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
Draadloze communicatie
2
1
Draadloze communicatie ~ frequenties De FCC heeft bepaald dat draadloze LAN netwerken kunnen gebruik maken van de ISM band. Deze frequentieband is licentie vrij. Voor Europa definieert de ETSI het frequentiespectrum. golflengte 3x106m
3x105m
3x104m
3x103m
300m
30m
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
10MHz
frequentie
3m
100MHz
30cm
3cm
1GHz
10GHz
0,3cm
100GHz
0,03cm
1THz
ISM band Industrial: 902 – 928 MHz Science: 2,4 – 2,4835 GHz Medical:
5,725 – 5,825 GHz 3
Draadloze communicatie ~ frequenties Als aanvulling op de ISM band heeft de FCC drie ‘Unlicensed National Information Infrastructure bands’, kortweg ‘UNII bands’ gespecificeerd. De drie banden waren oorspronkelijk bedoeld om het experimenteel gebruik te stimuleren. golflengte 3x106m
3x105m
3x104m
3x103m
300m
30m
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
10MHz
frequentie
3m
100MHz
30cm
3cm
1GHz
10GHz
0,3cm
100GHz
0,03cm
1THz
UNII band Lowband:
5,15 – 5,25 GHz
Midband:
5,25 – 5,35 GHz
Highband:
5,725 – 5,825 GHz 4
2
Draadloze communicatie ~ modulatie o Draadloze communicatie: informatie wordt gemoduleerd op een radiofrequent signaal. o Modulatie: dynamisch wijzigen van de karakteristieken van het hoogfrequent signaal X(t) = A . cos ( t + ) f = 1000 Hz A=2V = 30
Deze golf stelt een bit of een bitpatroon voor en wordt een symbool genoemd.
5
Draadloze communicatie ~ modulatie Digitale modulatie zet de digitale data (0 en 1) om in een analoog signaal (basisbandsignaal). Digitale modulatie is nodig als men digitale data wil versturen over een medium dat alleen geschikt is voor analoge transmissie. radio zender
digitale data 101101001
digitale modulatie
analoog basisband signaal
analoge modulatie
radio drager
Analoge modulatie schuift (bij draadloze communicatie) de centrumfrequentie van het door de digitale modulatie gegenereerde basisbandsignaal om naar de radiofrequentie van het draagsignaal. 6
3
Draadloze communicatie ~ modulatie Digitale modulatie: in de meest eenvoudige vorm moet er een herkenning gebeuren van 2 signalen, het signaal stelt een logische ‘0’ of logsiche ‘1’ voor. ASK
FSK
PSK
Amplitude Shift Keying
Frequency Shift Keying
Phase Shift Keying
zeer eenvoudig vereist weinig bandbreedte erg gevoelig voor interferentie
complexer robuust tegen interferentie
vereist grotere bandbreedte
7
Draadloze communicatie ~ modulatie We kunnen afhankelijk van de gebruikte modulatiemethode meerdere bits per symbool verzenden. DBPSK
DQPSK
Differential Binary PSK
Differential Quadrature PSK
(één bit per symbool)
(twee bits per symbool)
0
1
01
00
11
10
Voor een zelfde bitrate krijgen we een hogere datarate, dus een hogere spectrale efficiëntie 8
4
Draadloze communicatie ~ modulatie Verschillende technologieën kunnen ook gecombineerd worden
16-QAM
64-QAM
16-state Quadrature Amplitude Modulation
64-state Quadrature Amplitude Modulation
(vier bits per symbool)
(zes bits per symbool)
Nadeel is de grotere Bit Error Rate
9
Draadloze communicatie ~ modulatie Alle modulatietechnologieën verschillen in tal van opzichten zoals: o Spectrumefficiëntie: hoe efficiënt de modulatie het beschikbare frequentiespectrum benut o Energie-efficiënte: hoeveel energie het kost om bits te versturen o De bit error rate o Bestendigheid tegen meerpadsvoortplanting, ruis en interferentie
10
5
Standaarden WWAN GSM / GPRS applicaties
IEEE 802.20
WMAN
IEEE 802.16
IEEE 802.11
WLAN WPAN
IEEE 802.15 Bluethooth Zigbee
ETSI: HiperMAN
ETSI: HiperLAN
ETSI: HiperPAN
ISA SP100 11a Wireless Hart
11
Standaarden en industriële toepassingen o Draadloze uitbreiding van het bedrijfsnetwerk voor ITapplicaties: WLAN Volledige dekking van productieomgevingen Mobiliteit dank zij automatische roaming tussen verschillende AP’s: Mobiele diagnose, mobiel onderhoud en mobiel configureren Logistieke applicaties: datacaptatie, magazijnbeheer, sturing pickers en vorklift trucks Verbinding tussen industriële gebouwen
12
6
Standaarden en industriële toepassingen o Besturingsdoeleinden Draadloze koppeling tussen controller en IO, draadloze sensoren, draadloze instrumentatie (WSN: wireless sensor networks) Bluetooth, Zigbee, Trusted Wireless, WLAN in combinatie met PROFINET, Ethernet/IP Wireless Hart ISA SP100 11a
PRODUCTIE AUTOMATISERING
PROCES AUTOMATSERING
13
WLAN IEEE 802. abcdefghijklmnopq
14
7
Het OSI model STATION A
STATION B
applicatie
applicatie
presentatie
presentatie
sessie
sessie
transport
transport
netwerk
netwerk
netwerk
netwerk
datalink
datalink
datalink
datalink
fysische
fysische
fysische
fysische
medium 15
WLAN ~ IEEE 802
OSI-model
IEEE TCP/IP
LLC
IEEE 802.2
logical link control layer
DATALINK LAAG
FYSISCHE LAAG
IEEE
IEEE
IEEE
802.3
802.11
802.15
MAC
medium access control layer
PHY physical layer
16
8
IEEE 802.11 ~ standaarden IEEE 802.11, MEEST BEFAAMDE WLAN FAMILIE o Belangrijkste WLAN standaarden: IEEE 802.11b, IEEE 802.11a en IEEE 802.11g o IEEE 802.11b/g beheersen momenteel de Europese markt o IEEE 802.11a werkt aan doorbraak in Europa o IEEE 802.11h is een aanvulling van IEEE 802.11a met specificaties uit de Hiperlan /2 protollen, voor de Europese markt o IEEE 802.11n is een standaard op basis van MIMO en Channel bonding o IEEE 802.11e om bovenvermelde standaarden te verbeteren (QoS, …) o IEEE 802.11i nieuwe encryptie (WPA2) 17
De architectuur Infrastructuur configuratie (met Access Points)
Ad Hoc Independent Basic Service Set
BSS
Basic Service Set (één enkel AP)
ESS
Extended Service Set (overlappende BBS)
SSID
Service Set IDentifier (unieke netwerknaam)
18
9
Specificaties voor de PHY layer o IR (infra red pulse position modulation) bij een golflengte van 850-950 nm (niet uitgewerkt in een standaard)
o Spread spectrum o FHSS (niet uitgewerkt in een standaard) o DSSS (IEEE 802.11b) tot 11 Mbps o OFDM (IEEE 802.11a & 802.11g) tot 54 Mbps
Waarom Spread Spectrum ? Storingen zijn meestal smalbanding freq
19
Specificaties voor de PHY layer DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum Breedbandigheid op basis van een code i.p.v. frequentie Iedere datagolf wordt gecodeerd in een chip-code van 11 bits (de Barker Sequence, Chipping 0 sequence of spreading ratio genoemd). Deze sequentie heeft een nauwkeurig bepaalde wiskundige opbouw welke tolerant is tegen multipath uitdoving. Chippen zorgt voor een verbreding 10110111000 van de nodige bandbreedte.
DATA
1
01001000111
Als het totaal benodigde transmissievermogen gelijk blijft, dan wordt de amplitude veel lager freq
freq
20
10
Specificaties voor de PHY layer DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum 1
1/1000
1/1000000 -33
-22
-11
+11
+22
+33
MHz
Chippen zorgt voor een zeer breedbandig signaal, bandbreedte van meer dan 66MHz. Dit is een probleem gezien de 2,4GHZ band maar 85MHZ breed is. Er zou in een bepaalde omgeving maar één IEEE 802.11b netwerk kunnen opereren. Met speciale filters wordt het gechipte signaal afgetopt op alle frequenties buiten een bereik van f-11 …f+11MHz zodat 99,9% van de energie hierin terug te vinden is. Benodigde bandbreedte is dus 22MHz. 21
Specificaties voor de PHY layer DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum • Wordt toegepast bij de IEEE 802.11b standaard • Bestaat in verschillende varianten o DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) Iedere datagolf bestaat uit 1 bit, dus 1 bit wordt gecodeerd in een 11 bits code Transmissiesnelheid: 1Mbps o DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) Iedere datagolf bestaat uit 2 bits, dus 2 bits worden gecodeerd in een 11 bits code Transmissiesnelheid: 2Mbps o CCK (Complementary Code Keying) Iedere datagolf bestaat uit 4 bits of 8 bits, dus 4 bits of 8 bits worden gecodeerd in een 11 bits code Transmissiesnelheid: 5,5Mbps / 11Mbps
DRS: Dynamic Rate Shifting 22
11
IEEE 802.11b DSSS kanalen: ieder kanaal is 22 MHz breed, de centerfrequenties van ieder kanaal liggen 5 MHz uiteen, 3 niet overlappende kanalen (FCC)
CH 1
CH 6
CH 11
2,412 GHz
2,437 GHz
2,462 GHz
CH 2
CH 4
CH 7
CH 9
2,417 GHz
2,427 GHz
2,442 GHz
2,452 GHz
P
2,401 GHz
CH 3
CH 5
CH 8
CH 10
2,422 GHz
2,432 GHz
2,447 GHz
2,457 GHz
2,473 GHz
3 MHz 22 MHz
23
Specificaties voor de PHY layer OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing 52 dragers
8 kanalen in the lower 5 GHz band
20 MHz
ieder kanaal is onderverdeeld in 52 subdragers, elk 312,5KHz breed. Iedere subdrager wordt tegelijkertijd, parallel verstuurd. Deze draaggolven zijn zodanig gekozen/gepositioneerd dat ze niet interfereren. Per draaggolf symbooldichtheid verkleinen. De informatie wordt verdeeld over de verschillende subcarriers met redundante bits omwille van FEC (Forward Error Correction) Bestand tegen multipath propagatie en smalband interferentie
24
12
Specificaties voor de PHY layer OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing creëert 8 niet-overlappende kanalen van 20MHz breed over de twee laagste banden van de 5GHZ UNII band
36
40
44
48
52
56
60
64
5180
5200
5220
5240
5260
5280
5300
5320
lowband
149
153
157
kanaal
MHz
midband
161
Middenfrequentie = 5000 + 5 * kanaalnummer [MHz] 5745 16,6 MHz
5765
5785
5805
MHz
highband
25
IEEE 802.11a OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing o Wordt toegepast bij IEEE 802.11a in de 5 GHz UNII band o Hiermee bereikt de IEEE 802.11a een datarate van 54 Mbps o Niet compatibel met IEEE 802.11b o Voordelen t.o.v. IEEE 802.11b 8 (12) niet overlappende kanalen minder interferentie in de 5 GHz band
26
13
IEEE 802.11a De verschillende snelheden van IEEE 802a Datasnelheid (Mbps)
Modulatie
Coderingsfactor
Gecodeerde bits per subdrager
Gecodeerde bits per OFDM golf
Databits per OFDM golf
6
BPSK
1/2
1
48
24
9
BPSK
3/4
1
48
36
12
QPSK
1/2
2
96
48
18
QPSK
3/4
2
96
72
24
16-QAM
1/2
4
192
96
36
16-QAM
3/4
4
192
144
48
64-QAM
2/3
6
288
192
54
64-QAM
3/4
6
288
216
27
IEEE 802.11a Enkele opmerkingen omtrent IEEE 802.11a o Reikt niet zover als de IEEE 802.11b omdat bij het gebruik van hetzelfde vermogen de hogere frequenties sneller geabosrbeerd worden door obstakels. Hoe hoger de frequentie, hoe meer elektromagnetische straling zich als licht gedraagt o Kanalen 149, 153, 157 en 161 kunnen in Europa niet gebruikt worden o In Europa kunnen (luchtvaart)radars van dezelfde frequentieband gebruik maken. Elke IEEE 802.11a netwerkkaart moet monitoren of er geen radarsignaal ontvangen wordt. Zo ja: binnen zeer korte tijd (<1s) gebruik van het kanaal stoppen en dit voor 30min.
28
14
IEEE 802.11g o Standaard sinds juni 2003 o IEEE 802.11g voorziet dezelfde max. snelheid (54 Mbps) als IEEE 802.11a, en is daarenboven compatibel met IEEE 802.11b o Maakt gebruik van de OFDM technologie maar toestellen kunnen omschakelen naar DQPSK modulatie om te communiceren met tragere IEEE 802.11b toestellen. o Voordelen t.o.v. IEEE 802.11a groter bereik dan 11a (betere voortplantingskarakteristieken in de 2,4 GHZ) wordt als een upgrade gezien van 11b, niet alles weggooien van 11b
www.54g.org 29
IEEE 802.11h o IEEE 802 11a werd ontworpen voor gebruik binnen de UNII binnen de VS o Probleem van de 5GHz band in Europa: scheepsradars en oudere militaire toepassingen zijn actief in deze band o Toevoeging van volgende protocollen voor de Europese markt DCS (Dynamic Channel Selection) als een radar ontdekt wordt, dan zal het AP automatisch op zoek gaan naar een ander kanaal
TPC (Transmit Power Control) niet meer vermogen uitsturen dan nodig, als twee deelnemers elkaar zien, dan zal het AP het vermogen aanpassen naar het benodigde niveau
o Kent voorlopig weinig implementaties, wel al bij SCALANCE W (Siemens)
30
15
IEEE 802.11n o In 2004 werd IEEE 802.11n aangekondigd o Standaard zal gebruik maken van MIMO (multiple input – multiple output) in combinatie van de nu in de specifiatie vastegelegde channelbonding: MIMO: meerdere antennes waarover maximaal 4 datastromen parallel verstuurd worden en een bonding van maximaal 2 kanalen o Datadoorvoer in de fysieke laag is 8 maal hoger dan in de IEEE 802.11a o 2006: IEEE 802.11n draft 1.0 (teveel opmerkingen/vragen) o maart 2007: IEEE 802.11n draft 2.0 o 2009: final approval IEEE 802.11n
31
WiFi o WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance): 3Com, Cisco, Proxim, Nokia, ... Marketing en onderzoek naar de interoperabiliteit van toestellen binnen de IEEE 802.11a/b/g standaard. o Indien toestellen voldoen aan de IEEE 802.11 specificaties wordt het WiFi label toegekend. WIFI (Wireless Fidelity) is een certificatielabel WiFi omvat ook de beveiligingsstandaard WPA en toestellen die de IEEE 802.11i ondersteunen
32
16
Specificaties voor de MAC layer TAKEN VAN DE MAC LAYER o Toegang tot het medium o Ondersteuning voor roaming, authenticatie, energiebesparing
3 GEDEFINIEERDE TOEGANGSMECHANISMEN o DCF (distributed coordination function) Verplichte basismethode CSMA/CA RTS/CTS optie voor hidden nodes o PCF (point coordination function) opstoppingsvrije pollingmethode voor tijdskritische diensten
33
MAC layer: CSMA/CA Het verplicht toegangsmechanisme dat IEEE 802.11 specificeert is CSMA/CA
CSMA Carrier Sense Multiple Access Collisions zijn niet te detecteren op een draadloos netwerk Gebruik van ACK’s (positieve bevestiging van goede ontvangst van een bericht)
CA Collision Avoidance Grootste kans op botsingen na een bezet medium Gebruik van random backoff time na het idle worden van het medium 34
17
MAC layer: CSMA/CA Enkele belangrijke parameters omtrent de wachttijden voor de toegang tot het medium: Alle parameters worden gerelateerd t.o.v. de slottijd (afgeleid van de door het medium veroorzaakte voortplantingsvertraging. Voor DSSS bedraagt de slottijd 20µs)
SIFS (Short Interframe Spacing): kortste wachttijd voor mediumtoegang (dus hoogste prioriteit), voor DSSS bedraagt SIFS 10µs. bv: ACK-berichten en reacties op pollingacties
PIFS (PCF Interframe Spacing): middelmatige prioriteit, SIFS + één slottijd Voor de pollingacties van een AP
DIFS (DCF Interframe Spacing): laagste prioriteit voor mediumtoegang, voor asynchrone datadiensten, SIFS + twee slottijden
35
MAC layer: CSMA/CA
VEROVERINGSFASE
DIFS
DIFS medium bezet
PIFS SIFS
twistvenster: gerandomiseerd backoffmechanisme
medium bezet slottijd
directe toegang als medium langer dan DIFS vrij is
36
18
MAC layer: CSMA/CA
hidden nodes
AP maximum zendrange
37
MAC layer: CSMA/CA AANVULLING OP CSMA/CA: RTS/CTS
G1: SIFS, short interframe space (10 µs DSSS)
G1
G3 RTS
G3: DIFS, distributed coordination function interframe space (50 µs DSSS)
DATA
Station A (source) G1
G1
RTS: ready to send
ACK
CTS
CTS: clear to send
Station B (destination) G3 NAV (RTS) Andere stations
NAV (CTS)
ACK: acknowledge (bevestiging) NAV: network allocation vector (timer in een station)
38
19
Productieautomatisering Procesautomatisering WPAN ~ IEEE 802.15 ? 39
IEEE 802.15.1 ~ Bluetooth EIGENSCHAPPEN o 2,4 GHz band o Frequency Hopping technologie Conform de viesie van IEEE 802.15.1 o Datasnelheid tot 1 Mbps (medium data overdracht) o Range van 10m tot 100m o Low power o Low cost o Voice en data kunnen gecombineerd verzonden worden o Encryptie 40
20
IEEE 802.15.1 ~ Bluetooth Bluetooth Core Specification Version 2.0 (sinds 2004): o Datasnelheden tot 3 Mbps o Lager stroomverbruik o Compatibel met voorgaande Bluetooth versies o Minder fouten door verbeterde error-detectie
41
IEEE 802.15.1 ~ Bluetooth FREQUENCY HOPPING o 1600 hops/s o Elk kanaal is verdeeld in slots van 625 µs (één dataframe per slot) o Robuuster dan DSSS o Adaptieve frequency hopping wordt voorgesteld door IEEE 802.15.2 Frequentie
Tijd 625 µs
42
21
IEEE 802.15.4 o Is speciaal voor beperkte hoeveelheid data o Low power, low cost Ideaal voor WSN (Wireless Sensor Networks) Enkel Invulling van de fysische laag en de MAC layer Fysische laag ondersteunt verschillende vormen van netwerkconfiguraties: ster, mesh en cluster tree. Ondersteunt routing mechanisme waarbij deelnemers onderling informatie uitwisselen om dataroute te vinden. Aplicaties op basis van IEEE 802.15.4: o Zigbee o ISA SP100 o Wireless Hart o Verschillende fabrikant afhankelijke protocollen 43
IEEE 802.15.4 ZIGBEE toepassing fysische laag Gebaseerd op DSSS technologie o 868 MHz (EU): 1 kanaal, 20 kbps o 915 MHz (VS): 10 kanalen, 40 kbps o 2.4 GHz (World): 16 kanalen, 250 kbps
44
22
IEEE 802.15.4 Zigbee: sternetwerk, cluster netwerken, mesh netwerken
Coördinator
Router
End device 45
Enkele bedenkingen
46
23
Zwaktes Er zijn nog steeds een aantal zwaktes voor het gebruik van draadloze communicatie in een industriële omgeving: o Zoektocht naar DE standaard oVerbindingen zijn niet stabiel o Draadloze apparatuur betekent ook draadloze energietoevoer of werking op batterijen o Zware industriële omgevingsparameters o Real Timpe protocollen zijn gevoelig voor jitter en onderbrekingen o Safety applicaties vereisen zeer grote beschikbaarheid o Gebruik moet even eenvoudig worden als het verbinden met kabels
47
24
