Draadloze Communicatie in de industriële automatisering Realiteit of Hype?
Ing. Henk Capoen Hogeschool West-Vlaanderen, Departement PIH Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk
1
Antennes Propagatie
link budget
site survey
Industriële omgeving Quality of Service Security 2
Antennes Propagatie
link budget
site survey
Industriële omgeving Quality of Service Security 3
Begrippen: meeteenheden Vier meeteenheden voor RF signaalvermogen o mW
(milliwatt)
o dBm
(“dB” – milliwatt)
o RSSI
(Receive Signal Strength Indicator)
o Signal Strength Percentage
Formules 10 log10
P2 P1
oWaarde in dB
=
oWaarde in dBm
= 10 log10 P2 1mW 4
Antennes: frequentie en golflengte Fundamenteel verband
λ
Met C = lichtsnelheid 300 miljoen meter/sec F = frequentie (Hz) λ = golflengte (m)
Frequentie Golflengte Frequentie Golflengte
1 MHz 300m 1 GHz 30 cm
3 MHz 30m 3 GHz 10cm
30 MHz 10m 30 GHz 1cm
100 MHz 3m 300 GHz 1 mm
300 MHz 1m 3 THz 100µm 5
Antennes: algemeen Omzetting elektrische energie in elektromagnetische straling Ontwerp antenne maakt het mogelijk energie in een bepaalde richting te sturen Efficiënte antenne: dimensies van /4 of /2
6
Antennes: Stralingspatronen Directionaliteit o Omnidirectioneel (360°) o Directioneel (beperkte coverage, verder bereik) Antenne Gain o Mate waarin een antenne de energie richt o Uitgedrukt in dBi of dBd (0 dBd = 2.14 dBi)
G=
Maximum vermogen intensiteit Gemiddelde vermogen intensiteit
7
Antennes: stralingspatroon
Omnidirectionele antenne
Directionele antenne
o Geen isotrope straler o Enkel omnidirectioneel in één vlak o Gain van 2.14 dBi
8
Antennes: polarisatie
9
Antennes: voorbeeld industriële antenne
10
Antennes Propagatie
link budget
site survey
Industriële omgeving Quality of Service Security 11
Propagatie: reflectie Elektromagnetische golf valt in op object dat groot is ten opzichte van de golflengte (bv. vloer, plafond, wanden,…)
12
Propagatie: diffractie Stralingspad tussen zender en ontvanger verstoord door een oppervlak met scherpe randen Golven buigen rond het obstakel zelfs als Line of Sight (LOS, visueel rechtstreeks pad) niet bestaat
13
Propagatie: verstrooiing Energie verstrooid in verschillende richtingen door objecten kleiner dan de golflengte (bijvoorbeeld stoelen, lampen,…)
14
Propagatie: interferentie
Signalen zijn in fase en versterken elkaar
Signalen in tegenfase en verzwakken elkaar
15
Propagatie: verzwakking in vrije ruimte Vrije ruimte: geen objecten
Verzwakking: Ls ( d ) =
4πd
λ
2
[12]
o Verzwakking met een factor 100 als ontvanger van 1 meter naar 10 meter wordt verplaatst o Verlies neemt toe met kwadraat van de frequentie
Afweging o Lage frequenties dragen ver o Antennes groter en minder gefocusseerd
16
Propagatie: path loss Empirisch model voor de path loss PL One-slope model: PL(d) = PL(d0)+10n log(d/d0)+χ χ mediaan
o PL(d) = path loss [dB]
variaties
o d = afstand tussen zender en ontvanger [m] o PL(d0) = path loss [dB] op referentie-afstand d0 [m] o n = path loss exponent [-] o χ = random normaal verdeeld [dB] Standaardafwijking
[dB]
Ten gevolge van shadowing
17
Link budget Bepaling maximale afstand R [m] voor draadloze communicatie o Berekening voor de site survey meetconfiguratie
Met behulp van meetresultaten o Path loss model (large-scale fading) o Rice K-factor (temporele fading) o Frequentie: 2.4 GHz
Afstandsbereik afhankelijk van gewenste datarate o Meeste industriële toepassingen: 2 tot 11 Mbps nodig o Link budget opstellen voor: 2, 11 en 18 Mbps
18
Link budget PT + GT + GR – LT – LR – PR = PL(d0) + 10n log(R/d0) + MS + MF PLmax
PL(R)
PLmax: maximaal toegestane path loss zodat het WLAN signaal nog correct ontvangen wordt [dB] o PT = zendvermogen [dBm] o GT, GR = antennewinst Tx, respectieverlijk Rx [dB] o LT, LR = verlies antennekabel Tx respectievelijk Rx [dB] o PR = gevoeligheid Rx [dBm]
PL(R): one-slope path loss model [dB] MS: shadowing margin [dB] MF: fade margin [dB]
Oplossen naar bereik R [m]
19
Link budget: rekenvoorbeeld
PLmax = PL(R) + MS + MF R=
d0·10(PL(R) – PL(d0))/10n
Bereik R voor o 2 Mbps o LSF topologie 3
R = 84 m
parameter
waarde
PT
14 dBm
GT
2 dBi
GR
-2 dBi
LT
0 dB
LR
0 dB
PR @ 2 Mbps
-80 dBm
PLmax
94 dB
MS
5.90 dB
MF
4 dB
PL(R)
84.10 dB
R
84 m 20
Link budget versus site servey Magazijn te Berry Floor meetgevens: magazijn, NLOS en LOS met een significante hoeveelheid verstrooiingselementen die zich hoger dan de ontvangstantenne bevinden hoogte zendantenne: 6m hoogte ontvangstantenne: 2m toegepaste datarate: 11 Mbps
site survey
link budget
access point 21
Antennes Propagatie
link budget
site survey
Industriële omgeving Quality of Service Security 22
Kenmerken apparatuur
Kantoor omgeving
Industriële omgeving
Omgeving
• Normaal temperatuurbereik • Weinig stof en vocht • Nauwelijks kans op mechanische beschadigingen of problemen met chemicaliën • Geringe EMC belasting
• Breed temperatuurbereik • Stof, vocht en trillingen mogelijk • Kans op mechanische beschadigingen en problemen met chemicaliën/dampen/gassen • Hoge EMC belasting
Transmissie
• • • •
• • • •
Grote data paketten Uitval niet gewenst Hoofdzakelijk acyclische transmissie Real-time gedrag niet noodzakelijk
Kleine data paketten Uitval niet toegestaan Hoofdzakelijk cyclische transmissie Real-time gedrag wel noodzakelijk
23
Kenmerken apparatuur
Kantoor omgeving
Industriële omgeving
Montage
• 19” cabinets of geen montage
• DIN rail
Voedingsspanning
• 230 V AC
• 24 V DC of PoE
Isolatieklasse
• IP 20
• IP 65 / IP 67
Behuizing
• Plastieken uitvoering
• Robuuste kunststof of metalen behuizing
Temperatuursbereik
• 0 °C – 40 °C
• -20 °C – 60 °C
Connectoren
• Standaard RJ45 • Voorgemaakte kabels
• RJ45 in kasten, M12 op de werkvloer • Connectoren assembleerbaar op de werkvloer
Levensduur
• 5 jaar
• 10 jaar
Koeling
• Actieve koeling
• Passieve koeling
Beschikbaarheid
• Geen redundantie
• Redundante uitvoeringen (verhoogde beschikbaarheid)
24
De industriële omgeving Grote open ruimtes Magazijnen Productieruimtes Mogelijke stoorbronnen o WLAN (2,4 GHz) o Microgolf oven (2,4 GHz) o DECT (1,9 GHz) o Elektrische poort (300 MHz) o Frequentiesturing (200 MHz) o Lasapparatuur (50 MHz) o Lasersnijmachines (1,7 GHz)
Structurele barrières 25
Antennes Propagatie
link budget
site survey
Industriële omgeving Quality of Service Security 26
QoS: EDCA WLAN: IEEE 802.11e en WMM (Wi-Fi Multimedia) o Prioriteit bij de toegang tot het medium o 4 prioriteitsniveaus
27
Industriële standaarden Redundantie o Meerdere radio interfaces
5,2 GHz 2,4 GHz
o Twee frequenties
Mesh: IEEE 802.11s o Snelle roaming tijden o Verhoogde beschikbaarheid van het WLAN o Verwacht in 2008
Roaming: IEEE 802.11r o Verwacht in 2008, roamingtijd < 50ms o Huidige roaming tijden zijn te hoog 28
Antennes Propagatie
link budget
site survey
Industriële omgeving Quality of Service Security 29
WLAN Security Security en industriële applicaties o Veilige werking: noodzakelijkheid van redundantie
o Betrouwbare en stabiele datacommunicatie
o Netwerkbeveiliging: wie krijgt toegang en hoe veilig is de data?
30
WLAN Security PROBLEEM Beacons, ieder AP stuurt iedere 100ms een beacon uit. Het bestaan van het netwerk en info over AP worden op die manier overgedragen aan mogelijke clients. Netwerknaam (SSID), wordt mee verstuurd met de beacon
AANTAL KLEINE MAATREGELEN TREFFEN o Uitschakelen SSID broadcast o SSID aanpassen o Login aanpassen o Vaste IP adressen o Blokkeren van MAC adressen 31
WLAN Security VEILIGE COMMUNICATIE Encryptie het versleutelen van data
Authenticatie toegangscontrole
Integriteit controle op de echtheid van datapakketten
32
WLAN Security VERSLEUTELING VAN WIFI DOOR DE JAREN HEEN
Geen encryptie WEP IEEE 802.11B WPA met TKIP en Michael (maart 2003 / WiFi 2004) WPA2 met AES (eind 2004 / WiFi 2006)
33
WLAN Security WPA (WiFi Protected Access) voorlopige opvolger van WEP, zelfde algortimen en hardware niet enkel encryptie maar ook netwerkverificatie
ENCRYPTIE bij WPA maakt gebruik van TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) INTEGRITEITSCONTROLE van data (MIC) NETWERKVERIFICATIE Personal mode: WPA-PSK (Pre-Shared Key) Enterprise mode: WPA- 802.1x/EAP (Extensible Authentication Protocol) 34
WLAN Security WPA2 o Wi-Fi alliantie gebruikt de term WPA2 voor de volledige IEEE 802.11i standaard o Maakt standaard gebruik van AES, Advanced Encryption Standard (AES), een geavanceerde vorm van versleuteling: BLOCK CIPHERS Vereist nieuwe krachtigere hardware o Norm vrijgegeven sinds eind 2004 o 2 modes zijn voorzien: Personal mode Enterprise mode
Encryption: AES Authentication: PSK Encryption: AES Authentication: IEEE 802.1X/EAP 35
WLAN Security AUTHENTIFICATIE (zowel voor WPA als WPA2) PSK Met een wachtwoord dat uit minstens 20 tekens bestaat: letters (ondersscheid kleine en hoofdletters), cijfers en allerlei leestekens Een goed wachtwoord is bv: Qt12$#YhA&^jj45laHGUs.
IEEE 802.1x/EAP Open standaard, onafhankelijk van de encryptie methode In combinatie met een authentificatieserver, RADIUS Server Verschillende authenticatie protocollen mogelijk EAP-MD5 EAP-TTLS EAP-SIM Protected EAP Na authenticatie pas toegang tot het netwerk 36
