ing. Mihai Stocec YO3AYX

0 Rezumat articol

Articolul prezintă metoda de dimensionare a unei reţele radio, în banda 865 MHz, destinată să asigure suportul de transmisie pentru aplicaţiile wireless cu senzori IoT. Articolul prezintă un studiu de caz, ca suport pentru înţelegerea termenilor și a procedurii de calcul.

1 Introducere

Articolul prezintă, intr-o manieră didactică, etapele care trebuie parcurse pentru dimensionarea unei reţele radio cu puncte fixe, în banda 865 MHz, destinată aplicaţiilor de monitorizare cu senzori având încorporată inteligenţă artificială (IoT). Sunt trecute in revistă arhitectura de reţelei, topologia, caracteristici ale echipamentelor, protocoale de transmisie.

Principiile de calcul sunt aplicate unui studiu de caz dezvoltat pe râul Damboviţa, pe segmentul care traversează municipiul Bucureşti.

2 Descriere retea

In cele ce urmează, se prezintă arhitectura generică a unei reţele pentru comunicaţii de date, aferntă unui proces industrial cu inteligenţă artificială inclusă. Schema bloc a procesului informaţional care guvernează funcţionarea aplicaţiei este prezentat în Figura 1.

Fig. 1 – Schema bloc flux informaţional

In cadrul acestui proces, informaţiile de natură fizică: nivel apă, temperatură, viteze, forţe, etc., sunt convertite în mărimi electrice şi, prin intermediul unor module de comunicaţie sunt transmise la un centru colector în vederea prelucrării şi prezentării unor aplicaţii IoT.

Articolul de faţă tratează modul “canal radio” cu scopul de a prezenta într-o manieră sinergetică paşii care trebuie parcurşi în vederea stabilirii parametrilor electrici şi tehnologici pentru construirea acestuia.

Fluxul informaţional asigură transportul informaţiei între componentele reţelei conform unui protocol de comunicaţie responsabil de următoarele activităţi:

·         Identificarea univocă a elementelor de reţea

·         Asigurarea unei baze de timp unice

·         Graful de transport al informaţiei

·         Rezolvarea conflictelor de transmisie datorate interferenţelor

In Figura 2 este prezentată arhitectura unei reţele de comunicaţii care asigură fluxul informaţional conform Figurii 1, şi care este constituită din următoarele module:

·         Traductori de mărimi fizice cu alimentare autonomă şi module de comunicaţie wireless incluse

·         Canal de comunicaţie radio

·         Centru colector de date în vederea prelucrării

Fig.2 – Arhitectură reţea wireless pentru transmisii de date

Acest model de arhitectură este comun pentru multe aplicaţii de colectare şi transmisie date industriale. Dintre multele aplicaţii existente de reţele wireless pentru transmisii date, voi prezenta, în cadrul acestui articol, o aplicaţie destinată monitorizării unui proces industrial  cu Inteligenţă Artificială inclusă.

Aplicaţia se referă la monitorizarea parametrilor hidrologici ai Râului Dâmboviţa pe sectorul care traversează Municipiul Bucureşti. Sistemul colectează date privind nivelul apei, viteza de curgere, temperatura, parametri de ambiant din nodurile hidrologice, cu scopul de a realiza un model virtual al procesului şi care să releve eventuale abateri de la normalitate. Informaţia procesată va determina măsuri de prevenire a riscurilor de accidente.

Articolul se ocupă de partea de comunicaţie a sistemului, de la senzori la centrele colectoare. Aplicaţia s-a dezvoltat având la bază tehnologia wireless cu protocol de comunicaţie LoRaWAN, unul din principalele protocoale care s-au impus pe piaţa IoT(Lora, Zigbe, LoRaWAN, etc.).

3 Noţiuni despre propagarea undelor EM în gama de frecvenţe aferentă LoRaWAN

Reţelele radio de tip LoRaWAN respectă prevederile specificaţiei interne RO-IR 001 şi a standardului SR EN 300 220-3 şi sunt destinate aplicaţiilor wireless cu rază mică de acţiune. Pentru buna înţelegere a acestui tip de reţele voi trece în revistă principalele specificaţii tehnice aferente legăturilor radio din banda 865 MHz.

Aceste specificaţii tehnice contin benzile de frecvenâă, reglementările şi parametrii recomandaţi pentru aplicaşiile de telemetrie, telecomandă, alarme şi transmisie de date în general.

Banda de lucru este caracterizată de următorii parametri electrici de gabarit:

Gama de frecvenţă     863 – 868 MHz

Puterea de emisie       <25 mW e.r.p. pentru <0.1% din timp şi <100 KHz bandă, modulaţie tip FHSS(salt de frecvenţă pe poziţii aleatorii prestabilite)

Puterea de emisie       <25 mW e.r.p. pentru <0.1% din timp fără ecart, modulaţie tip FHSS

Puterea de emisie       <25 mW e.r.p. pentru <0.1% din timp fără ecart, modulaţie de bandă îngustă(FSK)

Reţelele radio dezvoltate în această bandă au puterea de emisie redusă, în vedera limitării interferenţelor pe care le pot produce altor reţele limitrofe. Pe de altă parte, aceste reţele trebuie să suporte eventuale interferenţe produse de echipamente din benzi de frecvenţă licenţiabile. Banda de 865 MHz nu are o canalizaţie standardizată, ea fiind lăsată la dispoziţia producătorilor de echipamente. Din acest mod de organizare  decurg următoarele condiţionări:

·         Frecvenşele utilizate pot fi interferate

·         Puterea emisă este limitată

·         Echipamentele au implementate procedee software şi hardware cu ajutorul cărora rezolvă coliziunile cu emisiuni generate de reţele similare, necorelate cu reţeaua perturbată

·         Comunicaţia se desfaşoară în mod simplex/semiduplex, pe perechi de frecvenţe stabilite aleator de-a lungul unei radiograme

Propagarea în banda de 865 MHz este descrisă de legile macroscopice dezvoltate de James Clerk Maxwell. Conform acestor legi, şi a datelor expermentale, banda de 865 MHz are următoarele caracteristici:

·         Undele radio se propagă cu precădere la suprafaţa solului, sau la înălţimi mici, de ordinul metrilor

·         Undele radio au cu precădere polarizare verticală, adică vectorul componentei electrice a câmpului este perpendicular pe suprafaţa solului

·         Undele radio suferă fenomene de reflexie şi difracţie pe muchiile ascuţite ale obstacolelor. Atenuarea de difracţie este mai pronunţată dec­­­­ăt cea de reflexie. O legătură radio poate duporta până la 3 reflexii succesive

·         Undele sunt atenuate de sol, de vegetaţie în vreme ce clădirile sunt opace pentru acestea

·         Undele radio sunt atenuate şi de fenomene de reflexie difuza la sol

Atenuarea undelor pe traseul de propagare este rezultatul următoarelor fenomene fizice:

·         Atenuarea spaţiului liber

·         Atenuarea datorată fenomenului de difracţie pe muchiile ascuţite ale obstacolelor

·         Atenuarea datorată fenomenului de reflexie pe suprafeţe dure

·         Manifestarea efectului de refracţie atmosferică

·         Zgomotul atmosferic

·         Zgomotul galactic

·         Zgomotul artificial produs de activităţi umane

Problema fundamentală care trebuie rezolvată în cadrul propagării undelor electromagnetice este de a determina nivelul câmpului la locul de recepţie cunoscand parametrii de emisie.

Rezumând, înseamnă că, pe baza ecuaţiilor lui Maxwell, care descriu câmpul electromagnetic, să se afle soluţia matematică care exprimă semnalul recepţionat, ţinând seama de:

·         Puterea şi frecvenţa de emisie

·         Datele tehnice ale antenei

·         Variabilele de teren pe traiectul de propagare

·         Nivelul predicţionat al  zgomotului radioelectric la locul de recepţie

O soluţie exactă nu poate fi găsită la nivelul actual al cunoaşterii, din cauza complexitatii integrării ecuaţiilor câmpului. Pentru determinari inginereşti se folosesc metode aproximative constituite din parte formule analitice  completate cu măsurători de calibrare în teren.

Astfel, pentru dimensionarea reţelelor radio fixe, în banda 865 MHz, s-au folosit următoarele recomandări pentru calculul propagarii:

·         Recomandarea ITU-R  P.525, metoda pentru determinarea propagării undelor în spaţiul liber

·         Recomandarea ITU-R  P.526, metoda pentru determinarea atenuării de difracţie produsă de obstacole multiple la suprafaţa solului

·         Recomandarea ITU-R P.372, zgomotul radioelectric, tabele, formule şi grafice pentru estimarea zgomotului în banda 865 MHz

Aceste metode de calcul au fost corelate cu măsuratori în teren pentru estimarea pragului de interferenţe radio, la locul de recepţie, în banda de analiză. Având în vedere că traficul radio în această bandă nu este ordonat, şi comunicaţiile au caracter aleatoriu, este de interes de asemenea estimarea nivelului purtatoarelor radio interferatoare, în zona limitrofă reţelei, astfel încât dimensionarea unei reţele noi să ţină seama de nivelul perturbaţiilor manifeste.

S-a organizat o instalaţie de măsură compusă din:

·         Analizor de spectru portabil tip Tiny SA cu următoarele performanţe:

·         Gama de frecvenţe de măsura:          0.1 MHz la 960 MHz

·         Prag de semnal                                   -115 dBm/30 KHz bandă

·         Impedanţa intrare                  50 ohm

·         Nivel maxim la intrare            +10 dBm

·         Alimentare                              5V extern/baterie intern

·         Auto Hyunday tip                                TUCSON 2.0

·         Laptop                                     DELL Latitude

Masurătorile au fost efectuate de-a lungul râului Damboviţa, mal stâng, pe traseul: zona Vitan - Lacul Morii. Au fost identificate trei zone pe cheiul râului, din punct de vedere al construcşiilor:

·         Zone libere de construcţii lângă cheiul râului

·         Zone cu clădiri rezidenţiale şi de birouri, lângă cheiul râului

·         Zone cu construcţii spitaliceşti

Fig. 4 – Captură ecran analizor spectru în zona Podului Hajdeu

O etapă importantă în dimensionarea unei reţele radio, este evaluarea câmpului electromagnetic produs de statiile de emisie la locul de recepţie. Pentru determinarea intensităţii câmpului, se aplică următoarele procedee de calcul:

·         Evaluarea câmpului cu metode analitice, deterministe, ITU-R P.525/526. Se utilizează  pentru profile de teren cu obstrucţii puţine şi degajarea elipsoidului Fresnell cel puţin 60%

·         Evaluarea câmpului cu metode statistice, ITU-R P.1546, ITU-R P.1812, bazate pe măsuratori efectuate pe perioade lungi de timp şi conditii variate de relief. Se aplică pentru teren frământat, cu obstrucţia elipsoidului Fresnel mai mare de 60%

·         Evaluarea câmpului prin măsurători în zona reţelei, în condiţii cât mai apropiate de realitate. Se aplică în zone care nu se încadrează în cele mentionate, în special în localităţi puternic urbanizate, pentru care nu există modele de calcul analitice sau empirice

4 Dimensionarea unei reţele wireless în banda aferentă LoRaWAN

Dimensionarea unei reţele radio presupune determinarea prin calcul sau experiment a următoarelor date:

·         Stabilirea fluxului informaţional între obiectele reţelei

·         Stabilirea arhitecturii reţelei

·         Localizarea geografică a acestor obiecte

·         Determinarea zonei de acoperire radio de către staţiile coordonatoare de trafic

·         Calculul traseelor de propagare pe fiecare legătură în parte

·         Alegerea echipamentelor de reţea adecvate: staţiile emisie/recepţie, antenele şi fiderii, schemele electrice ale instalaţiilor radio

Fluxul informaţional şi arhitectura reţelei au fost relevate în figurile 2 şi 3. Gradul de generalitate acoperă cele mai multe aplicaţii.

Localizarea obiectelor reţelei se realizează cu mijloace GIS, adică instrumente GPS pentru ridicarea exactă a poziţiei şi aplicaţii geografice specializate, cu folosirea corespunzatoare a hărţilor tematice. Acestea trebuie să conţină reprezentări ale formelor de relief, curbelor de nivel şi ale construcţiilor artificiale.

Etapa cea mai importantă este determinarea zonei de acoperire radio. Această determinare se realizează cu ajutorul aplicaţiilor software specializate pentru calculul traseelor de propagare.

Avand in vedere ca retelele LoRaWAN  au caracter staţionar, este adecvată metoda de calcul bazată pe recomandarile ITU-R P.525/526, metoda deterministă, pentru degajari >60% ale elipsoidului Fresnel.

Datele de intrare pentru calculul de propagare sunt următoarele:

·         Poziţionarea obiectelor în spaţiu

·         Gama de frecvenţe utilizată

·         Puterea emiţătorului şi sensibilitatea receptorului

·         Câştigul antenei

·         Atenuări diverse pe circuitul de antenă

·         Zgomotul radioelectric cumulat la nivelul receptorului

·         Nivelul semnalului estimat la recptie

Rezultatele calculelor sunt prezentate sub formă tabelară şi sub formă grafică. Din examinarea rezultatelor se determină dacă nivelul de recepţie al semnalului este suficient pentru un raport semnal/recepţie satisfăcător. Pentru transmisia de date se utilizează un prag minim de 20 dB.

5 Studiu de caz

In cadrul acestui capitol se va prezenta un studiu de caz care exemplifică dimensionarea unei reţele wireless tip LoRaWAN folosind relaţiile analitice şi procedura prezentata în capitolele precedente. Studiul de caz reprezentat de dimensionarea unei reţele de senzori IoT în zona oraşului Bucureşti.

Reţea de senzori LoRaWAN în tehnologie IoT pe râul Damboviţa, caseta exterioară

Râul Dâmboviţa este regularizat de-a lungul traseului care stabate Bucureştiul, circa 22 Km, de la barajul Lacul Morii până la ieşirea din oraş în zona nodului hidrotehnic Bălăceanca,. Este localizat între afluentul Colentina şi râul Arges.

Pe porţiunea Bucureştiului, râul curge prin două amenajări:

·         amenajare interioară, constituită din 3 tubulaturi de oţel , poziţionate într-o casetă de beton armat, închis, şi etanş faţă de exterior

·         amenajare exterioară, constituită dintr-o casetă de beton armat, cu etanşări laterale şi la fund prin care curge apa curată a râului

Traseului râului este fragmentat cu 12 noduri hidrotehnice dotate cu stăvilare şi mecanisme de control al debitului.

Studiul de caz îsi propune realizarea unui sistem de monitorizare a principalilor parametri hidrotehnici prin senzori IoT instalaţi la nodurile hidrotehnice. Senzorii sunt conectaţi printr-o reţea de comunicaţii tip LoRaWAN. In cadrul studiului se vor determina:

·         Poziţiile de montare a senzorilor

·         Arhitectura şi schema electrică a reţelei

·         Parametrii de lucru ai reelei şi fezabilitatea acesteia

·         Dimensionarea reţelei de comunicaţii radio în gama 865 MHz specifică aplicaţiilor LoRaWAN

Date tehnice ale reţelei radio

Date privind locaţiile unde se livrează serviciul:

Poziţionarea este exprimată în sistemul de coordonate naţional Stereo 70 -m Dealul Piscului.

Date privind canalul radio

Date privind metoda de calcul

Obstrucţiile artificiale de teren sunt incluse în harta vectorială a terenului şi tratate ca obstacole naturale. Pentru calcule inginereşti s-a adoptat o abatere de 3 dB a valorilor predicţionate pentru nivelul de câmp. Parametrii de emisie şi recepţie sunt consideraţi la borna de antennă a echipamentului de transmisie.

Conditii de calcul canal radio

In baza datelor de proiectare asumate, se poate valida următoarea arhitectură a reţelei:

Componenţa reţelei de senzori:

·         37 senzori amplasaţi în nodurile hidrotehnice, amonte şi aval

·         6 centre colectoare de date tip Gate-Way

·         25 canale de legatură în gama 865 MHz

·         6 canale de legatură în gama GSM/GPRS

·         6 antene exterioare în gama 865 MHz

·         6 antene exterioare în gama GSM/GPRS

·         12 fideri coaxiali pentru antene

·         12 eclatori de radiofrecvenţă în gama 865 MHz

Dimensionarea arhitecturii s-a realizat pentru segmentul radio, până la echipamentele de comutaţie.

Rezultate tabelare ale calculului

Notatii

Din tabelele centralizatore rezultă că toate legăturile radio sunt fiabile şi acoperă cu serviciu punctele abonat cu un procent de timp > 99.0 % pe an calendaristic.

Echiparea nodurilor de comunicaţie:

Fig. 5 – Amplasarea în teren a reţelei. Reprezentare topografică în sistem de coordonate Stereo 70

Fig. 6 Schema electrica a retelei radio