Aqlli uy uchun aloqa kanallarini adaptiv tanlash vositalari va usullarini tahlil qilish

1.2-jadval
	Qisqa masofali protokollar
Texnik	Wi-Fi		Bluetooth Low	ZigBee			Z-Wave
Xususiyatlari			Energy
Diapazon	100 m gacha		80 m	100 m / Mesh			30 m / Mesh
Chastotasi	2,4 GGts,		2,4 GGts	915 MGts,			900 MGts
	5 GGts			2,4 GGts
Uzatish	Maks.		<1 Mbit/s	250 kbit/s			10-100 kbit/s
Tezligi	7 Gbit/s
Energiya	Yuqori		Kamroq	Past			Past
iste’moli
Autentifikatsiya	O‘zgarmas		Muammoli	O‘zgarmas			O‘zgarmas
Shifrlash	O‘zgarmas		O‘zgarmas	O‘zgarmas			O‘zgarmas
Ikki tomonlamalik	O‘zgarmas		O‘zgarmas	O‘zgarmas			O‘zgarmas
Standart	IEEE 802.11		Bluetooth 4.0	ZigBee			Z-Wave

Bluetooth-dan foydalanish istiqbollari Low Energy Mesh Bluetooth tarmog‘i boshqa texnologiyalardan juda farq qiladi. Asosiy farq - xabarlar tarmoq bo‘ylab tarqatiladi. Manbaga asoslangan marshrutlash (Z-Wave) va manzilga asoslangan marshrutlashda (ZigBee, Thread) bo‘lgani kabi, har bir xabar ma'lum bir tarzda tarqaladi va belgilangan joyga yetguncha bir tugundan ikkinchisiga o‘tadi. Bluetooth tarmog‘i boshqariladigan ko‘chkilarni yo‘naltirish deb ataladigan yondashuvdan foydalanadi.

Bugungi kunda bir protokol ostida turli ishlab chiqaruvchilarning turli qurilmalari o‘rtasidagi o‘zaro aloqada shubhasiz etakchi - Z-Wave texnologiyasi. Z-Wave OSI modelining barcha darajalarini qamrab oladi. Ammo, masalan, Bluetooth Smart-dan farqli o‘laroq (bu barcha darajalarni qo‘llab-quvvatlaydi), Z-Wave protokoli dastlab yuqori darajadagi nosozliklarga chidamlilik bilan uyali tarmoq texnologiyasi sifatida ishlab chiqilgan. Bundan tashqari, Z-Wave 2,4 gigagertsli chastota diapazoni haddan tashqari yuklangan holda ishlatilmaydigan yagona mashhur texnologiyadir.
Bluetooth Low Energy holatida ushbu protokolning istiqbollari ko‘p jihatdan g‘ovakli tarmoqlar topologiyasini amalga oshirishga qanchalik muvaffaqiyatli urinishlarga bog‘liq. Qanday bo‘lmasin, Bluetooth, Zigbee va Thread ham 2,4 gigagertsli shovqin bilan mahkam bog‘langan.
1-bob bo‘yicha xulosa
Adabiyotlarni o‘rganish jarayonida “aqlli qurilmalar” soni yil sayin ortib borishi aniqlandi, bu esa o‘z navbatida bir xil chastota diapazonidan foydalanish natijasida yuzaga kelgan ma’lumotlar paketlarining havoda ortiqcha to‘planishiga olib keladi.
"Aqlli uy" tizimlarini qurish texnologiyalarini tahlil qilish natijalari:
Simsiz texnologiyalardan foydalanishning maqsadga muvofiqligi isbotlangan va butun dunyo bo‘ylab bunday tizimlarda ma'lumotlar almashinuvi uchun litsenziyasiz radiochastota diapazonlari taqdim etilgani aniqlangan, ulardan maxsus ruxsatsiz va mutlaqo bepul, o‘tkazish qobiliyati va quvvat talablari hisobga olingan holda foydalanish mumkin.
“Aqlli uy” tizimini loyihalashda ma’lumotlarni uzatish chastotasini tanlashning ahamiyati va aqlli uy modullari o‘rtasida axborot almashish uchun ustuvor erkin chastotalar ro‘yxatini shakllantirish uchun aloqa kanallarini tanlashning adaptiv usulini ishlab chiqishning dolzarbligi muhim.

2-Bob. AQLI UY UCHUN ALOQA KANALINI TANLASH USULLARI
2.1. Aqlli uy(Smart Home) tizimidagi chastota spektrini kengaytirish texnologiyalari
Rivojlanish va innovatsiyalar nuqtai nazaridan eng istiqbolli "Aqlli uy" qurilmalari o‘rtasida simsiz ma'lumotlar almashinuvi yo‘nalishidir. Dastlabki qurilmalarni ulashda ma'lum bir mahalliy makonda boshqa tizimlar va qurilmalarda ishtirok etmaydigan chastotalarni tanlash muhimdir. Umumiy texnologiyalar va asosiy tadqiqot usullarini aniqlash uchun aloqa kanallarining chastota diapazonini tanlashni tahlil qilish kerak. Bunday tekshirishni amalga oshirish uchun ma'lumotlarni uzatishning barcha mumkin bo‘lgan variantlarini, xususan, ularni amalga oshirish usullarini o‘rganish kerak.
Muayyan chastota diapazonida axborotni uzatish samaradorligini oshirish, kuchli chiziqli signal buzilishi bilan aloqa kanali orqali signallarni modulyatsiya qilish usullariga asoslangan vosita sifatida chastotalar spektrini kengaytirish orqali amalga oshirilishi kerak. Aqlli uy tizimida va simsiz mahalliy tarmoqda signal uzatish uchun quyidagi signal uzatish texnologiyalaridan biri qo‘llaniladi, ya'ni quyidagi usullar: OFDM, DFS, FHSS, CSS va DSSS.
Ortogonal chastotali kanallarni multiplekslash usuli (OFDM). Ushbu texnologiya bir nechta ma'lumotlar oqimini bitta umumiy maydonda birlashtiradi, bu tizimdagi signallar spektrini ma'lum bir ortogonal pastki tashuvchilar to‘plamiga qayta taqsimlaydi, ular orqali kerakli ma'lumotlar uzatiladi.
Ushbu OFDM usuli modulyatsiya va multiplekslashdan foydalanadi, lekin bir xil signalning turli komponentlarini birlashtiradi. Bu usul raqamli modulyatsiya usullarini nazarda tutadi.
Ushbu usulning muhim afzalligi shundaki, barcha ma'lumotlar oqimlari parallel ravishda harakatlanishi, deyarli yaqinlashishi va bir-biriga xalaqit bermasligidir. Aqlli uy tizimining modullari o‘rtasida ma'lumot uzatishda oqimning rolini pastki tashuvchilar bajaradi. Aloqa signallarining uzatilishiga o‘xshash ta'sir signallarning ortogonalligidir. Bu signallar ajoyib xususiyatga ega - ularning o‘zaro energiyasi nolga teng. Shunday qilib, subtashuvchi ma'lumotlarning ortogonalligi ularga signalni qabul qiluvchi tomonidan qabul qilinganda, ularning har birini umumiy signaldan va hatto spektrlari qisman bir-biriga yopishgan taqdirda ham tanlashga imkon beradi. Subtashuvchilar bir-biriga deyarli yaqin joylashganligi va bir-birining ustiga chiqishi sababli, modulyatsiyalangan OFDM signalining spektral samaradorligi ancha yuqori.
OFDM ning afzalliklari quyidagilardan iborat:

• 
  qisqa tutashuvda murakkab shovqin sharoitlariga bardosh berish qobiliyati, ya'ni timsollararo shovqinlarni bartaraf etish va tor polosali shovqin bilan kurashish;
  
• 
  chastotali bo‘linish multipleksatsiyasiga ega tizimlarda yuqori spektral samaradorlik;
  
• 
  usulning moslashuvchanligi;
  
• 
  oddiy amalga oshirish;
  
• 
  pastki tashuvchilar o‘rtasidagi shovqinlarga qarshi turish qobiliyati, bu ko‘p nurli signal tarqalishida juda ijobiy ishlashga olib keladi.
  

OFDM ning asosiy kamchiliklari:

• 
  chiqish signalining vaqti va chastotasi bo‘yicha yuqori aniqlik va ishonchli sinxronizatsiya zarurati;
  
• 
  signalning eng yuqori koeffitsientida katta qiymat, bu yuqori energiya xarajatlariga olib keladi;
  

Dinamik chastotani tanlash usuli. Ushbu texnologiya havoni skanerlash va chastota kanallari o‘rtasida o‘tish usullarini joriy etish bilan birga bo‘ldi. Kanallar chastotalar tarmog‘iga muvofiq ketma-ket skanerdan o‘tkaziladi. Tekshiruv natijasi to‘ldirilgan DFS jadvali bo‘lib, unda har bir kanal aniqlangan signal darajasiga mos keladi, bu esa qurilma uchun noqulaylik tug‘diradi.
DFS haqida gapirganda, biz dinamik chastotani tanlash va radarni aniqlash mexanizmlarini ajratishimiz kerak:
Dinamik chastota tanlashni amalga oshirishga qo‘yiladigan talablar mavjud: chastota kanallarini majburiy skanerlash va eng erkin qisqa tutashuvni tanlashni o‘z ichiga oladi. Shunday qilib, simsiz ma'lumotlarni uzatish tizimlarini chastota spektri bo‘yicha bir xil taqsimlash amalga oshiriladi.
Radarni aniqlash mexanizmi radarlar tomonidan allaqachon foydalanilgan chastota kanallaridan foydalanishni taqiqlashga rioya qilishning zaruriy shartidir. Shunday qilib, DFS texnologiyasidan foydalanish radar aniqlangan taqdirda ularni darhol chiqarish sharti bilan simsiz keng polosali ulanish tizimlari tomonidan bunday kanallardan foydalanish imkoniyatini saqlab qoladi.
Simsiz aloqa kanalini tashkil qilish uchun tayanch stantsiya sektori, shuningdek abonent stansiyasi sektori o‘rnatilgan va sozlangan, stansiya sektorida dinamik chastotani tanlashni qo‘llab-quvvatlash faollashtirilgan. Yoqilgandan so‘ng, stansiya sektori mavjud chastota kanallarini ketma-ket skanerlashni boshlaydi, ma'lumotlarni DFS jadvaliga yozib oladi (2.1-jadvalga qarang), bu chastota kanali raqami va qayd etilgan signal darajasini ko‘rsatadi.
2.1-jadval
DFS chastotasi kanallari jadvali

Chastota kanali, Wi-Fi 5 gigagertsli	Signal darajasi, dBm
F1	-85
F2	-80
F3	-91

Chastotali modulyatsiya usuli. Ushbu usul axborotni kodlash uchun keng polosali chiziqli chastotali modulyatsiyalangan impulslardan foydalanadi, bu yerda sinusoidal signal vaqt o‘tishi bilan chastotani oshiradi yoki kamaytiradi, ba'zan ko‘tarilish chastotasi vaqt o‘tishi bilan eksponent ravishda ortadi. Bu usulning mohiyati tashuvchi chastotasini chiziqli qonunga muvofiq sozlashdir. Bu usul radar tizimlarida va kompyuter tizimlarining ba'zi radiomodemlarida qo‘llaniladi.

Spektrni yoyishning boshqa usullarida bo‘lgani kabi, bu usul ham signalni uzatish uchun barcha ajratilgan tarmoqli kengligidan foydalanadi, bu esa uni shovqinga qarshi ishonchli qiladi. Bunga qo‘shimcha ravishda, keng polosali ulanishdan foydalanish tufayli, juda kam quvvatda ishlaganda ham ko‘p qatlamli qoplamaga chidamli. Biroq, to‘g‘ridan-to‘g‘ri ketma-ketlikning tarqalishi (DSSS) yoki chastotaning tarqalishi (FHSS) spektridan farqli o‘laroq, u signalni qisqa tutashuv shovqinidan ajratishga yordam beradigan soxta tasodifiy elementlarni qo‘shmaydi, buning o‘rniga modulyatsiya pulsining chiziqli tabiatiga tayanadi.
Chastotali modulyatsiya usuli 2,4 gigagertsli diapazonda nozik diapazon va past tezlikdagi simsiz tarmoqlar uchun ultra keng polosali bilan raqobat qilish uchun mo‘ljallangan. Tarqatishning keng diapazoni kam quvvat sarfini talab qiladigan va nisbatan past ma'lumotlar tezligini (1Mbit/s yoki undan kam) talab qiladigan dasturlar uchun idealdir. Xususan, IEEE 802.15.4a CSS-ni past tezlikdagi simsiz shaxsiy kirish tarmoqlarida (LR-WPAN) foydalanish texnikasi sifatida belgilaydi.
CSS 2,4 gigagertsli ISM diapazonida ishlaydi va maksimal ma'lumotlar tezligi 2 Mbit / s ga etadi. Har bir belgi 80 MGts tarmoqli kengligi va 1 mks belgilangan davomiyligi bo‘lgan chiziqli impuls bilan uzatiladi. CSS tizimining daromadi 17dB ni tashkil qiladi.
CSS ning afzalliklari quyidagilardan iborat:

• 
  tor chiziqlarga qarshilik;
  
• 
  keng polosali tarmoq buzilishiga qarshilik;
  
• 
  ko‘p tomonlama zaiflashuvga qarshi ishonchlilik.
  

Transmitterning asl signali qabul qiluvchiga ko‘p qatlamli tarqalish tufayli binolar va boshqa muhitlardan bir nechta aks sadolar va ko‘zgular bilan etib boradi. Ko‘zgular qabul qiluvchiga fazada yoki undan tashqarida etib boradi. Ba'zi chastotalar shartlarga qarab kuchaytiriladi yoki zaiflashadi.
To‘g‘ridan-to‘g‘ri ketma-ketlik spektrini kengaytirish usuli (DSSS). Bu asosan signal liniyasidagi umumiy shovqinlarni kamaytirish uchun ishlatiladigan modulyatsiya usuli. To‘g‘ridan-to‘g‘ri ketma-ketlik modulyatsiyasi uzatiladigan signalni ma'lumotlarning o‘tkazish qobiliyatidan ko‘ra tarmoqli kengligida kengroq qiladi.
DSSS xabar bitlari tarqalish ketma-ketligi deb nomlanuvchi psevdo-tasodifiy bit ketma-ketligi bilan modulyatsiya qilinadi. Chip deb ataladigan tarqalish ketma-ketligining har bir biti xabarning boshlang‘ich bitlariga qaraganda ancha qisqaroq davomiylikka ega (yuqori tarmoqli kengligi). Modulyatsiya xabari bitni shifrlaydi va ma'lumotlarning bo‘laklarini tarqatadi va shu bilan tarmoqli kengligining o‘lchami tarqalish ketma-ketligining o‘lchamiga deyarli bir xil bo‘lishiga olib keladi. Chipning davomiyligi qanchalik qisqa bo‘lsa, qabul qilingan DSSS signalining o‘tkazish qobiliyati shunchalik katta bo‘ladi.
DSSS signal strukturasidan foydalanadi, unda transmitter tomonidan ishlab chiqarilgan tarqalish ketma-ketligi qabul qiluvchiga allaqachon ma'lum bo‘ladi. Keyin qabul qiluvchi axborot signalini qayta qurish uchun qabul qilingan signalga ta'sirini bartaraf etish uchun bir xil tarqalish ketma-ketligini qo‘llashi mumkin.
To‘g‘ridan-to‘g‘ri ketma-ketlikning keng polosali uzatilishi uzatilgan ma'lumotni dastlabki ma'lumotlar tezligidan sezilarli darajada yuqori bit tezligiga ega bo‘lgan psevdo-tasodifiy tarqalish ketma-ketligi bilan ko‘paytiradi. Qabul qilingan uzatilgan signal audio yozuv sifatida oq audio bandga o‘xshaydi. Biroq, bu shovqinga o‘xshash signal qabul qiluvchi tomonda dastlabki ma'lumotlarni bir xil tarqalish ketma-ketligiga ko‘paytirish orqali aniq qayta qurish uchun ishlatiladi.
Ushbu usulning afzalliklari:

• 
  qasddan yoki kutilgan tiqilib qolishga qarshilik;
  
• 
  bir nechta foydalanuvchilar o‘rtasida bitta kanal almashinuvi;
  
• 
  ushlashni oldini oladigan signal / fon shovqin darajasining pasayishi;
  
• 
  uzatuvchi va qabul qiluvchi o‘rtasidagi nisbiy vaqtni aniqlash.
  

2.2. Aqlli uy uchun aloqa kanallarining chastota diapazonini tanlash

Bugungi kunga kelib, o‘z ishlarida radiokanalni ishlatadigan qurilmalar keng joriy etilmoqda. Amaldagi simsiz qurilmalar soni barqaror o‘sib bormoqda. Boshqa tomondan, radioto‘lqinlarning shakllanishi va qabul qilinishining o‘ziga xos xususiyatlariga, radioto‘lqinlarning tarqalishining o‘ziga xos xususiyatlariga bir qator cheklovlar, shuningdek, xususiy shaxslar uchun mavjud bo‘lgan diapazonlardagi qonunchilik cheklovlari mavjud va chastotalardan tijorat maqsadlarida foydalanish, ma'lum bir dastur uchun chastota diapazonini tanlash cheklangan.
Litsenziyasiz radiochastota diapazonlari butun dunyo bo‘ylab ma'lumotlar almashinuvi uchun taqdim etiladi. Chastotani tanlashda huquqiy mezonlarga qo‘shimcha ravishda, texnik omillarni ham hisobga olish kerak. Xususan, 2,400-2,4835 gigagertsli diapazon uchun ko‘proq chastotali kanallar, yuqori uzatish tezligi mavjud,va uzluksiz ishlashi mumkin.
Shuni yodda tutingki, 2,4 gigagertsli diapazonda kompyuterlar va simsiz tarmoq uskunalari, simsiz minigarnituralar, minigarnituralar kabi ko‘plab qurilmalar mavjud.
Z igBee va WiFi texnologiyasiga asoslangan aqlli uy tizimlari. Ushbu texnologiyalarning chastota diagrammasi rasmda ko‘rsatilgan (2.1-rasm). Ikkala kanal ham 2,4 gigagertsli diapazonda, aynan bir xil chastota maydonida mavjud. ZigBee tarmog‘i va WiFi tarmog‘ining bir xil chastotada ishlashi bir-birining ishlashiga xalaqit beradi.

2.1-rasm. 2,4 gigagertsli chastota diagrammasi

2.3. Aqlli uy uchun aloqa kanalini tanlashning moslashuvchan usuli
Aqlli uy tizimi uchun moslashtirilgan qisqa tutashuvni tanlash usuli - bu Aqlli uy tizimining turli modullari o‘rtasidagi aloqani tashkil qilish usuli bo‘lib, bu o‘z navbatida yuqori darajadagi shovqinlarga ega bo‘lgan chastota kanallaridan qochadi. Asosiy g‘oya faqat "yaxshi" chastotalardan foydalanish va boshqa uskunalar ishlayotgan yoki ehtimol bu chastotalar faol ravishda tiqilib qolishi mumkin bo‘lgan "yomon" chastota kanallaridan qochishdir. Ushbu usul tor polosali diapazonda ishlaydigan, ya'ni 1 MGts diapazonda ishlaydigan va 2,4 GGts diapazonda ishlaydigan qurilmalarda foydalanish uchun mo‘ljallangan.
Bundan tashqari, sukut bo‘yicha, barcha qurilmalar umumiy chastotali qisqa tutashuvdan foydalanadi, bu bir tarmoqdagi ko‘p sonli qurilmalarning bir vaqtning o‘zida ishlashiga to‘sqinlik qiladi. Axir, bunday qurilmalar hamma uchun umumiy chastotada keraksiz shovqinlarni keltirib chiqaradi, bu esa ma'lumotlarni uzatishni va ko‘p sonli qayta urinishlar va to‘qnashuvlar spektrini sezilarli darajada murakkablashtiradi. Bu, o‘z navbatida, shovqin darajasini oshiradi, u uzluksiz g‘ulg‘ulaga aylanadi va bu diapazonni ham o‘chiradi.
Chastotani skanerlash funktsiyasi Aqlli uy tizimining asosiy boshqaruvchisining birinchi ishga tushirilishida amalga oshiriladi va ma'lum vaqt oralig‘ida uning ishlashi davomida ham chaqiriladi. Skanerlash ma'lumotlari iloji boricha samarali bo‘lishi va havodagi signal darajasining barcha mumkin bo‘lgan natijalarini aks ettirishi uchun bu funktsiya tasodifiy skanerlash vaqtini yaratish usulini, ya'ni chastotaning boshlanish davrini psevdo-tasodifiy o‘zgartirishni o‘z ichiga oladi. Taklif etilayotgan usul yangi qurilmalar paydo bo‘lganda yoki chastota diapazonida shovqin tug‘diradigan xabarlar massivlarini uzatganda barcha mumkin bo‘lgan stsenariylarni hisobga oladi.
Birinchi ishga tushirishda erkin chastotalar jadvali tuziladi va boshqa barcha keyingi boshlanishlar ushbu jadval natijalarini aniqlashtirish va to‘ldirish uchun mo‘ljallangan. Shuningdek, adaptiv qisqa tutashuv tanlashni amalga oshirishda asosiy vazifa N-sonli birliklardan (erkin chastotalar nomlari) iborat va birinchi elementdan oxirgi elementgacha ustuvorlik tartibiga ega bo‘lgan ustuvor chastotalar ro‘yxatini shakllantirishdir. . Ushbu ro‘yxat olingan erkin chastotalar jadvalidan tuzilgan.
Jadvalda o‘zgarishlar mavjud bo‘lsa, bunday o‘zgarishlarning ro‘yxatga ta'siri tekshiriladi.
Ro‘yxat ketma-ket bo‘sh chastotalar diapazoni, qo‘shni chastotalar va butun chastota diapazoni bo‘ylab taqsimlanishi hisobga olinadigan algoritm bo‘yicha tuzilgan.
Chastotani skanerlash funktsiyasini bajarish jarayoni quyidagicha:
- diapazondagi barcha chastotalarni skanerlash (2,4 GGts - bepul)chastota diapazoni) 2400 MGts dan 2526 MGts gacha 1 MGts qadam va erkin va shovqinli chastotalarni aniqlash.
- har bir chastotaning o‘rtacha arifmetik qiymatini ma'lum bir vaqt oralig‘ida (TScan - skanerlash davri) bir necha chastotali skanerdan so‘ng olingan skanerlash natijalari jadvalidan aniqlash;
- signal darajasi 0,5 dan oshadigan chastotalarni skrining qilish;
- olingan ro‘yxatni tasodifiylik koeffitsienti bilan aralashtirish va dastlabki 12 chastotani aniqlash;
- olingan bo‘sh chastotalar ro‘yxatini Aqlli uy tizimining modullariga o‘tkazish.
Yaratilgan ro‘yxat barcha tarmoq qurilmalari uchun amal qiladi va shovqin bo‘lsa, asosiy chastotadagi chastota barcha ulangan qurilmalardagi ustuvor chastotalar ro‘yxatiga muvofiq o‘zgaradi. Agar yangi chastotada shovqin paydo bo‘lsa, chastota ro‘yxatga muvofiq yana o‘zgaradi. Bu sizga bir xonada (bir diapazonda) va ruxsat etilgan 2,4 gigagertsli chastota diapazonida ishlaydigan uy tarmoqlari (Wi-Fi, Bluetooth va boshqalar) bilan birgalikda bir nechta tarmoqlardan foydalanish imkonini beradi. Taklif etilgan usul shovqin immunitetini va tizimning har qanday tashqi shovqinlarga moslashishini ta'minlaydi.
2-bob bo‘yicha xulosa
Aqlli uy uchun aloqa kanallarini moslashuvchan tanlash uchun chastota spektrini kengaytirishning asosiy usullari ko‘rib chiqildi, xususan: OFDM, DFS, CSS, DSSS, FHSS, ularning kamchiliklari va afzalliklari, bu usulning asosiy funksionalligini rivojlantirishga imkon berdi.
Aqlli uy uchun aloqa kanallarini tanlash uchun chastota diapazonlarini tahlil qilindi.
2,4 gigagertsli chastota diapazonidan foydalanish chastotalardan foydalanishning huquqiy tomonini hisobga olgan holda barcha mamlakatlarda eng ochiq va keng tarqalganlaridan biri sifatida taklif etildi.
Aqlli uy uchun aloqa kanalini tanlashning tavsiya etilgan adaptiv usulining ishlash printsipi tasvirlandi.