Kita terbiasa dengan fakta bahwa data dapat dengan mudah ditransmisikan melalui udara. Transmisi data nirkabel digunakan di mana-mana - WiFi, Bluetooth, 3G, 4G dan lainnya. Dan kriteria utama untuk mengevaluasi teknologi tertentu telah menjadi kecepatan dan transfer data dan volumenya. Tetapi apakah ini selalu penting?
Sebagai contoh, dalam industri ini, teknologi nirkabel juga secara aktif mendapatkan momentum, tetapi selain WiFi biasa, Bluetooth dan teknologi modern lainnya, di situs industri orang sering dapat menemukan, pada pandangan pertama, protokol eksotis. Misalnya, WirelessHART atau Trusted Wireless 2.0, mentransmisikan data pada kecepatan maksimum 250 kbps. Pertama Anda mulai berpikir bahwa ini adalah semacam teknologi yang sudah ketinggalan zaman dan Anda perlu beralih ke WiFi dan protokol "cepat" lainnya. Tetapi apakah ini benar untuk industri? Mari kita cari tahu.
Bandingkan empat teknologi - WiFi, Bluetooth, Trusted Wireless 2.0 dan WirelessHART. Kami akan mempertimbangkan semua teknologi pada frekuensi 2,4 GHz. Frekuensi lain untuk Federasi Rusia tidak terlalu relevan (well, mungkin 5 GHz, tetapi rentang frekuensi ini hanya mendukung WiFi).
Kami akan membandingkan dengan beberapa kriteria:
- keandalan transmisi data;
- kompatibilitas dengan jaringan nirkabel lain;
- keamanan transfer data;
- jangkauan transmisi data;
- struktur jaringan;
- sifat interaksi node jaringan.
Perbandingannya teoretis.
Keandalan Data
Hal pertama yang muncul pertanyaan ketika mempertimbangkan organisasi jaringan menggunakan teknologi nirkabel adalah keandalan transmisi data. Dengan keandalan transmisi data, saya mengusulkan untuk memahami transmisi data dengan koneksi permanen dan tanpa kehilangan data.
Dua faktor utama dapat menyebabkan kehilangan data dan kegagalan koneksi:
- gangguan elektromagnetik;
- pelemahan sinyal karena propagasi gelombang radio di ruang bebas dan terjadinya refleksi.
Gangguan elektromagnetikGangguan elektromagnetik pada fasilitas industri dihasilkan, pertama-tama, oleh konverter frekuensi, drive listrik dan peralatan utama lainnya. Gangguan semacam itu memiliki rentang frekuensi yang merupakan kelipatan dari kHz atau MHz. Dan semua teknologi yang kami ambil untuk pekerjaan perbandingan pada frekuensi 2,4 GHz. Gangguan dari peralatan utama tidak mencapai kisaran ini. Dengan demikian, sistem nirkabel lainnya mentransmisikan data pada frekuensi 2,4 GHz menjadi sumber gangguan. Ada dua pendekatan yang sangat berbeda untuk memastikan kompatibilitas elektromagnetik dari sistem ini:
- penggunaan modulasi broadband dengan penyebaran spektrum langsung (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS);
- penggunaan tuning pseudo-acak dari frekuensi kerja (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS).
Saat menggunakan DSSS, sinyal yang berguna melewati generator kode yang menyebar, di mana satu bit informasi yang berguna diganti dengan N bit, yang meningkatkan frekuensi clock sebanyak N kali. Ini juga mempengaruhi ekspansi spektrum N kali. Pada penerima, sinyal ini melewati generator yang sama dan informasi diterjemahkan. Keuntungan dari pendekatan ini adalah kemampuan untuk mengirimkan data pada kecepatan yang sangat tinggi. Sinyal menempati pita frekuensi tertentu dan interferensi pita sempit hanya mendistorsi beberapa frekuensi spektrum, tetapi ada informasi yang cukup untuk memecahkan kode sinyal dengan andal. Tetapi setelah ambang tertentu dari lebar spektrum dari frekuensi interferensi, sinyal tidak akan dapat diterjemahkan. Generator sama sekali tidak mengerti di mana sinyal yang berguna dan di mana ia ditumpangkan.
DSSSaat menggunakan FHSS, laju data berubah dalam urutan pseudo-acak. Dalam hal ini, interferensi yang dihasilkan hanya akan mempengaruhi satu dari frekuensi acak, terlepas dari lebar spektrum.
FhssJadi, jika terjadi gangguan elektromagnetik yang serius dalam sistem FHSS, bagian dari data akan hilang, dan dalam sistem DSSS transfer data akan berhenti sepenuhnya.
WiFi menggunakan DSSS. Lebar satu saluran adalah 22 MHz dan, karenanya, 14 saluran WiFi tersedia di pita 2,4 GHz. Hanya 13 yang tersedia di Rusia. Pada saat yang sama, 3 saluran yang tidak tumpang tindih tersedia untuk digunakan. Tentunya, banyak dari Anda telah menyaksikan gambar bagaimana WiFi benar-benar di rumah. Ini bisa terjadi hanya karena tetangga memiliki titik akses yang beroperasi pada saluran yang sama dengan titik Anda, atau pada saluran yang tumpang tindih.
Bluetooth menggunakan teknologi FHSS. Lebar satu saluran adalah 1 MHz. 79 saluran tersedia untuk pembangunan kembali dan akses. Seperti halnya WiFi, sejumlah saluran berbeda mungkin tersedia di berbagai negara.
Wireless HART menggunakan kombinasi FHSS dan DSSS. Lebar satu saluran adalah 2 MHz dan semua saluran terletak pada lebar 5 MHz, mis. 16 saluran tersedia dan semuanya tidak tumpang tindih.
Trusted Wireless 2.0 menggunakan teknologi FHSS. Perangkat memiliki 127 saluran yang tersedia untuk penyetelan. Jumlah frekuensi yang tersedia untuk dipilih oleh perangkat tertentu tergantung pada "daftar frekuensi hitam", yang dikonfigurasi untuk memastikan kompatibilitas dengan sistem nirkabel lain, dan apakah kelompok frekuensi khusus (pita RF) digunakan untuk mengoptimalkan jaringan nirkabel.
Fig. Redaman sinyal karena propagasi gelombang radio di ruang bebas dan terjadinya pantulanSelama propagasi dalam media transmisi, sinyal melemah karena berbagai pengaruh eksternal. Faktor utama adalah pantulan yang terjadi selama perambatan gelombang radio. Sinyal dari pemancar ke penerima merambat di beberapa arah. Dalam hal ini, beberapa gelombang mencapai penerima yang berisi informasi yang sama, tetapi karena jalur propagasi yang berbeda, mereka dapat memiliki fase yang berbeda. Ini bisa menipiskan sinyal (ketika gelombang radio yang masuk berada dalam antiphase) atau menguatkan (ketika fase bertepatan). Terhadap latar belakang masalah ini, FHSS menerima keuntungan tambahan - frekuensi di mana data ditransmisikan terus berubah, yang secara otomatis menyelesaikan masalah fisik yang dijelaskan di atas. Jika selama propagasi gelombang radio di beberapa arah, pengiriman data tidak mungkin pada satu frekuensi, maka sinyal pada frekuensi berikutnya akan cukup kuat untuk menerima.
Fig. Redaman sinyal karena propagasi gelombang radio di ruang bebas dan terjadinya pantulanKompatibilitas dengan jaringan nirkabel lainnya
Seperti disebutkan di atas, interferensi hanya dapat disebabkan oleh sistem lain yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz. Karena kenyataan bahwa jaringan nirkabel di industri semakin populer, ada lebih banyak sistem seperti itu di situs. Oleh karena itu, masalah memastikan kompatibilitas jaringan nirkabel sangat penting bagi organisasi pengiriman data yang andal dan tidak terputus.
Terburuk dari semua dengan kompatibilitas WiFi. Karena fakta bahwa WiFi hanya menggunakan DSSS sebagai modulasi, dan saluran memiliki lebar yang cukup besar, menggunakannya secara bersamaan dengan teknologi nirkabel lainnya cukup bermasalah. Pada saat yang sama, seperti disebutkan di atas, kita hanya dapat membuat tiga jaringan WiFi, tetapi ini hanya terjadi di dunia yang ideal. Pada kenyataannya, lebih banyak jaringan WiFi hidup berdampingan di gedung apartemen atau pusat perbelanjaan mana pun, dan kami mendapatkan jaringan yang beroperasi pada saluran yang tumpang tindih, yang secara signifikan menurunkan kualitas komunikasi, dan kadang-kadang itu hanya membuat tidak mungkin untuk terhubung ke WiFi.
Di bagian atas kompatibilitas adalah Trusted Wireless. Protokol ini menawarkan mekanisme daftar hitam frekuensi di samping FHSS. Mekanisme ini memungkinkan Anda untuk meletakkan rentang frekuensi yang digunakan oleh jaringan lain dalam "daftar hitam". Frekuensi dari daftar ini tidak digunakan oleh perangkat Wireless 2.0 Tepercaya, dan menyetel ke frekuensi ini tidak dilakukan.
Wireless HART dengan kompatibilitas juga baik-baik saja - FHSS juga digunakan, dan dimungkinkan untuk menggunakan saluran daftar hitam, tetapi sejumlah kecil saluran untuk penyetelan frekuensi tidak memungkinkannya sefleksibel Bluetooth atau Wireless Tepercaya. Dalam dua protokol terakhir, jika ada hambatan pada beberapa frekuensi, dimungkinkan untuk beralih ke banyak saluran lainnya.
Keamanan Data
Keamanan informasi sekarang menjadi tren yang sangat aktif dalam otomasi industri, dan masalah ini tidak dapat diabaikan, terutama ketika berbicara tentang jaringan nirkabel, karena informasi ditransmisikan melalui antarmuka yang tidak aman - bahkan melalui udara. Penting untuk mempertimbangkan dan mencegah akses yang tidak sah dan mengirimkan data dalam bentuk terenkripsi.
Data yang dikirimkan melalui WiFi dapat dilindungi menggunakan berbagai metode otentikasi dan enkripsi (WEP, TKIP, WPA, WPA-2), tetapi ada beberapa ancaman keamanan informasi yang berbeda ketika menggunakan WiFi. Dan karena popularitas protokol, semua metode ini di-google-kan dengan sangat mudah, belum lagi beberapa ulasan video di YouTube. (biasanya semua kerentanan dibahas dan di sekitar peretasan WiFi komunitas yang cukup besar selalu dibangun)
Koneksi Bluetooth diamankan dengan kode PIN dan enkripsi. Tetapi Bluetooth sama dengan WiFi. Ini adalah protokol terbuka yang sangat populer, dan ada banyak informasi tentang cara memecahkannya di situs-situs Internet ini.
Berkat teknologi berpemilik, saluran nirkabel Tepercaya Nirkabel 2.0 terlindungi dengan lebih baik terhadap kemungkinan serangan daripada protokol terbuka.
Selain itu, Trusted Wireless 2.0 memiliki dua mekanisme keamanan: enkripsi semua data yang dikirimkan menggunakan protokol AES-128 dan protokol otentikasi hak milik yang memungkinkan Anda untuk memverifikasi bahwa pesan tersebut diterima oleh penerima yang sah karena fakta bahwa pesan ini memiliki kode khusus yang tidak dapat harus diulang.
WirelessHART diamankan dengan enkripsi AES dengan kunci 128-bit.
Teknologi yang menggunakan FHSS juga menerima bonus tambahan, karena transisi dari frekuensi ke frekuensi terjadi sesuai dengan algoritma pseudo-acak, yang ditentukan secara individual untuk setiap koneksi.
Rentang transmisi data
Untuk transmisi data nirkabel, terutama untuk aplikasi luar ruangan, jangkauan transmisi data memainkan peran yang menentukan. Tetapi juga dalam aplikasi di mana tidak perlu untuk transmisi data jarak jauh, tingkat sensitivitas penerima yang tinggi menciptakan sistem cadangan untuk transmisi data dalam kondisi sulit, misalnya, transmisi data tanpa adanya visibilitas langsung.
Tingkat sensitivitas dipengaruhi oleh kecepatan data. Setiap bit ditransmisikan dengan daya pancar tertentu P. Energi untuk setiap bit ditentukan oleh rumus Ebit = P * tbit, di mana tbit adalah waktu transmisi bit ini.
Dengan penurunan kecepatan transfer data, waktu transmisi setiap bit meningkat, yang memberikan peningkatan energi per bit, yang karenanya kita mendapatkan penguatan sinyal yang signifikan.
Di Trusted Wireless 2.0, kecepatan data berikut ini dapat dipilih:
WiFi, dengan kecepatan transfer data 54 Mbps melalui jaringan nirkabel, memungkinkan Anda mentransfer data hingga jarak 1 km, menggunakan antena fokus sempit yang kuat. Jika Anda mengurangi kecepatan menjadi 6 Mbit / s, maka Anda dapat mencapai jarak transmisi data 1 km hingga 2 km.
Bluetooth memiliki kecepatan lebih sederhana dibandingkan dengan WiFi (sekitar 1 Mbps), dan sementara data dapat ditransmisikan hingga jarak 1,5 km.
WirelessHART beroperasi pada kecepatan transfer data 250 kbps. Jarak rata-rata dianggap 255 m. Dengan antena terarah, jarak sekitar 2 km juga dapat dicapai, tetapi, sebagai aturan, sensor medan atau adaptor WirelessHART tidak memiliki antena omnidirectional yang sangat kuat, yang memberikan jarak rata-rata 255 m.
Struktur jaringan
Topologi yang digunakan juga memiliki perbedaan yang signifikan.
Jika kita berbicara tentang Bluetooth, maka Anda dapat menggunakan dua topologi: point-to-point dan star. Hingga 7 perangkat dapat dihubungkan ke bintang.
WiFi menawarkan pilihan yang lebih kaya. Secara tradisional, Anda dapat mengatur topologi bintang - kita semua membuatnya di rumah berulang kali dengan menghubungkan beberapa perangkat ke titik akses rumah. Tetapi Anda juga dapat membuat topologi yang lebih kompleks. Beberapa perangkat dapat digunakan dalam mode "jembatan", yang memungkinkan perangkat untuk bertindak sebagai pengulang WiFi. Selain itu, perangkat kini tersedia yang memungkinkan Anda membuat jaringan mesh (tentangnya beberapa saat kemudian) berdasarkan WiFi. (mis. FL WLAN 1100 - 2702534). Dan WiFi memungkinkan Anda untuk mengatur apa yang disebut roaming. Jaringan disebut roaming ketika beberapa titik akses dengan SSID yang sama dipasang, dan klien dapat berpindah dari satu titik akses ke yang lain (cakupan WiFi yang tepat harus disediakan), sementara tetap berada di jaringan nirkabel yang sama.
Trusted Wireless 2.0 juga memungkinkan Anda untuk menggunakan perangkat sebagai pengulang dan, terlebih lagi, memulihkan komunikasi jika terjadi pemutusan sinyal. Yaitu jika perangkat kehilangan koneksi, maka ia sedang mencari repeater terdekat lain di mana data dapat dikirim. Dengan demikian, komunikasi dipulihkan, dan data mulai dikirim melalui saluran cadangan. Pemulihan komunikasi berlangsung dari milidetik hingga detik - tergantung pada kecepatan transfer data yang dipilih. Topologi serupa, di mana saluran komunikasi berbaris melalui repeater yang dipilih secara sewenang-wenang, disebut topologi mesh.
Selain topologi mesh, perangkat dengan Trusted Wireless 2.0 mendukung point-to-point, bintang, topologi garis.
Karena tingkat sensitivitas yang tinggi pada penerima perangkat Wireless 2.0 yang Terpercaya, kadang-kadang node terhubung tidak ke repeater terdekat, tetapi ke yang lebih jauh. Untuk menghindari situasi seperti itu, Trusted Wireless 2.0 menyediakan "daftar hitam repeater" (daftar induk-hitam bahasa Inggris), yang mendefinisikan node-node yang tidak boleh dibuat koneksi. "Daftar putih pengulang" (ind. Parent-white-listing) juga disediakan, yang menunjukkan node yang lebih disukai untuk koneksi. Secara default, semua repeater diizinkan untuk terhubung.
WirelessHART juga menggunakan jaringan mesh yang dapat menghubungkan 254 sensor ujung.
Sifat interaksi tuan rumah
Pertukaran data internal antara masing-masing node diperlukan untuk mempertahankan jaringan nirkabel, terlepas dari jumlah informasi yang dikirimkan. Dengan demikian, proses penambahan node baru ke jaringan, serta pengelolaan node yang ada, memainkan peran penting dalam hal memastikan keandalan jaringan dan mengoptimalkan lalu lintas yang ditransmisikan.
WirelessHART menggunakan pendekatan manajemen situs terpusat. Ada "manajer" di jaringan yang mengirim semua permintaan ke node dan menerima tanggapan. Dengan demikian, pendekatan ini menciptakan sejumlah besar lalu lintas yang melewati satu node jaringan - manajer.
Hal yang sama berlaku untuk WiFi dan Bluetooth. Di sini, seluruh pertukaran data melewati titik akses, dan jika titik akses gagal, perangkat tidak lagi dapat bertukar data.
Wireless Tepercaya 2.0, pada gilirannya, menggunakan pendekatan terdistribusi. Manajemen jaringan dibagi menjadi zona induk / anak (induk / anak, P / C). Repeater (atau simpul pusat jaringan) bertindak sebagai induk melalui mana repeater atau perangkat akhir lainnya, ahli waris, terhubung ke jaringan. Dengan demikian, orang tua dan ahli waris membentuk struktur pohon. Orang tua bertanggung jawab untuk semua ahli waris langsung dan bertanggung jawab untuk menghubungkan ahli waris baru. Semua informasi ini tidak dikirim ke perangkat pusat, tetapi tetap berada di dalam zona induk / pewaris, yang secara signifikan mengurangi lalu lintas jaringan.
Misalnya, jika Anda perlu menghubungkan perangkat baru ke jaringan, ini akan terjadi dalam beberapa tahap:
- pencarian perangkat untuk stasiun terdekat, mis. perangkat akan "mendengarkan" ke udara;
- sinkronisasi dengan stasiun yang dipilih untuk transmisi data;
- beralih ke algoritma FHSS yang digunakan oleh perangkat ini;
- mengirim permintaan koneksi (eng. join-request);
- menerima konfirmasi koneksi (eng. join-accept).
Dan semua tindakan ini dilakukan dalam kerangka satu zona P / C. Sebagai perbandingan, dalam WirelessHART, menggunakan pendekatan terpusat, menghubungkan node baru ke jaringan membutuhkan 6-7 perintah. Untuk jaringan point-to-point sederhana, operasi gabungan akan memakan waktu sekitar 2 detik, dan pertukaran data akan dimulai dalam 10 detik. Jaringan yang terdiri dari 100 node akan membutuhkan sekitar 600-700 perintah untuk menghubungkan dan bertukar data, dan itu hanya dapat dimulai dalam 25 menit!
Selain itu, dalam satu zona P / C, perangkat induk mengumpulkan informasi diagnostik dari perangkat di zona ini dan menyimpan semua informasi ini.
Fig. Rincian zona induk / anak (induk / anak - P / C)Juga, pendekatan ini secara signifikan mengurangi waktu konvergensi jaringan.
Jika manajer jaringan dinonaktifkan energi dalam jaringan yang dikendalikan secara terpusat, maka semua informasi tentang koneksi dalam jaringan ini akan hilang dan jaringan akan dipulihkan untuk waktu yang agak lama.
Dalam jaringan yang didasarkan pada Trusted Wireless 2.0, proses manajemen dilakukan secara paralel di cabang-cabang pohon yang berbeda, yang memberikan akselerasi yang signifikan ketika memulihkan jaringan.
Kesimpulan
Apa yang kita miliki secara total? Wireless dan WirelessHART Tepercaya, meskipun kecepatannya jauh lebih lambat, tidak selalu merupakan kriteria paling penting untuk jaringan industri. Seringkali, teknologi nirkabel diperlukan untuk memperluas kabel, yang tidak mungkin untuk diletakkan. Dalam kasus seperti itu, seringkali tugasnya adalah mengirimkan sinyal diskrit dan analog, dan ini tidak memerlukan kecepatan tinggi. Atau Anda perlu mengumpulkan data dari beberapa instalasi jarak jauh yang bertukar data melalui PROFIBUS DP atau Modbus RTU - protokol ini di sebagian besar aplikasi juga tidak menuntut kecepatan transfer data, tetapi stasiun itu sendiri bisa sangat jauh. WiFi dan Bluetooth tidak menyediakan transfer data jarak jauh. Dan pengaturan WiFi dan Bluetooth pada jarak dari 1 km adalah tugas yang agak melelahkan. Wireless Tepercaya, sebaliknya, karena kecepatannya yang rendah menunjukkan dirinya dengan sempurna dalam transmisi jarak jauh.
Tetapi yang benar-benar penting bagi industri adalah keandalan transfer data dan kompatibilitasnya dengan sistem nirkabel yang ada. Inilah yang dapat dipercaya dari Nirkabel Terpercaya dan NirkabelHART - melalui penggunaan FHSS dan daftar hitam, mereka sangat andal dan memungkinkan kompatibilitas yang sangat tinggi dengan teknologi lain.
Tetapi ini tidak berarti bahwa WiFi atau Bluetooth tidak digunakan di fasilitas industri. Mereka juga sering digunakan, tetapi tidak banyak untuk tugas-tugas lain. Mereka memungkinkan Anda untuk mengatur pengiriman data dengan kecepatan tinggi dalam jarak pendek, misalnya: otomatisasi gudang besar atau ruang mesin.
Oleh karena itu, Anda tidak dapat memberikan preferensi pada satu teknologi apa pun - masing-masing cocok untuk tugasnya dan paling sering, mereka digunakan bersama dalam kerangka sistem kontrol proses tunggal.
Perlu bantuan membangun jaringan industri? Kunjungi
situs web kami.