Разработка приложения для расчета мощности Wi-Fi-сигнала в условиях угольной шахты | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 21 декабря, печатный экземпляр отправим 25 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №25 (263) июнь 2019 г.

Дата публикации: 19.06.2019

Статья просмотрена: 34 раза

Библиографическое описание:

Яковлев В. И. Разработка приложения для расчета мощности Wi-Fi-сигнала в условиях угольной шахты // Молодой ученый. — 2019. — №25. — С. 146-151. — URL https://moluch.ru/archive/263/60822/ (дата обращения: 11.12.2019).



Ключевые слова: приложение, Wi-Fi, угольная шахта, радиоволна, частота, мощность сигнала, диэлектрическая проницаемость, потери мощности, потери на трассе, Unity.

Разрабатываемое приложение позволяет пользователю строить трехмерную модель угольной шахты и размещать в ней узлы ячеистой сети для дальнейшего отображения мощности сигнала в различных точках пространства и проверки возможности передачи данных между различными узлами сети с учетом их соединения друг с другом. При этом пользователь может изменять конфигурацию текущей модели, либо загружать ранее сохраненные примеры.

Для моделирования распространения радиоволн и мощности Wi-Fi-сигнала в различных точках угольной шахты было решено на основе рекомендации МСЭ-R P.1238–5 «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц — 100 ГГц».

Основные положения рекомендации МСЭ-R P.1238–5 и обобщенная модель потерь на трассе

Ухудшения характеристик распространения в радиоканале в пределах помещений обусловлены:

– Отражением радиоволн от предметов и дифракцией над ними, особенно влияет на распространение волны отражение от стен и потолков;

– Потерями передачи при прохождении сигнала напрямую через предметы и стены, причем чем выше плотность материала, тем больше потери мощности;

– Канализированием энергии сигнала на высоких частотах, особенно в коридорах;

– Перемещением людей и предметов в помещении, включая, возможно, одно или оба оконечных устройства линии связи [1].

В рекомендации приведена формула (1), на основе которой можно приближенно рассчитать потери мощности сигнала на трассе с учетом приведенных выше факторов:

[1], (1)

где Ltotal — общие потери мощности сигнала на трассе, N — дистанционный коэффициент потерь мощности, f — частота (МГц), d — расстояние разнесения в метрах между передатчиком и точкой приема (d > 1 м), Lf — коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через препятствия (дБ), n — количество препятствий между передатчиком и точкой приема.

Коэффициенты Lf и N можно вычислить с использованием таблиц 1 и 2, которые также приведены в рекомендации.

Таблица 1

Коэффициенты потери мощности N, используемые при расчете потерь передачи внутри помещения [1]

Частота

Жилые дома

Офисы

Промышленные здания

900 МГц

33

20

1,2–1,3 ГГц

32

22

1,8–2 ГГц

28

30

22

4 ГГц

28

22

5,2 ГГц

32

60 ГГц

22

17

70 ГГц

22

Таблица 2

Коэффициенты потерь при прохождении сигнала через пол, Lf (дБ), где n— число пройденных этажей, используемые при расчете потерь передачи внутри помещения (n ≥ 1) [1]

Частота

Жилые дома

Офисы

Промышленные здания

900 МГц

9 (1 этаж)

19 (2 этажа)

24 (3 этажа)

1,8–2 ГГц

4n

15 + 4 (n — 1)

6 + 3 (n — 1)

5,2 ГГц

16 (1 этаж)

Несмотря на то, что имеющиеся в настоящее время в рекомендации результаты измерений были получены в различных, некоторые общие заключения все же можно вывести, особенно для диапазона от 900 до 2000 МГц [1]:

– На трассах с компонентой прямой видимости (LoS) доминируют потери передачи в свободном пространстве, а дистанционный коэффициент потери мощности для них равняется примерно 20.

– Для больших открытых помещений также характерно значение дистанционного коэффициента потери мощности порядка 20; это может объясняться наличием мощной составляющей LoS в большинстве зон помещения.

– В коридорах отмечаются меньшие потери на трассе, чем в свободном пространстве, с типичным дистанционным коэффициентом потери мощности порядка 18 [1].

Для расчета перпендикулярной составляющей коэффициента отражения Rn для последующего вычисления полного коэффициента отражения R используется формула (2), которая также описана в рекомендации:

[1], (2)

где Rn — перпендикулярная составляющая коэффициента отражения, A — угол между отражающей поверхностью и падающим на нее лучом, k — диэлектрическая проницаемость материала, из которого состоит отражающее препятствие.

Полный коэффициент отражения R вычисляется по формуле (3):

[1], (3)

где R — полный коэффициент отражения, Rn — перпендикулярная составляющая коэффициента отражения, D — степень поляризации волны после отражения, вычисляемая в соответствии с формулой (4).

[1], (4)

где D — степень поляризации волны после отражения, d — толщина препятствия, от которого отражается луч, k — диэлектрическая проницаемость материала, из которого состоит отражающее препятствие; A — угол между отражающей поверхностью и падающим на нее лучом; h — длина волны, зависящая от частоты передатчика согласно формуле (5).

[4], (5)

где h — длина волны в миллиметрах, s — скорость электромагнитной волны в воздухе в километрах в секунду, f — частота передатчика в мегагерцах [4].

Внесенные в модель потерь на трассе изменения и дополнения

Расчет мощности сигнала Wi-Fi в угольной шахте с использованием рекомендации МСЭ-R P.1238–5 подразумевает внесение в нее некоторых изменений и дополнений, описанных ниже, а также приведенных в таблицах 3 и 4, для ее большего соответствия условиям моделирования:

1) Количество стен между передатчиком и приемником сигнала рассчитывается не просто исходя из их количества, а с учетом их ширины, поскольку толщина и пропускная способность породы в шахте значительно отличаются от такого рода показателей в зданиях.

2) За основу для расчетов коэффициентов N и Lf были приняты показатели для промышленных зданий, поскольку как в шахте, так и в них присутствует малое число препятствий между источниками сигнала, а также на единицу площади приходится малое количество перемещающихся людей.

3) Показатели для промышленных зданий в столбцах таблиц 1 и 2 для были дополнены для возможности приблизительно моделировать распространение сигнала любой частоты в пределах угольной шахты, изменения отражены в таблицах 3 и 4.

4) Показатели диэлектрической проницаемости для бетона, который ближе всего по своим диэлектрическим характеристикам к породе в шахте, были дополнены, что отражено в таблице 5, чтобы максимально соответствовать условиям моделирования.

5) При распространении сигнала между двумя точками без препятствий между ними коэффициент дистанционных потерь, N, приравнивается к 20, чтобы учитывать компоненту прямой видимости (LoS).

Таблица 3

Коэффициенты потери мощности N, используемые при расчете потерь передачи внутри угольной шахты

Частота

Угольная шахта

900 МГц и менее

20

900–1200 МГц

21

1,2–1,3 ГГц

22

1,8–2 ГГц

22

4 ГГц

22

5,2–18,9 ГГц

21

18,9–32,6 ГГц

20

32,6–46,3 ГГц

19

46,3–60 ГГц

18

60–70 ГГц

17

70 ГГц–100ГГц

16

Таблица 4

Коэффициенты потерь Lf (дБ) при прохождении сигнала через породу, где n— толщина пройденных препятствий (n > 0)

Частота

Угольная шахта

900 МГц и менее

4n

900–5200 МГц

6 + 3 (n — 1)

5,2 ГГц–100ГГц

8 + 3 (n — 1)

Таблица 5

Комплексная диэлектрическая проницаемость породы вугольной шахте

1 ГГц

57,5 ГГц

70 ГГц

78,5 ГГц

95,9 ГГц

Порода

7–0,85j

6,5–0,43j

6,4–0,4j

6,3–0,37j

6,3–0,34j

Алгоритм расчета мощности Wi-Fi сигнала в угольной шахте

В разрабатываемом приложении для расчета мощности сигнала всенаправленной Wi-Fi антенны описанная в рекомендации модель потерь на трассе с внесенными изменениями, которые приведены выше.

Шаги алгоритма расчета мощности сигнала Pl в произвольной точке пространства:

1) Расчет расстояния d от передатчика до точки;

2) Расчет толщины препятствий n на пути прямой, проведенной от передатчика до точки;

3) Расчет коэффициента N в зависимости от частоты передатчика;

4) Расчет коэффициента Lf в зависимости от толщины препятствий между точкой и частоты передатчика;

5) Расчет общих потерь Ltotal при прохождении сигнала до точки на основании формулы (1) и полученных на предыдущих шагах коэффициентов;

6) Расчет мощности сигнала в точке путем вычитания общих потерь из номинальной мощности передатчика.

До первого шага алгоритма проводится проверка возможности прохождения сигнала от передатчика до точки за счет проверки максимально возможной дистанции распространения сигнала в соответствии с текущими параметрами передатчика согласно выведенной на основании формулы (1) формуле (6):

, (6)

где d — расстояние от передатчика до точки, Pt — номинальная мощность передатчика в децибелах, f — частота передатчика.

Если условие не выполнено, то сигнала в точке не может быть даже в лучшем случае, то есть если передатчик и точка будут находиться в пределах одного коридора без препятствий между ними.

Первый шаг алгоритма производится за счет команды Vector3.Distance Unity3D, входными параметрами для которой являются координаты передатчика и точки в трехмерном пространстве [3].

Второй шаг алгоритма выполняется за счет команды Physics.RaycastAll, которая позволяет получить всех препятствия на пути между передатчиком и точкой [2], и последующего вычисления толщины всех из них с помощью команды Vector3.Distance [3].

Третий шаг алгоритма производится с помощью выбора соответствующего частоте передатчика f коэффициента потерь мощности N согласно таблице 3.

Четвертый шаг алгоритма выполняется путем расчета коэффициента Lf согласно частоте передатчика f и толщине препятствий между передатчиком и точкой в соответствии с таблицей 4.

Пятый шаг алгоритма производится на основе всех собранных в шагах 1–4 показателей согласно формуле (1).

Шестой шаг алгоритма выполняется в соответствии со следующей формулой:

, (7)

где Pl — мощность сигнала в выбранной точке пространства, Pn — общее усиление передатчика, Ltotal — общие потери мощности сигнала на трассе.

Тестирование приложения

Для тестирования модели потерь на трассе в условиях угольной шахты с использованием движка Unity и языка программирования C# было разработано приложение, в котором пользователь может создавать и редактировать схематичную трехмерную модель угольной шахты, а также размещать в ее пределах передатчики Wi-Fi. У данных передатчиков пользователь может регулировать их частоту в мегагерцах и общее усиление в децибелах. Также приложение позволяет отображать тепловую карту, отражающую степень потерь мощности при распространении Wi-Fi сигнала.

Для проверки полученной модели потерь мощности в описанном выше приложении была создана простая модель шахты общей площадью около 500 м2, представляющая собой пересечение нескольких туннелей шириной в 3 метра. В центре шахты был расположен передатчик Wi-Fi с частотой сигнала в 2,4 гигагерца и общим усилением системы в 100 дБ, которые близки к показателям обычного домашнего роутера [5]. Построенная модель шахты и тепловая карта распространения Wi-Fi сигнала, полученная основе модифицированной модели потерь на трассе, приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Модель шахты и тепловая карта сигнала

Как видно на приведенном изображении, тепловая карта, отображенная на полу шахты, наиболее яркая ближе к источнику сигнала и в коридорах при прямой видимости с передатчиком. В случае же огибания волной препятствий мощность сигнала значительно падает, вплоть до полного затухания волны.

Представленные на рисунке 1 результаты расчета мощности сигнала Wi-Fi в условиях угольной шахты можно считать успешными, поскольку они в достаточной мере отображают изменения мощности сигнала при распространении электромагнитной волны через толстые слои породы и в открытом пространстве.

Литература:

  1. Рекомендация МСЭ-R P.1238–5 — Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц — 100 ГГц [Электронный ресурс] URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.1238–5–200702-S!!PDF-R.pdf (дата обращения: 06.02.2019).
  2. Unity — Scripting API: Physics.RaycastAll [Электронный ресурс] URL: https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Physics.RaycastAll.html (дата обращения: 09.04.2019).
  3. Unity — Scripting API: Vector3.Distance [Электронный ресурс] URL: https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Vector3.Distance.html (дата обращения: 09.04.2019).
  4. Электросхемы, электроника. Расчет длины волны сигнала. [Электронный ресурс] URL: http://madelectronics.ru/uchebnik/6.17.11.htm (дата обращения: 17.03.2019).
  5. Курс лекций и примеры решения задач электротехнике, электронике, математике. Проектирование электронных устройств. [Электронный ресурс] URL: http://areytur.ru/thyristor/devices28.htm (дата обращения: 22.04.2019).
Основные термины (генерируются автоматически): угольная шахта, частота передатчика, шаг алгоритма, прохождение сигнала, передатчик до, прямая видимость, полный коэффициент отражения, Расчет мощности сигнала, коэффициент отражения, коэффициент потерь.


Похожие статьи

Оценка ослабления радиосигнала по методу идеальной...

Произведен приблизительный расчет потерь сигнала радиовещательной станции при

Оценка ослабления сигнала происходит сравнением напряженности поля или мощности сигнала на

- Мощность передатчика ; - Высота подвеса передающей антенны над уровнем земли.

Выбор оптимальных технических параметров передающей...

мощность передатчика, дБкВт; – коэффициент усиления передающей антенны, дБ

Расстояние от точки отражения до линии, соединяющей передающую и приёмную антенны

На открытых интервалах имеется прямая видимость между передающей и приёмной антеннами.

Расчет энергетических характеристик радиорелейной линии...

Расчет местоположения точки отражения иразности хода между прямым иотраженными лучами

Ослабление сигнала в Земной атмосфере и межзвездном газе. Общие потери сигнала на любой радиолинии складываются из основных и дополнительных потерь.

Алгоритм для расчета потерь мощности в электрических сетях...

В статье рассматривается созданный алгоритм, который может быть использован для разработки программы для расчета потерь мощности с учетом несинусоидальности напряжения.

Математическая модель нагрева волновода при передаче...

Согласно выражению (1), потери мощности сигнала в волноводе можно определить с помощью коэффициента затухания α, которым и принято характеризовать степень рассеяния электромагнитной энергии при распространении ее вдоль волновода единичной длины с...

Исследование межчелюстного давления на основе решеток Брэгга

, где Pt — мощность сигнала передающей антенны; Pr — мощность сигнала, поступающего на антенну приемника; λ — длина волны

- рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом. Полученные результаты расчётов приведены на рис.5.

Пути повышения эффективности систем скрытной радиолокации

где — вектор измерений смеси сигналов целевых или каналов; — индекс времени, — вектор комплексных весовых коэффициентов; — матрица измерений прямого опорного сигнала передатчика, учитывающая задержки по времени, вызванные многолучевым характером...

Зависимость дальности обнаружения целей радиолокационных...

- на отражение сигнала от морской поверхности влияют скорость и направление ветра у

1. Определим энергетический потенциал БРЛС: , Импульсная мощность передатчика: до

Коэффициент потерь по мощности на обработку сигнала в устройствах БРЛС Ln = 3 (дБ)

Выделение границ фонем речевого сигнала с помощью...

Вычисление мел-частотных кепстральных коэффициентов включает в себя следующие шаги

Для расчета фильтров выбирается верхняя и нижняя частота.

нарезка речевого сигнала перекрывающимися кадрами; обработка сигнала в окне; спектральное преобразование.

Похожие статьи

Оценка ослабления радиосигнала по методу идеальной...

Произведен приблизительный расчет потерь сигнала радиовещательной станции при

Оценка ослабления сигнала происходит сравнением напряженности поля или мощности сигнала на

- Мощность передатчика ; - Высота подвеса передающей антенны над уровнем земли.

Выбор оптимальных технических параметров передающей...

мощность передатчика, дБкВт; – коэффициент усиления передающей антенны, дБ

Расстояние от точки отражения до линии, соединяющей передающую и приёмную антенны

На открытых интервалах имеется прямая видимость между передающей и приёмной антеннами.

Расчет энергетических характеристик радиорелейной линии...

Расчет местоположения точки отражения иразности хода между прямым иотраженными лучами

Ослабление сигнала в Земной атмосфере и межзвездном газе. Общие потери сигнала на любой радиолинии складываются из основных и дополнительных потерь.

Алгоритм для расчета потерь мощности в электрических сетях...

В статье рассматривается созданный алгоритм, который может быть использован для разработки программы для расчета потерь мощности с учетом несинусоидальности напряжения.

Математическая модель нагрева волновода при передаче...

Согласно выражению (1), потери мощности сигнала в волноводе можно определить с помощью коэффициента затухания α, которым и принято характеризовать степень рассеяния электромагнитной энергии при распространении ее вдоль волновода единичной длины с...

Исследование межчелюстного давления на основе решеток Брэгга

, где Pt — мощность сигнала передающей антенны; Pr — мощность сигнала, поступающего на антенну приемника; λ — длина волны

- рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом. Полученные результаты расчётов приведены на рис.5.

Пути повышения эффективности систем скрытной радиолокации

где — вектор измерений смеси сигналов целевых или каналов; — индекс времени, — вектор комплексных весовых коэффициентов; — матрица измерений прямого опорного сигнала передатчика, учитывающая задержки по времени, вызванные многолучевым характером...

Зависимость дальности обнаружения целей радиолокационных...

- на отражение сигнала от морской поверхности влияют скорость и направление ветра у

1. Определим энергетический потенциал БРЛС: , Импульсная мощность передатчика: до

Коэффициент потерь по мощности на обработку сигнала в устройствах БРЛС Ln = 3 (дБ)

Выделение границ фонем речевого сигнала с помощью...

Вычисление мел-частотных кепстральных коэффициентов включает в себя следующие шаги

Для расчета фильтров выбирается верхняя и нижняя частота.

нарезка речевого сигнала перекрывающимися кадрами; обработка сигнала в окне; спектральное преобразование.

Задать вопрос