Беспроводные сверхширокополосные прямохаотические системы связи для персональных и сенсорных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Беспроводные сверхширокополосные прямохаотические системы связи для персональных и сенсорных сетей

01.04.03 - «Радиофизика»

Лактюшкин Антон

Москва

2007

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Официальные оппоненты: Бутковский Олег Ярославович,

доктор физико-математических наук,

профессор; сверхширокополосный хаотический радиоимпульс

Капранов Михаил Владимирович,

кандидат технических наук,

профессор.

Ведущая организация: Нижегородский Государственный Университет.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работы по использованию хаоса в системах связи проводились еще в 80-годы прошлого века, однако интенсивные исследования в этом направлении стартовали в начале 90-х годов (Куоме К., Оппенгейм А., Чуа Л., Дмитриев А.С., Хаслер М., Рульков Н.В., Шалфеев В.Д., Шварц В., Парлиц Ю., Гребожи С., Э. Отт, Панас А.И., Кеннеди М., Колумбан Г., Капранов М.В., Бутковский О.Я., Старков С.О., Тратас Ю.Г. и др.)

Возникший интерес был во многом связан с открытием явлений хаотической синхронизации и хаотического синхронного отклика. Первые серьезные успехи были связаны с тем, что для ряда модельных схем была продемонстрирована возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов. В схеме с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический были получены экспериментальные результаты, подтверждающие передачу реальных речевых и музыкальных сигналов, как в низкочастотном, так и в радио - диапазонах.

Разработанные подходы и модели передачи информации с использованием хаотической синхронизации и их экспериментальная проверка заложили основу для развития хаотических коммуникаций. Однако дальнейшие исследования показали, что системы связи, использующие хаотическую синхронизацию (хаотический синхронный отклик), имеют серьезные ограничения на качество канала связи и не являются, на ближайшую перспективу, практически применимыми.

Следующим важным шагом было осознание того, что, возможно, следует отказаться от использования хаотической синхронизации для того, чтобы улучшить характеристики систем связи, использующих хаос. В работах М. Кеннеди и Г. Колумбана было показано, что в этом случае можно получить неплохие характеристики связных систем. Эти характеристики хотя и уступают характеристикам традиционных систем, но уже не в такой степени, как это имеет место для систем с хаотической синхронизацией.

Анализ накопленной к этому времени информации позволил сделать вывод о том, что предложения, которые рассматривались в подавляющем большинстве публикаций, посвященных связи на основе динамического хаоса, страдали отсутствием целевой установки: как, зачем, и при каких условиях такие системы могут быть использованы. При этом даже в наиболее продвинутых работах авторы ограничиваются сугубо модельными ситуациями, типа рассмотрения характеристик системы в канале с белым шумом или в канале с простейшей многолучевой структурой. Все это находится достаточно далеко от реальных коммуникационных задач и практических инженерных решений.

При построении реальных коммуникационных каналов на основе хаоса, в том числе каналов беспроводной связи, нужно отчетливо понимать, что: а) хаотические системы связи будут применяться только там и только в том случае, когда они будут иметь совокупность некоторых характеристик, делающих их конкурентно способными по отношению к другим типам беспроводных систем. В список этих характеристик могут входить скорость передачи информации, простота и стоимость системы, устойчивость работы в конкретных условиях, множественный доступ, возможность удовлетворения определенным правилам частотного регулирования и т.д.;

б) техника передачи информации с помощью хаотических сигналов находится в зарождающейся фазе, и эффективные инженерные решения существенно ограничены из-за отсутствия опыта разработок и специальной элементной базы.

С другой стороны, с практической точки зрения, за кадром долгое время оставался вопрос реализации самих источников хаоса. Неявно предполагалось, что скорость передачи не будет превышать нескольких сотен Кбит/сек, а хаос будет использоваться в качестве промежуточного носителя. При этом хаотический сигнал может быть сгенерирован в цифровом виде, а его полоса будет составлять от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц. Подобный подход не дает возможности использовать такие, наиболее притягательные свойства хаоса, как широкая полоса и простота устройства связи на основе аналогового хаотического генератора. Именно такого типа преимущества могли бы служить причиной использования систем связи на основе динамического хаоса вместо традиционных систем с регулярными носителями информации.

В 2000 году в ИРЭ РАН была предложна технология беспроводной прямохаотической связи. Ключевым понятием предложенной технологии является понятие хаотического радиоимпульса. Он представляет собой фрагмент сигнала с длиной, превышающей длину квазипериода хаотических колебаний. Полоса частот хаотического радиоимпульса определяется полосой частот исходного хаотического сигнала, генерируемого источником хаоса, в широких пределах изменения длины импульса не зависит от его длительности. Это существенно отличает хаотический радиоимпульс от классического, заполненного фрагментом периодической несущей, полоса частот которого определяется его длиной. В основу прямохаотических схем связи заложены три базовые идеи:

- источник хаоса генерирует хаотические колебания непосредственно в заданной полосе СВЧ-диапазона;

- ввод информационного сигнала в хаотический осуществляется путем формирования соответствующего потока хаотических радиоимпульсов;

- извлечение информации производится из СВЧ-хаотического сигнала без промежуточного преобразования частоты.

К моменту подготовки диссертационной работы был проведен ряд теоретических и экспериментальных работ по беспроводным прямохаотическим системам, результаты которых подтвердили предложенные принципы. Были также созданы экспериментальные макеты сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков для передачи мультимедийной информации со скоростью до 100 Мбит/сек.

В данной диссертационной работе развиваются принципы построения прямохаотических систем связи на основе сверхширокополосных СВЧ хаотических сигналов применительно к использованию в беспроводных сенсорных сетях, а также для домашних и офисных приложений. Рассматриваются задачи амплитудной модуляции и демодуляции хаотического сигнала, выбора типа приемника, цифровой обработки демодулированных сигналов. Наряду с этим в диссертации разрабатываются макеты приемопередатчиков и исследуются вопросы их сетевого использования.

Актуальность работы определяется существующим в настоящее время интересом к практическому применению динамического хаоса; потребностью в эффективных сверхширокополосных сигналах СВЧ; развитием сверхширокополосной радиосвязи.

Целью работы является теоретическая разработка структуры малогабаритных сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков, практическая реализация макетов таких приемопередатчиков для диапазона 3 - 5 ГГц и их экспериментальное исследование.

Основные задачи, решаемые в работе:

- разработка методов амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов, включая модуляцию двоичными сигналами;

- исследование методов приема сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов;

- разработка структуры малогабаритного прямохаотического приемопередатчика для беспроводных персональных и сенсорных сетей;

- построение универсальной сверхширокополосной прямохаотической платформы для домашних и офисных сетей.

Научная новизна результатов заключается в том, что

- разработаны принципы амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов, произведены оценки точности восстанавливаемого информационного сигнала;

- предложен эффективный приемник для демодуляции сверхширокополосных хаотических радио импульсов в малогабаритных прямохаотических приемопередатчиках;

- предложена структура малогабаритного прямохаотического приемопередатчика для беспроводных персональных и сенсорных сетей, и создан макет такого устройства.

- разработана универсальная сверхширокополосная прямохаотическая платформа для домашних и офисных сетей со скоростью передачи данных до 50 Мбит/сек.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Анализ возможности амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов.

• Эффективный приемник огибающей на основе логарифмического детектора для демодуляции сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов.

• Макет прямохаотическиой сверхширокополосной системы связи для персональных и сенсорных сетей

• Универсальная сверхширокополосная прямохаотическая платформа для персональных и сенсорных сетей.

Научно - практическое значение.

Результаты диссертации могут быть применены в задачах проектирования беспроводных сенсорных сетей, систем персональной идентификации, позиционирования внутри офисных зданий и складских помещений и др. Материалы диссертации могут быть использованы в учебных курсах для студентов и аспирантов, специализирующихся в радиофизике, радиотехнике и электронике.

Личный вклад автора в работу заключается:

1) в разработке принципов амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов.

2) в анализе возможных типов приемников для прямохаотических систем связи.

3) в разработке структуры малогабаритных приемопередатчиков.

4) в создании цифрового блока обработки информации и участии в конструировании приемопередатчиков в целом.

5) в участии в экспериментальных исследованиях макетов.

Апробация работы, публикации, внедрение и использование результатов.

Материалы работы докладывались на Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006, 4-7 июля, Муром, Россия, 1-ой Международной конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия, 6-ой Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимирский государственный университет, Владимир, 2005, Международной конференции ICCSC'2004 ( International Conference on Circuits and Systems for Communications) , 30 июня - 2 июля, Москва, Россия, 2004, 12-ой Международной конференции NDES'2004( Nonlinear Dynamics of Electronics Systems), 9-13 Мая, Evora, Португалия, 2004, на 13-ой Международной конференции - семинаре « Foundations and Advances in Nonlinear Science» 25-28 сентября, Минск, Белоруссия, 2006, на Международных школах - семинарах «Нелинейные волны 2004» и «Нелинейные волны 2006», Нижний Новгород, на Международной школе - семинаре «Динамический хаос и его применения», Звенигород 2007, на конкурсах молодых ученых и специалистов в Институте радиотехники и электроники РАН, в Московском физико-техническом институте.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, 7 работ в трудах научных конференций, 1 препринт и 1 патент РФ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 135 страниц, 55 рисунков, 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 74 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во Введении освещается история вопроса применения хаотических сигналов в задачах передачи и кодирования данных, сформулированы цели и задачи работы, рассмотрена структура диссертации, обоснована актуальность решаемых задач и выдвинуты положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 рассматривается возможность использования в прямохаотических системах методов амплитудной модуляции, близких по своей идее к методам амплитудной модуляции периодических сигналов. В разделе 1 дается постановка задачи.

В разделе 2 рассматриваются методы амплитудной модуляции гармонических колебаний, являющиеся прототипами для методов амплитудной модуляции хаотических колебаний, а именно упоминаются однополосная и двухполосная модуляция, с подавлением и без подавления несущей частоты

Далее, в разделе 3, вводятся некоторые варианты амплитудной модуляции хаотических сигналов и описываются их спектральные свойства. Причем рассматривается амплитудная модуляция и демодуляция хаотического сигнала с амплитудным хаосом. Исследуются два варианта приема таких сигналов - когерентный и некогерентный. В конце показывается, что хотя когерентный прием по своей природе более эффективен по сравнению с некогерентным, последний при определенном соотношении между полосами информационного и несущего сигналов может быть также использован для передачи данных. В разделе 4 рассмотрен специальный случай амплитудной модуляции хаотического сигнала - «модуляция включения/выключения», который применяется в прямохаотических системах связи (ПХСС).

В разделе 5 обсуждается проблема использования фазохаотического сигнала в качестве объекта для модуляции. Показывается, что некогерентный прием в таком случае гораздо более эффективен, чем в случае некогерентного приема амплитудно-модулированного хаотического сигнала.

В разделе 6 предлагаются меры по обработке амплитудного хаотического сигнала с целью улучшения его характеристик с точки зрения демодуляции. Это связано с тем, что во многих практических случаях получить фазохаотический сигнал труднее, чем сигнал с амплитудным хаосом.

И, наконец, в разделе 7 предлагаются результаты компьютерного моделирования процессов модуляции и демодуляции хаотических сигналов, и делается вывод о возможности применения этих методов на практике.

Во Второй главе исследуется задача приема сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов. В разделе 1 рассматриваются статистические характеристики идеальной системы прямохаотической связи. В разделе 2 предлагается и исследуется структура реального приемника, основанного на квадратичном детекторе, и приводятся его характеристики чувствительности. В разделе 3 рассматривается структура приемника на основе логарифмического детектора, приводятся результаты численного моделирования и характеристики чувствительности такого детектора. Также производятся сравнения различных характеристик приемников на основе квадратичного и логарифмического детектора, и делается вывод, что второй из этих двух приемников является более эффективным, с точки зрения использования в ПХСС. В разделе 4 описываются алгоритмы обработки сигналов с выхода детектора, в цифровых блоках приемопередатчиков.

В Главе 3 вводится архитектура сверхширокополосного хаотического приемопередатчика диапазона 3-5 ГГц (рис. 1.). Основная цель данной главы - показать практическую реализуемость подобных устройств и возможность их применения в персональных и сенсорных сетях устройств. В первом разделе описывается структура системы в целом. Во втором разделе рассматривается устройство генератора хаоса кольцевого типа, приводятся его основные характеристики. В следующем разделе рассматривается ключ модулятор. В пятом разделе описывается приемник. Причем рассматривается два различных варианта реализации такого устройства - на основе квадратичного детектора и на основе логарифмического детектора. Результаты экспериментального исследования приемников согласуются с теоретическими результатами, полученными во второй главе диссертации. В шестом разделе описывается устройство цифровой платы приемопередатчика, которая управляет модуляцией хаотического сигнала, осуществляет цифровую обработку продетектированных хаотических радиоимпульсов и выполняет функции интерфейса для связи всего устройства с различными периферийными устройствами (персональным компьютером). В следующем разделе главы приведены результаты моделирования работы системы в условиях многолучевого распространения сигнала и рассматривается бюджет канала связи. И, наконец, в последнем разделе описано экспериментальное исследование макетов. Показывается, что в экспериментах по передаче звуковых файлов формата MP3 (128 Кбит/сек) удается добиться устойчивой передачи данных на расстояния до 30 метров с приемлемым качеством.

На основании полученных результатов делается вывод, что разработанная архитектура может быть использована в качестве прототипа для создания универсальной платформы для домашних беспроводных приложений и сенсорных сетей.

Рис. 1. Структура сверхширокополосного хаотического приемопередатчика.

Рис. 2. Внешний вид сверхширокополосного хаотического приемопередатчика.

В четвертой главе приведены результаты разработки универсальной прямохаотической приемопередающей платформы. В главе описаны структура платформы и все ее модули. Рассмотрены основные принципы функционирования этих модулей и особенности их исполнения.

В разделе 1 дана постановка задачи и ее актуальность. В разделе 2 приводятся основные требования к макетам данного семейства и ко всей платформе в целом, а именно: небольшие размеры, низкое потребление энергии; устройства должны быть более технологичны в производстве; иметь возможность подключения к ним широкого ассортимента периферийных устройств (например, датчиков); обладать возможностью организации в сеть.

Раздел 3 содержит описание структуры приемопередатчика (рис. 3). Внешний вид платы приемопередатчика представлен на рис. 4. Структура данного устройства во многом повторяет структуру приемопередатчика, показанного на рис. 1. Однако есть ряд существенных отличий. Во-первых, в СВЧ части в качестве генератора хаоса применяется однотранзисторный генератор хаоса с внутренней модуляцией, что позволяет существенно экономить энергию в режиме передачи данных. Основной особенностью такого генератора является возможность генерации хаотических радиоимпульсов длительностью до единиц наносекунд. Генератор обладает достаточно ровным спектром в рабочей полосе частот (3 - 5 ГГц), потребляет около 90 мВт при непрерывном режиме работы, состоит всего из одного активного элемента - биполярного транзистора и нескольких пассивных элементов. Модуляция (генерация хаотического импульса) осуществляется путем подачи соответствующего напряжения питания. Также стоит отметить простоту настройки генератора и повторяемость его рабочих характеристик при тиражировании. Во-вторых, в приемнике применяется 3-х вольтовый логарифмический детектор с существенно меньшим потреблением энергии по сравнению с 5 вольтовым аналогом, использованным в предыдущем варианте приемопередатчика. В-третьих, здесь применена высокотехнологичная сверхширокополосная антенна, не требующая настройки, выполненная непосредственно на плате приемопередатчика. В состав цифровой части вошли принципиально новые компоненты, которых не было в предыдущей версии. Например, одним из таких компонентов является малопотребляющий ПЛИС с раздельным питанием вычислительного ядра (1.8 Вольт) и периферийных блоков (3.3 Вольт) и с относительно большой емкостью.

Рис. 3. Структура прямохаотической платформы.

Помимо этого использовалась новая идеология работы всей цифровой части, что позволило организовать так называемый спящий режим с потреблением энергии около 1.5 мВт и увеличить число различных периферийных компонент (например, датчиков), которые могут быть подключены к данному устройству.

В разделе 4 представлены результаты экспериментов с приемопередатчиками. Их универсальность позволяет использовать их в качестве приемопередатчиков для сенсоров, сетевых ретрансляторов, персональных брелков и терминалов для сбора данных внутри всей сети.

Рис. 4. вид приемопередатчика прямохаотической платформы

В заключении суммируются полученные в работе результаты и определяются пути дальнейших исследований в области связи на основе динамического хаоса.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Синякин В.Ю. Сверхширокополосная СВЧ приемопередающая платформа на основе хаотических сигналов// Радиотехника, 2007, №1, с. 63-72.

2. Dmitriev A., Kletsov A., Kuzmin L., Laktushkin A., Panas A., Sinyakin V. Ultrawideband Transceiver Platform Based On Chaotic Signals // Proc. Int. Symp. NOLTA'2006. Bologna, Italy, September 11-14. 2006, pp 479-482.

3. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Синякин В.Ю., Сверхширокополосный малогабаритный приемопередатчик на основе хаотических сигналов // Труды Всероссийской конф. "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006, 4-7 июля, Муром. Россия. C. 158-163.

4. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Старков С.О. Сверхширокополосная беспроводная связь на основе динамического хаоса // Радиотехника и электроника, 2006, Т. 51, №10, с. 1193-1209.

5. Дмитриев А.С., Кинев А.В., Клецов А.В., Кяргинский Б.Е., Лактюшкин А.М., Панас А.И., Атанов Н.В., Сельменев Е.А. Дистанционное управление мобильными объектами с помощью сверхширокополосных хаотических СВЧ сигналов // Препринт ИРЭ РАН, №1 (639), 2005.

6. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кяргинский Б.Е., Лактюшкин А.М., Панас А.И. Способ генерирования широкополосных СВЧ хаотических сигналов и Генератор широкополосных СВЧ хаотических сигналов // заявка рег. № 2005110493, от 12.04.2005.

7. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М. Генерация хаотических радиоимпульсов в неавтономной динамической системе // Труды 1-ой Межд. конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия, С. 130-133.

8. Андреев Ю.В., Дмитриев А.С., Клецов А.В., Коротеев М.В., Лактюшкин А.М. Эффект многолучевого усиления в сверхширокополосной беспроводной системе связи // Труды 1-ой Межд. конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия, с. 147-150.

9. Лактюшкин А.М., Клецов А.В., Кинев А.В. Дистанционное управление мобильными объектами с помощью сверхширокополосных хаотических сигналов // Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владим. гос. ун-т, Владимир, 2005, стр. 65.

10. Dmitriev A.S., Kletsov A.A., Kuznetsov A.V., Laktushkin A.M., Panas A.I. Ultrawideband direct chaotic communications for low-bitrate information transmission, Proc. ICCSC'2004, June 30 - July 2, Moscow, Russia, 2004.

11. Dmitriev A.S., Kuzmin L.V., Laktushkin A.M. Amplitude modulation and demodulation of chaotic signals // Proc. ICCSC'2004, June 30 - July 2, Moscow, Russia, 2004.

12. Dmitriev A.S., Kuzmin L.V., Laktushkin A.M. Amplitude modulation and demodulation of chaotic carriers, Proc. NDES'2004, May 9-13, Evora, Portugal, 2004, pp. 138-141.

13. Дмитриев А.С., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М. Амплитудная модуляция и демодуляция хаотических сигналов // Вопросы прикладной физики. Межвуз. науч. сборник. 2004 - Вып. 11, с. 185-191.

Размещено на Allbest.ru