Budowa sieci Wi-Fi na obiekcie przemysłowym (część 1)

W celu zapewnienia prawidłowego procesu transmisji danych na dużych obiektach przemysłowych takich jak hale produkcyjne czy magazyny, standardem jest obecnie wykorzystanie technologii Ethernet jako medium transmisyjnego. Istnieją jednak przypadki, w których zastosowanie rozwiązań przewodowych jest niemożliwe chociażby ze względu na występujące na obiekcie elementy ruchome takie jak np. samojezdne wózki transportowe czy trudno dostępne miejsca, gdzie zastosowanie okablowania jest po prostu nieosiągalne. W tym wpisie chciałbym nieco przybliżyć temat planowania infrastruktury radiowej w oparciu o technologię bezprzewodową Wi-Fi na przykładzie hali produkcyjnej. Budowanie infrastruktury bezprzewodowej dotyczy nie tylko nowopowstałych hal, ale także, a może przede wszystkim obiektów modernizowanych. Jak się do tego zabrać, jakiego typu urządzenia wykorzystujemy, na co zwrócić uwagę podczas projektowania naszej sieci, o tym wszystkim postaram się opowiedzieć w tym wpisie.

Podstawy

Budowanie sieci Wi-Fi opiera się głównie na wykorzystywaniu dwóch rodzajów urządzeń i będą to: Punkt dostępu (ang. Access Point, AP) oraz urządzenie klienckie (ang. Client). W skrócie, AP to urządzenia zapewniające hostom (klientom) bezprzewodowy dostęp do sieci. Przystępując do projektowania naszej sieci warto ułożyć swoją pracę w sposób przejrzysty i podzielić ją na poszczególne etapy. Tak ułożona praca z pewnością ułatwi nam osiągniecie zamierzonego celu krok po kroku bez większych problemów. Zgodnie z naszym schematem będziemy realizować kolejno etapy związane z:

• Wizja lokalna
• Planowanie
• Konfiguracja
• Instalacja i testy

Swoją uwagę skupię przede wszystkim na punktach związanych z wizją lokalną oraz planowaniem, które są główną ideą tego wpisu.

Częstotliwość i kanały wewnętrzne

Pierwszym krokiem, który przybliży nas do zaprojektowania prawidłowo działającej sieci bezprzewodowej jest znalezienie kanałów z najmniejszymi zakłóceniami. Jak powszechnie wiadomo sieci bezprzewodowe wykorzystują do transmisji danych fale radiowe, w związku z czym istotną kwestią jest dobranie odpowiedniej częstotliwości pracy (2.4 lub 5 GHz) oraz jej kanałów wewnętrznych. Komunikacja bezprzewodowa pracująca w oparciu o fale radiowe jest związana również z wykorzystywaniem standardów IEEE 802.11 a/b/g/n, które są definiowane przez częstotliwość. Częstotliwość 2.4 GHz współpracuje ze standardami IEEE 802.11b/g/n, natomiast częstotliwość 5 GHz z IEEE 802.11a/n. Obie częstotliwości mają w swoim paśmie wydzielone kanały i tak 2.4GHz posiada ich 14 (o szerokości 22MHz), ale tylko 3 z nich nie nachodzą na siebie. Oznacza to tyle, że tylko 3 kanały z 14 pozwolą nam na transmisję danych bez wzajemnych zakłóceń, co widać również na poniższym rysunku. W obszarach z dużą ilością urządzeń radiowych częstotliwość 2.4GHz może być pewnego rodzaju ograniczeniem, tym bardziej jeśli w przyszłości planujemy rozbudowę naszej sieci lub przynajmniej jej nie wykluczamy. Jeżeli zatem w sieci występuje wiele urządzeń korzystających z transmisji radiowej to z pewnością warto rozważyć jej budowanie z wykorzystywaniem częstotliwości 5GHz, w tym paśmie kanały na siebie nie nachodzą,  a zatem mamy większe pole manewru.

Analizując transmisję Wi-Fi na danym kanale warto mieć również na uwadze, że w komunikacji WIFI w jednym czasie może nadawać tylko jeden klient. W sytuacji gdy jeden kanał będzie obsługiwany przez wielu użytkowników, dojdzie do wzajemnych zakłóceń oraz zapychania kanału, co w kontekście poprawnego przesyłania danych z pewnością okaże się problematyczne. Można zatem powiedzieć, że nieodzownym elementem podczas analizowania kanałów jest również identyfikacja obszarów o dużym zagęszczeniu użytkowników (klientów) w naszej nowo powstającej sieci, tak abyśmy mogli zadecydować, na której z częstotliwości urządzenia będą pracować. Wracając do charakterystyki częstotliwości 5 GHz. Częstotliwość ta może pracować w dwóch standardach – 802.11a oraz 802.11n i z pewnością pomoże w uniknięciu problemów związanych  z interferencją fal w często przeciążanym paśmie 2,4 GHz. Oczywiście wszystko ma swoje plusy i minusy, korzystając z częstotliwości 5GHz trzeba liczyć się z tym, że konsekwencją zwiększenia częstotliwości będzie zmniejszenie propagacji fal, sygnał będzie gorzej przenikał przez przeszkody, co w efekcie końcowym przekłada się na przymusowe zastosowanie większej ilości AP w naszej sieci (pracując w standardzie 802.11a). W przypadku stosowania standardu 802.11n rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie w urządzeniach technologii MIMO, polegającej na transmisji wieloantenowej zarówno po stronie nadawczej jak i odbiorczej. Głównymi korzyściami takiego rozwiązania są: zysk dywersyfikacji, a zatem wzrost niezawodności łącza, a także zysk multipleksacji czyli wzrost przepustowości łącza.

Fizyczne przeszkody

Kolejnym krokiem niewątpliwie będzie zwrócenie uwagi na występujące bariery fizyczne takie jak ściany czy konstrukcje metalowe. Każda tego typu przeszkoda ma niewątpliwy wypływ na jakość naszego sygnału i może powodować jego osłabienie. Warto mieć na uwadze również fakt, że przypadek ten nie dotyczy tylko sytuacji, gdy dana konstrukcja zasłania nam bezpośredni kierunek sygnału. Elementy metalowe będące nieopodal także mogą powodować np. interferencje fal czy ich odbijanie, co w rezultacie będzie prowadziło do pogorszenia się jakości odbieranego sygnału. Poniższe zestawienie przedstawia wpływ przeszkody na moc sygnału w zależności od jej rodzaju.

Access Point - na co zwrócić uwagę?

Gdy dobraliśmy już odpowiednie kanały, znamy najbardziej zagęszczone obszary, a także zapoznaliśmy się z występującymi konstrukcjami na obiekcie, możemy przystąpić do wstępnego ulokowania naszych Access Point’ów. Pierwszym i najważniejszym krokiem jest ich zainstalowanie z możliwie jak najlepszym pokryciem urządzeń klienckich. Dla przykładu urządzenia bezprzewodowe Moxy pozwalają na podłączenie do jednego punktu dostępowego od 15 do 30 Clientów w standardzie IEEE 802.11 a/b/g/n  w przypadku przesyłania niewielkich ilości danych. Jeśli mamy zatem do czynienia z sytuacją, gdzie liczba urządzeń klienckich przekracza ww. ilość lub są one odseparowane przeszkodami (np. grubą ścianą) to wtedy należy zainstalować co najmniej 2x AP. Kolejna kwestia związana z odpowiednim pokryciem urządzeń to wybór anteny nadawczej. Jeśli nasze urządzenia klienckie są rozlokowane na stałym szerokim obszarze bądź przemieszczają się w jego obrębie to najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie anteny dookólnej. Z kolei w przypadku gdy mamy do czynienia z urządzeniami pracującymi na wąskim obszarze, z wykorzystaniem transmisji punkt-punkt korzystniejszym rozwiązaniem może się okazać antena kierunkowa promieniująca prawie całą moc w jednym wyróżnionym kierunku.

W kontekście lokowania punktów dostępowych istotnym jest również, aby nie ograniczać się do ściśle wyznaczonego miejsca, należy pamiętać aby dokonać pomiarów w kilku lokalizacjach i wybrać tą z najmocniejszym sygnałem. Moc emitowanego sygnału możemy analizować poprzez zewnętrzne dedykowane oprogramowanie np. InSSIDer lub w nieco wygodniejszy sposób - funkcję „Site Survey” która jest wbudowana w urządzeniach bezprzewodowych firmy Moxa. Funkcja ta umożliwia w sposób łatwy i przejrzysty identyfikować m.in. mocy sygnału czy liczbę urządzeń na danym kanale z poziomu przeglądarki internetowej. Na początku wpisu wspomniałem o stosowaniu na obiektach przemysłowych samojezdnych wózków transportowych, które mogą znaleźć zastosowanie np. w celu prostego doręczenia paczki z punktu A do B, nie wymagającego przy tym nadmiernej uwagi żadnego z pracowników. W przypadku gdy punkty nadania i odbioru paczki są rozlokowane na dwóch przeciwległych krańcach hali produkcyjnej, nasz wózek będzie musiał przemieszczać się wzdłuż kolejnych Access Pointów. Podczas planowania miejsc instalacji naszych AP, należy zatem również pamiętać o roamingu umożliwiającym płynne przemieszczanie się wózka między kolejnymi punktami dostępowymi, bowiem każda zwłoka powoduje przerwę w transmisji danych. Mając to na uwadze Moxa w swoich urządzeniach implementuje autorskie rozwiązanie Moxa TurboRoaming, które zapewnia czas przełączania się pomiędzy punktami dostępowymi w czasie poniżej 50 ms. Więcej informacji na ten temat znajdziecie w innym wpisie na naszym blogu „Technologie łączności bezprzewodowej Wi-Fi”.

Podsumowanie

Budowanie sieci na obiektach przemysłowych opiera się również na podejmowaniu innych ważnych decyzji. Musimy wiedzieć jakie dane są w naszej sieci przesyłane, na ile są one krytyczne z punktu działania całego systemu i w zależności od tego dobrać m.in. protokoły komunikacyjne, odpowiednią prędkość łącza czy skonfigurować protokoły redundancji sieci. Niemniej jednak wpis dotyczy głównie zagadnień związanych z urządzaniami typu punkt dostępowy (AP) oraz urządzenia klienckie (Client) w kontekście projektowania bezprzewodowej sieci przemysłowej. W kolejnej części wpisu wykorzystamy przedstawione informacje i pokażemy jak zaprojektować sieć bezprzewodową na przykładzie hali produkcyjnej.