14.574.21.0058

Резюме проекта (ПНИР), выполняемого в рамках ФЦП

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»

по этапу № 1

Номер Соглашения о предоставлении субсидии:  № 14.574.21.0058

Тема:  «Повышение эффективности систем широкополосного доступа к мультимедийным услугам, работающих по технологии Radio-over-Fiber (RoF), на основе совершенствования элементов и устройств физического уровня»

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы.

Критическая технология:   Технологии доступа к широкополосным мультимедийным услугам

Период выполнения: 30.06.2014–31.12.2016

Плановое финансирование проекта: 

Бюджетные средства        16 млн. руб.,

Внебюджетные средства   4  млн. руб.

Исполнитель:  Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"

Индустриальный партнер:  Открытое акционерное общество научно-производственное предприятие «Полигон»

Ключевые слова:  Распределительные волоконно-эфирные системы связи, системы широкополосной передачи, пикосотовые структуры, удаленное гетеродинирование, фрактальная антенна, мультиплексирование с разделением по длине волны, хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия, квазисолитоновый режим передачи, многолучевая интерференция

Цель прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

а) Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализованный (реализуемый) проект.

1) Реализуемый проект на 1 этапе направлен на решение вопросов, связанных с выбором направления исследований, включая выполнение оценок возможности применения корректирующих радиочастотных устройств, а также – на математическое моделирование предлагаемого сверхширокополосного радиоимпульса на основе производных функций Рэлея, Гаусса и Лагерра, предлагаемой структуры антенной решётки, составленной из подрешеток в форме полимино, и предлагаемых миниатюрных антенных излучателей с предварительной выработкой требований к математическим моделям.

б) Формулировка цели реализованного (реализуемого) проекта; конечного продукта, созданного (создаваемого) с использованием результатов, полученных при выполнении проекта; места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.

1) Разработка комплекса научных и научно-технических решений, направленных на повышение эффективности систем, относящихся к информационной технологии RoF, (в том числе частично к радиотехнологии и волоконно-оптической технологии), широкополосного доступа (ШПД) к мультимедийным услугам, на основе совершенствования элементов и устройств физического уровня (увеличение полосы пропускания беспроводного канала связи, повышение эффективности использования спектра отведенных частот, увеличение дальности безрегенерационной передачи по оптоволокну).

2) Предметом научного исследования являются элементы физического уровня системы ШПД  (технологии RoF). Разрабатываемые элементы физического уровня используются в составе экспериментального стенда (ЭС) «Радио по оптоволокну» в качестве экспериментального образца (ЭО) фрактальных антенных излучающих систем (ЭО-ФАИС) и макетов устройств (волоконно-оптического разветвителя/переключателя) с функциями чирпирования и усиления оптического излучения (М–УЧОИ), выполняющего чирпирование оптического сигнала, что позволяет одновременно с функциями сетевого управления (разветвления) усиливать сигнал и выполнять для него положительное чирпирование действием интерференции.

1 Основные результаты проекта

а) Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности):

1) По пункту 1.1 плана-графика исполнения обязательств проведено изучение статей, рекомендаций Международного союза электросвязи, монографий и диссертаций  в области построения волоконно-оптических безрегенерационных сегментов длиною не менее 100 км, в области построения миниатюрных планарных антенн, компенсации и коррекции межсимвольной и межканальной интерференции в одночастотных и многочастотных радиосетях, а также моделирования форм импульсов и разработки фильтров их формы. Проанализированы известные решения, выявлены недостатки предложенных авторами подходов с точки зрения задач настоящих исследований.

2) По пункту 1.2 плана-графика исполнения обязательств определены задачи и разработано задание на проведение патентных исследований, определены требования к поиску патентной и другой документации. Разработан регламент поиска. Выполнен поиск и отбор патентной и другой документации в соответствии с утвержденным регламентом. Оформлен отчет о патентном исследовании в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

3) По пункту 1.3 плана-графика исполнения обязательств проведён анализ существующих подходов построения систем сверхширокополосной радиосвязи и систем RoF как их вида. Сформулированы задачи, решаемые известными узкополосными и широкополосными радио- и оптическими системами. На основе анализа известных технических решений в рассматриваемой области уточнены задачи дальнейших исследований. Установлено, что перспективными в сверхширокополосных радиосистемах рассматриваемого класса являются методы передачи на основе следующих подходов: без несущей частоты (сверхширокополосная система на основе радиоимпульса (IR-UWB)), с одной несущей (I/Q модулированными сигналами с коррекцией на приемной и передающей стороне) и с несколькими несущими частотами (на основе технологии ортогонального частотного уплотнения). При синтезе технологии RoF и СШП, для повышения эффективности систем доступа к мультьмедийным услугам, возникает проблема увеличения длины безрегенерационного сегмента, выбора технологии передачи СШП импульса, метода генерации СШП сигнала (электрический или оптический) соответствующего маске ГКРЧ, тип СШП импульса, тип сверхширокополосного излучателя и СШП фильтра формы. Представленные в литературных источниках схемы передачи не могут использоваться в России ввиду существенного различия масок FCC и ГКРЧ. Выявлено также, что для I/Q модулированных сигналов в СШП диапазоне отсутствуют методы коррекции сигнала на передающей стороне, а применяющиеся методы относятся к приёмнику, что приводит к удорожанию последнего и не позволяет их использовать в рамках заявленных исследований по удешевлению радиочасти RoF.

4) По пункту 1.4 плана-графика исполнения обязательств на основе анализа методов коррекции, выполненного в рамках пунктов 1.1 – 1.3, произведен синтез передаточной функции корректирующих фильтров для I/Q модулированных сигналов на основе вычисления амплитудно-фазовых соотношений между исходным и переданным сигналами. Выполнена разработка схемы реализации адаптивной дробно-интервальной коррекции. Получены выражения передаточных функций корректирующих фильтров.

5) По пункту 1.5 плана-графика исполнения обязательств на основе анализа технологии ортогонального частотного мультиплексирования, выполненного в рамках пунктов 1.1 – 1.3, и выявленных в ходе анализа недостатков, сформулирована задача подавления интерференции при ортогональном частотном мультиплексировании. В качестве решения данной задачи был сделан выбор в пользу формирующих фильтров. Синтез фильтра проводился путем минимизации среднеквадратичных искажений сигнала от критериев Найквиста. Произведен расчет принятого сигнала в системе, использующей ортогональное частотное мультиплексирование в многолучевом канале связи.

6) По пункту 1.6 плана-графика исполнения обязательств осуществлен выбор технических характеристик для анализа разрабатываемых математических моделей ММ1-СШП-КС, ММ2-СШП-РИ и ММ3-САР. На основе анализа технических характеристик определены требования и выявлены проблемные вопросы в рамках разработки каждой математической модели.

7) По пункту 1.7 плана-графика исполнения обязательств изучены особенности распространения СШП сигнала по беспроводному каналу связи. Сформулированы требования на основе технических характеристик и анализа проблемных вопросов приведенных в пункте 1.6 и анализа материалов по пунктам 1.1-1.3. Проанализирована возможность применения эмпирических моделей распространения радиоволн для СШП канала.

8) По пункту 1.8 плана-графика исполнения обязательств проанализированы различные классы функций с целью их применения  для моделирования радиоимпульсов, проанализировано соответствие данных функций условиям излучения, финитности и непрерывности. Сформулированы требования на основе технических характеристик и анализа проблемных вопросов приведенных в пункте 1.6 и анализа материалов по пунктам 1.1-1.3. Произведен синтез функционального соотношения для ММ2-СШП-РИ в виде линейных комбинаций  производных импульса Рэлея, Гаусса и Лагерра с учетом введения целевых функции, обеспечивающие соответствие спектральной маске ГКРЧ и коэффициент использования маски для оценки степени ее заполнения.

9) По пункту 1.9 плана-графика исполнения обязательств на основе анализа текущего состояния исследований в области разработки миниатюрных антенных излучателей (пункт 1.1) выявлены основные принципы проектирования; определены: структура антенны, способ питания и алгоритм расчета параметров, применяемые фрактальные кривые для моделирования геометрии излучающего элемента; установлены требования по массогабаритным показателям, используемым материалам и техническим характеристикам антенны.

10) По пункту 1.10 плана-графика исполнения обязательств проанализированы особенности применения подрешеток в форме разных полимино. На основе обзора проблем проектирования фазированных антенных решеток (ФАР) и анализа литературы в области проектирования ФАР приведенном в пункте 1.1 выявлены особенности проектирования, которые учитывают геометрические размеры и электромагнитные параметры. Приведены функциональные зависимости модели структуры (матрица решетки), модели полимино (матрицы ориентаций) и условие размещения полимино в структуре, а также уравнение, на основе которого рассчитывается поле фазированной антенной решетки и уровень боковых лепестков. Произведен синтез  функционального соотношения для ММ3-САР с учетом геометрических размеров и электромагнитных параметров, модель инварианта к типу излучателя. Математическая модель структуры из полимино, представляющей собой фазированную антенную решетку, описывает и взаимоувязывает между собой геометрические и электродинамические связи между элементами. Модель учитывает технические особенности излучающих структур. Излучательные характеристики структуры описываются системным множителем решетки.

11) По пункту 1.11 плана-графика исполнения обязательств осуществлен анализ технических характеристик ИМ1-СШП-ФИ, ИМ2-ОФС-РИ и ИМ3-СШП-КС. Предъявлены технические требования согласно ТЗ, определены входные воздействия на ИМ, внешние воздействия на ИМ, выходные данные и технические характеристики разрабатываемых ИМ. На основе анализа технических характеристик выявлены проблемные вопросы в рамках подготовки построения имитационных моделей.

б) Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции.

1) По пункту 1.1 осуществлен выбор направления исследований для уточнения задач дальнейшего исследования.

2) По пункту 1.2 оформлены результаты в виде отчета о патентном исследовании.

3) По пункту 1.3 сформулированы задачи к проведению исследований, направленные на подстройку СШП импульса, генерируемого средствами оптической линии, под маску ГКРЧ. Разработаны схемы для проведения экспериментальных исследований.

4) По пункту 1.4 разработана теоретическая схема адаптивной дробно-интервальной коррекции. Получены выражения передаточных функций корректирующих фильтров.

5) По пункту 1.5 получены соотношения Фурье-преобразований от импульсных характеристик формирующих фильтров, удовлетворяющие условиям минимизации среднеквадратичных искажений сигнала от критериев Найквиста. Предложена модель многолучевого канала связи, учитывающего ошибку фазы и сдвиг частоты генератора. Получены выражения, оценивающие принятый сигнал, его мощность, и мощность интерференции. Установлена взаимосвязь между мощностью интерференции и  Фурье-преобразованием импульсной характеристики формирующего фильтра. Построены графики, показывающие изменение мощности интерференции в зависимости от выбора импульсной характеристики.

6) По пункту 1.6 сформированы требования к математическим моделям ММ1-СШП-КС, ММ2-СШП-РИ и ММ3-САР.

7) По пункту 1.7 установлена взаимосвязь мощности принятого сигнала распределенного по закону Парето и времени прихода многолучевого компонента. Выявлено, что реальная среда СШП канала связи имеет фрактальную структуру, что учтено введением дробного коэффициента затухания сигнала.

8) По пункту 1.8 Получено функциональное соотношение для ММ2-СШП-РИ на основе  производных импульса Рэлея, Гаусса и Лагерра. Введены целевые функции, обеспечивающие соответствие спектральной маске ГКРЧ и коэффициент использования маски для оценки степени ее заполнения.

9) По пункту 1.9 сформированы требования к характеристикам антенны и руководящие указания по разработке планарных антенн, определены используемые материалы и технология проектирования на основе фракталов.

10) По пункту 1.10 получено функциональное соотношение для ММ3-САР, разработанная на основе системного анализа технических особенностей излучающих структур и позволяющая описывать решетки, составленные из подрешеток в форме полимино.

11) По пункту 1.11 сформулированы технические характеристики и проанализироваы проблемные вопросы в рамках подготовки построения имитационных моделей ИМ1-СШП-ФИ, ИМ2-ОФС-РИ и ИМ3-СШП-КС.

 

в) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений.

1) По пункту 1.4 научная новизна заключается в применении дробно-интервального подхода к коррекции сигнала с заданной формой спектра на передающей стороне системы связи, что позволяет снизить вероятность ошибки без дополнительной обработки сигнала на приемной стороне (мобильной станции).

2) По пункту 1.5 научная новизна результатов работы заключается в том, что в отличие от современных методов и решений, используются формирующие фильтры, позволяющие уменьшить мощность интерференции без увеличения защитного интервала, что увеличивает спектральную эффективность системы.

3) По пункту 1.7 в качестве элементов новизны научных решений при разработке математической модели СШП канала ММ1-СШП-КС следует отметить учет многолучевой структуры СШП канала и согласование профиля интенсивности принимаемого многолучевого сигнала с эмпирическими моделями затуханий сигнала в реальных условиях.

4) По пункту 1.8 элементами новизны научных решений при разработке математической модели СШП радиоимпульсов ММ2-СШП-РИ следует отметить применение импульсов Лагерра, ранее не использовавшихся для моделирования в радиосвязи, и производных импульса Гаусса и Рэлея, отличающихся более высоким коэффициентом использования спектральной маски по сравнению с известными аналогами.

5) По пункту 1.9 научная новизна заключается в применение фракталов при разработке геометрии излучающего элемента антенны позволяет значительно уменьшить ее размеры при сохранении частотных и энергетических показателей, что важно в технике мобильной связи.

6) По пункту 1.10 научная новизна заключается в том, что математическая модель отличается учетом геометрических и электродинамических свойств и позволяет описывать структуры антенных решеток, составленных из подрешеток в форме полимино.

 

г) Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту.

1) Оценка соответствия полученных результатов при моделировании ММ1-СШП-КС техническим требованиям:

а) ММ1-СШП-КС представлена в виде передаточной функции канала.

б) Учет многолучевого распространения сигнала заключается в рассмотрении принятого сигнала как суммы многолучевых компонентов, интенсивность которых распределена по закону Парето с «тяжелыми» хвостами, что соответствует эмпирическим моделям распространения сигнала ввиду фрактальных свойств реальной среды. 

в) Учет вида модуляции, используемого для СШП систем связи, заключается в рассмотрении передаваемого сигнала как промодулированного по амплитуде (PAM-модуляция, OOK-модуляция) или фазе (PPM-модуляция, BPM-модуляция).

г) Учет диапазона используемых частот СШП систем связи (3 – 15 ГГц) осуществляется на основе интегрирования по всему СШП диапазону частот.

д) Учет физических свойств распространения радиоволн с учетом затухания и рефракции заключается в том, что эти явления приводят к возникновению многолучевых компонентов, приходящих с разной задержкой, амплитудой и фазой.

е) ММ1-СШП-КС реализуема в пакете MATLAB.

2) Оценка соответствия полученных результатов при моделировании ММ2-СШП-РИ техническим требованиям:

а) ММ2-СШП-РИ представлена в виде функциональной зависимости спектральной плотности мощности (СПМ) импульса от коэффициентов веса (весового содержания функций Рэлея (РП), Гаусса (ГП), Лагерра (ФЛ) и их производных до 5-го порядка в суммарной функциональной зависимости в классе линейных их комбинаций);

б) ММ2-СШП-РИ получена при условии максимального использования маски спектра и излучаемой пиковой мощности в пределах до минус 45 дБм/МГц (для маски ГКРЧ) и минус 41,5 дБм/МГц (для маски FCC, что обеспечивалось введением целевых функций F1 и F2);

в) все параметры модели ММ2-СШП-РИ (коэффициенты формы и веса, временные формы, СПМ, расчет эффективности) рассчитываются в пакете моделирования MATLAB;

г) Относительная погрешность вычисления ММ2-СШП-РИ составляет не более 10-3.

д) соответствие условию излучения обеспечивается выбором в качестве базовых функций РП, ГП и ФЛ, изначально удовлетворяющих данному условию;

е) соответствие условию финитности обеспечивается выбором в качестве базовых функций РП, ГП и ФЛ, изначально удовлетворяющих данному условию;

ж) соответствие условию непрерывности обеспечивается выбором в качестве базовых функций РП, ГП и ФЛ, изначально удовлетворяющих данному условию;

и) требования спектральной маски FCC выполнены за счет введения ее в качестве целевой функции F1, используемой для расчета параметров модели ММ2-СШП-РИ;

к) требования спектральной маски ГКРЧ выполнены за счет введения ее в качестве целевой функции F2, используемой для расчета параметров модели ММ2-СШП-РИ.

3) Оценка соответствия полученных результатов при моделировании ММ3-САР техническим требованиям:

а) допускает проведение расчётов для количества излучателей в пределах 188;

б) учитывает геометрические параметры структуры решетки (форму подрешеток, размеры решетки, размер(ы) неиспользуемой площади решетки);

в) учитывает электродинамические связи между излучающими элементами (амплитудное распределение внутри подрешетки, фазовые сдвиги между элементами и между подрешетками);

г) ММ3-САР реализуема в пакете моделирования MATLAB.

 

д) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

В настоящее время существуют образцы систем категории Radio-over-fiber, выпускаемые за рубежом. Существующее оборудование базовых станций достаточно миниатюрное, но, согласно техническим характеристикам производителя, оно обладает весьма ограниченной полосой пропускания, малой длинной радиотракта и малой дальностью оптоволоконных соединений. Кроме того, спектр радиоизлучения ориентирован на зарубежный стандарт (т.е. маску FCC), что вообще не позволяет его применять в России – т.к. разрешённая спектральная маска ГКРЧ на территории РФ существенно расходится с маской FCC. В России указанное оборудование не выпускается.

Заявленные исследования направлены на совершенствование физического уровня систем связи данной категории. А именно – применение оптимальных по форме импульсов позволит в большей степени использовать «площадь» спектра, разрешённого установленной маской, а значит – увеличить длину радиолинии. Кроме того, при проведении моделирования принимается в расчёт не маска FCC, а ГКРЧ, что позволит ориентировать оборудование на использование в России. Совершенствование оптоволоконных соединений RoF позволит увеличить их дальность с сохранением качества передачи (что весьма актуально для России при обслуживании загородных районов, в том числе удалённых корпоративных абонентов). А если учесть, что оптоволоконная линия RoF предназначена не только для передачи (трансляции) сигналов, но и для их преобразования – как под спектральную маску (в данном случае ГКРЧ), так и для решения задач уровня канала/сети (т.е. уровней выше физического по модели ВОС) с целью переноса указанных функций из электронной части в оптическую, то разрабатываемое оборудование ожидается также весьма компактным, и что не менее важно - более функциональным, что в конечном итоге позволит расширить количество предоставляемых абоненту сервисов и сделает его более привлекательным на телекоммуникационном рынке.

2 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

На данном этапе не предусмотрены РИД.

3 Назначение и область применения результатов проекта

а) Описание областей применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или уже используются полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).

Промышленность и социальная сфера: производство средств связи, систем мониторинга; новая услуга беспроводного доступа к мультимедийным услугам; системы телерадиоуправления технологическими процессами; атомная, нефтехимическая и тяжелая промышленность. В научной области – интеграция радио и оптических систем связи, изучение и разработка новых материалов для СВЧ диапазона, разработка новых способов генерации и преобразования СШП сигналов.

б) Описание практического внедрения полученных результатов или перспектив их использования;

Практическое внедрение – малогабаритные переносные СШП приемо-передатчики для передачи больших объемов информации с высокой скоростью, защищенностью, скрытностью. В области промышленности и социальной сферы – замена существующих технологий малой дальности (Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth), кабельных соединений в рамках проектов «офис без проводов», «умный дом» и объединении всех электронных домашних устройств в единую сеть. Обеспечение связи ПК со всеми периферийными устройствами. Создание сетей передачи данных в пределах подвижных транспортных средств (летательные аппараты, корабли, транспорт).  Системы телерадиоуправления технологическими процессами на предприятиях атомной и тяжелой промышленности, нефтехимических комплексах и при управлении роботами во время ЧС. В области медицины – датчики, расположенные на теле человека для контроля его состояния здоровья посредством передачи информации на его персональное мобильное устройство - «Body air network». В области науки – лабораторный стенд по исследованию процессов генерации,  преобразования, передачи и приема электромагнитной энергии в СШП диапазоне частот.

в) Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.

Полученные результаты будут способствовать активному развитию СШП технологии и ее интеграции с волоконной оптикой, обеспечивая конечного потребителя качественными услугами передачи данных. Поскольку основная часть дорогостоящего оборудования будет располагаться на центральной базовой станции, то это позволит существенно снизить стоимость затрат на реализации за счет минимизации числа промежуточных узлов. Ускорение интеграции мировых исследований в области проектирования компонентов СШП систем. Развитие материально-технической и информационной инфраструктур.

4 Эффекты от внедрения результатов проекта

а) Описание ожидаемых социально-экономических и др. эффектов от использования товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов (повышение производительности труда, снижение материало - и энергоёмкости производства, уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, снижение риска смертности, повышение качества жизни   и т.п.).

Снижение стоимости услуг связи и оборудования, снижение энергопотребления и производственных затрат. Обеспечение доступа к качественным услугам связи все большей массе населения, повышение качества жизни. Уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду и живых существ ввиду низкого уровня радиоизлучения. Повышение конкурентоспособности отечественных производителей. Укрепление обороноспособности страны ввиду того, что данные системы связи разрабатываются в России и для отечественных стандартов с высокой защитой связи от перехвата и высокой скрытностью, что актуально для военных и ведомственных подразделений. Защита персональных данных при проведении финансовых операций он-лайн.