Datos inalámbricos para Grid

La mayoría de los sistemas inalámbricos utilizados en la industria utilizan conexiones de radiofrecuencia similares a los teléfonos móviles, utilizando punto a punto o punto a multipunto para la transmisión de datos. Sin embargo, el Laboratorio de Investigación de Medios del MIT señaló que los métodos tradicionales de comunicación de voz inalámbrica han mostrado deficiencias excesivas en los servicios de datos: en una estructura de sistema muy rígida, las señales aún se pierden a pesar de una cuidadosa predicción del sistema.

Por el contrario, una red inalámbrica en malla es un sistema compuesto por nodos receptores/transmisores con múltiples enlaces repetidos. Los nodos se ayudan entre sí para transmitir datos a lo largo de la red, lo que es particularmente adecuado para condiciones de trabajo duras. No es necesario instalar las redes con precaución; simplemente colóquelas en cualquier lugar y se convertirán en sistemas confiables y flexibles que pueden escalar a miles de dispositivos.

La topología desarrollada por el MIT para las redes en malla es un sistema punto a punto, o peer-to-peer, es decir, un nodo con funciones repetidas de recepción/transmisión. Cada nodo puede recibir/transmitir datos y, como un enrutador, pasar datos a sus vecinos. Mediante el procesamiento de retransmisión, los paquetes de datos utilizan enlaces de comunicación confiables para pasar a través de los nodos intermedios y llegar al destino designado.

Al igual que Internet y otras redes enrutadas punto a punto, las redes en malla tienen múltiples rutas de comunicación redundantes. Si una ruta se interrumpe por cualquier motivo (incluida la interrupción por interferencia de radiofrecuencia), la red en malla seleccionará automáticamente otra ruta para mantener la comunicación normal. En circunstancias normales, la red en malla puede seleccionar automáticamente la ruta más corta, mejorando la calidad de la conexión. Según la práctica, si la distancia se reduce dos veces, la intensidad de la señal en el extremo receptor aumenta cuatro veces, lo que hace que el enlace sea más confiable sin aumentar la potencia de transmisión del nodo. En una red de malla, siempre que aumente el número de nodos, se puede aumentar el rango de accesibilidad o el aumento de enlaces redundantes puede aportar más confiabilidad.

Autoconfiguración y autorreparación Las redes Mesh se autoconfiguran y no requieren intervención humana. Agregar equipos nuevos o mover equipos viejos es muy simple: simplemente encienda la energía en el nuevo sitio y la red descubrirá el nuevo nodo y lo incorporará automáticamente al sistema existente.

Las redes de malla no sólo son inherentemente altamente confiables, sino también altamente adaptables. Si el sensor o el extremo receptor de datos está demasiado lejos de la fuente de comunicación de radiofrecuencia fija, solo necesita colocar algunos nodos de retransmisión más en el medio para llenar el espacio.

En Internet por cable, si un enrutador deja de funcionar, los paquetes de datos pasarán por otros nodos y elegirán otro enlace para transmitir los datos. De manera similar, si falla un nodo o enlace en una red en malla, los paquetes de datos elegirán automáticamente otras rutas. 1. La pérdida de dos nodos no tendrá un impacto fatal en la red. La red tiene la capacidad de autorrepararse y no requiere mano de obra externa para reorganizar el camino.

Redundancia y escalabilidad Redundancia en el mundo real significa el grado de reserva de seguridad del sistema y los estrictos procedimientos cuidadosamente administrados por el usuario. Un sistema sin redundancia es un sistema poco confiable; un sistema con demasiada redundancia genera demasiado desperdicio. En las redes inalámbricas de estilo malla, la redundancia es una función esencial de la densidad de nodos. Para lograr confiabilidad, se requiere un sistema cuidadosamente diseñado, lo que se puede lograr con solo unos pocos nodos más en la red. Cada nodo tiene múltiples enlaces y las rutas se seleccionan automáticamente según la situación. Pocos otros sistemas inalámbricos tienen esta forma de lograr redundancia.

Las redes estilo malla también tienen una excelente escalabilidad y pueden ampliarse para gestionar cientos o miles de nodos. Debido a que este sistema no tiene una unidad de control central, agregar múltiples puntos de enlace o puertas de enlace es sencillo.

Fiabilidad, adaptabilidad y escalabilidad son las propiedades a las que hoy en día las comunicaciones inalámbricas y el control industrial conceden gran importancia. Las redes punto a punto tienen buena confiabilidad, pero no pueden extenderse a nodos con múltiples enlaces. Las redes punto a multipunto pueden administrar múltiples puntos finales, pero la confiabilidad está limitada por la configuración de los puntos de acceso y los puntos finales. En condiciones ambientales adversas, es difícil mejorar la confiabilidad de las redes punto a multipunto. Por el contrario, las redes grid son inherentemente confiables y adaptables, están sujetas a restricciones ambientales o estructurales y pueden expandirse arbitrariamente a miles de puntos finales.

Cuando la red de malla se utiliza en control industrial, también puede realizar control distribuido y monitoreo de diagnóstico.

Las LAN inalámbricas en malla actuales utilizan principalmente estándares basados ​​en 802.11a/b/g, pero pueden ampliarse con cualquier tecnología de radiofrecuencia, como UltraWideband o 802.15.4 Zigbee. Debido a que la inteligencia de red está instalada en cada nodo, no hay necesidad de ningún conmutador central. El funcionamiento de la red depende únicamente de cada nodo inteligente con procesador de red, función de conmutación y software del sistema.

Para lograr la comunicación entre nodos dentro de la red, cada nodo tiene la capacidad de autodescubrimiento. En primer lugar, deben decidir si sirven únicamente como punto de acceso en el sistema inalámbrico, actuando como columna vertebral de la red que transporta datos a otro nodo, o si desempeñan un papel compuesto. En segundo lugar, estos nodos particulares determinan sus vecinos más cercanos utilizando un protocolo de consulta/respuesta. Estas operaciones no pueden ocupar demasiados recursos y no pueden exceder de 1 a 2 del ancho de banda disponible del enlace.

En el reconocimiento mutuo de nodos, el principal compromiso es la información de la ruta, como la intensidad de recepción de la señal, el rendimiento, la tasa de error y el tiempo de espera. Estos datos deben intercambiarse en puntos adyacentes sin ocupar demasiado ancho de banda. Luego, decida cuál es el mejor camino basándose en estos datos. Por tanto, la mejor calidad en ese momento se puede conseguir en cualquier momento.

El descubrimiento de enlaces y la selección de rutas se realizan en segundo plano, por lo que cada nodo sabe qué puntos adyacentes tiene actualmente y realiza cálculos frecuentes para encontrar la mejor ruta. Si un nodo deja de funcionar por cualquier motivo, como mantenimiento, reprogramación o falla, los nodos vecinos inmediatamente vuelven a registrar, recalcular y seleccionar rutas. Esta capacidad de autorrepararse o trascender fallas es la principal marca que distingue las redes inalámbricas en malla de otras comunicaciones inalámbricas.

Cada nodo es un nodo autogestionado y parte integral de la red. La red se puede gestionar y configurar desde un punto designado, formando una única entidad. Utilice el programa de administración del sistema SNMP para monitorear una unidad, nodo, dominio específico o toda la red. Los protocolos de descubrimiento simplifican el proceso de buscar y localizar un nodo específico y mostrarlo en la pantalla del administrador.

Las redes grid dependen de diversos mensajes de gestión, control y descubrimiento, por lo que se requieren medidas de seguridad, utilizando mensajes dentro de banda y túneles cifrados para evitar escuchas y ataques. Las tecnologías de seguridad estandarizadas como 802.1x y Advanced Encryption Standard garantizan la seguridad de nodos y dispositivos. Los pesos pesados ​​de la industria como Cisco e Intel confirman que la tecnología de malla es el siguiente paso lógico en las comunicaciones inalámbricas actuales. El uso de malla puede ayudar a las empresas a establecer rápidamente nuevas redes inalámbricas o ampliar las WLAN existentes sin la necesidad de estaciones base cableadas. Las estaciones base con múltiples enlaces en la red pueden lograr fácilmente el equilibrio de carga porque pueden elegir la mejor ruta para la transmisión de datos. Además, los usuarios industriales pueden utilizar la red inalámbrica integrada para establecer rápidamente una red de sensores y controladores para la gestión industrial y la gestión del transporte.

Los nuevos participantes en la tecnología de red y las antiguas empresas de TI tradicionales están vendiendo sus LAN inalámbricas con capacidades de red. Las organizaciones relevantes responsables del establecimiento de estándares están formulando detalles complementarios para incorporar la red en el estándar 802.11 (es decir, WiFi) y 802.16 (es decir, WiMax) que acaba de ser lanzado al público. En el mercado integrado, la tecnología de red está empezando a formar estándares, como ZigBee.

De hecho, el concepto básico de red no es una invención nueva, es simplemente una extensión de la práctica del mundo conectado a Internet al mundo inalámbrico. Sott Burke, vicepresidente de ingeniería de PacketHop, afirmó: "La Internet fija actual es una gran red de malla fija".

Aunque cada dispositivo de la red de malla recibe/envía sus propios datos, también actúa como un enrutador para otros dispositivos. La inteligencia inherente de cada dispositivo le permite configurar automáticamente una red eficiente y realinear enlaces cuando un nodo está sobrecargado hasta el punto de fallar. Las ventajas de una red en malla no son solo que es fácil de configurar y puede expandirse de forma inalámbrica para cubrir un área grande desde un enlace de conexión central, sino que también tiene una gran capacidad de supervivencia.

Quizás esto sea un secreto militar. La red inalámbrica es un resultado de una investigación lanzada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa) del Pentágono de EE. UU. La primera tecnología de PacketHop se originó a partir de una investigación realizada por el Instituto de Investigación de Stanford para el Pentágono para equipar a los soldados de campaña con redes de datos inalámbricas livianas y de alta velocidad. MeshNetworks, una nueva empresa emergente en Florida, también se originó en el Instituto de Investigación de Defensa Avanzada y desarrolla tecnología de malla.

Los sectores militar y de seguridad siguen siendo los mercados más directos para los productos Grid. "Hay mucha demanda en este mercado", dijo Burke. Nortel y varias nuevas empresas involucradas en el desarrollo de redes han confirmado que la WLAN basada en redes traerá más beneficios a las empresas. En el primer semestre de este año, Nortel lanzó al mercado un producto de malla Wi-Fi, la serie Wireless 7200. “En las soluciones WLAN tradicionales, cada nodo está conectado a la red troncal, pero eliminamos esta necesidad en la WLAN de malla”, dijo Peter Zwinkels, gerente de desarrollo comercial de malla inalámbrica. “Esto nos coloca en una situación en la que el cableado inalámbrico es difícil o costoso. LAN se ha implementado en áreas no conectadas a la red de alta densidad ”

Estas áreas incluyen grandes espacios interiores y exteriores, como almacenes y campos de golf. El suministro de energía es uno de los problemas. Tal vez ni siquiera haya semáforos ni farolas para gestionar el tráfico. Sin embargo, Nortel promete al público que la propia Ethernet se puede utilizar para proporcionar energía a los nodos dondequiera que se puedan generar redes cableadas tradicionales.

En el experimento de red de Intel en la Universidad de Dartmouth en Nueva Jersey, cada estudiante está conectado a la red de la escuela en cualquier lugar del campus. El programa, implementado en la primavera, proporciona a los estudiantes conexiones de banda ancha a un costo para las compañías de teléfono y cable.

Estos estudios indican que la malla se utiliza principalmente para conexiones inalámbricas de banda ancha de área amplia. Si bien la información del mercado sugiere que los puntos de acceso Wi-Fi están apareciendo rápidamente en las cafeterías, estaciones de tren y aeropuertos de Estados Unidos, los ISP inalámbricos y las empresas de telecomunicaciones creen que pueden atraer usuarios con una red ampliada de puntos de acceso Wi-Fi y vender Internet de forma estándar. teléfonos móviles y servicios 3G como obsequios. La tecnología grid puede acelerar enormemente la tendencia de desarrollo de los servicios de banda ancha: reemplazando una gran cantidad de líneas T1 y ADSL, cada nodo inalámbrico es un punto de acceso y solo se necesita una conexión de gran ancho de banda para cubrir toda el área con una red inalámbrica. Nortel agrupa esto en "puntos calientes" y afirma que el sistema no sólo es más barato sino que también tiene mejor cobertura que la mezcolanza actual de puntos calientes.

Utilización de "zonas calientes"

Algunas ciudades se están preparando para lanzar servicios similares para los trabajadores. Verge Wireless, por ejemplo, ha lanzado servicios de red de áreas activas en Baton Rouge y Nueva Orleans.

Algunos ISP todavía están esperando la solución final para las comunicaciones inalámbricas, utilizando WiMax para proporcionar servicios de banda ancha en zonas de difícil acceso. Pero Nortel cree que la tecnología de malla basada en Wi-Fi puede satisfacer mejor estas áreas. "En zonas donde no hay líneas DSL, las redes WiFi pueden proporcionar servicios de banda ancha a entre 100 y 200 hogares en un pequeño pueblo", afirmó Zwinkels. "MiMax requiere que los usuarios instalen equipos especiales, pero la malla Wi-Fi sólo requiere que los usuarios conecten una tarjeta PMCIA estándar a su computadora".

Después de la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID), la malla integrada ha ido más allá. desarrollado. En lugar de dispositivos de escaneo estacionarios, los sensores y controladores de la red se comunican entre sí a través de una red inalámbrica y transmiten información. Ember, una empresa de Boston, se especializa en la fabricación de chips RF que se utilizan en grandes aviones de transporte para monitorear los contenedores transportados. Se colocan sensores por todo el contenedor, que no solo registran la información detallada de los artículos en el contenedor, sino que también transmiten el estado de almacenamiento del contenedor durante el transporte. Con fines antiterroristas, los aeropuertos estadounidenses utilizarán rápidamente este sistema de monitoreo inalámbrico para reemplazar las lentas y costosas inspecciones manuales de aduanas.

“El contenedor es una red, y cada contenedor es como un nodo dentro de una red más grande similar a una cuadrícula”, dijo Jim Schoenberjer, director comercial de Ember. "Como el propio contenedor forma parte de la red, no es necesario instalar antenas en puertos o aeropuertos. La red es un sistema de comunicaciones con muy poca infraestructura".

También se pueden utilizar redes integradas Recopila lecturas de contadores domésticos de agua y electricidad, o incorporar interruptores de luz para reducir cables innecesarios. Ember está desarrollando el estándar ZigBee, que es una parte integral de la tecnología EmberNet. Muchas empresas nuevas, como BelAir Networks, Tropos, FireTide y Strix System, están desarrollando productos de malla. Aunque la mayoría de los productos se amplían bajo el estándar Wi-Fi, el enfoque de cada empresa es diferente. Estos productos patentados carecen de interoperabilidad entre sí y, por lo tanto, no pueden funcionar juntos. Dado que la red va a entrar en la infraestructura social, la formulación de normas es un asunto urgente e importante.

De acuerdo con las reglas del IEEE, para formular un estándar, primero se debe proponer una iniciativa por parte de una determinada unidad, luego se debe establecer un grupo de investigación y, finalmente, se debe formar un grupo de trabajo de establecimiento de estándares.

A finales de diciembre de 2003, Intel y Cisco anunciaron que propondrían una iniciativa en la conferencia IEEE en Vancouver para formular estándares para redes inalámbricas en malla.

"La situación actual es clara", afirmó Eric Griffith, editor de la publicación Wi-Fi Plant. "Nortel y un grupo de nuevas empresas están trabajando en productos de malla que, si se combinan, no pueden comunicarse entre sí en absoluto. Algunas empresas utilizan tecnología celular y otras utilizan 802.11a. La malla celular se puede configurar a lo largo de la postes telefónicos, alcance un mayor alcance 802.11a funciona bien en distancias cortas y no es interferido por 802.11b o 802.11g". IEEE estableció la red a través de la iniciativa de Intel, Cisco, MeshNetworks y otras compañías. El grupo de investigación de redes espera poder eventualmente agregará grid al estándar de LAN inalámbrica. En enero de este año, el grupo de estudio celebró su primera reunión. Los críticos creen que la norma se completará sobre la base del "mínimo común denominador". En ese momento, la gran eficacia de varios acuerdos de patentes será muy limitada. Por lo tanto, MeshNetworks está reenvasando sus patentes como productos sujetos a licencia, apuntando a los fabricantes de equipos inalámbricos, y comenzará a otorgarles licencias en el segundo trimestre de 2004.

"Es muy interesante que Intel esté involucrada en esto", dijo Griffith. "Intel está absolutamente dispuesto a proporcionar estándares para malla desde el nivel del chip. En mi impresión, Intel quiere compensar los pequeños errores del pasado. Ingresaron a Wi-Fi demasiado tarde y ahora deben estar a la vanguardia de WiMax. y malla”.

La LAN inalámbrica estilo malla es el destino lógico del desarrollo de las comunicaciones inalámbricas. La propagación de nuevas funciones a partir de estándares inalámbricos existentes redunda en beneficio de la mayoría de los fabricantes y usuarios. Aunque las insistentes normas de patentes tienen ventajas temporales, no son reconocidas por el futuro desarrollo de la tecnología. La forma más prudente es captar la corriente principal del desarrollo tecnológico y participar en investigaciones conjuntas internacionales.

Estudio de caso: Garland, Texas, EE. UU.

Garland (Garland), 15 millas al noreste de Dallas, tiene una población de 221.000 habitantes y es una ciudad para el personal de seguridad social, como la policía. Los oficiales y bomberos reemplazan los sistemas de comunicaciones. Lockheed Martin ganó el contrato en septiembre pasado y seleccionó la tecnología de malla de MeshNetworks para reemplazar los sistemas de comunicación celular. El nuevo sistema cubrirá 57 millas cuadradas y será la red de comunicaciones móviles basada en red más grande del mundo. Según lo previsto, el proyecto estará terminado en el segundo trimestre de 2004. En primer lugar se prestarán servicios de datos móviles, seguidos de servicios de imagen y voz.

La tecnología Grid ha aportado grandes beneficios a la ciudad de Garland, aumentando 50 veces el ancho de banda de la infraestructura original.

"Eliminamos los dolores de cabeza de las torres de comunicaciones, el alquiler de líneas y la zonificación que requería el antiguo sistema", dijo el gerente de comunicaciones Darrell McClanahan. "El sistema de red mantiene un rendimiento normal de 1 Mbps y el pico puede alcanzar los 6 Mbps".

El nuevo sistema sólo requiere tarjetas de PC, repetidores inalámbricos, puertas de enlace, software de geolocalización y una computadora portátil Pocket PC modificada y Servidor del centro de mando y control. Los repetidores y puertas de enlace se cuelgan de edificios, farolas o semáforos de control de tráfico para proporcionar energía al siguiente repetidor y dispositivo. Las tarjetas de PC y las PDA también actúan como relés y enrutadores, lo que hace que la red sea muy robusta. El software de geolocalización proporciona información como latitud, longitud y altitud sin utilizar GPS. El sistema es compatible con los estándares industriales TCP/IP, DHCP y SNMP.

Antes de que la ciudad de Garland seleccionara un sistema de comunicaciones en malla, realizó una prueba en 2003 en un área de 5 millas cuadradas a lo largo de la autopista 190 en NexGen City, con dos automóviles viajando en direcciones opuestas a una velocidad de A 60 millas por hora se completó con éxito una llamada VoIP con transmisión de imágenes en tiempo real con un rendimiento de 1,5 Mbps.

El experto en comunicaciones móviles Tim Scannell habla sobre redes

P: Según la iniciativa de Zigbee International Alliance, se utiliza un concepto operativo importante de IEEE 802.15.4 para construir una red de red. . Cada nodo 802.15.4 puede actuar como un enrutador dinámico, extendiéndose desde una puerta de enlace a distancias ilimitadas siempre que los nodos estén ubicados dentro del área. Este no es un concepto nuevo, pero lograr que se autoorganice y se autocure sigue siendo un desafío.

¿Es posible utilizar IEEE 802.15.4 para completar una red en malla? ¿Es también factible la tecnología IEEE 802.16? ¿Es decir, mediante la cooperación interna, lograr un acceso ilimitado de banda ancha a Internet?

Respuesta: A medida que diseñamos más y más redes inalámbricas, utilizando una variedad de tecnologías diferentes, estas redes eventualmente se conectarán entre sí en un entorno de red y se convertirán en las más fuertes, o al menos las que mejor se comunicarán entre sí. otros a través de diferentes límites y estándares. La tecnología celular salta de una torre de comunicación celular a otra, lo que permite a los usuarios moverse sin problemas dentro del marco de comunicación de la red, captando la señal más fuerte disponible para formar una conexión inalámbrica.

Nuevas empresas como Cometa Networks están explorando el uso superpuesto de redes 802.11 (Wi-Fi) para proporcionar un entorno de acceso inalámbrico a la red en un área grande. Su propósito básico sigue siendo la idea de Metropolitan. Redes de área (MAN). El problema es que para lograr operatividad y confiabilidad, no se puede interrumpir todos los puntos de acceso de la red. Si un segmento se cae, se convierte en una zona de enlace débil y el servicio se ve comprometido, similar a una bombilla que no se enciende en una gran decoración navideña.

Zigbee promete inyectar capacidades inalámbricas en una amplia gama de dispositivos y sistemas no relacionados con la comunicación, como controles ambientales integrados, pero no es la mejor opción para la red. Zigbee no es adecuado para sistemas de comunicación continua porque los nodos están dormidos fuera de los horarios preestablecidos o no están activados. Pero puede mantener la larga vida útil de la batería. Una batería dura 5 años, lo que permite que el sistema sobreviva durante un largo período de tiempo. Zigbee puede transmitir paquetes de datos pequeños, pero no es adecuado para información de gran capacidad.

Los sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) son similares, se utilizan para transmitir información de datos limitada y la mayor parte del sistema es pasivo hasta que el lector los activa. Con el tiempo, veremos un mayor uso de sistemas RFID activos para el comercio minorista y la logística.

Aunque existen problemas con la gestión, el control y la carga de la red, todos tienen solución. Ya podemos monitorear y controlar las frecuencias de radio y utilizar técnicas de capas y varios algoritmos para gestionar el flujo de datos desde el punto A hasta el punto de extensión Z. Las mallas Zigbee y RFID pueden comunicarse e intercambiar datos, pero 802.11 será la tecnología más general.