной Ethernet – интерфейс для связи с базой данных
Достижение максимальной производительности радиооборудования высокоскоростной передачи данных зависит от нескольких факторов. На физическом уровне скорость передачи, в первую очередь, зависит от расстояния между устройствами передачи и приема данных, характеристик направленных антенн. Проведенные экспериментальные исследования показали, что при передаче данных внутри помещения имеется оптимальное значение ширины лепестка СВЧ-антенн (в диапазоне 9–12 dBi), при котором обеспечивается максимальная пропускная способность радиоканала. Это объясняется наличием нескольких каналов передачи данных в каждом из частотных поддиапазонов. При наличии в помещении преград (стен, железных дверей, оборудования) технология MIMO дает возможность автоматически выбирать каналы с наилучшими показателями. Антенны с указанной направленностью обеспечивают необходимое число каналов передачи. Значительное сужение лепестка диаграммы направленности приводит к уменьшению числа возможных каналов передачи данных, а следовательно, и к снижению скорости передачи внутри помещения.
В работе основное внимание было уделено реализации многоканальной передачи данных одновременно в двух частотных диапазонов – соответственно 2,5 и 5 ГГц. При этом в каждом из указанных диапазонах использовались по три независимых канала передачи данных. Максимальная пиковая скорость для данного режима составляла 600 Мбит/с. Были проанализированы достигаемые скорости передачи при использовании шести направленных антенн. На рис. 2 показан использовавшийся при проведении исследований стенд, включающий в себя: точку входа CISCO (1); три направленных антенны (в одном корпусе) на 5 ГГц (2); три направленных антенны на 2,5 ГГц (3, 4, 5); интерфейс Ethernet 1 Гбит/с (6); отладочный интерфейс (7).
Исследования на системном уровне были направлены на выявление оптимального сочетания длины передаваемого пакета, алгоритмов выявления ошибок для различных протоколов.
На рис. 3 представлены результаты экспериментальных исследований канала радиосвязи при реализации протокола TCP-IP (S – скорость передачи данных, R – расстояние между приемником и передатчиком). В работе были исследованы три случая:
1) передача данных в пределах прямой видимости и отсутствии в зоне радиоканала громоздких металлических предметов;
2) передача данных при наличии нескольких кирпичных и бетонных стен;
3) передача данных при наличии металлических предметов (сейфы, двери, стенды).
Полученные результаты подтвердили возможность организации устойчивого высокоскоростного канала со скоростью передачи 300-500 Мбит/с в пределах одного здания при использовании технологии MIMO. Результаты исследования являются основой для создания программно-аппаратных систем сбора и обработки данных в экспериментальной физике, медицине, образовании.
Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» П512 и гранта АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы 2009–2010 год» № 2.2.3.3/2176.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , , и др. Широкополосные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005.
