Технологии Wi-Fi и WiMAX в горной промышленности

УДК 621.396

Г.И. Пахомов, С.И. Головин, А.Д. Калашников, Е.С. Каширина, М.Ю. Тонких

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ТЕХНОЛОГИИ Wi-Fi И WiMAX В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Рассмотрено применение технологий беспроводного доступа стандартов Wi-Fi и WiMAX на горных предприятиях. На основе указанных технологий может быть построена информационная сеть для передачи всех видов трафика в подземном пространстве шахт и рудников.

Повышение эффективности функционирования производства и снижение аварийности на горных предприятиях во многом определяются возможностями и состоянием используемых систем горноподземной связи и в первую очередь систем беспроводной связи.

Системы беспроводной связи под землей должны обеспечить передачу речевого трафика и информации, циркулирующей в автоматизированных системах дистанционного контроля и управления. Это обусловливает необходимость внедрения в подземном пространстве шахт и рудников самых современных технологий беспроводной связи, характеризующихся возможностью высококачественной передачи значительных объемов оперативной информации при высокой надежности системы.

Своевременное и гарантированное доведение технологической информации, а также сигналов аварийного оповещения до каждого горняка независимо от его местоположения в подземном пространстве рудника возможно лишь в случае создания в подземных выработках единого радиопространства (радиопокрытия) при условии наличия у каждого горняка персональной носимой радиостанции.

Размеры зоны радиопокрытия отдельной базовой станции в условиях подземных горных выработок определяются совокупностью многих факторов, основными среди которых являются: гипсометрия

пласта, геометрия выработки, параметры антенно-фидерных устройств, но в любом случае не превышают 300-350 м.

Одним из возможных подходов к созданию необходимого ра-диопокрытияв подземной части рудника является использование систем микросотовой связи стандартов Wi-Fi и WiMAX. Проведенный ранее анализ возможностей применения технологии DECT позволил сделать вывод, что управление технологическими процессами в руднике не может базироваться на системах связи общего пользования (таких как GSM или DECT).

Системы технологий DECT и Wi-Fi схожи по топологии построения, но различаются по своему преимущественному назначению. Системы микросотовой связи технологии DECT предназначены в первую очередь для передачи речевой информации, функции по передаче данных ограничены скоростью всего 32 кБит/с. Системы Wi-Fi изначально задумывались для организации беспроводных сетей передачи данных и уже позднее были разработаны протоколы пакетной передачи голосовой информации VoIP.

Разработкой и поддержкой стандартаШЕЕ 802.11 занимается комитет Wi-FiAlliance. Термин Wi-Fi (WirelessFidelity) используется в качестве общего имени для стандартов 802.11а и 802.11b, а также всех по-следуюших, относящихся к беспроводным локальным сетям (WLAN).

Данная технология предполагает наличие точек беспроводного доступа - маршрутизаторовWi-Fi (стандарты 802.11a/b/g/n), которые обеспечивают стабильный доступ к сети из некоторой области радиусом порядка 200 м. В сети Wi-Fi пользователи, снабженные беспроводными адаптерами, могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия.

Каждая точка доступа может обслуживать несколько абонентов, но чем больше абонентов, тем меньше эффективная скорость передачи для каждого из них. Метод доступа к сети - CSMA/CA. Сеть строится по сотовому принципу.

Стандарт IEEE 802.11b был принят в 1999 г. и благодаря ориентации на освоенный нелицензируемый частотный диапазон 2,4 ГГц завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования.

Стандарт IEEE 802/11g является новым стандартом, регламентирующим метод построения WLAN, функционирующих в частотном диапазоне 2,4 ГГц. Благодаря применению технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) максимальная скорость

передачи данных в беспроводных сетях IEEE 802.11g составляет 54 Мбит/с. Метод OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра (DSSS) передают сигналы последовательно. В результате повышаются пропускная способность канала и качество сигнала. В числе преимуществ 802.11g надо отметить низкую потребляемую мощность, большие расстояния (до 300 м) и высокую проникающую способность сигнала.

Среди изготовителей Wi-Fi оборудования находятся такие известные компании, как CiscoSystems, Intel, TexasInstruments и Froxim. Решения по созданию многофункциональной информационной сети в руднике на основе технологии Wi-Fi предлагают компании НПФ «ГРАНЧ» (Россия) и BeckerMiningSystems (Г ермания).

Несмотря на свои недостатки, главный из которых - незащищенность среды передачи, беспроводные сети обеспечивают простое подключение абонентов, не требующее кабелей, а также мобильность, гибкость и масштабируемость сети. К тому же, что немаловажно, от пользователей не требуется знания сетевых технологий.

Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. Обойти требование наличия «прямой видимости» (Line-of-Sight, LOS) позволяет использование метода модуляции с несколькими несущими, известного как мультиплексирование с ортогональным разделением частот (OFDM). Для OFDM объекты, встречающиеся на пути сигнала, не служат помехой: сигнал в результате серии отражений огибает препятствие и устройства, использующие данную технологию, могут работать с отраженными сигналами. Кроме того, OFDM-технология позволяет существенно улучшить энергетику канала передачи, а также обеспечить устойчивую работу оборудования в условиях многократных отражений.

Отметим теперь, что в последние годы очень динамично развивается сегмент мобильных вычислительных устройств. Новые технологии передачи данных, такие, например, как WiMAX (стандарт IEEE 802.16e), позволяют создавать сенсорные сети, обеспечивающие взаимодействие мобильных вычислительных устройств между собой и с серверами не только в административном корпусе и на промышленной площадке, но и под землей. Серия экспериментов, проведен-

ных в 2006 г. институтом Гипроуглеавтоматизация, подтвердила, что частоты в диапазоне от 2 до 11 ГГц, используемые в WiMAX, обеспечивают наилучшее распространение сигнала в условиях горных выработок угольной шахты.

WiMAX - это следующее поколение беспроводных технологий, призванное решить задачу эффективных сетевых соединений. Появляется возможность соблюдения трех основных требований к сетевым соединениям: высокая пропускная способность, надежность, мобильность. Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи, а также технологии «последней мили», что создает универсальность и повышает надежность системы. Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети. Эта технология подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.

Технология OFDM означает, что единовременно информация передается по многим поднесущим частотам, образующим канал. Ширина канала - 20 МГц. В сетях IEEE802.11а в канале 20 МГц используются 52 поднесущие частоты, однако их номинальное число выбирается из соображений удобства преобразования Фурье и принимается равным 64. Таким образом, интервал между поднесущими Af = 20 МГц/64 = 312,5 кГц.

OFDM-символ представляет собой совокупность всех поднесущих на дискретном интервале длительностью TF = 1/Af = 3,2 мкс. Информационная емкость OFDM-символа определяется типом модуляции информационных поднесущих и их числом. Из 52 поднесущих в стандарте IEEE802.11а для передачи данных используются 48, остальные 4 подне-сущие пилотные. Следовательно, емкость OFDM-символа составляет 48*Nb, где Nb - число бит в одном модуляционном символе (на одной поднесущей), равное двоичному логарифму от числа позиций модуляции. Таким образом. OFDM-символ содержит от 96 до 288 бит.

Отметим, OFDM-модуляция обладает мощным средством борьбы с межсимвольной интерференцией, проявляющейся в том, что из-за множественных переотражений в приемник одновременно поступают

два смежных символа - прямо распространяющийся и «запоздавший». Это ведет к потере символов. В случае OFDM-модуляции, которая допускает небольшую скорость передачи данных на одной поднесущей, в каждый OFDM-символ добавляется защитный интервал GI. В стандарте IEEE802.11а его длительность равна TF/4 = 0,8 мкс. Следовательно, длительность всего символа TS = ТGI + ТF = 4 мкс. Защитный интервал транслируется в начале OFDM-символа и представляет собой копию его последних 0,8 мкс. В результате отраженный и пришедший с задержкой символ попадает в защитный интервал и не повреждает прямо распространяющийся символ.

Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта 802.16 (e и d), практически несовместимы.

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и Интернетом.

Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником.

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/c. При этом по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений.

Сопоставляя WiMAX и Wi-Fi отметим, что эти технологии направлены на решение различных задач.

WiMAX - это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с Интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).

Wi-Fi - это система более короткого действия, обычно покрывающая сотни метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похожа на стационарный беспроводной телефон.

В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию, при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов, как Voiceover IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.

Что же касается сетей 802.16, в них используется алгоритм планирования. Любой пользовательской станции стоит лишь подключиться к точке доступа, для неё будет создан выделенный слот на точке доступа, и другие пользователи уже не смогут повлиять на это.

Вероятно, можно будет наблюдать три фазы развития терминального оборудования WiMAX: на первых порах это будут WiMAX-терминалы для фиксированного беспроводного доступа и для «пешеходного режима» (nomadicaccess). Основными типами оконечных устройств будут CPE и PC-карты. На следующем этапе можно ожидать появления мобильных терминалов, которые кроме поддержки WiMAX, вероятнее всего, будут поддерживать работу абонента и в сетях 2G/3G. Третья фаза будет, видимо, отличаться высокой степенью интеграции WiMAX и IT, а также самых разных продуктов потребительской электроники.

Получено 05.09.2011