Documentos técnicos y de aplicación sobre LAN inalámbrica (información obligatoria)

1. 802.11, 802.11b y 802.11g funcionan en la banda de frecuencia pública **** ISM (industrial, científica y médica) de 2,4 GHz y no es necesario solicitarla. Comisión; si bien 802.11a funciona en la banda de 5GHz, actualmente no está abierto al público y requiere aplicación.

2. La velocidad de la capa física de 802.11a y 802.11g es de hasta 54 Mbps, y la velocidad de la capa de transporte es de hasta 25 Mbps, pero es necesario mejorar aún más la estabilidad y el costo es mayor. La velocidad máxima de 802.11b puede alcanzar los 11 Mbps. Debido a su inicio temprano, tecnología relativamente madura y bajo costo, será el estándar de LAN inalámbrica más prometedor en el futuro. Lo siguiente se centra en el estándar 802.11b.

Estándar de red inalámbrica IEEE802.11b

1. Capa física de la LAN inalámbrica

La diferencia entre la LAN inalámbrica y la LAN cableada tradicional es que la capa física generalmente utiliza radio LAN inalámbrica como medio de transmisión en lugar de los cables tradicionales. Para WLAN IEEE 802.11b, hay tres capas físicas opcionales: capa física de espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), capa física de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) y capa física de infrarrojos (IR). La elección de la capa física depende de los requisitos reales de la aplicación. El salto de frecuencia (FHSS) y el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) son dos tecnologías de dispersión de espectro comúnmente utilizadas en la tecnología de las comunicaciones, que pueden mejorar la utilización de los canales inalámbricos y la seguridad de las comunicaciones de datos. Actualmente, la mayoría de los productos WLAN basados ​​en IEEE 802.11b operan en la banda de radio de 2,4000-2,4835 GHz (banda ISM) y utilizan tecnología de espectro ensanchado de secuencia directa para proporcionar velocidades de datos de hasta 11 Mbps.

2. Protocolo MAC de LAN inalámbrica

En principio, no existe una diferencia esencial entre el protocolo MAC de LAN inalámbrica y el protocolo MAC de LAN cableada. Sin embargo, debido a las características inherentes de los medios de transmisión inalámbrica y al impacto de la movilidad, el protocolo MAC de la LAN inalámbrica no puede seguir utilizando el protocolo LAN original. Por ejemplo, la capa MAC de IEEE 802.3 utiliza CSMA/CD para permitir que diferentes estaciones compartan el mismo canal físico. Un requisito previo importante para implementar CSMA/CD es que cada sitio pueda implementar fácilmente funciones de detección de conflictos. En las LAN cableadas (como Ethernet), la detección de colisiones se puede lograr fácilmente detectando cambios en el componente de CC en la línea del cable. Sin embargo, cuando se utilizan medios de transmisión inalámbrica, la detección de colisiones es difícil de implementar debido a las siguientes razones.

1) La capacidad de detectar conflictos requiere que cada estación pueda transmitir (enviar su propia señal) y recibir (determinar si las transmisiones de otras estaciones interfieren con su propia transmisión) al mismo tiempo, lo que aumenta costos del canal.

2) Más importante aún, debido al problema del terminal oculto, incluso si una estación tiene capacidades de detección de colisiones y detecta una colisión durante la transmisión, aún puede ocurrir una colisión en el extremo receptor.

Por estos motivos, el estándar de protocolo de LAN inalámbrica IEEE 802.11b adopta el protocolo de acceso múltiple supervisado por operador con prevención de colisiones (CSMA/CA) para un disfrute óptimo del canal inalámbrico.

CSMA/CA simple se puede implementar de la siguiente manera: antes de transmitir un paquete, el dispositivo inalámbrico escucha para ver si otros dispositivos inalámbricos están transmitiendo datos. Si está transmitiendo, el dispositivo esperará un período de tiempo determinado aleatoriamente y luego escuchará nuevamente. Si ningún otro dispositivo está utilizando el medio, el dispositivo comenzará a transmitir datos porque es muy probable que mientras un dispositivo esté transmitiendo datos; otro dispositivo también comenzará a transmitir datos, para evitar la pérdida de datos causada por tales conflictos, el dispositivo receptor detectará el CRC del paquete de datos que recibe y, si es correcto, enviará un mensaje de confirmación (acuse de recibo) al dispositivo emisor. Si es correcto, se envía un mensaje de confirmación al dispositivo emisor indicando que no se produjo ningún conflicto.

De lo contrario, el dispositivo emisor repite el proceso CSMA/CA.

Para minimizar la posibilidad de colisiones causadas por dos dispositivos inalámbricos que transmiten datos simultáneamente, los diseñadores de 802.11 utilizaron un mecanismo llamado solicitud de envío/borrado de envío (RTS/CTS). Por ejemplo, si los datos llegan a un punto de acceso inalámbrico (AP) designado por un nodo inalámbrico, el punto de acceso enviará una trama RTS al nodo inalámbrico, solicitando que se le envíen datos dentro de un cierto período de tiempo, y el sistema inalámbrico El nodo responderá con una trama CTS, indicando que cualquier otra comunicación será bloqueada hasta que el punto de acceso haya terminado de enviar datos. Otros nodos inalámbricos también pueden escuchar la transmisión de datos en curso y retrasar su transmisión hasta después de este momento. De esta manera, se minimiza la posibilidad de que los dispositivos causen conflictos de medios al transmitir datos entre nodos. Este mecanismo de transmisión también resuelve el problema de los terminales ocultos en las LAN inalámbricas.

Para garantizar que los datos no se pierdan durante la transmisión, CSMA/CA también introduce un mecanismo de reconocimiento (ACK), es decir, el receptor envía una notificación de confirmación ACK al remitente después de recibir los datos. Si el remitente no recibe un ACK, indica pérdida de datos y los datos se retransmitirán.

3. Análisis de rendimiento en tiempo real de la LAN inalámbrica

El estándar de LAN inalámbrica IEEE 802.11b utiliza el protocolo CSMA/CA en la capa de control de acceso a medios para compartir canales inalámbricos. Cuando la carga de la red es ligera, la posibilidad de que se produzcan conflictos es muy pequeña y algunos productos de redes inalámbricas toman algunas medidas adicionales incluso para evitar los conflictos por completo. Por ejemplo, el producto inalámbrico de Wi-LAN, el puente inalámbrico AWE 120-24, utiliza un sondeo de tiempo asignado dinámicamente: cuando varios dispositivos remotos inalámbricos desean comunicarse con la estación base, la estación base consultará a cada dispositivo remoto por turno basándose en el ID del dispositivo remoto. ¿La estación final tiene datos para enviar? Si hay datos para enviar, se le asignará un intervalo de tiempo. Si no, continuará preguntando hacia abajo y el ciclo comienza de nuevo. El llamado sondeo dinámico aquí significa que los usuarios pueden configurar el modo de sondeo de la estación base para reducir el número de veces que se sondean las estaciones base inactivas, garantizando así que no se desperdicien intervalos de tiempo. En comparación con CSMA/CA, la tecnología de sondeo de asignación dinámica de tiempo evita por completo los conflictos y logra un mejor rendimiento en tiempo real. Esto hace posible el uso de tecnología inalámbrica en redes de control industrial.

3. Sensores inteligentes en red basados ​​en tecnología inalámbrica

La combinación de tecnología de redes informáticas, tecnología inalámbrica y tecnología de sensores inteligentes ha producido el término "sensores inteligentes en red basados ​​en tecnología inalámbrica" ​​A nuevo concepto. Este sensor inteligente integra módulos de interfaz de red inalámbrica, procesamiento de datos y recopilación de datos. La interfaz de red inferior (interfaz de hardware) del módulo de interfaz de red inalámbrica utiliza un chip de interfaz de red basado en IEEE 802.11b y la interfaz de red de alto nivel (interfaz de software). ) utiliza el protocolo TCP/IP, utilizando el protocolo TCP/IP como una aplicación integrada, es decir, solidificando el protocolo TCP/IP en la ROM del sensor inteligente. Utilice el protocolo TCP/IP como una aplicación integrada, es decir, solidifique el protocolo TCP/IP en la ROM del sensor inteligente, realizando así el envío y recepción de datos de campo a través del protocolo TCP/IP. Este sensor inteligente en red basado en tecnología inalámbrica puede transmitir, distribuir y disfrutar de datos de campo industrial directamente a través de la red a través de enlaces inalámbricos.

La LAN inalámbrica se puede implementar sobre la base de una LAN ordinaria a través de concentradores inalámbricos, estaciones de acceso inalámbrico (AP), puentes inalámbricos, módems inalámbricos y tarjetas de red inalámbrica.

En el campo de la automatización industrial, existen miles de sensores, detectores, computadoras, PLC, lectores de tarjetas y otros dispositivos que deben conectarse entre sí para formar una red de control proporcionada por las interfaces de comunicación. Estos dispositivos suelen ser RS ​​-232 o RS-485. Los equipos de LAN inalámbrica utilizan convertidores de señal aislados para convertir las señales seriales RS-232 de equipos industriales en señales para redes LAN y Ethernet inalámbricas.

Las señales Ethernet se convierten entre sí, cumpliendo con los estándares LAN inalámbrico IEEE802.11b y Ethernet IEEE 802.3, y soportando el protocolo de comunicación de red estándar TCP/IP, expandiendo efectivamente las capacidades de comunicación en red de los equipos industriales.

4. Aplicación de LAN inalámbrica en redes de control industrial

La conexión en red de sistemas de control industrial proporciona la base y la posibilidad para la aplicación de la tecnología inalámbrica en sistemas de control industrial. En los últimos años, muchos investigadores también han realizado trabajos de investigación en esta área. Zeng Peng y otros del Instituto de Automatización de Shenyang, Academia de Ciencias de China, construyeron una pila de protocolos de comunicación inalámbrica a nivel de campo basada en FFHSE (Ethernet de alta velocidad) lanzada por FF (Fieldbus Foundation) y combinada con el estándar Ethernet inalámbrico IEEE802. .11b. Esta pila de protocolos mantiene el modelo de comunicación de Foundation Fieldbus y permite la sincronización horaria y la comunicación en tiempo real entre dispositivos inalámbricos. Kyung Chang Lee y otros de la Universidad Nacional de Pusan ​​​​en Corea del Sur diseñaron un modelo de conversión de protocolo para la interconexión entre redes Profibus-DP y LAN inalámbricas IEEE802.11. Mario Alves et al. estimaron el tiempo de retardo de la transferencia de información en redes híbridas basadas en el método de transmisión de redes inalámbricas/bus de campo. C. Koulamas et al. estudiaron el rendimiento del bus de campo Profibus combinado con la capa física DSSS basada en IEEE802.11b.

Además de los trabajos de investigación teórica, la tecnología de comunicación inalámbrica también se ha aplicado en algunas redes de control industrial. Por ejemplo, la American Rockwell Company ha agregado una parte de Ethernet inalámbrica para realizar comunicación inalámbrica basada en el sistema de red de control de tres capas de DeviceNet, Control-net y Ethernet/IP. Siemens de Alemania combina la tecnología Ethernet inalámbrica sobre la base de las redes de control Profibus-DP y Profinet para permitir que la red de control tenga funciones de comunicación inalámbrica. Debido a las ventajas incomparables de las redes inalámbricas, puede eliminar una gran cantidad de conexiones de línea, ahorrar costos de construcción y mantenimiento del sistema y también puede satisfacer las necesidades de algunas ocasiones especiales. Al mismo tiempo, mejora en gran medida la flexibilidad de la composición del sistema. . Junto con la mejora continua de la propia tecnología de comunicación inalámbrica, la tecnología de comunicación inalámbrica tendrá un amplio espacio de desarrollo y perspectivas de aplicación en el campo del control industrial.

5. Soluciones de aplicación y equipos de tecnología inalámbrica en redes de control industrial

1. Control industrial inalámbrico

Mediante el uso de sensores inteligentes en red basados ​​en tecnología inalámbrica, combinados con diversos tipos de dispositivos actualmente en el mercado. El puente LAN inalámbrico basado en IEEE 802.11b puede realizar una solución de aplicación de tecnología LAN inalámbrica en redes de control industrial. El puente LAN inalámbrico sirve como punto de acceso inalámbrico (AP). Los sensores inteligentes en red basados ​​en tecnología inalámbrica recopilan datos en el sitio, los procesan, los empaquetan con el protocolo TCP/IP y los envían al AP a través de un enlace inalámbrico. Debido al enlace inalámbrico, tanto la Ethernet de alto nivel como la cableada utilizan el protocolo TCP/IP. El protocolo de bajo nivel es transparente al protocolo de alto nivel, logrando una conexión perfecta entre la red inalámbrica y la red cableada. Logre una conexión perfecta entre la red inalámbrica y la red cableada. A través de Internet se puede lograr un seguimiento remoto.

2. Selección de dispositivos inalámbricos

Para implementar una red inalámbrica, generalmente hay dos tipos de dispositivos que deben seleccionarse. Uno es un puente de LAN inalámbrica, que puede conectar múltiples sitios inalámbricos a una LAN existente; el otro es un equipo de comunicación inalámbrica, como tarjetas de red inalámbrica, módems inalámbricos, etc. A continuación se presentan los equipos inalámbricos de Advantech. Los dispositivos inalámbricos de Advantech se presentan a continuación.

Punto de acceso LAN inalámbrico industrial de 11 Mbps serie A.WLAN-9200

WLAN-9200 es un puente LAN inalámbrico mejorado de 11 Mbps adecuado para uso en exteriores. Es capaz de conectar múltiples estaciones remotas a una red de área local sin ningún cableado físico.