Technologie transmisji danych w sieciach komórkowych i ich zastosowanie do zdalnego nadzoru i pomiarów w rozproszonych systemach elektroenergetycznych

Z technicznego punktu widzenia system wymiany informacji pomiędzy rozproszonymi urządzeniami stanowi rodzaj teleinformatycznej sieci rozległej WAN (Wide Area Network) i do jego realizacji może być wykorzystany szeroki zakres technologii stosowanych w tego rodzaju sieciach. Ponieważ elementy infrastruktury elektroenergetycznej często znajdują się w odosobnionych lokalizacjach, doprowadzanie do nich dedykowanych łączy przewodowych nie znajduje uzasadnienia ekonomicznego. W takim przypadku znacznie korzystniejszymi rozwiązaniami są systemy transmisji danych bazujące na łączach radiowych. Mogą być one realizowane jako osobne instalacje z wykorzystaniem specjalizowanych urządzeń pracujących w przeznaczonych dla nich licencjonowanych pasmach częstotliwości lub bazować na usługach transmisji danych oferowanych przez operatorów sieci komórkowych.

Druga z wymienionych opcji charakteryzuje się wieloma zaletami, do których należą m.in. pokrycie zasięgiem praktycznie całego kraju, dostępność i stosunkowo niski koszt urządzeń transmisyjnych (modemów) oraz możliwość bezpośredniej transmisji poprzez standardowe protokoły rodziny TCP/IP. Dlatego dla specjalistów zajmujących się tworzeniem systemów instalacji inteligentnych przydatna jest wiedza dotycząca możliwości zapewnianych przez systemy transmisji danych bazujące na telekomunikacyjnych sieciach komórkowych oraz metod realizacji współpracy modemów komórkowych z systemami mikroprocesorowymi.

Architektura sieci komórkowych

Sieć komórkowa stanowi rozległy system łączności radiowej zapewniający realizację połączeń pomiędzy stacjami mobilnymi oraz pomiędzy stacjami mobilnymi a urządzeniami dołączonymi do innych sieci, takich jak przewodowe sieci telekomunikacyjne lub sieci transmisji pakietowej (np. Internet, sieci korporacyjne) [1]. Połączenia realizowane przez sieć komórkową mogą obejmować połączenia głosowe, połączenia transmisji danych, połączenia wideotelefoniczne oraz inne. Obszar obejmowany przez sieć komórkową dzielony jest na komórki obsługiwane przez osobne stacje nadawczo-odbiorcze BTS (Base Transceiver Station), które realizują połączenia radiowe do terminali mobilnych MS (Mobile Station), np. telefonów komórkowych, modemów oraz sprzęgają część radiową sieci komórkowej z jej infrastrukturą szkieletową (rys. 1.).

W infrastrukturze szkieletowej znajdują się kontrolery stacji bazowych (BSC – Base Station Controller), centrale realizujące połączenia (MSC – Mobile Switching Centre), bramki do innych sieci (GMSC), urządzenia transmisji pakietowej, bazy danych zawierające informacje o użytkownikach sieci i ich uprawieniach (m.in. HLR – baza abonentów danego operatora, VLR – baza użytkowników znajdujących się w obszarze obsługiwanym przez daną MSC), centra zarządzania i inne elementy. Użyte powyżej nazwy dotyczą sieci GSM, nazewnictwo niektórych urządzeń zmieniało się wraz z pojawianiem się kolejnych generacji sieci komórkowych i zostanie przedstawione w dalszej części artykułu.

Tryby transmisji danych w sieciach komórkowych

Pierwszym trybem transmisji danych udostępnionym w sieciach komórkowych był tryb komutowany CSD (Circuit Switched Data). Od strony technicznej połączenie transmisji danych w trybie komutowanym jest bardzo zbliżone do połączenia głosowego. W momencie nawiązania połączenia sieć rezerwuje dla niego określone zasoby fizyczne (np. kanał częstotliwościowy, szczelina czasowa TDMA, kod wielodostępu CDMA), które są przyporządkowane dla danego połączenia przez cały czas jego trwania, niezależnie od tego, czy faktycznie realizowana jest jakaś transmisja. W związku z tym w trybie komutowanym taryfikacja odbywa się na podstawie czasu trwania połączenia, co powoduje, że tryb ten nie nadaje się do aplikacji przesyłających niewielkie porcje danych, ale wymagających stałego połączenia z siecią (np. cykliczny odczyt danych z czujników pomiarowych).

Do takich aplikacji znacznie lepiej dostosowany jest tryb pakietowy PSD (Packet Switched Data), w którym w momencie nawiązywania połączenia tworzony jest logiczny kanał pomiędzy dwiema stronami, natomiast zasoby fizyczne wykorzystywane są tylko w momencie rzeczywistego wysyłania lub odbierania danych. Tryb PSD pozwala na realizację taryfikacji na podstawie ilości przesłanych danych i stanowi obecnie podstawowy tryb transmisji danych stosowany w sieciach komórkowych.

Kolejne generacje sieci komórkowych i ich cechy

Sieci komórkowe pierwszej generacji (1G)

Sieci pierwszej generacji są to sieci z transmisją realizowaną w formie analogowej. W Europie sieci 1G wykorzystywały system NMT (Nordic Mobile Telephone), pracujący w paśmie 450 MHz. W systemie NMT transmisja danych możliwa była tylko w trybie CSD poprzez wykorzystanie standardów modemów stosowanych w analogowej telefonii stacjonarnej, takich jak V.32. Ponieważ w łączu radiowym możliwe są chwilowe zaniki sygnału, a modemy te w takim przypadku rozłączają połączenie, zostały one uzupełnione o protokół MNP 10, zapewniający lepszą korekcję błędów oraz zapobiegający rozłączeniom w przypadkach chwilowego zaniku nośnej. Teoretycznie maksymalna prędkość transmisji danych w systemie NMT wynosi 9,6 kb/s (w niektórych sieciach do 19,2 kb/s), jednak ze względu na słabą jakość łączy radiowych w praktyce uzyskiwano prędkości tylko rzędu 1–2 kb/s. Ponieważ systemy 1 G praktycznie nie są już obecnie używane, nie zostaną one tu omówione bardziej szczegółowo.

Sieci komórkowe drugiej generacji (2G)

Sieci komórkowe drugiej generacji są to sieci z transmisją w pełni cyfrową. W Europie sieci 2 G bazują na systemach GSM w paśmie 900 MHz oraz DCS w paśmie 1800 MHz (określany też jako GSM 1800) z wielodostępem częstotliwościowo-czasowym (FDMA/TDMA). Pasma częstotliwościowe przeznaczone dla tych sieci dzielone są na kanały o szerokości 200 kHz (osobno dla każdego kierunku transmisji), a następnie taki kanał dzielony jest na 8 szczelin czasowych, każda o czasie trwania 577?ms. W przydzielonej szczelinie czasowej użytkownik może przesyłać dane ze średnią szybkością 22,8 kb/s (co wymaga transmisji radiowej z szybkością około 270 kb/s w czasie trwania szczeliny). Na rysunku 2. przedstawiona jest uproszczona struktura telefonu komórkowego GSM.

Sygnał akustyczny odbierany przez mikrofon jest przetwarzany na postać cyfrową poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) pracujący z częstotliwością próbkowania 8 kHz oraz rozdzielczością 13 bitów, co daje strumień danych 104 kb/s. Dane te podlegają kompresji stratnej w koderze głosowym (jest to specjalny algorytm opracowany dla standardu GSM), na wyjściu którego otrzymywany jest strumień 13 kb/s. Jest on następnie przetwarzany przez blok kodera kanałowego FEC (Forward Error Correction), który uzupełnia otrzymane dane o wartości kodów korekcyjnych pozwalających w przypadku typowych zakłóceń odtworzyć dane, które uległy przekłamaniu w trakcie transmisji radiowej. Na wyjściu bloku FEC otrzymywany jest strumień danych o szybkości 22,8 kb/s, który jest następnie transmitowany poprzez łącze radiowe z modulacją GMSK w przydzielonym kanale częstotliwościowym oraz w określonej szczelinie czasowej.

W celu wykorzystania opisanej powyżej struktury do transmisji danych w trybie CSD należy uzupełnić ją o blok interfejsu, który zapewni możliwość dołączenia źródła/odbiornika danych poprzez standardowy port (np. RS-232C, USB, PCMCIA) i doprowadzi te dane do bloku FEC. Blok takiego interfejsu określany jest jako TAF (Terminal Adaptation Function). Ponieważ przy transmisji danych używane są inne kody korekcyjne niż przy połączeniach głosowych, blok TAF ma możliwość wyboru kodu korekcyjnego FEC w zależności od ustalonej szybkości transmisji danych. Niezależnie od wybranego kodu korekcyjnego, szybkość na wyjściu bloku FEC zawsze wynosi 22,8 kb/s, co pozwala zaimplementować w systemie GSM funkcjonalność transmisji danych w trybie CSD bez modyfikacji toru radiowego. Szybkości dostępne dla użytkownika wynoszą w praktyce do 14,4 kb/s. Na rysunku 3. przedstawiono schemat opisanego powyżej modemu GSM.

W celu zwiększenia dostępnej prędkości transmisji danych wprowadzony został tryb określany jako HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), dopuszczający przydzielenie na potrzeby pojedynczej transmisji więcej niż jednej szczeliny. W praktycznych realizacjach wykorzystuje się maksymalnie 4 szczeliny, co pozwala na uzyskanie prędkości do ok. 50 kb/s.

Ponieważ tryb CSD w większości praktycznych zastosowań jest stosunkowo niekorzystny (zarówno od strony operatora, gdyż skutkuje on nieoptymalnym wykorzystaniem zasobów radiowych, jak i użytkownika – ze względu na opłaty naliczane za czas połączenia), system GSM został uzupełniony o możliwość transmisji w trybie pakietowym (PSD) poprzez zaimplementowanie w nim technologii GPRS (General Packet Radio Service). Sieć GSM z technologią GPRS określana jest jako sieć 2.5 G. Na rysunku 4. przedstawiono schemat blokowy sieci GSM/GPRS.

W blokach BTS/BSC umieszczony jest moduł PCU (Packet Control Unit) rozdzielający sygnał wysyłany/odbierany z części radiowej na ścieżkę połączeń komutowanych (najczęściej głosowych) oraz ścieżkę transmisji pakietowej. W ścieżce pakietowej znajdują się dwa bloki (SGSN oraz GGSN) połączone siecią IP operatora. Blok SGSN (Serving GPRS Support Node) zapewnia funkcje komutacji pakietów z danymi, doprowadza je do części radiowej, a także jest odpowiedzialny za przesyłanie wiadomości MMS (w odróżnieniu od SMS, wiadomości MMS mogą być przesyłane tylko w trybie pakietowym).

Blok GGSN (Gateway GPRS Support Node) stanowi specjalizowany router IP realizujący połączenie pomiędzy wewnętrzną siecią IP operatora a zewnętrznymi sieciami publicznymi (np. Internet) lub prywatnymi (np. sieci korporacyjne przedsiębiorstw). Użytkownik nawiązując połączenie pakietowej transmisji danych określa GGSN, z którego chce korzystać poprzez parametr APN (Access Point Name).

Transmisja radiowa w sieci GSM/GPRS realizowana jest w taki sam sposób jak w trybie CSD (lub HSCDS) w sieci GSM. Dla trybu pakietowego zdefiniowane zostały cztery nowe schematy kodowania FEC, zestawione w tabeli 1. W przypadku schematu CS-4 dane praktycznie nie są w ogóle zabezpieczone przed przekłamaniami i tryb ten może być użyty tylko przy bardzo dobrych warunkach łącza radiowego.

Liczba możliwych do wykorzystania szczelin czasowych w pojedynczej transmisji GPRS zdefiniowana jest parametrem określanym jako Multislot Class. W tabeli 2. zamieszczono liczby szczelin wykorzystywane przez terminale w poszczególnych klasach przy pobieraniu (DL – Downlink) oraz wysyłaniu (UL – Uplink) danych.

W praktyce przy wykorzystaniu 4 szczelin uzyskiwana jest prędkość około 50 kb/s. Ponieważ jest to prędkość w wielu przypadkach za niska w stosunku do wymagań używanych aplikacji, w sieci GSM wprowadzona została modyfikacja określana jako EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), której głównym elementem jest zastąpienie modulacji GMSK (1 bit/symbol) modulacją 8-PSK (3 bity/symbol). W wyniku tego uzyskano potrojenie prędkości przesyłu danych. Transmisja EDGE może być wykorzystana zarówno w trybie komutowanym, jak i pakietowym (jest to najczęściej spotykany wariant), dając w praktyce maksymalną szybkość transmisji wynoszącą około 150 kb/s. Sieć GSM/GPRS z rozszerzeniem EDGE określana jest jako sieć 2.75 G.

Sieci komórkowe trzeciej generacji (3G)

Sieci komórkowe trzeciej generacji stanowią sieci spełniające wymagania określone przez ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector) w specyfikacji International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). Mówi ona m.in. o zapewnieniu szczytowej szybkości transmisji, wynoszącej co najmniej 200 kb/s (w rzeczywistych realizacjach przyjmuje się zazwyczaj 384 kb/s). W Europie sieci 3 G wykorzystują system UMTS, najczęściej w pasmach 2100 MHz oraz 900 MHz [2]. Wielodostęp realizowany jest metodą częstotliwościowo-kodową (FDMA/WCDMA). Standaryzacją technologii 3G zajmuje się konsorcjum 3GPP (3rd Generation Partnership Project), które opracowuje specyfikacje określane jako kolejne wydania (Releases) [5].

Podstawowy standard UMTS, określany jako „Release 99” został zamknięty w roku 2000. W zakresie transmisji danych zakłada on podstawową prędkość 384 kb/s oraz 2 Mb/s w wybranych punktach (tzw. obszary Hot-spot, tryb ten praktycznie nie jest wykorzystywany). System ten przewiduje zarządzanie jakością połączeń (cztery poziomy QoS określające opóźnienia oraz dopuszczalny poziom błędów). Struktura podstawowej sieci UMTS jest bardzo podobna do sieci GSM/GPRS (rys. 4.).

Zmiany dotyczą głównie nazewnictwa (stacje nadawczo-odbiorcze w sieci UMTS określane są jako Node B, a ich kontroler to RNC) oraz nowych interfejsów sygnalizacyjnych i protokołu dostępu w bloku SGSN. Technologia UMTS Release 99 zakłada możliwość realizacji dupleksu (dwukierunkowości transmisji) zarówno w trybie częstotliwościowym FDD (Frequency Division Duplex), jak i w trybie czasowym TDD (Time Division Duplex) z wykorzystaniem kanałów częstotliwościowych o szerokości 5 MHz i modulacji QPSK. W trybie FDD dla każdego kierunku transmisji (czyli od stacji użytkownika do węzła Node B – tzw. uplink oraz od węzła Node B do stacji użytkownika – tzw. downlink) używany jest osobny kanał częstotliwościowy. W trybie TDD oba kierunki transmisji korzystają z tego samego pasma częstotliwości, ale mają przypisane osobne szczeliny czasowe. W Polsce każdy z czterech operatorów infrastrukturalnych (Orange, Play, Plus, T-Mobile) uzyskał w paśmie 2100 MHz po trzy dupleksowe kanały FDD (2x5 MHz) oraz po jednym kanale TDD (5 MHz). W paśmie 90 MHz usługi w technologii UMTS (tryb FDD) oferują Play oraz Aero2 (posiadają oni po jednym dupleksowym kanale FDD 2´5 MHz).

W roku 2002 opublikowana została specyfikacja 3GPP Release 5, której głównym elementem jest technika HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). HSDPA wprowadza dla przesyłu „w dół” (downlink) m.in. bardziej optymalną organizację czasową transmisji oraz dodatkowo tryby z modulacją 16QAM (obok standardowej QPSK), co pozwala na uzyskanie w tym kierunku szybkości transmisji nawet do 14 Mb/s (kategoria 10 w tabeli 3.).

W roku 2004 przedstawiona została specyfikacja 3GPP Release 6, wprowadzająca m.in. technikę HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). HSUPA poprzez ulepszenia kanału transmisji „w górę” pozwala na uzyskanie w kierunku uplink szybkości transmisji do 5,76 Mb/s. Sieci korzystające zarówno z techniki HSDPA, jak i HSUPA określane są często jako HSPA.

Kolejnym wydaniem technologii 3G jest 3GPP Release 7, opublikowany w roku 2007. W zakresie technologii 3G wprowadza on technikę HSPA+ (spotyka się też określenie Evolved HSPA). HSPA+ stosuje w kanale downlink modulację 64QAM, a dla modulacji 16QAM dodaje możliwość użycia trybu wielodrogowego MIMO (Multiple Input – Multiple Output) w wariancie 2´2 (dwa kanały nadawczo-odbiorcze). W kanale uplink HSPA+ wprowadza modulację 16QAM. W efekcie możliwe jest uzyskanie maksymalnej szybkości odbioru danych przez stację ruchomą wynoszącej 28 Mb/s oraz szybkości wysyłania danych do 11,5 Mb/s.

Opublikowany w roku 2008 standard 3GPP Release 8 dodaje do HSPA+ (Release 7) możliwość wykorzystania trybu MIMO 2´2 dla modulacji 64QAM w kanale downlink oraz możliwość realizacji transmisji przy wykorzystaniu kanału o szerokości 10 MHz (poprzez połączenie dwóch kanałów 5 MHz, 64QAM bez trybu MIMO). Tryb z kanałem 10 MHz nazywany jest DC (Dual Carrier lub Dual Cell). Każda z opisanych technik pozwala na pobieranie danych przez stację z szybkością do 42,2 Mb/s (kategorie 20 i 24 w tabeli 3.).

W marcu 2010 r. opublikowany został standard 3GPP Release 9, który wprowadza możliwość używania trybu MIMO w kanale DC (10 MHz), co pozwala na uzyskanie szybkości pobierania danych do 84,4 Mb/s oraz szybkości wysyłania danych do 23 Mb/s.

Standard 3GPP Release 10, zamknięty w 2011 r., wprowadza możliwość używania kanałów 15 MHz (3C, Three-Carrier) oraz 20 MHz (4C, Four-Carrier) w kierunku downlink, co w trybie MIMO daje szybkość pobierania danych do 126,6 Mb/s (3C+MIMO) lub 168,8 Mb/s (4C+MIMO).

W 2011 roku rozpoczęto prace na standardem 3GPP Release 11 (jego „zamrożenie” planowane jest na czwarty kwartał 2012), który wprowadzając kanały 30 MHz (6C, Six-Carrier) oraz 40 MHz (8C, Eight-Carrier) pozwoli na pobieranie danych z szybkością odpowiednio 253,3 Mb/s (6C+MIMO) lub 337,5 Mb/s (8C+MIMO).

W tabeli 3. i tabeli 4. zestawiono zdefiniowane kategorie transmisji w technologiach 3G HSDPA i HSUPA.

Sieci komórkowe czwartej generacji (4G)

W 2008 roku ITU-R określiła wymagania stawiane sieciom 4G w postaci specyfikacji IMT-Advanced. Określa ona m.in. wymóg szczytowej szybkości transmisji wynoszący 100 Mb/s dla szybkich obiektów (np. samochód, pociąg) oraz 1 Gb/s dla obiektów wolnych (np. użytkownicy stacjonarni lub piesi). W komunikacie wydanym 6 grudnia 2010 r. ITU złagodziła te wymagania, dopuszczając używanie terminu 4G także w stosunku do „rozwiniętych technologii 3G, zapewniających istotny poziom poprawy wydajności i pojemności sieci w stosunku do początkowych systemów 3G”. Zmiana ta spowodowała, że obecnie definicja sieci 4G nie jest całkowicie jednoznaczna i niektórzy operatorzy stosują ją np. w stosunku do sieci HSPA+.

W rzeczywistości jednak technologią zasługującą na miano 4G w opiniach wielu specjalistów jest co najmniej technologia LTE (Long Term Evolution) stanowiąca element specyfikacji 3GPP Release 8. Można też spotkać określenie, że sieci LTE są sieciami 3.9G. W sieci LTE w kierunku downlink stosowane jest zwielokrotnienie OFDMA, modulacje QPSK, 16QAM i 64QAM oraz tryby MIMO 2x2 i 4x4. Możliwe jest wykorzystanie kanałów częstotliwościowych o szerokościach od 1,4 do 20 MHz. W kanale 20 MHz maksymalne prędkości pobierania danych wynoszą 100 Mb/s (brak MIMO), 172,8 Mb/s (MIMO 2x2) oraz 326,4 Mb/s (MIMO 4x4). W kierunku uplink stosowane jest zwielokrotnienie SC-FDMA, a uzyskiwane szybkości transmisji to 50 Mb/s (QPSK), 57,6 Mb/s (16QAM) oraz 86,4 Mb/s (64QAM). Technologia LTE definiuje nową strukturę sieci E-UTRAN (Evolved Universal Terrestial Radio Access Network) [5], jednak jej omówienie wykracza poza ramy niniejszego artykułu.

Standard 3GPP Release 10 definiuje technologię LTE-Advanced, spełniającą wymagania IMT-Advanced. Zapewnia ona wsparcie dla kanałów radiowych o szerokości do 100 MHz (z możliwością łączenia niesąsiadujących kanałów 20 MHz) oraz tryby MIMO do 8x8 (downlink) i do 4x4 (uplink). Szczytowa prędkość pobierania danych wynosi 3 Gb/s, a wysyłania 1,5 Gb/s (w kanale 100 MHz).

W Europie sieci LTE i LTE-Advanced uruchamiane są obecnie w pasmach 2600 MHz, 1800 MHz oraz 800 MHz. W tabeli 5. zestawiono kategorie terminali (UE – User Equipment) zdefiniowane dla standardów LTE i LTE-Advanced (określają one zaokrąglone wartości prędkości, które muszą być obsługiwane przez urządzenie) [4].

Przedstawione powyżej tryby pracy z dużymi prędkościami w praktyce wykorzystywane są (lub będą, ponieważ wiele z nich nie ma jeszcze praktycznych wdrożeń) głównie w usługach dostępu do Internetu. W zastosowaniach przemysłowych typu M2M najczęściej używane są modemy pracujące w standardach GPRS/EDGE, ewentualnie w pierwszych wariantach technologii 3G.

Współpraca systemów mikroprocesorowych z modułami modemów komórkowych

Projektant, który chce wykorzystać w swoim systemie transmisję danych poprzez sieć komórkową, ma do wyboru kilka rozwiązań. Pierwszym z nich jest wykorzystanie standardowych modemów 2G lub 3G z interfejsami USB, które są obecnie powszechnie używane w usługach dostępu do Internetu. Ponieważ modemy te wymagają używania odpowiednich sterowników (driverów), ich wykorzystanie jest stosunkowo proste tylko w tych przypadkach, gdy nasze rozwiązanie korzysta z systemów dla których dostępne są sterowniki do danego modemu.

W praktyce oznacza to rozwiązania bazujące na systemach rodziny Windows, Linux lub MAC OS. Sterowanie takimi modemami odbywa się poprzez wirtualny port szeregowy realizowany przez sterownik modemu, a transmisja danych wykonywana jest poprzez wirtualny port szeregowy (ten sam co sterowanie lub osobny) lub poprzez sieciowy interfejs NDIS zapewniany przez sterownik modemu (czyli tak samo jak m.in. w interfejsie Ethernet). Zaletą jest tu szeroki wybór modemów USB oraz ich niski koszt.

W przypadku, gdy chcemy dołączyć modem 2G/3G do własnego systemu mikroprocesorowego, do dyspozycji mamy wiele modułów modemów przeznaczonych do bezpośredniego wlutowania na płytce drukowanej. Przykładem może być tu modem SIM900D firmy SIMCom (fot. 1.) w obudowie o rozmiarach 33x33x3 mm dostosowanej do montażu powierzchniowego [7].

Modem SIM900D zapewnia obsługę transmisji GPRS z kodowaniem CS-1, CS-2, CS-3 i CS-4 przy wykorzystaniu wielu szczelin (klasa 10, tabela 2.) w pasmach 850, 900, 1800 i 1900 MHz. W trybie pakietowym (GPRS) maksymalna szybkość wysyłania danych wynosi 85,6 kb/s, a odbierania danych – 42,8 kb/s. Ponadto obsługiwany jest tryb komutowany (CSD) z szybkością do 14,4 kb/s, komunikaty SMS oraz połączenia głosowe. Sterowanie modemem i transmisja danych odbywa się poprzez port szeregowy. Na rysunku 5. przedstawiono przykładową strukturę systemu mikroprocesorowego z dołączonym modemem SIM900D.

Przykładami innych modemów, które można dołączyć do własnego systemu mikroprocesorowego w sposób analogiczny do przedstawionego powyżej modemu SIM900D są m.in. modemy Quectel M10, Sony Ericsson GR47, Nokia N12i, Motorola G24. Modemy tego typu mają zazwyczaj wbudowany stos TCP/IP [3], dzięki czemu nawiązywanie i obsługa połączeń TCP/IP odbywa się bezpośrednio przy użyciu komend modemu, bez konieczności jej samodzielnej implementacji.

Bezpośrednie dołączenie modemu do własnego systemu mikroprocesorowego jest bardzo uniwersalnym rozwiązaniem, które zapewnia projektantowi urządzenia optymalne dobranie jego elementów w stosunku do założonych potrzeb. Jednak podejście takie wymaga przygotowania od podstaw całego oprogramowania sterownika. Ponieważ sam modem również zawiera mikrokontroler sterujący, powstała koncepcja, aby mógł on być wykorzystany także do wykonywania programu użytkownika, bez konieczności stosowania osobnego mikroprocesora. W takim przypadku modem GSM zawiera w swoim oprogramowaniu wbudowany system operacyjny, który pozwala na załadowanie i wykonywanie programu użytkownika. Program ten może korzystać z interfejsów I/O modemu do sterowania zewnętrznymi układami, podobnie jak w przypadku zastosowania osobnego mikrokontrolera.

Przykładem takiego podejścia są moduły GSM firmy Sierra Wireless (np. Q2686), które zawierają wbudowany system operacyjny Open AT, udostępniający poprzez interfejs programistyczny (API) funkcje, które można wykorzystywać we własnym programach pisanych w języku C i wykonywanych w module modemu [6]. System Open AT firmy Sierra Wireless (wcześniej należący do firmy Wavecom) udostępnia dla wykonywanych programów środowisko z funkcjonalnościami wielozadaniowości i systemu czasu rzeczywistego. Oprócz tego możliwe jest także bezpośrednie sterowanie modemem poprzez port szeregowy, analogicznie jak w wymienionym powyżej modemie SIM900D.

Do sterowania modemami GSM stosowany jest język komend AT, pierwotnie opracowany przez firmę Hayes Microcomputer Products dla modemów na analogowe linie telefoniczne. Sterowanie to polega na wysyłaniu do modemu przez port szeregowy RS-232C komend zaczynających się od liter AT. Dalsza część komendy określa rodzaj operacji, jaki ma być wykonany.

Na przykład komenda ATDTnumer powoduje, że modem nawiązuje połączenie pod numer podany w komendzie. Po przyjęciu komendy modem zwraca przez port szeregowy potwierdzenie jej wykonania lub informację o błędzie. Modemy komórkowe obsługują znacznie więcej komend niż dawne modemy analogowe, ponieważ dochodzą tu komendy specyficzne dla sieci komórkowych (np. AT+CPIN do wprowadzenia numeru PIN), a często także komendy specyficzne dla danego typu modemu. Dlatego przy tworzeniu własnego systemu warto zapoznać się z dokumentacją wykorzystywanego w nim modemu komórkowego.

Przykładowa architektura systemu zdalnego opomiarowania infrastruktury elektroenergetycznej

Poniżej przedstawiona została przykładowa struktura systemu do zdalnego monitorowania parametrów rozproszonej infrastruktury elektroenergetycznej z wykorzystaniem transmisji danych poprzez telekomunikacyjną sieć komórkową oraz Internet.

System składa się z zestawu zdalnych modułów pomiarowych wyposażonych w sensory mierzonych parametrów (np. napięcie, prąd, temperatura, pobór energii elektrycznej). Ogólna struktura modułu pomiarowego może wyglądać tak jak przedstawiono to na rysunku 5. Oprogramowanie modułu pomiarowego rejestruje dane odczytywane z sensorów pomiarowych i okresowo wysyła je protokołem TCP/IP do serwera akwizycji danych znajdującego się centrum monitorowania sieci elektroenergetycznej. Transmisja ta odbywa się poprzez nawiązanie przez modem komórkowy połączenia do sieci operatora telekomunikacyjnego i uaktywnienia połączenia pakietowego z APN zapewniającym dostęp do Internetu. Wówczas moduł pomiarowy może zestawić połączenie TCP do serwera akwizycji danych przyłączonego do Internetu, na którym uruchomione jest oprogramowanie odbierające dane otrzymywane z sond pomiarowych i zapisujące wyniki pomiarów w bazie danych SQL.

Następnie dane z bazy odczytywane są przez serwer pulpitów operatorskich, który udostępnia je w wymaganej formie (np. na ekranach operatorskich lub jako strony WWW). Ponieważ przesył danych przez sieci takie jak Internet nie gwarantuje dostarczenia ich w określonym czasie, reżim czasowy pomiarów zapewniany jest przez mikrokontroler znajdujący się w module pomiarowym (w szczególności może on pracować z systemem operacyjnym czasu rzeczywistego), który wykonuje odczyty z sensorów w ściśle określonym cyklu czasowym i dodaje do odczytanych danych znaczniki czasowe. Dzięki temu zmienne opóźnienia w transmisji wyników pomiarów przez sieć Internet lub nawet chwilowe problemy z połączeniem nie wpływają na dokładność czasową prezentowanych wyników pomiarów.

Podsumowanie

W artykule omówione zostały technologie transmisji danych wykorzystywane w kolejnych generacjach telekomunikacyjnych sieci komórkowych oraz ich zastosowania do zdalnego monitorowania rozproszonej infrastruktury elektroenergetycznej. Obecnie sieci komórkowe mają zasięg pokrywający praktycznie cały kraj, co pozwala na ich wykorzystanie jako systemu transmisji danych z rozproszonych sond pomiarowych. W takim zastosowaniu nie jest szczególnie istotna szybkość transmisji, w związku z czym z powodzeniem może być tu wykorzystany tryb GPRS w sieciach 2G, który w odróżnieniu od sieci 3G zazwyczaj dostępny jest także na obszarach o niskim zaludnieniu. Dostępne modele modemów komórkowych pozwalają na łatwe ich przyłączanie zarówno do standardowych komputerów z systemami Windows i Linux, jak i do własnych systemów mikroprocesorowych.

W tym drugim przypadku modemy komórkowe mogą zapewniać także pełną funkcjonalność stosu TCP/IP, łącznie z wieloma protokołami pomocniczymi, takimi jak ARP, ICMP, a nawet HTTP. Istnieją także modemy posiadające wbudowany system operacyjny oraz dodatkowe porty wejścia/wyjścia, dzięki czemu oprócz funkcji komunikacyjnych mogą one zapewniać także wykonywanie programów realizujących procedury pomiarowe (w tym także w trybie czasu rzeczywistego) na danych wejściowych otrzymanych z dołączonych do modemu sensorów.

W połączeniu z usługą dostępu do Internetu oferowaną przez operatorów sieci komórkowych przedstawione technologie i moduły modemów mogą być wykorzystane do utworzenia w pełni funkcjonalnego rozproszonego systemu pomiarowego bez konieczności zapewnienia kosztownych i trudnych do zestawienia łączy przewodowych, co ma szczególne znaczenie w przypadku konieczności wykonywania zdalnych pomiarów w punktach znajdujących się w obszarach niezaludnionych i w związku z tym zazwyczaj pozbawionych przewodowej infrastruktury teleinformatycznej.

Literatura

1. K. Wesołowski, Systemy radiokomunikacji ruchomej, wyd. 3, WKŁ, Warszawa 2006.
2. J. Kołakowski, J. Cichocki, UMTS – system telefonii komórkowej trzeciej generacji, wyd. 2, WKŁ, Warszawa 2007.
3. A. Zankiewicz, Architektura sieci TCP/IP i jej aplikacje w systemach automatyki i sterowania. Część 1 i 2, „elektro.info” numery 7-8/2010, 10/2010.
4. 3GPP TS 36.306 E-UTRA User Equipment radio access capabilities (http://ftp.3gpp.org/specs/html-info/36306.htm)
5. http://www.3gpp.org
6. http://www.sierrawireless.com/openat
7. http://wm.sim.com

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!