В последнее время на Дальнем Востоке активно развиваются авиационные перевозки на местных авиалиниях. При этом для безопасности полетов ключевым остается вопрос получения максимально достоверных данных о фактической погоде в пункте назначения. Качество метеообеспечения авиации – один из основных факторов, которые определяют безопасность полетов, а данные, которые получают инструментальным путем от метеорологических датчиков на взлетно-посадочной полосе, являются основой при организации авиаперевозок. Одной из сложностей для установки подобных датчиков на аэродромах местных авиалиний является высокая стоимость организации физических каналов связи, которая значительно превышает стоимость самого метеорологического оборудования. Вместе с тем, используя беспроводной канал связи LoRa можно объединить поток данных, поступающих с удаленных метеодатчиков, которые используют различные протоколы взаимодействия между собой. Полученный поток далее можно передать на сервер обработки данных, а затем и по каналам связи в глобальную сеть Интернет.
Целью работы явилась предварительная оценка практической применимости технологии LoRa для указанных задач. Чтобы внедрить данную технологию необходимо осуществить анализ требуемой скорости передачи данных, объема метеоинформации, а также требуемой дальности передачи. Также технология должна работать в условиях высокой зашумленности, т.е. иметь высокую помехоустойчивость.
Известно, что объем метеоинформации, который поступает с датчиков на сервер обработки данных невелик. Изучение спецификаций метеодатчиков для аэропортов любой категории показывает, что скорость передачи информации не превышает значений 1200 бод, что соответствует битовой скорости, примерно, 10 кбит/с (1200 бод x 8 б/с = 9600 б/с). Большая часть датчиков метеооборудования поддерживает протокол 7Е1, что соответствует 7 битам данных с контролем четности и одним стоповым битом, значит . Таким образом, с учетом запаса на резерв требуемая максимальная пропускная способность канала связи достигнет величины 20 кбит/с, при обеспечении дальности передачи на расстояниях не более 1,5 км.
Технология LoRaWAN вполне удовлетворяет этим требованиям, она объединяет в себе метод модуляции LoRa и открытый протокол LoRaWAN. Для организации канала связи с помощью технологии LoRaWAN в качестве основы сети может быть выбран приемопередающий модуль Semtech SX1272, который непосредственно, через контроллер, соединяется с метеодатчиком, и далее осуществляет передачу метеоданных на базовую станцию LoRa (шлюз, концентратор). Далее информация с базовой станции LoRa передается на сервер LoRaWAN сети с помощью технологий 3G или Ethernet.
Известный модуль от компании Semtech SX1272 соответствует предъявляемым требованиям по помехоустойчивости, работе на нелицензируемых частотах и поддерживает требуемые скорости передачи. Основные характеристики представлены ниже:
- Чувствительность: до – 137 дбм;
- Потребление тока в режиме «сна»: 100 нА;
- Скорость передачи: до 300 кбит/c (при меньшей чувствительности);
- Поддерживаемые виды модуляции: FSK, LoRa, MSK, GMSK, GFSK.
Модуль SX1272 обладает высокой чувствительностью, и совместно со встроенным усилителем позволяет достичь бюджета канала связи 157 dB, а обмен данными при этом происходит на скорости до 20 кбит/с. Эти характеристики в сочетании с малыми габаритами, низкой стоимостью, простотой монтажа и запуска оборудования в эксплуатацию являются основой для окончательного выбора технологии LoRaWAN для обсуждаемой задачи.
Ключевыми преимуществами технологии LoRa являются:
- Возможность автономной работы конечных устройств вплоть до 10 лет от одного аккумулятора типоразмера АА за счет сверхнизкого энергопотребления LoRa-модемов (в режиме приема данных – от 9,7 мА, в режиме передачи – от 40 мА, в режиме сна – 200 нА);
- Высокая помехоустойчивость за счет возможности демодуляции сигналов на уровне ~ 20 dB ниже уровня шумов;
- Мощность передатчика порядка 25 мВт.
Для оптимизации работы системы используется адаптивное изменение скорости передачи. Сетевой сервер оценивает качество сигнала, принимаемого от оконечного устройства, и может управлять как скоростью передачи, так и мощностью передатчика этого устройства.
Максимальная скорость передачи достигается за счет применения модуляции FSK, при этом чувствительность будет составлять порядка -122 Дбм. Чувствительности будет вполне достаточно, чтобы принять сигнал на расстоянии 1,5 км (максимальное расстояние, на которое необходимо передавать сигнал).
Зависимость основных параметров LoRa отражена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Зависимость основных параметров LoRa
Сеть LoRa строится по топологии «звезда», в которую входит сервер передачи и обработки данных, к нему подключается (чаще всего проводным способом) IP-шлюз и далее к шлюзу подключаются по радиоканалу сенсоры (датчики).
В качестве шлюза обычно используется SX1301 – интегральная схема от компании Semtech. Данный Шлюз собирает всю получаемую от датчиков метеоинформацию и далее передает на сервер LoRa, к которому будет организован доступ с персонального компьютера метеонаблюдателя. Шлюз может работать даже при отрицательном отношении сигнал/шум. В качестве примера рассмотрим организацию сбора и передачи данных с метеодатчиков на аэродроме Кавалерово. На рисунке 2 представлена возможная схема расположения приемопередатчиков и метеодатчиков на взлетно-посадочной полосе аэродрома.
Рисунок 2 – Возможная схема расположения метеодатчиков на ВПП Кавалерово
На рисунке 3 представлена блок-схема коммутации оборудования.
Рисунок 3 – Схема коммутации оборудования на ВПП
В заключении можно отметить:
Для организации сбора и передачи метеоинформации на ВПП аэродрома местных авиалиний требуется канал связи обеспечивающий скорости не ниже 20 кб/с и обеспечивающий работу на расстояниях до 2 км;
Технология LoRaWAN по своим технологическим параметрам применима для организации канала связи для метеообеспечения аэропорта Кавалерово. Она удовлетворяет выдвинутым требованиям по пропускной способности, по помехозащищенности (позволяет осуществлять демодуляцию сигналов с уровнями на 20 дБ ниже уровня шумов), а также работает на нелицензируемых частотах.
Библиографический список
- Анализ производительности цифровых систем радиосвязи ОВД / А. Н. Бабкин // Вестник Воронежского института МВД России. – 2008. – № 3. – С. 107-111.
- Опыт внедрения и развития аэродромной метеорологической информационно-измерительной системы АМИС-РФ / Л. В. Анискин, С. М. Персин // Современные тенденции развития аэродромных метеорологических информационно-измерительных систем. – 2014.
- Расчет вероятности ошибки в цифровых каналах связи / С. Н. Песков, А. Е. Ищенко // Теле-Спутник. – 2010. – № 11. – С. 70-75.
- Технология LoRa компании Semtech: новый импульс развития «Интернета вещей» / К. Верхулевский // Беспроводные технологии. – 2015. – № 3. – С. 42-48.
- SX1272/73 - 860 to 1020 MHz Low power long range transceiver. http://www.semtech.com.
- SX1301 – Base band processor for data concentrator for long range communication network. http://www.semtech.com.
Количество просмотров публикации: Please wait