Atrybuty technologii bezprzewodowych

W trakcie planowania bezprzewodowej sieci przemysłowej należy wziąć pod uwagę pewne najważniejsze atrybuty tej technologii

Ewolucja technologii bezprzewodowych otworzyła drzwi do nowej klasy architektury automatyki zakładowej, która oferuje firmom, które ją wdrażają, poważną przewagę strategiczną. Przemysłową technologię bezprzewodową wprowadza się ze względu na poważne i wymierne oszczędności oraz zmniejszenie nakładów na prace projektowe, instalację i logistykę, a także dramatyczne ulepszenia w częstotliwości i niezawodności zbierania danych terenowych. Specjaliści w dziedzinie automatyzacji i technologii informacyjnej, rozumiejący specyfikę sieci bezprzewodowych, są w stanie wywrzeć poważny, pozytywny wpływ na zyski firm, które korzystają z ich usług.

Niestety, nie istnieje jeszcze taki uniwersalny typ technologii bezprzewodowej, który mógłby rozwiązać wszystkie problemy. Z tego powodu, by można było zmaksymalizować zwrot inwestycji na bezprzewodowe urządzenia sieciowe, trzeba wybrać technologię najlepszą do danego zastosowania.

Atrybuty różnych technologii bezprzewodowych obejmują samą technologię radiową (RF), bezpieczeństwo, wyeliminowanie interferencji, czułość, zarządzanie energią oraz możliwość wprowadzenia technologii bezprzewodowej w istniejących technologiach OEM. Co więcej, może zaistnieć konieczność sprzężenia nowych systemów z systemami już istniejącymi po to, by inwestycje w istniejącą infrastrukturę nie zostały zaprzepaszczone. Ważne może się także okazać, czy dostawca urządzeń radiowych jest zainteresowany wsteczną kompatybilnością swojego asortymentu produktów. Dzięki temu firmy mogą przedłużyć żywotność systemów i zmniejszyć koszty wdrożenia.

Technologia RF
W roku 1985 Federalna Komisja Łączności (Federal Communications Commission – FCC) opublikowała przepisy zezwalające na stosowanie urządzeń radiowych na pasmach przemysłowych, naukowych i medycznych (ISM; 902–928 MHz, 2,4–2,4835 GHz, 5,725–5,85 GHz) przy poziomie mocy do jednego wata bez konieczności posiadania licencji dla użytkowników końcowych. Modemy radiowe stosowane w środowisku przemysłowym zazwyczaj wykorzystują te nielicencjonowane pasma częstotliwości.
Niektóre firmy wykorzystują licencjonowane urządzenia radiowe do licencjonowanych transmisji na stałej częstotliwości na pasmachUHF i VHF. Jako że użytkownicy pasm UHF i VHF muszą wykupić licencję obszarową, by móc używać urządzeń radiowych na danym terenie, wdrażanie takich systemów może okazać się kosztowne. Systemy takie oferują także mniejsze prędkości transmisji (zazwyczaj 9600 kb/s lub mniej), które prawdopodobnie nie spełnią stale rosnących, przemysłowych wymagań dotyczących transmisji danych.

Urządzenia radiowe UHF/VHF mogą używać przy nadawaniu większej mocy, co zwiększa ich zasięg, a ponieważ działają na niższych częstotliwościach, zazwyczaj mają lepsze charakterystyki propagacji. Jednak jedną z wad systemu licencjonowanego jest to, że na danym obszarze może działać tylko jeden system. W związku z tym nie jest możliwe tworzenie sieci zachodzących na siebie i korzystanie z innych możliwości komunikacji, wykorzystujących to samo pasmo komunikacyjne.

Zalety widma rozproszonego
Dwie powszechnie wykorzystywane metody modulacji widma rozproszonego używane w nielicencjonowanych pasmach ISM to przeskok po częstotliwościach w dostępnym widmie (FHSS) i bezpośrednie modulowanie nośnej sekwencją kodową (DSSS). Zamiast nadawać w statycznym segmencie widma, urządzenia FHSS w sposób pseudolosowy zmieniają częstotliwość nośnej, szybko przeskakując podczas przesyłania danych z jednego kanału na drugi. Interferencji zapobiega się poprzez przeskakiwanie z jednej częstotliwości na inną, a każda z nich wywołuje inną interferencję lub ma inną charakterystykę. To umożliwia FHSS dostęp wolny od kolizji dzięki przypisaniu określonego przedziału czasu i częstotliwości na nadawanie.

Metoda przeskoku częstotliwości, w połączeniu z detekcją błędów i automatycznym przesyłaniem próśb o powtórzenie, gwarantuje, że dane przesyłane metodą FHSS zostaną przesłane w sposób niezawodny. Oprócz tego, jako że spodziewane jest, iż będzie występować rywalizacja o dostęp do fal z systemami FHSS, zapobieganie interferencji i zarządzanie nią wbudowano w system. Inne metody modulacji są bardziej podatne na interferencję, ponieważ ich zasada działania jej nie uwzględnia.

Z drugiej strony, w technologii DSSS wąskopasmowy sygnał źródłowy jest mnożony przez pseudolosowy sygnał szumu. Powstały sygnał jest następnie „rozciągany” na szerokim zakresie ciągłych częstotliwości. Dzięki temu transmisja zyskuje nadmiarowość, co umożliwia odbiorcy odzyskanie oryginalnych danych, nawet jeśli ich część ulegnie uszkodzeniu w trakcie transmisji.

Obie technologie widma rozproszonego mają znaczną przewagę nad licencjonowanymi transmisjami radiowymi na stałej częstotliwości. Po pierwsze, użytkownik nie musi posiadać licencji FCC. (Gdy uzyska taką licencję, dotyczy ona tylko jednego obszaru i przyznawana jest na czas określony).

Druga przewaga, jaką ma widmo rozproszone, zwłaszcza FHSS, nad transmisjami na stałej częstotliwości, polega na tym, że transmisje radiowe w widmie rozproszonym są o wiele mniej podatne na interferencję. W środowisku, jakie występuje w zakładzie przemysłowym, maszyny i inne urządzenia generują interferencję w bardzo szerokim spektrum częstotliwości. W związku z tym, gdy na jednej częstotliwości w systemie FHSS występują zakłócenia, dane zostają szybko przesłane innym, wolnym od zakłóceń kanałem. Technika ta zapewnia większy obszar pokrycia, lepsze wykorzystanie kanałów i większą odporność na zakłócenia niż porównywalne systemy bezpośredniego modulowania nośnej.
Technologia FHSS ma także widoczne zalety, jeśli chodzi o bezpieczeństwo, odporność na interferencje, solidność i niezawodność sieci.

Bezpieczeństwo
Systemy FHSS zaprojektowano w czasie II Wojny Światowej, pierwotnie do celów wojskowych. Głównym powodem powstania tych systemów było bezpieczeństwo danych i unikanie interferencji, czego nie mogły zapewnić w sposób niezawodny istniejące wówczas systemy transmisji na stałych częstotliwościach. Technologia FHSS posiada nieodłączne zalety, jeśli chodzi o bezpieczeństwo, odporność na interferencję, solidność i niezawodność sieci.

Podczas gdy urządzenia wykorzystujące metodę FHSS przesyłają wiadomość, częstotliwość komunikacyjna szybkosię zmienia (nawet 1000 razy na sekundę). To zapewnia kolejną warstwę bezpieczeństwa i sprawia, że transmisje bardzo trudno jest wykryć. Dla osób z zewnątrz transmisje wyglądają po prostu jak szum w całym zakresie widma, a na jednej z częstotliwości pojawia się tylko krótki sygnał. Technika ta gwarantuje bezpieczeństwo danych, ponieważ nikt, kto nie zna sekwencji zmiany częstotliwości, nie może podsłuchać komunikatu.

Kolejny poziom bezpieczeństwa zapewnia 128- lub 256-bitowy algorytm Advanced Encryption Standard (AES), wykorzystujący klucz szyfrujący (hasło). Różne wielkości klucza szyfrującego sprawiają, że algorytm zachowuje się nieco inaczej, więc zwiększenie rozmiaru klucza nie tylko zapewnia większą liczbę bitów, z wykorzystaniem których szyfrowane są dane, ale także zwiększa stopień złożoności algorytmu szyfrującego.

FHSS umożliwia także kontynuowanie komunikacji, nawet jeśli zablokowana zostanie pewna liczba częstotliwości w zakresie 26 MHz. Urządzenia przeskakują po prostu na inną częstotliwość, gwarantując możliwość przesyłania danych.
Kolejnym aspektem bezpieczeństwa jest poprawność danych. Jak w istniejącej przewodowej transmisji danych, potwierdzanie w protokole pakietów jest wspomagane kontrolą pod kątem występowania błędów. Kontrola ta ma na celu zagwarantowanie, że dane otrzymane przez odbiornik pracujący w widmie rozproszonym nie zostaną przesłane dalej z bufora, dopóki nie zostanie potwierdzone, że transmisja jest prawidłowa. Gwarantuje to, że to, co odebrano, jest identyczne z tym, co zostało wysłane. W tym celu generowany jest cykliczny kod nadmiarowy (CRC–cyclic redundancy check), który nadaje pakietowi niepowtarzalną sygnaturę cyfrową.

Prawdopodobieństwo wykrycia przypadkowych błędów wzrasta wraz ze wzrostem szerokości sumy kontrolnej CRC. W szczególności 16-bitowa suma kontrolna pozwoli wykryć 99,9985% wszystkich błędów. To o wiele więcej w porównaniu z 99,6094% w przypadku 8-bitowej sumy kontrolnej, ale daleko jeszcze do 99,9999% pewności, jaką zapewnia 32-bitowa suma kontrolna.

Czułość odbioru
Czułość odbioru to ważna cecha, którą należy wziąć pod uwagę. Im czulszy odbiornik, tym słabszy sygnał może on odebrać. Innymi słowy, odległość i ilość przeszkód między nadajnikiem i odbiornikiem mogą być większe.
Jednym z powodów, dla których czułość odbioru może być dla niektórych nie całkiem zrozumiała, jest fakt, że wyraża się ją w jednostkach miary znanych jako decybele (dB). Decybel to jednostka wyrażana w skali logarytmicznej (wykładniczej). Stosunek 10:1 to 10 dB, a 2:1 to 3 dB. 1:1 oznacza 0 dB, podczas gdy stosunek mniejszy niż 1:1 wyrażany jest jako liczba ujemna. Na przykład 1:2 równa się -3 dB.

Ponieważ czułość odbioru mówi nam, jak słaby sygnał może zostać czytelnie odebrany przez radio, im niższy poziom mocy, tym lepiej. Oznacza to, że im większa jest wartość bezwzględna liczby ujemnej, tym większa czułość odbioru. Na przykład czułość wynosząca -110 dBm jest lepsza niż czułość wynosząca -107 dBm o 3 dB, czyli dwukrotnie. Innymi słowy, przy danej prędkości danych odbiornik o czułości wynoszącej -110 dBm może odbierać sygnały o połowę słabsze niż odbiornik o czułości odbioru wynoszącej -107 dBm.

Przy instalacjach o mniejszym zasięgu, pracujących w obiektach przemysłowych, najczęściej zadawane pytanie brzmi: „Czy linia widzenia jest konieczna dla wszystkich połączeń radiowych?”. Odpowiedź często brzmi: „Nie, ale fale radiowe przechodzą przez obiekty, które mają różny stopień własności tłumienia sygnału”.

Obszar, w którym fale radiowe rozchodzą się z anteny, znany jest pod nazwą strefy Fresnela. Podobnie jak na fale wywołane przez kamień wrzucony do wody, na fale radiowe wpływa obecność przeszkód i fale te mogą ulec odbiciu, załamaniu, dyfrakcji lub rozproszeniu, w zależności od właściwości przeszkody i sposobu, w jaki oddziałuje ona na fale radiowe. Często w taki sposób sygnał dociera do odbiornika, gdy brak jest linii widzenia. Jednak w ten sposób sygnał podlega także tłumieniu, i ma to wpływ na to, jak łącze radiowe działa w sytuacji, gdy nie występuje linia widzenia.

Właściwe wykorzystanie anten i możliwość regulowania mocy wyjściowej bardzo pomaga w pokonaniu tych problemów i przesyłaniu komunikatów. Kierunkowe i wielokierunkowe anteny przemysłowe o dużym zysku umożliwiają dalekodystansową komunikację w zatłoczonym zakładzie. Jednocześnie anteny o małym zysku można wykorzystywać, by sygnały radiowe nie błądziły w niepożądanym kierunku lub na zbyt dużą odległość.

Elastyczność protokołów
Przy wielu istniejących sieciach przewodowych użytkownik zmuszony jest wykorzystywać tylko jeden konkretny protokół w danym czasie. Jednak zastosowanie architektury bezprzewodowej sprawia, że kilka protokołów może działać w tej samej warstwie komunikacyjnej, co daje użytkownikowi większą elastyczność.

Wszystkie urządzenia bezprzewodowe muszą współpracować z istniejącymi systemami sterowania, ale przekazywanie informacji do wszystkich tych różnych systemów, które są stosowane, nie jest wcale prostym zadaniem. Sygnał 4-20 mA i zamykanie przełączników są zrozumiałe dla wszystkich; wejścia cyfrowe pozwalają wprowadzać więcej danych po znacznie mniejszych kosztach, ale – ogólnie rzecz biorąc – zwiększają poziom złożoności dowolnego systemu. Sieci Modbus i serwery OPC oferują wyższy poziom akceptacji i interoperacyjności w sytuacji, gdy potrzebny jest przesył dużej ilości danych.

Odporność przemysłowa
Bezprzewodowe urządzenia przeznaczone do wykorzystania w przemyśle powinny się składać z podzespołów przeznaczonych do eksploatacji w środowisku przemysłowym i w związku z tym działać w sposób niezawodny w zakresie temperatur występujących w przemyśle (np. -40° do +75° C). Oprócz tego produkty te są, ogólnie rzecz biorąc, skonstruowane solidniej niż urządzenia powszechnego użytku i działają w sposób niezawodny w warunkach, w których występują wstrząsy i drgania.

Przemysłowe modemy bezprzewodowe zazwyczaj mają jakiś rodzaj certyfikatu UL. Taki certyfikat UL dotyczy zwykle środowisk Klasy 1, Dział 2, co pozwala stosować transmisje radiowe w obecności łatwopalnych lub wybuchowych gazów, płynów albo oparów. Posiadanie tego certyfikatu jest korzystne także dlatego, że firma może stosować jeden typ urządzenia jako standard i wykorzystywać je do wielu zastosowań, niezależnie od środowiska.

Brent E. McAdams jest dyrektorem ds. dużych klientów i zarządzania produktami w firmie FreeWave Technologies.

Założona w roku 1993 i będąca w prywatnych rękach firma FreeWave produkuje m.in. wzmocnione radia licencjonowane i wykorzystujące metodę widma rozproszonego, świadczy także kompleksowe usługi techniczne dla przemysłu naftowo-gazowego, wojska, mediów i innych branż.

CE