24. Беспроводные локальные сети промышленного назначения. Основные проблемы и пути их решения

Используются там, где невыгодно проводить кабельную систему.

Классы беспроводных сетей:

- сотовые сети WWAN,

- беспроводные локальные сети WLAN,

- беспроводные сети датчиков.

В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили:

Bluetooth IEEE 802.15.1;

ZigBee IEEE 802.15.4;

Wi-Fi IEEE 802.11

Диапазон частот для промышленных, научных и медицинских целей ISM 2.4 ГГц.

Излучаемая мощность не превышает нескольких десятков мВт.

Каждый участник сети имеет определенную зону уверенного приема.

Причины проблем: интерференция, дифракция, преломление, отражение, рассеяние (переизлучение) и снижение мощности излучения при увеличении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.

Основные проблемы:

1.Протокол CSMA/CD не гарантирует доставку сообщений за определенное время. Решение: протокол CSMA/CA (предотвращение коллизий).

2.Помехозащищенность: все сети сильно подвержены влиянию электромагнитных помех.

3.Надежность связи страдает при несвоевременной замене батареек, влияет интерференция радиоволн.

4.Ограниченная дальность связи (не более 100 м внутри помещения).

5.Резкое падение пропускной способности при увеличении количества одновременно работающих станций.

6.Безопасность: возможность утечки информации, незащищенность от искусственно создаваемых помех, возможность незаметного управления технологическим процессом враждебными лицами.

Широкополосная модуляция

Один из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех.

2 метода:

- DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – широкополосная модуляция с прямым расширением спектра,

- FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – широкополосная модуляция с перескоком с одной несущей на другую.

DSSS

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), для Wi-Fi сетей составляет 22 МГц. Энергия сигнала оказывается «размазанной» по всему спектру, спектральная плотность мощности сигнала оказывается в 11 раз меньше, если измерять ее в той же полосе частот, которую занимал первоначальный прямоугольный импульс. Практически мощность передатчика для диапазона 2,4 ГГц выбирают так, чтобы спектральная плотность полезного сигнала была сравнима с спектральной плотностью шума.

FHSS

Используется 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 Wi-Fi – не менее 4 Гц, для Bluetooth – 1,6 кГц. 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.

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 станция очень низка. Поэтому метод FHSS позволяет использовать большое количество одновременно работающих станций в сети (до 15 передатчиков). FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с.

Проблема скрытого узла:

Предположим, станция А передает сообщение станции В. В это время станция С прослушивает эфир и не слышит несущую, поскольку находится вне зоны действия станции А. Станция С начинает передачу одновременно со станцией А, что приводит к потере информации, поскольку станция В может принимать только один сигнал.

Решение – в стандарте 802.11 Wi-Fi:

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. Станция С также «слышит» сигнал CTS. Любая станция, получившая пакет RTS или CTS, предназначенный не ей, будет оставаться в состоянии ожидания. Недостаток: сигналы RTS/CTS существенно ухудшают скорость обмена между устройствами.