Pētījuma nosaukums: Elektromagnētiskās savietojamības testēšanas sistēmas izpēte un izstrāde, frekvenču diapazonā 1MHz-6GHz lietu interneta (IoT) testēšanai

Pētījuma īstenotājs: LEITC SIA

Pētījuma mērķis: 

1. Pētījuma gaitā tiks izstrādāta elektromagnētiskā lauka traucējumnoturības testēšanas sistēma, frekvenču diapazonā 1GHz-6GHz. Šī sistēma paaugstinās jau esošās starptautiski akreditētās sistēmas darba frekvenci un jaudu, izpildot Eiropas standarta prasības attiecībā uz traucējumu noturības testēšanu EN61000-4-3. Šādu sistēmu iegāde un uzstādīšana ir nesamērīgi dārga, jo ietver gan esošās situācijas izpēti, gan sistēmas personalizētu izstrādi no ražotāja puses, kas ir ekonomiski neizdevīga SIA LEITC. Tā rezultātā SIA LEITC iegūst tikai testēšanas sistēmu. Netiek iegūti priekšizpētes un pētījumu rezultāti, kas ir vitāli svarīga informācija tālākai sistēmas optimizēšanai un uzlabošanai, mainoties starptautiskajiem standartiem. Netiek iegūta detalizēta informācija par sistēmas uzbūvi, komponenšu izvēli un to kritiskajiem parametriem, kas ir būtiska, ekspluatācijas laikā veicot apkopi un remontu. Netiek iegūta informācija par sistēmas iekārtu savstarpējo komunikāciju algoritmiem, kas ir vitāli nepieciešama, lai uzlabotu sistēmas darbību, palielinātu mērījumu nenoteiktību un kalibrētu lauka vienmērīgumu. Testēšanas sistēmas mērķis ir veikt akreditētu testēšanu saskaņā ar starptautisko standartu EN61000-4-3, nodrošinot elektromagnētisko lauku >10V/m ar amplitūdas modulāciju 1kHz, 80%. Sistēmu plānots integrēt SIA LEITC ekranētajā bezatbalss kamerā.

2. Lietu interneta pilnvērtīgai testēšanai ir vitāli nepieciešams nodrošināt komunikāciju starp ekranētu bezatbalss kameru un ārējo vidi frekvenču diapazonā 1MHz-6GHz. Projekta gaitā tiks izstrādāta komunikāciju sistēma, nodrošinot komunikācijas iespējas starp testējamajām iekārtām ekranētajā bezatbals kamerā un telekomunikāciju iekārtām ārpus ekranētās bezatbalss kameras:

• LTE FDD and TDD (4G);
• WCDMA / HSPA / HSPA+ (3G);
• GSM (2G);
• Wireless LAN 802.11 a/b/g/n 2.4 GHz and 5 GHz;
• GPS.

3. Pilnvērtīgai lietu interneta (IoT) testēšanai nepieciešams arī fizisks savienojums ar ārējo vidi. Testēšanas sistēmai paredzēts izstrādāt elektromagnētisko lauku filtrējošu komunikāciju savienojumus starp ekranēto bezatbalss kameru un ārējo vidi:

• lielas jaudas līdzstrāvas pieslēguma filtrs >200A;
• ūdensvada pieslēguma filtrs 1”;
• gaisa pievades filtrs no kompresora 8 mm;
• nestandarta komunikāciju pievade 60 mm.

Trīs izstrādātās sistēmas dos iespēju testēt pilnībā funkcionālas un savienotas ar apkārtējo vidi lietu interneta (IoT) testējamās iekārtas attiecībā uz traucējumu noturību pret elektromagnētisko lauku frekvenču diapazonā 1GHz-6GHz saskaņā ar EN61000-4-3.

Pētījuma rezultāti:

Pētījuma pirmās un otrās aktivitātes laikā (2019.04.-2020.03.) tika izstrādāta “Traucējumu noturības testēšanas sistēma 1-6GHz”, kas ir iekārtu kopums, kura darbināšanai ir izstrādātas virkne procedūru. Lai sasniegtu standarta IEC 61000-4-3 v3 prasības, tika iegādāta virkne aprīkojuma – lauka zonde EP-600, logperiodiskā antena MAX-9, jaudas pastiprinātājs FLG-50F, jaudas mērītājs PMS1048. Testēšanas sistēma tika integrēta LEITC testēšanas kompleksā. Testēšanas sistēma tika pārbaudīta atbilstoši IEC 61000-4-3 v3 prasībām, veicot lauka vienmērīguma kalibrēšanu nodrošinot 10V/m frekvenču diapazonā 1GHz-6GHz. Papildus tika izstrādāts arī optimizēts testēšanas sistēmas komponenšu novietojums, lai sasniegtu 30V/m lielu elektromagnētisko lauku (mainot vien komponenšu novietojumu, ir iespējams iegūt būtiski lielāku elektromagnētisko lauku). LEITC ir sekmīgi veicis testēšanas sistēmas salīdzinošos mērījumus ar MiCom testēšanas laboratoriju ASV un RRT testēšanas laboratoriju Lietuvā un akreditējis traucējumnoturības testēšanas procedūru 1GHz-6GHz atbilstoši ISO 17025 prasībām, iekļaujot to akreditācijas sfērā. Pašlaik izstrādātā testēšanas sistēma tiek regulāri lietota ikdienā, papildinot sniegto pakalpojumu spektru.

Pētījuma trešās aktivitātes laikā (2020.04.-2020.09.) tika izstrādāta “Bezvadu komunikāciju sistēma lietu interneta testēšanai 1MHz-6GHz diapazonā, nodrošinot Wireless LAN 2.4 GHz un 5GHz, GPS”. Izstrādātais GSNS modulis nodrošina ekranētā bezatbalss kamerā GPS satelītu signālus, kuri ir pieejami ārpus ekranētās bezatbalss kameras, šādā veidā nodrošinot statisku objektu pozicionēšanu. Papildus uz “Hack RF one” un GNU Radio Companion bāzes ir izstrādāta iekārta GSNS signālu reģistrēšanai. Šādā veidā ir iespējams ierakstīt un saglabāt noteikta maršruta GSNS satelītu signālus un vēlāk šos signālus ģenerēt ekranētā bezatbalss kamerā, nodrošinot testējamajam objektam “virtuālu” pārvietošanos noteiktā maršrutā. Papildus, izmantojot SatGen programmatūras rīku, ir iespējams aprēķināt pārvietošanās koordinātes noteiktā maršrutā un laikā, sagatavojot GSNS signālu failu. Izmantojot sagatavoto datu kopu ar “Hack RF one” un GNU Radio Companion, ir iespējams ekranētā bezatbalss kamerā nodrošināt “virtuālu” testējamā objekta pārvietošanos jebkurā maršrutā izvēloties ātruma un paātrinājuma parametrus. Izstrādātie GSNS risinājumi ir būtiski lētāki, nekā tirgū pieejamie risinājumi. GSNS modulis (stacionāru koordināšu nodrošināšanai) ir vienkārši lietojams un uzticams darbībā. Būtiskākais trūkums dinamiska maršruta GSNS signālu nodrošināšanai ir laikietilpīgs process un kvalificēta personāla nepieciešamība.

WLAN 2.4GHz un 5GHz nodrošināšanai izstrādātais risinājums uz Groov52 bāzes nodrošina bezvadu komunikācijas kanālu ar testējamo iekārtu ekranētā bezatbalss bezatbalss kā emitēto traucējumu mērījumu laikā, tā traucējumnoturības pārbaužu laikā. Ēterā emitēto traucējumu mērīšanas laikā analizatora mērījumu traktam tiek pievienoti joslu filtri atbilstoši WLAN 2.4GHz un 5GHz frekvenču diapazonam. Šādā veidā mērījuma rezultātos neatspoguļojas komunikācijas kanāls un neietekmē analizatora ieejas kaskādes darbību. Šādam risinājumam ir vienkāršota lietošana, zemas izmaksas un uzticama darbība. Papildus, lietojot Groove52 ražotāja programmatūras rīku Winbox, ir iespējams uzraudzīt komunikācijas kanālu un nodrošināto datu apmaiņas ātrumu. WLAN nodrošināšana ir rutīnas procedūra LEITC darbā.

Pētījuma ceturtās aktivitātes laikā (2020.10.-2021.03.) tika izstrādāta “Bezvadu komunikācijas sistēma lietu interneta testēšanai 1MHz-6GHz diapazonā, nodrošinot LTE (4G), WCDMA (3G), GSM (2G)”. Izstrādātos risinājumus var iedalīt trijās kategorijās:

• pasīvie risinājumi ar joslu filtriem, nodrošinot komunikācijas kanālu ar viļņvadu (iespējams arī bezvadu komunikācijas kanāls);
• komunikāciju testēšanas iekārtas CMW290 pielietošana, nodrošinot LTE iekārtu testēšanu ar bezvadu komunikācijas kanālu vai komunikācijas kanālu, kuru nodrošina viļņvads;
• telekomunikāciju operatora LMT piedāvātās iespējas, izvietojot bāzes staciju vai “repīterus” LEITC telpās.

Pētījuma pēdējās aktivitātes laikā (2021.04.-2021.11.) “Inženierkomunikāciju filtra izstrāde” tika izstrādāts inženierkomunikāciju panelis, kurš nodrošina IoT fizisku savienošanu ar ārējo vidi testēšanas laikā. Lielas jaudas līdzstrāvas pieslēguma filtrs >200A nodrošina pieslēgumu kā zemsprieguma līdzstrāvas baterijām/akumulatoriem, 380V sprieguma slodzēm, kuras testēšanas laikā tiek novietotas ārpus ekranētās bezatbalss kameras. Pētījumu laikā ir izstrādāti vairāki filtru prototipi. Izstrādātie prototipi ir salīdzināti ar tirgū pieejamajiem. Lai gan, veicot filtru ienestā vājinājuma mērījumus ar vektoru ķēžu analizatoru, būtiski augstāku vājinājumu uzrāda tirgū pieejamie filtri, taču visi filtri (ieskaitot izstrādātos prototipus) nodrošina praktiski vienlīdz labus rezultātus, ja tie ir instalēti ekranētā bezatbalss kamerā. Ekranētā bezatbalss kamera tiek pasargāta no ārējas vides elektromagnētiskajiem traucējumiem – kā ēterā emitētajiem, tā vadāmības traucējumiem.

LAN Ethernet tīkla izveidei ekranētā bezatbalss kamerā tika izmantotas tirgū pieejamās komponentes, analizēti to trūkumi un priekšrocības. Praktiski niecīga daļa no tirgū pieejamās produkcijas ir praktiski pielietojama ekranētas bezatbalss kameras aprīkošanai. Pētījumu laikā tika izvēlēti Harting RJ-45 risinajumi, kuri ir piemēroti CAT7 kabeļiem. Kā viens no nozīmīgākajiem pētījuma rezultātiem ir milzīgs eksperimentu un mērījumu apjoms, kurš apgāž mītu: “Ekranēti kabeļi nodrošina pietiekamu aizsardzību no elektromagnētiskā lauka un ir universāls risinājums ekranētai bezatbalss kamerai”. Papildus tika instalēts FMOD-12 LAN filtrs, kurš nodrošina 1Gb datu pārraidi. Visi instalētie risinājumi nodrošina vismaz 1Gb datu pārradi un ir izmantojami ikdienā, nodrošinot pietiekamu ekranētās bezatbalss kameras aizsardzību pret apkārtējā vidē esošajiem traucējumiem.

Lai nodrošinātu ūdensvada pieslēgumu 1” un gaisa pievadi no kompresora ar 8mm caurulēm, ir izveidotas papildus atveres inženierkomunikāciju panelī. Izstrādātajiem risinājumiem ir veikti mērījumi, kuri apliecina, ka elektromagnētiskie traucējumi no ārējās vides nenokļūst ekranētā bezatbalss kamerā.