TÖÖSTUSLIKUD SIDEVÕRGUD

Traadita side tööstuslikus keskkonnas

Traadita võrkude sisu ja taust

Traadita kohtvõrgud baseeruvad raadiolainete tehnoloogial. Need on mõeldud mõõdukate andmepakettide edastamiseks ning terve hulga jälgimise, korrastamise ja haldamisega seotud funktsioonide täitmiseks.

Traadita kommnunikatsioonitehnoloogiaid iseloomustab:

• Kõrge paindlikkus võrgutopoloogia seadistamisel;
• Puuduvad juhtmed; teisisõnu ei toimud andmeedastusmeediumi kaudu mehhaanilist kandmist;
• Laiendatud mobiilsus ja kõigi võrguseadmete vaba liikumine;
• Otsapunktide vaheline väiksem võrguliiklus tänu individuaalsete süsteemisegmentide vahelisele kõrgema tasandi mitte-koostoimele.
• Asjakohane andmeülekande kiirus;
• Sobivus tööstuslike automatiseerimisstandarditega nagu DeviceNet, Ethernet jne;
• Kõigi võrku ühendatud seadmete lihtne ja kiire käivitamine jms.

Traadita võrkude grupid

Kaasaegne WLAN suhtleb tavaliselt üle vahemike, mis varieeruvad ühest kuni mõnesaja meetrini, üle kantakse ainult digitaalset infot. Maksimaalse läbilaskevõime alusel jaotatakse tehnoloogiad kolme gruppi.

Kõrge läbilaskevõimega topoloogia

Esimene grupp on kõrge läbilaskevõimega topoloogia, mille maksimaalne kiirus ei ole vähem kui 12 Mbps. HIPERLAN/2 tehnoloogiat kasutatakse andmete, kõnede ja Jooniside edastamiseks tööstuslikes, administratiiv- ja eluhoonetes. Selle tehnoloogia abil on realiseeritud kärglühiulatusega WLAN, mis peaks ulatuma kõrgema tasandi tööstusliku jagamiseni. Definitsiooni kohaselt on ülilairibatehnoloogia (Ultra Wideband Technology, UWB) kanali laius vähemalt 20% kandja sagedusest ja mitte vähem, kui 500 MHz. Wi-Fi (raadiokohtvõrk, Wireless Fidelity) tehnoloogia on mõeldud võrkudele, mis tegutsevad vastavalt IEEE802.11 standarditele, mille jaoks termin Wi-Fi tähendab sama, mis Ethernet tähendab IEEE802.3 standarditele. Sellest tehnoloogiast on kaks versiooni, kuid ainult see, mis vastab IEEE802.11a standardile, võimaldab kõrget kiirust. Sellele on omane 300 MHZ sagedusriba 15 kanaliga, igaühes 52 kandjat.

Tabel 10.1.Traadita võrgud [1]

Nr	Võrk	Standard	Maksimaalne andmekiirus Ribalaius	Ülekanne Ulatus	Sagedus	Grupp
1	HIPERLAN/2	ETSI Projekt BRAN	54 Mbps	-	5 GHz	Kõrge läbilaskevõimega tehnoloogia
2	UWB	IEEE802.15.3a	100 Mbps	10 m	3.1-10.6GHz
3	Wi-Fi	IEEE802.11a	54 Mbps	50 m	5 GHz
4	Wi-Fi	IEEE802.11b	11 Mbps	50 m	2.4 GHz	Keskmise läbilaskevõimega tehnoloogia
5	HomeRF	N/A	10 Mbps	5 m	2.4 GHz
6	Bluetooth	IEEE 802.15.1	2 Mbps	10 m	2.45 GHz
8	ZigBee	IEEE 802.15.4	250kbps	30–500 m	2.4 GHz, 868, 915 MHz	Madala andmeedastuse kiirusega tehnoloogia
7	Z-Wave	N/A	40 Kbps	30m	2.4 GHz
9	EnOcean	N/A	120 Kbps	300m	868.3 MHz
10	DECT	N/A	32 Kbps	100 m	1.96 GHz
11	KONNEX	KNX;EN50090	38.4 Kbps	-	868 MHz

Keskmise läbilaskevõimega tehnoloogia

Keskmise läbilaskevõimega tehnoloogiad töötavad kiirustel vahemikus 1 kuni 11 Mbps. Üldiselt kasutatakse neid arvutivõrkudes, personaalvõrkudes (Personal area network, PAN) ja avalikes ligipääsusüsteemides (Public access systems, PAS). Siia kuulub teine Wi-Fi versioon (vastavalt IEEE802.11b standardile), mille ribasagedus on 80 MHz ja millel on 14 kanalit.  Nimi koduraadiovõrk (Home FR tehcnology) viitab selle peamisele funktsioonile. Sellele tehnoloogiale on omane mõned ühendatud seadmed, maht teist tüüpi võrkudega suhtlemiseks ja võime viia läbi osalisi võrgufunktsioone siis, kui arvuti on väljalülitatud. Külgnevate võrkude olemasolu, näiteks tehase töökodades, ei häiri oma seotud tegevusega, kuna seadmetel on 24-kohaline identifikaator.

Bluetooth tehnoloogia

Bluetooth on suvalist tüüpi traadita ühenduste tehnoloogia. Selle funktsiooniks on väikeste ja ökonoomsete seadmete määratlemine autonoomse vooluallikaga sülearvutite, PDA seadmete (elektronmärkmike), mobiiltelefonide ja teiste mobiilsete süsteemide vaheliseks raadioühenduseks.

Seda iseloomustab saatjate madal energiaemissioon Po, mis on väikese ulatuse põhjuseks ja üks  eeldustest, et lähestikku paigaldatud võrkudel puuduks soovimatu mõju üksteisele. Kasutatakse kolme klassi: Klassil 1 on Po = 100 mW ja ulatus 100 m,  klassil 2 on Po = 2.5 mW ja ulatus 20 m, klassil 3 on Po = 1 mW ja ulatus 10 m.

Bluetooth seadmed kasutavad sagedust 2.4 GHz, koos Wi-Fi/IЕЕЕ 802.11b seadmetega. Et vältida häireid Wi-Figa, kasutab Bluetooth signaali edastusmeetodit, mida nimetatalse sagedushüplemiseks (frequency hopping spread spectrum), mis lülitab täpset sagedust Bluetooth sessiooni ajal 1600 korda sekundis mööda 79 Bluetooth kanalit. Bluetooth on arendatud spetsiaalsete ajutiste võrkude jaoks, milles kaks seadet suhtlevad ainult selle aja jooksul, mis on neile vajalik andmete üle kandmiseks, seejärel ühendus katkestatakse.

Bluetooth seadmed kontakteeruvad kohe, kui satuvad saatja-vastuvõtja ulatusse, ühenduse loomise, autentimise jms eest hoolitseb tarkvara.

Tavaliselt on Bluetooth võrgud ülem-alluv tüüpi, maksimaalne alluvseadmete arv on 7.  Neist eraldi võib eksisteerida piiramatu hulk mitteaktiivseid alluvseadmeid, mis on ülemseadmega ühenduse loonud ja ootavad vaba ruumi, et sooritada andmeülekanne. Sellist tüüpi seadmetevahelist ühendust nimetatakse piconet’iks.

Piconet-ühenduse  kaadris saab olla ainult üks ülemseade. Kui vajalik, saab ülemseadme külge ühendatud alluvseade muuta oma staatust ülemseadmeks, moodustades sellega oma piconet’i struktuuri. Seda tüüpi liitstruktuuri tuntakse Scatternet'i nime all (Joonis 10.1c), milles iga seade saab olla nii ülem kui alluv, sõltuvalt spetsiifilisest olukorrast ja selle seadme kohast üldstruktuuris.

Joonis 10.1. Bluetooth tehnoloogia [1]

Seadme dubleerimise või mõne muu soovimatu kõrvalekalde vältimiseks toimib iga seade teistest erineval ühenduskanalil, erineval sagedusel ja erineva hüplemisparameetriga.  Hüplemisparameeter (Hopping) on perioodiline sageduse muutmine, mille määrab hüplemissageduse parameeter. Algselt sooritab iga mingis ruumis asuv Bluetooth seade ühenduskanalite otsingu seadmete tuvastamiseks. Ühendus luuakse või seda ei lubata sõltuvalt sellest, millises reziimis leitud seadmed on.

Madala andmeedastuskiirusega tehnoloogiad

Need on mõeldud tööstuslikus ja kodukeskkonnas elektrooniliste seadmete juhtimiseks, selle keskmine andmeedastuskiirus on kuni mõnisada kbps, mis tuleneb teiste eeliste arvelt nagu madal hind ja kasutatavate seadmete madal energiakulu. Selliseid tehnoloogiaid on mitmeid, mõned näited:

ZigBee võrgud

ZigBee traadita võrgu omaduseks on unikaalne ise-seadistus ja ise-taastumine sel hetkel, kui eraldiseisvad võrguseadmed lülituvad võrku, identifitseerides üksteist. Mõne sellise seadme vea korral taastab võrk ennast ja alustab andmete ülekannet uut marsruuti pidi. Andmed, sealhulgas võrgu teenuseinformatsioon, kantakse üle kiirusel 250 Kbit/s. ZigBee traadita võrk töötab sageduskanalite ulatustel 868 МHz, 915МHz, 2, 4МHz. Selle tegevusulatus on paarikümnest meetrist hoonetes paarisaja meetrini väljas.

EnOcean

See traadita tehnoloogia sarnaneb ZigBee’le ja selle arendas välja EnOcean GmbH, mille asutas Siemens AG 2001. aastal.

See on täielikult keskkonnasõbralik, kuna sellesse kuuluvad seadmed, sensorid ja saatjad ei vaja töötamiseks patareisid. Need on iselaaduvad, kasutavad energia laadimiseks ümbritsevast keskkonnast erinevaid meetodeid. See standard leiab rakendust valgustussüsteemides, turvasensorites, erinevat tüüpi meditsiiniseadmetes ja tööstuslikes süsteemides. EnOcean tehnoloogia tegutsemisulatus on umbes 300 meetrit ja selle andmeedastuskiirus on kuni 120 Kbit/s.

Z-Wave

Z-Wave on protokoll traadita andmeedastuseks lühikestel distantsidel minimaalse energiakuluga. Z-Wave protokollil põhinevad seadmed rakendavad suhteliselt madalat kiirust umbes 40 Kbit/s 30 meetri ulatuses ja töötavad ühe patareiga kauem kui ühe aasta.

Põhimõtteliselt kasutatakse seda tehnoloogiat tarkades kodudes, eriti valgus- ja soojusjuhtimissüsteemides, tulekahjuhoiatussensorites, videojälgimis- ja kaitsesüsteemides. Z-Wave võimaldab kõiki neid sensorite ja seadmete võrkusid juhtida ühe kaugjuhtimisüksuse abil.

Traadita võrkude loogilised topoloogiad

Traadita võrkusid ehitatakse erinevate loogiliste topoloogiate järgi.

AD-HOC

Selles reziimis (Joonis 10.2), mida kasutatakse kõige enam mobiilseadmete omavaheliseks ühendamiseks, ei ole vajalik, et mõni traadita võrguseade kanali ligipääsu sünkroniseeriks. Seda iseloomustab madal produktiivsus ja võimalik kokkupõrgete tekkimine.

Joonis 10.2. AD-HOC

Juurdepääsupunkt - klient

Praktiliselt on see kõige sagedamini kasutatud topoloogia seadmete traadita võrkudesse ühendamiseks. Suur hulk mobiilseadmeid kasutavad ühe põhijaama (base station, BS) teenuseid, seda nimetatakse ka pääsupunktiks (Access point, AP),  mis juhib/haldab kõiki sellega seotud kliente. Põhijaam juhendab klienti, millist kanalit andmete ülekandmiseks kasutada ja millal. Sõltuvalt omistatud reeglitest võivad mõned kliendid saada teiste klientide ees prioriteete (QoS). Niiöelda „varjatud terminalide“ poolt ei ole kokkupõrke ohtu, kuna kõik kliendid peavad võrku pääsemiseks kasutama pääsupunkti; teiste sõnadega – pääsupunkt (AP) näeb kõiki kliente, samal ajal kui need üksteist ei näe.

Joonis 10.3. Juurdepääsupunkt - klient [1]

Traadita võrk (WDS, Wireless Distributed System)

Traadita võrgusüsteemid kasutavad pääsupunkt-klient topoloogiat, kus iga pääsupunkt moodustab kuuldava tsooni. Erinevus pääsupunkt-klient topoloogiast seisneb erinevate pääsupunktide traadita sides, et võimaldada ligipääsu viitevõrku. Kõik pääsupunktid peavad töötama samal raadiokanalil ja omama teiste WDS võrgu moodustavate MAC aadresside nimekirja.

Joonis 10.4 Traadita võrk (WDS, Wireless Distributed System) [1]

Repiiter

Kasutab sama kanalit nagu pääsupunkt, mis võimaldab ligipääsu viitevõrku. Repiiterile on antud MAC aadress, mis võimaldab läbipaistvat viidatud pääsupunkti stimuleerimist kaugtsoonis. Viidatud pääsupunkt on kaugtsoonis teada oma originaalnime ja parameetritega; ainus erinevus on MAC aadress ja kaugvõrgus on see MAC aadress repiiteri oma.

Joonis 10.5. Repiiter [1]

Sild

See on mõeldud kahe võrgusegmendivahelise läbipaistva ühenduse loomiseks, võimaldades sel viisil kohtvõrkude traadita ühendust eemalolevates kontorites. Traadita ühendus on võimalik ainult sellise kahe seadme vahel, mis töötavad pääsupunkt-silla (AP Bridge) reziimis. Sel viisil annavad nad läbipaistvalt üle iga paketi ühest lokaalsest kohtvõrgusegmendist eemalolevasse segmenti.

Joonis 10.6. Sild [1]

Andmekaitse

Kõik traadita tehnoloogiad kasutavad andmete kaitsmiseks ühel või teisel viisil andmete kodeerimist. IЕЕЕ802.11 standardile vastavad võrgud kasutavad WEP krüpteerimisfunktsioone informatsiooni kodeerimiseks, kusjuures sõltuvalt seadmeklassist võib krüpteerimine olla 64-bitine või 128-bitine. Bluetooth’il on 3 andmekaitse viisi, kus kõige paremini kaitstud Security Mode 3 (viida tasandil täidetud turvalisus) tegutseb seansivõtmetega, mis genereeritakse kahe seadme ühendamise protsessi käigus ja kasutatakse ka linkimiseks, identifitseerimiseks ja andmeülekandeks nende seadmete vahel.

802.11b tagab andmekontrolli MACi tasemel ja kontrollib ka Wired Equivalent Privacy (WEP) krüpteerimismehhanismi,  mida saab sisse ja välja lülitada. Kui WEP on sisselülitatud, kaitseb see ainult andmepaketti, mitte selle päist, võimaldades kõigil võrgus asuvatel seadmetel mööduvaid andmeid „läbi vaadata“. Pääsu reguleerimise sätestamiseks on igas pääsupunktis installeeritud ЕSSID (või WLАN Service Area ID) ilma milleta ei ole võimalik jaamal ühenduda pääsupunkti. Lisaks sellele suudab ta salvestada kõikide autoriseeritud seadmete „lubatud“ MAC-aadresside nimekirja; sel viisil võimaldab ta nimekirja kuuluvatel seadmetel ühenduda võrku. Andmete krüpteerimine teostatakse RC4 algoritmide abil 40-bitise võtmega, olemas on ka lihtsamaid krüpteerimisviise.

[1]Media Access Control (MAC) – 48-bitine unikaalne tootja poolt omistatud võrguseadme identifikaator.

Open System Interconnect (OSI) – võrgumudel, milles kommunikatsiooniprotsess on jaotatud seitsmeks iseseisvaks etapiks (kihiks).