Беспроводные технологии связи, позволяющие развертывать как глобальные и региональные (WWAN и WMAN), так и персональные (WLAN) сети – одна из наиболее быстро и эффективно развивающихся областей IT-сферы Основными преимуществами беспроводных сетей являются: гибкость архитектуры, значительная зона покрытия, мобильность. Однако мобильность объектов связи и неоднородность среды передачи создает дополнительные сложности при обеспечении качества коммуникаций (высокой достоверности передачи информации), главным образом из-за возросшей вариативности помех. В этой связи при проектировании беспроводных систем связи актуальной задачей является адекватная оценка помеховой обстановки и прогноз ее влияния на качество приема/передачи.
Целью исследования является оценка качества приема/передачи информации в условиях действия внешних помех, в том числе с учетом канальной интерференции при совместной работе мобильных устройств, реализующих различные беспроводные технологии.
Материал и методы исследования
Несмотря на стремительное развитие беспроводных сетей передачи локального и Интернет трафика, персональные беспроводные сети остаются популярными. Это связано с тем, что в данном случае для подключения к сетевой инфраструктуре и передаче данных между устройствами не нужно использовать сетевой кабель, что активно используется в автомобильной промышленности (технология hands-free); в беспроводных клавиатурах, мышках, наушниках, колонках; при развертке сетей в местах чрезвычайных происшествий и организации спасательных операций (где необходима быстрота передачи данных при минимальном количестве задействованного оборудования); при работе «в полевых условиях» (для коммуникаций при отсутствии спутниковой связи); при создания систем типа «Умный Дом» и т.д. Во всех этих случаях максимально быстрым и удобным является процесс подключения с использованием устройств Bluetooth.
В этой связи все мобильные устройства нового поколения оснащены блоками Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11) [1] и Bluetooth (стандарт IEEE 802.15) [2]. Причем WiFi, как правило, используется для беспроводного подключения пользователя к Internet, а Bluetooth работает как многоточечный радиоканал для передачи мультимедийных аудио- и видеопотоков как на терминальные стационарные компьютеры, так и на мобильные устройства.
Передача мультимедийного трафика по беспроводным сетям более подвержена влиянию различных помех. Таким образом, задача определения возможности беспроводных клиентов получать тот или иной мультимедийный поток в определенном месте сети в условиях действия помех и повышения помехоустойчивости сети является актуальной.
Кроме того, следует учитывать, что современная техника проектируется с расчетом обеспечения максимальной мобильности и малых габаритов устройств, поэтому блоки Wi-Fi и Bluetooth монтируются на одной плате, что приводит к возникновению взаимных помех, обусловленных близостью рабочих диапазонов частот: для стандартов IEEE 802.11–0,9; 2,4; 3,6 и 5 ГГц (для IEEE 802.11b) [1]; для IEEE 802.15 – 2,4–2,4835 ГГц [2]. Таким образом, при оценке помехоустойчивости WiFi и Bluetooth сетей необходимо учитывать канальную интерференцию этих двух стандартов.
Под помехой понимается любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Сигнал на входе канала связи Fm может быть представлен как линейная комбинация базовых векторов [3]:
(1)
В случае дискретного канала, как правило, один из ai = 1, другие, соответственно, нулю. Для приемников различных двух сигналов S1 и S2 – базисные вектора. На вход приемника устройства приходит либо: x1 = S1(t) + ξ1(t), либо: x2 = S2(t) + ξ2(t), где ξi(t) – сигнал помехи. Вероятность ошибки приемника в составе двоичного симметричного канала:
(2)
где σ – заданное среднеквадратичное отклонение. Это выражение оценивает вероятность ошибки Рош как вероятность того, что проекция вектора помехи на вектор разности 
примет значение, превышающее 
, где d – длина вектора 
. В этом случае конец вектора 
(при передаче сигнала S1) окажется в пространстве второго сигнала 
, и информация будет искажена.
При замене переменной 
получим ξn = σz и dξn = σdz. Тогда
(3)
где 
и 
– функция Крампа для нормированной величины z(0, 1) с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией. При частотной модуляции (применяемой в устройствах Bluetooth) S1(t) и S2(t) считаются ортогональными и
а 
(4)
Теоретический график зависимости Pош (в пределах изменения Рош = [0,001; 0,1]) от соотношения сигнал/шум 
изображены на рис. 1.
Рис. 1. Теоретическая зависимость ошибки приемника от соотношения сигнал/шум 
В данной работе проводится исследование влияния помехи типа белый шум, возникающей в беспроводной персональной Bluetooth-сети, работающей на частоте 2,4 ГГц, при передаче голосового сигнала на короткие расстояния с учетом влияния WiFi-сети, стандарта IEEE 802.1b, поддерживающий частоты 2,4 и 5,5 ГГц и скорость передачи до 11 Мбит/с.
Аддитивная флуктуационная помеха типа белого шума используется как модель наиболее тяжелого вида помехи в каналах связи. Плотность распределения вероятности белого шума подчиняется нормальному закону. Энергетический спектр помехи равномерен в полосе частот сигнала, и мощность белого шума на выходе канала связи Pξ = N0f [Вт], где N0 – спектральная плотность мощности белого шума [Вт/Гц].
Исследование влияния помех на качество передачи звука в системе Bluetooth велось методом математического моделирования с применением встроенного MatLab Demos Bluetooth Voice Transmitter, трансформированного в соответствии с задачами исследования [4].
Топ-уровень модели Bluetooth Voice Simulink, включает: Master Transmitter – передающее устройство, например, смартфон), AWGN (модель радиоканала, в котором действует «белый шум», Free Space Path Loss – имитатор длинной беспроводной линии, определяющий потери в свободном пространстве, 802.11b Interferer – модель источника помехи в виде передатчика, работающего по протоколу Wi-Fi IEEE 802.11b, Slave Receiver – приемник подчиненного узла (принимающее устройство).
При построении модели передатчика сигнала учитывалось, что все реальные передаваемые в системах связи непрерывные сообщения отражают процессы, основная часть спектра которых сосредоточена в конечном интервале частот. Это объясняется частотными свойствами источников сообщений и абонентов (получателей сообщений), являющихся реальными физическими системами. Начиная с некоторой частоты, высокочастотные составляющие спектра сообщения оказываются значительно ниже уровня помех и не воспринимаются получателем. В таком случае все реальные непрерывные сообщения можно рассматривать как функции с ограниченным спектром, т.е. таким, в котором не содержится частот выше некоторой граничной частоты fc.
В соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста-Шеннона) сигнал, имеющий конечный (ограниченный по ширине) спектр, может быть восстановлен с заданным качеством по своим отсчетам, взятым с частотой, строго больше удвоенной верхней частоты fc. Теорема справедлива и для случая, когда непрерывное сообщение х(t) имеет спектр, заключенный в ограниченной полосе частот от fн до fв. В частности, при передаче в системе Bluetooth звукового сигнала, имеющего диапазон частоты f = [0,3–3,4] КГц, полоса частот ∆f = 3,4–0,3 = 3,1 КГц [2]. В этом случае отсчеты следует брать через интервал времени [3]
(5)
где Δfсп = (fв–fн) – ширина спектра функции.
В рассматриваемом случае звукового сигнала ∆f = 3,1 кГц и время дискретизации:
(6)
где η = [1,1; 1,2] – инженерный коэффициент, учитывающий неидеальность устройств восстановления. Частота дискретизации 
, а скорость передачи v = 8 бит∙8 Кгц = 64 Кбит/с.
Кроме того, при постановке модельного эксперимента учитывалось, что на качество передачи в значительной степени влияет затухание в свободном пространстве между передатчиком и приемником, которое определяется по формуле [5]:
[дБ], (7)
где L0 – затухание; l – расстояние, для которого это затухание считается; f – частота; с – скорость света. Разрешив (7) относительно расстояния l, получим формулу для определения дальности передачи:
(8)
В рассматриваемой модели Bluetooth существует возможности задания потерь в свободном пространстве при распространении волны как через заданное затухание от 10 до 40 дБ, так и через заданные частоту и дальность передачи.
Результаты исследования и их обсуждение
Как отмечалось, для радиообмена устройства Bluetooth используют диапазон частот 2400–2483,5 МГц. Емкость этой полосы частот – 79 подканалов с шириной полосы пропускания равной 1 МГц. Несущая частота подканалов fk = 2402 + k (МГц), где k = 0, ..., 78. Таким образом, для центрального 39 канала несущая частота fk = 2402 + 39 = 2441 МГц, для терминального 79 канала – fk = 2402 + 78 = 2480 МГц.
Затухание в свободном пространстве при l = 2 м (традиционное расстояние, на которое работает Bluetooth на практике) из (8): для 39 канала L0 = 40,19312 дБ, для 79 канала – L0 = 40,3264 дБ.
Дальность передачи при L0 = 40 дБ из (7): для 39 канала дальность передачи l = 0,978011 м, для 79 канала l = 0,996119 м.
При отсутствии канальной интерференции ошибка приемника в составе двоичного симметричного канала передачи звука по Bluetooth (при изменении Pош в диапазоне от 10–1 до 10–3) характеризуется полученной в результате модельного эксперимента зависимостью, представленной на рис. 2. Спектрограмма процесса передачи звука по Bluetooth на 39 канале при соотношении сигнал/шум 
представлена на рис. 3.
Для учета канальной интерференции устройств WiFi и Bluetooth в модель встроен блок 802.11b Interferer – модель источника помехи в виде передатчика, работающего по протоколу Wi-Fi IEEE 802.11b в расширенном диапазоне частот (2,4…5,5 ГГц).
Как показало моделирование, работа WiFi по протоколу IEEE 802.1b (на частоте 5,5 ГГц) не привносит существенной ошибки при передаче звуковых сигналов в системе Bluetooth. При этом функция зависимости ошибки приемника в составе двоичного симметричного канала передачи звука по Bluetooth (в диапазоне Pош = [10–1 до 10–3]), полученная в результате моделирования, утрачивает гладкость (рис. 4). Это объясняется изменением физики процесса, что наглядно подтверждается полученными спектрограммами (рис. 5).
Рис. 2. Зависимость ошибки приемника от соотношения сигнал/шум 
при отсутствии канальной интерференции
Рис. 3. Спектрограмма принимаемого звукового сигнала при соотношении сигнал/шум 
в отсутствии канальной интерференции
Рис. 4. Зависимость ошибки приемника от соотношения сигнал/шум 
в условиях наличия канальной интерференции
Рис. 5. Спектрограмма принимаемого звукового сигнала при соотношении сигнал/шум 
в условиях канальной интерференции
Выводы
В данной работе были рассмотрены вопросы помехоустойчивости каналов передачи информации по технологии Bluetooth, применяющейся в большинстве типов электронных устройств для обеспечения беспроводной связи с терминальными устройствами. Благодаря высокой скорости обмена данными стандарт Bluetooth используется для организации беспроводной альтернативы USB-соединению при передаче мультимедийного потока, в наибольшей степени подверженного влиянию помех. Одним из факторов, снижающих помехоустойчивость систем связи, является канальная интерференция вследствие взаимного влияния устройств, реализующих беспроводные технологии в близком частотном диапазоне.
В результате модельного эксперимента было выяснено, что влияние работы WiFi по протоколу 802.11b на вероятность появления ошибок приемника Bluetooth не превышает 0,01 %, однако физика процессов различна, что продемонстрировано спектрограммами. Это объясняется существенным разбросом рабочих частот (в два раза). Очевидно, что изменение рабочей частоты WiFi в меньшую сторону (что соответствует большинству применяемых на практике протоколов) повлечет существенное увеличение ошибки приема, что необходимо учитывать при выборе оборудования при проектировании беспроводных систем связи в условиях действия внешних и внутренних помех.
Рецензенты:
Труфанова Н.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой конструирования и технологий в электротехнике, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь;
Южаков А.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автоматика и телемеханика», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 06.03.2014.