Результаты исследований. Технология Kinetic Mesh™ компании Rajant по своим возможностям превосходит требования, предъявляемые к коммуникациям в экстремальных условиях подземных работ

Одна из крупных горнорудных компаний, ведущая разработки на подземных месторождениях в Бразилии, обратилась в компанию Rajant с просьбой о развертывании беспроводной широкополосной сети на всех участках подземных работ в шахте. В свою очередь, компания Rajant обратилась к своему давнему партнеру, компании 3D-P, для проведения исследования и инженерных проработок беспроводной сети непосредственно на месте.

Цель исследования заключалась в том, чтобы удостовериться в возможностях будущей реализации беспроводной сети связи и передачи данных, которая могла бы обеспечить связь всех сетевых приложений на всех участках шахты, в том числе с покрытием зоны активной очистки. В этом документе приведено описание проблем и путей их решения в данном случае, требований, организации процесса исследования и результатов исследования, полученных компанией 3D-P.

Партнер в области технических решений

Компания 3D-P предоставляет услуги и продукты на основе технологий, позволяющих повысить производительность работы промышленных предприятий. За многие годы работы с заказчиками из горнорудной отрасли компания 3D-P накопила большой опыт, она точно понимает, как каждое приложение должно взаимодействовать с другими приложениями, и предлагает решения, открывающие все мощные возможности технологических систем в отрасли. Сетевые решения компании 3D-P отлично проработаны и обеспечивают большую пропускную способность, необходимую для поддержки сетевых приложений с высокими требованиями к полосе пропускания, а также надежность работы автономных программ. Являясь авторизованным партнером Rajant, компания 3D-P предлагает заказчикам готовые «под ключ» технические решения высокопроизводительных беспроводных ячеистых сетей, основанные на фирменной технологии Kinetic Mesh™ компании Rajant.

Обзор исследования

В требованиях заказчика к беспроводной сети предусматривалась не только надежность сетевых соединений с высокой пропускной способностью, но также обеспечение масштабируемости с целью добавления в будущем сетевых приложений, в том числе для автономной работы в условиях подземных участков. Первоочередные приложения должны были обеспечивать связь для поддержки диспетчеризации и контроля бортовых систем машин и механизмов, доступ к системам бизнес-процессов, отслеживание производственных активов, связь через беспроводные и проводные системы телефонии VoIP, а также видеонаблюдение через камеры с передачей данных по протоколу IP. Компания также хотела обеспечить сотовую голосовую связь для всех сотрудников на всей территории шахты. Для достижения всех этих целей заказчику требовалась надежная беспроводная сеть с большой полосой пропускания и низкой латентностью (малым временем задержки).

Предварительные обсуждения и анализ, проведенный компанией 3D-P, позволил выявить ряд возможных беспроводных решений и сократить их список до нескольких оптимальных, удовлетворяющих требованиям заказчика. По этим выбранным решениям было проведено исследование, целью которого было определить следующее:

    
• Эксплуатационные характеристики выбранных решений     
• Эксплуатационные характеристики для радиочастот 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц в условиях подземной работы     
• Наилучшие практические решения антенн для мобильной связи и сетевой инфраструктуры     
• Радиочастотные шумы и помехи, и в частности, возможные собственные помехи     
• Эксплуатационная готовность, доступность и наилучшие практические решения для транспорта данных на всех участках шахты     
• Тактика и наилучшие практические приемы для расширения зоны покрытия беспроводной сети в зоне очистных работ Какие проблемы требовалось преодолеть
  
  Любое предприятие, где ведутся подземные шахтные работы, имеет множество значительных проблем, препятствующих успешному развертыванию надежной высокопроизводительной беспроводной сети, и шахта в Бразилии не была исключением из этого правила. Особенно трудной проблемой было установить и поддерживать связь в зоне активной очистки. При установленных высоких требованиях к обеспечению связи и пропускной способности, не было никакой существующей проводной инфраструктуры. Недостаточная пропускная способность существующей инфраструктуры на различных горизонтах шахты при очень ограниченных (в случае вообще какого-либо их наличия) источниках электропитания, а также слабо развитая сеть Ethernet еще больше ограничивали возможности беспроводной связи.
  
  В шахте имеется обширная и протяженная система туннелей – общая длина подземных туннелей составляет 160 километров (99,4 мили). Шахта имеет множество уровней (горизонтов добычи), причем каждый из них соединен с соседним горизонтом через узкие наклонные спиралевидные рампы, которые ограничивают возможную дистанцию для беспроводных коммуникаций. На большинстве участков шахты для обеспечения коммуникаций использовались системы двухсторонней голосовой радиосвязи. Однако не было никаких радиоустройств, обеспечивающих передачу данных по протоколу IP и прямую связь снаружи туннелей.
  
  Рабочие продвигаются вслед за рудной жилой, которая проходит под некоторым углом, при этом горизонты добычи располагаются один над другим. Вертикальный ствол шахты проходит на всю ее глубину и служит в качестве пути для подачи добытой руды на поверхность.
  
  
  
  На каждом шахтном стволе используется технология с излучающим комбинированным кабелем для голосовой связи и коммутатором Ethernet, подключенным к волоконно-оптическому кабелю. Ствол шахты пересекает горизонт добычи в определенных местах, и в этих местах имеются коммутаторы, соединенные волоконно-оптическим кабелем, что позволяет системам подключаться к сети.
  
  Существующая система не являлась беспроводной, а для заказчика было важно иметь беспроводную сеть, чтобы получать данные от приложений, работающих на оборудовании. Например, приложение для определения пространственной близости объектов позволяет повысить безопасность и производительность, предоставляя рабочим информацию о местонахождении оборудования и операторов в любой момент времени.
  
  Методика тестирования
  
  Для оценки влияния спиралевидных переходов были созданы две экспериментальные рабочие среды – одна непосредственно на действующей шахте, и другая в США, на неработающей шахте с аналогичным проектным решением. На действующей шахте в одном конце туннеля была установлена инфраструктурная радиостанция, работа которой тестировалась в сравнении с другими различными радиоустройствами и антеннами, чтобы оценить пропускную способность и уровень сигнала. Эти тесты пропускной способности и уровня сигнала выполнялись на различных участках спирали, чтобы измерить дальность прохождения сигналов без затухания или пропадания. В процессе испытаний проводились обходы шахты с посещением зоны активной очистки, а также других зон, в том числе участков ведения активных производственных процессов.
  
  Фирменная технология Rajant Kinetic Mesh превзошла всех конкурентов в соревновании
  
  В шахте имеется очень мало зон прямой видимости для свободного прохождения радиосигнала. Некоторые зоны имеют небольшие изгибы и повороты, а другие – крутые повороты под углом более 90 градусов. Ограниченная ширина туннелей является дополнительной проблемой для прохождения РЧ сигналов по причине образования в узких туннелях зон Френеля с сильной дифракцией радиоволн.
  
  На рисунке 1 выше показана зона горизонта № 14, где проводились натурные испытания РЧ. Тестирование производилось в диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, при этом определялись показатели латентности, шумов, пропускной способности и разности уровней сигналов при изменении расстояния и различной степени блокирования сигнала. Расстояния между местами первых четырех пунктов тестирования были следующие:
  
  
      
  • От пункта 1 до пункта 2 – 50 метров (164 фута) при наличии прямой видимости     
  • От пункта 1 до пункта 3 – 100 метров (328 футов) при наличии прямой видимости     
  • От пункта 1 до пункта 4 – 120 метров (393 фута) при полном отсутствии прямой видимости Тестировались два возможных решения – ячеистая сеть Rajant’s Kinetic Mesh Network и конкурирующее с ней решение наружной беспроводной ячеистой сети стандарта 802.11n, после чего проводилось сравнение результатов.
    
    Тест № 1:
    
    Были сконфигурированы два сетевых узла на устройствах Rajant ME4 BreadCrumb®, у которых имелись одновременно трансиверы для диапазонов частот 2,4 и 5 ГГц. Первый узел был оборудован направленной антенной с двойной поляризацией и развернут в пункте тестирования № 1 в качестве стационарной точки доступа. Второй узел был оборудован антенной с малым коэффициентом усиления и использовался на мобильном транспортном средстве. Данные собирались с мобильного устройства в пунктах 2, 3 и 4. Устройству ME4 было разрешено самостоятельно делать выбор наилучшего трансивера в каждом тесте пропускной способности, используя для этого свое собственное патентованное сетевое программное обеспечение InstaMesh®.
    
    
    
    Тест № 2:
    
    Была сделана замена антенн на направленные антенны с усилением 8 dBi на обоих концах линии связи Rajant. Результаты теста показали значительный, хотя и не чрезмерный уровень шума и попытки повторной передачи на обеих частотах, при пропускной способности примерно 22 Мбит/с на прямолинейных участках туннеля. Как и ожидалось, за углом пункта 4, где теряется линия прямой видимости, произошло падение пропускной способности примерно до 12 Мбит/с на частоте 2,4 ГГц. В пункте 4 сигнал на частоте 5 ГГц оказался слишком слабым, чтобы его можно было измерить с достаточной надежностью.
    
    Тест № 3:
    
    В этом тесте беспроводные сетевые узлы Rajant ME4 были заменены на радиоустройства другого производителя, выполненные по стандарту 802.11n. Эти радиоустройства также работали в обоих частотных диапазонах 2,4 и 5 ГГц, и использовались антенны с коэффициентом усиления 8 dBi, как на транспортном средстве, так и в стационарной точке доступа (Access Point, AP). Эти радиоустройства были сконфигурированы с идентичными каналами и такими же установками мощности, как и у радиоустройств Rajant.
    
    Требования к питанию переменным током для радиоустройств по стандарту 802.11n и проблемы с питанием в пункте 1 препятствовали развертыванию точки доступа 802.11n в этом месте. В результате точка доступа была перемещена в пункт 2.
    
    Хотя пропускная способность на участке между стационарной точкой доступа в пункте 2 и мобильной точкой доступа в пункте 3 была высокой, достигая 39 Мбит/с, из-за ситуации с питанием не было возможности провести тест на расстояние 100 метров между пунктом 1 и пунктом 3. В пункте 4 соединение с радиоустройствами 802.11n полностью пропало, из-за чего утратили значение все преимущества, достигнутые ими за счет более высокой пропускной способности на линии прямой видимости.
    
    Тест № 4:
    
    Для теста № 4 был сконфигурирован сетевой узел Rajant с рабочей частотой 900 МГц и антенной с коэффициентом усиления 11 dBi на обоих концах линии связи. Как и ожидалось, пропускная способность на участке между пунктами 2 и 3 составила примерно половину (12 Мбит/с) от пропускной способности в тестах с радиоустройствами ME4, по причине ограниченных возможностей пропускной способности стандарта 802.11g. Уровень сигнала узла с рабочей частотой 900 МГц был примерно на 15 dBm выше, чем у конкурирующих устройств 802.11n, отчасти из-за дополнительного усиления 6 dBi в антеннах диапазона 900 МГц, примененных в тестировании. Затухание за углом и до пункта 5 было примерно таким же, как было получено в тесте № 1 с достигнутой пропускной способностью 12 Мбит/с.
    
    В тестировании, проведенном на неработающей шахте, использовался излучающий кабель, беспроводный узел Rajant BreadCrumb® с рабочими частотами 2,4 ГГц и 5 ГГц, а также две антенны диапазона 5 ГГц, установленные на спиральном участке, чтобы измерить, насколько далеко сигналы могут проходить там. Результаты этих тестов показали, что сеть Rajant способна поддерживать связь на всем участке спирали, на расстояниях до 500 метров (1640 футов). Полоса пропускания у радиоустройств Rajant с двумя трансиверами нигде не терялась, поскольку весь сетевой трафик эффективно проходил без прерываний сигнала.
    
    Рекомендация на основе результатов тестирования: Rajant
    
    Компания 3D-P разработала для своего заказчика высокоэффективный план, которым предусматривалось установить множество сетевых узлов Rajant на каждом уровне, подключить их к существующему коммутатору Ethernet и разрешить им объединяться друг с другом в ячейки сети на каждом горизонте добычи. На каждой спиралевидной рампе использовался коаксиальный излучающий кабель для соединения радиоустройства в верхней части и другого радиоустройства в нижней части рампы. При таком решении между двумя уровнями (горизонтами добычи) создавалась единая ячеистая сеть, преимущество которой было в том, что клиенты, находящиеся на рампе, могли использовать 100% зоны покрытия.
    
    Радиоустройства на каждом уровне были развернуты таким образом, что между всеми сетевыми узлами было обеспечено несколько уровней резервной избыточности. Средняя проектная дистанция между двумя соседними узлами ячеек в шахте составила 400 метров (1312 футов). В случае отказа какого-либо одного узла сеть может пропустить этот блок и установить соединение со следующим радиоустройством, расположенным на пути туннеля. Второй уровень резервирования был создан за счет соединения между горизонтами через спиральную рампу, что позволило обеспечить доступ трафика на горизонт добычи через этот второй путь.
    
    Уникальная функциональность образования ячеек из множества радиоустройств, характерная для решения Rajant, вместе с фирменным алгоритмом InstaMesh®, предотвращает потери пропускной способности на межсегментных переходах в ячеистой сети. Проведение тестов на 10 межсегментных переходах показало отсутствие потерь пропускной способности. Эта возможность позволила компании 3D-P обеспечить большую резервную избыточность подземной сети связи при одновременном выполнении требований заказчика к ее высокой пропускной способности.
    
    Для решения проблем в зоне очистных работ компания 3D-P рекомендовала разместить сетевые узлы Rajant на всех транспортных средствах в этой зоне, а это как раз и является мобильным приложением, для которого отлично подходит технология компании Rajant. В процессе работы персонала узлы поддерживают соединения с остальной частью сети. Портативный сетевой узел с питанием от аккумуляторной батареи был рекомендован также для использования в ситуациях, требующих расширения зоны покрытия. С помощью решения InstaMesh® для развертывания такой переносимой инфраструктуры достаточно всего лишь въехать в эту зону, или просто оставить там в каком-либо безопасном месте сетевой узел BreadCrumb® с питанием от аккумулятора.