Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Клецов, Андрей Владимирович

• Клецов, Андрей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Клецов, Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. Хаотические колебания микроволнового диапазона и их генерация в системе с фазовой автоподстройкой частоты

1.1 Введение

1.2 Генерация хаоса в системах фазовой автоподстройки частоты '

1.3 Математическая модель генератора 20 1А Численное моделирование

1.5 Экспериментальный макет

1.6 Характеристики элементов макета

1.7 Экспериментальные результаты

1.8 Управление спектром

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дистанционное управление, позиционирование объектов и беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиомпульсов»

2.2 Задача управления мобильными объектами и её особенности 40

2.3 Выбор объекта для проведения экспериментов 42

2.4 Схема беспроводного дистанционного управления с помощью хаотических сигналов 42

2.5 Характеристики передатчика и приёмника 45

2.6 Алгоритм обработки команд 50

2.7 Настройка системы 53

2.8 Экспериментальный макет в целом 54

2.9 Эксперименты с роботом и их результаты 56

2.10 Выводы

58

Глава 3. Позиционирование объектов 59

3.1 Введение 59

3.2 Измерение дальности с помощью сверхширокополосных микроволновых хаотических радиоимпульсов 61

3.3 Оценка точности измерения времени задержки сигнала с учетом помех 1 62

3.4 Численное моделирование измерения дальности 64

3.4.1 Модель подсчета времени задержки по пересекающимся импульсам 64

3.4.2 Моделирование системы измерения расстояния 67

3.4.3 Учет неопределенности знания частоты тактового генератора при измерении дальности 71

3.5 Эксперименты по измерению расстояния 73

3.5.1 Экспериментальный макет дальномера 73

3.5.2 Алгоритм работы экспериментального макета 75

3.5.3 Проведение экспериментов 77

3.6 Позиционирование объектов с помощью хаотических радиоимпульсов 79

3.7 Выводы 81

Глава 4. Беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиоимпульсов 83

4.1. Введение 83

4.2. Прямохаотический сверхширокополосный приемопередатчик ППС-50 84

4.3. Структура сетей на основе приемопередатчика ППС-50 89

4.4. Сенсорная сеть мониторинга в Крытом конькобежном центре 91

4.5. Алгоритм работы приемопередатчиков 98

4.6. Экспериментальные исследования компонентов сети мониторинга 102

4.7. Выводы 103

Заключение 105 Приложение. Техническое описание приемопередатчика ППС-50 107

Литература 130

Введение.

Динамический (детерминированный) хаос - фундаментальное явление в нелинейных системах различной физической природы, был открыт в шестидесятых годах XX века [1]. Тогда же началось его интенсивное исследование. Суть явления заключается в том, что в нелинейных динамических системах, например, описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений с размерностью фазового пространства (пространства состояний) больше 3 при определенных условиях возможно возникновение нерегулярных шумоподобных колебаний детерминированной природы, не связанной с флуктуациями и внешними шумами.

Исследование этого явления привело в начале 90-х годов к выводу о возможности и целесообразности использования динамического хаоса в информационных и коммуникационных технологиях, в частности для передачи информации по проводам, оптоволоконным линиям и эфиру. При этом привлекательность динамического хаоса для систем связи связывалась со следующими свойствами [2]:

1. возможностью получения сложных колебаний с помощью простых по структуре устройств;

2. способностью в одном устройстве реализовать большое количество различных хаотических мод;

3. возможностью управления хаотическими режимами путем малых изменений параметров системы;

4. большой информативной емкостью хаотических колебаний как несущей сигнала для передачи информации;

5. разнообразием методов ввода информационного сигнала в хаотический;

6. увеличение скорости модуляции по отношению к модуляции регулярных сигналов;

7. возможностью самосинхронизации передатчика и приемника;

8. нетрадиционными методами мультиплексирования;

9. конфиденциальностью при передаче информации.

Непосредственные исследования по передаче аналоговой и цифровой информации с помощью хаотических сигналов начались в 1992-1993 годах вскоре после открытия явлений хаотической синхронизации [3] и хаотического синхронного отклика [4].

Благодаря этим открытиям были предложены первые схемы передачи информации на основе динамического хаоса с использованием самосинхронизации передатчика и приемника: хаотическая маскировка (chaotic masking) [5], переключение хаотических режимов (chaos shift keying) [6, 7, 8], схема с нелинейным подмешиванием информационного сигнала (nonlinear mixing) [9] инверсные схемы [10].

В дальнейшем было опубликовано большое количество работ как развивающих принципы перечисленных схем, так и предлагающих новые в рамках самосинхронизации передатчика и приемника.

Как правило, на этом этапе исследований применение динамического хаоса для передачи информации в качестве полезных свойств рассматривались простота приемо-передающих устройств и конфиденциальность передаваемой информации.

Однако, изучение схем передачи информации, использующих хаотическую самосинхронизацию, показало их низкую устойчивость к шумам, возмущениям в канале связи, разбросу параметров электронных компонентов в приемнике и передатчике и другим артефактам. В целом помехоустойчивость этих схем оказалась значительно хуже, чем помехоустойчивость традиционных схем передачи информации. Поэтому их примение целесообразно только в хороших каналах связи, например в проводных и волоконно-оптических.

В связи с проблематичностью использования схем передачи информации на основе хаотической синхронизации при передаче через каналы среднего качества (например, по эфиру), возник интерес к схемам передачи, не использующим хаотическую самосинхронизацию. Первой из таких схем стала схема с использованием относительной хаотической манипуляции (DCSK - Differential Chaotic Shift Keying) [11].

Этот метод по своей устойчивости к шумам близок классическим методам передачи информации. Однако и он, во всяком случае пока, не нашел практического применения, поскольку требует наличия в приемопередатчиках специальных элементов широкополосных задержек, эффективная реализация которых в микроволновом диапазоне представляет сложную техническую проблему. Тем не менее, эта схема сыграла важную роль в выборе направления поиска практических схем (беспроводной) передачи информации с использованием хаотических сигналов.

Эти поиски привели в 2000 году к созданию прямохаотической схемы связи [12-15], в которой в качестве носителя информации используются хаотические радиоимпульсы.

Первые исследования прямохаотической схемы связи, проведенные в 2000-2001 годах, показали ее практическую реализуемость, достаточно высокую устойчивость к шумам и достижимость больших скоростей передачи (до 500 Мбит/с).

Примерно в это же время сначала в США, а затем и в других странах быстро нарастал интерес к беспроводным нелицензируемым

-л сверхширокополосным (СШП) системам связи. В 2002 году Федеральной комиссией США по связи (FCC - Federal Commission on Communications) было принято решение открыть для нелицензируемого использования СШП системами микроволнового диапазона частот от 3,1 до 10,6 ГГц [16]. Вскоре после этого была начата разработка первых стандартов СШП беспроводной связи IEEE 802.15.3 для высокоскоростной передачи мультимедийной информации и 802.15.4а для низкоскоростных персональных систем беспроводной связи. Для обоих стандартов необходимо было разработать и выбрать СШП сигналы - носители информации.

Поскольку хаотические сигналы по своей природе обладают широким спектром, возникла идея их использования в СШП системах связи.

Проведенные в этом направлении исследования и разработки уже на первом этапе подтвердили плодотворность этой идеи. Однако требовалось теоретически, с помощью математического моделирования и экспериментально подтвердить пригодность и эффективность систем связи на основе хаотических радиоимпульсов для решения задач, возлагаемых на СШП локальные беспроводные персональные системы связи. К этим задачам относятся: обеспечение связи со скоростями от 100 кбит/с и выше; возможность работы в мобильных приложениях; возможность определения местоположения приемопередатчика в сети из таких устройств; реализации сетей из приемопередатчиков с возможностью передачи сигнала через ретрансляции.

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

Целью работы является исследование метода прямохаотической связи и его дальнейшее развитие применительно к задачам СШП локальных беспроводных систем связи различного назначения. Основные задачи, решаемые в работе.

• исследование генерации фазового хаоса в радиодиапазоне;

• исследование метода приема СШП хаотических радиоимпульсов логарифмическим детектором мощности;

• разработка структуры прямохаотических беспроводных персональных и сенсорных сетей, и их применение;

• создание и исследование приемопередающей платформы для беспроводной передачи данных, дистанционного управления объектами, измерения расстояния между объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов.

Научная новизна результатов заключается в том, что:

• впервые разработаны и исследованы генераторы фазового хаоса радио диапазона на основе системы фазовой автоподстройки частоты;

• предложен и исследован эффективный приемник для демодуляции СШП хаотических радиоимпульсов;

• экспериментально подтверждена применимость беспроводных систем передачи информации на основе хаотических радиоимпульсов для дистанционного управления мобильными объектами;

• предложен и экспериментально исследован метод определения расстояния между объектами с помощью хаотических радиоимпульсов;

• разработана структура беспроводной системы для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений;

• создан СШП прямохаотический приемопередатчик для использования в локальных беспроводных системах связи и сенсорных сетях. Достоверность диссертационной работы подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных результатов полученных автором, а также их сравнением с ранее известными результатами других авторов.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Генерация фазового хаоса в радио диапазоне.

• Беспроводное дистанционное управление мобильными объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов.

• Метод определения расстояния между объектами с помощью хаотических радиоимпульсов.

• СШП прямохаотический приемопередатчик для использования в локальных беспроводных системах связи и сенсорных сетях.

• Структура беспроводной системы для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений.

Научно - практическое значение.

Результаты диссертации были использованы при разработке и создании экспериментальных сенсорных сетей, в частности в учебно-научно-исследовательском комплексе «Беспроводные СШП сенсорные сети» и в 9 системе мониторинга Крытого Конькобежного Центра в Крылатском (г. Москва).

Разработанный СШП приемопередатчик был использован в качестве метрологического источника СШП сигнала при формировании спектральной маски для нелицензируемых беспроводных СШП систем связи в Российской Федерации.

В дальнейшем результаты работы будут использованы при создании средств СШП локальной беспроводной связи и сенсорных сетей различного назначения.

Апробация работы, внедрение и использование результатов.

Материалы работы докладывались на Международной конференции ICCSC'2004 (International conference on circuits and systems for communications), 30 июня - 2 июля, Москва, Россия, 2004; XLVII научной конференции МФТИ, часть VIII, Москва - Долгопрудный 2004; 6-ой международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимирский гос. ун-т, Владимир, 2005; 1-ой Международной конференции

Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия; Международном симпозиуме NOLTA'2006. Болонья, Италия, 11-14 сентября 2006; Международной конференции "Dynamics Days Europe 2006", Крит, Греция, 2006; Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006, 4-7 июля, Муром. Россия; 2-ой Международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 25-27 сентября 2007, Суздаль, Россия; Нелинейные Волны 2008, Нижний Новгород, 1-7 марта, 2008.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, 13 работ в трудах научных конференций, 1 препринт и 1 патент РФ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Содержит 134 страницы, 55 рисунков, 5 таблиц. Список цитированной литературы содержит 59 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Клецов, Андрей Владимирович

4.7. Выводы.

В четвертой главе рассмотрена задача разработки и реализации сенсорных сетей на основе СШП беспроводных систем связи, использующих в качестве носителя информации хаотические радиоимпульсы.

Описан, созданный при активном участии автора, первый серийный СП1П приемопередатчик ППС-50, предназначенный для беспроводных систем мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений.

Разработана структура системы беспроводной связи на основе СШП приемопередатчиков, обеспечивающей задачу мониторинга зданий и сооружений.

На основе разработанных принципов построения СШП беспроводных сенсорных сетей создана экспериментальная беспроводная сенсорная сеть мониторинга состояния конструкции для ККЦ.

Разработан программный комплекс для управления сетью. Он позволяет собирать информацию в сети, ретранслировать ее через приемопередатчики, а также обеспечивает длительную эксплуатацию приемопередатчиков с автономным питанием.

Заключение.

Диссертация посвящена исследованию метода прямохаотической беспроводной сверхширокополосной связи и его дальнейшему развитию. В процессе выполнения работы решены следующие задачи:

• исследована генерация фазового хаоса в радиодиапазоне;

• исследован метод приема СШП хаотических радиоимпульсов логарифмическим детектором мощности;

• разработана и апробирована структура прямохаотических беспроводных персональных и сенсорных сетей;

• создана и исследована приемопередающая платформа для беспроводной передачи данных, дистанционного управления объектами, измерения расстояния между объектами с помощью СШП хаотических радиоимпульсов.

В результате проведенных исследований были получены следующие основные результаты:

1. Впервые получена генерация фазового хаоса радиодиапазона в системе ФАП.

2. Впервые осуществлено беспроводное дистанционное управление мобильным объектом с помощью хаотических радиоимпульсов. Экспериментально показано отсутствие влияния эффекта Доплера, а также взаимного положения антенн на качество хаотической радиосвязи.

3. Предложен, теоретически и экспериментально исследован метод определения расстояния между объектами, обеспечивающий высокую точность измерения при низких тактовых частотах системы обработки сигнала. Показано хорошее совпадение точностных характеристик, полученных из эксперимента с рассчитанными численно.

4. Разработана структура беспроводной сети для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений. При активном участии автора, для практической реализации беспроводных сетей мониторинга предложены, созданы и исследованы прямохаотические приемопередатчики диапазона частот 3-5 ГГц с дальностью действия до 40 м. Структура беспроводной сети экспериментально апробирована в одном из сооружений Москвы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Клецов, Андрей Владимирович, 2009 год

1. Харкевич А.А. Передача сигналов модулированным шумом. // Электросвязь. 1957. №11. С. 42-49.

2. Дмитриев А. С., Панас А.И. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи.—М.: Физматлит, 2002.

3. Афраймович B.C. Веричев Н.И., Рабинович М.И. Стохастическая синхронизация колебаний в диссипативных системах. // Изв. Вузов. Сер. Радиофизика. 1986. Т. 29, № 9. С. 1050-1062.

4. Pecora L.M., Carroll T.L. Synchronization in chaotic systems // Phys. Rev Lett. 1990. Y 64, №8. P. 821-824.

5. Kocarev L., Halle K.S., EckertK., ChuaL., Parlitz U. Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization // Int. J. Bifurcation and Chaos. 1992. V. 2, №3. P. 709-713.

6. Dedieu H., Kennedy M., Hasler M. Chaos shift keying: Modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua's circuits. // IEEE Trans. Circuits and Systems. 1993. V. CAS-40, №10. P. 634-642.

7. Билъчинская С.Г., Кравцов Ю.А., Суровяткина Е.Д. Флуктуационные характеристики сигналов при передаче сообщений путем модуляции параметров хаотических последовательностей. 2002. Препринт ИКИ РАН №2073.

8. Волковский А.Р., Рулъков Н.В. Синхронный хаотический отклик нелинейной системы передачи информации с хаотической несущей. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19, вып. 3. С. 71-75.

9. Bohme F., Feldman U., Schwarz W., Bauer A. Information transmission by chaotizing. //Proc. of NDES'94. Krakow, Poland., 1994. P. 163-168.

10. G. Kolumban, Z. Jako, G. Kis. Enhanced versions of the DCSK systems, Proc. NOLTA'OO; Xi'an, China, October 7-11, 2002, pp. 95-98.

11. Дмитриев А. С., Кяргинский Б.Е., Максимов H.A. и др. II Радиотехника. 2000. № 3. С. 9.

12. Дмитриев А. С., Панас А.И., Старков С. О. и др. IIРЭ. 2001. Т. 46. № 2. С. 224.

13. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Панас А.И. u dp: II РЭ. 2002. Т. 47. №10. С. 1219.

14. Dmitriev A.S., Kyarginsky В. Ye., Panas A.I. et al. II Int. J. Bifurcation and Chaos. 2003. V. 13. №6. P. 1495.

15. Revision of Part 15 of the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband-Transmission Systemshttp://hraunfoss.fcc.gov/edocsjublic/attachmatch/FCC-02-48Al.pdf.

16. Win M.Z., Scholtz R.A. II IEEE Comm. Lett. 1998. V. 2. №. 2. P. 36.

17. Fontana R.J., Ameti A., Richley E. et al. II Proc. IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technology. Baltimore, USA. May 2002. P. 129.

18. Атанов H.B., Дмитриев А. С., Ефремова E.B., Максимов H.A. // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. №15. С. 1.22.