14.574.21.0058

Резюме проекта, выполняемого

в рамках ФЦП

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

по этапу № 5/итоговый

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 (ИТ)

Критическая технология: Технологии информационных, управляющих, навигационных систем

Период выполнения: 30.06.2014 - 31.12.2016

Получатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 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 проекта

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

1) Реализуемый проект на 4 этапе направлен на решение вопросов, связанных с экспериментальными исследованиями поставленных задач.

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

Проведены экспериментальные исследования согласно разработанной ПМЭИ. Проведен анализ результатов эксперимента, основанный на сопоставлении результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающий точность моделирования и работоспособность ЭО и макетов. Проведен анализ результатов эксперимента на полное соответствие требованиям ТЗ. Разработаны практические рекомендации по использованию ФАИС и УЧОИ. Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка программного комплекса для повышение эффективности систем широкополосного доступа к мультимедийным услугам, работающих по технологии RoF, на основе совершенствования элементов и устройств физического уровня». Проведено обобщение и оценка полученных результатов, в том числе:

1) обобщение   результатов   исследований; 2) сопоставление анализа  научно-информационных  источников  и  результатов теоретических  и  экспериментальных  исследований; 3) оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем; 4) анализ выполнения требований ТЗ на ПНИ; 5) оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИ. Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов. Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Разработаны рекомендации и предложения по перспективам дальнейшего развития в области заявленной научно-технической задачи. Разработаны предложения и рекомендации по коммерциализации результатов выполненных ПНИ, по введению их в эксплуатацию в системы телекоммуникаций «последней мили».

Выполнены работы по подготовке и проведению конференции ПТиТТ XVII.

Проведены экспериментальные исследования экспериментальных образцов ФАИС, ФМАИ и макетов УЧОИ с помощью экспериментального стенда, подтверждены технические характеристики, выявлены отклонения. Составлены протоколы исследований. Проанализированы результаты теоретических и экспериментальных исследований. Разработаны практические рекомендации по использованию ФАИС и УЧОИ в реальных системах связи. Разработан проект технического задания на ОКР на разработанный программный комплекс, позволяющий создать промышленные прототип. Проведено обобщение и оценка полученных  результатов. Проведена  технико-экономическая  оценка  рыночного  потенциала  полученных  результатов.

Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

В связи с тем, что данный этап относится к обоснованию и оценке результатов исследования элементы научной новизны отсутствуют.

Оценка соответствия полученных результатов при разработке отчета о ПНИ соответствует техническим требованиям. В ходе реализации 5 этапа были измерены и проанализированы заявленные технические характеристики экспериментальных образцов и макетов, составлены протоколы исследований по каждой характеристики, выявлены причины отклонения, проанализированы полученные данные.

Разработанный экспериментальный стенд является первым в России прототипом системы высокоскоростной    передачи данных на основе технологии СШП-RoF. Стенд позволяет адаптивно управлять спектральной формой СШП радиоимпульсов для достижения высокого соответствия маске ГКРЧ, изменять битовую скорость передачи полезной информации, а также излучать и принимать СШП радиосигнал, согласованный с характеристиками различных типов СШП антенн. На основе данного экспериментального стенда была достигнуто новое значение максимальной дальности беспроводной СШП передачи данных для маски ГКРЧ, составляющее 6,5 м, что является лучшим результатом среди   аналогичных работ. Для передачи сигнала по стенду в работе были разработаны экспериментальные образцы ФАИС и ФМАИ и макеты УЧОИ. Согласно

проведенным исследованиям в области разработки СШП приемо-передающих антенн сделан вывод, что современные антенны выполнены по микрополосковой технологии и имеют целью расширение диапазона рабочих частот при обеспечении приемлемого согласования и малых размеров за счет применения новых структур излучающих элементов. Разработанные образцы ФМАИ соответствуют последним мировым разработкам в области проектирования СШП антенн, при этом они превосходят большинство аналогов по ширине диапазона рабочих частот (2,85-15 ГГц), качеству согласования импеданса (50 Ом) и простоте при серийном производстве (размеры ФМАИ составляют 29,5 мм х19 мм).

Разработанный экспериментальный образец (ЭО) ФАИС является передовым образцом в области антенных решеток для СШП систем связи, поскольку позволяет динамически управлять диаграммой направленности за счет изменения положения и количества излучающих элементов, входящих в состав ЭО ФАИС. При этом обеспечивается уровень первого бокового лепестка меньше -31 дБ и уровень остальных боковых лепестков в пределах 3-4 дБ. Помимо этого ЭО ФАИС может найти применение и в других системах связи, включая сети 5G. Аналоги подобных антенных решеток на территории РФ отсутствуют.

УЧОИ, разработанное для сегментов RoF, обеспечивает, главным образом, две основные функции:

1 . компенсацию линейного затухания и хроматической дисперсии, приобретаемой групповым оптическим сигналом на ВОЛС-RoF, при передаче его от центрального узла связи до базовой станции (БС) RoF;

2. разделение группового (общего) оптического сигнала на входе БС для его подведения к радиоизлучателям антенной решетки (АР) RoF, с выполнением управляемой дифференцированной задержки для каждого из сигналов (составляющих групповой сигнал), тем самым – выполняет управление перемещением лепестка радиоизлучения.

В настоящее время существующие системы RoF также строятся с привлечением средств волоконной оптики - для компенсации линейного затухания и хроматической дисперсии: с применением легированных световодов типа EDFA, световодных решеток Брэгга или специализированных многослойных световодов. Для управления оптическими сигналами, подаваемыми на АР RoF, используются световодные линии задержки, представляющие собой сегменты световодов. Все эти средства, во-первых, являются разрозненными (не представляют собой единого устройства), т.е. при их совмещении неизбежно возникает повышенный уровень обратно отражённого излучения (-3 дБ и выше, что зависит от количества соединений перечисленных сегментов, включая также интерференционное отражение, для УЧОИ он менее -10 дБ, интерференционное отражение

отсутствует ввиду согласованности элементов конструкции). Кроме того, существующие оптические схемы подачи сигналов на АР RoF не допускают адаптивного управления параметрами этих сигналов, т.к. строятся из элементов с фиксированными параметрами, следовательно, не позволяют управлять лепестком радиоизлучения в режиме реального времени. Существующие средства адаптивного управления лепестком радиоизлучения выполнены на электронных, а не оптических элементах, следовательно, ограничивают систему связи как по частотному диапазону, так и по быстродействию. В противовес этому, разработанное УЧОИ обеспечивает в едином конструктиве как компенсацию искажений на ВОЛС--RoF, так и управление радиолепестком полностью оптическим способом, что обеспечивает значительную миниатюризацию, высокое быстродействие управления радиолепестком, возможность работать на частотах до 110 ГГц (W-band RoF), а также позволяет снизить коэффициент обратного отражения.

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

Полезная модель, патент № 160080 от 20.10.2015 г. "Фрактальное антенное устройство", РФ.

Полезная модель, патент № 163995 от 29.07.2016 г. "Устройство для разветвления и чирпирования оптических сигналов", РФ.

4. Назначение и область применения результатов проекта

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. 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. 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.

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

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

На 5 этапе соисполнители проекта отсутствуют.