Обзор технологии беспроводной передачи данных Trusted Wireless 2.0 Phoenix Contact

Обзор технологии беспроводной передачи данных Trusted Wireless 2.0 Phoenix Contact
16 Июня 2017

Все чаще для реализации связи с удаленными или труднодоступными частями системы в проектах промышленной автоматизации применяются беспроводные технологии. И это подтверждается тем фактом, что узлы системы, обмен с которыми осуществляется посредством беспроводной связи, становятся все более сложными и отвечают за более важные функции. Технологии беспроводной связи закрепились во многих областях промышленности и доказали в ходе реальной эксплуатации свои преимущества и развеяли существовавшие сомнения по поводу применения беспроводных технологий.
В данной статье представлен обзор технологии беспроводной передачи данных Trusted Wireless 2.0 и ее применения в автоматизации полевого уровня. Основной фокус сделан на описании технических особенностей Trusted Wireless 2.0, которые могут быть интересны для промышленных применений.
Сферы применения Trusted Wireless 2.0
Trusted Wireless 2.0 – беспроводная технология, которая была разработана специально для промышленного применения. Данная технология, в первую очередь, служит для передачи данных от датчиков/приводов без использования кабельных коммуникаций и для передачи последовательных данных на расстояния от нескольких метров до нескольких километров.
Основные особенности Trusted Wireless 2.0:
  • бесперебойная передача данных за счет использование псевдослучайной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS);
  • автоматические и ручные механизмы совместимости с другими беспроводными сетями;
  • безопасная передача данных за счет шифрования AES-128 и аутентификации;
  • передача данных на дальние расстояния за счет высокой чувствительности приемника и возможности изменять скорость передачи данных;
  • гибкие топологии сети с возможностью автоматического перестроения и подключения;
  • распределенный характер взаимодействия узлов сети; · расширенная диагностика;
  • применение.
Надежная передача данных за счет использования FHSS
Под надежной передачей данных понимается передача данных с использованием той или иной беспроводной технологии с постоянным соединением и без потери данных. Потерю данных и нарушение соединения вызывают два основных фактора:
  • электромагнитные помехи;
  • затухание сигнала из-за распространения радиоволн в свободном пространстве и возникновения отражений.
Электромагнитные помехи
Беспроводные системы, работающие на частоте 2,4 ГГц, имеют преимущество за счет того, что электромагнитные помехи, сгенерированные частотными преобразователями, электроприводами и другим оборудованием, которое может быть установлено на промышленном объекте, не достигают, как правило, данного частотного диапазона. Подобные помехи обычно имеют частотный диапазон кратный кГц или МГц. Таким образом, обычно источником помех становятся другие беспроводные системы, работающие на частоте 2,4 ГГц. Существует два совершенно разных подхода для обеспечения электромагнитной совместимости этих систем:
  • широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS);
  • псевдослучайная перестройка рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS).
При использовании DSSS (Рис.1), полезный сигнал проходит через генератор кода расширения спектра, где один бит полезной информации заменяется N битами, что увеличивает тактовую частоту в N раз. Это влияет на расширение спектра, так же, в N раз. На приемнике этот сигнал проходит через такой же генератор и происходит декодирование информации. Преимуществом такого подхода является возможность передачи данных с очень высокой скоростью. Сигнал занимает определенную полосу частот и узкополосные помехи искажают только некоторые частоты спектра, но при этом информации достаточно, чтобы достоверно декодировать сигнал. Но после определенного порога ширины спектра частоты помехи сигнал будет невозможно декодировать. Генератор просто не поймет где полезный сигнал, а где наложенный.
111.jpg
Рис.1 Широкополосная модуляция с прямым расширением спектра – DSSS
При использовании FHSS (Рис.2), частота передачи данных меняется в псевдослучайном порядке. В этом случае, возникнувшая помеха будет влиять только на одну из случайных частот, вне зависимости от ширины спектра.
112.jpg
Рис.2 Псевдослучайная перестройка частоты - FHSS
Таким образом, при возникновении серьезных электро-магнитных помех, в FHSS системе потеряется часть данных, в DSSS системе передача данных остановится полностью.
Trusted Wireless 2.0 использует технологию FHSS. Устройствам доступны 127 каналов для перестройки. Количество частот, доступных для выбора конкретным устройством, зависит от «черного списка частот», который настраивается в целях обеспечениях совместимости с другими беспроводными системами и от того используются ли специальные группы частот (RF band) для оптимизации работы беспроводной сети.
Затухание сигнала из-за распространения радиоволн в свободном пространстве и возникновения отражений
В процессе распространения в среде передачи сигнал ослабевает в виду различных внешних воздействий (Рис.3). Главный фактор – это отражения, возникающие в ходе распространения радиоволны. Сигнал от передатчика к приемнику распространяется в нескольких направлениях. В виду этого, до приемника доходит несколько волн, которые содержат одну и ту же информацию, но в виду различных путей распространения, могут иметь разные фазы. Это может либо ослабить сигнал (когда пришедшие радиоволны находятся в противофазе), либо усилить (когда фазы совпали). На фоне данной проблемы FHSS получает дополнительное преимущество – частота, на которой передаются данные, постоянно меняется, что автоматически решает вышеописанную физическую проблему. Если, в ходе распространения радиоволны в нескольких направлениях, передача данных невозможно на одной частоте, то сигнал на следующей частоте будет достаточно сильный для приема.
113.jpg
Рис.3 Затухание сигнала из-за распространения радиоволн в свободном пространстве и возникновения отражений
Автоматические и ручные механизмы совместимости с другими беспроводными сетями
В силу того, что беспроводные сети набирают все большую популярность, на промышленных объектах появляется все больше различных беспроводных сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц. Соответственно, эти сети могут создавать взаимные помехи и ухудшать передачу данных. Поэтому вопрос обеспечения совместимости работы беспроводных сетей является очень важным для организации надежной и бесперебойной передачи данных. Trusted Wireless 2.0, для решения вопроса совместимости, предлагает механизм «черный список частот». Данный механизм предполагает занесение диапазонов частот, которые используются другими сетями, в «черный список» - частоты из этого списка устройствами Trusted Wireless 2.0 не используются и перестройка на эти частоты не выполняется.
Безопасность передачи данных
Безопасность передачи данных играет ключевую роль в промышленной автоматизации. А в случае беспроводных сетей, так как информация передается по незащищенном интерфейсу – по сути, воздуху, стратегия безопасности должна предотвращать неавторизованный доступ и передавать данные в зашифрованном виде.
Благодаря закрытой технологии, беспроводной канал на основе Trusted Wireless 2.0 защищен гораздо лучше против возможных атак по сравнению с открытыми протоколами. Более того, псевдослучайная перестройка частота усложняет задачу еще больше.
Дополнительно, Trusted Wireless 2.0 имеет два механизма обеспечения безопасности: шифрование всех передаваемых данных при помощи протокола AES-128 и проприетарный протокол аутентификации, который позволяет убедиться, что сообщение получил авторизованный получатель за счет того, что данное сообщение имеет специальный код, который не может быть повторен.
Передача данных на дальние расстояния за счет высокой чувствительности приемника и возможности изменять скорость передачи данных
Для беспроводной передачи данных, особенно для наружных применений, дальность передачи данных играет определяющую роль. Но и в применениях, где нет необходимости в передаче данных на большие дистанции, высокий уровень чувствительности приемника создает резерв системы для передачи данных в тяжелых условиях, например передача данных при отсутствии прямой видимости.
Уровень чувствительности приемника зависит от качества схем коммутации и скорости передачи данных. В устройствах с поддержкой Trusted Wireless 2.0 высокий уровень чувствительности обеспечивается за счет использования высококачественных компонентов для приема и передачи данных, и использования предварительного усиления.
Также на уровень чувствительности влияет скорость передачи данных. Каждый бит передается с определенной мощностью передачи P. Энергия на каждый бит определяется формулой Ebit = P * tbit, где tbit – время передачи данного бита (Рис.4).
114.jpg
Рис.4 Зависимость энергии на бит от времени передачи бита
При уменьшении скорости передачи данных – время передачи каждого бита увеличивается, что дает увеличение энергии на каждый бит, за счет чего мы получаем значительное усиление сигнала.
В Trusted Wireless 2.0 могут быть выбраны следующие скорости передачи данных:
115.jpg
Гибкая топология с автоматическим установлением связи
Существуют специальные требования по надежной передаче данных в беспроводных сетях в промышленных условиях. Подходящая топология сети может значительно повысить надежность сети и помочь обеспечить бесперебойную связь.
Технология Bluetooth использует исключительно топологию точка-точка, при этом мастер может опрашивать до семи устройств одновременно. Таким образом, семь Bluetooth-устройств может общаться с мастером одновременно.
Технология WLAN использует топологию звезда. Более того в сети WLAN могут быть использованы повторители для расширения сети.
Trusted Wireless 2.0 также позволяет использовать устройства в качестве повторителей и, более того, позволяет восстанавливать связь в случае обрыва сигнала. Т.е. если устройство теряет связь, то оно ищет другой ближайший повторитель, через который можно передавать данные. Таким образом, связь восстанавливается, и данные начинают передаваться через резервный канал. Восстановление связи занимает от миллисекунд до секунд – в зависимости от выбранной скорости передачи данных. Подобная топология, где каналы связи выстраиваются через произвольно выбранные повторители, называется mesh-топологией. Все перечисленные топологии представлены на Рис.5.
116.jpg
Рис.5 Возможные топологии беспроводных сетей
Помимо mesh-топологии, устройства с поддержкой Trusted Wireless 2.0 поддерживают все вышеперечисленные топологии – точка-точка, звезда, линия.
Ввиду высокого уровня чувствительности приемников устройств Trusted Wireless 2.0 иногда узлы соединяются не с ближайшими повторителями, а с более удаленными. Чтобы избежать подобных ситуаций в Trusted Wireless 2.0 предусмотрен «черный список повторителей»(parent-black-listing), в котором определены узлы, с которыми подключением не должно быть установлено. Также предусмотрен «белый список повторителей»(parent-white-listing), в котором указываются узлы, предпочтительные для подключения. По умолчанию все повторители разрешены для подключения.
Распределенный характер взаимодействия узлов сети
Внутренний обмен данными между отдельными узлами необходим для поддержания работы беспроводной сети вне зависимости от объема передаваемой информации. Таким образом, процесс добавления нового узла к сети, также как и управление уже существующими узлами играет важную роль с точки зрения обеспечения надежности сети и оптимизации передаваемого траффика.
Такие беспроводные сети как Zigbee или WirelessHART используют централизованный подход управления узлами. В сети есть «менеджер», который отправляет все запросы узлам и принимает ответы. Соответственно, подобный подход создает большое количество траффика, проходящего через единственный узел сети – менеджера.
Trusted Wireless 2.0, в свою очередь, использует распределенный подход. Управление сетью разбито на зоны родитель/наследник (parent/child – P/C, Рис.6)). В качестве родителя выступает повторитель (или центральный узел сети) через который к сети подключаются другие повторители или конечные устройства – наследники. Таким образом, родители и наследники образуют древовидную структуру. Родитель ответственен за всех наследников и отвечает за подключение нового наследника. Вся эта информация не отправляется центральному устройству, а остается в пределах зоны родитель/наследник, что существенно уменьшает траффик в сети.
117.jpg
Рис.6 Разбиение на зоны родитель/наследник (parent/child – P/C)
Также подобный подход значительно увеличивает время сходимости сети. Если в сети с центральным управлением обесточить менеджера сети, то вся информация о связях в данной сети будет потеряна, и сеть будет восстанавливаться достаточно длительное время.
В сети, на основе Trusted Wireless 2.0, процессы управления выполняются параллельно в различных ветках дерева, что дает значительное ускорение при восстановлении сети.
Расширенная диагностика
Данные, которые передаются в промышленных беспроводных сетях, существенно отличаются от домашних беспроводных сетей. Последствия потери данных в промышленных сетях значительно серьезнее, нежели в домашних сетях – очевидна разница между зависшим роликом на YouTube и потерей миллионов рублей или угрозой жизни человека.
Trusted Wireless 2.0 позволяет получить широкую диагностическую информацию - на каждом узле сети хранится таблица узлов и таблица каналов, информацию из которых можно получить удаленно.
Таблица узлов содержит информацию о ближайших подключенных узлах, их свойства (мастер, повторитель, ведомое устройство), качество подключения (RSSI), глубина сети, «черный список», «белый список».
Таблица каналов содержит информацию об используемой частоте, уровень шума, количество блокированных каналов и количество пакетов, содержащих ошибку.
Заключение
Trusted Wireless 2.0 является беспроводной технологией, разработанной специально для промышленных применений. Данная технология занимает нишевое место между специфичными сетями для передачи данных с датчиков, как WirelessHART, и высокоскоростными сетями WLAN.
Trusted Wireless 2.0 легко адаптируем для практически любых промышленных задач и обладает необходимыми характеристиками, чтобы выдержать высокие требования, предъявляемые к промышленной автоматизации. А также предоставляет высокий уровень надежности, безопасности и гибкости


Источник: Официальный сайт Phoenix Contact




Читайте также
Подразделы