Беспроводное подключение по стандарту 802.11n для промышленных сетей

На протяжении длительного времени промышленное оборудование интенсивно интегрируется в сети. Главная цель объединения устройств, приводов, контроллеров, систем сбора данных, диспетчерского управления и инфраструктуры связи заключается в автоматизации производства, позволяющей управлять сложными производственными процессами. Каждое отдельное устройство или система устанавливают связь между собой, следуя некой строгой иерархией каналов связи. Сети традиционно создаются по многоуровневому принципу, в соответствии с которым взаимодействие сетевых устройств осуществляется с помощью известных стандартных ISO-протоколов семи уровней. Различные сегменты промышленной сети используют собст­венные методы связи, что зачастую усложняет структуру каналов передачи данных.
Пожалуй, количество типов сетей сопоставимо с количеством приложений, которые их используют. Параметры сети классифицируются в соответствии с каждым из ее уровней, причем эти характеристики отвечают требованиям конкретного приложения. Например, для одних сетевых устройств, которые нуждаются в обслуживании через строго определенные интервалы времени, существует механизм, гарантированно обеспечивающий своевременную доставку информации. Другие устройства могут устанавливать связь через непериодические интервалы времени, отправляя незапрашиваемые данные и не требуя определенных ограничений на время ожидания. Если одни устройства взаимодействуют со многими сетевыми устройствами, то другие устанавливают связь только с одним узлом. Эти требования отражаются в спецификациях физического, канального, сетевого уровней и уровня приложения, за исключением, как правило, промежуточных уровней.
На рисунке 1 схематично изображено взаимодействие между различными сетевыми устройствами. Среди прочих на физическом уровне могут использоваться интерфейсы RS-232, RS-485, Ethernet или Wireless. К числу распространенных протоколов относятся разновидности Fieldbus; Controller Area Networks, или CAN; ModBus и DeviceNet.

Рис. 1. Связь между различными устройствами промышленной сети устанавливается с помощью несовместимых протоколов, каждый из которых работает с отдельным сегментом всей сети, затрудняя ее функционирование в целом

Если и существует такой тип сети, который можно было бы назвать почти универсальным, то это IP-сеть. Протокол TCP/IP используется повсеместно начиная с домашних или офисных сетей и заканчивая глобальными сетями. Данный протокол предлагает такой бесконтактный механизм на основе коммутации пакетов, который делает его идеальным для обмена данными. Кроме того, он способствует устранению различий между вычислительными платформами и принятию нескольких стандартных архитектур.
Совместимость этого протокола позволяет снизить стоимость, что, в свою очередь, ускоряет принятие более совершенной технологии. Помимо этого, TCP/IP повышает такую важную характеристику промышленных сетей как устойчивость эксплуатации. Само по себе применение протокола IP не делает сеть универсальной, т.к. остаются различия между физическим каналом и приложениями, использующими транспортный уровень. IP-пакеты может передавать не только канал последовательной передачи данных RS-232, но и Ethernet, а также оптические линии (см. рис. 2). Основное внимание данной статьи сосредоточено на применении в этих сетях стандартного беспроводного канала.

Рис. 2. Промышленная сеть на основе транспортного протокола IP. Следует заметить, что физические каналы могут по-прежнему быть разными

Несмотря на то, что подключение к сетям, вообще говоря, можно выполнять, не используя общий физический уровень, в промышленных условиях эксплуатации целесообразно применять беспроводную связь в качестве стандартной физической среды. Число подключаемых устройств быстро растет — фактически, в настоящее время наблюдается бум в создании сетей, в состав которых входят многочисленные устройства. Термин «межмашинная связь» (М2М) отражает это явление, когда различное оборудование, датчики, приводы, мониторы и другие устройства объединены в одну общую сеть. Появление миниатюрных, недорогих, малопотребляющих датчиков, которые легко устанавливаются в промышленную сеть, ускорило принятие беспроводного механизма передачи данных. 
Очевидно, что, планируя объединить в сеть большое количество устройств в пределах одной организации, следует предусмотреть вопрос о прокладке кабелей. Монтаж большого количества кабелей — дорогостоящее и трудоемкое дело: например, установка новой производственной линии или реорганизация лаборатории потребует значительного количества времени и ресурсов. Во многих случаях стоимость монтажа может равняться и превышать стоимость подключаемых к сети устройств, а в некоторых случаях даже оказаться нереально большой, учитывая выросшую степень автоматизации предприятия.
Наконец, природа самих устройств может диктовать применение беспроводной среды подключения. Например, для успешного создания беспроводной датчиковой сети требуется реализовать несколько важных функций, в т.ч. возможность гибкого развертывания большого количества устройств, работу в mesh-конфигурации, длительный срок службы батарей и способность передавать данные в стандартном формате. Этим требованиям удовлетворяет беспроводной механизм передачи данных (см. рис. 3). 

Рис. 3. Беспроводная датчиковая mesh-сеть (справа) и составные блоки датчикового узла (слева)

К трем наиболее распространенным стандартам этой сети относятся IEEE 802.15.4 (ZigBee); Bluetooth и IEEE 802.11 WLAN. Среди них возрастает значение стандарта WLAN, обладающего многими явными преимуществами.
Семейство беспроводных LAN-стандартов IEEE 802.11 появилось для описания системы, эквивалентной проводной инфраструктуре Ethernet. Однако ее пропускная способность поначалу была очень низкой — 1 Мбит/с. К началу 2009 г. этот показатель вырос до 600 Мбит/с. Дополнение 802.11n к этому стандарту предназначено для того, чтобы повысить пропускную способность сетей WLAN, и потому оно касается не только физического (PHY), но и MAC-уровня. Помимо высокой пропускной способности, стандарт WLAN обеспечивает поддержку ряда приложений для реализации высоконадежной и своевременной передачи данных, а также мобильности и роуминга.
На физическом уровне стандарт 802.11 определяет функционирование сетей в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Стандарт 802.11b устанавливает метод расширения спектра методом прямой последовательности (Digital Sequence Spread Spectrum, DSSS) и схемы модуляции с дополнительным кодом (Complementary Code Keying, CCK) со скоростями передачи данных до 11 Мбит/с. Стандарты 802.11a/g/n определяют схему мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (Orthogonal Frequency Division Modulation, OFDM) наряду с кодированием с исправлением ошибок (Error Correction Coding), которое стало наиболее предпочтительным методом для передачи данных по беспроводным сетям с высокой скоростью. Метод OFDM эффективно противостоит многолучевому распространению и обеспечивает относительно простую и недорогую реализацию сетей.
На MAC-уровне стандарт 802.11 обеспечивает коллективное пользование средой с помощью механизма сетевого доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Конфликты при этом не исключены, и они происходят, но не обнаруживаются как таковые. Передатчик устанавливает, что произошел конфликт или пакет не достиг приемника, если не пришло подтверждение принятия. Прежде чем снова передавать данные, источник ожидает некоторое произвольное время (см. рис. 4). Этот механизм не исключает полностью возможности потери пакетов, поскольку передатчик предпринимает лишь ограниченное число попыток, прежде чем откажется от них. Однако при достаточно хорошем канале связи вероятность утерянных пакетов чрезвычайно мала. Недостаток метода произвольной отсрочки в конфликтной ситуации заключается в том, что возникают нежелательные задержки при передаче пакетов. Это обстоятельство оказывается критичным в тех случаях, когда трафик чувствителен к времени передачи — например, при передаче управляющих пакетов и голосовых вызовов. Стандарт IEEE 802.11e позволяет решить эту проблему и обеспечивает приоритеты для определенных категорий трафика.

Рис. 4. Приемник подтверждает поступление пакетов 802.11, вслед за чем передается остальной трафик. Соперничая за доступ к среде, устройства используют метод произвольной отсрочки времени в конфликтной ситуации, обеспечивая переменный приоритет для передаваемых данных в соответствии с классом QoS

Одной из главных причин, по которой стандарт 802.11 находит все большее применение в создающихся сетях, заключается в его способности обеспечить масштабирование и обслуживание узлов с высокой плотностью размещения. Хорошо известный стандарт 802.11g определяет скорость передачи данных до 54 Мбит/с, обслуживая таким образом десятки узлов, каждый из которых работает на типичной для промышленных сетей скорости до десятков сотен Кбит/с. В то же время беспроводной узел с ограниченным числом нечасто отправляемых данных может в нерабочее время находиться в спящем режиме, что в целом экономит значительное количество энергии. Однако следует заметить, что передача небольших пакетов приводит к снижению пропускной способности, поскольку объем служебных данных в 802.11 постоянный. Узлы WLAN устанавливают связь друг с другом в соответствии с определенной процедурой, но чаще всего сеть конфигурируется в режиме инфраструктуры, в котором все данные передаются через точку доступа (ТД).
В настоящее время ТД позволяют работать с потоками данных в условиях промышленного производства, что значительно облегчает установку оборудования и датчиков WLAN в соответствующих сетях. Планирование сети, включая решения по повторному использованию частоты, покрытию ячеек и реализации параметров безопасности, не только ускорило бы установку и ввод в эксплуатацию оборудования, но и сделало бы их гибкими. Эта возможность является вторым значимым преимуществом при выборе стандарта 802.11 в качестве беспроводной технологии для промышленных сетей.

Стандарт 802.11 обеспечивает высокую пропускную способность и эффективность функционирования сети, связность данных в широком диапазоне, а также позволяет использовать несколько антенн и приемо-передающих цепей. Увеличение пропускной способности достигается за счет расширения возможностей уровней PHY и MAC. На физическом уровне стандарт использует до 52 OFDM-поднесущих для переноса данных в каждом символе, по сравнению с 48 в стандартах 802.11g или 802.11a.
В стандарте определена новая скорость кодирования 5/6, что на 3/4 выше скорости, допустимой в предыдущих версиях. Защитный интервал — период молчания между двумя символами — уменьшился вдвое с 0,8 до 0,4 мкс. Символ имеет продолжительность 3,2 мкс, исключая защитный интервал. Занимаемая полоса частот увеличилась с 20 до 40 МГц, что привело к увеличению скорости передачи данных. Следует заметить, что полоса шириной в 40 МГц задействуется только в том случае, если соседняя полоса свободна от трафика. Появление революционной концепции системы со многими входами и многими выходами (multiple-input multiple-output, MIMO) позволяет использовать несколько антенн со стороны передатчика и приемника для разделения двух или более потоков данных, отправленных одновременно по одному каналу.
На MAC-уровне стандарт 802.11n повышает эффективность за счет определения режимов, в которых пакеты большей длины передаются с единственным набором байтов заголовка или когда пакет с обратным уведомлением содержит информацию о приеме ранее отправленной группы пакетов. Стандарт определяет и другие методы, в т.ч. пониженного межкадрового интервала времени (Reduced Inter-Frame Spacing, RIFS). 802.11n главным образом предназначен для узлов с высокоскоростным трафиком, но он также обеспечивает работу в режиме одного потока, что позволяет использовать преимущества 11n для низкопотребляющих устройств с малым форм-фактором, включая датчиковые узлы.
Однопотоковая реализация 802.11n WLAN в этих клиентских устройствах, не уступающих существующим устройствам по размерам, стоимости и потреблению энергии, имеет следующие преимущества:
— более высокая пропускная способность и меньшее время передачи данных, что достигается за  счет более эффективной работы PHY- и MAC-уровней;
— больший диапазон за счет использования нескольких антенн в точке доступа;
— сохранение основных характеристик сети 802.11n: стандарт 802.11n позволяет избежать ухудшения характеристик сети, вызванного наличием устройств 802.11a/b/g, которое побуждает узлы 11n применять защитные механизмы.

Устройства, работающие на основе стандарта 802.11 или 802.11n, можно приспособить для эксплуатации в промышленных сетях (см. рис. 5).

Рис. 5. Сеть WLAN в промышленных условиях эксплуатации, поддерживаемая устройствами 802.11

WLAN-устройства приходят на смену кабелю последовательной связи, используются в создании гибкой и конфигурируемой датчиковой сети или позволяют интегрировать оборудование в сеть предприятия. Контроллеры и системы диспетчерского управления, построенные на стандартных вычислительных платформах, легко подключаются к WLAN-сети с помощью устройств, соединяющихся через шину главного процессора, например SDIO, PCI или USB.
Оборудование контроля, которое прежде использовало последовательный интерфейс, обеспечивается внешними серверами устройств serial-to-Wi-Fi для беспроводного подключения, не требующего изменения конструкции этого оборудования или его обновления. В беспроводной сети используются датчики различных типов, однако в новых структурах применяются те, которые предназначены для сетей WLAN. В эти сети подключаются даже RFID-метки для отслеживания перемещения ресурсов. Таким образом, промышленное оборудование можно объединить в универсальную сеть с помощью соответствующих беспроводных устройств и систем.