Sieci publiczne a systemy dyspozytorskie

Porównanie możliwości propagacyjnych

Od technologii bezprzewodowych wymaga się nieprzerwanej dostępności usług, jednocześnie kładąc nacisk na ich jakość. Ostatnio mieliśmy okazję przekonać się o możliwościach technicznych systemów operatorów publicznych. Operatorzy sieci opartych na technologii GSM, UMTS, CDMA, LTE i 5G oprócz dostarczenia usługi głosowej stanęli przed wyzwaniem dostarczenia usługi transmisji danych o dużych przepływnościach. Zapotrzebowanie na usługi wysokiej jakości, takie jak VoLTE czy komunikacja wideo między użytkownikami, sprawiło, że urządzenia transmisyjne stacji bazowych pracują na granicy wydajności. Duży natłok użytkowników w sieci spowodował z jednej strony ograniczenie jakości usługi, a z drugiej ograniczenie zasięgów radiowych, skutkujące nieraz niemożnością uzyskania dostępu do sieci.

Jednoczesne wykorzystanie przez operatorów publicznych większości dostępnych dla ich technologii kanałów radiowych spowodowało problemy w innych zakresach widma, m.in. w pasmach wykorzystywanych przez prywatne sieci technologiczne i systemy łączności trankingowej. W wyniku uruchomienia wielu kanałów radiowych GSM jednocześnie (w sytuacji normalnego funkcjonowania pracuje tylko ich część) powstały w widmie radiowym intermodulacje z innymi sygnałami, które zakłócały pracę współistniejących systemów łączności. Skutkowało to ograniczeniami zasięgu radiowego, np. w analogowej sieci trankingowej energetyki. W miejscach, gdzie systemy analogowe zastąpiono systemami łączności TETRA, wpływ zakłóceń był znikomy.

Sektor elektroenergetyczny wymaga zapewnienia niezawodnej łączności technologicznej, zarówno głosowej, jak i przeznaczonej na potrzeby telemechaniki i telesterowania. Technologia TETRA zapewnia równe parametry transmisyjne bez względu na obciążenie sieci. W zakresie łączności głosowej komunikaty są zrozumiałe i niezakłócone, a prowadzenie czynności eksploatacyjnych przez ekipy energetyczne odbywa się bez niepotrzebnych opóźnień. Komunikacja w zakresie telesterowania jest na tyle niezawodna, że plasuje sieci technologiczne w kategorii wyższej od sieci publicznych.

Warto w tym miejscu poruszyć temat dostępności sygnału radiowego funkcjonujących w Polsce systemów łączności. Możliwości propagacyjne w systemach łączności radiowej zależą głównie od zakresów częstotliwości, w których one pracują. Wraz ze wzrostem częstotliwości radiowych spada zasięg sygnału użytecznego. Systemy GSM pracujące w zakresach 900 i 1800 MHz umożliwiają prowadzenie łączności pomiędzy stacją bazową a użytkownikiem w odległości zaledwie do kilku kilometrów. Stąd konieczność posadowienia wielu masztów radiowych w bliskiej odległości od siebie, tak aby pokryć jak największy teren zasięgiem usługi. Technologia komórkowa charakteryzuje się więc dużym pokryciem sygnałem radiowym w wielkich aglomeracjach miejskich, a na pozostałym terenie stacje bazowe lokuje się w taki sposób, żeby zapewnić łączność wzdłuż dróg, przy okazji zabezpieczając usługę w terenach wiejskich. Pasmo radiowe z zakresu 400-450 MHz, a więc przeznaczone dla technologii trankingowych, takich jak TETRA, CDMA czy LTE, charakteryzuje się dużym zasięgiem sygnału użytecznego, kilkukrotnie przekraczającym zasięgi sieci GSM. System TETRA energetyki na etapie planowania radiowego tak zaprojektowano, że zasięgi radiowe pozwalające na skuteczne prowadzenie łączności dochodzą miejscami nawet do 30 km, a obszary pokryte sygnałem radiowym obejmują tereny trudno dostępne, zalesione, a nawet górskie – wszędzie tam, gdzie zlokalizowane są kluczowe dla funkcjonowania systemu elektroenergetycznego urządzenia i linie energetyczne. System TETRA zapewnia zdalne sterowanie rozległymi sieciami średniego napięcia, umożliwiając ich konfigurację w sytuacjach awaryjnych, jak i planowanych wyłączeń. Oparte na technologii CDMA i wprowadzane w jej miejsce sieci LTE jednego z publicznych operatorów, z racji propagacyjnie dobrego zakresu częstotliwości, mają zapewnić usługę transmisji danych w terenach mniej zurbanizowanych, gdzie usługa GSM nie jest w pełni dostępna. Ostatnio dużo też mówi się o wykorzystaniu przez sektor elektroenergetyczny sieci opartej na technologii LTE pracującej w zakresie częstotliwości 450 MHz. Duże możliwości transmisji danych kierunkują wykorzystanie systemu LTE 450 m.in. w zakresie zdalnego odczytu liczników energii elektrycznej. Z racji wykorzystania zakresu częstotliwości sprzyjającego dobrej propagacji technologia LTE pokryłaby zasięgiem radiowym większość koncentratorów odczytujących dane z liczników energii zlokalizowanych przy transformatorach SN. Zasadnicza jednak różnica pomiędzy siecią TETRA a LTE w zakresie zasięgów leży w szerokości kanału radiowego, która w przypadku LTE jest znacznie większa. Szerokie widmo zajmowanego kanału radiowego w niesprzyjających warunkach niesie za sobą niebezpieczeństwo występowania intermodulacji i interferencji sygnału,
co ostatecznie może ograniczać zasięg radiowy.

Bezpieczeństwo transmisji w systemach łączności technologicznej jest znacznie wyższe niż w sieciach publicznych, jednak jego zapewnienie wiąże się z kodowaniem transmitowanego sygnału. Wraz ze wzrostem skuteczności kodowania gwałtownie spada użyteczny zasięg radiowy. Fakt ten jest spowodowany błędnymi bitami kontrolnymi, które pojawiają się podczas zwiększania odległości terminala od stacji bazowej. Błędy w odkodowaniu sygnału uniemożliwiają prowadzenie łączności.

Należy również wspomnieć, że moc sygnału nadajnika stacji bazowej zgodnie z wytycznymi Urzędu Komunikacji Elektronicznej nie może przekroczyć 14 dBW, co również skutecznie ogranicza zasięgi radiowe wszelkich systemów łączności. Ograniczenie mocy promieniowanej stacji bazowych systemów trankingowych wprowadzono w trosce o odbiorców naziemnych sygnałów radia i telewizji, którym ustawa Prawo Telekomunikacyjne gwarantuje niezakłócony ich odbiór. Zasięgi radiowe systemów łączności w dużej mierze zależą także od rodzaju użytkowanych terminali. Inny będzie zasięg dla terminali noszonych, inny dla terminali przewoźnych, które dysponują większym zakresem mocy nadawczej, a jeszcze inny dla terminali stacjonarnych, których anteny nadawcze można zwizować z antenami stacji bazowych. Na etapie projektowania sieci radiowych określa się przy pomocy statystyki tzw. procent czasu i miejsca występowania łączności na danym obszarze i na tej podstawie można oszacować maksymalne zasięgi radiowe tych stacji, czyli bezproblemowe nawiązanie łączności przez określony typ terminala w konkretnym miejscu i czasie. Najmniejszym zasięgiem użytecznym charakteryzują się terminale noszone. Ze względu na małą moc i małą wysokość wzniesienia anteny nad poziom terenu, nie przekraczającą 1,5 m, bezpośrednie nawiązanie łączności radiowej ze stacją bazową jest możliwe w odległości do 3 km. Terminale te mogą jednak łączyć się za pośrednictwem przemienników radiowych, które konfigurowane są z terminali przewoźnych. Takie sytuacje często zachodzą podczas prac prowadzonych przez ekipy pogotowia energetycznego; monterzy łączą się z dyspozytorem z terminala ręcznego, wykorzystując przemiennik radiowy zainstalowany w samochodzie. Urządzenia abonenckie montowane w pojazdach mają możliwość nadawania z mocą sześciokrotnie większą od tej zadysponowanej w terminalach noszonych. To oczywiście znacznie zwiększa zasięg prowadzonej łączności. Należy nadmienić, że zasięg dla pojazdów podczas postoju będzie większy niż dla pojazdów w ruchu. Najbardziej jednak efektywnym przypadkiem prowadzenia łączności w systemach radiowych jest wykorzystanie terminali stacjonarnych. W energetyce z takich urządzeń korzystają wszyscy dyspozytorzy, niektóre GPZ-y i posterunki energetyczne. Jednak terminale stałe to przede wszystkim te, które sterują łącznikami na liniach SN – konfigurowanie sieci średnich napięć wykonywane przez dyspozytorów przy użyciu sieci łączności radiowej TETRA stosowane jest z dużym powodzeniem już od kilku lat.

W tym miejscu należy wspomnieć o zasięgach radiowych technologii komunikacji bezprzewodowej wykorzystywanych w sieciach publicznych. W przeciwieństwie do radiowych sieci technologicznych i prywatnych, na zasięg radiowy w sieciach operatorów publicznych należy patrzeć w aspekcie jakości dostarczanej usługi. Projekty propagacyjne dla usług GSM przewidują prawie 95-procentowe pokrycie obszaru Polski sygnałem radiowym. Dostępność sygnału (logowanie do sieci) nie jest jednak jednoznaczna z dostępnością usługi. Na przełomie 2015 i 2016 roku Urząd Komunikacji Elektronicznej sporządził ,,Raport z badania jakości usług sieci ruchomych’’, w którym głównym mierzonym parametrem jakościowym była prędkość transmisji danych. Z raportu wynika, że dostępność sygnału popularnych technologii EDGE i GPRS rzeczywiście przekraczała 90 proc. powierzchni kraju, jednak transmisja danych w tej technologii była znacznie ograniczona. W instalacjach 3G bazujących na technologii UMTS i paśmie 800 MHz zasięg radiowy w terenie był porównywalny z 2G, jednak wewnątrz budynków usługa nie była dostępna w takim samym stopniu; czas i skuteczność nawiązywania połączeń oraz liczba zerwań nawiązanych połączeń powodowała ograniczenie dostępności usługi o około 20 proc. w stosunku do usługi na zewnątrz budynków. Natomiast zasięg technologii UMTS opartej na paśmie 2.1 GHz obejmował około 60 proc. powierzchni kraju, z podobnym stosunkiem jakości usługi na zewnątrz/wewnątrz budynków. Usługa oparta na technologii LTE, a więc w sieciach GSM 4G, obejmuje ponad 70 proc. powierzchni kraju, jednak dostępność szybkiej transmisji danych (LTE Advanced) jest gwarantowana tylko na 15 proc. obszaru kraju, głównie w dużych aglomeracjach. Jeżeli chodzi o sieci 5G, to teraz usługa ta dostępna jest w dużych miastach. Operatorzy oznaczają usługę 5G jako „5G READY”, co oznacza możliwość natychmiastowej wymiany w stacjach bazowych modułów LTE na moduły 5G, z jednoczesną wymianą systemów antenowych. Jest więc to teoretyczny zasięg wynikający z projektów radiowych.

Powyższe dane to oczywiście uśrednione wyniki pomiarów, bez rozdziału na operatorów. Zasięgi radiowe poszczególnych operatorów publicznych różnią się między sobą nawet o 20-30 proc., a różnice te wynikają z dostępności posiadanego pasma radiowego. Dla przykładu Polkomtel ma dwa razy więcej klasycznego pasma GSM od pozostałych operatorów, a Orange dysponuje półtorakrotnie większą pulą częstotliwości dla technologii LTE.

Powróćmy jednak do sieci prywatnych. Sieć trankingowa sektora energetycznego dysponuje pulą ponad sześćdziesięciu dupleksowych kanałów radiowych przeznaczonych dla standardu TETRA. Projektowanie radiowe dla tej sieci i rozdział częstotliwości dla wszystkich OSD sporządzono w latach 2014-2017. Wykonano bazowe projekty propagacyjne dla wszystkich OSD z zasięgiem radiowym w przedziale 78-90 proc. czasu i miejsca występowania sygnału radiowego. Planowanie radiowe potwierdzono podczas uruchamiania sieci na terenie spółek Tauron Dystrybucja i Energa-Operator. Obecnie zasięg radiowy na obszarze działania uruchomionych sieci TETRA pozwala na sterowanie siecią energetyczną 15 kV oraz na eksploatację sieci i urządzeń energetycznych we wszystkich obiektach oraz wzdłuż linii w obszarze świadczenia usługi dla odbiorców energii elektrycznej. W przeciwieństwie do sieci publicznych, sieć trankingowa sektora energetycznego jest odporna na natłok zdarzeń, połączenia zestawiane są natychmiast, jakość transmitowanych komunikatów jest zawsze czytelna. Od pewności działania sieci łączności zależy bezpieczeństwo ludzi pracujących przy utrzymaniu systemu energetycznego oraz pewność dostaw energii elektrycznej. W energetyce, wraz z rozwojem technologii, rodzi się zapotrzebowanie na usługi szybkiej transmisji danych. Dużo mówi się ostatnio o wykorzystaniu technologii LTE dla zaspokojenia potrzeb energetyki, jednak dostępność takiej usługi i pokrycie sygnałem radiowym kraju stoi pod znakiem zapytania z racji dostępności pasma radiowego, którego uwalnianie regulator przewidział w okresie kilkuletnim. Należy przypatrzeć się uważnie rozwojowi sieci 5G, która ma możliwość zrewolucjonizowania nie tylko energetyki, ale i całego przemysłu. Naturalną koleją rzeczy wydaje się migracja sieci 4G (LTE) do technologii 5G. Należy się spodziewać, że w kolejnej fazie tej migracji zasięg 5G obejmie 35 proc. powierzchni kraju, a w niedługim czasie całe jego terytorium.

Należy zwrócić również uwagę na fakt, że przy ograniczonym widmie radiowym, stosowanie nowoczesnych technik łączności o dużych przepływnościach wymaga rozsądnego planowania radiowego już na etapie tworzenia koncepcji sieci radiowych, a konieczność dbałości o kompatybilność elektromagnetyczną współistniejących w eterze systemów to podstawowy wymóg funkcjonowania współczesnych sieci radiowych. Kompatybilność elektromagnetyczna jest zatem kluczowa dla prawidłowego funkcjonowania i współistnienia wszystkich systemów wykorzystujących widmo radiowe.

Czytaj dalej