Беспроводные сенсорные сети промышленного интернета вещей с низким энергопотреблением видоизменились

Ячеистые сети и глобальные вычислительные сети с низким энергопотреблением предназначены для разных вариантов использования промышленного интернета вещей (IIoT) и настроек установки.

 

 

 

 

 

 

 

Промышленный Интернет вещей (IIoT), основанный на широко распространенных сенсорных сетях с питанием от батарей, которые собирают данные с беспрецедентной степенью детализации, меняет промышленную среду соединений. От удаленного мониторинга и управления энергопотреблением до обеспечения безопасности работников и зондирования окружающей среды приложениям IIoT требуется беспроводная инфраструктура, которая удовлетворяет требования энергопотребления, масштабируемости, мобильности и стоимости без ущерба для надежности операторского уровня. Ячеистые сети с низким энергопотреблением на основе стандарта IEEE 802.15.4 и энергоэффективные сети дальнего радиуса действия (LPWAN) являются двумя передовыми вариантами подключения. Хотя оба подходят для IIoT приложений с низкой пропускной способностью они сильно различаются по сетевым критериям. Понимая их различия, разработчики систем могут лучше решить, какой вариант беспроводной связи соответствует их структуре и вариантам использования.

Ячеистые сети

IEEE 802.15.4 - это стандарт радиосвязи, определяющий физический уровень и уровень управления доступом к среде (MAC) в низкоскоростных беспроводных персональных сетях (LR-WPAN). Хотя стандарт IEEE 802.15.4 допускает работу в различных безлицензионных промышленных, научных и медицинских диапазонах (ISM), большинство решений, основанных на этом стандарте, настроены только на диапазон 2,4 ГГц. Примерами могут служить WirelessHART, ISA-100.11a и Zigbee, которые обычно используются в промышленных приложениях.

Поскольку рабочий режим 2,4 ГГц обеспечивает очень ограниченный диапазон, составляющий всего 10-100 метров, эти решения используют топологию ячеистой сети для улучшения общей площади сети. Как правило, сигнал проходит через несколько устройств, пока не достигнет шлюза. В полносвязных сетях, таких как WirelessHART, все сенсорные узлы имеют возможность маршрутизации для передачи данных от других узлов. В частичных ячеистых сетях, таких как Zigbee или ISA-100.11a, только выбранные узлы могут действовать как маршрутизаторы.

Надежность в ячеистой сети достигается благодаря возможности самовосстановления. Если маршрутизатор или сенсорный узел не работает, сообщение может быть перенаправлено по другому пути. Чтобы избежать наложения пакетов и дополнительно повысить надежность, используются такие подходы, как «прослушивание перед разговором» или синхронизация по времени. С другой стороны, полоса 2,4 ГГц сильно перегружена множеством источников электромагнитного шума, включая концентраторы Wi-Fi, устройства Bluetooth, микроволновую энергию, радиочастотное (RF) освещение, промышленные нагреватели и сварочное оборудование.

В то время как WirelessHART и ISA-100.11a используют скачкообразную перестройку канала или скачкообразную перестройку частоты для улучшения помехозащищенности, этот подход не помогает, если все каналы 2,4 ГГц насыщены. Кроме того, слабая способность проникновения радиочастотных сигналов 2,4 ГГц означает, что многолучевой эффект в структурно плотных промышленных условиях может ухудшить диапазон и качество сигнала. Снижая скорость передачи данных до 250 Кбит/с, решения IEEE 802.15.4 стремятся значительно снизить энергопотребление. Ретрансляционная природа сетевой топологии, однако, по своей природе энергоемка.

В полносвязных сетях узлы, расположенные близко к шлюзу или в стратегически важных местах, несут значительный ретрансляционный трафик. Они очень уязвимы к сбоям батареи, что может привести к нарушению работы основных частей сети.

Проектирование и управление ячеистыми сетями является серьезной задачей. Дополнительные устройства должны быть установлены в качестве выделенных маршрутизаторов для достижения желаемого диапазона, тем самым добавляя избыточность и затраты. Высокая плотность маршрутизатора особенно требуется в промышленных применениях с большими физическими барьерами, чтобы компенсировать слабое проникновение и гарантировать надежность сети.

В настроенных вручную ячеистых сетях пользователи должны рассчитывать и настраивать различные пути маршрутизации для каждого узла и вручную обрабатывать любые сбои. Завышенная сложность и стоимость из-за избыточной плотности устройств и соединений препятствуют масштабируемости и ограничивают применимость этих сетей только для случаев использования средней дальности.

Самоорганизующиеся решения, такие как WirelessHART, упрощают планирование и операции, но имеют свои собственные проблемы с масштабируемостью. Самонастраивающиеся пути не всегда являются наиболее оптимальными, что, в свою очередь, увеличивает трафик и энергопотребление при увеличении количества переходов. Кроме того, перегруженные воздушные линии 2,4 ГГц с высоким уровнем помех потенциально ограничивают пропускную способность сети. В результате на практике масштабируемость сетевых решений остается в лучшем случае несколькими сотнями устройств на шлюз.

Отсутствие поддержки мобильности является еще одним фактором для этих сетей. Протокол IEEE 802.15.4 предназначен для связи только со статическими устройствами и не применим для случаев использования IIoT с мобильными устройствами.

Глобальные вычислительные сети (ГВС) с низким энергопотреблением

LPWAN (энергоэффективные сети дальнего радиуса действия) - это семейство технологий для передачи данных с низкой пропускной способностью на большие расстояния при минимальном энергопотреблении. Хотя скорости передачи данных в разных решениях значительно различаются, они обычно ниже, чем в сетях IEEE 802.15.4. За исключением LPWAN на основе сотовой связи, большинство технологий используют диапазоны частот для промышленного, научного и медицинского оборудования ниже гигагерца, которые менее загружены, чем 2,4 ГГц, и обеспечивают лучшее распространение сигнала.

Радиоволны с частотой менее ГГц, работающие в узкой полосе пропускания канала, испытывают меньшее затухание, изгибаются дальше вокруг препятствий и обеспечивают лучшее проникновение через здания. Это повышает эффективность сигнала в средах с многолучевым распространением, вызванным стальными, металлическими, стеклянными и другими физическими препятствиями; и позволяет километры дальности в LPWAN.

Благодаря их обширному диапазону, LPWAN могут быть развернуты в топологии с одним переходом в виде звезды, что намного более эффективно с точки зрения энергопотребления и проще в управлении, чем топология сетки. Поскольку узлам не нужно постоянно работать, чтобы ретранслировать сообщения, они могут оставаться в спящем режиме гораздо дольше, что сводит к минимуму потребление энергии. Кроме того, легкий протокол MAC и асинхронная связь значительно сокращают накладные расходы и энергопотребление на передачу.

Еще одним важным преимуществом LPWAN является низкая совокупная стоимость владения. Простые сигналы минимизируют сложность конструкции аппаратного обеспечения и, следовательно, стоимость устройства, в то время как топология «звезды» в сочетании с большой дальностью снижает потребность в дорогой инфраструктуре (то есть базовой станции). Сверхнизкое энергопотребление также снижает потребность в замене батареи и связанные с этим расходы на техническое обслуживание.

Несмотря на превосходство IEEE 802.15.4 решений по дальности, времени автономной работы и стоимости, многие решения LPWAN, особенно те, которые используют безлицензионный спектр, не могут гарантировать надежность операторского уровня. В частности, длительное время передачи (то есть в эфире), возникающее в результате медленных скоростей передачи данных в сочетании с асинхронной связью, увеличивает вероятность коллизий сообщений и ошибок пакетов. Производительность сети быстро ухудшается по мере увеличения количества устройств и трафика в совмещенном канале. Некоторые технологии LPWAN также страдают от низкой эффективности использования спектра, что ограничивает пропускную способность и масштабируемость сети.

Разделение телеграмм - новый стандарт Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) для сетей с низкой пропускной способностью - обещает эффективно преодолеть эти проблемы в безлицензионных сетях LPWAN. Сокращая эфирное время и применяя надежные методы, такие как скачкообразная перестройка частоты и кодирование каналов, разделение телеграмм обеспечивает огромную пропускную способность сети в миллионы ежедневных сообщений на шлюз независимо от количества конечных узлов. В то же время частота ошибок пакетов минимизируется при наличии сильных радиопомех. Более того, эта технология обеспечивает отличную поддержку мобильности со скоростью до 120 км/ч.

Работая в лицензированном спектре, сотовые LPWAN (например, NB-IoT, LTE-M), основанные на стандартах проекта партнерства третьего поколения (3GPP), являются альтернативными надежными решениями. Тем не менее, стоит отметить, что качество обслуживания и масштабируемость в сотовых LPWAN достигаются за счет сравнительно более высокого энергопотребления и затрат. Также, усыновители полностью зависят от сети оператора, которая все еще далеко не повсеместна.

Решения на вынос

В то время как ячеистые сети на основе IEEE 802.15.4 и LPWAN предназначены для поддержки сенсорных сетей с батарейным питанием, каждая из них подходит для различных вариантов использования IIoT и настроек установки. Решения 802.15.4 лучше подходят для приложений среднего диапазона и размера, где узлы в основном закреплены и расположены в непосредственной близости друг от друга. Более высокие скорости передачи данных и относительно низкая задержка в этих сетях делают их идеальной альтернативой дорогим проводным сетям в определенных применениях промышленной автоматизации и управления.

LPWAN - лучший вариант для географически распределенных кампусов с непростой топографией и большими физическими препятствиями благодаря превосходной дальности и производительности проникновения. Они предлагают более масштабируемое, экономичное и энергоэффективное решение для устойчивых к задержкам случаев использования IIoT, требующих только периодической передачи данных. Примеры включают мониторинг состояния, профилактическое обслуживание, экологическое зондирование и управление энергопотреблением. Благодаря исключительной поддержке мобильности, некоторые LPWAN также предлагают жизнеспособное соединение для различных случаев безопасности работников и управления транспортным средством.

Хотя они отличаются от сетей на основе IEEE 802.15.4, не все решения LPWAN основаны на строгих, проверенных во всем мире отраслевых стандартах. До настоящего времени было только два стандартизированных LPWAN: один - это сотовые LPWAN, реализующие стандарты 3GPP; другой - MIOTY, решение, использующее стандартную технологию разделения телеграмм ETSI (TS 103 357). В отличие от проприетарных протоколов, решения, основанные на отраслевых стандартах, проверены на качество обслуживания и масштабируемость, помогая избежать проблемы блокировки поставщика. В конечном итоге это помогает компаниям лучше обеспечить долгосрочный возврат инвестиций (ROI) от своих проектов IIoT.

Об авторе

Альберт Бер является основателем и генеральным директором Behr Technologies, всемирного лицензиата MIOTYTM - нового коммерческого стандарта в технологии LPWAN для промышленного Интернета Вещей. Обладая 30-летним профессиональным опытом, Альберт руководил коммерциализацией, финансированием и эксплуатацией успешных технологических компаний.