Trådlös kommunika0on inom gruvindustrin; Utmaningar & Möjligheter Rickard Nilsson, Ph.D. Signal Processing & Telecommunica:ons LTU
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.
SMIFU vision Picture from the SMIFU report
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 802.11 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
Existerande trådlösa kommunika0onssystem Superavancerade spjutspetsteknologier Anpassad och inbyggd för stora massmarknader
Gruvindustrin har oha andra behov och kommunika0onsförutsäjningar
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 WLAN @ LKAB: Large available but unused spectrum! DC 1 GHz WLAN: IEEE 802.11 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
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
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 0101101011010 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
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 010110101101 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
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
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
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
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 802.11) är konstruerad för max 0.8 us delayspread!
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?!
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
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 1980- talet Gruvanpassad och flexibel radio blir möjlig 0ll låg kostnad Grundprincipen för SDR: ADC/ DAC Your Code Here!
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!
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)
Exempel: Stor outnyjjad naturresurs under jord frij 0llgängligt radiospektrum! Dagens WLAN @ LKAB & Boliden: Fram0dens SDR:
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
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