Systemy komunikacji Wi-Fi w pojazdach ruchomych, taborze kolejowym i transporcie

Ciekawe możliwości wnosi standard IEEE 802.11, czyli popularne Wi-Fi, które cechuje się stosunkowo dużą przepustowością (nowy standard IEE 802.11n teoretycznie pozwala na transfery rzędu 300 Mb/s i więcej). W odróżnieniu od urządzeń do zastosowań konsumenckich, sprzęt przemysłowy, a szczególnie w zastosowaniach np. kolejowych, musi cechować się pewnymi dodatkowymi właściwościami i technologiami.

Redundancja połączeń

Jednym z najpoważniejszych problemów występujących w sieciach bezprzewodowych jest ich podatność na zakłócenia elektromagnetyczne. Powodują one skrócenie zasięgu pracy poszczególnych urządzeń, a czasami mogą wręcz uniemożliwiać normalne funkcjonowanie. W zastosowaniach przemysłowych, gdzie niezawodność ma kluczowe znaczenie, najlepszym rozwiązaniem jest redundancja połączenia bezprzewodowego, uzyskana przez pracę urządzeń jednocześnie na dwóch częstotliwościach. Wymusza to zastosowanie w jednym urządzeniu dwóch modułów radiowych, pracujących w paśmie 2,4 i 5 GHz. Dzięki temu w przypadku wystąpienia zakłóceń na jednej częstotliwości nastąpi natychmiastowe przełączenie trybu pracy na częstotliwość alternatywną. Urządzenia z taką funkcją oferuje firma Moxa, a mechanizm ten nazywa się Dual-RF i oferowany jest w serii punktów dostępowych AWK-6222 oraz AWK-5222.

Mechanizm Dual-RF można wykorzystywać nie tylko do połączeń redundantnych typu klient – access point. Ciekawą koncepcją do zrealizowania za pomocą punktów dostępowych Moxa jest topologia bezprzewodowego mostu. W tym przypadku konieczne jest ustawienie jednego modułu radiowego w urządzeniu w tryb master AP, a drugiego jako slave AP.

Ten tryb pracy został zaprojektowany jako rozszerzenie standardowego modelu WDS (ang. Wireless Distribution System) i eliminuje jego największą wadę, jaką jest spadek transferu wraz ze wzrostem liczby punktów dostępowych. Przepustowość dla standardowego trybu WDS (dla trybu pracy IEE 802.11g) wyraża się wzorem 25 Mbps/(n – 1), gdzie n to liczba urządzeń w magistrali. Dzięki zastosowaniu urządzeń z podwójnym modułem radiowym można pozbyć się tej niedogodności i dysponować przepustowością na poziomie 25 Mbps.

Na potrzeby sieci zbudowanych w oparciu o rezerwowe kanały transmisyjne powstał specjalny protokół STP (ang. Spaning Tree Protocol). Jest to protokół tworzący w sieci graf bez pętli (drzewo) i ustalający zapasowe łącza, które w trakcie normalnej pracy pozostają zablokowane. W czasie prawidłowego działania wykorzystywana jest tylko jedna ścieżka, po której może odbywać się komunikacja. W przypadku awarii głównej ścieżki następuje przełączenie na ścieżkę redundantną. Protokół STP został zaprojektowany, by zapobiegać awarii łączności w przypadku uszkodzenia pojedynczej ścieżki komunikacji oraz tworzeniu się tzw. pętli w tak zaprojektowanych systemach. Zwiększa to znacznie niezawodność całej sieci. STP jest częścią standardu IEEE 802.1D:1998, jego udoskonalona wersja – RSTP została wprowadzona wraz z IEEE 802.1D:2001. Podstawowa różnica polega na czasie rekonfiguracji, STP potrzebuje nawet kilkadziesiąt sekund na rekonfigurację, protokół RSTP jest znacznie szybszy.

Szybki roaming

Dla pojazdów w ruchu bardzo ważna jest możliwość szybkiego roamingu. Jest to szczególnie istotne np. w ruchu kolejowym czy ruchu innych pojazdów poruszających się ze znacznymi prędkościami. Utrzymanie stałej łączności pomiędzy pojazdem a kolejnymi punktami dostępowymi ma tu duże znaczenie. Problem można częściowo rozwiązać poprzez zastosowanie specjalnych anten (kierunkowych) oraz wydłużenie odległości pomiędzy kolejnymi punktami dostępowymi, co spowoduje, że przełączanie będzie następowało rzadziej. Firma Moxa opracowała dodatkowo specjalną technologię umożliwiającą bardzo szybkie przełączanie – Turbo Roaming. Dzięki tej funkcji czas przełączania pomiędzy kolejnymi access pointami dla urządzeń z serii AWK wynosi poniżej 100 ms.

Firma Moxa ma również w swojej ofercie specjalny kontroler WAC-1001. Umożliwia on skrócenie czasu potrzebnego na przełączanie się pomiędzy kolejnymi punktami dostępowymi do około 50 ms (przy zachowaniu zabezpieczeń WPA2). Jest to możliwe dzięki temu, że kontroler WAC-1001, wpięty do sieci, przekazuje wszystkie potrzebne informacje związane z uwierzytelnianiem pomiędzy kolejnymi access pointami i dzięki temu skraca proces przełączania do niezbędnego minimum.

Funkcja ACC

ACC (ang. Automatic Carriage Connection) to nowa funkcja stworzona specjalnie na potrzeby taboru kolejowego. Umożliwia automatyczne zestawianie połączeń bezprzewodowych pomiędzy kolejnymi wagonami w składzie. Po ustanowieniu połączenia możliwa jest transmisja danych jedynie w obrębie dwóch urządzeń bezprzewodowych (brak możliwości podłączenia np. trzeciego urządzenia bezprzewodowego). Funkcja ta ma na celu automatyczne tworzenie połączeń bezprzewodowych pomiędzy wagonami oraz ich dezaktywację w przypadku spełnienia określonych warunków (zanik sygnału przez okres dłuższy, niż zdefiniowany). Pozwala to na takie skonfigurowanie urządzeń bezprzewodowych, aby mogły samoistnie tworzyć połączenia bezprzewodowe w momencie dopinania kolejnych wagonów i zapewniać bezawaryjne działanie podczas ruchu zespołu.

Bezpieczeństwo transmisji

Kolejnym aspektem komunikacji bezprzewodowej w przemyśle jest kwestia bezpieczeństwa transmisji. Podstawowymi metodami zabezpieczania połączenia jest filtracja adresów MAC (autoryzacja na podstawie adresu MAC) urządzeń bezprzewodowych czy ukrywanie adresu SSID sieci bezprzewodowej. Jednak obecnie metody te są wysoce nieskuteczne i nie stanowią już problemu dla „nieproszonych gości”. Wśród metod szyfrowania obsługiwanych przez współczesne urządzenia komunikacji bezprzewodowej wymienić można WEP (oparte na algorytmie szyfrującym RC4), WPA (ang. Wired Equivalent Privacy – zgodny ze standardem IEEE 802.11, opracowany jako udoskonalenie WEP) oraz WPA2 (standard zaprojektowany w całości od nowa, wykorzystuje szyfrowanie AES, które wymaga znacznie większych mocy obliczeniowych niż stosowane w WPA – TKIP). Urządzenia komunikacji bezprzewodowej firmy Moxa obsługują wszystkie wspomniane technologie, dodatkowo mając możliwość uwierzytelniania i autoryzacji poprzez serwer Radius.

Budowa urządzeń, zasilanie

Ostatnią kwestią pozostaje mocna, solidna obudowa oraz możliwość nieprzerwanej pracy w niekorzystnych warunkach środowiskowych urządzeń przeznaczonych np. do działania w systemach komunikacyjnych transportu kolejowego. Bardzo ważna jest również zgodność z branżowymi normami i standardami, takimi jak np. PN-EN 50155 (zastosowania kolejowe), PN-EN 50121-1-4 (urządzenia telekomunikacyjne i sygnalizacyjne stosowane w kolejnictwie), Atex Class 1, Zone 2 i inne. Urządzenia muszą być odporne na drgania i wstrząsy, niskie oraz podwyższone temperatury, pył, kurz oraz wilgoć. Bardzo dobrze sprawują się tutaj wodoodporne, zakręcane złącza RJ-45, które zapewniają największe bezpieczeństwo podłączenia przewodów do urządzeń. Przydatną funkcją dla urządzeń montowanych w taborze jest również możliwość zasilania sprzętu kablem sygnałowym w technologii Power over Ethernet (PoE), co eliminuje konieczność stosowania osobnych przewodów zasilających.

Access point AWK-6222 firmy Moxa ma obudowę o stopniu ochrony IP68, może więc być wystawiony na działanie różnych warunków atmosferycznych. Zakres temperatury pracy wersji oznaczonej symbolem T wynosi od –40 °C do +75 °C. Wszystkie urządzenia serii AWK wyposażone są w redundantne zasilanie (12…48 V DC) oraz dodatkowo mogą być zasilane za pomocą technologii PoE.

Obecnie standard bezprzewodowego Ethernetu jest najatrakcyjniejszą z dostępnych opcji, a sądząc po dotychczasowym rozwoju sytuacji, wszystko wskazuje na to, że dla wielu zastosowań w przemyśle, transporcie, kolejnictwie i innych gałęziach gospodarki pozostanie nią także w przyszłości. Nadal jednak w systemach opartych na tym standardzie istotną kwestią do rozwiązania, oprócz niezawodności i prostej konfiguracji, pozostaje możliwość jego bezproblemowej rozbudowy (kompatybilność).

Kryspin Wach
ELMARK Automatyka Sp. z o.o.
ul. Niemcewicza 76
05-075 Warszawa Wesoła
tel. 22 541 84 60
fax 22 541 84 61
www.moxa.elmark.com.pl

source: ELMARK Automatyka