CC BY
23
МОЛОКОВСЬКИЙ 1.О., астрант (ДонНТУ); ТУРУПАЛОВ ВВ., професор (ДонНТУ); ШЕБАНОВА Л.О., доцент (ДонНТУ).
Аналiз технологiй бездротового зв'язку у технолопчних мережах про-мислових п1дприемств
Актуальшсть питания
Зростання мехашзацп виробничих процеав в шахтах частiше висувало на переднш план проблему створення бездо-ганного зв'язку мiж рiзними групами працюючих. З часом виявилися три основы пункти, на яких необхiдно було полiпшити вiдомi засоби зв'язку:
1. Шахтш стовбури, в яких особливо необхщна передача повщомлень при оглядах i ремонтних роботах.
2. Головш штреки зi зв'язком мiж машинiстами локомотивiв i гiрськими майстрами по вiдкочуванню.
3. Лава зi зв'язком мiж персоналом нагляду, робочими мехашчною i електро-механiчною службою i рештою обслуго-вуючого персоналу очисного забою.
При цьому вважалося бажаним, щоб вс працiвники, що виконують функцп нагляду i контролю, у будь-який час могли зв'язатися один з одним i з централь-ним диспетчерським пунктом. Тому в якосп засобу зв'язку можна використо-вувати бездротовий радюзв'язок, який не вимагае вживання додаткових установок при розширенш мереж пiдземних вироб-лень i яким може користуватися кожний працiвник, що мае приймач, незалежно вщ свого мiсцезнаходження. Проте умови розповсюдження електромагнiтних хвиль в шахтах в порiвняннi з поверхнею наба-гато менш сприятливi. Надiйний радюзв'язок можливий в прямолiнiйних гiрських виробленнях звичайно лише в межах видимость Затухання i вщдзерка-лення радюхвиль кам'яним вугiллям, бiчними породами i крiпленням сильно обмежують дальнiсть дп радiозв'язку. Ав-
торами вже розглядалися деяю питання розповсюдження радiохвиль у попередшх статтях [7,8]
Постановка завдання
Бездротовi локальнi мережi все бшьше користуються популярнiстю. Про-тягом декшькох рокiв вони проходили процес стандартизацп, пiдвищувалася швидкiсть передачi даних. Сьогодш безд-ротовi мережi дозволяють надавати тдключення там, де неможливе кабельне з'еднання або необхiдна повна мобшь-нiсть. При цьому бездротовi мережi сумiснi з кабельними мережами. Останш розробки в областi бездротового зв'язку привели до появи на ринку пристро!в ново! специфшаци стандарту - IEEE 802.11g. Нове устаткування дозволяе передавати данi на швидкостях до 54 Мбiт/с i працюе в дiапазонi частот 2.4 ГГц - тому ж, що i пристро! стандарту IEEE 802.11b. Це дозволяе забезпечити сумюшсть iз стандартом IEEE 802.11b i використати в нових мережах старе устаткування. Саме задля цього у статл розглянуте питання впро-вадження цих технологий у промислових телекомушкацшних мережах.
Основна частина
Бездротовi мереж дозволяють працювати i дiставати доступ до потрiбноi шформацп. Де б не знаходилась точка доступу, абонентський комплект не прив'я-заний до провщно! комп'ютерно! мережi. Робоча станщя завжди в мережi, i не по-трiбно для цього тдключати мережний шнур. Можна пересуватися по дшянщ, де
е покриття i постiйно залишатися пщклю-ченим до мережа
Bci бездротовi мережi пщтримують як режим iнфраструктури (пiдключення через точку доступу), так i режим ad-hoc (настройка роботи без вживання точки доступу). Можна додавати нових кори-стувачiв у будь-який час i встановлювати новi вузли мережi в будь-якому мiсцi i без використовування мережних шнурiв. Бездротовi мережi також можуть бути встановленi там, де прокладка мережних кабелiв ускладнена.
Робочи, що мають переноснi або-нентськi комплекти, можуть додаватися без попршення продуктивност мережi. Перевантаження мережi трафiком можна легко уникнути додаванням точки доступу для скорочення часу вщгуку мережi.
Завдяки пщтримщ роумiнгу мiж точками доступу, користувачi можуть продовжувати працювати з ресурсами мереж навiть пiд час перемщення по тери-торп, де е покриття бездротово'' мережi.
Безпека залишаеться суперечним питанням, коли даш передаються не по дротах. Даш, яю передаються по повгтрю, можуть бути перехопленi, якщо вони не захищенi схемою забезпечення безпеки. Мехашзм шифрування даних грунтуеться на алгоритмi загального ключа, як це опи-суеться в стандарт на бездротовi мережi.
Бездротовi мережi повиннi строго вiдповiдати стандартам. Це гарантуе, що ви можете взаемодiяти з шшими бездро-товими пристроями. Далi розглянемо ос-новнi бездротовi технологи.
Технологiя Bluetooth. Основна щея технологи - надання можливостi легкого i зручного бездротового з'еднання мiж собою рiзних пристро'в на малих вщстанях. Протокол Bluetooth пщтримуе як з'еднан-ня типу точка-точка, так i точка-точки. Два або бшьш пристро'в, якi використо-вують один i той же канал, утворюють пiкомережу (piconet), при цьому один з пристро'в працюе як основний (Master), а iншi - як пiдлеглi (Slave). В однш ткоме-
режi може бути до семи активних пщлег-лих пристро'1'в, при цьому решта пiдлеглих пристро'1'в знаходиться у сташ "паркуван-ня", залишаючись синхронiзованими з ос-новним пристроем.
Технологiя використовуе невелик приймачi-передавачi малого радiусу ди, що працюють на нелiцензiйованiй в бшь-шостi краш частотi 2.45 ГГц i використо-вують метод розширенням спектру FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum -стрибкоподiбна перебудова частоти, 1600 стрибюв/сек., пакетна передача з тимча-совим мультиплексуванням, 79 робочих каналiв). Радiоканал забезпечуе швидкють 721 Кбiт/с. Залежно вiд потужност пере-давача, пристро'1 Bluetooth дшяться на три класи:
Клас 1 -до 100 мВт (максимальна дальшсть на вщкритому просторi до 100 м);
Клас 2 - до 2,5 мВт (максимальна дальшсть на вщкритому простер до 15 м);
Клас 3 - до 1 мВт (максимальна дальшсть на вщкритому просторi до 5м).
Для визначення моделi поведшки при встановленнi з'еднання мiж рiзними типами пристро'1'в вводиться поняття "профшь". Термiн "профшь" означае набiр функцiй i можливостей, яю використовуе Bluetooth як механiзм транспортування. Спещальна робоча група Bluetooth SIG визначае декшька стандартних профiлiв, серед них:
• Generic Access Profile (Профшь загального доступу) - основний профшь Bluetooth, що вщповщае за пщтримку зв'язку мiж пристроями, виявлення шших доступних профiлiв, а також за безпеку;
• Service Discover Application Profile (Профшь додатку виявлення послуг) - дае можливють визначати, яю послуги Bluetooth доступш при робот! з даним пристроем;
• Serial Port Profile (Профшь послщовного порту) - дозволяе пристроям Bluetooth емулювати послщовний порт ПК i використовуеться багатьма профшя-ми бшьш високого рiвня;
• Generic Object Exchange Profile (Профшь загального обмшу об'ектами) -дозволяе додаткам обмшюватися даними безпосередньо, без використовування IP;
• Object Push Profile (Профшь примщення об'екту в стек) - управляе об-мшом електронним контентом у формат vCard, vCalendar, vNote i vMessage;
• Headset Profile (Профшь гарштури) - забезпечуе бездротове з'еднання пристрою з гарштурою, оснащеною ди-намiком i мшрофоном.
Готовi модулi i пристро'1 Bluetooth, залежно вщ призначення, можуть тдтри-мувати все, або тiльки частина стандарт-них профiлiв.
Основнi переваги технологи:
• простота використовування гото-вих модулiв;
• малi розмiри;
• безпека передачi шформацп (аутентифшащя, кодування);
• високий рiвень стандартизацп.
Основнi недолiки технологи:
Порiвняння
• неможливiсть побудови мереж складно! топологи;
• бшьше (в порiвняннi з мережами ZigBee) енергоспоживання [11].
Технолопя Wi-Fi, або RadioEthernet IEEE 802.11, - це перший промисловий стандарт для оргашзаци бездротових ло-кальних мереж (Wireless Local Area Networks - WLAN) на обмеженш тери-тори, тобто коли декшька абонентiв ма-ють рiвноправний доступ до загального каналу передачi даних . Стандарт був ро-зроблений 1нженерним iнститутом елек-тротехнiки i радiоелектронiки (Institute Electrical and Electronics Engineers - IEEE) i може порiвнюватися iз стандартом 802.3 для звичних дротяних Ethernet мереж.
У даний час юнуе безлiч версш цього стандарту - IEEE 802.11(a,j,n,r), на практищ найбiльш часто використову-ються всього три, визначених як 802.11b, 802.11g i 802.11a.
Таблиця 1
стандартiв Wi-Fi
" ———Стандарт Показники "—— 802.11b 802.11g 802.11a
Кiлькiсть використовуваних каналiв 3 3 8
Частотний дiапазон, ГГц 2,4 2,4 5
Максимальна швидкiсть даних, Мит/с 11 54 54
Основш переваги технологи:
• простота використовування гото-вих модулiв;
• легкють штеграци з iснуючими дротяними мережами (LAN);
• висока швидкють передачi шформацп;
• безпека передачi шформацп (64/128-бiтне шифрування).
Основш недолши технологи:
• бiльш висока (в порiвняннi з шши-ми бездротовими мережами) щна на устаткування;
• бшьше (в порiвняннi з шшими бездротовими мережами) енергоспоживання;
• обмежений радiус ди.
Технологiя ZigBee. Стандарт бездротового зв'язку ZigBee призначений для використовування в системах збору даних й управлiння. Його основш девiзи - мале енергоспоживання, надшшсть передачi даних, захист шформацп, сумюшсть при-стро'1'в рiзних виробниюв.
Мережi ZigBee називають мережами, що самоутворюються i самовщнов-люються, оскiльки ZigBee-пристроi при
включенш живлення завдяки вбудованому програмному забезпеченню вмiють самi знаходити один одного i формувати мережу, а у разi виходу з ладу якого-небудь з вузлiв вм^ть встановлювати новi маршрути для передачi повiдомлень. Таким чином, технолопя Zigbee може бути використана як для реалiзащi простих з'еднань "точка-точка" i "зiрка", так i для утворення складних мереж з топологиями "дерево" i "комiрчаста мережа".
Швидкiсть передачi даних разом iз службовою iнформацieю в мережах Zigbee складае 250 кбiт/c.
Технолопя ZigBee мае частотнi ка-нали в дiапазонах 868МГц, 915МГц i 2,4 ГГц. Найбiльшi швидкостi передачi даних i щонайвища перешкодостiйкiсть досяга-ються в дiапазонi 2,4ГГц, тому бшьшють виробникiв мiкросхем випускае приймачь передавачi саме для цього дiапазону, в якому передбачено 16 частотних каналiв з кроком 5 Мгц.
Радiус обхвату пристро'1'в Zigbee за-лежить вiд дуже багатьох параметрiв, але в першу чергу - вщ чутливостi приймача i потужносп передавача. На вiдкритому просторi вщстань мiж вузлами в мережi Zigbee вимiрюеться сотнями метрiв, а в примщенш - десятками метрiв. При цьому слщ пам'ятати, що зона покриття ZigBee значно ширше, шж вiдстань мiж вузлами, оскiльки за рахунок ретрансляцп повiдомлень здiйснюеться нарощування мережi .
Для створення Zigbee-мережi мож-ливо використовувати два рiзнi пiдходи. Якнайменша собiвартiсть кiнцевого виро-бу досягаеться при розробцi проекту на базi мiкросхем-приймачiв-передавачiв. При цьому компанп виробники мiкросхем надають розробникам рiзнi варiанти бiблiотек для реалiзацii протоколiв Zigbee. З другого боку використовування готових ZigBee-модемiв дозволяе виконати ро-зробку в дуже коротю термiни, оскiльки при цьому не вимагаеться витрачати час на розробку високочастотних ланцюгiв i
значно спрощуеться розробка програмно-го забезпечення.
Технологiя NanoNET базуеться на використовуваннi лшшно-частотнох мо-дуляцп (Chirp Spread Spectrum), як методу, перевiреного самою природою. Дельфши i кажани користуються лшшно-частотними iмпульсами для визначення свого мюцеположення.
Приймачi-передавачi компани
Nanotron дiапазону 2.4 ГГц призначенi для бездротово'1' передачi даних в системах мошторингу i управлiння, домашньо'1' автоматизации охоронних системах, - скрiзь, де продуктивносп ZigBee i Bluetooth стае не достатньо, а пристро'1' Wi-Fi не можуть застосовуватися через високе енергоспо-живання [9].
Основними особливостями прийомо-передатчиюв Nanotron е можливють пере-давати данi на достатньо високих швидко-стях (до 2 Мб^/с) i бiльш висока перешко-достiйкiсть в порiвняннi з шшими техно-логiями дiапазону 2,4 ГГц. Дальнють пере-дачi на вщкритому просторi складае сотнi метрiв. Також ця компанiя запропонувала приймачi-передавачi Nanotron nanoLOC TRX, якi додатково волод^ть функцiею визначення мiсцеположення. Об'еднання в одному кристалi функцiй бездротово'1' пе-редачi даних i визначення мюцеположення вiдкривае новi можливостi для систем радючастотно! щентифшаци i збору даних.
Лшейно-частотна модуляцiя (Chirp Spread Spectrum), що використовуеться приймачами-передавачами Nanotron, е одним з методiв розширення спектру i дозволяе тдвищити перешкодостiйкiсть за рахунок того, що потужшсть сигналу "розмиваеться" по спектру, i при дп перешкод фшсованох частоти втрачаеться тiльки частина сигналу, який передаеться, так що двшкова шформащя може бути потiм вiдновлена в приймачг
Лiнiйно-частотнi iмпульси, що вико-ристовуються приймачами-передавачами Nanotron для передачi двiйкових даних, мають фiксовану тривалiсть i лшшно
наростаючу або спадаючу несучу частоту. Ширина частотного каналу, що викори-стовуеться, при цьому складае 64 Мгц i значно перевищуе ширину частотних ка-налiв таких технологiй як ZigBee i Bluetooth, яю також використовуються для бездротово'1' передачi в даному дiапа-зонi. Це дае можливiсть приймачам-передавачам Nanotron працювати на бшьш високих швидкостях i з бшьш високим ступенем надшносп передавати даш в умовах складно! перешкоджувально'1' обстановки.
У порiвняннi з технологиею Wi-Fi, яка також мае широку смугу частотного каналу, приймачi-передавачi Nanotron мають краще спiввiдношення мдальнiсть передання / швидюсть передання / енерго-споживання" завдяки тому, що первинна обробка лшшно-частотного iмпульсу ви-конуеться аналоговим способом. Таким чином, приймачi-передавачi Nanotron мо-жуть використовуватися у переносних пристроях, що працюють вщ батарей.
Формування ЛЧМ-сигналу, що пе-редаеться i приймаеться, та обробка здшснюються за допомогою дисперсшно'1' лши затримки, виконано'1' на базi ПАВ-фiльтра. Ефективна ширина спектру сигналу, що передаеться, складае 64 Мгц, що дае можливють одержати високi швид-костi передачi при фiксованому рiвнi по-милок. З другого боку, така ширина спектру не дозволяе використовувати бшьше двох мереж в одному примщенш.
Основними особливостями прий-мачiв-передавачiв NanoNET TRX е швид-кiсть передачi до 2 МбЫс, радiус дп до 900 метрiв на вiдкритому просторi i вбу-дованого MAC-контролера з тдтримкою рiзних методiв доступу до середовища пе-редачi. Потужнiсть передавача може змшюватися в межах вiд 1 мкВт до 6.3 мВт.
Для створення мережних додаткiв на базi приймача-передавача nanoNET TRX компанiя Nanotron пропонуе використовувати один з двох пакетв програмного
забезпечення залежно вщ складности бездротового з'еднання: "Driver software" або "Portable Protocol Stack (PPS)". Обидва пакети надаються в початкових кодах на мовi Ci. Пакет "Driver software" забезпе-чуе управлшня режимами роботи прийма-ча-передавача i мiстить функцп для прийому i передачi повiдомлень. Пакет PPS дозволяе реалiзувати складнi мережнi топологи. Конф^уращя протоколу за-даеться вiдповiдно до вимог додатку.
На базi приймача-передавача nanoNET TRX i пакету PPS можуть бути реалiзованi рiзнi мережш топологи з пiдтримкою прямого i випадкового доступу до середовища передача Прямий доступ може бути реалiзований за схемою з тимчасовим роздшенням (TDMA), або за схемою "майстер - вiдомий". Випадковий доступ - по методу множинного доступу з виявленням несучо'' i запобiганням тшзш (CSMA/CA). Виявлення несучо'1 в остан-ньому випадку може бути реалiзовано апаратними засобами приймача-передавача i програмними в PPS. Мережа може бути простою, або такою що скла-даеться з декшькох тдмереж, що дозволяе збiльшити загальний радiус ди вше'' ме-режi.
1нститут iнженерiв електротехнiки i електронiки IEEE 28 березня 2007 затвердив новий стандарт для фiзичного рiвня бездротово'1 передачi даних IEEE 802.15.4a для систем з тдвищеним рiвнем перешкод. Технологiя CSS компани Nanotron вибрана в цш специфшаци як базова.
Висновки
При розглядi сучасних бездротових технологий була обрана технология пiд назвою Nanonet. Це нова технология. Ïï бу-ло вибрано так як у не'1 робоча частота дорiвнюе 2,4 ГГц, швидюсть передачi ш-
формаци на вщкритому просторi складае 2 Мбiт/с та максимальний радiус дп 900 метрiв. Також потужнiсть передавача мо-же складати 1 мкВт, що дуже важливо при використаннi в умовах небезпечних по викиду газу та пилу. У цю технологiю за-кладений принцип лшейно-частотно'1' мо-дуляци, що забезпечуе краще стввщно-шення «дальшсть передачi / швидкiсть передачi / енергоспоживання».
Список л1тератури
1. Молоковський 1.О. «Дослщження телекомунiкацiйних систем для технологичного зв'язку в умовах вугшьних шахт» - Магистерская квалификационная работа. - ДонНТУ, 2008. - 86с.:ил.
2. Радиосвязь под землей/ [Электронный ресурс]: Радиосвязь под землей на излучающем кабеле для создания телекоммуникационных систем на шахтах, рудниках и спецобъектах- Электрон. дан. - Компания Информационная Индустрия, 2005. - Режим доступа: http://www.informind.ru/catalog/catalog system_expo_4/ - Загл. с экрана.
3. Анализ современных средств связи в угольных шахтах и очистных забоях: Отчет о прохождении преддипломной практики на предприятии ОАО Автомат-горммаш им. В.А.Антипова / ДонНТУ; Руководитель В.В. Турупалов. - Донецк, 2008. - 10с.: ил.
4. Теоретические и экспериментальные исследования по проблемам радиосвязи в шахтах, туннелях и других подземных сооружениях / Под ред. Н.В.Авдеева. - М.: Экос, 1992. - 42с.
5. Slaughter R.J. Radio Electron. Eng., V. 45, #5, 248, 1975
6. ВВ. Турупалов, Р.В. Федюн, ВО. Попов „Спещалiзована телекомушкацшна мережа в OTcreMi управлшня вугшьною шахтою" (тези)/ 11-я международная кон-фернция по автоматическому управлению «Автоматика-2004», г. Киев, Национальный университет пищевых технологий, 27-30 сентября 2004г.с. 113, т.4
7. «Застосування випромшюючого кабелю у технолопчних мережах проми-слових тдприемств» Молоковський 1.О., Турупалов В.В., Шебанова Л.О. Збiрник наукових праць Дон1ЗТ. 2011 № 27 с.50-56
8. «Повышение надежности технологических сетей связи» Турупалов В.В., Молоковский И.А. VII Мiжнародна нау-ково-техшчна конференщя «Сучаснi ш-формацiйно-комунiкацiйнi технологи» З&рник тез. К.: ДУ1КТ, 2011 с.152-154.
9. Nanotron: Технология NanoNET// [Электронный ресурс] - Режим доступу: http://efo.ru/cgi-bin/go?2490, вшьний. -Назва з екрану.
Анотацн:
У статп розглянуп питання вибору бездро-тових технологш для розповсюдження радюхвиль у складних умовах тдземних виробок промисло-вих тдприемств.
В статье рассмотрены вопросы выбора беспроводных технологий для распространения в сложных условиях подземных выработок промышленных преприятий.
The problem of wireless communications was analyzed. The complex technological communication was considered and defined its advantages and disadvantages.
УДК 629.7.018.7:681.3.06:621.396.96
МИЛЬШТЕЙН А.В., аспирант (ДонНТУ); ПАСЛЕН В В., к.т.н., доцент (ДонНТУ).
