Помехозащищенная радиосеть для мониторинга и охраны объектов
- Разработка
- Производство
- Внедрение
- Эксплуатация
К настоящему времени развитие технологий в рамках цифровой экономики позволило добиться неплохих результатов в областях хранения и обработки больших объемов данных.
Эти технологии активно используются в различных областях экономики, в том числе для целей мониторинга мобильных и стационарных объектов. Создано большое количество различных платформ по хранению и обработке телематической информации, в том числе с использованием элементов искусственного интеллекта.
Однако, качественный сбор телематической и телеметрической информации с различных объектов возможен только в зонах с уверенным покрытием публичными сетями.
Настойчивый запрос бизнеса - получать телематические данные с со значительно больших территорий. Данную проблему должны решить технологии интернета вещей, но существующие на данный момент разработки в области построения систем мониторинга имеют либо избыточно высокую стоимость развертывания, либо недостаточные функциональные и технологические возможности.
Поэтому технологичное и недорогое решение для расширения существующих и создания новых локальных зон мониторинга промышленных и иных подвижных и стационарных объектов имеет высокую актуальность на сегодняшний день.
ООО «Радиоинформационные системы» - резидент фонда «Сколково», разработчик и производитель программного обеспечения и оборудования для развертывания универсальной узкополосной радиосети для передачи данных от удаленных объектов. Применяемые технические и технологические решения позволят развернуть радиосеть с уникальными параметрами по стоимости построения сети и качеству получаемых сигналов с мобильных объектов.
Такая сеть обеспечит бюджетный помехозащищенный мониторинг и охрану транспорта клиентов, имеющих сложную и отдаленную логистику, нуждающихся в постоянном контроле параметров транспортных средств и сохранности перевозимых грузов. В команду проекта входят разработчики радиосистем с высоким уровнем компетенций и большим опытом создания подобных проектов.
1. Радиус покрытия одной базовой станции до 50 км. Для покрытия той же территории необходимо от 10 до 20 базовых станций конкурирующих IoT решений. Для сплошного покрытия нашей сетью всей территории Ленинградской области понадобится установить чуть более 40 базовых станций.
2. Себестоимость производства одной базовой станции порядка 100 тыс. рублей. Стоимость развертывания сети на единицу площади самая минимальная из всех альтернативных решений.
3. Cтоимость базового оборудования сотовой связи достаточно высока и экономическая модель развития сотовых операторов не позволяет им разворачивать связь в районах с малым количеством потенциальных клиентов. Мы можем выборочно и точечно закрывать такие территории.
4. Планируемая стоимость референсного объектового оборудования составит порядка 6 тыс. рублей. Для сравнения, стоимость оборудования мобильного спутникового терминала составляет около 40 тыс. рублей при стоимости услуг связи - около 15 тыс. рублей на объект ежемесячно. Кроме того, данное оборудование не работает в плотной застройке, густом лесу и т.д.
1. Единоличное использование лицензируемого непубличного частотного диапазона для снижения помех и улучшения качество радиосвязи.
2. Использование международного «морского» частотного диапазона около 150 МГц, который дает наилучшее прохождение сигналов в естественных средах для негабаритного оборудования.
3. Использование передающих устройств мощностью до 2000 мВт, в то время как передатчики общедоступных диапазонов ограничены 25 мВт. Это позволяет получать сигналы из плотной городской инфраструктуры (подземные паркинги и т.д.)
Синхронный протокол работы стандартов сотовой связи уязвим к созданию преднамеренных помех, и его сигналы свободно глушатся легкодоступным радиотехническим оборудованием. Заглушить сигнал тревоги от объекта мощностью 2 Вт и асинхронным каналом представляет собой крайне сложную техническую задачу.
Сетей IIoT сегмента для открытых территорий с невысокой стоимостью развертывания на данный момент просто не существует.
Мы предлагаем создать комплекс компонентов узкополосной радиосети для передачи коротких информационных сообщений для целей мониторинга мобильных и стационарных объектов в частотном диапазоне 147-174 МГц, который лучше всего подходит для работы на сложном ландшафте, чем существующие сегодня решения.
Соединив в единую систему возможности технологий сверхузкополосной передачи коротких сообщений, расширения частотного спектра, современные методы распознавания сигналов на основе программно определяемых радиосистем (SDR), можно создать сеть, которая будет в наибольшей степени удовлетворять вышеобозначенным требованиям.
Кроме того, использование относительно низкого частотного диапазона позволит применить в оборудовании недорогие компоненты с более низкой производительностью, что в свою очередь скажется на стоимости оборудования.
При этом пропускная способность канала связи будет достаточна для передачи основных и дополнительных параметров, контролируемых в настоящее время на объектах транспорта и добывающих производств.
Опираясь на опыт эксплуатации технологической радиосети, развернутой в частотном диапазоне 147 – 174 МГц, который наиболее подходит для решения поставленных нами задач, наша команда намерена соединить в единой технологии самые передовые достижения в области приема и передачи данных в радиоэфире с целью получения оптимальных параметров при передаче телеметрии на большие расстояния с быстро передвигающихся объектов.
Инфраструктура сети представляет собой набор аппаратных и программных средств: базовые станции, абонентские модемы, сервера сбора и передачи информации.
Для работы одного сегмента сети предлагается применение полосы частотного спектра от 30 до 300 КГц. В качестве модуляции - применима фазовая манипуляция с углами сдвига фаз от 90 до 22,5 градусов, что вполне реализуемо на данном частотном диапазоне. Использование именно этого частотного диапазона дает возможность производить анализ всей используемой ширины полосы на базовой станции с помощью относительно недорогих комплектующих, в перспективе российского производства, что, в конечном итоге, решает вопрос создания базовой станции с невысокой стоимостью и относительно низким энергопотреблением.
Энергоэффективность базового оборудования позволит обеспечивать его энергопитание от альтернативных источников энергии, что, в свою очередь, значительно сокращает издержки на развертывание сетей в труднодоступных районах с отсутствующей инфраструктурой.
Для повышения помехоустойчивости передачи сигналов используются хорошо зарекомендовавшие себя алгоритмы избыточного кодирования с возможностью коррекции ошибок.
Также большой проблемой асинхронных сетей является наложение сигналов разных источников во времени, что в свою очередь приводит к недоставке сообщений. Для асинхронных систем передачи используется псевдослучайный алгоритм доступа к эфиру как по времени так и по частоте. Такой алгоритм называют ALOHA. При однократной передаче сообщений от модемов в несинхронных сетях порог допустимой недоставленности сообщений в 5% достигается уже при загрузке канала в 1.5%, что является неоправданно расточительным по отношению к частотному и временному ресурсам. Предполагаем использовать частично синхронный, модерируемый со стороны инфраструктуры сети механизм передачи сигналов от радиомодемов. Для неэкстренных сигналов будет применяться гибридно расширенная технология LBT (Listen Before Talk - слушай перед передачей), для чего базовые станции по низходящим каналам будут сообщать слушающим их радиомодемам частотно-временное распределение сеансов передачи. Для клиентских модемов от базовых станций будут передаваться сигналы синхронизации времени и частоты, что позволит абонентским модемам более точно настраиваться на частоту передачи и не пересекать спектры соседних каналов в эфире, а также более правильно придерживаться сетки частотно-временного планирования передачи. Для передачи нерегулярных экстренных сообщений используется метод резервированных каналов экстренной передачи и применение на этой части используемого частотного ресурса режима временной синхронизации старта передачи. Отсрочка по времени начала передачи сообщения в 1-3 секунды практически не повлияет на результат обработки события, но в несколько раз повысит возможности по загрузке каналов передачи.
Использование более низкочастотного решения относительно конкурентов позволяет существенно увеличить дальность уверенной связи в условиях пересеченной местности за счет лучшей проникающей способности радиосигнала примененного диапазона частот на данных типах препятствий. К тому же, увеличение разрешенной лицензируемой мощности передающего тракта повышает бюджет радиолинии и помехоустойчивость канала связи, что приводит к устойчивой связи на достаточном удалении приемника от источника сигнала. При этом методы, закладываемые в протокол передачи, позволят снижать мощность передатчика в несколько раз при незначительной удаленности радиомодема от БС без ухудшения качества прохождения радиосигнала, что будет способствовать повышению энергоэффективности абонентских решений.
Радиус уверенного функционирования системы, заявленный в проекте, намеренно ограничен 50 км от базовой станции и обуславливается естественной кривизной поверхности Земли. Увеличение этого параметра потребует размещения антенн базовых станций на значительной высоте, что приведет к чувствительному удорожанию инфраструктурных затрат на развертывание системы.
Также стоит отметить, что использование узкополосных каналов и их динамическое объединение в пулы, позволяет передавать как очень короткие сообщения в узком частотном канале, так и более объемные данные. На основе анализа технологических возможностей при использовании канала шириной в 300 Гц возможно получение достаточно стабильной скорости передачи сообщений в эфире 200 бод, а в режиме агрегации каналов до 800 и 1600 бод соответственно для коэффициента объединения каналов 4 и 8. При этом возможный размер полезного окна сообщения может варьироваться в пределах от 40 до 320 бит в режиме без агрегации каналов и до 3200 бит с агрегацией. Эти параметры, с учетом заложенной мощности передачи сообщений в радиоэфире, позволят создавать абонентское оборудование на элементной базе коммерческого класса без риска критичного отклонения параметров оборудования во время посылки сообщения при максимально возможном коэффициенте заполнения канала передачи не более 10%. Этого будет достаточно для устойчивой работы устройств в режиме "онлайн мониторинга".
Приведенные скорости и объемы передачи данных уже учитывают асинхронное, избыточное и помехозащищенное кодирование.
Протоколы шифрования, применяемые к информационному окну, могут варьироваться в зависимости от характера передаваемых данных.
Используемые размеры информационного окна позволят работать как в собственном протоколе передачи данных, так и инкапсулировать другие протоколы, такие как, например, протокол NB-Fi, либо передавать специфичные данные по заданию клиента в пакетном режиме.
Спутниковые системы связи, а именно системы передачи информации, имеют одно неоспоримое преимущество перед всеми наземными сетями связи - это охват территории покрытия от мегаполисов до отдаленных уголков.
Однако по всем остальным параметрам спутниковые системы проигрывают наземным разворачиваемым сетям.
Спутниковые системы связи условно можно разделить на две группы. Первая группа предназначена для связи подвижных объектов, самый известный ее представитель - Иридиум. Вторая группа предназначена для работы с неподвижными объектами, к которым относятся все операторы Ka и Ku диапазонов, в том числе и проект “Газпром космические системы”.
У первой группы очень дорогой модем (на текущий момент около 40 т.р.) и еще более дорогой трафик передачи данных. Расходы на связь каждого мобильного терминала (по отзывам использования мониторинга на транспорте в труднодоступных районах) составляют от 5 до 15 т.р. в месяц, что неоправданно дорого.
У второй группы операторов оборудование более доступно по цене (от 4 до 15-25 т.р. за комплект), однако ему требуется переустановка (настройки спутниковой тарелки) после каждого перемещения оборудования. При этом тарифы на трафик в последнее время сильно снизились.
Использование спутниковых систем передачи информации оправдано в гибридной связке с наземными радиосетями малого радиуса действия. Это обеспечит наиболее высокий экономический эффект.
Приведем пример - в вахтовом поселке нефте- или газо-добывающей компании установлено оборудование спутниковой связи Ku или Ka диапазонов. Оно обеспечивает вахтовиков голосовой и интернет связью а также предоставляет компании канал мониторинга оборудования и техники. Однако оборудование насосных узлов и скважин находится подчас за десятки километров от поселка, и устанавливать спутниковое оборудование на каждой скважине нецелесообразно. Можно установить в поселке одну Базовую станцию наземного диапазона малого радиуса (в предлагаемом проекте радиус покрытия 50 км от поселка) и на каждом узле оборудования или единице техники по модему передачи сообщений. Это не только даст возможность мониторинга состояния стационарных редко посещаемых объектов, но и подвижной техники на достаточно большой площади (около 8000 кв.км.).
мониторинг и охрана различных транспортных средств, грузов и удаленных объектов
Основное направление использования создаваемой технологии – on-line мониторинг транспорта. Пропускная способность канала связи сети составляет порядка 400 бод и будет достаточна для передачи основных и дополнительных параметров, контролируемых в настоящее время на объектах транспорта (координаты, показания датчиков уровня топлива, параметров двигателя, положения дверей, состояния систем и агрегатов, тревожные кнопки и т.д.).
Оптимальное решение для мониторинга транспорта – использовать данную сеть совместно с публичной сетью одного из мобильных операторов связи. У операторов мобильной связи уже есть большие зоны покрытия, однако существует множество участков с отсутствующей или плохой связью.
Наряду с магистральным транспортом пользователями услуг будут предприятия добывающей, лесозаготовительной и сельскохозяйственной отраслей. Количество предприятий такого рода в РФ исчисляется тысячами, каждое из которых имеет в своем распоряжении в среднем от 30 и более объектов, требующих оперативного или экстренного онлайн мониторинга. Предполагается на начальных этапах разворачивать для каждого клиента локальный участок сети, включающий в себя от одной до нескольких базовых станций в зависимости от необходимой зоны покрытия. Проникновение технологии возможно в 5-10% предприятий соответствующих сегментов.
Кроме того планируется обслуживание предприятий, работающих с нефтяной и газовой инфраструктурой. Объекты добычи и транспортировки углеводородного сырья так же нуждаются в непрерывном онлайн мониторинге.
В настоящий момент команда проекта находится на стадии поиска инвестиций для реализации разработок действующих прототипов базовой станции, референсного абонентского терминала и программного обеспечения системы управления сетью. Цель проекта - построение федеральной универсальной узкополосной радиосети для передачи данных. Основной источник монетизации – продажа клиентского оборудования и оказание услуг по передаче телеметрических и телематических данных от удаленных объектов на указанные клиентом ресурсы. Необходимый объем инвестиций оценивается в размере 20 млн. рублей. В данную сумму включена стоимость оборудования пятнадцати базовых станций для тестового сегмента, планируемого развернуть на территории г. Санкт-Петербург, и работы по созданию тестового сегмента и отладки системы.
На этапе масштабирования проекта планируется привлекать в качестве инвесторов региональных игроков IT рынка и создание на их основе региональных операторов сети. Договоры на эксклюзивное обслуживание региона будут заключаться на конкурсной основе и в обмен на заключение инвестиционного соглашения, содержащего условия по необходимой динамике развития базовой инфраструктуры.
Наиболее оптимальным развитием проекта на начальном этапе видится обеспечение сотрудничества с одной или несколькими крупными федеральными компаниями для более быстрого построения достаточной для оказания массовой услуги наземной инфраструктуры.
Например:
Кроме того заказчиками услуг должны стать:
ООО «РИС» не планирует самостоятельно оказывать услуги клиентам. Компания будет владельцем технологии, программного обеспечения, производить оборудование базовых станций и узлов сегментов связи, а также, оконечного абонентского оборудования референсного класса, устанавливаемого на объектах, развивать и поддерживать работоспособность ядра сети, осуществлять взаиморасчеты между операторами региональных сетей по роумингу абонентского оборудования.
Оказание услуг связи непосредственно клиентам, ООО «РИС» будет делегировать своим партнерам - региональным операторам, на основе заключенных эксклюзивных договоров на осуществление деятельности в конкретном регионе в обмен на обязательство выполнения согласованной инвестиционной программы по развитию сети на данной территории. Предполагается, что региональные операторы будут в свою очередь привлекать исполнителей для установки оборудования на объектах и агентов поподключению клиентов к сети, и получать прибыль от операторских услуг и продажи оборудования.
