Trådlös kommunika0on inom gruvindustrin; Utmaningar & Möjligheter. Rickard Nilsson, Ph.D. Signal Processing & Telecommunica:ons LTU

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Trådlös kommunika0on inom gruvindustrin; Utmaningar & Möjligheter. Rickard Nilsson, Ph.D. Signal Processing & Telecommunica:ons LTU"

Leif Jansson
för 8 år sedan
Visningar:

1 Trådlös kommunika0on inom gruvindustrin; Utmaningar & Möjligheter Rickard Nilsson, Ph.D. Signal Processing & Telecommunica:ons LTU

2 Ökande kommunika0onsbehov Trådlös radiokommunika:on o?a central för ab ökad effek:visering skall vara möjlig Diversifierade kommunika:onsbehov, t.ex.: Ø Ø Ø Ø Ø Ø Smalbandig radioaccess för övervakning, tal, parametrar för logis:k, fordonsövervaking & underhåll, etc. Trådlösa sensorsystem opera:va i gruvmiljö M2M - kommunika:on mellan maskiner Bredbandig radioaccess för Oärrstyrning, video Zero Entrance gruvor Robust radio, låg eller hög tolerans för fördröjningar, olika kri:ska behov av radiotäckning, etc.

3 SMIFU vision Picture from the SMIFU report

4 Utmaningar för gruvkommunika0on Annorlunda och diversifierade kommunika:onsbehov Radiomiljön i en gruvort, eller öppet dagbrob, kan vara väldigt otypisk ur eb kommunika:onsperspek:v Otypisk radioutbredning och störningsmiljö Existerande radioteknologier inte väl anpassade för gruvindustrins radiomiljöer och behov Exempel: WiFi (baserad på IEEE standard) är anpassad för självinstalla:on i (sta:onära) kontors- och hemmiljöer Mobiltelefonisystem (2G- GSM/EDGE, 3G- WCDMA, 4G- LTE, ) är alla anpassade för bred konsumentmarknad där tjänsten och näten :llhandahålls av mobiloperatörer

5 Existerande trådlösa kommunika0onssystem Superavancerade spjutspetsteknologier Anpassad och inbyggd för stora massmarknader

6 Gruvindustrin har oha andra behov och kommunika0onsförutsäjningar

7 Endast det rela:vt smala 2.4 GHz bandet används för gruvkomm Radiosignaler i 2.4 GHz bandet har rela:vt begränsad radioutbredning i terräng och gruva och blockeras läb av hinder 5 GHz bandet endast använt i kontorsutrymmen p.g.a. än mer begränsad radioutbredning WiFi signal- och radioteknologi utvecklad för kontors- och hemmiljö (t.ex. avstånd < 100 m, begränsad ekomiljö, etc.) Exempel: WLAN (WiFi) Todays LKAB: Large available but unused spectrum! DC 1 GHz WLAN: IEEE frequency usage 2.4 GHz band 5 GHz band Unused Radio Spectrum Unused Radio Spectrum Lower frequencies: Better range & penetration less bandwidth Higher frequencies: Worse range & penetration more bandwidth

8 Resultat: Oväntade avbroj och ibland stora kommunika0onsstörningar! Den helt inkapslade och inlåsta spetsteknologin för radiotransmissionen är inte anpassad för de oha helt främmande kommunika0onsmiljöerna och behoven inom t.ex. gruvindustrin

9 De 7 logiska OSI- lagren för digital kommunika0on Physical Communica0on via Radio Waves Physical layer with Radio Access Data link layer Network layer Transport layer Session layer Presenta:on layer Applica:on layer Frames Packets Segments Data Virtual comm via logical OSI- layers Physical layer with Radio Access Data link layer Network layer Transport layer Session layer Presenta:on layer Applica:on layer

10 Standardiserat & inlåst fysiskt kommunika0onsgränssnij Physical Communica0on via Radio Waves Physical layer Data link layer Network layer Transport layer Session layer Presenta:on layer Applica:on layer ENCAPSULATED BLACK BOX Segments Data Virtual comm via logical OSI- layers Physical layer Data link layer Network layer Transport layer Session layer Presenta:on layer Applica:on layer

11 Exempel: Radioutbredning Signalstudsar skapar många och långa ekon vilka :llsammans smetar ut signalerna och försvårar kommunika:onen, trots ab den totala signalstyrkan o?a är :llräcklig

12 Radioekon en liten inblick Sänd signal Radioekon för t.ex. en gruvgång Störningar & brus n(t) MoJagen signal Position A: Position x(t) h AB (t) y(t) = B: + x(t τ)h AB (τ)dτ + n(t) = x(t) h AB (t)+n(t) Radioeko förenklat ujryckt: h AB (t) t Radioekon bildas av signalstudsar i omgivningen och beskriver fullständigt (ex. brus & störningar) radiotransmissionen! Radioutbredningen är helt oberoende av kommunika5onsteknologin. Inspelade radioekon i gruvmiljö kan analyseras för ab i detalj studera radioutbredningen och beräkna kommunika:onsförutsäbningarna

13 Exempel: UppmäJ radioutbredning i innergården på A- huset LTU m.h.a. SDR Två olika sändarposi:oner Line-of-sight: TX A Rx Non line-of-sight: TX B Rx Röda väggar klädda i reflekterande Plannjaplåt MoBagarposi:on

14 Exempel på uppmäj radioutbredning i 0d (delay spread, ung. signalfördröjningsspridning ) Line-of-sight: TX A Rx Non line-of-sight: TX B Rx Delay spread ca 1 us Delay spread ca 1.5 us WiFi (IEEE ) är konstruerad för max 0.8 us delayspread!

15 Access is King and will con5nue to rule! en slogan som gäller även för gruvindustrin Fysiska radiomiljön (radioekona) bestämmer de grundläggande kommunika:onsförutsäbningarna Radio- accessen, teknologin som skall skall bemästra radiomiljön, är dock inlåst och oföränderlig i nuvarande kommunika:onssystem Standardiserade men sta:ska system implementerade i dedicerad hårdvara, s.k. ASIC, ämnad för stora konsumentmassmarknader Accessteknologin är oflexibel p.g.a. sin sta:ska hårdvaruimplementa:on ASIC- utveckling är en mycket långsam, riskabel och kostsam process Trots det oerhört billiga radioenheter p.g.a. väldigt stora volymer BäBre anpassade kommunika:onssystem baserade ASIC hårdvara är inte lönsamt eller realis:skt ab utveckla för nischmarknader som t.ex. för gruvindustrin. Gruvindustrin är därför forparande hänvisade :ll rena konsumentprodukter. Hur kan vi bryta de5a utvecklingsmönster för a5 erhålla effek=v och anpassad radioaccess även för nischmarknader som t.ex. gruvindustrin?!

16 Fram:dens lösning: Flexibel Radiokommunika0on Kommunika0onen & radion bör flexibelt anpassa sig eher: Radiomiljön: radioekon, störningar från maskiner, utnybjande av lämpliga frekvensband, etc. Kommunika0onsbehoven: smalbandig, bredbandig, robusthet, fördröjningar, etc. Nätverksbehoven: ad- hoc eller mobil nätverkstruktur, Plug & play: Radion anpassar sig kon:nuerligt e?er förändringar i behov och miljö, och för ab utnybja och övervinna radiomiljön Kan kommunicera med olika standarder: WiFi, 3G, 4G, Kan dela själva kommunika0onsteknologin over the air för eb område, t.ex. en gruvort

17 Flexibel radio kan implementeras i SoHware Defined Radio SDR omvandlar radions hårdvaruproblem :ll mjukvaruproblem SDR är en ny radioteknologi där man strävar e?er ab lägga programkod och algoritmer så nära antennen som möjligt Radioaccessen implementeras i flexibel mjukvara istället för ab vara gjuten i sta:sk hårdvara Generisk, flexibel och billig off- the- shelf SDR hårdvara Kan bli som med PC genombrojet på talet Gruvanpassad och flexibel radio blir möjlig 0ll låg kostnad Grundprincipen för SDR: ADC/ DAC Your Code Here!

18 Tradi0onell hårdvarubaserad radio (HDR med ASIC) ANALOG DIGITAL ADC Narrowband Digital Signal ADC Narrowband Digital Signal ASIC ADC Narrowband Digital Signal HARDWARE DEFINED SOFTWARE CONTROLLED - Baserad på komplicerad specialhårdvara dyr ab utveckla - Mycket begränsad flexibilitet sta:sk konstruk:on - Total omkonstruk:on krävs o?a för ab lägga :ll eller förändra funk:onalitet - Hög analog komplexitet - Hög känslighet för RF interferens - Analog effekt, storlek och vikt skalas med antalet kanaler - dyrt!

19 Ny bredbandig mjukvarubaserad radio (SDR) ANALOG DIGITAL Narrowband Digital Signal ADC Wideband Digital Signal Narrowband Digital Signal DSP (COTS) SOFTWARE CONTROLLED Narrowband Digital Signal SOFTWARE DEFINED + Generisk hårdvara Commercial- off- the- Self (COTS) + Obegränsad flexibilitet och helt (re- )programmerbar! + Återanvändbar programkod för nya & förändrade radiosystem + Låg analog komplexitet + Mindre känslig för RF interferens + Analoga effekten, storleken och vikten är konstant och oberoende av antalet kanaler + Lägre effekt, mindre storlek och vikt (pa sikt)

20 Exempel: Stor outnyjjad naturresurs under jord frij 0llgängligt radiospektrum! Dagens LKAB & Boliden: Fram0dens SDR:

21 Flexibel radiokommunika0on med SDR Flexibel gruvradio m.h.a. specialanpassad radioaccess- mjukvara t.ex. smarta radioaccess appar! Signalalgoritmer i byggblock kan användas för ab snabbt konstruera gruvanpassade radioaccessmetoder Nya flexibla metoder som anpassar radioaccessen och hela kommunika:onen e?er gruvmiljön Flexibel radio och SDR är en allmän trend inom trådlös kommunika:on, t.ex. för 4G- LTE och US- militären (JTRS) O:llåtna lägre radiofrekvenser kan enkelt användas under jord för bäbre täckning och kapacitet Kommunika:onskapacitet under jord troligen enorm, många Gbit/s möjlig

22 Forskning Forskning krävs för ab klargöra gruvindustrins egna kommunika:onsförutsäbningar Klargöra fram:da och existerande trådlösa kommunika:onsbehov Forskningen kan påverka utvecklingen av nya flexibla kommunika:onssystem som gruvnäringen vill använda Grundlig undersökning av radioutbredning och speciella radioekon i olika gruvmiljöer Undersökning av outnybjade frekvenser under jord som kan användas för radiokommunika:on Flexibla radiokommunika0onslösningar - anpassade även med tanke på gruvindustrins behov

Relevanta dokument

trådlöst ljud inkopplingsguider för Living serien, och vanliga frågor & svar

trådlöst ljud inkopplingsguider för Living serien, och vanliga frågor & svar 1 INNEHÅLL TRÅDLÖSA LIVING HÖGTALARE 4. LIVING SERIEN ÖVERSIKT 5. VANLIGA INKOPPLINGAR 8. FLER INKOPPLINGAR 9. MULTIROOM OCH