CC BY
38
DOI 10.36622/^Ти.2021.15.5.004 УДК 621.376.9
ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ LORAWAN ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ РЕЗЕРВНОГО КАНАЛА СВЯЗИ ДЛЯ МЕТЕООБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОДРОМОВ
Д.К. Тунеголовец Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток, Россия
Аннотация: в настоящее время информация о состоянии атмосферы широко используется как при составлении прогнозов погоды, так и при решении многих экономических задач. Существенная особенность метеорологических явлений - их пространственно-временная изменчивость. Это вызывает необходимость такой организации наблюдений, которая позволит своевременно отметить возникновение явления и проследить за ходом его развития. Статистика показывает, что в период с 1997 по 2000 годы произошло порядка 193 авиационных инцидентов, которые обусловлены недостатками метеорологического обеспечения полетов. Поэтому задача повышения качества метеорологического обеспечения является актуальной. На основе модельных и практических экспериментов показано, что беспроводной канал связи LoRaWaN способен объединить весь поток данных, поступающих с удаленных метеорологических датчиков, которые используют разные протоколы для взаимодействия друг с другом. В ходе выполнения эксперимента получены положительные результаты, доказывающие возможность организации таких каналов связи для задач метеообеспечения аэродромов. Также приводится структурная схема для организации канала связи. При этом не требуется прокладка кабельных коммуникаций связи, когда стоимость такого вида работ, включая согласование, зачастую значительно превышает стоимость самого метеорологического оборудования
Ключевые слова: LPWaN, метеообеспечение аэродромов, канал связи
Введение
Ежегодно увеличиваются объемы региональных авиаперевозок, интенсивность полетов повышает требования в организации работы аэропортов согласно требованиям Федеральных Авиационных Правил № 128 (ФАП-128) [1]. Одним из факторов, влияющих на безопасность авиаперелета, является точность и достоверность сведений о состоянии погоды. Наиболее достоверными являются сведения, получаемые от метеорологических датчиков. Высокая стоимость коммутации современных метеодатчиков - прокладка оптическо-го\медного\коаксиального кабелей и сложность в организации каналов связи являются препятствиями к установке таких датчиков. Целью настоящей работы является исследование практической применимости технологии LoRaWan для задач метеообеспечения региональных аэродромов.
Объект исследования
Внедрение новых технологий требует анализа возможностей канала связи: объема, скорости передачи данных, достоверности и дальности передачи информации. Кроме этого,
технологии должны удовлетворять общим требованиям по надежности, стабильности работы при высоких уровнях внешних помех и так далее. На рис. 1 представлена структурная схема организации типичного канала связи для обслуживания регионального аэродрома согласно требованиям ФАП-128. Взлетно-посадочная полоса (ВПП) любого аэродрома оснащается системой метеодатчиков, фиксирующей основные параметры состояния атмосферы: видимость, высота нижней границы облачности, направление и скорость ветра, температура, влажность, давление [6]. Датчики размещаются группами, пунктиром обозначены существующие кабельные линии до здания командно-диспетчерского пункта (КДП). Передача измеряемых данных по состоянию атмосферы организуется по каналам связи на основе различных протоколов связи, основным из которых является 7Е1.
© Тунеголовец Д.К., 2021
Рис. 1. Структурная схема организации канала связи на ВПП аэродрома
На рис. 1 обозначено: АМИИС - эродромная метеорологическая информационно-измерительная система, БИ АМСГ - блок индикации аэрологической гражданской метеорологической станции, БИ дисп старта\БИ дисп посадки - блок индикации (монитор),
БИ контр - блок индикации контроля АМИИС, ВПН\ОПН - вспомогательный\основной пункт наблюдения. — - совмещенный датчик для измерения температуры и влажности;
77777т
I
- датчик для измерения атмосферного давления;
датчик параметров ветра;
датчик для измерения высоты нижней границы облаков;
- прибор для измерения
метеорологической дальности
видимости;
- прибор измерения яркости фона.
Согласно нормативной документации ФАП 128: на аэродромах РФ применяется система АМИИС, предназначенная для проведения автоматических измерений основных ме-
теорологических величин, обработки измеренных результатов, генерации сообщений (сводок погоды) и распространения их по линии связи и на средства отображения, а также регистрации измеренной и переданной метеоинформации [2].
Для организации и разработки резервного канала связи на объектах метеообеспечения аэропорта необходимо оценить три условия:
• Канал связи должен иметь соответствующую пропускную способность для передачи всего объема данных от метеодатчиков, расположенных на ВПП, на сервер обработки. Также необходимо учитывать резерв по пропускной способности, который может потребоваться в будущем при возможной модернизации оборудования. Как правило, в подобных случаях используют двойное резервирование.
• Необходима высокая помехоустойчивость канала связи, поскольку он предназначен для работы в сложной электромагнитной обстановке.
• Требуется обеспечение дальности связи на расстояниях не менее 4 километров.
Проведя анализ метеооборудования, получено, что в аэропортах любой категории используется оборудование, максимальная скорость передачи которого составляет не более 1200 бод (1 бод = 9600 бит/с). Таким образом, с учетом двойного запаса на резерв получено, что требуется канал связи, обеспечивающий пропускную способность не более 20 кбит/с.
Большая часть современных технологий LPWaN обеспечивает такую пропускную способность: LoRa, СТРИЖ, SigFox, Telensa и другие.
На основе анализа спецификаций технологий LPWaN, заявленных заводами-производителями, максимальные пропускные способности таких каналов связи следующие
[3]:
Стриж - 50 бит/с;
SigFox - 1 кбит/с;
Dash7 - 167 кбит/с (до 2 км);
LoRaWaN - 50 кбит/с (до 10 км);
Nwave - 0,1 кбит/с.
Оценка этого необходимого параметра показывает, что наиболее приемлемой технологией для поставленных целей является LoRaWaN [7]. Что касается помехоустойчивости рассматриваемых технологий, то в условиях сильных помех естественного и антропогенного типа, какими являются помехи в районе современного аэропорта, применение современных видов модуляции типа QAM в сочетании с OFDM не целесообразно, т.к. последние требуют больших энергоресурсов. Таким образом, оптимальным способом достижения требуемой достоверности и скорости передачи данных является один из видов сложной модуляции, которые могут предложить технологии LPWaN, наиболее предпочтительней по данному параметру также является LoRaWaN.
Оценка дальности связи
Расчет дальности связи выполнялся с учетом рельефа местности на основе модели Лон-гли-Райса, использовался верифицированный открытый программный комплекс SPLAT! [5]. Модельный эксперимент по расчету дальности связи основан на следующих предположениях: базовая станция (БС) LoRaWaN размещалась на мачтовом сооружении с координатами 43°08'17" с. ш., 131°54'05" в. д., при этом высота подвеса антенны равнялась 40 м от уровня земли, а с учетом рельефа местности эффективная высота подвеса антенны равна 140 м.
Параметры излучения базовой станции [4,
• Мощность передатчика - 25 мВт;
• Тип передающей антенны - круговая;
• Коэффициент усиления антенны - 6 dbi;
• Частотный диапазон - 868 МГц;
• Модуляция - LoRa;
• Протокол - LoRaWAN V. 1.
На рис. 2 представлены результаты расчета зоны покрытия базовой станции LoRa.
Рис. 2. Расчетная зона покрытия БС LoRaWaN
Поскольку заявленная чувствительность модема LoRa составляет -137 дБ, уверенный прием сигнала в условиях плотной городской застройки и сильно пересеченной местности возможен на расстояниях более 10 км. На этих расстояниях уровень принимаемого сигнала в канале Гаусса может достигать -80 дБм, запас на реализацию с учетом заявленной чувствительности модемов лора составляет 57 дБм [9,10], что достаточно для организации надежного канала связи.
Подтверждение достоверности модельных расчетов
Для оценки достоверности модельных расчетов был организован полевой эксперимент по измерению уровня сигнала базовой станции LoRa в различных малых зонах.
Приемным устройством являлся модуль LoRaWaN с антенной производителя "BEST"-АКЛ-900, имеющей круговую диаграмму направленности.
Рис. 3. Схема комплекса для измерений
На рис. 3 отображен состав измерительного комплекса:
1. Raspberry Pin2 - программируемый одноплатный компьютер, содержащий соответствующее ПО для проведения эксперимента.
2. LoRa - передающее устройство.
3. Передающая антенна MCX.
4. Приёмная антенна производителя "BEST"-AKn-900 - 2 шт.
5. LoRa - приёмное устройство с функцией измерения Packet Error Rate (PER)
6. RTL-SRD - регистратор сигнала с функцией измерения SNR.
7. Ноутбук с необходимым ПО.
В каждой точке приема (1-11) происходила фиксация сигнала и измерение уровня отношения сигнал/шум (SNR) на входе приемника и вероятность пакетной ошибки (PER).
На рис. 4 показано расположение малых зон, в которых происходило измерение сигнала от БС на территории г. Владивостока.
Для измерения уровня сигнала были назначены малые зоны в открытых местах, в отсутствии плотной городской застройки. На передающей стороне с помощью программного обеспечения были сформированы тестовые пакеты, передаваемые короткими блоками, размер пакетов составлял не более 255 байт, после завершения передачи от передающего модуля приходило подтверждение, что данные были посланы.
На приемной стороне установлены те же параметры, что и при передаче. Приемная антенна при измерениях помещалась на открытом месте при отсутствии городской застройки на высоте 1,5 метра, использовался фидер длинной около 3 м, что позволяло уменьшить влияние автомобиля на результаты измерений.
С помощью регистратора сигнала RTLSDR фиксировалось отношение сигнал/шум (SNR) на входе приемного модуля и процент ошибочно-переданных пакетов. Регистрация сигнала транслировалась на планшетный ПК и архивировалась для последующей статистической обработки.
Ансамбль данных измерений в каждой зоне (их порядка 40) состоял из 150 отчетов, по которым рассчитывалось среднеквадрати-ческое отклонение и уровень PER.
Обсуждение результатов
В таблице ниже приведена часть результатов измерений в 11 характерных малых зонах.
Рис. 4. Схема перемещения приемного модуля относительно БС
Номер зоны измерения Расстояние, км Высота места измерения, м SNR, дБ PER, % Среднеквадратичное отклонение сигнала Тип канала
1 6,34 90 -6,1 0 0,79 Гаусса
2 6,11 10 -11,2 8 2,26 Райса
3 2,96 8 -1,5 27 1,98 Райса
4 3,79 12 -6,2 12,4 4,92 Релея
5 3,58 135 -3,9 2,1 1,65 Райса
6 5,09 90 -10 0 0,84 Гаусса
7 2,32 50 -7,1 2 0,53 Гаусса
8 2,52 50 3,6 1,7 2,15 Райса
9 2,9 50 0,3 2,8 4,07 Релея
10 1,61 186 -11,3 24,5 1,46 Райса
11 3,28 141 -9,69 32,3 2,59 Райса
В условиях плотной застройки преобладающим является канал Райса со средним квадратическим отклонением, достигающим 2 дБ.
Проведенные эксперименты показывают, что в городе Владивосток с учетом пересечённого рельефа, плотной городской застройки, высоким уровнем внешних шумов организация канала связи с помощью технологии LoRa возможна только в пределах прямой видимости, не превышающих 6 км. Эти условия подобны условиям на взлетно-посадочной полосе аэродрома, где максимальный разнос между метеодатчиками не превышает 4 км. Заявленные производителем данные по дальности передачи выше 6 км могут выполняться только на малых скоростях (ниже 20 кбит\с).
Организовать передачу данных на ВПП с метеодатчиков на пост метеонаблюдателя можно следующим образом: передающий модуль LoRa подключается к метеодатчику через контроллер (например, ардуино) и далее отправляет информацию на базовую станцию по открытому протоколу LoRaWAN. Затем вся информация отправляется на сервер для обработки принятых данных.
Оценка доступности канала LoRa
Для оценки качества работы системы связи необходимо оценить среднее время обмена данными между устройствами. Это важно сделать по следующим причинам:
• это позволит оценить общую эффективность сети, насколько быстро до конечного потребителя дойдет информация с датчиков;
• позволяет оценить, насколько система будет зашумлять своими сообщениями эфир диапазона и препятствовать передаче сообще-
ний других сетей и своим собственным устройствам;
• появляется возможность оценить срок службы батареи устройств в среднем для всей системы;
• можно спрогнозировать максимально возможный объем данных, возможный для передачи за удовлетворительный интервал времени.
Скорость обмена данными в сети можно рассчитать только приблизительно по формуле, представленной ниже:
V =-
"опроса п'
где V - это минимальная скорость передачи данных,
n - длина кадра при опросе.
Таким образом, при V= 1170 бит/с ~ 1.2 кбит/с (при нахождении устройства в наихудших условиях приема), n = 29 байт.
Кадр LoRaWAN состоит из преамбулы, данных и кода CRC (также можно включить заголовок, передающий информацию о количестве байт данных, кода CRC и преамбулы, что увеличивает шансы на безошибочную демодуляцию, но с точки зрения энергопотребления его использование не оправдано и оказывает ощутимую нагрузку на сеть, сильно понижая жизненный цикл батареи).
Чтобы посчитать длину кадра n, нужно сложить длины его составляющих, то есть длины преамбулы, данных и длину контрольной суммы CRC-кода. Стандартная длина преамбулы составляет 12 символов, однако может быть изменена до 8. Чтобы посчитать длину символа в байтах, необходимо знать модуляцию. Так как используется модуляция LoRa, то длина одного символа рассчитывается по формуле ниже:
^симв = ~,
где SF - фактор расширения;
W - ширина полосы.
Подставив числовые значения, получаем, что Тсимв=0,03 байта. Это значит, что длина преамбулы составляет 0,39 байт (или 3 бита) при длине в 12 символов. Длина последовательности полезных данных составляет 13 байт, длина CRC кода равна 16 байтам. Итого, суммарная длина пакета приблизительно равна 29 байтам.
Используя эти данные, можно оценить скорость обмена данными в сети по формуле (3), т.е. количество опрошенных датчиков в секунду:
.. 1170 .п
V =-= 40 шт.
29
Выводы
В результате выполненных исследований установлено, что создание канала связи для сбора и передачи метеоинформации может быть реализовано в рамках технологии LPWaN. Для этого потребуется канал связи, обеспечивающий скорости не ниже 20 кб/с и обеспечивающий работу на расстояниях до 4 км. При заданной достоверности передачи данных потребуется организация канала не ниже уровня 25-27 дБ помехозащищенности.
Поскольку передача данных в каналы обработки определяется внутренними правилами (стандартами) передачи метеоинформации по срокам и дискретности, возникает вопрос по доступности каналов. Канал LoRa предполагает использование 4 полос по 125 кГц, в которых формируется ЛЧМ сигнал в зависимости от SF. В районе аэропортов не наблюдается организаций, которые используют такие же частотные диапазоны, как и LoRa. В предположении, что каналы доступны, были произведены расчеты по оценке количества датчиков, которые могут быть опрошены за 1 секунду. Получено, что скорость обмена данными в сети составит 40 штук в секунду при скорости передачи данных 1170 байт/с и при размере посылки 29 байт.
Применение системы требует разработки специального ПО в силу использования датчиками различных протоколов. Информация с датчика скорости ветра поступает непрерывно, поэтому данные должны быть усреднены на
контроллере и с некоторой дискретностью переданы по каналу связи LoRa.
Подтверждено, что технология LoRa по своим технологическим параметрам применима для организации эфирного канала связи в системе метеообеспечения аэропорта. Она удовлетворяет выдвинутым требованиям по пропускной способности, по помехозащищенности (позволяет демодулировать сигналы по уровню до -19,5 дБ), а также работает на нели-цензируемых частотах. Важная особенность применения приемопередатчиков LoRa для обсуждаемой задачи - легкость в развертывании сети на объектах аэропорта, поскольку в технологии допускается использование «звездной» топологии, которая не требует транзитной передачи данных через ретрансляторы. Данная технология использует нелицен-зируемый спектр частот, что значительно упрощает и удешевляет процесс организации резервного канала связи.
Литература
1. Федеральные авиационные правила "Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации Российской Федерации" № 128 от 31 июля 2009 года с изменениями от 22 апреля 2020 года.
2. Восканян К.Л., Кузнецов А.Д., Сероухова О.С. Автоматические метеорологические станции: учеб. пособие. СПб.: ФГБОУ «Российский государственный гидрометеорологический институт», 2016. 170с.
3. Кумаритова Д.Л., Киричек Р.В. Обзор и сравнительный анализ технологий LPWaN сетей. СПб.: СПБГУТ, 2016. 16с.
4. LoRa-модем SX1272/3/6/7/8: руководство проектировщика. Выборг. 8с.
5. Программный комплекс SPLAT ! www.qsl.net/kd2bd/
6. Анискин Л.В., Персии С.М. Опыт внедрения и развития аэродромной метеорологической информационно-измерительной системы АМИС-РФ // Современные тенденции развития аэродромных метеорологических информационно-измерительных систем. 2014.
7. Верхулевский К. Технология LoRa компании Semtech: новый импульс развития «Интернета вещей» // Беспроводные технологии. 2015. № 3. С. 42-48.
8. Semtech AN1200.23 Recommended SX1272 Settings for EU868 LoRaWAN Network Operation.
9. SX1272/73 — 860 MHZ to 1020 MHz Low power long range transceiver. Datasheet. Rev. 3. March 2015. www. semtech. com
10. Low-Power Long Range LoRa™ Technology Transceiver Module [В Интернете] / авт. Microchip Technology Inc. // microchip.com. - Microchip Technology Inc., 2015 г. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/500023 46A.pdf.
11. СТРИЖ Телематика. URL: https://strij .tech/tag/lpwan
Поступила 30.06.2021; принята к публикации 19.10.2021 30
Информация об авторах
Тунеголовец Даниил Кириллович - магистрант, Дальневосточный федеральный университет (690922, Россия, Приморский край, г. Владивосток, остров Русский, п. Аякс, 10), e-mail: V-vanik@mail.ru
ASSESSMENT OF THE APPLICABILITY OF LARAWAN TECHNOLOGIES FOR THE ORGANIZATION OF A BACKUP COMMUNICATION CHANNEL FOR METEOROLOGICAL SUPPORT OF AIRFIELDS
D.K. Tunegolovets
Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
Abstract: at present, information on the state of the atmosphere is widely used both in the preparation of weather forecasts and in solving many economic problems. An essential feature of meteorological phenomena is their spatial and temporal variability. This makes it necessary to organize observations in such a way that will allow timely noting the occurrence of the phenomenon and monitoring the progress of its development. Statistics show that in the period from 1997 to 2000 there were about 193 aviation incidents, which were caused by shortcomings in the meteorological support of flights. Therefore, the task of improving the quality of meteorological support is urgent. This article shows, based on model and practical experiments, that the LaRaWAN wireless communication channel is able to combine the entire data stream coming from remote meteorological sensors using various communication protocols among themselves. During the experiment, I obtained positive results, proving the possibility of organizing such communication channels for the tasks of meteorological support of airfields. A block diagram for the organization of a communication channel is also provided. At the same time, the laying of cable communications is not required, when the cost of this type of work, including coordination, often significantly exceeds the cost of the meteorological equipment itself
Key words: LPWaN, weather support of airfields, communication channel
References
1. Federal Aviation Regulations "Preparation and Execution of Flights in Civil Aviation of the Russian Federation" ("Podgo-tovka i vypolnenie poletov v grazhdanskoy aviatsii Rossiyskoy Federatsii") no. 128 dated July 31, 2009, 2020.
2. Voskanyan K.L., Kuznetsov A.D., Seroukhova O.S. "Automatic weather stations" ("Avtomaticheskie meteorologicheskie stantsii"), Russian State Hydrometeorological Institute, 2016, 170p.
3. Kumaritova D.L., Kirichek R.V. "Review and comparative analysis of LPWaN network technologies" ("Obzor i srav-nitel'nyy analiz tekhnologiy LPWaN setey"), St. Petersburg, 2016, 16p.
4. "LoRa-SX1272 modem/3/6/7/8", the designer's guide, Vyborg, 8p.
5. The SPLAT! software package, available at: www.qsl.net/kd2bd/
6. Aniskin L.V., Persin S.M. "Experience in the implementation and development of the aerodrome meteorological information and measurement system AMIS-RF", Modern trends in the development of aerodrome meteorological information and measurement systems (Sovremennye tendentsii razvitiya aerodromnykh meteorologicheskikh informatsionno-izmeritel'nykh sistem), 2014.
7. Verkhulevskiy K. "LoRa technology of Semtech: a new impetus for the development of the "Internet of Things"", Wireless Technologies (Besprovodnye tekhnologii), 2015, no. 3, pp. 42-48.
8. Semtech AN1200. 23 Recommended SX1272 Settings for EU868 Larawan Network Operation.
9. SX1272/73 - 860 MHZ to 1020 MHz Low power long range transceiver. Datasheet, rev. 3, March 2015, available at: www. semtech. com
10. Low-Power Long Range Lure™ Technology Transceiver Module, auth. Microchip Technology Inc., microchip.com, Microchip Technology Inc., 2015, available at: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/50002346A.pdf.
11. STRIZH Telematics, available at: https://strij.tech/tag/lpwan
Submitted 30.06.2021; revised 19.10.2021 Information about the authors
Daniil K. Tunegolovets, MA, Far Eastern Federal University (10 Ajax village, Russian Island, Vladivostok 690922, Primorsky Krai, Russia), e-mail: V-vanik@mail.ru
