Výsledky výzkumu a další informace nejen
z oblasti přístupových telekomunikačních sítí.
Access server ISSN 1214-9675
Server vznikl za podpory Grantové agentury ČR.
15. ročník
Dnešní datum: 18. 11. 2017  Hlavní stránka | Seznam rubrik | Ke stažení | Odkazy  

Doporučujeme
Knihu o FTTx

Matlab server - on-line výpočty a simulace

E-learning - on-line kurzy

Trainingpoint - školení z oblasti TELCO a ICT

Kontakt
KTT FEL ČVUT
Napište nám

Redakční rada - pokyny pro autory a recenzenty

Copyright

Bezdrátový přenos

* Datové přenosy u polárního kruhu

Vydáno dne 21. 04. 2009 (4171 přečtení)

V článku je popsán návrh a realizace komunikačního systému pro antarktickou polární stanici. Článek rovněž popisuje kroky, které bylo nutné učinit pro to, aby mohlo zařízení fungovat ve velmi nehostinných podmínkách, které u polárního kruhu panují.


Data Transfer in the Area of Antarctic Circle - Abstract

The article describes design and realization of communication system for Czech Mendel’s Antarctic Base on James Rosse Island. In the article we describe steps, which were done for correct function of devices localized in very inhospitable environment on the south circle. The steps for HW and SW selection are mentioned in the paper. The article also describes tests, which were realized before communication system was sent to Antarctica.

Keywords: Communication system, Antarctic Circle, Wi-Fi


Úvod

Pro českou polární základnu, která se nachází na ostrově Jamese Rosse v Antarktidě, jsme vytvořili zařízení, které je schopné zprostředkovat připojení k Internetu. Dále umožňuje automatický sběr dat ze senzorové sítě, která jsou následně odesílána na server v ČR. Komunikační zařízení je sestrojeno pro samočinný bezúdržbový provoz, kdy ke své funkci potřebuje pouze napájení a připojení externí senzorové sítě. Zařízení je navrženo pro nízkou spotřebu energie, jehož špičkový příkon je maximálně 20 W a je odolné vůči výrazným výkyvům napájení. Jelikož ostrov Jamese Rosse se nalézá velmi blízko u jižního polárního kruhu, panují zde velmi nepříznivé klimatické podmínky. Systém musí být schopný pracovat při teplotách až -30°C a za velké vlhkosti.

Aspekty při návrhu zařízení

Polární stanice slouží jako základna vědeckých pozorování zejména klimatických změn. Jako taková je vybavena řadou senzorů, které se starají o měření různých veličin souvisejících s teplotou, tlakem a vlhkostí. Polární stanice není konstruována pro celoroční pobyty badatelů, proto je nutné uchovávat naměřené údaje ze senzorů do doby, než budou z těchto senzorů vyčteny. Tento způsob získávání dat je velmi nepraktický a zbytečně zdržuje práci vědců. Aby mohla být data postoupena vědcům rychleji, byl vytvořen komunikační systém, který se stará o samočinné periodické stahování naměřených údajů ze senzorů a jejich odesílání do ČR. Jeho úkolem je rovněž zajistit datovou komunikaci vědců se světem po dobu jejich pobytu na stanici. Polární stanice je situována do míst, kde v zimním období panují teploty kolem -20°C a od oceánu vane vlhký studený vítr. Samotná teplota není pro zařízení takovým problémem, jelikož komponenty systému mohou pracovat i při nižších teplotách. Velkým problémem, se kterým jsme se museli vypořádat, byla námraza vznikající na kabelech a anténách. Pokud jsou komunikační antény pokryty námrazou, výrazně se změní jejich impedance a tím se razantně zhorší kvalita celého bezdrátového spojení. Námraza se velmi lehce tvoří na objektech, které mají velkou plochu, případně jsou výrazně členité. Díky použití vysokých frekvencí (nad 2 GHz) lze použít antény velmi malých rozměrů, na kterých se námraza tvoří méně. V suchých obdobích je půda v okolí stanice velmi vyprahlá a v celé oblasti panuje velká prašnost. Ta se nepříznivě projevuje při provozu větrných elektráren, jimž se zanášejí ložiska a dochází k jejich rychlejšímu opotřebení. Na komunikační systém nemá samotná prašnost přímý vliv, protože neobsahuje žádnou mechanickou součástku.

Navržený komunikační systém

Komunikační systém je postaven na běžně dostupném HW, na kterém je provozován speciálně upravený SW. Běžně dostupný HW byl vybrán zejména kvůli ceně, která je mnohem nižší než při výrobě zařízení na zakázku. Při výběru vhodného HW jsme se řídili několika kritérii. Prvním kritériem bylo fungování při nízkých teplotách (-20°C až -30°C) a energetická hospodárnost (nízký příkon). Druhým kriteriem byla spolehlivost a stabilita. Posledním kriteriem byla cena a dostupnost náhradních dílů. SW výbava musela reflektovat potřeby již nainstalovaných a provozovaných systémů.

obr1

Obr. 1 Blokové schéma

Jelikož se komunikační systém nevyvíjel jako jedno ucelené zařízení, ale jako funkční celek složený z několika bloků, bylo nutné sladit provoz všech zařízení tak, aby tvořily jeden spolehlivý systém. Jak je patrné z obr. 1, je komunikační systém nazvaný Bender rozdělen do čtyř logických bloků. Prvním blokem je BGAN sekce, která se stará o připojení do Internetu. Druhou sekcí je router, který je zodpovědný za komunikaci zařízení v rámci vybudované interní sítě polární stanice a za řízení přístupu do Internetu přes satelitní síť. Do této sítě jsou připojeny senzory a laptopy vědců pracujících na základně. Třetím blokem je MiniPC, které zajišťuje stahování naměřených dat ze senzorů a jejich následné odesílání do ČR. O správnou funkci předcházejících bloků se stará WatchDog WatchDog (viz. též článek Víceúčelové zařízení pro zajišťování spolehlivé funkce systému pro komunikaci a sběr dat na české polární stanici), který je rovněž zodpovědný za uspávání a probouzení celého komunikačního systému a tím řízení jeho spotřeby. Celý systém je umístěn do vodě a vlhkosti odolného boxu, který je připojen k napájení a senzorové síti. Reálné zapojení celého systému je vidět na obr. 2.

obr2

Obr. 2 Reálné zapojení systému

Sekce BGAN

Jak bylo napsáno výše, je tato sekce zodpovědná za připojení komunikačního systému do Internetu. Satelitní modem reaguje na příkazy z řídicího centra v ČR realizovaného pomocí telefonního kanálu. Má své vlastní telefonní číslo, na které lze zasílat příkazy pro komunikační systém a provádět tak jeho základní řízení. Pomocí těchto příkazů lze komunikační systém probudit, nebo restartovat. Služba BGAN (Broadband Global Area Network) byla vybrána s ohledem na druh přenášených dat (řídicí informace, naměřené údaje) a pokrytí signálem v provozované oblasti. Data ze senzorů jsou uchovávána v textové podobě a před samotným přenosem do ČR jsou zkomprimována. Komprimace dat se provádí proto, aby se co nejvíce snížila doba přenosu dat. Ukázka naměřených dat je uvedena na obr. 3.

obr3

Obr. 3 Ukázka přenášených dat

Dalším typem přenášených dat jsou řídící informace pro zařízení na polární základně. Jelikož na některých systémech je instalován operační systém Windows je nutné provádět konfiguraci pomocí protokolu MS RDP (Microsoft Remote Desktop Protocol), který má mnohem vyšší požadavky na přenosovou rychlost než samotný přenos naměřených dat. Je nutné, aby přenos naměřených údajů byl dokončen před tím, než bude zahájena konfigurace pomocí protokolu MS RDP. U souběžného stahování dat a konfigurace systému, by mohlo dojít k ovlivňování operací. Přenášená data by tak mohla být chybně přijata. Další konfiguraci prvků lze provádět pomocí terminálového přístupu, který není náročný na využívání přenosových prostředků. Při výběru technologie se nakonec jako kritická podmínka ukázala nutnost podpory MS RDP protokolu. Vhodným řešením je satelitní síť Inmarsat s terminálem Explorer 110 (Obr. 4).

obr4

Obr. 4 BGAN Explorer 110

Satelitní terminál služby BGAN Explorer 110 je velmi kompaktní zařízení pracující v pásmu 3,5 GHz. Díky použité frekvenci je anténní část velmi malá, a proto ji lze velmi lehce uchránit proti nepříznivým povětrnostním podmínkám. Při správném nasměrování satelitní antény je možné v oblasti polárního kruhu dosáhnout úrovně signálu až 80%, což umožňuje stabilní a rychlou komunikaci. Maximální dosažená rychlost v sestupném směru se pohybuje kolem 12 kbit/s. U vzestupného směru je přenosová rychlost o něco nižší, pohybuje se kolem 7 kbit/s. Zpoždění trasy, testované programem ping (protokol ICMP - Internet Control Message Protocol) se pohybuje v rozmezí 1500 a 2000 ms. Ke zhoršení kvality signálu dochází pouze při výrazném zhoršení klimatických podmínek, jako je velká oblačnost, husté sněžení, apod.

Sekce Router

Interní síť na polární stanici je založena na protokolech Ethernet a TCP/IP, které umožňují velmi snadnou správu a rozšiřování a velmi nízkou spotřebou. Jednotlivá senzorová stanoviště jsou do sítě připojena pomocí UTP kabelu nebo bezdrátově pomocí technologie založené na standardu IEEE 802.11g (Wi-Fi). Ethernet je velmi univerzální síťová technologie, která je použitelná v širokém spektru průmyslových aplikací a lze ji velmi snadno rozšířit a implementovat. Díky nasazení TCP/IP je snadné transportovat data přes Internet do ČR. Dále umožňuje z ČR spravovat interní síť polární stanice a všechna zařízení k ní připojené. Klíčovým prvkem interní sítě je router (směrovač), který je z důvodu zálohy zdvojen. Tento router je vybaven bezdrátovým modulem založeným na standardu IEEE 802.11g, který realizuje interní bezdrátovou síť. Připojení k bezdrátové síti je díky všesměrové anténě se ziskem 8 dBi umožněno klientům na vzdálenost 500 m přímé a 200 m nepřímé viditelnosti. Aktuální mapa pokrytí polární stanice Wi-Fi signálem je uvedena na obr. 5 a obr. 6. Simulace je zpracovaná pro šíření signálu na přímou (obr. 5) a nepřímou (obr. 6) viditelnost. Mapa pokrytí platí pro úroveň přijímaného signálu RSSI v jednotkách dBm. Simulace šíření byla provedena v pásmu 2,4 GHz, kdy výstupní výkon přístupového bodu byl nastaven fixně na úroveň 50 mW a zisk připojené všesměrové antény byl 8 dBi. Útlum anténního svodu byl zanedbán.

obr5

Obr. 5 Pokrytí signálem Wi-Fi, přímá viditelnost

obr6

Obr. 6 Pokrytí signálem Wi-Fi, nepřímá viditelnost

Sekce MiniPC

Tato sekce je zaměřena na stahování dat ze senzorové sítě a jejich odesílání do ČR. Klíčovým prvkem je MiniPC, které je propojeno se senzory pomocí sériových sběrnic RS-232, RS-485 a Ethernetu. Ovládací program v pravidelných týdenních intervalech stahuje data uložená v interní paměti senzorů a po jejich lokálním uložení a zkomprimování je odesílá do datového centra v ČR. Týdenní interval stahování a odesílání naměřených údajů je zvolen z důvodu optimalizace spotřeby komunikačního systému. Samotný proces stahování a odesílání trvá 30 minut. Jelikož je veškerý ovládací software senzorů určen pro operační systém Windows XP, je na MiniPC tento systém nainstalován a to ve verzi Embedded, která nemá takové paměťové nároky jako jeho plná verze. Jelikož paměťové nároky verze Embedded jsou nízké, nemusí být použit klasický pevný disk, ale stačí Compact Flash karta, která snese i nižší provozní teploty (cca do -40°C). Nevýhodou operačního systému Windows XP je jeho správa na dálku, která je možná pouze pomocí protokolu MS RDP, který je velmi náročný na přenosovou kapacitu internetového připojení. Vzdáleně lze na MiniPC konfigurovat procesy stahování a odesílání dat ze senzorové sítě, případně konfigurovat parametry samotných senzorů.

Sekce WatchDog

WatchDog je klíčovým zařízením celého komunikačního systému. Jeho úkolem je napájení a dohled nad činností jednotlivých komponent. Napájecí část zajišťuje převod napětí z externích akumulátorů, které jsou napájeny z větrné elektrárny a solárních článků na napětí použité k napájení jednotlivých komponent celého systému. Zabezpečovací část je zodpovědná za řešení a odstranění poruchových stavů. WatchDog dokáže jednotlivé komponenty vypínat, zapínat, restartovat nebo přepínat na záložní okruhy. Řídí rovněž uspávání a probouzení komunikačního systému ve stanovený čas. WatchDog lze ovládat i vzdáleně z ČR pokud je komunikační systém uspán. Vzdálenými příkazy lze komunikační systém probudit, restartovat, případně nastavit čas automatického probouzení. Více o Watchdogu je možné nalézt v samostatném článku, viz [3].

Testování

V rámci přípravy nasazení systému do reálného provozu na Antarktidě, byla provedena řada testů. Testovaly se jednotlivé komponenty, ale i systém jako celek. Prověřována byla teplotní odolnost a stabilita komunikačního systému. Testovalo se rovněž chování v případě poruchy a reakce systému na mimořádné události. Testování probíhalo řadu týdnů a přispělo k odladění všech poruch, které se během provádění testů vyskytly. Testování teplotní odolnosti bylo prováděno v mrazicím boxu, který je schopný dlouhodobě dosáhnout teploty až -60°C. Teplotní odolnost byla testována několika způsoby. Nejdelší test trval týden, během kterého byl systém plně v provozu a nepřetržitě fungoval při průměrné teplotě -25°C. Na tento test navazovaly kratší série testů, ve kterých se zkoušela schopnost probouzení a uspávání při teplotě -30°C. Po každé ze série testů byly všechny komponenty důsledně prozkoumány, zda vlivem teplotních změn nedošlo k mechanickým poruchám a dalšímu poškození. Další úrovní testů byla stabilita a odolnost vůči výkyvům napájecího napětí. Jelikož je komunikační systém napájen z nespolehlivých zdrojů energie, kde se napětí může pohybovat v rozmezí 0 až 58 V, bylo nutné otestovat odolnost zdrojové části systému. Rozsah vstupního napětí komunikačního systému je definován v rozsahu 12 až 60 V. Systém se vypne pokud je napětí nižší než 11 V, a k zapnutí dojde, jakmile napětí na vstupních svorkách dosáhne hodnoty 12 V. Testy byly prováděny pomocí programovatelného napěťového zdroje, který v čase měnil své výstupní napětí v rozsahu 0 až 58 V. Systém musel bez výpadku pracovat, pokud bylo napětí v rozmezí 11 až 58 V. Jakmile došlo k poklesu napětí pod 11 V musel systém zůstat ve vypnutém stavu a po zvýšení napětí nad 12 V mohl být opět aktivován. Nejobtížnějším testováním bylo prověřit činnost programu ve WatchDogu a skriptů obsluhujících stahování a přenos dat do ČR. Testování a ladění těchto programů bylo časově nejnáročnější a v procesu návrhu a testování systému zabralo nejvíce času. Řídicí program WatchDogu byl psán jako stavový automat, což výrazně přispělo k celkové robustnosti a spolehlivosti řešení. Jelikož nešla zaručit stabilita OS Windows na MiniPC, byla do WatchDogu implementována detekce zatuhnutí (Blue Screenu) tohoto systému a jeho následný restart.

Závěr

Navržený a otestovaný systém je v současné době nasazen v ostrém provozu na české polární stanici na ostrově Jamese Rosse, který se nachází v blízkosti jižního polárního kruhu. Systém zde bude nasazen po dobu jednoho roku, kdy bude sbírat a odesílat data ze senzorů do České republiky.

Příspěvek vznikl za podpory Výzkumného záměru MSM6840770038.

Literatura

[1] V. ŽALUD, J. DOBEŠ - Moderní RADIOTECHNIKA. 1. vyd. BEN - technická literatura, 2006. 768 s. ISBN 80-7300-132-2.
[2] M. Hassan, R. Jain - High Performance TCP/IP Networking, 1 st edition. New Jersey: Pearson Education, 2004.
[3] J. Zavrtálek, M. Neruda - Víceúčelové zařízení pro zajišťování spolehlivé funkce systému pro komunikaci a sběr dat na české polární stanici .
[4] P. Pechač, S. Zvánovec - Základy šíření vln, 1. vydání, BEN, 2007, ISBN 978-80-7300-223-7.
[5] Z. Kocur, M. Šafránek, P. Bezpalec, T. Vaněk - Měření v bezdrátových sítích, VII seminář katedry telekomunikační techniky [CD-ROM], Ostrava, 2007, ISBN 978-80-248-1370-7.



Autor:        M. Šafránek, Z. Kocur, M. Neruda
Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL

Informační e-mail Vytisknout článek
Projekty a aktuality
01.03.2012: PROJEKT
Výzkum a vývoj nového komunikačního systému s vícekanálovým přístupem a mezivrstvovou spoluprací pro průmyslové aplikace TA02011015

01.01.2012: PROJEKT
Vývoj adaptabilních datových a procesních systémů pro vysokorychlostní, bezpečnou a spolehlivou komunikaci v extrémních podmínkách VG20122014095

09.10.2010: PROJEKT
Výzkum a vývoj datového modulu 10 Gbit/s pro optické a mikrovlnné bezdrátové spoje, FR-TI2/621

09.01.2010: PROJEKT
Sítě s femtobuňkami rozšířené o řízení interference a koordinaci informací pro bezproblémovou konektivitu, FP7-ICT-2009-4 248891

09.11.2008: PROJEKT
Ochrana člověka a techniky před vysokofrekvenčním zářením, FI-IM5/202

20.06.2008: Schválení
Radou pro výzkum a vývoj jako recenzovaný časopis

01.04.2007: PROJEKT
Pokročilá optimalizace návrhu komunikačních systémů pomocí neuronových sítí, GA102/07/1503

01.07.2006: Doplnění sekce pro registrované

12.04.2005: Zavedeno recenzování článků

30.03.2005: Výzkumný záměr
Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií MSM6840770014

29.11.2004: Přiděleno ISSN

04.11.2004: Spuštění nové podoby Access serveru

18.10.2004: PROJEKT
Optimalizace přenosu dat rychlostí 10 Gbit/s, GA102/04/0773

04.09.2004: PROJEKT
Specifikace kvalitativních kritérií a optimalizace prostředků pro vysokorychlostní přístupové sítě, NPV 1ET300750402

04.06.2004: PROJEKT
Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy, GA102/03/0434

Web site powered by phpRS PHP Scripting Language MySQL Apache Web Server

NAVRCHOLU.cz

Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.