Wi-Fi in ambito industriale applicazioni e sviluppi

Wi-Fi in ambito industriale
applicazioni e sviluppi
Daniele Brevi
Riccardo Scopigno
<brevi, scopigno>@ismb.it
1
Tecnologie wireless:
analisi SWOT
„
Strongnesses
z Connettività ubiqua
z Riduzione costi cablaggio
z Superamento problemi fisici
(attorcigliamenti, rotture,
usura…)
z Tecnologia matura
„
„
„
„
z
Soluzioni std, consolidate,
economiche e liberalizzate
z
z
z
Uso di componenti consumer e
abbattimento costi
Integrazione di soluzioni std in
architetture innovative
(convergenza)
„
Studio preliminare di
fattibilità
Tecnologie da adattare
all’applicazione
„
Esempio: controllo multipunto
Occorre un MAC
Intrinseca esposizione alle
interferenze
„
Opportunities
z Evoluzione flessibile delle
applicazioni
„
Weaknesses
z La banda è sempre minore
che nelle reti wired
z La banda è inoltre condivisa
(“dominio di collisione”):
Requisiti real-time
Threats
z Problemi di sicurezza della
comunicazione (e-security)
z Problemi di sicurezza fisica
dell’applicazione che usa il
wireless (safety)
2
Tecnologie wireless nei processi
industriali (i)
„
„
In industria amplificati i vantaggi del wireless
z Connettività ubiqua e interfaccia HMI non dedicata alla
singola macchina
z Cablaggi costosi
z Ambienti “sporchi”
L’ambiente industriale pone però specifici requisiti
z Possibile presenza di sorgenti di disturbo
z L’ambiente di propagazione è spesso ostile
z La comunicazione coinvolge segnali con requisiti
“Real-Time”
z La comunicazione di controllo deve essere robusta e
affidabile
z La comunicazione deve essere sicura
3
Un esempio pratico: dal cavo…
… al wireless
Flusso
dati
Cavo dedicato ai
messaggi di safety
dell’applicazione
Flusso dati
e messaggi
di safety
4
Tecnologie wireless nei processi
industriali (ii)
„
„
Occorre scegliere la tecnologia migliore
1. Caratterizzazione dei segnali coinvolti (thr,
delay, jitter, PER)
2. Caratterizzazione del canale fisico (misure e
modellazione)
3. Scelta della tecnologia ottima
Ulteriori passi per lo sviluppo completo della
soluzione
4. Caratterizzazione del canale logico (misure)
5. Validazione (simulazione e misure)
6. Supporto all’integrazione e al debugging
5
Il ruolo di ISMB
„
„
Occorre scegliere la tecnologia migliore
1. Caratterizzazione dei segnali coinvolti (thr,
delay, jitter, PER)
2. Caratterizzazione del canale fisico (misure e
modellazione)
3. Scelta della tecnologia ottima
Ulteriori passi per lo sviluppo completo della
soluzione
4. Caratterizzazione del canale logico (misure)
5. Validazione (simulazione e misure)
6. Supporto all’integrazione e al debugging
6
Caratterizzazione
Caratterizzazione dei
dei segnali
segnali
coinvolti
coinvolti
7
I requisiti di segnale
„
„
„
„
Occorre identificare i segnali (messaggi di controllo,
monitoring, …) che sono coinvolti nella migrazione
wireless
Tali segnali devono essere caratterizzati tramite
parametri specifici
z Requisiti di tempo (delay, jitter, …)
z Requisiti di affidabilità (PER, retry, ack, …)
z Procedure per il recovery in caso di perdita della
connessione
L’utilità di tali parametri è duplice
z È determinante per la scelta della tecnologia ottima
z Rivela la necessità di eventuali modifiche ai protocolli
e/o all’applicazione stessa
ISMB affianca le aziende anche in questa fase per
caratterizzare in maniera fine le proprietà di un traffico
dati estraendone i parametri rilevanti
8
Cenni
Cenni alla
alla caratterizzazione
caratterizzazione
del
del fisico
fisico
9
L’analisi dello spettro
„
„
„
Per poter capire se esistono campi interferenti
è necessaria un’analisi dello spettro
z Analisi delle potenziali sorgenti di disturbo
z Impatto di interferenti sia sulle trasmissioni che
sui circuiti
ISMB può effettuare semplici analisi sulle
bande WiFi
Per analisi più approfondite si basa sulle
competenze campistiche dei laboratori del
Politecnico (LACE, …)
10
L’analisi in un ambiente industriale
11
L’analisi in un ambiente industriale
-60
802.11a
Device
-65
-70
UMTS
Device
dBm
-75
-80
-85
-90
-95
2
2.5
3
3.5
4
Freq (GHz)
4.5
5
5.5
6
Segnale con potenza bassa
(possibile sistema di
radionavigazione)
12
Scelta
Scelta della
della tecnologia
tecnologia
ottima
ottima
13
Piena
WAN
GSM GPRS EDGE UMTS
Nazione
HSDPA
HSUPA
Mobilità
WMAN
WiMAX
Accesso
metro
politano
WLAN
WiFi e Hiperlan
SOHO
b
a/g
n
WPAN
Sost.
cavi
RFid
ZigBee
Bluetooth
Scarsa
1 Kbps
10 Kbps
100 Kbps
1 Mbps
10 Mbps
100 Mbps
1 Gbps
14
Piena
WAN
GSM GPRS EDGE UMTS
Nazione
HSDPA
HSUPA
Mobilità
WMAN
WiMAX
Accesso
metro
politano
WLAN
WiFi e Hiperlan
SOHO
b
a/g
n
WPAN
Sost.
cavi
RFid
ZigBee
Bluetooth
Scarsa
1 Kbps
10 Kbps
100 Kbps
1 Mbps
10 Mbps
100 Mbps
1 Gbps
15
Rete infrastrutturata
Rete locale
o internet
STA
STA
AP
STA
BSS
STA
16
Reti Ad-hoc
IBSS
17
Trasmissione con requisiti
Real-Time
„
„
„
I segnali di controllo pongono requisiti real-time non
tipici delle comunicazioni data-oriented
Si pensa di adattare tecnologie wireless consumer
esistenti (WLAN, WPAN) in quanto garantiscono
z Buone performance (data rate, affidabilità, …)
z Costi contenuti
z Soluzioni standard, scalabili e facilmente “integrabili”
z Uso liberalizzato delle frequenze e facilità di costruzione
di infrastruttura di rete
Scelta di tecnologia di comunicazione e validazione della
soluzione
z Adattamento delle soluzioni per migliorare affidabilità,
robustezza, performance,…
z Scelta della soluzione più flessibile e “potente”
18
Scelta della tecnologia ottima
La coesistenza
„
Bisogna conoscere gli eventuali problemi di
coesistenza delle varie tecnologie wireless
z 802.11b Æ 2,4 GHz
z 802.11g Æ 2,4GHz
z 802.11a Æ 5 GHz
z Bluetooth Æ 2,4 GHz
19
BT e 802.11b/g
„
„
Condividono la stessa banda di frequenze
z 2400 – 2483,5 MHz
802.11b/g per regolare la trasmissione utilizza
la tecnica CSMA/CA
z CSMA: ogni client prima di iniziare a
trasmettere dati “ascolta” se il canale è libero
z CA: Se il canale è libero aspetto un tempo
casuale e inizio a trasmettere
z ACK: La trasmissione è avvenuta con
successo se ottengo una risposta dal
destinatario
20
BT e 802.11b/g
„
„
„
„
BT per la trasmissione non rispetta le regole
dettate dal CSMA/CA
Se esiste un dispositivo BT che sta
trasmettendo in contemporanea ad uno
802.11b/g possiamo avere una collisione
Collisione: due o più trasmissioni simultanee
che interferiscono a vicenda
L’entità del disturbo medio dipende dalla
vicinanza tra i due dispositivi
21
BT e 802.11b/g
„
„
La potenza emessa dai dispositivi BT è
tipicamente più bassa di quella utilizzata da
802.11
z 1 mW vs 30-50 mW
Più la stazione 802.11 è lontana dall’access
point più il segnale ricevuto è basso
z Aumentano le probabilità di interferenza
22
Coesistenza di BT e 802.11b
Interference Between Collocated Wi-Fi and Bluetooth Radios
(measured and simulated)
8
Throughput (Mb/s)
7
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Received Wi-Fi AP Signal Power at Wi-Fi STA (-dBm)
BT=OFF (measured)
BT=1m (measured)
BT=1m (simulated)
Source: Mobilian Corporation
23
802.11b e 802.11g
„
„
„
Questi due standard WiFi condividono la
banda a 2,4 Ghz
Tutti i dispositivi 802.11g devono essere
compatibili con quelli 11b
z 802.11g si pone come estensione a maggiore
throughput
Questo comporta che in un ambiente con
stazioni eterogenee il throughput medio di “g”
risulterà essere più basso
24
802.11b e 802.11g
802.11g packet @ 54
Mbps
802.11g network waiting
802.11b network
waiting
802.11b packet @ 11 Mbps
Time
„
Le stazioni 11b vanno circa 1/3 più piano di
quelle 11g
25
802.11b e 802.11g
802.11g
54 Mbps Throughput teorico
802.11g
35-37
Mbps
802.11b/g
18 Mbps Solo coesistenza senza client 11b
presenti Æ devo “ascoltare” se ci
sono stazioni 11b
9 Mbps
Coesistenza con client 11b attivi
802.11b/g
Throughput a livello applicativo
26
802.11b/g e 802.11a
„
„
„
Utilizzano frequenze diverse ma sempre ISM
z 802.11a Æ 5 GHz
z 802.11b/g Æ 2,4 GHz
Per la trasmissione utilizzano antenne diverse
Non esistono problemi di interoperabilità
27
Scelta della tecnologia ottima
Il caso WiFi
802.11b
802.11a/h 802.11g
Physical layer
DSSS
OFDM
OFDM
Data Rate
11 Mbps
54 Mbps
54 Mbps
Band
2.4 GHz
5 GHz
2.4GHz
Non-overlapping
channel
3
Up to 19
3
28
Altri aspetti
Robustezza al Jamming
„
„
Stazione Jammer non rispetta il protocollo di
accesso al mezzo
z La stazione interferente invia pacchetti anche
quando le altre stazioni stanno trasmettendo
z Genera delle collisioni
Simula un’interferenza distruttiva di potenza
30 mW alla esatta frequenza di trasmissione
dei dati
29
Testbed
Access point
802.11a
Distanza in LOS
Scheda wireless
802.11a
30 cm
Jammer
30
Tipo di interferenza
Ti
„
„
„
Tj
t (sec)
Tidle = Il jammer si comporta come una normale
stazione
Tjamming = Il jammer trasmette dati casuali
Duty cicle disturbo = Tj/(Ti+Tj)
z Percentuale del tempo in cui creo disturbo
31
Risultati sperimentali
1 metro
30
5 metri
40 metri non LOS
Thr (Mbps)
24
18
12
6
0
0
1
10
20
50
70
90
98
99
Duty Cicle (%)
32
Caratterizzazione
Caratterizzazione del
del canale
canale
logico:
logico: esperienza
esperienza Comau
Comau
33
Utilità della caratterizzazione
„
„
„
Permette di creare un modello del canale
Tramite il modello si possono simulare nuove
estensioni di protocolli e procedure prima di
implementarli
Permette di avere indicazioni pratiche sul
comportamento del canale in date situazioni
34
Modellizzazione in pratica (i)
„
„
„
Il modo più utilizzato per creare un modello del
canale è quello di trasmettere una sequenza di
bit nota e di confrontarla con quella ricevuta
Tx: 0 0 1 1 0 1 0
Rx: 0 1 0 1 0 0 0
XOR: 0 1 0 0 0 1 0
La differenza tra bit trasmessi e ricevuti indica
la presenza di un errore
La sequenza di errori permette di costruire il
modello da utilizzare durante le simulazione
35
Modellizzazione in pratica (ii)
„
„
„
Non è sempre possibile inviare dati sul canale
avendo un controllo a livello di bit
Il modello può essere quindi creato passando
ad un livello di astrazione superiore
z Dal bit al frame
Questo passaggio implica una parte di postprocessing più complicata
z Bisogna tenere conto anche di tutti i
meccanismi introdotti dal protocollo di accesso
al mezzo
36
Lo schema operativo
Trasmettitore
(client)
Ricevitore
(server)
S
P
1m
Sonda
d
Access
Point
37
Lo schema operativo
Griglia
metallica
Trasmettitore
(client)
Ricevitore
(server)
S
P
1m
Sonda
Access
Point
38
Lo schema operativo
Armadi
metallici
Parete
metallica
Trasmettitore
(client)
Ricevitore
(server)
S
P
1m
Sonda
Access
Point
39
Auto-fallback
„
„
„
„
È un meccanismo di autoconfigurazione che
rende 802.11 robusto e flessibile
Le condizioni del canale vengono tenute
costantemente sotto controllo
Se peggiorano il trasmettitore diminuisce la
velocità di trasmissione in modo da utilizzare
una modulazione più robusta
In questo modo continuo a trasmettere anche
se ad un minor bit-rate
40
I risultati della modellizzazione
„
„
„
Oltre al modello vero e proprio le sequenze di errore
possono anche darci indicazioni sul comportamento
del canale e dei protocolli
In particolare le prove effettuate hanno dimostrato che
l’algoritmo di auto-fallback permette di recuperare
situazione di canale molto rumoroso
z Utilizza una modulazione più robusta
z Di conseguenza i dati vengono trasmessi ad un bit
rate minore
Conoscendo la minima velocità a cui può funzionare
l’applicazione si possono dedurre qualitativamente le
condizioni limite di operatività in un certo ambiente
z Per es. : max distanza tra rx e tx
41
Supporto
Supporto all’integrazione
all’integrazione ee
al
al debugging
debugging
42
Debugging di una soluzione WiFi
„
„
„
„
Qualora la soluzione wireless manifesti un problema
occorre isolarne la causa
z Occorre comunque analizzare il comportamento della
trasmissione wireless
Più fine è il livello di dettaglio sui pacchetti scambiati
durante la comunicazione più facile è individuare
eventuali problemi
Per WiFi è possibile catturare sia i frame dati che i
frame di controllo (es. ack) e gestione (es. beacon)
z Su alcune schede esiste una modalità di
funzionamento particolare (specie su Linux)
Necessario estrarre informazioni utili da una grande
quantità di dati
z Migliaia di pacchetti al minuto
z Catture di durata notevole (giorni)
43
Debugging di una soluzione WiFi
„
„
„
Considerando le applicazioni specifiche, il debugging
di una soluzione complessa non può ricorrere solo a
tool standard
Sono necessari strumenti appositamente creati
z Per la ricerca di eventuali problemi all’interno di
lunghe catture
z Per verificare che siano rispettati eventuali requisiti
specifici dell’applicazione
ISMB ha sviluppato una serie di strumenti software
adattabili anche allo studio di parametri specifici e/o
proprietari
z È in fase di sviluppo un’interfaccia grafica
44
Screenshot
45
Altri
Altri esempi
esempi pratici
pratici
46
Ulteriori casi industriali
„
„
Richiesto sviluppo di sistema wireless WiFi per l’uso in
ambito navale (sala macchine) per:
z Sviluppo sw su palmare per raccolta allarmi,
monitorizzazione macchine (i/f con PLC)
z Comunicazione peer-to-peer e safety-alarm
z Localizzazione delle persone
z Accesso remoto a dati (manuali)
z Comunicazione vocale
z Raccolta di dati da WSN
La soluzione riassume una serie di sfide e richieste
ricorrenti
z Gestione della QoS Real-Time in ambienti ostili
z Gestione della QoS con integrazione di servizi (dati, voce,
real-time)
z Integrazione con altre tecnologie (WSN)
„ Altri casi di integrazione con RFID
47
Future
Future direzioni
direzioni di
di ricerca
ricerca
applicata
applicata
48
Settori di ricerca emergenti
„
„
„
Tra le tecnologie wireless esistenti, WiFi è una
soluzione subottima ma molto flessibile
Nuove evoluzioni di WiFi garantiscono una
maggiore flessibilità alle soluzioni
z 802.11e per la QoS (priorità e riservazione)
z 802.11n e tecniche MIMO
z 802.11s per reti mesh
Non solo WiFi come settore di ricerca ma anche
protocolli di livello applicativo per la robustezza
del canale
z Sviluppo di protocolli (safety, keep-alive, …)
49
IEEE 802.11e
„
Specifica due tipi di QoS
z EDCA
„ L’accesso al mezzo non è deterministico
come nelle reti telefoniche tradizionali
„ Un pacchetto ad alta priorità viene
statisticamente trasmesso prima degli
altri
z HCCA
„ Utilizza un approccio a polling
„ Il metodo è deterministico
50
IEEE 802.11n
„
„
„
Velocità fino a 600 Mbps
Utilizza tecniche MIMO (fino ad 8 antenne)
Visti i tempi lunghi per la standardizzazzione
esistono già apparati in commercio certificati
come pre-n
51
IEEE 802.11s
„
„
Rete in cui gli access point oltre a fornire
connettività alle stazioni possono comunicare
tra di loro
Non è più necessaria la cablatura dati
52
IEEE 802.11s
„
„
La rete si autoconfigura automaticamente
Se un nodo si guasta la rete si riconfigura
cercando un nuovo path verso il collegamento
al mondo esterno
Internet
53
IEEE 802.11s
„
„
La rete si autoconfigura automaticamente
Se un nodo si guasta la rete si riconfigura
cercando un nuovo path verso il collegamento
al mondo esterno
Internet
54
IEEE 802.11s
„
„
La rete si autoconfigura automaticamente
Se un nodo si guasta la rete si riconfigura
cercando un nuovo path verso il collegamento
al mondo esterno
Internet
55