Методы и технологии организации беспроводных информационных связей. Проблемы организации беспроводной среды передачи данных в условиях промышленных объектов.

Bluetooth:

В настоящее время существует три широко распространенных стандарта на беспроводные сети: Bluethooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4) и Wi-Fi (IEEE 802.11). Оборудование для этих сетей не требует получения лицензии (что во многих случаях наиболее важно), хотя и требует регистрации.

Bluetooth был спроектирован на базе стандарта IEEE 802.15.1 специально для замены кабеля при соединении различных устройств офисной и бытовой техники с использованием частотного ISM диапазона 2,4 ГГц. \). В системах автоматизации Bluetooth удобен для записи программ в ПЛК, дистанционного считывания показателей с накопителей информации. Он организован в виде "пикосетей" (piconet), в которых одно ведущее устройство осуществляет взаимодействие не более чем с семью ведомыми. Ведомые устройства могут взаимодействовать друг с другом только через ведущее. Каждое устройство может быть членом четырех пикосетей одновременно, но главным может быть только в одной из них. Такое устройство выполняет роль моста между пикосетями. Несколько взаимодействующих пикосетей образуют так называемую scatternet ("разбросанную сеть").

Трафик в сети организован с временным разделением каналов и дуплексной передачей. Временное разделение осуществляется интервалами (временными слотами) длиной в 625 мкс. Ведущие устройства могут начинать передачу только в течение интервалов с нечетными номерами, ведомые отвечать в течение четных интервалов. В течение каждого интервала можно передать 366 бит.

В Bluetooth используется широкополосная модуляция типа FHSS. Переход с одной частоты на другую выполняется по случайному закону, который устанавливается для каждого соединения индивидуально. Это повышает степень защиты информации. Несущая частота изменяется 1600 раз в секунду. Скорость передачи равна 433,9 Кбит/с.

Если пикосети расположены близко одна от другой, то они могут влиять друг на друга, поскольку между ними нет никакой синхронизации. Чтобы уменьшить вероятность взаимовлияния, используется адаптивный метод скачкообразного изменения частоты AFH.

На канальном уровне используются два типа пакетов данных: ACL (Asynchronous ConnectionLess - "асинхронный без прямого соединения каналов") и SCO (synchronous connection-oriented - "синхронный с прямым соединением"). ACL-пакеты используются совместно с проверкой контрольной суммы (CRC). Если контрольные суммы приемника и передатчика не совпадают, запрашивается повторная передача пакета. Используется шесть разных ACL пакетов, охватывающих разное количество временных слотов. ACL пакеты используются в том случае, когда целостность данных важнее скорости их доставки.

Пакеты SCO поддерживают трафик реального времени путем резервирования временных слотов. Повторная передача здесь не допускается, хотя имеется "расширенный" вариант SCO, в котором допускается ограниченное количество повторных передач. Существует три типа SCO пакетов одинаковой длины (HV3, HV2, HV1), по 366 мкс, которые позволяют передавать данные со скоростью 64 кбит/с.

Каждое Bluetooth устройство имеет 48-битовый адрес.

Большинство Bluetooth устройств имеют мощность передатчика 1 мВт, однако разрешен следующий ряд мощностей, делящий все устройства на три класса:

• класс 1 - до 100 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 100 м);
• класс 2 - до 2,5 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 15 м);
• класс 3 - до 1 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 5 м).

Можно назвать следующие достоинства технологии Bluetooth: малые размеры оборудования, простота использования, безопасность передачи информации (благодаря аутентификации и кодированию), хорошая поддержка стандартов. К недостатком можно отнести относительно большое потребление энергии и невозможность построения сетей сложной конфигурации.

Эти особенности связаны с тем, что Bluetooth решает проблему замены кабелей для устройств, подключаемых к компьютеру, а не проблему создания беспроводной LAN.

Zigbee и IEEE 802.15.4:

Стандарт IEEE 802.15.4 [IEEE ] является самым новым в серии беспроводных. Основной областью применения ZigBee/IEEE 802.15.4 является передача информации от движущихся и вращающихся частей механизмов (конвейеров, роботов), промышленные системы управления и мониторинга, беспроводные сети датчиков, отслеживание маршрутов движения и местоположения имущества и инвентаря, "интеллектуальное" сельское хозяйство, системы охраны.

В отличие от других беспроводных технологий, где ставится задача обеспечить высокую скорость передачи, большую дальность или высокое качество обслуживания, ZigBee/IEEE 802.15.4 создавался изначально по критериям малой дальности действия, низкой цены, низкой потребляемой мощности, низкой скорости передачи и малых габаритов. Эти свойства идеально соответствуют требованиям к большинству промышленных датчиков. Поэтому ZigBee часто отождествляют с промышленными беспроводными сенсорными сетями WSN (Wireless Sensor Network). Устройства ZigBee используются в применениях, где Bluetooth оказывается слишком дорогим, и не требуется высокая скорость передачи.

ZigBee, как и Bluetooth, использует нелицензируемый диапазон 2,4 ГГц. Стандарт предусматривает также использование частот 868 МГц в Европе и 915 МГц в США. Максимальная скорость передачи составляет 250 кбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц разделен на 11...26 каналов шириной по 5 МГц каждый.

Несмотря на то, что вся идеология стандарта IEEE 802.15.4 построена в предположении, что типовая связь будет осуществляться на расстоянии около 10 м, стандарт не устанавливает требований к мощности передатчика. Этот параметр регулируется нормативными документами в области радиосвязи, специфическими для каждого государства. Наибольшее распространение на рынке имеют передатчики с мощностью 1 мВт, которые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до 80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность связи можно увеличить применением антенн специальной конструкции.

Модель OSI включает в себя физический уровень (PHY), канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи MAC и LLC, которые определяются стандартом IEEE 802.15.4, а также сетевой уровень NWK (NetWorK) и уровень приложений APL, состоящий из подуровня поддержки приложений (APplication Support sub-layer  - APS), подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee Device Object - ZDO) и объектов Application Objects, определяемых изготовителем ZigBee-устройств.

Подуровень MAC управляет доступом к радиоканалу, используя метод CSMA/CA. Он также отвечает за передачу маячковых фреймов, синхронизацию и обеспечение надежных методов передачи информации. Подуровень SSCS (Service Specific Convergence Sublayer - "подуровень сближения специфических сервисов") выполняет роль интерфейса между подуровнями LLC и MAC. Подуровень LLC  выполняет связь сетевого уровня с уровнем MAC.

Уровень NWK использует методы, обеспечивающие:

• регистрацию в сети нового устройства и исключение его из сети;
• обеспечение безопасности при передаче фреймов;
• указание маршрута фрейма к месту назначения;
• прокладку маршрутов между устройствами в сети;
• обнаружение в сети ближайших соседей;
• запоминание необходимой информации о соседних узлах.

В ZigBee имеются три типа устройств:

• координатор - формирует топологию сети и может устанавливать мосты в с другими сетями. В каждой ZigBee сети имеется только один координатор;
• маршрутизатор - работает как промежуточное звено, передавая в нужном направлении данные от других устройств;
• конечное устройство - передает данные координатору или маршрутизатору  и не может связываться с аналогичными ему устройствами.

Уровень NWK координатора отвечает за организацию новой сети, когда это нужно и назначение адресов новым устройствам, подключаемым к сети.

Подуровень APS уровня приложений обеспечивает:

• обслуживание таблиц для связывания устройств сети на основе информации о необходимости и возможности связывания;
• передачу сообщений между связанными устройствами;
• определение группового адреса устройств, удаление и фильтрацию сообщений с групповыми адресами;
• отображение 64-битного адреса в 16-битный;
• фрагментацию, перекомпоновку и транспортировку данных.

Подуровень ZDO обеспечивает:

• определение роли устройств в сети (координатор, маршрутизатор или оконечное устройство);
• инициирование или ответ на запрос соединения;
• защиту информации;
• обнаружение устройств в сети и определение, какой сервис они предоставляют.

Модель передачи данных

В IEEE 802.15.4 существует три типа обменных процессов:

• передача от устройства к сетевому координатору;
• передача от сетевого координатора к устройству;
• передача между двумя одноранговыми устройствами.

В звездной топологии используются только два первых варианта, поскольку в ней не существует обменов между одноранговыми устройствами.

Когда устройство собирается передать данные координатору в сети с маячками, оно сначала пытается обнаружить маячок. Когда маячок найден, устройство подстраивается к структуре суперфрейма. Устройство передает данные координатору, используя слотовый механизм CSMA/ CA. В ответ координатор отсылает фрейм уведомления о получении. На этом цикл обмена заканчивается. Если устройство собирается передать данные в сети без маячков, оно передает данные, используябесслотовый метод CSMA/CA.

Когда координатор желает передать дынные устройству в сети с маячками, он помещает в маячок информацию о том, что имеются данные, готовые к передаче. Устройство периодически анализирует содержание маячка и, если в нем имеется информация о наличии сообщения, готового к передаче, устройство передает команду запроса данных, используя слотовый метод CSMA/ CA. Координатор подтверждает прием запроса данных с помощью фрейма уведомления. Вслед за этим координатор отсылает данные, используя слотовый метод доступа CSMA/CA. Устройство подтверждает прием данных отправкой уведомления.

Если координатор собирается передать данные без использования маячка, он запоминает данные и ждет запроса от устройства. Устройство может передать команду запроса данных координатору, используя бесслотовый метод CSMA/CA. Координатор сначала посылает уведомление о получении (в том же цикле обмена), затем, используя CSMA/CA, отсылает данные и получает уведомление о получении от устройства.

Wi-FiIEEE 802.11:

Основное назначение технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity - "беспроводная точность") - беспроводное расширение сетей Ethernet. Она используется также там, где нежелательно или невозможно использовать проводные сети. Например, для передачи информации от движущихся частей механизмов; если нельзя сверлить стены; на большом складе, где компьютер нужно носить с собой.

Последний полностью разработанный стандарт IEEE 802.11n был принят 11 сентября 2009. Он повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с в теории или около 20 Мбит/с на практике), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с, применяя передачу данных сразу по четырём антеннам. По одной антенне — до 150 Мбит/с.

Физический и канальный уровень

Модель OSI для стандартов Wi-Fi и IEEE 802.11. Основное назначение физических уровней - обеспечение интерфейса с беспроводной средой передачи (с эфиром), а также оценка состояния эфира и взаимодействие с уровнем MAC.

Физический уровень состоит из двух подуровней:

• PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) - выполняет процедуру отображения PDU уровня MAC во фрейм формата FHSS или DSSS. Эта процедура выполняет передачу, обнаружение несущей и прием сигнала;
• PMD (Physical Medium Dependent) - "подуровень, зависящей от среды передачи". Этот уровень будет различным для разных скоростей передачи и разных стандартов из серии 802.11. Подуровень PMD обеспечивает данные и сервис для подуровня PLCP и функции радиопередачи и приема, результатом которых является поток данных, информация о времени, параметры приема.

Основным рабочим состоянием уровней PLCP является обнаружение несущей и оценка незанятости канала. Для выполнения передачи PLCP переключает PMD из режима "прием" в режим "передача" и посылает элемент данных PPDU (PLCP Data Unit).

Канальный уровень состоит из подуровней LLC и MAC.

Принцип работы:

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети SSID с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта. возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

• Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные)
• Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные)
• Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера)

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

• Со статическими настройками радиоканалов
• С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов
• Со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов

Преимущества Wi-FI:

• Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.
• Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.
• Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.
• Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться Интернетом в комфортной для вас обстановке.
• В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.
• Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

Недостатки Wi-Fi:

• В диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др, и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.
• Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi-Fi сети всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.

• Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора^[9].

• Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.
• Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало возможным применение более безопасной схемы связи, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.
• В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

В промышленности:

Для использования в промышленности технологии Wi-Fi предлагаются пока ограниченным числом поставщиков. Так Siemens Automation & Drives предлагает Wi-Fi-решения для своих контроллеров SIMATIC в соответствии со стандартом IEEE 802.11g в свободном ISM-диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивающим максимальную скорость передачи 54 Мбит/с. Данные технологии применяются для управления движущимися объектами и в складской логистике, а также в тех случаях, когда по какой-либо причине невозможно прокладывать проводные сети Ethernet. Использование Wi-Fi устройств на предприятиях обусловлено высокой помехоустойчивостью, что делает их применимыми на предприятиях с множеством металлических конструкций. В свою очередь Wi-Fi приборы не создают существенных помех для узкополосных радиосигналов. В настоящее время технология находит широкое применение на удаленном или опасном производстве, там где нахождение оперативного персонала связано с повышенной опасностью или вовсе затруднительно. К примеру, для задач телеметрии на нефтегазодобывающих предприятиях, а также для контроля за перемещением персонала и транспортных средств в шахтах и рудниках, для определения нахождения персонала в аварийных ситуациях.

Проблемы беспроводных сетей:

С точки зрения требований к промышленным сетям беспроводные сети уступают проводным по следующим характеристикам:

• время доставки сообщений: используемый механизм случайного доступа к каналу CSMA/CA не гарантирует доставку в заранее известное время и эту проблему нельзя решить с помощью коммутаторов, как в проводных сетях;
• помехозащищенность: беспроводные сети подвержены влиянию электромагнитных помех значительно сильнее, чем проводные;
• надежность связи: связь может исчезнуть при несвоевременной смене батарей питания, изменении расположения узлов сети или появлении объектов, которые вызывают затухание, отражение, преломление или рассеяние радиоволн;
• ограниченная дальность связи без использования ретрансляторов (обычно не более 100 м внутри помещений);
• резкое падение пропускной способности сети при увеличении количества одновременно работающих станций и коэффициент использования канала;
• безопасность: возможность утечки информации, незащищенность от искусственно созданных помех, возможность незаметного управления технологическим процессом враждебными лицами.

Уникальным достоинством беспроводных сетей является отсутствие кабелей, что и определяет выбор областей их применения в системах промышленной автоматизации.

Основными причинами проблем являются интерференция, дифракция, преломление, отражение, рассеяние (переизлучение) и снижение плотности мощности излучения при увеличении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.

Зависимость плотности мощности от расстояния

Известно, что плотность мощности радиоволны уменьшается по мере удаления от антенны вследствие расхождения пучка, рассеяния и поглощения волн препятствиями на пути их распространения.

Ограниченность радиуса действия передатчиков привела к возникновению ячеистых сетей,  в которых информация передается не через общий канал связи, как в проводных сетях, а от узла к узлу, используя промежуточные узлы сети в качестве ретрансляторов и маршрутизаторов. При выходе из строя или удалении из сети некоторых узлов сеть автоматически находит новый маршрут, чтобы доставить данные адресату. Добавление к сети нового устройства также может происходить автоматически, т.е. ячеистые сети обладают свойством самоорганизации.

Влияние интерференции волн

Электромагнитная волна передающей станции на пути следования испытывает интерференцию (увеличение/уменьшение амплитуды двух накладывающихся волн), дифракцию, отражение, преломление и рассеяние. Поэтому в точке приема волна является суперпозицией множества волн, имеющих разные фазы и направления волнового вектора. Наложение волн приводит к интерференции, которая может быть конструктивной (когда сигнал в точке приема усиливается) или деструктивной (если сигнал ослабляется - эффект "замирания"). Деструктивная интерференция приводит к нескольким отрицательным следствиям. Во-первых, сигнал в точке приема может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к потере связи. Во-вторых, при движущемся источнике или приемнике в точке приема могут быть многократные смены сильного и слабого сигнала, что может привести к потере нескольких бит информации или уменьшению скорости передачи за счет повторных передач кадров с ошибкой. В-третьих, если разность времени задержки волн, прошедших разными путями, превысит длительность символа, соседние символы в сообщении могут накладываться друг на друга, вызывая эффект межсимвольной интерференции.

Источники помех

Существуют также другие причины искажений передаваемого сигнала: паразитное взаимовлияние соседних каналов; эффект Доплера (изменение частоты или длины волн, регистрируемых приёмником при движении источника), помехи от работающих двигателей, разряды статического электричества, и др. Это может привести к потере пакета, повторной передаче и, как следствие, непредвиденной задержке в канале. Интенсивность потока ошибок зависит от мощности источников помех, типа модуляции и мощности передатчика, от частотного диапазона, других причин и обычно изменяется с течением времени.

Следствием помех в канале может быть не только потеря данных или замедление скорости передачи, но и "проблема пространственной непротиворечивости". Она заключается в следующем. Когда система использует широковещательный режим передачи без уведомления о получении, предполагается, что все приемники должны получить одни и те же данные одновременно. Однако вследствие ошибок в канале некоторые потребители могут получить ошибочные данные. Такая ошибка особенно нежелательна, если широковещательный режим используется для обеспечения синхронной работы нескольких контроллеров в одном и том же технологическом процессе, поскольку она приведен к рассинхронизации процесса.

Одним из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех является применение широкополосной модуляции. В беспроводных сетях используются два метода: широкополосная модуляция с прямым расширением спектра(DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) и с перескоком с одной несущей на другую (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Также применяются различные виды модуляции несущей: двоичная фазовая (BPSK), квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) и др.