Организовать надежную связь в открытом карьере или шахте — задача технически нетривиальная. Любой, кто с ней сталкивался, знает, как сложно обеспечить решение без проводов с нормальной скоростью: приходится одновременно проводить радиопланирование для очень сложных условий распространения сигнала и выбирать точки размещения оборудования в сложных условиях зоны ведения горных работ — учитывая сам план работ, ограничения по организации электропитания и каналов связи для транспорта между элементами беспроводной сети, выполняя требования по пылевлагозащите и взрывобезопасности. При этом нужно сделать это решение бесшовным, без прерывания сеансов связи (при переключениях между базовыми станциями) и с минимальным числом мертвых зон. А уж приоритизация трафика — это вообще задача со звездочкой для любой беспроводной сети, не только в карьере или шахте.
Какую технологию выбрать для работы в сложных, удаленных от больших городов условиях? Сразу появляется идея — накрыть рабочую зону Wi-Fi. Но у этой идеи сразу несколько ограничений:
Низкие характеристики по покрытию, для покрытия значительной площади требуется установка десяток точек доступа, для каждой из которых требуется питание, канал связи, порты на сетевом оборудовании.
Wi-Fi может терять сессии при переключении между точками доступа.
Высокое затухание, высокая интерференция при переотражении.
Нет механизмов управления задержками при загрузке канала трафиком, линейно возрастает уровень задержки
В отличие от Wi-Fi технология pLTE позволяет достичь качественно иного уровня автоматизации горных процессов (включая подземные работы), обеспечивая детерминированную задержку и стабильное соединение в сложных условиях рудников и карьеров.
Поэтому в горной отрасли все чаще делают выбор в пользу в private LTE/5G при создании опорной инфраструктуру связи. Давайте разберем, как технология, рожденная для массовых звонков и стриминга видео, становится основой безопасности и рентабельности горного дела.
Содержание
Единое пространство макросайта
Даже на открытом пространстве, например в карьере, Wi-Fi не способен обеспечить гарантированную бесшовность. Процедура хэндовера (передачи соединения между точками доступа) у стандарта реализована на стороне клиента. Сеть попробует подсказать клиенту (абонентскому устройству) оптимальные варианты для переключения, используя новейшие протоколы вроде 802.11k/v/r. Но клиент может проигнорировать эту подсказку. А при движении техники со скоростью 30–40 км/ч в карьере, высокой плотности устройств или неровном рельефе это гарантирует регулярные обрывы.
По данным совместного исследования Ericsson, Komatsu и Epiroc, до 25% смертельных случаев в горной отрасли связано именно с транспортом, и иногда причина кроется в потере связи, пусть и кратковременной.
Частная сеть LTE решает эту проблему кардинально. Нередки случаи, когда одну базовую станцию — макросайт — можно разместить так, что она закроет единым целостным покрытием практически всю территорию карьера. Секрет кроется в физике: лицензированные диапазоны 900 или 1800 МГц имеют бОльшую длину волны, чем привычные 2400 МГц у Wi-Fi, а значит, сигнал гораздо лучше огибает препятствия. Добавьте к этому мощность передатчика: базовая станция pLTE выдает 5–20 Вт, тогда как даже промышленная точка доступа Wi-Fi — не больше 1 Вт, а обычные бытовые точки и вовсе ограничены 100 мВт. Разница на порядок выше.
Еще одно ключевое отличие LTE/5G от WiFi — способность сужать полосу приема/передачи для увеличения дальности связи. Сужение на передаче позволяет концентрировать больше мощности в каждой поднесущей, а на приеме уменьшать уровень внутреннего шума приемника.
Итог закономерен: одна базовая станция pLTE/p5G заменяет десятки Wi-Fi-устройств со всей их кабельной обвязкой и точками отказа.
Но даже если станций будет две или больше, в LTE жестко регламентирована процедура хэндовера, то есть переключения между этими станциями. Сеть заранее инструктирует устройство, на какую соту переключиться, и делает это с минимальными потерями. Стандартное время этого переключения — порядка 50 мс.
Для особо чувствительных к прерываниям приложений время переключения в 5G может быть сведена к нулю за счет технологии дублирования DAPS (Dual Active Protocol Stack), в которой подключение к новой БС осуществляется до переключения (Make-Before-Break) за счет более высоких требований к устройствам (наличие двух радиоканалов). Для типовых устройств время переключения может быть менее 50 мс за счет переключения на уровне L1/L2 (LTM).
Еще одна сильная сторона LTE — Quality of Service (QoS) и изоляция трафика
Его суть в следующем: типам трафика назначается класс идентификатора QoS. Благодаря этому можно явно разделять трафик по классам обслуживания: отдельно голос и PTT (система индивидуальных и групповых вызовов), отдельно телеметрию, отдельно видео. Это позволяет гарантированно отдавать приоритет критичным потокам. Даже если два десятка рабочих в этой же соте смотрят 4K-видео, пакет «экстренное торможение перед стенкой забоя» пройдет первым с задержкой не более 20–30 миллисекунд. Такой детерминизм — недостижимая роскошь для любого Wi-Fi.
Компания Rio Tinto после внедрения Autonomous Haulage System на базе LTE увеличила выработку на 15%. Расход топлива упал за счет оптимизации маршрутов и отсутствия рваного режима работы из-за обрывов связи. А согласно исследованию Ericsson для открытого рудника, одновременное использование автономного транспорта и систем мониторинга в реальном времени дает совокупный ROI в 207% к десятому году использования, причем срок окупаемости составляет менее трех лет.
При этом сеть private 5G позволяет создавать изолированные сегменты трафика (слайсы) для разных типов пользователей, то есть полностью разделять потоки данных, начиная от базовой станции и заканчивая выходом из контроллера (ядра) мобильной сети в закрытую КСПД предприятия. Это позволяет обеспечивать не только приоритизацию трафика, но и повышать безопасность инфраструктуры.
Точность позиции
Подземные работы всегда были зоной повышенного риска. Диспетчер на поверхности часто не знает, где именно находится проходчик Иванов. Ответ «где-то на пятом горизонте» недопустим для современной системы промышленной безопасности. При обрушении, загазованности метаном или окисью углерода, при потере сознания спасатели тратят часы на поиски, и каждый час может стоить жизни.
При этом к носимым датчикам с позиционированием через Wi-Fi есть большие вопросы. Попытки добавить их, к примеру, на каски разбиваются о проблему энергопотребления — Wi-Fi высаживает батарею за смену.
Здесь на сцену выходит связка private LTE и технологий промышленного интернета вещей — NB-IoT и LTE-M (Cat-M1) с режимами энергосбережения и расширенного покрытия. Это удобно там, где нужна невысокая скорость, а автономность и предсказуемая передача небольших пакетов телеметрии.
Эти стандарты, входящие в современные спецификации 3GPP, обладают уникальными свойствами:
Они обеспечивают глубокое проникновение сигнала: максимальные потери в канале (MCL) достигают 164 дБ, что означает уверенную работу на 15–20 децибел ниже уровня обычного LTE.
Режимы энергосбережения (PSM — power saving mode и eDRX — extended Discontinuous Reception) позволяют датчику на каске или на оборудовании работать до года от одной батарейки типа АА.
Сам LTE дает возможность определять местоположение с приемлемой для промышленности точностью — от 10–20 метров на открытых пространствах до 50 метров в туннеле при использовании метода OTDOA (Observed Time Difference of Arrival), а функции LMF (Location Management Function) являются стандартными в ядре (контроллере) мобильной сети 5G. Для понимания, в какой камере или на каком съезде находится человек, этого достаточно.
На практике это выглядит так. Шахтерская каска оснащается компактным модулем Cat-M1 с кнопкой «тревога», датчиком падения и газоанализатором. При повышении концентрации метана или резком прекращении движения устройство автоматически отправляет сигнал через частную сеть LTE на диспетчерский пульт, а заодно передает координаты. Одновременно система умной вентиляции, получив данные о присутствии людей в конкретной выработке, включает местные вентиляторы именно там, где они нужны, и гасит их в пустующих зонах.
По данным ABB, автоматизированная вентиляция по требованию способна снизить расходы на электроэнергию до 54%, а ведь в подземной шахте на вентиляцию приходится порядка 30–50% всего электричества. Тройной эффект: безопасность людей, экономия энергии и снижение себестоимости тонны руды.
Важно отметить, что 5G-технологии активно развиваются: повышается точность позиционирования, добавляется прямая связь между устройствами в обход базовой станции (Sidelink), что позволит с высокой точностью измерять расстояния между устройствами, предотвращая столкновения и наезды в том числе при отсутствии прямой видимости (за углом/поворотом, при задымлении), а также расширить покрытие, используя устройства, расположенные ближе к БС, в качестве релея.
Особенно Sidelink может оказаться полезным при решении проблемы «большого аплинка» при обмене устройствами большими массивами данных — например, облаками точек LiDAR для совместного построения точной 3D карты роботами и AGV (C-SLAM) при автономной навигации. В результате появляется возможность создания децентрализованных LiDAR mesh-сетей, существенно повышающих живучесть, точность и масштабируемость автономных навигационных систем.
Предиктивная аналитика
Обслуживание оборудования только в регламентные сроки или при поломках убивает главный показатель эффективности оборудования — OEE (Overall Equipment Effectiveness). По оценкам McKinsey, приведенным в одном из отраслевых отчетов, до 99% операционных данных на горных предприятиях теряется именно из-за того, что не доходят до систем аналитики. А это, в свою очередь, не дает действовать на упреждение. Предприятие работает вслепую, закладывая колоссальные резервы на внеплановые ремонты.
Скоростная беспроводная сеть на предприятии — это оперативное получение данных. Их обработку можно развернуть прямо в локальном контуре предприятия на платформе предиктивного мониторинга. Сюда в реальном времени стекаются данные с датчиков вибрации, температуры масла, тока двигателя, давления в гидросистеме. Искусственный интеллект обучается на исторических данных, и при появлении характерных отклонений, например соответствующих износу конкретного подшипника, автоматически формирует заявку в корпоративной системе ERP: «Заменить подшипник через 48 часов».
Компания Epiroc и «Апатит» отчитались: после внедрения телематики и удаленной передачи данных от буровых установок под землей продолжительность работы каждой машины увеличилась до 95%. С этим согласны в Ericsson: 70% инцидентов, связанных с неисправностями машин, можно предотвратить за счет сбора и анализа данных. На практике это означает сокращение внеплановых простоев на те же 70% и снижение затрат на запчасти (за счет перехода от плановой замены к замене по состоянию).
Как строятся частные сети в реальных условиях
Антенны
Теперь давайте опустимся еще глубже — в технические детали. И посмотрим, как выживет оборудование LTE и 5G в тяжелых условиях.
Возьмем для примера открытый карьер. Типовая схема, которую использует МТС, предполагает выносную базовую станцию: блок обработки сигналов (BBU) размещается в защищенном контейнере на поверхности, а выносные радиомодули (RRU) с мощными направленными антеннами устанавливаются на антенно-мачтовые сооружения высотой до 45 метров. Эти мачты проектируются под ветровую нагрузку IV района и гололед III района — стальные трубы, оттяжки из стального каната диаметром 16,5 мм, болтовые соединения повышенной прочности. Одна такая базовая станция в диапазоне 900 МГц при прямой видимости закрывает до 10 километров карьера. В сравнении с десятками Wi-Fi-точек доступа, требующих постоянного обслуживания, это экономит затраты на эксплуатацию.
Под землей ситуация сложнее. Туннель — это волновод, и сигнал затухает не по классическому закону свободного пространства (20 дБ на декаду), а гораздо быстрее, иногда до 40 дБ на декаду. Если пытаться поднять связь на Wi-Fi, то нам снова потребуются десятки точек.
Решение — распределенная антенная система (DAS)
Она подразумевает прокладывание магистрали из коаксиального кабеля в негорючей оболочке, от которой через делители (сплиттеры) отходят кабели в штреки. На концах — простые пассивные направленные антенны. Вся активная электроника — это один выносной радио модуль (RRU) во взрывозащищенном исполнении (рудничный нормальный — РН1 или РО/РВ особо взрывобезопасного исполнения), который ставится в безопасной зоне, подальше от взрывной волны. Такой модуль не искрит, не нагревается выше 150 °C и сертифицирован для работы в газовой среде, согласно ГОСТ и ТР ТС 012/2011. Один RRU в связке с DAS закрывает до двух километров туннеля.
BBU
Разделение базовой станции на BBU и RU, соединяемые оптоволоконным кабелем, обеспечивающим в числе прочего гальваническую развязку, позволяет вынести BBU из шахты, а значит, не применять к нему требования взрывозащищенного исполнения. Расстояние между BBU и RU может составлять 10–15 км.
Ядро
Ядро мобильной сети — контроллер, который управляет аутентификацией, авторизацией, мобильностью, сессиями абонентов и определяет профили обработки трафика для каждого из них. В отличие от публичных операторов частная сеть не требует шлюза в интернет или в телефонную сеть общего пользования. Ядро устанавливается на серверы предприятия — обычно это стандартные серверы в 19‑дюймовой стойке или локальная облачная инфраструктура закрытого контура. Это дает несколько критических преимуществ.
Полная автономность: если оптоволокно до внешнего мира порвано, шахта продолжает работать, сеть не рушится.
Безопасность: предприятие само ведет базу абонентов, само активирует SIM-карты с уникальным OP-кодом, само назначает закрытый идентификатор сети. Для объектов КИИ private LTE/5G интересен не только радиочастью, но и моделью доверия: SIM-карты и профили абонентов, централизованная аутентификация, управляемое ядро, жесткая сегментация сервисов и возможность полностью локализовать трафик внутри площадки. Это не отменяет требований ИБ, но существенно упрощает построение контролируемой беспроводной среды по сравнению с разнородным набором Wi-Fi-сегментов.
Архитектура выделенной сети связи стандартов LTE/5G
А если взять современный Wi-Fi 6, он создает такие же проблемы? Вроде же в «шестерке» шагнули далеко вперед по многим параметрам. Например, энергосбережение реализовали уже на уровне стандарта.
Все верно, фича TWT (Target Wake Time) — это шаг вперед по сравнению с классическим режимом, где устройство вынуждено постоянно слушать эфир (просыпаться для приема beacon-кадров каждые 100–300 мс). Но в промышленных условиях этот режим работает хуже, чем хотелось бы.
Во-первых, TWT требует идеальной синхронизации часов между точкой доступа и десятками (а в шахте — сотнями) датчиков. На реальном объекте, где влажность, вибрация и перепады температуры, дрейф синхронизации наступает быстро. Чтобы его скомпенсировать, устройству все равно приходится просыпаться вне расписания и слушать маяки, что убивает экономию.
Во-вторых, в отличие от соты LTE с километровым радиусом, у Wi-Fi-точка доступа зона покрытия измеряется всего лишь сотнями метров, а часто и меньше из-за особенностей расположения. Значит, в случае перемещения датчика (например, если он стоит на каске), он будет постоянно переключаться между точками доступа. И каждый хэндовер требует нового согласования TWT-расписания. Это снова лишние радиотранзакции и расход батареи.
Но главная проблема лежит в физическом уровне и философии протоколов.
Wi-Fi работает на принципе CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) — «слушай перед тем, как говорить». Каждое устройство перед передачей проверяет, свободен ли эфир. Когда устройств мало, это работает. Но в карьере или шахте, где одновременно активны десятки самосвалов, буровы установок, вспомогательного транспорта, сотни датчиков и десятки рабочих с планшетами, начинаются коллизии. Устройства начинают ждать, случайным образом выбирать таймауты, и задержка становится непредсказуемой. Исследование IEEE INFOCOM показало, что в условиях реальной нагрузки более 50% пакетов Wi-Fi имеют задержку выше 10 миллисекунд, а 10% — выше 100 миллисекунд. Для управления движущейся техникой это катастрофа: пакет торможения может опоздать.
Сравнение задержки 5G, pLTE и Wi-Fi
LTE использует принцип централизованного планирования. Базовая станция (eNodeB) сама выдает каждому устройству разрешение на передачу в строго отведенный момент времени. Коллизий нет в принципе. Задержка детерминирована — 20–50 миллисекунд в стандартном LTE и 1–5 миллисекунд в режиме URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications — детерминированная задержка для управления техникой) в 5G, которая может быть снижена еще больше при использовании прямой связи между 5G устройствами (Sidelink). Трафик разделен на типы и каждому назначен приоритет (QoS), а в случае 5G он может быть дополнительно изолирован в слайсе на уровне радиоресурсов, транспорта до ядра и в самом ядре 5GC, что обеспечит ему максимальные гарантии доставки в заданное время. Кроме того, для повышения надежности при частичной потери связи может использоваться дублирование передачи на разных частотах и через разные базовые станции. Это позволяет гарантировать, что команда аварийной остановки дойдет за предсказуемое время.
Важный момент и с безопасностью. Для КИИ критически важна аппаратная идентификация. SIM-карта в LTE — это защищенный элемент (UICC), который хранит ключи шифрования в аппаратно изолированной памяти. Взломать ее на расстоянии невозможно. Wi-Fi полагается на программную аутентификацию по паролю или сертификату, и атаки типа Deauthentication (принудительный разрыв соединения) или Evil Twin (поддельная точка доступа) остаются его ахиллесовой пятой.
И наконец, масштаб покрытия. Одна базовая станция LTE в карьере закрывает до 15 километров. Одна точка доступа Wi-Fi — максимум 500 метров на открытом пространстве и 100–200 метров в тоннеле. Для покрытия того же карьера Wi-Fi потребуется в десятки раз больше оборудования, кабельных трасс и активных элементов, каждый из которых — точка отказа. CAPEX Wi-Fi ниже, но операционные затраты (OPEX) на обслуживание этой армады сводят экономию на нет. Частная LTE дороже на старте, но дешевле в эксплуатации на горизонте 3–5 лет.
API будущее
Ключевым отличием 5G стало его изначальное позиционирование для API-интеграции с внешними системами: IT/OT-системами заказчика и партнеров. Это позволяет уйти от использования сети в качестве «глупой трубы» и «черного ящика», превратив ее в открытую программируемую платформу связи, предоставляющей в реальном времени все свои возможности.
API — подход позволит предприятиям динамически и гибко интегрировать частые сети в свои IT/OT-системы с целью повышения эффективности использования сети, получение стабильного и контролируемого качества связи с нужными параметрами, а также добавлять по мере необходимости новые возможности, заменяющие другие системы (позиционирования, синхронизации, промышленный Ethernet и пр.) и создающие сценарии использования в рамках единой сети — такие как ее новые сервисы (Sidelink, предотвращение столкновений/наездов, обнаружение дронов).
Наличие API — необходимое условие для реализации автоматизации и автономности на основе ИИ-промышленной экосистемы с включением частной сети в замкнутый контур технологического управления/реагирования предприятия с целью ускорений внедрения инноваций, включая ИИ, для повышения производительности и безопасности труда.
С чего начать внедрение
Определение общего дизайна будущей системы
Учесть все требования заказчика и конкретного объекта — первая задача. Определив все существующие или планируемые сервисы, требования, реальные условия и задачи, можно подобрать подходящую номенклатуру оборудования и общую схему построения частной мобильной сети.
Аудит и радиопланирование
Важный этап, на котором нельзя экономить. Начать стоит с загрузки BIM-модели — например, шахты в профессиональный инструмент планирования: Atoll, Planet или iBwave. На выходе будут тепловые карты покрытия и расчет пропускной способности для каждой зоны. Для шахты особенно важно учитывать минералогию породы: влажный гранит и калийная руда по-разному поглощают радиоволны. Без такого планирования есть риск получить мертвые зоны прямо в самых ответственных выработках.
Выбор частотного диапазона
Это главное преимущество перед Wi-Fi, потому что частоты лицензированы. МТС предоставляет их на основании решения ГКРЧ. Диапазон 800–900 МГц обеспечивает максимальную глубину проникновения в шахту и здания, идеален для IIoT, голоса и телеметрии, но пиковая скорость ограничена 30–50 Мбит/с. Диапазон 1800–2100 МГц — золотая середина, хорошее покрытие и приличная скорость. Диапазон 2600 МГц дает максимальную скорость, необходимую для передачи видео с буровых установок и дронов, но хуже огибает препятствия. Оптимальная стратегия — строить двухдиапазонную сеть: на 900 МГц пустить критичный к доступности трафик (аварийные остановки, позиционирование), на 2600 МГц — видео и большие данные.
Кроме того, совместное использование нижних частот для покрытия, а высоких для скорости позволяет расширить зону высокоскоростного покрытия и снизить общую стоимость решения за счет переноса контрольных каналов и восходящей связи из верхнего диапазона в нижний.
Пилот
На него стоит взять запас в два-три месяца и начать с развертки базовой станции (или одной DAS-системы) и компактного ядра. Важно проверить три вещи:
Как ведет себя хэндовер на движущейся технике. При 15–20 км/ч LTE должен работать безупречно, но лучше убедиться.
Как работает Push-to-Talk (PTT) в условиях перегрузки канала. Голосовая связь должна оставаться приоритетной.
Интеграция с существующей АСУТП предприятия. Поддержка протоколов OPC-UA, Modbus TCP, MQTT.
Пилотный проект позволит выявить все подводные камни до того, как будут потрачены серьезные деньги.
Если результаты пилота принесли ощутимые результаты, то можно распространять его на весь объект целиком и обеспечивать покрытием всю территорию предприятия.
