Nowa generacja bezprzewodowych sieci kratowych do aplikacji niskokosztowych i wielkoskalowych

W naszej pracy często spotykamy się z następującym scenariuszem. Zespół inżynierów buduje produkt w oparciu o wybrany radiowy układ nadawczo-odbiorczy i protokół komunikacyjny mający zapewnić łączność w sieci bezprzewodowej. Testy prowadzone na kilkunastu sztukach dają obiecujące wyniki, ale pilotaż o większej skali ujawnia problemy, takie jak zrywanie łączności, niska efektywna przepływność, ograniczenie zasięgu, znaczna utrata pakietów w obecności wzmożonego ruchu w sieci i ogólna niestabilność połączeń. Zwiększanie się liczby lub gęstości urządzeń w sieci nasila niekorzystne efekty, których źródłem jest najczęściej organizacja tzw. wielodostępu, czyli sposobu wspólnego korzystania z kanału radiowego. O ile sterowanie wielodostępem w sieciach typu gwiazda z centralnym zarządcą (np. Wi-Fi, LoRa, SigFox) jest względnie łatwe, o tyle organizacja wielodostępu w systemach rozproszonych jest znacznie bardziej skomplikowana. Dlatego też wiele dominujących na rynku protokołów komunikacyjnych (np. ZigBee, Th read, Bluetooth Mesh) polega na metodach oportunistycznych, w których urządzenia próbują przesłać swoje dane w losowym momencie, a w przypadku kolizji pakietów próbują ponownie. Wadą tych mechanizmów jest lawinowy wzrost kolizji w sytuacji większego obciążenia kanału radiowego. Typowo już przy wykorzystaniu łącza na poziomie 10–20% liczba kolizji może skutecznie uniemożliwić jakąkolwiek komunikację.

Sieci deterministyczne

Rozwiązaniem powyższych problemów jest zastosowanie bardziej deterministycznych metod przydziału szczelin czasowych, a także kanałów częstotliwościowych. Tego typu wielodostęp nosi nazwę TSCH (Time Slotted Channel Hopping) i jest wykorzystywany m.in. w zastosowaniach przemysłowych, w protokołach takich jak WirelessHART czy ISA 100.11a. Działanie tego trybu zostało zdefiniowane w popularnym standardzie IEEE 802.15.4. W sieciach tego typu wszystkie urządzenia są ze sobą ściśle zsynchronizowane, a poszczególne węzły negocjują ze sobą harmonogram transmisji tj. najpierw alokują szczeliny czasowo-częstotliwościowe, które później wykorzystują do właściwej transmisji danych aplikacyjnych. Zaletą tego rozwiązania jest minimalizacja kolizji pakietów, prowadząca do zwiększenia efektywnej przepływności, uniewrażliwienie połączeń na wzmożony ruch danych, a dzięki dynamicznej zmianie wykorzystywanych kanałów także zwiększona odporność na sygnały zakłócające.

 

Rys. 1. Widok aplikacji webowej umożliwiającej m.in. kontrolę jakości połączeń w sieci

Platforma embeNET

Wdrożenie skutecznej komunikacji bezprzewodowej we własnych produktach nie wymaga już dużych nakładów związanych z know-how. Platforma embeNET, oferowana przez firmę Embetech, to gotowy stos protokołów komunikacyjnych, implementujących łączność radiową w sieciach kratowych, bazując na technice wielodostępu TSCH. Pozwala tym samym na realizację niezawodnej komunikacji wielkoskalowej, nawet w trudnych warunkach propagacyjnych. Cechą charakterystyczną tego rozwiązania jest to, że jest dystrybuowane w postaci oprogramowania wbudowanego, które może być łatwo adaptowane do szerokiej gamy mikrokontrolerów oraz układów i modułów radiowych różnych producentów. Może efektywnie pracować w popularnych nielicencjonowanych pasmach wykorzystywanych w Europie – w paśmie 863-870 MHz (wykorzystując 69 kanałów) oraz w paśmie 2,4 GHz (wykorzystując 16 kanałów). Oprogramowanie komunikacyjne jest przystosowane do integracji z aplikacją użytkownika w jednym układzie, co prowadzi do redukcji wykorzystywanych komponentów. W rezultacie wdrożenie profesjonalnej komunikacji radiowej w produkcie może być bardzo atrakcyjne kosztowo.

Podobnie jak w innych tego typu rozwiązaniach, punktem dostępowym do sieci jest tzw. router brzegowy. Jest to typowo urządzenie o większych dostępnych zasobach pamięci i mocy obliczeniowej, mające odpowiedni radiowy układ nadawczo-odbiorczy. Jego zadaniem jest koordynacja pracy wszystkich urządzeń w sieci oraz opcjonalna obsługa komunikacji z siecią Internet lub Intranet. W skład platformy embeNET wchodzi oprogramowanie sieciowe dla tego typu urządzeń, bazujących na systemach operacyjnych Linux, Windows oraz FreeRTOS. Stos wykorzystuje natywnie protokół IPv6 do adresacji urządzeń, a podstawową warstwą transportu danych jest protokół UDP. Ma także wbudowane mechanizmy odpowiedzialne za bezpieczeństwo, takie jak szyfrowanie oraz możliwość uwierzytelniania urządzeń dołączających się do sieci na podstawie elastycznych reguł. Dodatkowo, dzięki opracowanym narzędziom symulacyjnym, można z dużą dokładnością przewidywać kluczowe cechy sieci w różnych scenariuszach i tym samym szybko weryfikować przydatność platformy embeNET w konkretnej aplikacji.

 

Rys. 2. Schemat ilustrujący komponenty platformy komunikacyjnej embeNET

Przykładowe aplikacje i ograniczenia

Platforma embeNET idealnie sprawdza się w sieciach wymagających samoorganizacji połączeń między zróżnicowaną liczbą urządzeń i w takich zastosowaniach została już praktycznie przetestowana. Przykładowe aplikacje obejmują różnorodne systemy automatyki m.in. domowej, budynkowej czy przemysłowej, związane ze sterowaniem oświetleniem, zarządzaniem infrastrukturą, diagnostyką, itd. Warto jednak pamiętać o praktycznych ograniczeniach występujących w sieciach tego typu – efektywnej przepływności, opóźnieniach oraz wrażliwości na przemieszczanie się węzłów. Sieci wielkoskalowe oparte na standardzie IEEE 802.15.4 służą do przekazywania krótkich komunikatów (kilkadziesiąt bajtów) nie częściej niż kilka razy na minutę. Ze względu na potencjalną rozległość sieci i liczbę węzłów charakteryzują się czasami propagacji informacji przez sieć rzędu sekund (lub ułamków sekund, w zależności od topologii połączeń). Ich głównym zastosowaniem są sieci o relatywnie stałej topologii, w których urządzenia nie przemieszczają się w sposób istotnie wpływający na połączenia radiowe.

Embetech sp. z o.o.
https://embe.tech