Уровень канала передачи данных
Уровень канала передачи данных в радиоинтерфейсе часто разделяется дальше, чем простое управление доступом к среде передачи (MAC) и управление логическим каналом Подуровни (LLC), встречающиеся в другой терминологии OSI. Хотя подуровень MAC обычно не изменяется, подуровень LLC подразделяется на два или более дополнительных подуровня в зависимости от стандарта. Общие подуровни включают в себя:
- Управление радиоканалом
- Протокол конвергенции пакетных данных
- Управление радиоресурсами
Особенно в мобильной связи и широкополосном интернет-соединении. Максимальное комбинированное отношение входных сигналов относительно оценки отношения сигнал / шум 1. Сигналы от каждый канал складывается вместе
2. Коэффициент усиления каждого канала делается пропорциональным среднеквадратичному уровню сигнала и обратно пропорциональным среднеквадратичному уровню шума в этом канале.
3. Для каждого канала используются разные константы пропорциональности.
интеллектуальный матричный массив для объединения коэффициентов усиления входного сигнала, разделенных фильтрами, и различные типы схем мультиплексирования выходного сигнала, используемые для подхода к множеству пользователей, например CDMA, FDMA, WCDMA, TDMA и ODMA. Таким образом звонки и сетевые услуги подходят и аутентифицируются для уникального абонента.
протоколы базовой сети
Возможность восстановления системы TETRA
Распределенная логика коммутации.
Децентрализованная архитектура и распределенная логика коммутации системы Compact TETRA обеспечивают независимое выполнение основных функций системы на каждом ее сайте. Это позволяет нейтрализовать неисправность, возникшую в инфраструктуре, на уровне конкретного сайта.
Резервные источники питания и контроллер базовой станции
Для повышения надежности сайт может быть оборудован резервными источниками питания и резервным контроллером базовой станции (BSC). В случае отказа основного контроллера все текущие вызовы будут утрачены, но резервный контроллер незамедлительно начнет действовать и примет на себя выполнение всех функций, при этом изменения конфигурации не потребуется.
Межсайтовые линии связи.
Цепочка базовых станций может быть либо разомкнутой, либо замкнутой — при добавлении одной магистрали Е1. Наличие такой дополнительной линии обеспечивает устойчивость системы связи к одиночным отказам в работе магистралей: если одна из них выйдет из строя, все службы системы продолжат свою работу.
Даже в том случае, когда используется разомкнутая конфигурация, отказы в работе магистралей приводят лишь к постепенному ухудшению параметров многосайтовой системы. Если сеть распадается на отдельные подсети, то каждая из них продолжает свою работу, и все ее абоненты могут беспрепятственно поддерживать связь между собой. Передача речи прервется при этом максимум на 1 секунду — на время перекоммутации.
Регистрация вызовов.
С помощью диспетчерской рабочей станции можно постоянно следить за исправностью системы связи и получать сведения о её состоянии. Вся регистрируемая информация сохраняется в виде обычных текстовых файлов. При этом для различных категорий информации создаются отдельные файлы:
регистрация вызовов: информация об установлении индивидуальных и групповых вызовов;
регистрация перемещений: информация о регистрации и изменении местоположения абонентских терминалов;
регистрация коротких сообщений: информация о передаче коротких сообщений.
Мониторинг системы.
С помощью диспетчерской рабочей станции можно постоянно следить за исправностью системы связи, получать сведения о её состоянии и работающих абонентах. Для этого используются следующие параметры:
количество текущих индивидуальных вызовов в системе;
количество текущих индивидуальных вызовов на базовой станции;
количество текущих групповых вызовов в системе;
количество текущих групповых вызовов на базовой станции;
количество текущих соединений для передачи пакетных данных на базовой станции;
количество коротких сообщений, переданных за последнюю минуту на базовой станции;
состояние магистралей Е1 (исправны/неисправны);
состояние базовых станций (исправны/неисправны);
состояние резервных контроллеров базовых станций (работает основной контроллер/дежурный режим/неисправен);
состояние приемопередатчиков (исправны/неисправны).
Шлюз передачи пакетных данных
PDS (передача пакетных данных) обеспечивает возможность подключения к системе различны) приложений, построенных на передаче данных. Канал системы ТЕТRА в этом случае бывает загружен только НЕ время передачи данных. Такая концепция является обязательной при построении будущих цифровых систем связи, она позволяет абоненту всегда и везде быть «в режиме on-line» и дает возможность реализовать широкий спектр разнообразных приложений, таких, например, как:
Доступ к корпоративной сети Intranet
Электронная почта
Доступ к базе данных
Передача файлов
Доступ к сети Internet
Автоматическая система определения местонахождения транспортных средств (AVLS), применяемая для эффективного управления парком транспорта.
Телеметрия.
Доступ к шлюзу передачи пакетных данных осуществляется с помощью интерфейса сети Ethernet 100 Мбит/с который установлен в шлюзовом персональном компьютере и специально выделен для этой цели. Шлюзовой компьютер входит в базовую конфигурацию системы связи, поэтому никакой дополнительной аппаратуры не требуется.
Компания Motorola имеет большое количество аккредитованных партнеров по разработке приложений Аккредитованные разработчики готовы к созданию и интеграции приложений для системы Compact TETRA (использованием шлюза передачи пакетных данных и интерфейса периферийного оборудования (Periphera Equipment Interface — PEI).
В процессе проверки устанавливаются и подтверждаются надёжность и эксплуатационные качестве совместной работы системы Compact TETRA и приложения, разработанного партнером Motorola.
Транкинговая система радиосвязи ТETRA
TETRA (Terrestrial Trunked Radio) — это современная цифровая технология наземной транкинговой радиосвязи, позволяющая создавать как системы ведомственной связи (PMR), так и системы совместного использования (PAMR). Такие системы могут использоваться для подразделений охраны общественного порядка, служб безопасности, военных, служб управления парком транспортных средств, транспортных предприятий, для общего доступа и замкнутых групп пользователей, предприятий бизнеса и индустрии и т.д. Технология TETRA позволяет быстро устанавливать связь между абонентами, обеспечивает превосходную поддержку связи в группах абонентов, работу в режиме прямой связи между терминалами, эффективную передачу данных, связь в режиме полного дуплекса, экономное использование частотных ресурсов и высокий уровень защиты передаваемой информации. В основе технологии TETRA лежит метод ТDМА (многостанционный доступ с временным разделением каналов) с размещением четырех абонентских каналов на одной несущей при разносе частот несущих на 25 кГц. Этот метод обеспечивает наиболее эффективное использование радиочастотного спектра.
Основные компоненты
Рис. 2. Обобщенная схема радиотелеметрической системы на базе стандарта TETRA в составе системы АСУ ТП
1. Объектовые радиоконтроллеры, радиомодемы стандарта TETRA
- Радиомодем RCT-100 «TETRAMOD»;
- Радиоконтроллер RCT-100 «TETRAMAX»;
- Радиоконтроллер RCT-100 «TETRAHUB»;
- Радиоконтроллер RCT-100 «TETRACON».
Радиоконтроллеры RCT-100 отслеживают состояния датчиков и исполнительных устройств на объекте АСУ ТП, а также опрашивают любые программируемые логические контроллеры (ПЛК) по протоколу ModBus. В радиоконтроллер встроен радиомодуль TETRA (рис. 3).
Рис. 3. Радиоконтроллер RCT-100 стандарта TETRA
SCADA-сценарии
Типовые системы SCADA включают системы датчиков, в которых основное устройство управления соединяются с подчиненным устройством или удаленными (УУ) на инфраструктурных объектах. Группы УУ, известные как группы сканирования, контролируются основным устройством. Например, в системах распределения мощности высокого напряжения УУ установлены на объектах, которые являются потенциально аварийно-опасными или требуют минимального времени реагирования при сбое, например, таких, как первичная подстанция. Сбор информации о состоянии таких объектов с помощью ведущего устройства будет проводиться регулярно и с высокой скоростью.
Другой режим работы систем SCADA — это режим «отчета исключением», в которой отчеты от УУ в систему будут приходить только в случае аварии. Такие режимы обычно используются для менее важных и опасных объектов, чем контролируемые опросом, включая сценарии, которые используются для мониторинга нефтегазовых скважин. Но это предполагает регулярные проверки, чтобы гарантировать, что УУ, которые будут «молчать» между сигналами тревоги, работоспособны. Тем не менее, «аварии» часто могут означать, что многие УУ внезапно «пробуждаются» одновременно, и эта «перегрузка» должна предусматриваться в любой технологической системе управления.
Важность каждого приложения отображена в ожидаемом времени отклика устройств системы SCADA. В электроэнергетике, где задействованы подстанции высокого напряжения, типичное время опроса составляет 250 м/с, поскольку дело не только в подаче электроэнергии, но и в том, что возникающие сбои и аварии могут крайне негативно повлиять на огромное количество конечных потребителей, и система должна быть «на шаг впереди» ожидаемых событий
Когда речь заходит о распределении газа под высоким давлением, то такая сеть (которая уже имеет автоматические запорные системы) должна анализироваться только каждые две минуты, чтобы упреждать потенциальные аварии. Для нефтепровода, где при изменении давления потока нефти потребуется время для обнаружения утечки, опрос обычно происходит каждые 24 часа.
Требования нефтегазового сектора
Используясь в нефтегазовом секторе, устройство TETRA должно обрабатывать данные различных типов и из любого количества источников: от дистанционного измерения параметров в скважине, включая температуру, давление, скорость потока и аварийные сигналы до контроля напряжения, тока и аварий, связанных с католической коррозией и утечкой. Для их обнаружения диспетчером и принятия мер для устранения требуется система надежной связи.
Целью использования системы SCADA в управлении нефтяной скважиной является максимизация производительности скважины, управление ее запасами и добычей. Система также должна способствовать улучшению процесса регенерации скважины, а так же контролировать большой район вокруг каждой скважины для нового бурения и последующего полного восстановления окружающей среды. И все это должно выполняться в режиме реального времени.
Система SCADA нефтяного месторождения, как правило, запускает и контролирует три аспекта производственного процесса:
- сбор данных и контроль над месторождением;
- эксплуатацию трубопровода;
- распределение мощностей и ресурсов.
Ее основные элементы будут включать в себя серверы (центра управления), УУ, компоненты оборудования скважины и, конечно же, систему связи. Чтобы система связи была подходящей для поддержки SCADA, она должна быть открытым стандартом, использовать надежные и проверенные технологии, способные поддерживать требования системы SCADA к ней. Такая система связи также должна быть чрезвычайно надежной, а также предусматривать возможное расширение сети в дальнейшем. Однако при удовлетворении всех этих потребностей такая система также должна быть экономически эффективной для конечного пользователя, проста в развертывании и эксплуатации.
Учитывая эти требования, компания Saudi Aramco, один из крупнейших в мире нефтегазовых компаний, использует систему на базе TETRA для управляется производственными объектами площади более чем 330 000 км2 на Ближнем Востоке. Благодаря крупнейшим в мире разведанным запасам нефти, сеть компании на этой обширной территории, в конечном итоге будет содержать более 170 базовых станций, шесть коммутационных и контрольных узлов TETRA, по меньшей мере 150 высокопроизводительных репитеров для обеспечения радиопокрытия в зданиях и оборудование для более чем 14 000 конечных пользователей. Причем как на суше, так и на большой части морских объектов. Перечень конечных пользователей TETRA в компании Saudi Aramco охватывают всех, от пожарных, которым требуются водонепроницаемое и взрывобезопасное оборудование до персонала нефтеперерабатывающих и наливных установках, транспортных средств, групп безопасности и управленческого персонала.
Недавно представитель компании заявил, что основными причинами выбора TETRA для этого проекта были его «технологическая эффективность, где каждая частота может обеспечивать до четырех временных слотов, которые, по его словам, позволили снизить затраты на использование радиочастот на 75%.» Открытая платформа TETRA, предлагающая больший выбор поставщиков конечных устройств и инфраструктурного оборудования, а также ее надежность и безопасность, также сыграли ключевую роль в убеждении компании Saudi Aramco, что TETRA является верным выбором для своих сетей SCADA.
LS Telecom сыграл важную роль в развертывании сети и провел большую часть работ по радиочастотному планирования для этого проекта. В морском нефтяном месторождении Berri на севере Персидского залива, система соединяет наземный узел SCADA с группами сканирования УУ, расположенных на нефтедобывающих платформах в море, с помощью узкополосной станции УВЧ, работающей в диапазоне 330-350 МГц. Одной из важнейших целей проекта на начальном этапе было определение количества необходимых наземных базовых станций и их мест размещения для поддержки и взаимодействия со всеми необходимыми удаленными морскими объектами.
На сегодня очевидно, что TETRA очень хорошо подходит для обеспечения надежной и быстрой передачи данных в системах SCADA для всех видов производственной деятельности. В будущем SCADA потребуют более высоких скоростей передачи, которые, скорее всего, обеспечатся TEDS.
Физический уровень
Физическое соединение радиоинтерфейса обычно радио на базе. Обычно это двухточечная линия связи между активной базовой станцией и мобильной станцией. Такие технологии, как множественный доступ, управляемый возможностями (ODMA), могут иметь гибкость в отношении того, какие устройства и какие роли выполняют. Некоторые типы беспроводных соединений обладают возможностью широковещательной или многоадресной передачи.
. Несколько каналов могут быть созданы в ограниченном спектре с помощью FDMA, TDMA или SDMA. Некоторые усовершенствованные формы мультиплексирования передачи сочетают подходы с частотным и временным разделением, такие как OFDM или CDMA. В сотовой телефонной связи эфирный интерфейс представляет собой радиочастотную часть цепи между сотовым телефоном или беспроводным модемом (обычно портативным или мобильным) и активной базовой станцией. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую в системе, активная базовая станция периодически меняется. Каждое переключение называется передачей обслуживания. Использование перевернутой F-антенны в качестве среды интерфейса мобильного телефона. В радио и электронике антенна (множество антенн или антенн) или антенна — это электрическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в радиоволны и наоборот. Обычно используется с радиопередатчиком или радиоприемником. При передаче радиопередатчик подает электрический ток, колеблющийся на радиочастоте (то есть высокочастотный переменный ток (AC)), на выводы антенны, и антенна излучает энергию от тока в виде электромагнитных волн (радиоволн). Антенна фокусирует радиоволны в определенном направлении. Обычно это называется основным направлением. Из-за этого в других направлениях будет выделяться меньше энергии. Коэффициент усиления антенны в данном направлении обычно относится к (гипотетической) изотропной антенне, которая излучает равномерно сильное излучение во всех направлениях. Усиление антенны — это мощность в самом сильном направлении, деленная на мощность, которая могла бы передаваться изотропной антенной, излучающей ту же полную мощность. В этом случае усиление антенны (Gi) часто указывается в дБи или децибелах сверх изотропных. Также используются другие эталонные антенны, в частности: • усиление относительно полуволнового диполя (Gd), когда эталонной антенной является полуволновая дипольная антенна; • коэффициент усиления относительно короткой вертикальной антенны (Gv), когда эталонная антенна представляет собой линейный проводник, намного короче одной четверти длины волны.
Опыт в деталях
По данным Funk-Electronic Piciorgros GmbH, компании с большим опытом работы в нефтегазовом секторе: «Обычно полный цикл опроса в нефтегазовом комплексе не должен продолжаться более пяти минут». Действительно, в развернутой Saudi Aramco сети время опроса варьируется от 30 секунды для некоторых УУ до 300 секунд для самых больших групп сканирования.
Оценивая пригодность конкретного оборудования для его использованию в сети, Piciorgros приводит предполагаемый односекундный цикл опроса, используя шинные УУ под TETRA и SDS. Это означает, что 60 УУ могут быть опрошены за минуту и 300 УУ каждые пять минут только на одном из четырех временных слотов TETRA. Компания заявляет, что при использовании шлюза данных TETRA, такого как собственный TGW-100, несколько узлов могут использовать один и тот же временной интервал TETRA параллельно, не уменьшая скорость опроса. При использовании четырех узлов опроса, общее количество УУ, которые могли быть опрошены в течение пятиминутного периода, составляло бы 1200 (300 (число циклов опроса за пять минут) x 4 (используемые узлы)). При использовании всех временных слотов, количество циклов опроса, которые могли бы быть проведены за пять минут, увеличилось бы до 5000.
Важность нефтегазового сектора для TETRA
Осенью 2012 года TCCAи Smart Grid and Telemetry (SST) начали продвигать TETRA для традиционных приложений SCADA и телеметрии, а также для новых возможностей в других областях, таких как интеллектуальные сети «Умный город». Дэвид Тейлор, ведущий консультант Analysys Mason, был назначен одним из сопредседателей группы SST вместе с Ником Смаем. Говоря о TETRA сегодня, он сообщил, что: «Основные задачи рабочей группы SST — продвигать TETRA в качестве сети связи в системах SCADA, телеметрии и интеллектуальных сетей. С этой целью мы хотим создать форум для пользователей, производителей, системных интеграторов и разработчиков, чтобы он могли поделиться своим опытом и идеями. Это, в свою очередь, поможет стимулировать проведение соответствующие мероприятий среди организаций, занимающихся технологическими стандартами и поможет в адаптации важнейших к потребностям рынка в будущем».
Радиотелеметрические системы в России
Конфигурация системы TETRA
Базовые конфигурации TETRA.
Рассматриваемые системы обладают такими важными свойствами, как гибкость и возможность расширения. При их построении возможны следующие базовые конфигурации:
Автономная система (без выхода в телефонную сеть и без диспетчеризации).
Односайтовая система, имеющая до 31 канала для передачи речи, 8 каналов ISDN и до 8 диспетчерских рабочих мест. Эта система позволяет обслуживать до 2500 абонентов.
Многосайтовая система связи (Release 2), имеющая до 8 сайтов, более 124 каналов для передачи речи, 8 каналов ISDN и 8 диспетчерских рабочих мест. Эта система позволяет обслуживать до 10000 абонентов. В настоящий момент готовится к выпуску 15-сайтовая система.
Автономная система.
Система такой конфигурации предназначена для обслуживания групп абонентов в тех случаях, когда нужна локальная зона покрытия, и не требуется использование диспетчеризации и шлюзовых компьютеров. Настройка параметров автономной системы Compact TETRA выполняется с помощью стандартного персонального компьютера, который подключается к контроллеру базовой станции (BSC). Для обеспечения мониторинга состояния и загрузки системы в режиме on-line персональный компьютер должен быть подключен постоянно. Для работы автономной системы не требуется дополнительной инфраструктуры, требуются только электропитание и антенна с кабелем. Автономная система более всего подходит там, где необходимы легкость транспортировки и быстрота развертывания.
Односайтовая система.
Односайтовая система обладает следующими отличительными чертами:
выход в телефонную связь с возможностью ведения до 8 полнодуплексных индивидуальных разговоров одновременно (ISDN TO)
шлюз для передачи пакетных данных и передачи коротких сообщений (SDS)
возможность подключения до 8-ми диспетчерских рабочих мест.
Диспетчерские рабочие места позволяют в режиме on-line контролировать исправность и состояние системы, а также управлять доступом абонентов к сети. Односайтовая система предназначена прежде всего для таких заказчиков, которым нужна система стандарта TETRA с локальной зоной покрытия и с возможностью диспетчеризации и/или подключения шлюзов. Сайт и шлюз системы соединяются с помощью одиночной магистрали Е1 частичного использования. При передаче пакетных данных на всех 8-ми несущих в полном диапазоне частот потребуются восемь тайм-слотов (временных интервалов) на такой магистрали. Если одновременно с этим передается речь, то будут нужны четыре дополнительных тайм-слота. Соединение с диспетчерскими рабочими станциями и IP-сетями осуществляется с помощью инфраструктуры локальной сети Ethernet 100 Мбит/с.
Многосайтовая система.
Многосайтовая система обладает всеми функциональными возможностями односайтовой и, помимо этого, позволяет выполнять многосайтовые индивидуальные и групповые вызовы, включая восстановление всех видов таких вызовов. Рациональная стратегия поиска позволяет экономно расходовать радиочастотные ресурсы, и, несмотря на это, гарантирует, что абоненты будут доступны для проведения групповой связи во всех сайтах. Многосайтовая система может обслуживать до 10000 абонентов. Их местоположение и статус групповой принадлежности отслеживаются с помощью распределенной базы данных зарегистрированных абонентов. Это обеспечивает быстрый доступ к абонентам при вызове. Для соединения сайтов используется цепочка магистралей Е1. В небольших системах с целью сокращения стоимости собственного оборудования может применяться магистраль Е1 частичного использования с мультиплексорами провайдера магистрали. Система может быть сконфигурирована так, чтобы ограничить до заданного уровня количество используемых тайм-слотов магистрали Е1.
Поддержка TETRA
Сети TETRA хорошо подходят для поддержки систем SCADA и управления как очень устойчивые, безопасные и имеют широкие возможности. Начиная с сети TETRA на базе IP, обеспечивающей Short Data Service (SDS) — пакетной передачи данных со скоростью 3 кбит/с на одном слоте за 1-2 секунды, и до TETRA Enhanced Data Services (TEDS), где сообщения на нескольких слотами могут передаваться даже на более высоких скоростях, стандарт TETRA доказывает, что он более чем соответствует требования систем SCADA – как для опросных сценариев, , так и для «отчетов исключениями».
По словам Ника Смая, который является сопредседателем Smart Grid and Telemetry (SST) Group TCCA, сложно напрямую связать скорости передачи данных с пропускной способностью системы SCADA на ячейку, так как здесь играют роль многие факторы. Требуемое время отклика УУ и объем трафика, не связанного со SCADA TETRA в сети, будут ключевыми факторами, как и сама архитектура сети SCADA, например, количество УУ в каждой ячейке. Сложность УУ также будет важнейшим фактором наряду с количество измерений и элементов управления в сети. Это так же определяется максимальным и минимальным размером группы опроса и сканирования. В случае «отчетов исключения» максимальное количество УУ, которые пытаются передать сообщение одновременно и необходимость повторной передачи, так же скажется на скорости.
Преимуществом использования TETRA для систем SCADA в управлении, Ник Смай назвал то, что наряду с ее пригодностью для передачи данных, так же имеется возможность голосовой связи
TETRA включает в себя аутентификацию, радио-интерфейс и сквозное шифрование, которые сегодня имеют особо важное значение для обеспечения безопасности при использовании систем SCADA. Смай также отмечает быстроту и надежность SDS, возможность работы в группе, что позволяет быстро работать с несколькими устройствами
Из больших возможностей TEDS, кроме его более высоких скоростей Смай отметил способность обрабатывать и передавать разные виды данных: передаваемые в режиме реального времени, телеметрическую информацию, фоновые опросы, данные с различными задержками, данные средней и низкой важности и малой предсказуемостью.Все это являются фактором в пользу выбора TETRA для систем SCADA.
