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 № 2

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        15,384 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

1. Цель прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

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

1) Реализуемый проект на 2 этапе направлен на решение вопросов, связанных с разработкой имитационных моделей на основе разработанных математических моделей, проверки их адекватности, точности и соответствия выбранных технических характеристик, разработкой алгоритма структурно параметрического синтеза прямоугольных структур антенных решеток.

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.

2. Основные результаты проекта

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

1) По пункту 2.1 плана-графика исполнения обязательств для разработки ИМ1-СШП-ФИ были представлены технические характеристики, приведены проблемные вопросы в рамках разработки имитационной  модели. Была разработана схема концептуальной модели, показывающая алгоритм работы имитационной модели, формализация разрабатываемой модели. Трансляция модели в пакете имитационного моделирования Matlab. Представлены верификация модели, т.е. соответствия технических характеристик модели представленным в ТЗ. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать влияние формы импульса СШП на энергетическую эффективность беспроводного канала. Программная реализация представлена в приложении А.
2) По пункту 2.2 плана-графика исполнения обязательств для разработки ИМ2-ОФС-РИ были представлены технические характеристики, приведены проблемные вопросы в рамках разработки имитационной  модели. Была разработана схема концептуальной модели, показывающая алгоритм работы имитационной модели, формализация разрабатываемой модели. Трансляция модели в пакете имитационного моделирования Matlab. Представлены верификация модели, т.е. соответствия технических характеристик модели представленным в ТЗ. Разработанная имитационная модель позволяет оптимизировать форму и спектр излучаемых радиоимпульсов по критерию повышения энергетической эффективности использования спектральной маски для СШП канала. Программная реализация представлена в приложении Б.
3) По пункту 2.3 плана-графика исполнения обязательств для разработки алгоритма структурно параметрического синтеза прямоугольных структур антенных решеток определены этапы разработки алгоритма, включающие в себя постановку задачи, математическую постановку задачи, выбор и обоснование метода решения задачи, разработку алгоритма и проверку его корректности. Представлен принцип круговой расстановки полимино, приведен алгоритм «снежный ком» для оптимизации структур, составленных из полимино, приведены целевые функции и методы декодирования.
4) По пункту 2.4 плана-графика исполнения обязательств для разработки ИМ3-СШП-КС были представлены технические характеристики, приведены проблемные вопросы в рамках разработки имитационной  модели. Была разработана схема концептуальной модели, показывающая алгоритм работы имитационной модели, формализация разрабатываемой модели. Трансляция модели в пакете имитационного моделирования Matlab. Представлены верификация модели, т.е. соответствия технических характеристик модели представленным в ТЗ. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать спектральные свойства СШП канала учитывая многолучевое распространение сигнала. Программная реализация представлена в приложении А.
5) По пункту 2.5 плана-графика исполнения обязательств приведен проверочный цикл счета (первый прогон) для разработанных имитационных моделей. Для ИМ1-СШП-ФИ проведена проверка адекватности на соответствие ММ2-СШП-РИ. В качества критерия выбран коэффициент битовой ошибки. Приведен график зависимости теоретической и разработанной в рамках имитационной модели. Приведена точность соответствия  разработанной имитационной модели математической. Проведена оценка выбора технических характеристик. Для ИМ2-ОФС-РИ проведена проверка адекватности на соответствие ММ2-СШП-РИ. В качества критерия выбран коэффициент заполнения маски и целевая функция. Приведен график зависимости спектральной плотности мощности от частоты и временная форма предложенных импульсов. Приведена точность соответствия  разработанной имитационной модели математической. Проведена оценка выбора технических характеристик. Для ИМ3-СШП-КС проведена проверка адекватности на соответствие ММ1-СШП-КС. В качества критерия выбран коэффициент битовой ошибки и Q-фактор. Приведен график глазковой диаграммы в рамках имитационной модели. Приведена точность соответствия разработанной имитационной модели математической. Проведена оценка выбора технических характеристик.
6) Получена Информационная карта реферативно-библиографических сведений (ИКРБС) по 1 этапу за 2014 г.

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

1) По пункту 2.1 получена программная реализация имитационной модели ИМ1-СШП-ФИ, позволяющая исследовать влияние формы импульсов на энергетическую эффективность беспроводного канала связи.
2) По пункту 2.2 получена программная реализация имитационной модели ИМ2-СШП-ФИ, позволяющая оптимизировать форму радиоимпульсов и спектр радиоимпульсов по критерию повышения энергетической эффективности спектральной маски.
3) По пункту 2.3 получен корректно функционирующий алгоритм структурно параметрического синтеза прямоугольных структур антенных решеток, позволяющая составлять решетку из элементов в виде полимино соответствующий требованиям технического задания.
4) По пункту 2.4 программная реализация имитационной модели ИМ2-СШП-ФИ, позволяющая учитывать различные условия передачи разработанных радиоимпульсов.
5) По пункту 2.5 получены графические зависимости выбранных технических характеристик, позволяющие оценить показатели качества разработанных имитационных моделей.

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

1) По пункту 2.4 научная новизна заключается в том, что оптимизации планарных структур, основанного на эволюционном принципе, заключается в том, что он отличается способом расстановки полимино в структуре и позволяет повысить степень заполненности структур. Оценка новизны решений, лежащие в основе разрабатываемых РИД была произведена в пункте А.2.1.2.1 Обоснование патентноспособности объектов разработки приложения А к отчету о ПНИ за 1 этап 2014 г. Данный алгоритм является новым способом упаковки элементов фрактальной структуры антенны.

г) Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту.

1) Оценка соответствия полученных результатов при разработке ИМ1-СШП-ФИ техническим требованиям:

а) программная  реализация выполнена в пакете моделирования MATLAB;
б) обеспечивается возможность изменения входных параметров сигнала (длительности импульса в пределах 1 – 100 нс, пиковой мощности в пределах до минус 41,5 дБм/МГц, коэффициентов веса в пределах 1 – 10, вида модуляции СШП сигнала: PAM, BPSK, PPM);
в) обеспечивается расчёт Q-фактора;
г) обеспечивается расчёт BER.

2) Оценка соответствия полученных результатов при разработке ИМ2-ОФС-РИ техническим требованиям:

а) программная  реализация выполнена в пакете моделирования MATLAB;
б) обеспечивается возможность изменения входных параметров сигнала (длительности импульса в пределах 1 – 100 нс, пиковой мощности в пределах до минус 41,5 дБм/МГц, коэффициентов веса в пределах 1–10, формы импульса);
в) обеспечивается возможность проведения расчета коэффициентов для алгоритма быстрого преобразования Фурье от задаваемых функциональных зависимостей;
г) обеспечивается возможность проведения расчета эффективной изотропно-излучаемой мощности сигнала.

3) Оценка соответствия полученных результатов при моделировании ИМ3-СШП-КС техническим требованиям:

а) программная реализация выполнена в пакете моделирования MATLAB;
б) обеспечивается возможность изменения параметров передаточной функции канала: Гауса, Райса, Рэлея и эхо-канал;
в) должна обеспечивать расчет Q-фактора;
г) должна обеспечивать расчет BER.

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.

По базам данных центра информационных технологий и систем органов исполнительной власти (ЦИТиС) был проведен поиск аналогичных научно – исследовательных работ по теме проводимого ПНИ. Большинство работ по сверхширокополосной связи посвящены радиолокации и радионавигации (номера регистрационных карт ПНИ – 01201461644, 01200304670, 01960009741, 012008069340, 01201059973).  Системы СШП RoF в изученных базах данных ЦИТиС не рассматриваются. В области технологии RoF представлены работы по организации широкополосной сети доступа к мультимедийным услугам для удаленных и сельских районов (номер регистрационной карты ПНИ - 01201352250). Задачей вышеприведенного исследования являются увеличение дальности и полосы пропускания каналов связи за счет использования квазисолитонового режима передачи. В отчете о ПНИ за первый этап  говорилось о задачи увеличении дальности передачи за счет использования квазисолитонового режима передачи (глава 1.2 отчета о ПНИ за первый этап).
 
3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки
На 2 этапе выполнения ПНИ в 2015 г. РИД не публиковались. Публикация РИД планируется на 3 этапе выполнения ПНИ 2015 г.

4 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 по радиоканалу или применение одной антенный для передачи сигналов различных стандартов. 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 реализацию за счет минимизации числа промежуточных узлов. Ускорение интеграции мировых исследований в области проектирования компонентов СШП систем. Развитие материально-технической и информационной инфраструктур.


5 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.

6 Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
На данном этапе не предусмотрено

7 Наличие соисполнителей
а) На 2 этапе 01.01.2015 г. – 30.06.2015 г. выполнения соглашения о предоставлении субсидии соисполнители не привлекались.