02 ноября 2006
Д. Элдер , В. Ванг. Диспетчеризация здания без проводки.
Д. Элдер , В. Ванг
Интеллектуальное здание, 2006
Беспроводная магистраль, к которой подключено несколько систем, может уменьшить расходы на проектирование, строительство, ввод в эксплуатацию и эксплуатацию в течение всего срока службы здания. Технологии беспроводной связи являются выгодным решением для систем контроля здания, позволяющим обеспечить строителям мобильность, связать несколько сетей и обеспечить возможность взаимодействия устройств и обмена информацией в рамках одной и той же сети.
Почему в зданиях начинают использовать беспроводные сети
Беспроводные схемы обладают многочисленными преимуществами. Строители и инженерно-технический персонал могут следить за ходом работ везде, где бы они ни находились. С помощью беспроводной связи можно сэкономить на проводке и улучшить функциональные характеристики сети (благодаря тому, что к одной и той же беспроводной магистрали подключается несколько систем), независимо от того, когда ее прокладывают- при модернизации или строительстве нового здания. При тщательном планировании с помощью беспроводной системы можно регулировать освещение и систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, одновременно отслеживая возможность возникновения пожара и безопасность. Наличие беспроводной системы в будущем облегчит переделки (например, перенос стен и изменение кубатуры офисных помещений). Беспроводная магистраль, к которой подключено несколько систем, может уменьшить расходы на проектирование, строительство, ввод в эксплуатацию и эксплуатацию в течение всего срока службы здания.
Конвергентность сети
По традиции принято развертывать несколько сетей (проводных или беспроводных), по одной на каждый набор прикладных задач. Например, одна сеть используется для создания системы автоматизации и контроля здания (LON или BACnet), другая - для информационной техники в целом, и еще одна - для голосовой передачи через IP (VoIP). Если использовать для контроля, обмена данными и голосовой связи одну, а не несколько сетей, можно уменьшить расходы на ее развертывание и управление. Такую возможность дает беспроводная сеть с достаточной для выполнения всех прикладных задач полосой пропускания и качеством сервиса (QoS).
В большинстве топологических схем сети и протоколов связи, которые используют по всему миру, применяется протокол TCP/IP. В беспроводной сети на TCP/IP можно без труда поддерживать такие задачи, как VoIP, передача видео, BACnet/IP и т.д. используя общую сетевую инфраструктуру. Протоколы наподобие BACnet/MSTP и LONWorks можно встроить в пакеты IP и передавать в той же сети. При наличии широкополосной сети одновременно могут работать несколько систем. Схема QoS гарантирует, что приложения, которые должны работать в реальном времени, будут обработаны с соответствующим приоритетом, позволяющим обеспечить заданные технические показания.
Полосу пошире
Обычно приборы управления автоматикой в здании обмениваются данными со скоростью в десятки или сотни килобайт в секунду (кбайт/сек), но компания Kiyon учитывает возможность, что в будущем для беспроводной сети понадобится более широкая полоса пропускания. Вот несколько общих протоколов, которые используются для контроля зданий (со скоростью передачи данных): 10 Мбайт/с для Ethernet, 156 кбайт/с для ARCNET, до 76,8 кбайт/с для М5ЯР и 78 кбайт/с - 1,25 Мбайт/с для LonWorks. Более того, при соединении многочисленных устройств (или нескольких подсетей с устройствами), общая скорость передачи данных увеличивается, и широкополосная сеть становится просто необходимой.
Что нужно учесть при развертывании беспроводной сети
Проводные сети используются в системе автоматического управления и контроля здания уже много лет и успели доказать свою надежность. Техническая реализация беспроводных систем в этой области стала возможной совсем недавно, благодаря увеличению надежности и снижению цен. В настоящий момент беспроводная система во многих случаях является осуществимым и предпочтительным вариантом (например, в местах, где трудно или дорого прокладывать проводку, где нужно связать воедино несколько зданий, где нужна мобильность). Подобные задачи, которые могут включать в себя передачу данных, голоса и видео плюс поиск и службы на базе положения (LBS), по самой природе своей должны решаться в беспроводной сети. В конечном счете, вопрос в том, какой из вариантов окажется наиболее экономичным, и в то же время будет соответствовать всем эксплуатационным требованиям.
Проведение инженерных изысканий при строительстве
Инженерные изыскания на месте строительства проводятся для оценки деталей проекта, относящихся к покрытию и производительности полосы пропускания, определения нужного количества маршрутизаторов, мест установки антенн и их направления. Это позволяет обеспечить полное покрытие нужных участков. Кроме того, в ходе изысканий определяется коэффициент помех (SNR) и количество повторов пакета (сколько раз нужно отправить пакет прежде, чем он будет успешно получен). В некоторых местах сигнал может быть сильным, но приемник не сможет его декодировать из-за радиочастотных шумов или многолучевой интерференции, и тогда количество повторных попыток отправить пакет увеличится. Другой подход к этому вопросу - поиск слабых связей. При развертывании крупных сетей рекомендуется произвести изыскания, поскольку прокладка и повторная прокладка проводки к многочисленным точкам доступа может обойтись еще дороже.
Практичной и недорогой альтернативой в случае с узловой сетью является установка в определенных местах нескольких тестовых устройств и оценка мощности реального радиосигнала между устройствами с помощью визуализатора топологии сети. Большинство маршрутизаторов беспроводной сети могут обнаружить другие аналогичные устройства, поэтому для настройки рабочих характеристик системы и получения полного покрытия можно реорганизовать маршрутизаторы или добавить новые.
Уменьшение помех
802.11b/g WLAN работает на частоте 2,4 ГГц, а 802.11a WLAN - 5 ГГц. Это общие, не лицензируемые частоты. Помехи, которые создают микроволновые печи, беспроводные телефоны, спутниковые системы и другие радиочастотные устройства (например, радиосистемы освещения и соседние WLAN), могут серьезно повлиять на рабочие характеристики. Самая простая мера противодействия - использование канала с минимальным количеством радиопомех.
Другие меры также способны обойти или свести к минимуму помехи. На уровне управления доступом к среде передачи данных (MAC), стандартный протокол CSMA/CA позволяет избежать перекрытия пакетов, определяя и отводя их перед повторной передачей. Кроме того, Kiyon использует усовершенствованный протокол MAC на базе множественного доступа с разделением времени (ТDМА), который выделяет для каждого устройства один или несколько временных промежутков для передачи, уменьшая воздействие помех от соседних приборов.
Многоканальный MAC с динамическим выбором каналов может еще сильнее подавить помехи из различных источников. Протоколы высшего уровня (например, TCP или протокол прикладной программы) также снабжены встроенным механизмом распознавания и исправления определенных ошибок при повторной передаче.
Мобильность строительного объекта - люди, стены и операции
Одно из основных преимуществ беспроводной системы - возможность поддержки мобильности людей или устройств, а также изменения конфигурации здания. Узловые сети играют ключевую роль в деле обеспечения мобильности и пользователей и возможности перестраивать здания. Люди перемещаются; стены, шкафы, столы и устройства меняются; со временем меняется и тип работы. Таким образом, в изменчивой радиочастотной среде структура беспроводной сети, оптимизированная для одних условий, может оказаться неприемлемой для других.
Узловую сеть можно перенастроить в соответствии с меняющейся средой здания. К примеру, технология, разработанная Kiyon и названная "маршрутизацией беспроводных хостов" реализует метод приоритетной передачи, определяя клиента с ослабленным соединением и подбирая другой, более мощный маршрутизатор, таким образом обеспечивая бесперебойную передачу с минимальной задержкой.
Неблагоприятное радиочастотное окружение внутри зданий
Внутри зданий структура покрытия беспроводной сети усложняется и часто не поддается контролю. В сравнении с передачей в пределах прямой видимости, которая происходит на улице и где мощность принимаемого сигнала падает пропорционально квадрату расстояния, условия распространения радиочастотного сигнала в помещении гораздо неблагоприятнее и динамичнее. Потери сигнала при прохождении через бетон зависят от промежутка между арматурными прутьями и их толщины (обычно они приблизительно равны 6 дБ при 2,4 ГГц). В худшем случае, если стержни расположены в виде сетки с ромбовидными отверстиями, потери могут достигать 21 дБ. В дополнение к потере сигнала, из-за геометрии помещения могут возникнуть и зоны отсутствия приема. Сигналы из многочисленных источников могут частично или полностью гаснуть у приемника, снижая мощность сигнала на целых 40 дБ.
Воздействие многолучевого распространения и помех можно снизить, используя широкополосную радиотехнику (радиоустановки IEEE 802.11 и 802.15.4). Кроме того, для устранения многолучевых помех можно использовать направленные или разнесенные антенны. Например, угловой и ограниченный диапазон радиочастот между двумя направленными друг на друга антеннами (на расстоянии) создает значительно более узкий сигнальный канал. При этом радиосигнал и энергия фокусируются в длинную узкую трубку, а не рассеиваются в широком пространстве, снижая потери энергии и многолучевые помехи.
Несмотря на это, радиочастотный диапазон в помещении значительно уменьшается и иногда его трудно предугадать. Не всегда удается использовать более мощные радиоустановки, и не всегда это помогает. Монтажник многое может сделать для того, чтобы настроить беспроводную сеть в здании: например, надежное и успешное развертывание обеспечивает комбинация правильного размещения маршрутизаторов и антенн, использования правильного типа антенн, размещение беспроводных устройств вдали от металлических предметов и другие факторы. В узловой сети обычно можно добавить в сеть радиочастотные устройства и расположить их так, чтобы улучшить покрытие.
Безопасность
Механизм обеспечения безопасности, первоначально описанный в стандартах 802.11 называется Wired Equivalent Privacy (WEP). Протокол WEP по-прежнему широко используется, хотя известен своей уязвимостью перед решительной и умелой атакой. Хакер без труда найдет инструменты, которые вскроют ключ шифрования, прослушав достаточное количество пакетов, передаваемых в эфире. Для усиления безопасности была создана новая спецификация, 802.11i. Она использует более криптостойкое шифрование и сложные алгоритмы управления ключами шифрования. Иначе она называется WiFi Protected Access-2 (WPA2).
Что такое узловая сеть связи
Существует много конфигураций или архитектур беспроводной сети. Одни из примеров - сеть на базе хаба, где все клиентские устройства обслуживает хаб (точка доступа).
Другой вариант - более масштабируемая архитектура, где любое сетевое устройство в состоянии обмениваться данными с другими устройствами, находящимися далеко за пределами его диапазона (через многочисленные промежуточные устройства).
Рисунок 1. Мультиканальная узловая сеть
Точки доступа
Это стандартная архитектура беспроводной сети на базе хаба или радиально-узловой многоточечной связи. В сети с такой инфраструктурой беспроводной хаб называется точкой доступа (ТД), которая контролирует сеть и часто служит шлюзом другой сети (например, Интернета). Каждой ТД необходимо проводное подключение к сети. Они работают независимо, что без добавления централизованного коммутирующего оборудования приводит к возникновению помех в работе накладывающихся друг на друга ТД. Точка доступа -это простой вариант, который широко используется в большинстве домашних и коммерческих сетей на базе технологии 802.11.
Узловые сети связи
Простая сеть на базе хаба широко используется в домашних сетях и зонах беспроводного доступа WiFi, а узловая сеть с более гибкой архитектурой способна обеспечить покрытие на более крупном участке, обходя отдельные точки сбоя и обеспечивая высокую производительность. Узловые сети менее чувствительны к помехам, условиям окружающей среды, и обеспечивают более высокое качество услуг (QoS).
О транзитных участках
Обычное устройство WiFi может связаться с другим устройством WiFi на расстоянии приблизительно 100 футов в помещении и 300 футов на улице, в зависимости от реальных условий. Для того чтобы передать данные на большее расстояние, заполнить промежутки между зонами покрытия и обеспечить альтернативные пути маршрутизации, повышая надежность системы, можно использовать многочисленные радиостанции. Это отличительная черта узловой сети. В мультиканальной сети система может связаться с устройствами, которые находятся намного дальше. Во многих случаях для обеспечения покрытия крупного офисного или промышленного здания достаточно 3-5 каналов. Однако в мультиканальной структуре многие узловые сети страдают от низкой скорости передачи данных, в основном из-за недостатков основного протокола доступа к среде передачи данных (MAC). Для того чтобы увеличить транзитный интервал, сохраняя достаточную скорость передачи, нужно использовать усовершенствованный протокол узловой сети.
О QoS
Конвергентные сети WiFi с поддержкой передачи голоса и данных должны обеспечивать QoS, а также достаточную для предоставления желаемых услуг VoIP мощность и покрытие. Решение Kiyon включает в себя усовершенствованный протокол MAC и возможность организации узловой сети с учетом QoS. Этот технологический блок усиливает звонок и повышает плотность пользователей, одновременно повышая качество голосовой передачи и увеличивая диапазон и доступность сети, а также существенно повышает надежность и выгодность планирования, развертывания и эксплуатации таких сетей. Благодаря расширению зоны покрытия и полосы пропускания, а также динамическому выбору маршрута, узловая архитектура может предоставить крупным сетям дополнительные преимущества. Узловой VoIP (VoMesh) с QoS существенно повышает ценность технологий VoIP и WiFi, обеспечивая оптимальное качество, мобильность и производительность VoIP.
Промышленные альтернативы
Точка доступа или узловые сети IEEE 802.11 -это выгодные решения многих задач в области автоматизации здания, особенно там, где нужна расширенная полоса пропускания. Есть и другие варианты, которые стоит рассмотреть.
ZigBee
ZigBee и его основа (протокол 802.15.4) разработана для персональных сетей (PAN). Максимальная скорость передачи данных, предусмотренная IEEE 802.15.4 - 250 кбайт/с в Северной Америке (в других странах мира она меньше). Такая сеть потребляет меньше энергии и потому подходит для многих устройств с аккумуляторным питанием. Кроме того, радио IEEE 802.15.4 стоит чуть дешевле, чем IEEE 802.11 из широкополосных сетей, и потому лучше подходит для дешевых устройств с низкой скоростью передачи данных (беспроводные датчики, переключатели освещения, термостаты и т.д.).
Проприетарные (800-900 МГц и т.д.)
В целом, радиосистемы на низкочастотных безлицензионных полосах 800 МГц (Европа) или 900 МГц (США) передают данные чуть дальше, но за счет снижения скорости передачи. Большая часть этих технологий защищена патентом, и для широкого распространения им не хватает адекватного количества поставщиков.
802.11 n
Устройства физического уровня с многоканальным вводом и выводом (MIMO) описывает стандарт 802.11n. У радио MIMO скорость передачи данных составляет 200 Мбайт/с и выше. Хотя данный стандарт еще не определился до конца, в продаже есть несколько радио на базе проекта спецификации 802.11n. В обозримом будущем радио 802.11n будут широко использоваться во многих широкополосных сетях.
Возможные варианты антенн
Каждый беспроводной маршрутизатор снабжен антенной. При правильном выборе и размещении антенны можно уменьшить необходимое количество устройств. Размер зоны покрытия, конструкция здания, высота потолка, внутренние препятствия, места возможной установки и физическая эстетика - все это важно учесть при выборе антенны.
Рисунок 2. Варианты антенн
Существуют всенаправленные антенны, способные передавать и принимать данные в диапазоне 360 градусов по оси; направленные антенны, фокусирующие сигнал и энергию в угловой или конусовидной зоне; усилители с различной мощностью; а также разнесенные блоки, в которых для улучшения приема используются две индивидуальные антенны.
Компания Kiyon основана в 2003 г. Головной офис расположен в Ла-Джолла (Канада). Сетевая технология Kiyon использует многоканальный МАС-протокол ТDМА и программное обеспечение узловой сети QoS. Программы Kiyon могут взаимодействовать с любым протоколом более высокого уровня и работать на стандартном аппаратном обеспечении. Kiyon производит недорогие маршрутизаторы для узловой беспроводной сети, рассчитанные на промышленные и пользовательские системы, а также программы для узловой сети и служебные программы, включая беспроводной VoIP, игры и поисковые системы.
Об авторах: Джон Элдер, вице-президент и генеральный директор Building Automation компании Kiyon Inc., Вейлин Ванг, технический директор (СТО) компании Kiyon Inc.
