Aptitudes Temps r seaux sans fil des r - Nicolas KROMMENACKER 7 septembre 2007
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Aptitudes Temps réel
des réseaux sans fil
Nicolas KROMMENACKER
Nicolas.krommenacker@cran.uhp-nancy.fr
7 septembre 2007Intérêts du sans fil en milieu industriel
• Réduction des coûts :
- de câblage
- d’installation
- de maintenance du réseau
• Apporte de la flexibilité/mobilité
- simplicité d’installation
- équipements mobiles
• Répond à des nouveaux besoins
- ubiquité (eMaintenance, eAutomation)
ª bonne alternative aux réseaux industriels traditionnelsQuelle technologie choisir ?
Industrial
Wireless
RFID
Standards émergents :
- Wireless HART (fin 2007)
SP100
- ISA SP100 Wireless Systems
for Automation (courant 2008)Les besoins en communications industrielles
Taille des données / Débits / temps de réponse
Information Level
(MES, ERP)
Control Level
(PLCs, I/O)
Device Level
(Sensors,
Actuators)Quelle application pour le sans fil industriel ? La classification retenue par l'agence ISA (Source : Plant Engineering July 2006)
Quelle application pour le sans fil industriel ? End-user survey (ISA SP100)
D’autres exigences ... Sécurité - Données (Encryption, Authentification, IDS, ...) ª bonne expertise dans le domaine des réseaux sans fil "domestique" - Environnement (réglementation sur site, limitation puissances) Consommation d’énergie - équipements autonomes (autonomie/consommation) - couverture (puissance/consommation) Fiabilité - respect des contraintes de l’application - perturbations liées à l’environnement (variations de température, d’humidité, vibrations, constructions métalliques, obstructions, Interférences EMI) Et plus si affinité ... (Coût, Datage des informations)
Un peu de physique des ondes
Les technologies
sans-fil ne tiennent
qu’à un fil …
- Atténuation ou fading (distance,
obstacles)
- Perte en chemin ou Path-loss
- Multichemin (Multipath)
- combinaison possible (multipath fading)
- dépendant de la fréquence
ª Difficile de modéliser et d’évaluer les interférencesLes ondes en milieu industriel Études des technologies sans fil et de la propagation des ondes - peu d’informations en milieu industriel (très spécifique) - souvent réalisées dans le milieu de la bureautique (installation / site survey) - évolution des équipements, des technologies et des réglementations (allocation fréquences, puissances) NIST Researchers Tackle Wireless Interference Problem August 30, 2007 "The federal agency hopes to help companies improve factory designs and avoid blocking transmissions that make it difficult to take advantage of wireless networks."
Quelques études
ABB corporate research: Radio Wave propagation in industrial environments
1 - Mesure des effets d’un arc
électrique dans la plage 2,4 – 2,5 GHzQuelques études
2 - Tests Bluetooth dans
une fonderie (chaleur,
poussière, métaux)Quelques études
Simulation of an Industrial Environment and overview of test results
[J. CATRYSSE, KHBO, Oostende]
Mesures d’interférences
à proximité de
différentes machines
COST 286 Project: Electromagnetic Compatibility (EMC) in Diffused
Communications Systems
EM site surveyPeut être un constat ... !
- "Wireless can become a part of the machinery"
Jürgen Weczerek, Phoenix Contact
- Importance des interférences causées par les autres technologies sans fil
Coexistence
802.11 / Zigbee
802.15.2 (Recommended Practice for Coexistence in Unlicensed Bands)Specifications techniques d’un AP industriel
Quels sont les aptitudes temps réel du produit ?Trafic Temps réel et 802.11
Polling
Modèle 802.11
LLC (Logical Link Control) 802.11f
MAC (Medium Access Control) 802.11 c, e, h, i
Point Coordination Function (PCF)
Distributed Coordination Function (DCF)
802.11 802.11 802.11 Wi-Fi Wi-Fi5 802.11g
FHSS DSSS IR (802.11b) (802.11a)
CSMA/CA
DCF : CSMA/CA, mode infrastructure /Ad hoc
PCF : mode optionnel, Polling, Point Coordinator, mode infrastructureTrafic Temps réel et 802.11
• Coexistence DCF/PCF
Superframe Superframe
Contention free period Contention period
PCF DCF PCF DCF PCF
time
Access BEACON POLL POLL END
Point
PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS DIFS
Polled DATA NULL
stations
- PCF et DCF alternent à l’intérieur de la Superframe
- Contrôle de l’accès au médium selon 3 IFS (SIFS < PIFS < DIFS)Trafic Temps réel et 802.11
Autres trafics
« Real-time traffic » (Best effort,
(periodic and aperiodic DCF mode)
messages)
Superframe Superframe
Contention free period Contention period
PCF DCF PCF DCF PCFListe de polling
Obtenue à partir de l’ordonnancement (application de monitoring)
macrocycle
microcycle
ST3 ST0 ST0 ST2 ST3 ST0
ST1 ST0 ST1 ST0 ST3 ST0 ST2 ST1 ST0 ST3 ST0 ST1 ST0 ST2
Timeline
0 1 2 3 4 5 6 7 time
PCF DCF PCF DCF PCF
CFP_Max_Duration time
CFP_Rate
Superframe
Chaque microcycle doit être exécuté lors d’une période PCF (microcycle
runtime < CFP_Max_Duration)
La période du microcycle doit être égale à la durée de la Superframe
ª "CFP_max_duration" et "CFP_rate" doivent être correctement configurésEcourtement de la période PCF
Superframe
DCF mode PCF mode DCF mode
(contention period) (contention free period) (contention period)
Contend to
access medium
Access BEACON .............
Point
DIFS PIFS
medium BUSY
activity
Delay Foreshortened Contention Free Period
Superframe Superframe
Contention Period Contention Free Period Contention Period
Contend to
acces medium Pifs
Access Beacon
Point Difs
Foreshortened CFP t
Station Frame
Source Sifs t
Station Ack
Destination
tEcourtement de la période PCF (802.11b)
Superframe
DCF mode PCF mode DCF mode
(contention period) (contention free period) (contention period)
Contend to
access medium
Access BEACON .............
Point
DIFS PIFS
medium BUSY
activity
Delay Foreshortened Contention Free Period
• Ecourtement maximum avec 802.11b (en µs) :
Rate Foreshortened
(Mbit/s) delay (ms)
1 20.00
2 10.42
5.5 4.33
11 2.59Ecourtement de la période PCF (802.11g)
Superframe
DCF mode PCF mode DCF mode
(contention period) (contention free period) (contention period)
Contend to
access medium
Access BEACON .............
Point
DIFS PIFS
medium BUSY
activity
Delay Foreshortened Contention Free Period
• Ecourtement maximum avec 802.11g (en µs) :
Transmission time for the maximum size frameAnalyse de performance (802.11g)
• Format des trames:
PHY header
Rate Reserved Length Parity Tail Service Tail
MPDU Padding
4 bits 1 bit 12 bits 1 bit 6 bits 16 bits 6 bits
24 bits, i.e. 1 OFDM symbol (4 µs)
PHY Preamble Signal Data
16 µs 4 µs variable number of OFDM symbols (multiple of 4 µs)
coded OFDM coded OFDM – Rate indicated by signal field
6 Mbps
• Temps de Transmission (in µs) : Size of TAIL
field = 6 bits
MPDU size
Data rate OFDM
timeslot = 4 µs Size of SERVICE
field = 16 bits
ª permet de déterminer pour chaque microcyle le temps de transmission
(PCF duration) et donc CFP_max_durationExemple numérique
• 15 stations (1 to 16 octets)
• Période (10 to 100 ms)
• MTU (1500 bytes)
20 elementary cycles, 5 poll-based patterns
Microcycle = CFP_Rate = 10 ms (Highest Common Factor)Exemple numérique
- Durée pour chaque microcycle (en considérant l’écourtement de PCF)
**
- Débit restant pour la période DCF
CFP_Rate = 10ms CFP_Rate = 10ms
CFP_Max_Duration = 4.1 ms CFP_Max_Duration = 3.4 ms
PCF DCF PCF DCF
time time
DCF throughput = 0.45 Mbps (6Mbps) DCF throughput = 2.55 Mbps (54Mbps)Etude à saturation (Simulation)
- Opnet 11.0a library
- WLAN_station node
- PCF mode
- 4 scenarios
(6 Mbps, 6 Mbps/SAT, 54 Mbps, 54 Mbps/SAT)Conclusion Débuts du sans fil en industrie - Quelques produits existent même si leur aptitude à supporter du temps réel reste à prouver ! - Applications tolérantes aux fautes (monitoring) Domaine en expansion - actions de standardisation ISA SP100: Standard for automation IEEE 1451: Standard for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators - projets en cours OCARI: Optimisation des Communications Ad-hoc pour les Réseaux Industriels WiSA: Wireless Sensor and Actuator Networks for Measurement and Control DYNAMITE: Dynamic Decisions in Maintenance
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