Активная беспроводная

сверхширокополосная

сенсорная сеть на основе

хаотических сигналов

Андреев Юрий, вед. науч. сотрудник Ефремова Елена, вед. науч. сотрудник

МФТИ, Лаборатория беспроводных технологий

МОСКВА, 2016

Проблема

Задача: Беспроводная передача данных в локальных бытовых

и промышленных сетях

Проблемы, возникающие при решении этой задачи с помощью

существующих технологий (WiFi, Bluetooth, ZigBee):

• Перегруженность частотного диапазона 2,4 ГГц

• Необходимость увеличения срока автономной работы (снижение

энергопотребления) устройств

• Обеспечение одновременной передачи данных с большого числа

устройств, распределенных на большой территории

• Передача данных разных типов (технические данные, изображения, речь,

видео)

Варианты реализации сетевых устройств:

• базовая станция• ретранслятор• активная беспроводная метка• актуатор• сенсорный модуль• акустический модуль• шлюз Bluetooth

Решение: Сверхширокополосная беспроводная сеть связи на основе хаотических сигналов

Характеристика Значение

Тип несущей хаотические колебания

Диапазон частот 3–5 ГГц

Ширина полосы частот 2 ГГц

Скорость передачи (физическая) 3-6 Мбит/с

Дальность 30 м

Напряжение питания 3,3 В

Потребление (64 Кбит/с, передача / ретрансляция)

2,5 мА / 3,5 мА

Потребление (1 Мбит/с, передача / ретрансляция)

14 мА / 30 мА

Интерфейсы USB, SPI, UART

Топология сети Ad-hoc mesh

Беспроводная СШП технология передачи данных. Тип несущей - СШП хаотические колебания. Соответствует стандартам IEEE 802.15.4a и IEEE 802.16.

Решение: Сверхширокополосная беспроводная сеть связи на основе хаотических сигналов

Bluetooth сетьШлюз

Bluetooth

Базовая станция

Активная RFID метка

Актуатор

СенсорРетранслятор

Активная беспроводная сеть

• Незанятый нелицензируемый диапазон частот 2.85-10.6 ГГц

• Быстрое развертывание, большая площадь покрытия за счет сетевой структуры

• Самоорганизующаяся mesh-сеть произвольной топологии

• Скорость передачи: единицы Мбит/с

• Устойчивая работа в условиях многолучевого распространения

• Низкая спектральная плотность мощности излучения, экологическая безопасность

• Масштабируемость по скорости, дальности• Изменение функциональности путем

добавления датчиков и актуаторов

Преимущества

Сравнение с конкурентами

Характеристика Wi-Fi ZigBee Bluetooth Хаос

Скорость, Мбит/с 300 0,25 3 6

Частотный диапазон, ГГц 2,4 / 5.1 2,4 2,4 3–5

Энергопотребление, мА 100 20-5015 (256 Кбит/с) /

25-303-50

Расстояние 100 100 10 30

Топология сети звезда mesh звезда, пиконет mesh

Количество узлов 32 64К 7 64К

Устойчивость к многолучевому распространению / Размах отклонений, дБ

низкая / 25-30 низкая / 25-30 низкая / 25-30 высокая / 1,5-2

Достоинствавысокая скорость

малая мощность излучения,

потребление, цена

помехо-защищенность, передача речи

низкая спектральная плотность,

незанятый диапазон, устойчивость в

многолучевой среде,масштабируемость

Недостаткипотребление,

сложностьнедостаточная скорость в сети

топология сети, скорость

средняя скорость

Сфера применения – Интернет вещей (IoT)

Самый крупный рынок устройств в мире

Среднегодовой рост более 60%Совокупный объем затрат –

1,7 трлн. долл. (к 2019 г. )24 млрд. устройств к 2020 г.

BI Intelligence2015 2020

Количество устройств IoT

5 млрд.

25-38 млрд.

Объем инвестиций – 97 млрд. долл. Экономическая выгода – 421 млрд. долл.

(к 2019 г., Business Insider)

в России за 10 лет выгода от внедрения IoT – 200 млрд. долл.

Matthew Smith, топ-менеджер (Cisco )

Juniper Research

Сферы применения технологии

• Промышленный интернет вещей (IIoT)• Ключевые игроки – General Electric, Siemens и Honeywell International.

К 2030 г. объем этого рынка превысит 14 трлн. долл. (Accenture).

• Взаимодействие машина-машина (M2M)• К 2020 г. M2M-соединения – 26,4% мобильных устройств (2015 г. — 7,7%).

• Носимые устройства и сети медицинского назначения (WBAN)• К 2020 г. число носимых устройств – 600 млн. шт. (в 2015 г. – 97 млн. шт.) (Cisco ).

Устройства на основе предложенной технологии не нуждаются в лицензировании, т.к. используют

нелицензируемый частотный диапазон (разрешен к использованию в России 2,85-10,6 ГГц;

в США 3,1-10,6 ГГц, в Европе 6-8 ГГц)

• СШП радиочастотные идентификаторы (радиометки, RFID)

• Микросхемы генераторов хаоса, микросхемы полнофункционального приемопередатчика (СШП прямохаотического радиоканала)

• Носимые устройства

• Сети мониторинга сооружений, «периметра», окружающей среды

• Системы типа «умный дом», «умный склад»

Примеры возможных продуктов

Текущее состояние• Разработан базовый набор устройств на основе

технологии: приемопередатчик, ретранслятор, активная метка, акустический модуль, шлюз для сетей Bluetooth.

• ПО, реализующее алгоритмы самоорганизации, передачи данных, управления сетью, отображения ее структуры, и т.п.

• Организовано мелкосерийное производство.• Разработан комплект ЭКД и ПД. • Проведены испытания самоорганизующейся активной

сети.

Защита интеллектуальной собственности• Около 10 российских и зарубежных патентов на

базовую технологию прямохаотической связи и отдельные технические решения.

Текущее состояние

Команда – финалист конкурса Сколково в области Мобильного диагностического устройства (проект i-Bolit)2012 г.

Золотые медали 4-ой Международной Ближневосточной ярмарки изобретений в Кувейте

Выполнены проекты по грантам ФЦП, РФФИ, ОФН РАН, ФСИ

Большой опыт ПНИЭР в области: • радиосвязи, динамического хаоса, антенн; • уникальный опыт разработки генераторов хаоса

различных диапазонов радиочастот;• проектирования радиоустройств; • программирования МК; • разработки и программирования алгоритмов

управления беспроводной сетью.

Основные достижения

Матрица готовности проекта

TPR

L

Технологическая

готовность

Инженерная

готовность

Производствен

ная готовность

Операционная

готовность

Преимущества и

риски

Рыночная

готовность

9Улучшение и

эволюция изделия

Рабочая

документация

Основное и

вспомогательное

производство

Поддержка

производства,

сервиса, снижения

издержек

Мониторинг

конкурентовВывод на рынок

8Продукт в составе

системыДоработка моделей

Отработка

стабильного

пилотного

производства

Оргподготовка

производства и

сервиса

Подписаны

соглашения с

партнерами

Отработка

замечаний

заказчиков

7Продукт в составе

макета системы

Конструкторская

подготовка

CAD/CAM

Технологическая

подготовка

производства

Соглашения со

стейкхолдерами

Подписаны

лицензионные

договоры

Предварительный

вывод на рынок

6Полнофункциональ-

ный образец

Изготовление на

пилотной линии

Состав пилотной

производственной

линии

Обученный персонал

Заявки на патенты.

Технические риски

сняты.

Точные

спецификации

продукта

5Образец в реальном

масштабе

Режимы пилотного

пр-ва.

Изготовление в

реальных условиях

Уточненная бизнес-

модель

Уточненные

преимущества

Уточненная бизнес-

модель

4Лабораторный

образец

Интеграционные

интерфейсы

Базовая технология

производства

Требования к

сервисной

поддержке

Стратегия защиты

ИС

Поставщики и

партнеры, ценовая

политика

3 Макетный образецПроверка

совместимости

Выбор производить \

заказывать

Уточненные

технические

требования к

продукту

План снижения

рисков

Конкурентное

окружение

2 Области примененияАнализ влияния на

всю систему

Оценка доступности

материалов и

процессов.

Партнерское

окружениеПатентный анализ

Ценностное

предложение

1Фундаментальная

концепция

Требования к

инженерным

ресурсам

Базовые требования

к производству.Схема базовых

бизнес-процессов

Первоначальная

оценка преимуществ

и рисков

Оценка полезности

Инструмент оценки готовности технологического продукта к использованию крупным бизнесом

Уровень по параметру достигнут

Результаты частично достигнуты, но

соответствующий уровень еще не достигнут

B2B – Промышленные предприятия, интеграторы

• Продажа лицензий и/или патентов на технологию прямохаотической связи

• Производство (аутсорсинг) и прямая продажа комплектов аппаратуры для организации активных беспроводных сетей (приемопередатчики, ПО, документация)

• Производство и продажа микросхем генераторов хаоса • Консультации• Выполнение НИОКР

• Нужны: партнеры с компетенцией по выводу продукта на рынок

Возможные модели коммерциализации

Приглашаем к сотрудничеству

• Промышленные предприятия- производители

• Разработчиков приложений

• Экспертов по продвижению и выходу на рынок

Предложение партнеру

Руководитель проекта Дмитриев А.С., д.ф.-м.н., профессоруправление командой, проведение переговоров

Основные разработчики продукта –

• Ефремова Е.В., д.ф.-м.н., формирование и обработка СШП сигналов, разработка микросхем

• Андреев Ю.В., к.ф.-м.н., разработкаинформационно-коммуникационных систем

• Лазарев В.А. , к.ф.-м.н. , разработка hardware

• Попов М.Г. , разработка ПО

Команда

Консультант, технологический брокер: Николай Бобров

Научные сотрудники МФТИ и ИРЭ РАН, аспиранты и студенты МФТИ3 доктора физ.-мат. наук, 2 кандидата физ.-мат. наук

Контакты

Андреев Юрийведущий научный сотрудник

Московский физико-технический институттел.: +7 916 145 8572, email: andreev.iuv@mipt.ru

Ефремова Еленаведущий научный сотрудник

Московский физико-технический институт,Институт радиотехники и электроники РАН

тел.: +7 495 629 72 78, email: efremova.ev@mipt.ru

ПРОГРАММА РАЗВИТИЯИННОВАЦИОННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

Андреев ЮрийТел. +7 916 145 8572

email: andreev.iuv@mipt.ru