2.11. Беспроводные локальные сети

Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:

• датчики и исполнительные устройства на подвижных частях конвейеров, ветряных мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипниках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики на теле человека и животных; датчики вибрации на контейнерах для перевозки грузов;
• объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить дизайн: офисные здания, в которых устанавливается пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева и кондиционирования воздуха, для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий; в системах "умного дома" (управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками, бытовыми приборами и др.);
• эпизодическое программирование и диагностика ПЛК, когда прокладывать постоянные кабели не выгодно; дистанционное считывание показаний счетчиков, самописцев;
• объекты с агрессивными средами, вибрацией; объекты, находящиеся под высоким напряжением или в местах, не удобных для прокладки кабеля;
• отслеживание траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг напряженности автомобильного трафика в городах и условий на дорогах, мониторинг леса, моря, сельскохозяйственных культур, мониторинг вредных выбросов в экологии;
• любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей, кабельных каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу и обслуживанию существенно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы, при условии отсутствия жестких требований к надежности доставки сообщений в реальном времени;
• объекты во взрывоопасных зонах.

В большинстве применений беспроводные сети позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с проводными сетями [Brooks]:

• существенно снизить стоимость установки датчиков;
• исключить необходимость профилактического обслуживания кабелей;
• исключить дорогостоящие места разветвлений кабеля;
• уменьшить количество кабелей;
• уменьшить трудозатраты и время на монтаж и обслуживание системы;
• снизить стоимость системы за счет исключения кабелей;
• снизить требования к обучению персонала монтажной организации;
• ускорить отладку системы и поиск неисправностей;
• обеспечить удобную модернизацию системы.

Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традиционных областях применения кабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспроводной системы.

Беспроводные сети делятся на следующие классы:

• сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area Network);
• беспроводные LAN (WLAN - Wireless LAN);
• беспроводные сети датчиков.

В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили три типа беспроводных сетей: Bluetooth [Specification] на основе стандарта IEEE 802.15.1, ZigBee [ZigBee] на основе  IEEE 802.15.4 [IEEE] и Wi-Fi на основе IEEE 802.11 [Vieira , ANSI]. Физические уровни модели OSI для этих сетей основаны на соответствующих стандартах IEEE, а протоколы верхних уровней разработаны и поддерживаются организациями Bluetooth, ZigBee и Wi-Fi соответственно. Поэтому в названии сетей обычно указывают ссылки на стандарт. Все три сети используют нелицензируемый ISM (Industrial, Scientific, and Medical) диапазон 2,4 ГГц.

2.11.1. Проблемы беспроводных сетей и пути их решения

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 [Willig] 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.

Рассмотрим физические причины возникновения перечисленных проблем и методы борьбы с ними. Основными причинами 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. Плотность мощности  волны на расстоянии  от источника приближенно описывается зависимостью [Willig]

где  - некоторая константа, определяемая экспериментально; параметр   [Willig] зависит от конструкции антенны, диапазона частот, наличия препятствий на пути распространения электромагнитной волны. В условиях промышленного предприятия ; - плотность мощности на расстоянии  от источника. Формула (2.3) справедлива при   [Willig].

По указанным причинам каждый участник беспроводной сети имеет ограниченную зону уверенного приема, которая представляется приближенно в форме сферы. Это приводит к необходимости планирования расположения беспроводных станций таким образом, чтобы зоны уверенного приема непосредственно связывающихся станций перекрывались. Если станции расположены на расстоянии неуверенного приема, то небольшие изменения окружающей обстановки могут привести к потере сообщений или снижению скорости передачи.

Ограниченность радиуса действия передатчиков привела к возникновению ячеистых сетей [Akyildiz],  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, 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, 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.

Измерения, выполненные в работе [Willig] показали, что чипсет, соответствующий стандарту IEEE 803.11b, в индустриальном окружении дает поток кратковременных ошибок величиной  при скорости передачи 2 Мбит/с и использовании квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quaternary Phase Shift Keying). Кроме того, в процессе измерений эпизодически возникали периоды продолжительностью до 1 мин., когда потери данных доходили до 10% и даже 80%. Аналогичные результаты наблюдались и в других экспериментах.

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.

Особенностью рассмотренного случая является то, что вероятность ошибки в системе резко возрастает по сравнению с вероятностью ошибки в одном канале . Поскольку вероятность безошибочной передачи в системе является произведением вероятностей безошибочной передачи в каждом из каналов, то при количестве одинаковых каналов  вероятность отсутствия сбоев в системе будет равна . Например, в системе из 8 каналов при вероятности ошибки в канале  вероятность безошибочной передачи составит всего 43%.

Одним из примеров, где описанная ситуация может играть роль, является режим одновременного ввода несколькими устройствами сигналов датчиков. В проводных сетях для этого используют широковещательные команды, которые доходят до всех устройств одновременно (в сетях Modbus это команда с адресом "0"). Если аналогичный режим использовать в беспроводной сети, то вероятность того, что все   датчиков введут отсчеты одновременно, будет также равна  .

В сетях с передачей маркера помехи могут привести к потере маркера и отключению устройств с потерянным маркером на несколько периодов обращения маркера по логическому кольцу.

Широкополосная передача

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).

Метод DSSS состоит в следующем. Если один бит информации представить прямоугольным импульсом, то эффективная ширина спектра импульса будет обратно пропорциональна его длительности. В методе DSSS один прямоугольный импульс заменяют последовательностью из 11 импульсов, которые в 11 раз короче исходного. При этом эффективная ширина спектра такой последовательности импульсов оказывается в 11 раз шире, чем у исходного одиночного импульса (бита) и для Wi-Fi сетей составляет 22 МГц. Поскольку энергия сигнала оказывается "размазанной" по всему спектру, то спектральная плотность мощности сигнала оказывается в 11 раз меньше, если ее измерять в той же полосе частот, которую занимал первоначальный прямоугольный импульс. Практически мощность передатчика (около 1 мВт) для диапазона 2,4 ГГц выбирают таким образом, чтобы спектральная плотность полезного сигнала была сравнима или даже меньше спектральной плотности шума.

Для еще большего уменьшения спектральной плотности мощности сигнала его спектральная характеристика должна быть близка к прямой линии, параллельной оси абсцисс, т.е. сигнал должен быть подобен белому шуму. Для этого последовательность коротких импульсов не должна быть периодической, она должна быть шумоподобной (псевдослучайной), с малым временем автокорреляции. Процесс преобразования спектра сигнала к указанному виду называют процессом "обеления" ("отбеливания") спектра. Кроме того, для облегчения обнаружения сигнала в приемнике псевдослучайная последовательность, выбранная для кодирования, должна быть такой, чтобы ее автокорреляционная функция имела только один ярко выраженный максимум. Такому требованию удовлетворяют, в частности, последовательности Баркера [Баскаков]. Последовательность (код) Баркера длиной 11 импульсов для кодирования логической единицы используется в сетях Wi-Fi и имеет вид 11100010010. Логический ноль кодируется инверсной последовательностью Баркера.

Для выделения полезного сигнала с такой малой мощностью на фоне шума в приемнике должна храниться копия передаваемого сигнала (код Баркера). Это позволяет использовать очень эффективные методы оптимальной фильтрации [Баскаков]. Зная, что полезный сигнал представляет собой последовательность Баркера, в приемнике строят оптимальный фильтр с импульсной характеристикой, которая представляет собой масштабную копию входного сигнала, расположенную зеркально по оси времени относительно входного сигнала и сдвинутую в сторону запаздывания на величину не менее длительности выделяемого импульса.

Ширина спектра сигнала в методе DSSS при скорости передачи 1 Мбит/с составляет 22 МГц, а ширина выделенного для Wi-Fi частотного диапазона - 83,5 МГц, т.е. во всем диапазоне можно разместить только 3 неперекрывающихся канала. Однако стандарт делит весь диапазон на 11 перекрывающихся каналов, из которых только три (1-й, 6-й и 11-й) могут работать, не влияя друг на друга.

Достоинствами метода DSSS являются:

• высокая устойчивость к узкополосным помехам;

• возможность восстановления информации при потере во время передачи нескольких бит в коде Баркера.

Вторым методом широкополосной модуляции является FHSS - метод скачкообразного изменения несущей частоты. Он использует тот же диапазон 2,4 ГГц шириной 83,5 МГц, в котором выделяется 79 неперекрывающихся частотных полос по 1 МГц каждая. В процессе передачи частота несущей изменяется скачкообразно. Частота переходов с одной несущей на другую для сети Wi-Fi должна быть не менее 4 Гц в Wi- Fi и 1,6 КГц в сети Blue tooth. Для приема такого сигнала приемник и передатчик содержат таблицы, в которых занесена одна и та же последовательность смены каналов. При таком способе передачи узкополосные помехи приводят к потере только тех фрагментов сообщений, которые передаются на частоте помехи, т.е. фактически только к увеличению времени передачи за счет повторной передачи испорченных фрагментов.

Модификацией FHSS является адаптивный метод FHSS (Adaptive Frequency Hopping - AFH), в котором во время передачи обнаруживаются и запоминаются частоты, на которых передача выполнялась с ошибками контрольной суммы. Эти частоты исключаются из таблицы используемых частот.

Переход с одной частоты на другую уменьшает вероятность взаимного влияния  при совместной работе нескольких передатчиков в сети, поскольку при 79 частотах вероятность совпадения частот двух работающих станций очень низка (порядка ). Поэтому метод FHSS позволяет использовать большее количество одновременно работающих станций в сети. Практически на одной и той же территории могут работать до 15 передатчиков.

FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с. Используется частотная модуляция с двумя дискретными значениями частот  и , которые позволяют сделать четыре комбинации модулированных сигналов:  и закодировать таким образом 4 бита информации.

На практике системы с FHSS способны работать при более высоком уровне шума, чем DSSS благодаря тому, что они занимают более широкую полосу частот (83,5 МГц по сравнению с 22 МГц для DSSS), а вероятность того, что помеха будет занимать полосу 83,5 МГц ниже, чем полосу 22 МГц. Однако интерференция, приводящая к замиранию сигнала, более сказывается на FHSS, поскольку в DSSS замирания происходят только в узкой полосе частот, что приводит к выпадению нескольких бит из 11 передаваемых, а оставшихся бит достаточно для безошибочного распознавания закодированного значения "0" или "1".

Методы расширения спектра имеют следующие достоинства:

• высокая помехоустойчивость благодаря большой избыточности кода и возможности применения оптимальной фильтрации;

• возможность избежать влияния интерференции, поскольку она происходит только в части широкополосного диапазона. В методе DSSS она приводит только к потере нескольких битов, которые можно восстановить, а в методе FHSS - к потере отдельных фрагментов сообщений, которые восстанавливаются путем повторной передачи или теряются только один раз (в методе AFH), до того, как система исключит данную частоту из списка используемых;

• широкополосный сигнал сложнее перехватить, чем узкополосный. FHSS выглядит как шум, если в приемнике не использована та же очередность смены частот, что и в передатчике;

• широкополосный передатчик может использовать один и тот же диапазон частот совместно с другими типами передатчиков с минимальным взаимовлиянием. В частности, он практически не вносит помех в узкополосные системы благодаря очень малой мощности;

• работа при спектральной плотности сигнала на уровне и ниже уровня шума позволяет исключить необходимость получения лицензии на использование таких передатчиков.

Методы модуляции несущей

Идея модуляции состоит в том, чтобы перенести спектр информационного сигнала в область высоких частот, в нашем случае в диапазон 2,4 ГГц, что позволит передать его с помощью электромагнитной волны. Электромагнитные волны возбуждаются в антенне током синусоидальной формы , который называется несущим колебанием или просто несущей. По крайней мере один из параметров  несущей может зависеть от времени: , , . Форма этой зависимости соответствует форме сигнала, который нужно передать с помощью радиоканала. Процесс управления параметрами несущей называется модуляцией. Частным случаем модуляции является манипуляция, когда модулированные параметры изменяются скачкообразно между двумя их значениями. В зависимости от того, какой параметр становится зависимым от времени, модуляция называется амплитудной, фазовой или частотной. Возможны также комбинированные способы модуляции: амплитудно-фазовая, фазо-частотная и т. п.

Количество информации, которое может быть внесено в сигнал, можно увеличить, используя несколько одновременно изменяемых параметров. В цифровых системах передачи модулируемые параметры изменяются дискретно. Поэтому количество информации, приходящееся на бодовый интервал, можно увеличить, увеличивая количество дискретных уровней. Бодовым интервалом называют временной интервал, в течение которого параметры  , ,  остаются постоянными.

Поскольку , т. е. изменение фазы можно представить с помощью изменений амплитуды синусоидальной и косинусоидальной компоненты, то параметры исходного синусоидального колебания можно представить на плоскости с помощью графика (рис. 2.35), у которого по оси абсцисс отложена амплитуда синусоидальной компоненты (т. е. величина , ее называют синфазной компонентой и обозначают на графике буквой I, от слова In-phase), по оси ординат - амплитуда косинусоидальной компоненты, т. е. , которую называют квадратурной и обозначают буквой Q, от слова Quadrature. Полученный таким способом график называется сигнальным созвездием (рис. 2.35). Он совпадает с графиком, изображающим синусоидальное колебание на комплексной плоскости.

При амплитудной модуляции фаза не изменяется, поэтому все точки графика располагаются на оси абсцисс. При фазовой модуляции амплитуда постоянная, поэтому все точки графика лежат на окружности, радиус которой равен амплитуде колебания.

При двоичной фазовой модуляции (BPSK - "Binary Phase Shift Keying") фаза принимает только два дискретных значения: 0 и , поэтому сигнальное созвездие состоит из двух точек, расположенных на оси абсцисс. Эта разновидность фазовой манипуляции является наиболее помехоустойчивой.

Модификацией этого метода является дифференциальная двоичная фазовая манипуляция (DBPSK - Differential BPSK), когда логическим значениям "0" или "1" соответствуют не абсолютные значения фазы, а изменение фазы относительно предыдущего ее значения. Например, если фаза сигнала была равна 0, то для кодирования значения "1" ее изменяют на 180˚, а для кодирования логического "0" фазу оставляют прежней. Аналогичная идея используется в методе NRZI-кодирования (рис. 2.28), когда логической единице соответствует изменение уровня сигнала, а логическому нулю - ее отсутствие.

Если  принимает значения 0 или 1 и при этом  принимает значения 1 и 0, то такая модуляция называется квадратурной фазовой манипуляцией QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) и позволяет получить 4 состояния передаваемого сигнала в пределах бодового интервала. Сигнальное созвездие QPSK показано на рис.2.35. 

Модификацией QPSK является DQPSK-модуляция (Differential QPSK), при которой, аналогично DBPSK, кодируется не величина фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Изменение фазы на 0˚ кодируется как "00", изменение на 90˚ кодируется как "01", на 180˚ - как "11", на 360˚ как "10".

Помехоустойчивость метода модуляции можно оценить по расстоянию между точками сигнального созвездия - это расстояние характеризует амплитуду и фазу помехи, которая достаточна, чтобы был принят ошибочный сигнал. Поэтому при проектировании схем модуляции точки сигнального созвездия выбирают таким образом, чтобы расстояние от любой точки до ее соседей было одинаковым для всех точек созвездия. При этом достигается одинаковая помехоустойчивость для любых передаваемых чисел.

Беспроводные сети используют также амплитудно-фазовую модуляцию 16-QAM (рис. 2.36) и 64-QAM, когда изменяется не только фаза, но и амплитуда колебания. Сигнал может принимать соответственно 16 и 64 бита информации на бодовый интервал, что увеличивает скорость передачи, но за счет снижения помехоустойчивости.

Другие особенности беспроводных каналов

Ряд особенностей беспроводной передачи данных не позволяет использовать многие методы, характерные для проводных промышленных сетей.

Беспроводные трансиверы не могут передавать и принимать сигнал на одном и том же канале. Это связано с быстрым уменьшением плотности мощности излучения от расстояния (2.3). Сигнал собственного передатчика оказывается на порядки сильнее принимаемого сигнала и заглушает его. В отличие от этого, в проводных каналах оба сигнала имеют примерно одинаковую мощность. Поэтому беспроводные трансиверы в принципе не могут прослушивать линию во время передачи, как это делается, например, в CAN или Ethernet. Описанное свойство делает невозможным применение методов доступа к сети, основанных на обнаружении коллизий.

Обнаружение несущей чужой станции даже при неработающем собственном передатчике также оказывается проблематичным, см. рис.2.37 [Willig]. Здесь три окружности показывают границы приема сигналов тремя станциями А, В и С. Предположим, что станция А передает сообщение станции В. В это время станция С прослушивает эфир и не слышит несущую, поскольку находится вне зоны действия станции А. Обнаружив отсутствие несущей, станция С начинает передачу одновременно со станцией А, что приводит к потере информации, поскольку станция В может принимать только один сигнал ("проблема скрытого узла").

Для решения этой проблемы можно использовать сигнал "занято", подаваемый станцией В. Однако наиболее общее решение проблемы предложено в стандарте IEEE 802.11. Оно заключается в том, что станция А начинает сеанс связи с обмена пакетами запроса на передачу RTS (Request To Send). Станция В может ответить пакетом CTS ("Clear To Send" - "свободно"). Только при получении этого сообщения станция А начинает передачу пакета данных. Любая другая станция, получившая пакет RTS или CTS, предназначенный не ей, будет оставаться в состоянии ожидания. Недостатком этого метода является то, что сигналы  RTS/CTS существенно ухудшают скорость обмена между устройствами, поскольку размеры их пакетов сравнимы с размерами полезных данных.

Вышеизложенное показывает, что беспроводные каналы не могут использовать метод доступа к каналу типа CSMA/CD. Для них применяется метод CSMA/CA - ("Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance" - "множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий"). От CSMA/CD он отличается тем, что коллизии в нем не обнаруживаются, в то время как в CSMA/CD коллизии обнаруживаются и принимаются меры для их разрешения. Поскольку в CSMA/ CA коллизии не могут быт обнаружены, т. к. приемник всегда заглушается сигналом своего передатчика, то принимаются специальные меры для снижения вероятности возникновения коллизий. В частности, используют сигналы резервирования канала связи, благодаря чему коллизии возникают между короткими сигналами резервирования, а не между длинными пакетами данных. Предотвращение коллизий выполняется благодаря тому, что станция, которая собирается начать передачу, информирует всех участников сети об этом, резервируя для себя определенное время. И только после того, как все станции приняли этот сигнал, она начинает передавать. Используют также случайную задержку после освобождения канала (в методе CSMA/ CD передача начинается сразу после освобождения канала), чтобы уменьшить вероятность коллизии, поскольку очень вероятно, что многие станции ждут освобождения канала и могут начать передачу сразу и одновременно, как только он освободится.

Следующей проблемой является электропитание беспроводных сетей, поскольку беспроводные устройства (в основном, датчики) не должны иметь проводов (подключаться куда-либо с помощью проводов). Поэтому очень актуальна проблема экономии энергии батарей, поиск простых способов их замены, исключение отказов по причине разряда, поиск альтернативных источников энергии. В литературе рассматриваются варианты передачи энергии питания электромагнитными волнами [Hirai], трансформаторами с большим воздушным зазором (на расстояние до нескольких метров) [O'Brien], извлечение энергии сгорания топлива, применение солнечных батарей.

Методы уменьшение количества ошибок в канале

Вышеизложенное показывает, что ошибки в радиоканале появляются чаще, чем в экранированном кабеле, и обычно носят характер сбоев, в то время как в проводных системах, наоборот, ошибки чаще бывают катастрофическими, связанными с выходом из строя (отказом) канального оборудования. Тем не менее, после принятия всех изложенных мер поток ошибок в радиоканале может быть снижен до необходимого уровня. Например, в авиации вероятность ошибок в беспроводных каналах составляет менее   [Wiberg]. Однако такие значения вероятности достигаются очень большими усилиями. Поэтому наиболее перспективной областью применения беспроводных сетей являются системы, в которых допускается некоторый процент ошибок. Вероятность ошибки может быть использована как компонента целевой функции при проектировании беспроводной системы.

В промышленных сетях часто используется режим широковещательной передачи, когда сообщение одновременно должны принять все участники сети. Его особенностью является отсутствие подтверждения о получении сообщения. В силу низкой вероятности безошибочной передачи по радиоканалу для реализации широковещательной передачи необходимо принять меры для увеличения вероятности доставки сообщений в беспроводном канале. Одним из возможных методов является кодирование широковещательного сообщения с большой избыточностью, при которой приемник может восстановить утерянные во время передачи биты. Несмотря на снижение пропускной способности канала, такой метод может быть очень эффективен.

Для увеличения достоверности передачи используют метод ARQ (Automatic Repeat reQuest - "автоматический повтор в ответ на запрос") [Willig]. Метод ARQ может использовать, например, следующие принципы [Willig]:

• передача дополнительно к сообщению корректирующего кода с большой избыточностью;
• отправление одновременно нескольких одинаковых пакетов; приемник делает повторный запрос только если ни один из пакетов не был принят без ошибок;
• использование нескольких антенн для повторной передачи сообщений.

Для увеличения достоверности передачи используют также чередование. Методы избыточного кодирования и коррекции ошибок обычно основаны на предположении о случайном характере воздействий, приводящих к появлению ошибок. Однако на практике ошибки могут быть коррелированы. Это может быть, например, в случае, когда период основной гармоники помехи равен длительности передачи нескольких битов. Чтобы сделать ошибки более похожими на некоррелированные, используют процедуру чередования - перестановку битов по определенному закону, одному и тому же в передатчике для выполнения чередования и в приемнике, для выполнения восстановления первоначального порядка следования битов. Одним из методов чередования является запись передаваемого фрейма в клеточки матрицы, например, по три бита в строке, а затем считывание битов из матрицы не по строкам, а по столбцам.

Передача сообщений без подтверждения о получении

Существуют также другие методы увеличения достоверности передачи широковещательных сообщений без обратной связи от получателя: методы модуляции, устойчивые к интерференции радиоволн (OFDM - "Orthogonal Frequency-Division Multiplexing") - модуляция с применением нескольких несущих частот, которая использует большое число близко расположенных ортогональных поднесущих; передача одного и того же пакета несколько раз подряд; оптимизация пространственного размещения станций и применение дополнительной инфраструктуры (ретрансляторов и узлов доступа).

Системы связи с обратной связью получают от принимающей станции повторный запрос в случае, если сообщение было принято с ошибками. Такой способ используется, когда предъявляются высокие требования к достоверности передачи, например, при передачи сигналов об аварии. Однако количество повторных запросов имеет естественный предел, который определяется предельным временем, по истечении которого передаваемая информация устаревает и поэтому становится бесполезной.

Используют также гибридный ARQ-метод HARQ (Hybrid Automatic Repeat- reQuest), в котором сочетаются повторная передача, таймауты и избыточные корректирующие коды. Если приемник передающей станции не получил подтверждения от принимающей станции, то по истечении таймаута выполняется автоматическая повторная передача. Дополнительно используется избыточное кодирование, которое позволяет восстановить потерянные при передаче биты.

Приемник может также использовать несколько принятых ошибочных пакетов для того, чтобы путем голосования выбрать из них биты, которые имеют наибольшую вероятностью того, что они правильные.

Поскольку уровень помех в беспроводном канале намного выше, чем в проводном, большинство систем используют в начале фрейма преамбулу увеличенной длительности по сравнению с проводными системами, что увеличивает долю "накладных расходов". Например, физический уровень стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi) с режимом DSSS использует преамбулу длиной 128 мкс, которая передается в каждом пакете и занимает значительную его часть.

Использование пространственного разнесения антенн

Вследствие замираний радиоволн напряженность поля в точке приема будет различной для разных положений приемной антенны. Если два приемника,  и , расположенные на одинаковом расстоянии от передатчика, находятся близко друг к другу, то вероятность того, что они оба находятся в зоне замирания, выше, чем когда они разнесены на большое расстояние, точнее, на расстояние, при котором эффекты, связанные с замираниями, становятся некоррелированными. Это свойство может быть использовано несколькими путями.

Один из вариантов состоит в применении нескольких антенн для одного приемника. Расстояние между антеннами выбирают таким образом, чтобы при замирании в зоне расположения одной антенны в зоне другой был хороший прием. Приемник должен быть способен отличить хороший сигнал от плохого и выбрать лучший.

Аналогичный вариант с несколькими антеннами может быть использован для передатчика. В методе передачи с обратной связью передающие антенны перебираются по очереди, пока от приемника не придет сигнал о том, что сообщение принято. Если применение нескольких антенн невозможно, вместо дополнительных антенн можно использовать другие станции в качестве ретрансляторов.

Вопросы безопасности

Проблемы безопасности разделяются на задачу аутентификации (установление подлинности личности), которая выполняется обычно с помощью идентификации имени пользователя и пароля, задачу разграничения прав доступа к системе и задачу защиты информации с помощью методов шифрования.

Механизмы шифрования [Рошан] основаны на алгоритмах, которые преобразуют сигналы, несущие информацию, в шумоподобные (псевдослучайные) сигналы. Используются два вида шифров: поточный (групповой) и блочный шифр.

Шифры обоих типов генерируют ключевой поток, который определяется значением секретного ключа. Ключевой поток смешивается с кодируемыми данными по схеме "Исключающее ИЛИ", в результате чего получается закодированный текст.

В методах шифрования имеется много нюансов, подробности см. в [Рошан].

2.11.2. 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 [Решение].

Bluetooth [Specification, Sairam] 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. Спецификация Bluetooth поддерживается организацией SIG (Bluetooth Special Interest Group), образованной в 1998 г. и включающей 1900 членов. 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.

2.11.3. ZigBee и IEEE 802.15.4

Стандарт IEEE 802.15.4 [IEEE] является самым новым в серии беспроводных (принят в октябре 2003 г.). На его основе ZigBee Alliance (www.zigbee.org) разработал спецификацию протоколов сетевого и прикладного уровня, которые анонсировал в декабре 2004 года под названием "ZigBee" [ZigBee]. ZigBee Alliance включает в себя более 180 фирм, работающих совместно над продвижением стандартов, стека протоколов и прикладных профилей для потребительского и промышленного сектора экономики. Прикладные профили ориентированы, в частности, на автоматизацию зданий, промышленный мониторинг, вентиляцию и кондиционирование, работу с датчиками. Спецификация ZigBee описывает построение сети, вопросы безопасности, прикладное программное обеспечение.

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) [Hac A., Shen, Low, Gutierrez, Jiang, Bonivento]. Устройства ZigBee используются в применениях, где Bluetooth оказывается слишком дорогим, и не требуется высокая скорость передачи.

ZigBee, как и Bluetooth, использует нелицензируемый [Решение] 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 сети ZigBee представлена в табл. 2.16 Она включает в себя физический уровень (PHY), канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи MAC и LLC (смысл обозначений см. в описании Ethernet), 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 (см. ниже), 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.

Топология Zigbee-сети поддерживается уровнем NWK и может иметь форму звезды, дерева или ячеистой сети. В топологии типа звезды сеть контролируется координатором. Координатор отвечает за инициализацию и обслуживание сетевых устройств и всех конечных устройств, непосредственно взаимодействующих с координатором. В ячеистой и древовидной структуре сети координатор отвечает за организацию сети и выбор некоторых ключевых параметров, но сеть может быть расширена с помощью ZigBee маршрутизаторов. В сети с древовидной топологией маршрутизаторы перемещают данные и управляющие сообщения по сети, используя иерархическую стратегию маршрутизации. Древовидные сети могут использовать маячковую стратегию маршрутизации (см. ниже).

Ячеистая сеть должна обеспечить полную одноранговую коммуникацию устройств, т.е. в ячеистой сети нет устройств разных рангов (координаторов, маршрутизаторов и т.п. - все устройства равноправны).

Физический и канальный уровень

Физический уровень модели OSI обеспечивает интерфейс между стеком протоколов и средой передачи информации (эфиром). Физический (PHY) и канальный (MAC) уровни модели OSI (Денисенко) определены в стандарте IEEE 802.15.4. Они имеют следующие основные характеристики:

• скорость передачи: 250 кбит/с;
• короткий 16-битный адрес или расширенный длиной 64-бита;
• выделение интервала времени для передачи информации каждый узлом;
• метод доступа к каналу типа CSMA/ CA;
• протокол обмена с уведомлением о получении;
• малое потребление мощности;
• контроль уровня энергии;
• наличие индикатора качества связи;
• 16 каналов в диапазоне 2,45 ГГц.

Частоты 868 и 902 МГц, предусмотренные стандартом, в России не применяются и поэтому в дальнейшем не упоминаются.

Стандарт IEEE 802.15.4 использует модуляцию типа OQPSK - "Offset-Quadrature Phase-Shift Keying" - "смещенная квадратурная фазовая манипуляция".

Основным назначением физического уровня является прием и передача данных через радиоканал. Здесь также измеряется мощность радиосигнала, оценивается качество связи и чистота канала, осуществляется выбор канала.

Подуровень MAC управляет маячком, доступом к каналу, выделяет гарантированные слоты времени, проверяет достоверность передачи фреймов, передает фрейм подтверждения о получении, выполняет часть работы по обеспечению защиты информации.

Стандарт допускает опциональное использование суперфреймовой структуры сообщений (рис. 2.38). Формат суперфрейма определяется сетевым координатором. Суперфрейм с двух сторон ограничивается маячками, делится на 16 равных по длине слотов и посылается сетевым координатором. Маячок помещается на место первого слота каждого суперфрейма. Координатор может отключить режим сообщений с маячками. Маячки используются для синхронизации присоединенных устройств, для идентификации сети и для описания структуры суперфрейма. Любые устройства, желающие начать процесс коммуникации в промежуток времени между двумя маячками, должны использовать слотовый механизм доступа CSMA/CA. Передача сообщений должна быть закончена до прихода следующего маячка.

IEEE 802.15.4 устанавливает два механизма доступа к каналу CSMA/ CA, в зависимости от типа конфигурации сети. В сети без маячков используется обычный (бесслотовый) механизм доступа CSMA/ CA. Каждый раз, когда устройство собирается начать передачу, оно должно выдержать паузу случайной величины после того, как канал освободится. Случайная задержка нужна потому, что очень вероятно, что многие устройства сети ждут освобождения канала и поэтому после его освобождения могут начать передачу одновременно. Если канал занят, то устройство может повторить попытку после повторной случайной задержки. Фреймы подтверждения о получении посылаются сразу, без использования описанного алгоритма.

В сети с маячками используется слотовый (тактированный) механизм доступа CSMA/CA, в котором начало временного слота должно совпадать с границей суперфрейма сетевого координатора, т.е. начало слота для каждого устройства должно быть синхронизировано с началом передачи маячка сетевым координатором. Поскольку устройство не может начать передачу, пока не найдет маячок, а маячки рассылаются только сетевым координатором, то сетевой координатор с помощью маячков выполняет тактирование актов обмена во всей сети. При этом PHY уровень должен обеспечить, чтобы все передачи в сети начинались одновременно с началом слотов. Введение описанной синхронизации позволяет уменьшить вероятность одновременной передачи сообщений несколькими узлами сети.

Для устройств, которые требуют срочной доставки или большой пропускной способности канала, сетевой координатор может зарезервировать часть суперфрейма, в котором будет отсутствовать конкуренция за канал (рис. 2.38), поскольку в это время сетевой координатор запрещает любую передачу всем другим устройствам. Эта часть слотов суперфрейма называется гарантированными временными слотами (Guaranteed Time Slots - GTSs).

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, используя бесслотовый 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 (рис. 2.39). 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.

Структура фреймов

Структура фреймов была спроектирована по критерию минимальной сложности, обеспечивающей надежную передачу данных в зашумленном канале. В соответствии с моделью OSI, каждый нижележащий уровень добавляет к протоколу свой заголовок. Стандарт предусматривает четыре типа фреймов:

• фрейм маячка;
• фрейм данных;
• фрейм уведомления о получении;
• фрейм команд MAC-подуровня

Фрейм данных (рис. 2.40) начинается с преамбулы, которая совместно с полем "Старт" служит для синхронизации данных в приемнике, поле "Длина" содержит длину поля MAC подуровня в 8-битовых байтах (октетах). Поле "Управление" содержит служебную информацию об управлении фреймами, поле "Номер" содержит порядковый номер данных, поле "Адрес" содержит адресную информацию, в том числе 16-битный короткий или 64-битный расширенный адрес. Завершается фрейм полем контрольной суммы КС.

Сетевой уровень

Особенностью сетей ZigBee является возможность выполнять ретрансляцию передаваемых данных через множество промежуточных узлов в сети, причем при выходе из строя или выключении одного из узлов сеть автоматически находит другой путь для передачи информации. При включении питания устройства сеть заново включает его в свой состав.

Стандарт различает два типа устройств: полнофункциональные устройства (FFD - Full-Function Device) и устройства с сокращенным набором функций (RFD - Reduced-Function Devices). FFD могут работать в сети с древовидной топологией в качестве координатора сети или в качестве устройства. FFD могут обмениваться информацией с другими FFD или RFD, но RFD могут связываться только с FFD. RFD гораздо проще и дешевле, чем FFD. Любая сеть должна содержать по крайней мере одно полнофункциональное устройство FFD.

В зависимости от требований конкретного применения, сеть на основе стандарта IEEE 802.15.4 может иметь одну их двух топологий: звездную рис. 2.41-а или одноранговую ("равный с равным"), рис. 2.41-б.

Все устройства в сети независимо от топологии должны иметь уникальный 64-битный расширенный адрес. Этот адрес используется для коммуникации в пределах сети или может быть изменен на короткий 16-битный адрес, выделяемый координатором в процессе подключения устройств к сети. Координатор может быть подключен к сети питания, а остальные сетевые устройства могут иметь батарейное питание.

Одноранговая сеть также имеет координатора, однако она отличается тем, что любое устройство может обмениваться данными с любым другим, если оно находится в зоне досягаемости радиосвязи, в то время как в звездной топологии любое устройство может взаимодействовать только с координатором. Отметим, что одноранговая сеть получается всегда дороже, поскольку она содержит только полнофункциональные устройства, но благодаря этому она позволяет организовывать сети более сложной топологии, в том числе ячеистые. Большинство промышленных применений требуют применения одноранговых сетей. К ним относятся управление и мониторинг, сенсорные сети, отслеживание местоположения имущества и товара, "интеллектуальное" сельское хозяйство, системы безопасности. Одноранговые сети могут быть специализированными, самоорганизующимися и самовосстанавливающимися. Они позволяют передавать информацию между узлами сети независимо от расстояния между ними, используя промежуточные узлы в качестве ретрансляторов. Эти функции выполняются уровнем приложений модели OSI.

Несколько сетей могут взаимодействовать друг с другом. Для этого каждая сеть должна иметь уникальный сетевой идентификатор. Благодаря ему внутри сети могут использоваться сокращенные адреса. Поэтому полный адрес устройства для доступа извне (из другой сети) состоит из адреса сети и короткого адреса устройства.

Базовая структура сети звездной топологии показана на рис. 2.41-а. После первого включения полнофункционального сетевого устройства оно может организовать свою собственную сеть и стать сетевым координатором. Все сети звездной топологии функционируют независимо одна от другой. Это достигается выбором сетевого идентификатора, который не используется другими сетями, находящимися в пределах радиуса действия данной сети. После выбора сетевого идентификатора координатор может принять другие устройства в состав сети, как FFD, так и RFD.

В одноранговой сети (рис. 2.41-б) каждое устройство может взаимодействовать с любым другим устройством, находящимся в пределах его радиуса действия. Одно из устройств назначается координатором, например, то, которое первым включено в сеть. При дальнейшем расширении сети можно отойти от одноранговой топологии и создать гибридную топологию, в которой будут содержаться и устройства с сокращенной функциональностью.

Примером применения одноранговой коммуникации между устройствами может быть кластерное дерево (рис. 2.42). Кластерное дерево является специальным случаем одноранговой сети, в которой большинство устройств являются полнофункциональными. Устройства с сокращенной функциональностью могут быть подключены к кластерному дереву только как оконечные узлы на концах ветвей, поскольку они могут быть подключены только к одному полнофункциональному устройству. Одно (любое) из полнофункциональных устройств в сети должно играть роль сетевого координатора и обеспечивать синхронизацию с другими устройствами. Сетевой координатор должен иметь повышенные вычислительные ресурсы.

При формировании сети типа кластерного дерева сетевой координатор назначает себя главой первого кластера (CLaster Head - CLH) и присваивает своему кластеру идентификатор 0 (Cluster IDentifier CID=0) и выбирает идентификатор всего формируемого кластерного дерева. После этого координатор посылает всем соседним устройствам широковещательную команду с маячковым фреймом. Устройства, получившие маячок, могут запросить разрешения присоединиться к формируемому кластеру. Если сетевой координатор разрешает присоединение, он добавит новое устройство в свой список соседних устройств. Затем вновь присоединившееся устройство добавит CLH в качестве родительского устройства в список своих соседей и начнет периодически посылать маячок. Теперь другие устройства могут подсоединиться к нему. Если устройство, желающее подсоединиться к сети, не может найти CLH, оно может подсоединиться к любому другому устройству, которое может быть родительским.

Простейшим частным случаем кластерного дерева является один кластер, однако несколько кластеров могут объединяться, образуя кластерное дерево (рис. 2.42). Для этого сетевой координатор назначает одно из полнофункциональных устройств главой соседнего кластера и назначает ему номер кластера CID=1. Подробнее процедура формирования кластерного дерева описана в [IEEE].

Уровень приложений

Уровень приложений связывает стек протоколов с конечным приложением пользователя, например, ОРС сервером, который далее используется для обмена данными со SCADA. Подуровень поддержки приложений APS (см. Денисенко) обеспечивает интерфейс между сетевым уровнем и уровнем приложений APL посредством общего набора сервисов, которые используются как подуровнем объектов устройств ZDO, так и прикладными объектами Application Objects, определяемыми пользователем.  Подуровень APS распределяет между конечными сетевыми устройствами информацию, поставляемую приложением, например, команды включения/выключения лампочки в системе автоматизации здания.

Объекты приложений в ZigBee выполняют следующие функции, используя общедоступный интерфейс ZDO:

• контроль и координация разных уровней протокола для ZigBee устройств;
• инициирование стандартных сетевых функций.

Одним из компонентов ZigBee сети является ZigBee устройство. Примером может быть выключатель света, термостат или удаленная система автоматического управления, которые имеют доступ к радиоканалу. В одном и том же устройстве с одним радиоканалом могут быть воплощены логически различные функции, например, функция измерения веса и функция измерения температуры.

Несколько взаимодействующих устройств могут образовывать автоматизированную систему управления, например, АСУ "Умный дом". В такой системе подуровень APS модели OSI (Денисенко) обеспечивает распределение информации, поставляемой пользовательским приложением, между устройствами. Такой информацией могут быть, например, команды "Включить свет", посылаемые от приложения разным устройствам по радиоканалу.

Уровень поддержки приложений APS  для реализации своих функций использует коммуникационные структуры: профили, кластеры и конечные точки. Профиль описывает коллекцию (набор) устройств, используемых для некоторого приложения, и, неявно, схему сообщений между этими устройствами. Например, в ZigBee имеются профили для системы домашней автоматизации и профили для коммерческих, промышленных и учрежденческих систем. Все профили используют стандартные типы сообщений, форматы сообщений и процедуры их обработки.

В рамках профилей устройства обмениваются между собой с помощью кластеров, которые могут исходить или входить в устройство. Кластер - это сообщение или коллекция сообщений, в состав которых могут входить команды и ответы на них.  Например, в профиле для домашней автоматизации имеется специализированный кластер для управления освещением. В его состав могут входить команды Включить/Выключить. В состав кластера может входить набор команд для конфигурирования устройства. Каждый кластер имеет свой идентификатор и является уникальным только в пределах определенного профиля.

Конечная точка указывает объект в пределах устройства, с которым взаимодействует приложение. Например, конечная точка EP1 (EP - от слов "End Point") может предназначаться для управления светом в цехе и коридоре (рис. 2.43), конечная точка EP7 - для управления системой вентиляции и кондиционирования, конечная точка 1 второго устройства - для управления системой охраны здания. Конечные точки выполняют функцию адресации и позволяют определить, какому устройству предназначено посланное сообщение. В пределах одного устройства они имеют индексы от 1 до 240. Без конечных точек управлять несколькими объектами в пределах одного устройства было бы невозможно, поскольку адресуемым является только устройство, а  конечные точки - это суб-адреса с номерами от 1 до 240.

Связи между конечными точками хранятся в виде таблицы связей, которая запоминается в устройстве, от которого исходят команды управления, если устройство имеет достаточную для этого емкость памяти. Таблица связей может также храниться во вспомогательном устройстве.

Стремясь обеспечить совместимость (точнее, интероперабельность) устройств разных производителей в ZigBee системе, стандарт предлагает стандартные профили, которые содержат стандартные наборы кластеров. В случае, когда стандартные профили не удовлетворяют потребностям системного интегратора, он может создать свой, пользовательский, профиль, включая определения кластеров.

2.11.4. Wi-Fi и IEEE 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, см. начало раздела "Беспроводные локальные сети". Например, для передачи информации от движущихся частей механизмов; если нельзя сверлить стены; на большом складе, где компьютер нужно носить с собой.

Wi-Fi разработан консорциумом Wi-Fi на базе серии стандартов IEEE 802.11 (1997 г.) [ANSI] и обеспечивает скорость передачи от 1...2 до 54 Мбит/с. Wi- Fi консорциум разрабатывает прикладные спецификации для воплощения стандарта Wi- Fi в жизнь, выполняет тестирование и сертификацию продукции других фирм на соответствие стандарту, организует выставки, обеспечивает необходимой информацией разработчиков Wi- Fi оборудования.

Несмотря на то, что стандарт IEEE 802.11 был ратифицирован еще в 1997 г., сети Wi- Fi получили широкое распространение только в последние годы, когда существенно понизились цены на серийное сетевое оборудование. В промышленной автоматизации из множества стандартов серии 802.11 используются только два: 802.11b со скоростью передачи до 11 Мбит/с и 802.11g (до 54 Мбит/с).

Физический и канальный уровень

Модель OSI для стандартов Wi-Fi и IEEE 802.11 показана в табл. 2.17. 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 (элемента протокола данных, сравните с рис. 2.25) во фрейм формата FHSS или DSSS (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей и пути их решения"). 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).

Физический уровень выполняет скремблирование, кодирование и чередование (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей...").

Передача сигналов по радиоканалу выполняется двумя методами: FHSS и DSSS (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей и пути их решения"). При этом используется дифференциальная фазовая модуляция DBPSK и DQPSK (см. "Методы модуляции несущей") с применением кодов Баркера, комплементарных кодов (CCK - Complementary Code Keying) и технологии двойного сверточного кодирования (PBCC) [Рошан].

Wi-Fi 802.11g на скорости  1 и 2 Мбит/с использует модуляцию DBPSK. При скорости передачи 2 Мбит/с используются те же метод, что и при скорости 1 Мбит/с, однако для увеличения пропускной способности канала используется 4 разных значения фазы (0, ) для фазовой модуляции несущей.

Протокол 802.11b, использует дополнительно скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. На этих скоростях передачи вместо кодов Баркера используются комплементарные коды (CCK).

Wi-Fi использует метод доступа к сети CSMA/ CA (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей и пути их решения"), в котором для снижения вероятность коллизий использованы следующие принципы:

• прежде, чем станция начнет передачу, она сообщает, как долго она будет занимать канал связи;
• следующая станция не может начать передачу, пока не истечет зарезервированное ранее время;
• участники сети не знают, принят ли их сигнал, пока не получат подтверждение об этом;
• если две станции начали работать одновременно, они смогут узнать об этом только по тому факту, что не получат подтверждение о приеме;
• если подтверждение не получено, участники сети выжидают случайный промежуток времени, чтобы начать повторную передачу.

Предотвращение, а не обнаружение коллизий, является основным в беспроводных сетях, поскольку в них, в отличие от проводных сетей, передатчик трансивера заглушает принимаемый сигнал.

Формат фрейма на уровне PLCP модели OSI (табл. 2.17) в режиме FHSS показан на рис. 2.44. Он состоит из следующих полей:

• "Синхрониз." - содержит чередующиеся нули и единицы. Служит для подстройки частоты на принимающей станции, синхронизирует распределение пакетов и позволяет выбрать антенну (при наличии нескольких антенн);
• "Старт" - флаг начала фрейма. Состоит из строки 0000 1100 1011 1101, которая служит для синхронизации фреймов на принимающей станции;
• " PLW" - "Psdu Length Word" - "слово длины служебного элемента данных PLCP", PSDU - "PLCP Service Data Unit" - элемент данных подуровня PLCP; указывает размер фрейма, поступившего с уровня MAC, в октетах;
• "Скорость" - указывает скорость передачи данных фрейма;
• "КС" - контрольная сумма;
• "MAC-фрейм" - фрейм, поступивший с MAC-уровня модели OSI и содержащий PSDU;
• "Заголовок PLCP" - поля, добавленные на подуровне PLCP.

Формат фрейма на уровне PLCP модели OSI (табл. 2.17) в режиме DSSS показан на рис. 2.45. В нем поля имеют следующий смысл:

• "Синхрониз." - содержит только единицы и обеспечивает синхронизацию в приемной станции;
• "Старт" - флаг начала фрейма. Содержит строку 0 xF3A0, которая указывает начало передачи параметров, зависящих от физического уровня;
• "Сигнал" - указывает тип модуляции и скорость передачи данного фрейма;
• "Сервис" - зарезервировано для будущих модификаций стандарта;
• "Длина" - указывает время в микросекундах, необходимое для передачи MAC-фрейма;
• "КС" - контрольная сумма;
• "MAC-фрейм" - фрейм, поступивший с MAC-уровня модели OSI и содержащий PSDU;
• "Заголовок PLCP" - поля, добавленные на подуровне PLCP.

Дальность связи средствами Wi-Fi сильно зависит от условий распространения электромагнитных волн, типа антенны и мощности передатчика. Типовые значения, указываемые изготовителями Wi-Fi  оборудования, составляют 100-200 м в помещении и до нескольких километров на открытой местности с применением внешней антенны и при мощности передатчика 50...100 мВт. Вместе с тем, по сообщению германского еженедельника "Сomputerwoche" во время соревнований по дальности связи была зафиксирована связь на расстоянии 89 км с применением стандартного оборудования Wi-Fi стандарта IEEE 802.11b (2,4 ГГц) и спутниковых антенн ("тарелок"). В книге рекордов Гиннеса зафиксирована также Wi-Fi связь на расстоянии 310 км с применением антенн, поднятых на большую высоту с помощью воздушных шаров.

Архитектура сети Wi-Fi

Стандарт IEEE 802.11 устанавливает три варианта топологии сетей:

• независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSS);
• базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSS);
• расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESS).

Под зоной обслуживания здесь понимается набор логически сгруппированных устройств. Каждая зона обслуживания имеет свой идентификатор (Service Set Identifier, SSID). Станция-приемник использует SSID для определения того, из какой зоны обслуживания приходит сигнал.

В архитектуре IBSS станции связываются непосредственно одна с другой, без использования точки доступа и без возможности подсоединения к проводной локальной сети. Зона обслуживания SSID используется обычно для объединения в сеть малого количества станций, поскольку в ней не предусмотрена возможность ретрансляции сигнала для увеличения дальности связи и механизмы для решения проблемы скрытого узла (см. рис. 2.37).

При использовании BSS станции общаются другом с другом через общий центральный узел связи, называемый точкой доступа. Точка доступа обычно подключается к проводной локальной сети Ethernet.

Расширенная зона обслуживания получается при объединении нескольких BSS в единую систему посредством распределительной системы, в качестве которой может выступать проводная сеть Ethernet.

2.11.5. Сравнение беспроводных сетей

В табл. 2.18 сведены основные параметры трех рассмотренных беспроводных технологий. В таблице отсутствуют данные о стандартах WiMAX, EDGE, UWB и многих других, которые не нашли широкого применения в промышленной автоматизации.

• 1 Архитектура системы
• 2 Промышленные сети и интерфейсы
  • 2.1 Общие сведения о промышленных сетях
  • 2.2 Модель OSI
  • 2.3 Интерфейсы RS-485, RS-422 И RS-232
  • 2.4 Интерфейс «токовая петля»
  • 2.5 HART-протокол
  • 2.6 CAN
  • 2.7 PROFIBUS
  • 2.8 MODBUS
  • 2.9 Промышленный ETHERNET
  • 2.10 Протокол DCON
  • 2.11 Беспроводные локальные сети
  • 2.12 Сетевое оборудование
  • 2.13. Заключение
• 3 Защита от помех
• 4 Измерительные каналы
• 5 ПИД-регуляторы
• 6 Контроллеры
• 7 Автоматизация опасных объектов
• 8 Аппаратное резервирование
• 9 Программное обеспечение
• Литература

© НИЛ АП, ООО, 1989-2024