Мы привыкли к тому факту, что данные могут легко передаваться по воздуху. Беспроводная передача данных используется повсеместно — WiFi, Bluetooth, 3G, 4G и прочие. И главным критерием оценки той или иной технологии стала скорость и передачи данных и их объем. Но всегда ли важно именно это?
Например, в промышленности беспроводные технологии также активно набирают обороты, но помимо привычных WiFi, Bluetooth и прочих современных технологий, на промобъектах нередко можно встретить, на первый взгляд, экзотические протоколы. Например, WirelessHART или Trusted Wireless 2.0, передающие данные с максимальной скоростью 250 кбит/с. Сперва начинаешь думать, что это какие-то устаревшие технологии и нужно переходить на WiFi и прочие «быстрые» протоколы. Но справедливо ли это для промышленности? Давайте разберемся.
Сравним четыре технологии — WiFi, Bluetooth, Trusted Wireless 2.0 и WirelessHART. Все технологии будем рассматривать на частоте 2,4 ГГц. Другие частоты для РФ не очень актуальны (ну разве что 5 ГГц, но этот частотный диапазон поддерживает только WiFi).
Сравнивать будем по нескольким критериям:
- надежность передачи данных;
- совместимость с другими беспроводными сетями;
- безопасность передачи данных;
- дальность передачи данных;
- структура сети;
- характер взаимодействия узлов сети.
Сравнение носит теоретический характер.
Надежность передачи данных
Первое, к чему начинают возникать вопросы при обдумывании организации сети с использованием беспроводных технологий — это надежность передачи данных. Под надежностью передачи данных я предлагаю понимать передачу данных с постоянным соединением и без потери данных.
Потерю данных и нарушение соединения могут вызывать два основных фактора:
- электромагнитные помехи;
- затухание сигнала из-за распространения радиоволн в свободном пространстве и возникновения отражений.
Электромагнитные помехи
Электромагнитные помехи на промышленном объекте генерируются, в первую очередь, частотными преобразователями, электроприводами и другим первичным оборудованием. Такие помехи имеют частотный диапазон, кратный кГц или МГц. А все технологии, которые мы взяли для сравнения, работают на частоте 2,4 ГГц. Помехи от первичного оборудования просто не достигают данного диапазона. Таким образом, источником помех становятся другие беспроводные системы, передающие данные на частоте 2,4 ГГц. Существует два совершенно разных подхода для обеспечения электромагнитной совместимости этих систем:
- использование широкополосной модуляции с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS);
- использование псевдослучайной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS).
При использовании DSSS полезный сигнал проходит через генератор кода расширения спектра, где один бит полезной информации заменяется N битами, что увеличивает тактовую частоту в N раз. Это влияет на расширение спектра также в N раз. На приемнике этот сигнал проходит через такой же генератор и происходит декодирование информации. Преимуществом такого подхода является возможность передачи данных с очень высокой скоростью. Сигнал занимает определенную полосу частот и узкополосные помехи искажают только некоторые частоты спектра, но при этом информации достаточно, чтобы достоверно декодировать сигнал. Но после определенного порога ширины спектра частоты помехи сигнал будет невозможно декодировать. Генератор просто не поймет, где полезный сигнал, а где — наложенный.
При использовании FHSS частота передачи данных меняется в псевдослучайном порядке. В этом случае возникнувшая помеха будет влиять только на одну из случайных частот, вне зависимости от ширины спектра.
Таким образом, при возникновении серьезных электромагнитных помех в FHSS системе потеряется часть данных, а в DSSS системе передача данных остановится полностью.
WiFi использует DSSS. Ширина одного канала — 22 МГц и, соответственно, на диапазоне 2,4 ГГц доступны 14 каналов WiFi. В России доступно только 13. При этом для использования доступно 3 неперекрывающихся канала. Наверняка, многие из вас наблюдали картину, как дома полностью ложится WiFi. Это может происходить как раз из-за того, что у соседа точка доступа работает на том же канале, что и Ваша точка, либо на перекрывающемся канале.
Bluetooth использует технологию FHSS. Ширина одного канала — 1 МГц. Для перестроения и доступа доступно 79 каналов. Так же, как и в случае с WiFi, в разных странах может быть доступно разное количество каналов.
Wireless HART использует сочетание FHSS и DSSS. Ширина одного канала составляет 2 МГц и все каналы располагаются на ширине 5 МГц, т.е. доступно 16 каналов, и все они являются неперекрывающимися.
Trusted Wireless 2.0 использует технологию FHSS. Устройствам доступны 127 каналов для перестройки. Количество частот, доступных для выбора конкретным устройством, зависит от «черного списка частот», который настраивается в целях обеспечениях совместимости с другими беспроводными системами, и от того используются ли специальные группы частот (RF band) для оптимизации работы беспроводной сети.
В процессе распространения в среде передачи сигнал ослабевает ввиду различных внешних воздействий. Главный фактор — это отражения, возникающие в ходе распространения радиоволны. Сигнал от передатчика к приемнику распространяется в нескольких направлениях. В связи с этим до приемника доходит несколько волн, которые содержат одну и ту же информацию, но ввиду различных путей распространения могут иметь разные фазы. Это может либо ослабить сигнал (когда пришедшие радиоволны находятся в противофазе), либо усилить (когда фазы совпали). На фоне данной проблемы FHSS получает дополнительное преимущество — частота, на которой передаются данные, постоянно меняется, что автоматически решает вышеописанную физическую проблему. Если в ходе распространения радиоволны в нескольких направлениях передача данных невозможна на одной частоте, то сигнал на следующей частоте будет достаточно сильный для приема.
Совместимость с другими беспроводными сетями
Как было сказано выше, помехи могут создаваться только другими системами, работающими на частоте 2,4 ГГц. В силу того, что беспроводные сети в промышленности набирают все большую популярность, таких систем на объектах появляется все больше. Поэтому вопрос обеспечения совместимости работы беспроводных сетей является очень важным для организации надежной и бесперебойной передачи данных.
Хуже всего с совместимостью у технологии WiFi. Из-за того, что WiFi в качестве модуляции использует только DSSS, и канал имеет достаточно большую ширину, использовать его одновременно с другими беспроводными технологиями достаточно проблематично. Одновременно, как уже упоминалось выше, мы можем создать только три сети WiFi, но такое бывает только в идеальном мире. В реальности в любом жилом доме или торговом центре уживается гораздо больше сетей WiFi, и мы получаем сети, работающие на перекрывающихся каналах, что значительно ухудшает качество связи, а бывает и просто делает невозможным подключение к WiFi.
В топе по совместимости находится Trusted Wireless. Этот протокол предлагает механизм «черный список частот» в дополнение к FHSS. Данный механизм позволяет занести диапазон частот, которые используются другими сетями, в «черный список». Частоты из этого списка устройствами Trusted Wireless 2.0 не используются, и перестройка на эти частоты не выполняется.
У Wireless HART с совместимостью дела обстоят тоже неплохо — также используется FHSS, и есть возможность использования «черных списков каналов», но небольшое количество каналов для перестройки частоты не позволяет ей быть столь же гибкой, как Bluetooth или Trusted Wireless. В двух последних протоколах, в случае если на какой-то частоте была помеха, имеется возможность переключиться на множество других каналов.
Безопасность передачи данных
Информационная безопасность сейчас является очень активным трендом в промышленной автоматизации, и этот вопрос нельзя обойти стороной, особенно рассказывая про беспроводные сети, так как информация передается по незащищенном интерфейсу — по сути, воздуху. Это важно учитывать и предотвращать неавторизованный доступ и передавать данные в зашифрованном виде.
Данные, передаваемые по WiFi, могут быть защищены при помощи различных методов аутентификации и шифрования (WEP, TKIP, WPA, WPA-2), но при этом существует достаточно много различных угроз информационной безопасности при использовании WiFi. А в силу популярности протокола все эти методы гуглятся очень легко, не говоря про множественные видеообзоры на YouTube. (обычно все уязвимости обсуждаются и вокруг взлома WiFi всегда собрано достаточно большое комьюнити)
Bluetooth-соединение защищается с помощью PIN-кода и шифрования. Но Bluetooth болеет тем же самым, чем и WiFi. Это очень популярный открытый протокол, и информации о том, как его взломать, в этих ваших интернетах очень много.
Благодаря закрытой технологии беспроводной канал на основе Trusted Wireless 2.0 защищен гораздо лучше против возможных атак по сравнению с открытыми протоколами.
Кроме этого, Trusted Wireless 2.0 имеет два механизма обеспечения безопасности: шифрование всех передаваемых данных при помощи протокола AES-128 и проприетарный протокол аутентификации, который позволяет убедиться, что сообщение получил авторизованный получатель за счет того, что данное сообщение имеет специальный код, который не может быть повторен.
WirelessHART защищен с помощью алгоритма шифрования AES со 128-битным ключом.
Технологии, которые используют FHSS, также получают дополнительный бонус, так как переход с частоты на частоту происходит по псевдослучайному алгоритму, который для каждого соединения определяется индивидуально.
Дальность передачи данных
Для беспроводной передачи данных, особенно для наружных применений, дальность передачи данных играет определяющую роль. Но и в применениях, где нет необходимости в передаче данных на большие дистанции, высокий уровень чувствительности приемника создает резерв системы для передачи данных в тяжелых условиях, например, передача данных при отсутствии прямой видимости.
На уровень чувствительности влияет скорость передачи данных. Каждый бит передается с определенной мощностью передачи P. Энергия на каждый бит определяется формулой Ebit = P * tbit, где tbit — время передачи данного бита.
При уменьшении скорости передачи данных — время передачи каждого бита увеличивается, что дает увеличение энергии на каждый бит, за счет чего мы получаем значительное усиление сигнала.
В Trusted Wireless 2.0 могут быть выбраны следующие скорости передачи данных:
WiFi, при скорости передачи данных по беспроводной сети 54 Мбит/с, позволяет передавать данные на расстояния до 1 км, при использовании мощной узконаправленной антенны. Если понизить скорость до 6 Мбит/с, то можно добиться расстояния передачи данных 1 км до 2 км.
Bluetooth имеет более скромные скорости по сравнению с WiFi (около 1 Мбит/с), и при этом данные могут передаваться на расстояния до 1,5 км.
WirelessHART работает на скорости передачи данных 250 кбит/с. Средним расстоянием принято считать 255 м. С направленной антенной можно добиться и расстояний около 2 км, но, как правило, на полевых датчиках или WirelessHART адаптерах стоит не очень мощные ненаправленные антенны, которые и дают среднее расстояние 255 м.
Структура сети
В используемых топологиях также есть значительная разница.
Если говорить про Bluetooth, то можно использовать две топологии: точка-точка и звезда. К звезде может быть подключено до 7 устройств.
WiFi предлагает более богатый выбор. Традиционно можно организовать топологию звезда — все мы неоднократно создавали ее дома, подключая несколько устройств к домашней точке доступа. Но также можно создавать и более сложные топологии. Некоторые устройства можно использовать в режиме «мост», что позволяет выступать устройству в качестве повторителя для WiFi. Также сейчас становятся доступными устройства, которые позволяют создавать mesh-сети (про них чуть позже) на основе WiFi. (например, FL WLAN 1100 — 2702534). А еще WiFi позволяет организовать так называемый роаминг. Роамингом называется сеть, когда устанавливается несколько точек доступа с одинаковыми SSID, и клиент может перемещаться от одной точки доступа к другой (должно быть обеспечено должное покрытие WiFi), оставаясь при этом в одной беспроводной сети.
Trusted Wireless 2.0 также позволяет использовать устройства в качестве повторителей и, более того, восстанавливать связь в случае обрыва сигнала. Т.е. если устройство теряет связь, то оно ищет другой ближайший повторитель, через который можно передавать данные. Таким образом, связь восстанавливается, и данные начинают передаваться через резервный канал. Восстановление связи занимает от миллисекунд до секунд — в зависимости от выбранной скорости передачи данных. Подобная топология, где каналы связи выстраиваются через произвольно выбранные повторители, называется mesh-топологией.
Помимо mesh-топологии, устройства с поддержкой Trusted Wireless 2.0 поддерживают топологии точка-точка, звезда, линия.
Ввиду высокого уровня чувствительности приемников устройств Trusted Wireless 2.0 иногда узлы соединяются не с ближайшими повторителями, а с более удаленными. Чтобы избежать подобных ситуаций в Trusted Wireless 2.0 предусмотрен «черный список повторителей» (англ. parent-black-listing), в котором определены узлы, с которыми подключением не должно быть установлено. Также предусмотрен «белый список повторителей» (англ. parent-white-listing), в котором указываются узлы, предпочтительные для подключения. По умолчанию все повторители разрешены для подключения.
В WirelessHART также используется mesh-сеть, к которой могут быть подключены 254 конечных датчика.
Характер взаимодействия узлов сети
Внутренний обмен данными между отдельными узлами необходим для поддержания работы беспроводной сети вне зависимости от объема передаваемой информации. Таким образом, процесс добавления нового узла к сети, также как и управление уже существующими узлами, играет важную роль с точки зрения обеспечения надежности сети и оптимизации передаваемого траффика.
WirelessHART использует централизованный подход управления узлами. В сети есть «менеджер», который отправляет все запросы узлам и принимает ответы. Соответственно, подобный подход создает большое количество траффика, проходящего через единственный узел сети — менеджера.
То же самое будет справедливо сказать и для WiFi и Bluetooth. Здесь также весь обмен данными идет через точки доступа, и если точка доступа выйдет из строя, то устройства больше не смогут обмениваться данными.
Trusted Wireless 2.0, в свою очередь, использует распределенный подход. Управление сетью разбито на зоны родитель/наследник (англ. parent/child, P/C). В качестве родителя выступает повторитель (или центральный узел сети), через который к сети подключаются другие повторители или конечные устройства — наследники. Таким образом, родители и наследники образуют древовидную структуру. Родитель ответственен за всех прямых наследников и отвечает за подключение нового наследника. Вся эта информация не отправляется центральному устройству, а остается в пределах зоны родитель/наследник, что существенно уменьшает траффик в сети.
Например, если к сети будет необходимо подключить новое устройство, то это будет происходить в несколько этапов:
- поиск устройством ближайшей станции, т.е. устройство будет «слушать» эфир;
- синхронизация с выбранной для передачи данных станцией;
- переход на алгоритм FHSS, используемый данным устройством;
- посылка запроса подключения (англ. join-request);
- получение подтверждения подключения (англ. join-acknowledge).
И все эти действия производятся в рамках одной P/C-зоны. Для сравнения, в WirelessHART из-за использования централизованного подхода присоединение нового узла к сети требует 6-7 команд. Для простейшей сети точка-точка операция присоединения займет около 2 секунд, и обмен данными начнется через 10 секунд. Сети, состоящий из 100 узлов, потребуется около 600-700 команд на подключение и обмен данными, и она сможет стартовать только через 25 минут!
Также в рамках одной Р/С-зоны устройство-родитель выполняет сбор диагностической информации с устройств данной зоны и хранит всю эту информацию.
Также подобный подход значительно уменьшает время сходимости сети.
Если в сети с центральным управлением обесточить менеджера сети, то вся информация о связях в данной сети будет потеряна, и сеть будет восстанавливаться достаточно длительное время.
В сети на основе Trusted Wireless 2.0 процессы управления выполняются параллельно в различных ветках дерева, что дает значительное ускорение при восстановлении сети.
Заключение
Что мы по итогу имеем? Trusted Wireless и WirelessHART хоть и значительно медленнее по скорости, но для промышленных сетей это не всегда самый важный критерий. Часто беспроводная технология нужна для того, чтобы расширить кабель, который нет возможности проложить. В таких случаях часто стоит задача передать дискретные и аналоговые сигналы, а для этого не требуется высоких скоростей. Или необходимо собирать данные с какой-то удаленной установки, которая обменивается данными по PROFIBUS DP или Modbus RTU — эти протоколы в большинстве применений также не требовательны к скорости передачи данных, но сама станция может находиться достаточно далеко. WiFi и Bluetooth не обеспечивают передачи данных на дальние расстояния. Да и настройка WiFi и Bluetooth при дальностях от 1 км — достаточно трудоемкая задача. Trusted Wireless же, наоборот, за счет небольшой скорости отлично себя показывает при дальних передачах.
А вот что действительно важно для промышленности, так это надежность передачи данных и ее совместимость с существующими беспроводными системами. Именно этим Trusted Wireless и WirelessHART могут похвастаться — за счет использования FHSS и «черных списков» они являются очень надежным и позволяют обеспечить очень высокую совместимость с другими технологиями.
Но это не значит, что WiFi или Bluetooth не применяются на промобъектах. Их также достаточно часто применяют, но немного для иных задач. Они позволяют организовать передачу данных с высокой скоростью на небольшие расстояния, например: автоматизация большого склада или машинного зала.
Поэтому нельзя отдать предпочтение какой-то одной технологии — каждая подходит под свою задачу и чаще всего, они применяются вместе в рамках одной АСУТП.
