“Заплывем за буи” по волнам Wi-Fi: кейс применения нашего промышленного Wi-Fi

Привет Хабр! В комментариях к одному из предыдущих постов нас просили поделиться реальными кейсами применения промышленного Wi-Fi. В этой статье расскажем о подходе к построению системы, которую мы реализовали на нефтеналивном терминале для организации связи берег — буи — грузовой корабль

Вводные

Заказчик: одна из больших и известных нефтяных компаний.
Место действия: побережье, припортовая инфраструктура.
Задача: обеспечить связь порта с оборудованием на буях и швартующимися суднами. Если точнее, Заказчик хочет при погрузке нефти иметь максимум информации о процессе.
Дополнительное требование к системе связи – не дорогая, надежная и позволяющая реализовывать различные сценарии и расширения.

Как организована погрузка нефти и причем здесь буи?

Для погрузки нефти грузовой корабль швартуется не к берегу, а к заякоренному плавучему бую, который расположен в 2-8 км от берега. От берега к бую тянутся гибкие трубы, а корабль с буем связывают гибкие шланги для нефтепродуктов. Дополнительно корабль по ветру оттягивает буксир.
При заправке могут возникать сложности, которые влияют на связь с берегом: корабль, стоящий по ветру, может закрыть собой системы связи буя от прямой видимости антенн на берегу или на соседних буях.
Налив нефтепродуктов управляется промышленным контроллером, который обменивается трафиком <1 Мбит/c с береговой инфраструктурой. А также на брег подаются данные о состоянии энергоустановки буя, его системы экстренной связи и корабельной аппаратуры <5 Мбит/c.
Кратковременные задержки в 0,5-1 с допускаются, т.к. у систем имеется возможность выполнять запросы с пере повтором.
Буи полностью автономны по питанию и используют солнечные панели, ветрогенератор и комплект батарей. Это накладывает ограничение по доступной мощности для оборудования связи ~30-40 Вт.
Намеренно не даем больше деталей, чтобы не выдать Заказчика, уж простите.

Рис. 1 - Общая схема погрузки

Рис. 2 - Подключение корабля к бую

Рис. 3 - Буй с ветрогенераторами и солнечными панелями

Рис. 4 - Оттяжка корабля буксиром

Таким образом стоит задача гибко простраивать связь с берегом через соседние буи или напрямую на расстояние 2-8 км.

Дополнительные пожелания по связи

• Скорости передачи до 5 Мбит/c, но в идеале Заказчику хотелось бы получить 50-100Мбит/c с учетом развития и введения в эксплуатацию системы искусственного интеллекта контроля процесса швартовки и налива в будущем.
• Возможность организовать проброску VLAN.
• Возможность брать время с NTP сервера.
• Резервирование радиоканала.
• AES шифрование в радиоканале, чтобы успокоить безопасников.
• Готовая система мониторинга радиомодулей.
• Бесшовные переключения при ухудшении радиоусловий. Нулевая потеря пакетов при переключении. Переключение не более 500 мс.
• Минимальное энергопотребление. Заказчик не хочет даже слушать о дополнительном маршрутизаторе на буе, т.к. энергозатратно.
• Работа и в 5 ГГц (основной) и в 2.4 ГГц (дополнительный, возможна реализация на другой линейке оборудования).
• Резервный канал Ethernet c использованием УКВ радиомодемов.
• Хоть какая-то защита от РЭБ.

Возможные решения

Мы предложили три варианта архитектуры 2.4 ГГц/5ГГц.

MESH-сеть

Первый вариант самый беспроблемный с точки зрения организации связности и разнообразия условий подключения. Но у технологии есть недостаток. При запуске системы организуются линки с лучшими радиоусловиями, которые потом перестраиваются крайне “неохотно” - держатся до последнего. Есть потери пакетов и невозможно получить 50-100 Мбит/с.

Рис. 5 – MESH-сеть

Беспроводной удлинитель (Extender)

Проброска линка до одного из буев, а уже от него раздача на соседние буи. Такая схема дает максимальные скорости передачи, но имеет недостаток – при перекрытии буя Extender (радио удлинителя) происходит потеря связи с остальными буями c последующим переключением на резервные каналы, а так же выключением из работы самого Extender, что не желательно. Хотя при этом остальные буи сохраняют связность с использованием технологии v2v и организуют свой линк к берегу обособленно, скорости начинают проседать.

Рис. 6 – Беспроводной удлиннитель

Берег и подвижные буи

В этом случае радиооборудование в море использует технологии v2v (связь между подвижными объектами) и прямой линк к берегу для организации своего подключения. Опасность представляет только ситуация, когда у всех буев будет перекрыта связь с берегом. Скорости при таком соединении при перекрытиях местами проседают, но этот вариант оказался довольно динамичен и устойчив.

Рис. 7 – Связь между берегом и буями, а так же между буями напраямую

Резервирование

При реализации резервирования предложено использовалось две базовых станции на берегу. При этом существует два варианта: одночастотный и двухчастотный. Одночастный режим реализации резервирования диктует уменьшение уровня сигнала от одной береговой базовой станции на 3-6 дБ. В случае двухчастного режима система связи позволяет задать основную частоту работы, мощности менять не нужно.

Рис. 8 – Резервирование комплектов береговых базовых станций

Реализация

После демонстрации работы оборудования в разных сценариях в лаборатории Заказчик выбрал вариант "Берег и подвижные буи" и попросил сделать одночастотное резервирование. На нашем оборудовании он обеспечивает:
• запрашиваемые скорости связи;
• поддержку VLAN транков;
• требуемую передачу времени с NTP сервера;
• резервирование радиоканала одночастотное и двухчастотное;
• программный AES128 и AES256 на выбор;
• своя система мониторинга есть как для SNMP, так и по L2;
• быстрое переключение с нулевой потерей пакетов;
• резервный канал УКВ — мы нашли УКВ радиомодем российского производителя со скоростями до 32 кбит/c.
По защите от РЭБ предложили DFS (процесс обнаружения радиолокационных сигналов, которые должны быть защищены от помех со стороны радиомодулей 5 ГГц/2.4 ГГц ) и адаптивную подстройку уровня шума в системе.
Из первоначальных пожеланий пока не реализовано:

• к сожалению, на текущей линейке оборудования только один порт 1 GEth, но в планах реализовать больше портов;

• сейчас наше оборудование работает на 5 ГГц, но ведется разработка линейки с поддержкой сразу обоих диапазонов с гибкой настройкой сценариев работы.

Что по АФУ (антенно-фидерным устройствам)?

Рис. 9 – Антенна 5,8 ГГц MIMO 2x2, 2x13dbi, всенаправленная Wi-Fi, N-type

Рис. 10 – Антенна 5,8 ГГц MIMO 2x2, 2x30dbi, параболическая Wi-Fi, N-type

Рис. 11 – Антенна 5,8 ГГц MIMO 2x2, 2x20dbi, панельная Wi-Fi, N-type

Для буев были выбраны MIMO 2x2 омни антенны с коэффициентом усиления 13 dBi и узкой диаграммой 6-8 градусов в вертикальной плоскости.
На берегу хотели поставить панельную секторную антенну. Но после некоторых дискуссий решили использовать офсетную антенну MIMO 2x2 c коэффициентом усиления >19dBi. Все-таки на расстояниях 2-8 км и осадками на побережье так будет надежнее для линка с качающимися буями.
Заказчик неоднократно просил при реализации все загерметизировать как следует, т.к. соль и влага делают свое дело. До нас уже пострадал не один комплект оборудования от других производителей. Проблема решилась помещением устройств в дополнительный бокс IP67 нашей разработки и производства.

А что с покрытием?

Как видно на картинке, расчеты покрытия для Wi-Fi канала 20/40/80 МГц и мощности 1Вт с джамперами 3м вполне приемлемые. На буе возможно использование кабелей 5-7 метров, но это не так критично. Не забываем, что заказчику достаточно <5Мбит. А по факту еще меньше - вся телеметрия прекрасно работает и на 32 Кбит/c УКВ радиомодема.

Рис. 12 – Зона покрытия акватории

Что дальше?

Дальше планируем провести совместные испытания предложенной заказчику системы связи и показать ее работоспособность и перспективность непосредственно на объекте.
Надеемся, что чайки, соленая вода, влажность и солнечные ванны наше оборудование переживет с достоинством, да и мы во время тестов с удовольствием примем солнечные ванны и перейдем к водным процедурам. А вы что думаете?