Systemy komunikacji bezprzewodowej w pojazdach ruchomych, taborze kolejowym i transporcie

Rysunek 1.

Spośród wszystkich technologii bezprzewodowych największe możliwości dla sieci lokalnych daje standard IEEE802.11, czyli popularne Wi-Fi. Jest to związane z bardzo dużą przepustowością (standard 802.11g teoretycznie pozwala na transfer do 54Mb/s na odległość do 150 metrów w otwartej przestrzeni i do około 40 metrów w pomieszczeniach). W odróżnieniu od urządzeń do zastosowań konsumenckich, sprzęt przemysłowy musi cechować się pewnymi dodatkowymi właściwościami i technologiami, które zostały przybliżone poniżej.

REDUNDANCJA POŁĄCZEŃ

Jednym z najpoważniejszych problemów występujących w sieciach bezprzewodowych jest ich podatność na zaburzenia elektromagnetyczne. Powodują one skrócenie zasięgu pracy poszczególnych urządzeń, a czasami mogą wręcz uniemożliwiać normalna pracę. W zastosowaniach przemysłowych, gdzie niezawodność ma kluczowe znaczenie, najlepszym rozwiązaniem jest redundancja połączenia bezprzewodowego uzyskana poprzez pracę urządzeń jednocześnie na dwóch częstotliwościach.

Wymusza to zastosowanie w jednym urządzeniu dwóch modułów radiowych, pracujących w pasmach 2,4 oraz 5 GHz. Dzięki temu w przypadku wystąpienia zakłóceń na jednej częstotliwości nastąpi natychmiastowe przełączenie trybu pracy na częstotliwość alternatywną. Urządzenia z taką funkcją oferuje firma Moxa, a mechanizm ten nazywa się DualRF i występuje w serii punktów dostępowych AWK-6222 oraz AWK-5222 (rys. 1).

Mechanizm DualRF można wykorzystywać nie tylko do połączeń redundantnych typu klient-punkt dostępowy. Ciekawą koncepcją do zrealizowania za pomocą punktów dostępowych Moxa jest topologia bezprzewodowego mostu. W tym przypadku konieczne jest ustawienie jednego modułu radiowego w urządzeniu w tryb Master AP, a drugiego jako Slave AP (rys. 2). Ten tryb pracy został zaprojektowany jako rozszerzenie standardowego modelu WDS (Wireless Distribution System) i eliminuje jego największą wadę, jaką jest spadek transferu wraz ze wzrostem liczby punktów dostępowych.

Rysunek 2.

Przepustowość dla standardowego trybu WDS wyraża się wzorem 25Mb/s / (n-1), gdzie "n" to liczba urządzeń w magistrali. Dzięki zastosowaniu urządzeń z podwójnym modułem radiowym można pozbyć się tej niedogodności i dysponować przepustowością na poziomie 25 Mb/s. Na potrzeby sieci zbudowanych w oparciu o rezerwowe kanały transmisyjne powstał specjalny protokół STP (Spaning Tree Protocol). Jest to protokół tworzący w sieci graf bez pętli (drzewo) i ustalający zapasowe łącza, które w trakcie normalnej pracy pozostają zablokowane.

W czasie prawidłowego działania wykorzystywana jest tylko jedna ścieżka, po której może odbywać się komunikacja. W przypadku awarii głównej ścieżki następuje przełączenie na ścieżkę redundantną. Protokół STP został zaprojektowany, by zapobiegać awarii połączenia w przypadku uszkodzenia pojedynczej ścieżki komunikacji oraz tworzeniu się tzw. pętli w tak zaprojektowanych systemach. Zwiększa to znacznie niezawodność całej sieci.

STP jest częścią standardu IEEE 802.1D (wprowadzonego w 1998 roku), jego udoskonalona wersja - RSTP została wprowadzona wraz z IEEE 802.1D: 2001. Podstawowa różnica polega na czasie rekonfi- guracji - STP potrzebuje nawet kilkadziesiąt sekund na rekonfigurację, protokół RSTP jest znacznie szybszy.

SZYBKI ROAMING

Rysunek 3.

Dla pojazdów w ruchu bardzo ważną sprawą pozostaje możliwość szybkiego roamingu. Jest to szczególnie istotne w przypadku np. ruchu kolejowego czy innych pojazdów poruszających się ze znacznymi prędkościami, gdzie duże znaczenie ma utrzymanie stałej łączności pomiędzy pojazdem a kolejnymi punktami dostępowymi. Problem można częściowo rozwiązać poprzez zastosowanie specjalnych anten (kierunkowych) oraz wydłużenie odległości pomiędzy kolejnymi punktami dostępowymi, co spowoduje, że przełączanie będzie następowało rzadziej.

Firma Moxa opracowała dodatkowo specjalną technologię umożliwiającą bardzo szybkie przełączanie - turbo roaming. Dzięki tej funkcji czas przełączania pomiędzy kolejnymi access pointami dla urządzeń z serii AWK wynosi poniżej 100 ms (rys. 4).

BEZPIECZEŃSTWO TRANSMISJI

Kolejnym aspektem komunikacji bezprzewodowej w przemyśle jest kwestia bezpieczeństwa transmisji. Podstawowymi metodami zabezpieczania połączenia jest filtracja adresów MAC (autoryzacja na podstawie adresu MAC) urządzeń bezprzewodowych czy ukrywanie adresu SSID sieci bezprzewodowej. Jednak metody te są obecnie wysoce nieskuteczne i nie stanowią już problemu dla "nieproszonych gości".

Wśród metod szyfrowania obsługiwanych przez współczesne urządzenia komunikacji bezprzewodowej wymienić można WEP (oparte na algorytmie szyfrującym RC4), WPA (Wired Equivalent Privacy, zgodny ze standardem IEEE 802.11, opracowany jako udoskonalenie WEP) oraz WPA2 (standard zaprojektowany całkowicie od nowa, wykorzystuje szyfrowanie AES - wymagające znacznie większych mocy obliczeniowych niż stosowane w WPA - TKIP). Urządzenia komunikacji bezprzewodowej firmy Moxa obsługują wszystkie wspomniane technologie, dodatkowo mając możliwość uwierzytelniania i autoryzacji poprzez serwer RADIUS.

BUDOWA URZĄDZEŃ, ZASILANIE

Rysunek 4.

Ostatnią kwestią pozostaje mocna, solidna obudowa oraz możliwość nieprzerwanej pracy w niekorzystnych warunkach środowiskowych urządzeń przeznaczonych np. do działania w systemach komunikacyjnych transportu kolejowego. Bardzo ważna jest również zgodność z branżowymi normami i standardami, takimi jak np. EN50155 (zastosowania kolejowe), EN50121-1/4 (urządzenia telekomunikacyjne i sygnalizacyjne stosowane w kolejnictwie), ATEX Class 1, Zone 2 i inne.

Urządzenia muszą być odporne na drgania i wstrząsy, niskie oraz podwyższone temperatury, pył, kurz oraz wilgoć. Bardzo dobrze sprawują się tutaj łącza typu M12, zapewniając największe bezpieczeństwo podłączenia przewodów do urządzeń. Przydatną funkcją dla urządzeń montowanych w taborze jest również możliwość zasilania sprzętu jednym kablem (sygnałowym). Technologia ta - Power-over- Ethernet - eliminuje konieczność stosowania osobnych przewodów zasilających.

Access point AWK-6222 firmy Moxa ma obudowę o stopniu ochrony IP68, może więc być wystawiony na działanie warunków atmosferycznych. Zakres temperatury pracy wersji oznaczonej symbolem "T" wynosi od -40 do 75°C. Wszystkie urządzenia serii AWK mają redundantne zasilanie (12 ÷ 48 V_DC) oraz dodatkowo mogą być zasilane za pomocą technologii Power-over-Ethernet.

PODSUMOWANIE

Sądząc po dotychczasowym rozwoju rynku, wszystko wskazuje na to, że standard bezprzewodowego Ethernetu pozostanie najatrakcyjniejszą możliwością teraz i w przeszłości dla bardzo wielu zastosowań w przemyśle, transporcie, kolejnictwie i innych gałęziach. Bardzo istotną kwestią, oprócz niezawodności i możliwości prostej konfiguracji, pozostaje możliwość bezproblemowej rozbudowy w przyszłości systemu opartego o ten standard.

Piotr Sabak
Elmark Automatyka Sp. z o.o.
www.elmark.com.pl