украинский английский ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ

Молоковский Игорь Алексеевич Магистр ДонНТУ

Молоковский Игорь Алексеевич

Донецкий Национальный Технический Университет

Факультет
Компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра
Автоматики и телекоммуникаций

Специальность:
Телекоммуникационные системы и сети

Тема магистерской диссертации:
"ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ"

Научный руководитель
к.т.н. Турупалов В.В.

Автореферат к магистерской работе

Вступление и актуальность

В Украине энергетическая стратегия, что разработана учеными и практиками, отдает преимущество исключительно угольным технологиям, поскольку уголь как топливный ресурс имеет массу весомых преимуществ. Достаточно сказать, что цена его в перечислении на эквивалентное топливо в 2,5 – 2,8 раза ниже стоимости нефти и в 2,2 раза – газа. Поэтому перспективы за твердотопливной энергетикой.

Учитывая большое количество аварий на шахтах Украины, существует высокий уровень травматизма, в том числе связан со смертью людей, большие экономические убытки за счет ликвидации последствий аварий и не прибавленного угля. Извещение шахт комплексами технологической связи с режимом аварийного извещения сможет уменьшить эти убытки.

Введение в состав громкоговорящей технологической связи и средств радиосвязи позволяет дополнительно осуществлять связь с переговорными устройствами, которые носятся, а также связь со стационарным переговорным устройством, установленному на комбайне. Наличие этой связи позволит осуществить прослушивание работы машины при работе на взрывоопасных пластах.

Научная новизна

Научная новизна данной магистерской работы заключается в следующем:

  • обзор современных существующих технологий радиодоступа и анализ возможности их работы в условиях угольных шахт;
  • учет специфики окружающей местности при исследовании параметров качества обслуживания;
  • анализ протоколов, используемых беспроводными сетями.

    • Обзор современных технологий беспроводных сетей

    Беспроводные локальные сети все больше пользуются популярностью. На протяжении нескольких лет они проходили процесс стандартизации, повышалась скорость передачи данных, цена становилась доступнее. Сегодня беспроводные сети позволяют предоставлять подключение там, где затруднено кабельное соединение или необходимая полная мобильность. При этом беспроводные сети совместимые с проволочными сетями.

    Сегодня рынок сетевых продуктов представляет три стандарта: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b и IEEE 802.11g.

    Стандарт IEEE 802.11b позволяет передавать данные на скорости до 11 Мбит/с и работает на частоте 2,4 ГГц по протоколу широкополосной передачи данных - DSSS. IEEE 802.11b совместимый с более ранним стандартом IEEE 802.11, что работает на скорости до 2 Мбит/с. Таким образом достигается взаимодействие между устройствами двух стандартов.

    Более новый стандарт IEEE 802.11a позволяет передавать данные на скорости до 108 Мбит/с. В нем используется мультиплексирование с ортогональным распределением частот (OFDM) для повышения скорости передачи данных. Эти беспроводны сети работают на частоте 5 ГГц и обеспечивают возможность шифровки с использованием WEP.

    Последние разработки в области беспроволочной связи привели к появлению на рынке устройств новой спецификации стандарта - IEEE 802.11g. Новое оборудование позволяет передавать данные на скоростях к 54Мбит/с и работает в диапазоне частот 2.4 ГГц - поэтому же, что и устройства стандарта IEEE 802.11b. Это позволяет обеспечить совместимость со стандартом IEEE 802.11b и использовать в новых сетях старое оборудование.

    Рабочий диапазон IEEE 802.11a, что лежит вблизи 5 ГГц (IEEE 802.11g имеет вдвое меньшие несущие частоты), выигрывает по дальности стабильной связи. Зона покрытия IEEE 802.11g больше, чем возле 802.11a, то есть на площадь одинаковой величины можно устанавливать меньше точек доступа.

    Стандарт 802.11g имеет в виду OFDM-схему модуляции сигнала - ортогональное мультиплексирование частот, то есть метод частотного уплотнения канала. OFDM менее склонна к такому явлению как препятствию от работающих рядом каналов (интерференции). Таким образом, стандарт 802.11g может обслуживать беспроволочных клиентов с меньшими задержками, чем 802.11b.

    Благодаря тому, что на рынке представленное множество устройств, которые обеспечивают высокие скорости передачи и предлагаемых по доступным ценам, стандарт IEEE 802.11b получил широкое распространение. Продукты, которые работают на основе нового стандарта IEEE 802.11a, обеспечивают еще большую скорость. Устройства стандарта IEEE 802.11g объединяют преимущества перечисленных выше стандартов, работая на скоростях к 54Мбит/с, на частоте 2.4 Ггц, обеспечивая обратную совместимость с устройствами стандарта IEEE 802.11b и увеличивая радиус доступности точек по сравнению с IEEE 802.11a.

    Технология Bluetooth

    Основная идея технологии - предоставление возможности легкого и удобного беспроволочного соединения между собой разных устройств персональной офисной и бытовой техники на малых расстояниях. Протокол Bluetooth поддерживает как соединение типа точка-точка, так и точка-многоточие. Два или более устройств, которые используют один и тот же канал, образуют пикосеть (рісonet), при этом одно из устройств работает как основной (Master), а другие - как подчиненные ( Slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии "паркует", оставаясь синхронизированными с основным устройством.

    Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, что работают на нелицензируемой в большинстве стран частоте 2.45 ГГц и используют метод расширением спектра FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - скачкообразная перестройка частоты, 1600 прыжков/сек., пакетная передача со временным мультиплексированием, 79 рабочих каналов). Радиоканал обеспечивает скорость 721 Кбит/с. В зависимости от мощности передатчика, устройства Bluetooth делятся на три класса:

  • Класс 1 -до 100 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 100 м);
  • Класс 2 - до 2,5 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 15 м);
  • Класс 3 - до 1 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 5 м).

    • Основные достоинства технологии:

  • простота использования готовых модулей;
  • малые размеры;
  • безопасность передачи информации (аутентификация, кодировка);
  • высокий уровень стандартизации.

    • Основные недостатки технологии:

  • невозможность построения сетей сложной топологии;
  • больше (по сравнению с сетями ZigBee) энергопотребления.

    • Технология Wi-Fi

    Wi-Fi, или RadioEthernet IEEE 802.11, - это первый промышленный стандарт для организации беспроволочных локальных сетей (Wireless Local Area Networks - WLAN) на ограниченной территории, то есть когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передачи данных. Стандарт был разработан Инженерным институтом электротехники и радиоэлектроники (Institute Electrical and Electronics Engineers - IEEE) и может сравниваться со стандартом 802.3 для привычных проволочных Ethernet сетей.

    В данное время существует множество версий этого стандарта - IEEE 802.11(а,j,n,r), на практике наиболее часто используются всего три, определенных как 802.11b, 802.11g и 802.11a.

    Таблица 1 - Сравнение стандартов Wi-Fi

    Стандарт

    Показатели

    802.11b

    802.11g

    802.11a

    Количество использованных каналов

    3

    3

    8

    Частотный диапазон, ГГц

    2,4

    2,4

    5

    Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с

    11

    54

    54

    Основные достоинства технологии:

  • простота использования готовых модулей;
  • легкость интеграции с существующими проволочными сетями (LAN);
  • высокая скорость передачи информации;
  • безопасность передачи информации (64/128-битное шифровка).

    • Основные недостатки технологии:

  • более высокая (по сравнению с другими беспроволочными сетями) цена на оборудование;
  • больше (по сравнению с другими беспроволочными сетями) энергопотребления;
  • ограниченный радиус действия.

    • Технология ZigBee

    Стандарт беспроволочной связи ZigBee предназначен для использования в системах сбора данных и управления. Его основные девизы - малое энергопотребление, надежность передачи данных, защита информации, совместимость пристроил разных производителей.

    Сети ZigBee называют сетями, которые само образуются и само восстанавливаются, поскольку ZigBee-устройства при включении питания благодаря встроенному программному обеспечению умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов умеют устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. Таким образом, технология Zigbee может быть использована как для реализации простых соединений "точка-точка" и "звезда", так и для образования сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть".

    Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в сетях Zigbee составляет 250 кБит/c. Технология ZigBee имеет частотные каналы в диапазонах 868МГц, 915МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4ГГц, поэтому большинство производителей микросхем выпускает приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 Мгц.

    Радиус обхвата устройств Zigbee зависит от очень многих параметров, но в первую очередь - от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети Zigbee измеряется сотнями метров, а в помещении - десятками метров. При этом следует помнить, что зона покрытия ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, поскольку за счет ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети.

    Для создания Zigbee-сети возможно использовать два разных подхода. Наименьшая себестоимость конечного изделия достигается при разработке проекта на базе микросхем-приемников-передатчиков. При этом компании производители микросхем предоставляют разработчикам разные варианты библиотек для реализации протоколов Zigbee. С другой стороны использования готовых ZigBee-модемов позволяет выполнить разработку в очень короткие сроки, поскольку при этом не требуется расходовать время на разработку высокочастотных цепей и значительно упрощается разработка программного обеспечения.

    Технология NanoNET

    Технология NanoNet базируется на использовании линейно-частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum), как метода, проверенного самой природой. Дельфины и кожаны пользуются линейно-частотными импульсами для определения своего местоположения.

    Приемопередатчики компании Nanotron диапазона 2.4 ГГц предназначены для беспроволочной передачи данных в системах мониторинга и управления, домашней автоматизации, охранительных системах, - везде, где производительности ZigBee и Bluetooth становится не достаточно, а устройства Wi-Fi не могут применяться через высокое энергопотребление.

    Основными особенностями приемопередатчиков Nanotron является возможность передавать данные на достаточно высоких скоростях (до 2 Мбит/с) и более высокая помехоустойчивость по сравнению с другими технологиями диапазона 2,4 ГГц. Дальность передачи на открытом пространстве составляет сотни метров. Новинкой в этом сезоне постоянные новые приемопередатчики Nanotron nanoLOC TRX, которые дополнительно владеют функцией определения местоположения. Объединение в одном кристалле функций беспроволочной передачи данных и определения местоположения открывает новые возможности для систем радиочастотной идентификации и сбора данных.

    Линейно-частотная модуляция (Chirp Spread Spectrum), что используется приемопередатчиками Nanotron, является одним из методов расширения спектра и позволяет повысить помехоустойчивость за счет того, что мощность сигнала "размывается" по спектру, и при действии препятствий фиксированной частоты теряется только часть сигнала, который передается, так что двоичная информация может быть потом возобновленная в приемнике.

    Линейно-частотные импульсы, которые используются приемопередатчиками Nanotron для передачи двоичных данных, имеют фиксированную длительность и линейно нарастающую или ниспадающую частоту несущей. Ширина частотного канала, что используется, при этом составляет 64 МГц и значительно превышает ширину частотных каналов таких технологий как ZigBee и Bluetooth, которые также используются для беспроволочной передачи в данном диапазоне. Это дает возможность приемопередатчикам Nanotron работать на более высоких скоростях и с более высокой степенью надежности передавать данные в условиях сложной препятствующей обстановки.

    В сравнении с технологией Wi - Fi, которая также имеет широкую полосу частотного канала, приемопередатчики Nanotron имеют лучшее соотношение "дальность передачи / скорость передачи / энергопотребление" благодаря тому, что первичная обработка линейно-частотного импульса выполняется аналоговым способом. Таким образом, приемопередатчики Nanotron могут использоваться в ношеных устройствах, которые работают от батарей.

    Основными особенностями приемопередатчиков NanoNET TRX является скорость передачи до 2 Мбит/с, радиус действия до 900 метров на открытом пространстве и встроенного MAC-контролера с поддержкой разных методов доступа к среде передачи. Мощность передатчика может изменяться в границах от 1 мкВт до 6.3 мВт.

    Для создания сетевых дополнений на базе приемопередатчика nanoNET TRX компания Nanotron предлагает использовать один из двух пакетов программного обеспечения в зависимости от сложности беспроволочного соединения: "Driver software" или "Portable Protocol Stack (PPS)". Оба пакета предоставляются в начальных кодах на языке С. Пакет "Driver software" обеспечивает управление режимами работы приемопередатчика и содержит функции для приема и передачи сообщений. Пакет PPS позволяет реализовать сложную сетевую топологию. Конфигурация протокола задается в соответствии с требованиями дополнения.

    Институт инженеров электротехники и электроники IEEE 28 марта 2007 утвердил новый стандарт для физического уровня беспроволочной передачи данных IEEE 802.15.4a для систем с повышенным уровнем препятствий. Технология CSS компании Nanotron выбрана в этой спецификации как базовая.

    Таблица 2 - Сравнительная таблица выбранных технологий

    Технология

    Показатели

    Bluetooth

    NanoNET IEEE 802.15.4.a

    Wi-Fi

    ZigBee

    Частота, ГГц

    2,45

    2,4

    2,4

    2,4

    Скорость передачи данных, ГГц

    721 Кбит/с

    2 Мбит/с

    11 Мбит/с

    250 Кбит/с

    Тип модуляции

    FHSS

    CSS

    CCK,DQPSK

    QPSK,BPSK

    Мощность передатчика, мВт

    100

    6,3

    100

    5

    Принцип работы комплекса.

    Функционально комплекс делится на две независимые части:

  • канал языковой (звуковой) связи;
  • канал передачи команд управления и сигнализации.
    • Принцип работы канала языковой связи между абонентами заключается в том, что акустический сигнал превращается в электрический микрофоном. В абонентских постах этот сигнал усиливается усилителем и через трансформатор передается по линии связи на входы усилителей все остальных абонентских постов. Из выходов этих усилителей сигнал поступает на громкоговорителе. Этим достигается громкоговорящая передача языкового сигнала с одного абонентного поста на все другие.

    Канал передачи команд управления и сигнализации предназначен для решения следующих задач:

  • передача команд управления с абонентных постов в аппарат питания и контроля;
  • передача команд управления из аппарата питания и контроля в абонентские посты.

    • Канал управления является локальной сетью на основе интерфейса RS-485. В узлах сети установленные контролеры. Для связи с комбайном и носимым пультом управления контролера абонентского поста обеспечен радио модемом на основе беспроводной технологии, расположенным в абонентских секционных постах.

    Громкоговорящая связь для угольных шахт. 8 кадров

    Рис.1 - Громкоговорящая связь для угольных шахт. 8 кадров. Анимация выполнена с помощью программы GifAnimator.

    Канал языковой связи с пульта выносного. Пульт выносной предназначенный для обеспечения беспроволочной связи между персоналом в лаве и на штреке, при этом радиоканал используется между пультом выносным и ближайшим к нему абонентским секционным постом, а между абонентскими постами лавы и штрека используется проволочный канал. Конструктивно пульт выносной выполненный в металлическом корпусе, закрытом крышками. На лицевой стороне размещенные кнопки: "Связь", "Вызов диспетчера"; индикаторы: "Питание" и "Связь"; а также микрофон и громкоговоритель. На нижней крышке установлены: кнопка включения питания пульта и разъем для подключения к зарядному устройству. Внутри корпуса размещены две платы с элементами схемы пульта: плата преобразователя и плата приемопередатчика. На плате приемопередатчика установлен аккумулятор с ограничительным резистором, залитый силиконовым герметикам.

    Канал передачи команд управления и сигнализации Из выносного пульта команда "Вызов диспетчера" воспринимаются приемо-передатчиком ближайшего к пульту поста абонентного и передается в аппарат питания и управления. Для вызова диспетчера необходимо включить пульт в режим связи, нажимать кнопку "Вызов диспетчера" и после ответа диспетчера (получение акустического языкового сообщения) кнопку отпустить и вести языковой обмен.

    Список источников

    1. Антонов Э. Обеспечение безопасности горных работ – Донецкие новости, №33(841).
    2. Технорматив – нормативно-техническая документация / Электронный ресурс. Способ доступа URL: www.technormativ.ru/main.php?p=vrd/
    3. Автоматгормаш им. В.А.Антипова / Электронный ресурс. Способ доступа URL: http://ad5.bigmir.net/t.bbn?14702&5&f&8213846&hhttp%3A //3528.ukrindustrial.com/info.php%3Fblock%3Dhistory
    4. Nanotron: Технология NanoNET/ Электронный ресурс. Способ доступа URL: http://www.efo.ru/cgi-bin/go?2490

    © ДонНТУ 2008, Молоковский Игорь