CC BY
226
УДК: 550.8.028, 550.812.1
О.Н. Шерстюков, Е.Ю. Рябченко, А.Р. Гаязутдинов, С.Л. Мартынчук
Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань
oleg.sherstyukov@ksu.ru
ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СИСТЕМАХ СБОРА СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ ДАННЫХ
В статье проводится анализ современных технологий цифровых радиосетей, на основе которых возможно создание беспроводных наземных систем сбора сейсморазведочных данных. Рассматриваются особенности построения радиосетей в диапазонах частот, не требующих лицензирования (ISM), в условиях сложного ландшафта, включая лесные массивы, при значительных затуханиях сигнала. Особое внимание уделяется возможности автономного питания радиомодулей, передающих данные с геофонов, а также возможности мониторинга принимаемых сейсморазведочных данных в режиме реального времени.
Ключевые слова: сейсморазведка, беспроводная телеметрия, сбор данных, геофон, сейсмоприемник.
Введение
В настоящее время в сейсморазведке основным средством передачи данных (сигнала с геофонов) является кабельная сеть (Сейсморазведочные комплексы компании Sercel [Электронный ресурс]; Сейсморазведочные комплексы компании ION [Электронный ресурс]). От центральной станции сбора данных к каждому полевому блоку (ПБ) с подключенным геофоном (или несколькими геофонами) прокладывается кабель, длина которого, как правило, составляет сотни метров. Таким образом, суммарная длина используемого кабеля составляет километры.
Применение радиоканала в таких системах ограничивается созданием нескольких отдельных линий связи в случае невозможности прокладки кабеля между сегментами (Телеметрическая сейсморазведочная система ТЕЛСС-3 [Электронный ресурс]).
Стоит также отметить чисто беспроводные системы, в которых отсутствует кабель, а данные регистрируются только локально во встроенной памяти ПБ. Примером такой системы является комплекс SCOUT (Бескабельная телеметрическая сейсморегистрирующая система SCOUT [Электронный ресурс]). После проведения измерений
Окончание статьи С.С. Моряковой, Р.В. Архииова, В.Д.Скирды «К вопросу о корреляции вязкостных характеристик образцов нефти...»
измерения коэффициентов самодиффузии методом ЯМР имеет смысл использовать не стандартную характеристику среднего по спектру коэффициента самодиффузии <D>, а величину <1/D>, по определению более чувствительную к малоподвижным компонентам молекулярной системы.
Работа выполнена в рамках выполнения проекта по Постановлению правительства РФ №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» (дог. № 13.G25.31.0025).
Литература
Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М.: Химия. 2000. 290-310.
Маклаков А.И., Скирда В.Д., Фаткуллин Н.Ф., Самодиффузия в растворах и расплавах полимеров. Казань: Изд. Казанского госуниверситета. 1987.
Karger J., Pfeifer H., Heink W. Principles and applications of self-diffusion measurements by NMR. Adv. Magn. Reson. V. 12. 1988. 1-89.
Callaghan P.T. Principles of Nuclear Magnetic Resonance microscopy. Clarendon Press, Oxford. 1991.
Stejskal E.O., Tanner J.E., Spin Diffusion Measurements: Spin-
Echoes in Presence of a Time-Dependent Field Gradient. J. Chem. Phys. V.43. 1965. 288-292.
Kimmich R. NMR: tomography, diffusometry, relaxometry. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag. 1997. 26-33.
S.S. Morjakova, R.V. Archipov, V.D. Skirda. On the correlation of viscosity with self-diffusion coefficients measured by NMR in oil samples.
The paper presents experimental data on the viscosity and the self-diffusion coefficient series of samples of oil deposits of the Republic of Tatarstan. On the basis of these investigations has been made the conclusion about satisfactory correlation between them. Furthermore, a better correlation is observed when the value inverse to mean coefficient is used.
Keywords: NMR, oil, self diffusion, correlation, viscosity.
Руслан Викторович Архипов к.физ.-мат.н., инженер кафедры физики молекулярных систем.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт Физики.
420008, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843)231-51-89.
^г~ научно-технический журнал
ЧШ. Георесурсы 6 (42)
сбор данных с такого ПБ может осуществляться посредством беспроводной технологии Wi-Fi с помощью переносного блока. Применение данного подхода требует обязательной установки в ПБ модуля GPS-приемника для синхронизации времени. Недостатком таких систем является невозможность одновременного сбора данных со всех каналов и диагностики всех ПБ в момент проведения измерений, что во многих случаях может потребоваться.
Сегодня с революционным развитием элементной базы микроэлектроники и локальных цифровых радиосетей появляется возможность создания комплексов сбора сейс-моразведочных данных в режиме реального времени на основе беспроводных технологий передачи данных с ПБ. Преимущества таких систем очевидны: отпадает необходимость хранения, транспортировки и прокладки километров кабелей, значительно сокращается время развертывания и сворачивания сетей сейсмодатчиков.
Однако к беспроводным сейсморазведочным комплексам предъявляются достаточно высокие требования по пропускной способности радиоканала, значительно превосходящие требования для обычных систем телеметрии относительно медленно меняющихся процессов, например систем геолого-технологических исследований бурения скважин. Кроме того, для максимального сокращения кабельной инфраструктуры необходима разработка радиопередающих модулей (РПМ) с возможностью автономного электропитания подключаемой к ним усилительной и регистрирующей аппаратуры.
В данной статье проводится анализ современных технологий цифровых радиосетей на базе общедоступных микроэлектронных компонентов, и предлагается ряд решений, которые могут быть применены при разработке наземных комплексов сбора сейсморазведочных или иных геологических и геофизических данных в условиях сложного ландшафта.
Постановка задачи
При проектировании беспроводного комплекса сбора сейсморазведочных данных в режиме реального времени необходимо учитывать следующие основные параметры:
- количество независимых каналов регистрации,
- частота дискретизации сейсмосигнала (Гц),
- разрядность АЦП приемника сейсмосигнала (бит),
- топология сети сбора данных,
- способ электропитания и продолжительность авто-
BSS
Рис. 3. Схема эксперимента для определения дальности связи по радиоканалу IEEE 802.15.4.
Рис. 1. Архитектура структурированной сети IEEE 802.11.
номной работы в случае применения внутренних источников питания РПМ и ПБ.
В таблице приведены возможные значения указанных числовыгх параметров, отвечающие требованиям, предъявляемым к большинству современных сейсморазведочных комплексов. Суммарный информационный поток здесь определяется как произведение числа каналов регистрации на информационный поток одного канала и составляет порядка 3 Мбайт/с для 2048 независимых каналов регистрации. Следует понимать, что это лишь формальная оценка требуемой суммарной скорости передачи данных, которая на практике может превышать рассчитанное значение на 50...100 % вследствие дополнительных расходов на организацию сетевой инфраструктуры, передачу сообщений квитирования, повторную передачу информационных пакетов и ряда других факторов, связанных с особенностью организации радиосетей.
Топология беспроводной сети телеметрической системы во многом будет определяться охватываемой площадью и ландшафтными особенностями, но основными факторами будут:
- максимальный радиус действия радиоканала между двумя приемопередатчиками, определяемый выходной мощностью передатчика, чувствительностью антенны и входного тракта приемника, а также средой распространения и длиной радиоволн;
- архитектурные особенности выбранной беспроводной технологии для всей сети или её сегментов, предполагающие естественные ограничения на число узлов сети, а также пропускную способность каналов.
При выборе технологии построения радиоканала крайне важно придерживаться нелицензируемых диапазонов радиочастот, называемых также ISM (от англ. Industrial, Scientific and Medical), что позволит исключить необходимость получения лицензии от Главного радиочастотного центра (ГКРЧ) и иных ведомств, а в ряде случаев и необходимость регистрации радиочастотных компонентов комплекса.
Переход к полностью беспроводной системе сбора данных потребует перевода системы питания геофонов и ПБ в автономный режим, что повлечет определенные ограничения во времени непрерывной работы блоков от одного комплекта элемен-Рис. 2. Архитектура де- Тов питания (или от одной зарядки ак-
централизованной сети ч п
кумуляторов). Практически жела-
IEEE 802.11.
6 (42) 2011
^ научно-техническим журнал
Георесурсы
Параметр Значение
Частота дискретизации, Гц 500
Разрядность АЦП, бит 24
Информационный поток на канал, байт/с 1500
Минимальное число каналов регистрации 2048
Суммарный информационный поток, байт/с 3072000
Табл. Основныге параметрыы беспроводного сейсморазведочно-го комплекса.
тельно обеспечить время непрерывной работы комплекса от нескольких суток до одного месяца.
Далее будут рассмотрены существующие общедоступные технологии беспроводных сетей ISM-диапазонов, на основе которых возможно создание телеметрического комплекса, а также будет уделено внимание особенностям распространения радиоволн разных диапазонов в различных ландшафтных условиях.
Особенности распространения радиоволн в лесных массивах
При передаче радиосигнала в условиях сложного ландшафта, т.е. в неоднородных средах, необходимо учитывать затухание сигнала в зависимости от среды распространения и расстояния. В условиях наземной сейсморазведки наибольшее затухание, как правило, вносят лесные массивы. В работе (Popov, 2004) получено выражение для определения эффективного коэффициента затухания радиосигнала а (дБ/м) в зависимости от частоты f (Гц) для неоднородной среды типа лесного массива:
а =
10 In 10
1 в
— arctan—
2 А
(1)
где е0 - электрическая постоянная, ц0 - магнитная постоянная, А и В - реальная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости деревьев, определяемые из соотношений:
{
A=l+ (sF - 1)77, B=e"Frj
(2)
где Ер и £р - реальная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости элементов леса, п - объемная концентрация деревьев (густота леса). В расчетах была использована модель вертикально ориентированной в пространстве слоистой структуры (Попов, 1981; 1983; Popov et al, 2001). На практике для расчета эффективного коэффициента затухания в лиственном лесу можно принять следующие значения параметров (Попов, 2005):
eF =l,sF= 0,7, ц = 0,04
(3)
Технологии построения беспроводных сетей передачи данных
На сегодняшний день широкое распространение получили следующие стандарты для построения беспроводных сетей в диапазоне ISM:
- IEEE 802.11, описывающий беспроводные локальные вычислительные сети WLAN (от англ. Wireless Local Area Network),
- IEEE 802.15, описывающий беспроводные персональные вычислительные сети WPAN (от англ. Wireless Personal Area Network).
Радиосети стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi)
Серия стандартов IEEE 802.11, объединяемая общим названием Wi-Fi, описывает технологию WLAN-сетей, позволяющую создавать беспроводные компьютерные сети, аналогичные кабельной технологии Ethernet. На физическом уровне используются два диапазона частот (Весолов-ский, 2006):
- дециметровый диапазон 2,412-2,472 ГГц, включающий 13 частотных каналов с полосой до 22 МГц (стандарт IEEE 802.11b, g, n);
- сантиметровый диапазон 5,150-5,825 ГГц, включающий 12 частотных каналов с полосой до 20 МГц (стандарт IEEE 802.11a, n).
Стоит отметить, что в дециметровом диапазоне (2,4 ГГц) неперекрывающихся каналов может быть не более трех. Максимальная скорость передачи данных составляет 54 Мбит/с (IEEE 802.11а, g), 11 Мбит/с (IEEE 802.11b) и 300 Мбит/с (IEEE 802.11n). Для расширения спектра используется метод прямой последовательности DSSS (от англ. Direct Sequence Spread Spectrum).
Сети типа WLAN по топологии разделяются на структурированные и децентрализованные (Весоловский, 2006). Сеть структурированного типа (Рис. 1) обладает проводной инфраструктурой, соединяющей её с другими подобными сетями. Важными элементами сетей такого типа являются точки доступа (ТД), которые обеспечивают взаимодействие беспроводных устройств с проводной инфраструктурой сети. В большинстве случаев радиообмен осуществляется только между точками доступа и беспроводными устройствами, последние взаимодействуют друг с другом только через соответствующую точку доступа.
Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине наличия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в децентрализованных сетях, именуемых также «ad hoc» (Рис. 2). Сети типа «ad hoc» не имеют опорной проводной инфраструктуры, поскольку каждое устройство выступает в роли связующего звена.
Таким образом, в сети «ad hoc» устройство получает доступ к сетевым ресурсам при помощи процедур многостанционного доступа и маршрутизирует передаваемые пакеты. Практическая реализация WLAN-сети, как правило, представляет собой компромисс между двумя перечисленными типами сетей.
Дальность связи между Wi-Fi устройствами существенно зависит от типа применяемых антенн и выходной мощности передатчика. Для типового случая (ненаправленной антенны) и разрешенной выходной мощности 100 мВт (в пределах здания) дальность связи составляет до 100 м.
Использование радиоканала IEEE 802.11 (Wi-Fi) при передаче данных с датчиков с автономным питанием яв-
ляется неэффективным в силу достаточно высокого энергопотребления Wi-Fi радиомодулей. Технологию Wi-Fi целесообразно использовать при необходимости организации высокоскоростного радиоканала передачи данных между стационарными устройствами.
Радиосети стандарта IEEE 802.15.1 (Bluetooth)
Стандарт IEEE 802.15.1 описывает технологию беспроводных персональных сетей, более известную под названием Bluetooth (IEEE Standard 802.15.1, 2005). Радиосвязь осуществляется в дециметровом диапазоне 2,40152,4805 ГГц с применением метода расширения спектра FHSS (от англ. Frequency Hopping Spread Spectrum), когда несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду в пределах выделенных 79 частотных каналов с полосой в 1 МГц.
Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации, переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.
Технология Bluetooth позволяет объединять до 8 устройств в микросети с использованием одного и того же канала связи. Максимальная дальность связи между устройствами Bluetooth составляет порядка 200 м в зависимости от преград и помех. В спецификации Bluetooth 3.0+HS заявлена максимальная скорость передачи данных 3 Мбит/с.
Технология Bluetooth подходит для передачи информации между компьютерами в пределах здания, между мобильными устройствами при условии небольшого расстояния между ними (до 200 метров). Для сбора информации в полевых условиях данная технология не подходит, так как дальность передачи данных невелика и сильно зависит от ландшафта (в лесу дальность передачи будет гораздо меньше, чем при прямой видимости).
Радиосети стандарта IEEE 802.15.4 с технологией ZigBee
Стандарт IEEE 802.15.4 описывает физический и канальный уровни WPAN-сетей, ориентированных на реализацию недорогих энергоэкономичных систем телеметрии и управления, используемых в коммерческой, промышленной и домашней автоматике (IEEE Standard 802.15.4, 2003). На физическом уровне возможно использование трех дециметровых диапазонов:
- диапазон 868,0-868,6 МГц, включающий 1 частотный канал с максимальной скоростью передачи данных 20 кбит/с;
- диапазон 902,0-928,0 МГц, включающий 10 частотных каналов с максимальной скоростью передачи данных 40 кбит/с;
- диапазон 2,412-2,472 ГГц, включающий 16 частотных каналов с максимальной скоростью передачи данных 250 кбит/с.
Отметим, что наибольшее распространение получил ISM-диапазон 2,4 ГГц, что связано с большим числом ка-
налов и большей скоростью передачи. В этом диапазоне для расширения спектра в радиоканале IEEE 802.15.4 используется метод DSSS, а для модуляции несущей - квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом OQPSK (от англ. Offset Quadrature Phase-Shift Keying).
Одной из наиболее распространенных и стандартизированных реализаций сетевого, транспортного и прикладного уровней, дополняющих радиоканал IEEE 802.15.4, является технология ZigBee (Панфилов, Соколов, 2004; Соколов, 2004). Технология строится по принципу иерархической семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI (от англ. Open System Interconnection). Стек протоколов ZigBee включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee.
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60
ft "9° -100
к
\
--< к
~~ ■— ♦
200 300 400 500 S00
Расстояние между устройствами, м
Рис. 4. Зависимость уровня принимаемого сигнала от расстояния между радиомодемами стандарта IEEE 802.15.4 в условиях прямой видимости.
Рис. 5. Зависимость уровня принимаемого сигнала от расстояния между радиомодемами стандарта IEEE 802.15.4 в условиях зимнего леса.
о
3 -10
4
I -20
ä -зо р
0 -40 0)
1 -50
|-60
I -70 а)
1-80
\
\
30 40 50 60 70 Расстояние между устройствами, м
Рис. 6. Зависимость уровня принимаемого сигнала от расстояния между радиомодемами стандарта IEEE 802.15.4 в условиях летнего леса.
^ научно-технический журнал
6 (42) 2011 I еоресурсы i
FDMA
TDMA 3 1
CDMA
Рис. 7. Методы мультиплексирования каналов связи.
Дальность связи радиоканала IEEE 802.15.4 при выходной мощности передатчика 1 мВт обычно составляет 30...50 м, однако при использовании внешних усилителей мощности, малошумящих приёмных усилителей и согласованной антенны дальность может достигать 500 м без существенных потерь в скорости.
Авторами было проведено экспериментальное определение основных характеристик радиоканала на основе технологии ZigBee. Были разработаны два макета РПМ для определения эффективного коэффициента затухания и максимально возможной дальности передачи данных на основе радиомодемов серии ETRX3 компании Telegesis (Радиомодемы серии ETRX3 компании Telegesis [электронный ресурс]) с программируемой выходной мощностью до 50 мВт. Схема эксперимента представлена на рис. 3.
В устройствах использовались стекловолоконные антенны (3) на диапазон 2,4-2,5 ГГц с коэффициентом усиления 3,5 дБи, литиевая батарея питания (1), радиомодем ETRX3 (2), ноутбук (4). Мощность передатчика была установлена на уровне 50 мВт. РПМ 1 был запрограммирован на постоянную передачу данных. Принимаемые с РПМ 2 данные, а также значения уровня принимаемого сигнала RSSI (от англ. Received Signal Strength Indication) передавались по интерфейсу RS-232 на ноутбук для мониторинга эксперимента.
Эксперимент проводился в следующих условиях:
- прямая видимость,
- лиственный лес в зимний период времени (лиственный покров деревьев отсутствует),
- лиственный лес в летний период времени.
На рисунках 4-6 представлены результаты экспериментов в виде графиков зависимости уровня принимаемого сигнала от расстояния между антеннами устройств. В условиях прямой видимости эксперимент показал возможность передачи информации от одного устройства к другому на расстоянии до 750 м с усредненным значением а=0,08 дБ/м, как показано на рис. 4. В зимнем лесу (Рис. 5) выявлено максимальное расстояние передачи данных 430 м с а=0,10 дБ/м. В условиях лиственного леса летом (Рис. 6) максимальное расстояние составило 90 м с а=0,50 дБ/м.
В рамках теоретического расчета эффективного коэффициента затухания радиосигнала в лесном массиве по формуле (1) получено значение а=0,49 дБ/м при условиях (3), что хорошо согласуется с экспериментом, проведенном в лиственном лесу летом. По результатам эксперимента можно также сделать вывод, что использование частотного диапазона 2,4 ГГц в лесном массиве возможно на расстояниях более 100 м только с применением направленных антенн и увеличением выходной мощности передатчика.
Передача данных в диапазоне LPD (433 МГц)
ISM-диапазон LPD (от англ. Low Power Device), выделенный для маломощных радиопереговорных и охранных устройств, не требует лицензирования и получения разрешения на использование радиопередатчиков с выходной мощностью до 10 мВт (Решение ГКРЧ, 2004). В диапазон входят 69 каналов, располагающихся на частотах 433,075-434,775 МГц с шагом 25 кГц.
Радиоволны LPD-диапазона характеризуются относительно малым затуханием при распространении через лесной массив. Эффективный коэффициент затухания лежит в пределах от 0,08 до 0,17 дБ/м, что в 5 раз меньше по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц (Попов, 2005). Это делает данный диапазон предпочтительным для использования в беспроводных сейсморазведочных системах. Однако в этом диапазоне отсутствуют принятые стандарты цифровых сетей передачи данных, аналогичные рассмотренным выше технологиям. Таким образом, сегодня стоит актуальная задача разработки технологии цифровой радиосети для диапазона LPD.
Поскольку в радиосети сбора данных предполагается одновременная работа нескольких устройств, необходимо рассмотреть методы со-
СЕГМЕНТ N
Рис. 8. Топология сети сбора данных по радиоканалу.
вместного использования (мультиплексирования) канала связи. Известны четыре базовых метода мультиплексирования, проиллюстрированные на рис. 7:
- FDMA (от англ. Frequency Division Multiple Access), множественный доступ с разделением частот;
- TDMA (от англ. Time Division Multiple Access), множественный доступ с разделением времени;
- CDMA (от англ. Code Division Multiple Access), множественный доступ с кодовым разделением;
- пространственное разделение каналов.
Рассмотрим эти методы подробнее.
При использовании метода FDMA все устройства передают информацию одновременно, но на разных несущих частотах. Разнесение по частотам позволяет приёмному устройству различать сигналы от локальных устройств. Данный метод требует реализации отдельного приёмного тракта (антенна, входной усилитель) для приёма сигнала от каждого передатчика. В случае частотного разделения каналов нет необходимости в точной синхронизации локальных устройств, так как частотное разнесение обеспечивает ортогональность сигналов от разных устройств.
Достоинствами метода FDMA являются относительная простота реализации и высокое качество в низкочастотной части разговорного тракта. Недостатки метода FDMA: узкополосность информационного канала, низкая помехоустойчивость, нерациональное использование участков частотного диапазона.
При использовании метода TDMA каждое устройство использует для передачи информации выделенную ему часть времени. В каждый конкретный момент передачу осуществляет только одно устройство, таким образом сообщения от разных устройств не пересекаются. Синхронизация работы локальных устройств обеспечивается централизованно, с управляющего узла. Достоинствами метода TDMA являются относительная простота реализации и относительно дешёвое оборудование, а недостатками -узкополосный информационный канал и чувствительность к срыву синхронизации.
При использовании метода CDMA локальные устройства передают информацию одновременно и с использованием одного и того же диапазона частот. Разделение информации от разных устройств осуществляется с помощью особого способа широкополосного кодирования информации.
Битовые информационные потоки передающих устройств модулируются сигнатурами - кодовыми последовательностями, корреляция между которыми для двух разных устройств равна нулю. Приёмное устройство различает информационные потоки передатчиков на основе априорной информации о сигнатурах участников радиосети (Ипатов, 2007).
Для генерации ортогональных кодовых последовательностей может быть использована матрица Адамара, её рекурсивное построение иллюстрируют формулы:
W
К К w. -w.
(4)
(5)
w»=
1 1 1 1 1 1 1
-1 1 -1 1 -1 1 -1
1 -1 -1 1 1 -1 -1
-1 -1 1 1 -1 -1 1
1 1 1 -1 -1 -1 -1
-1 1 -1 -1 1 -1 1
1 -1 -1 -1 -1 1 1
-1 -1 1 -1 1 1 -1
(6)
Строки матрицы Адамара ортогональны, их можно использовать для кодирования сигналов разных устройств при реализации кодового разделения.
Отметим достоинства систем CDMA:
- устойчивость к воздействию как импульсных, так и сосредоточенных по частоте помех;
- малая спектральная плотность сигнала, что повышает скрытность системы;
- низкий уровень потребляемой мощности локального передатчика.
К недостаткам систем CDMA можно отнести:
- чувствительность эффекта «ближний-дальний», необходимость динамического управления мощностью всех мобильных устройств;
- сложность оборудования.
Пространственное разделение сигналов предполагает использование узконаправленных антенн. Антенны, передающие информацию в разных направлениях, работают одновременно в одном диапазоне частот, при этом не мешая друг другу.
Данный метод разделения каналов можно использовать при передаче информации от центральной станции к координаторам сегментов. К недостаткам метода можно отнести сложность реализации и дороговизну, так как для каждого приёмного устройства должна быть использована отдельная узконаправленная антенна.
Вариант реализации системы сбора сейсморазведочных данных
Принимая во внимание результаты анализа технологий беспроводных сетей, можно предложить следующее решение задачи разработки сейсморазведочного комплекса на основе радиоканала.
Учитывая, что при заданной выходной мощности дальность связи в диапазоне 2,4 ГГц в лесу недостаточна для организации сети, необходимо использовать более низкочастотный LPD-диапазон. Однако построить всю систему сбора данных на радиоканале этого диапазона затруднительно в силу ограничения максимальной скорости передачи данных из-за узкой полосы частот (1,7 МГц).
С учетом этого, предлагается беспроводная система сбора данных, комбинирующая радиоканалы указанных диапазонов.
На рис. 8 представлена предлагаемая топология системы. Сигнал с геофонов поступает на РПМ (аналог полевого блока), оцифровывается и затем в цифровом виде передается по радиоканалу LPD-диапазона на координатор сегмента сети. Каждый сегмент, образованный одним координатором, может включать определенное количество РПМ (ND). Координаторы, в свою очередь, объединяются в одну WLAN-сеть технологии Wi-Fi (IEEE 802.11g) и пере-
6 (42) 2011
^ научно-техническим журнал
Георесурсы
дают данные на центральную станцию. Радиоканал IEEE 802.11g обеспечивает необходимый поток данных порядка 3 Мбайт/с (Табл.).
Для реализации сети LPD-диапазона предлагается использовать частотную модуляцию несущей FSK (от англ. Frequency-shift keying) и метод мультиплексирования каналов TDMA как наиболее дешёвый и простой. Для этих задач в РПМ и координаторах возможно применение микросхемы SX1233 компании Semtech (SX1233 Datasheet, [Электронный ресурс]), представляющей собой модулятор/демодулятор FSK сигнала. Микросхема позволяет реализовать канал связи в диапазоне 433,075-434,775 МГц при скорости передачи данных до 600 кбит/с.
С учётом минимального необходимого информационного потока с одного РПМ (канала) в 12 кбит/с (Табл.), максимальное число РПМ одного сегмента Nö может составлять 32 с учетом метода TDMA, возможных коллизий и повторений сообщений. Предполагается организация синхронной TDMA-сети, в которой координатор обеспечивает централизованное управление передающими устройствами сегмента (РПМ), распределяя между ними временной ресурс.
Минимальное число координаторов NC во всей системе сбора данных определяется исходя из общего числа регистрируемых каналов (т.е. числа РПМ) и Nö. Согласно поставленной задаче (Табл.), NC = 2048/Nö = 64.
Эффективный коэффициент затухания для частоты 433 МГц в лиственном лесу, согласно (1), составляет 0,088 дБ/м. Допуская затухание сигнала на уровне 70 дБ на трассе передатчик-приемник (РПМ - координатор), получаем максимальную дальность связи 795 м при выходной мощности передатчика 10 мВт.
Заключение
В статье приведён обзор методов построения систем беспроводной телеметрии; рассмотрены соответствующие стандарты радиоканалов и сетевые технологии. Приведены расчёты затухания радиосигнала и максимальной дальности связи для рассмотренных технологий в условиях прямой видимости и лесного массива, представлены результаты экспериментальных исследований указанных параметров для технологии ZigBee (2,4 ГГц).
Предложен метод построения беспроводной сети сбора сейсморазведочных данных в режиме реального времени путём комбинирования технологий радиосетей разных частотных диапазонов. Сбор данных с полевых блоков на промежуточный узел сети - координатор сегмента - производится посредством радиоканала диапазона LPD (433 МГц), использование которого эффективно в условиях лесного массива. Последующая передача данных с координаторов сегментов на центральную станцию производится по технологии Wi-Fi (2,4 ГГц), которая обеспечивает необходимую скорость передачи данных.
Литература
Бескабельная телеметрическая сейсморегистрирующая система SCOUT. [Электронный ресурс]. http://www.skbsp.ru/products/land-solutions/scout.
Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком. 2006. 536.
Ииатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. Техносфера. 2007. 488.
Панфилов Д., Соколов М. Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4. Электронные компоненты. 2004. №12. 73-79.
Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. М.:Эко-Трендз. 2005. 296.
Попов В.И. Распространение радиоволн в лесу. Отчет НИР № 3731. Львов: ЛоЛПИИ, 1981/1983.
Радиомодемы серии ETRX3 компании Telegesis. [Электронный ресурс]. http://www.telegesis.com.
Решение ГКРЧ от 6 декабря 2004 г. N 04-03-04-001.
Сейсморазведочные комплексы компании ION. [Электронный ресурс]. http://www.iongeo.com.
Сейсморазведочные комплексы компании Sercel. [Электронный ресурс]. http://www.sercel.com.
Соколов М. Программно-аппаратное обеспечение беспроводных сетей на основе технологии ZigBee/802.15.4. Электронные компоненты. 2004. №12. 80-87.
Телеметрическая сейсморазведочная система ТЕЛСС-3. [Электронный ресурс]. http://www.geosignal.ru/product_telss3.html
IEEE Standard 802.15.1. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 2005. 580.
IEEE Standard 802.15.4. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 2003. 670.
Popov V. UHF radio wave propagation through woodlands in cellular mobile communication systems. In: 44nd. International Scientific Conference. October 11-13, 2003, Riga: Scientific proceedings of Riga Technical University, Transport and Engineering, Railway Transport, Serija 6. Sejums 12. 2004.
Popov У., Chaiko A., Homicky V., Mogorit N. Effective complex dielectric permittivity of forest media for Radio waves. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, 2001. № 2. 46-50.
SX1233 Datasheet. 83 PP. [Электронный ресурс]. http:// www.semtech.com
O.N. Sherstyukov, E.Yu. Ryabchenko, A.R. Gayazutdinov, S.L. Martynchuk. Wireless network technology application in seismic data acquisition systems.
This paper provides an analysis of modern wireless network technologies, which are applicable for land seismic acquisition systems. Design aspects of wireless networks in the ISM radio band are considered in case of complex landscape including forestland and in the presence of significant radiosignal attenuation. Special attention is given to possibility of developing a self-contained supply radiomodule, which transmits data from geophones and possibility of real-time monitoring of seismic exploration data.
Keywords: seismic exploration, wireless telemetry, data acquisition, geophone.
Артур Раисович Гаязутдинов аспирант кафедры радиофизики отделения радиофизики и информационных систем.
Сергей Леонидович Мартынчук аспирант кафедры радиофизики отделения радиофизики и информационных систем.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт физики.
420008, Россия, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843) 292-81-92.
