Протокол резервирования PRP расширяет возможности промышленной беспроводной связи

Одной из главных проблем беспроводной связи для широкого ряда критических приложений всегда была и остается надежность. Будет ли работать ваша беспроводная связь в условиях промышленного производства? Будет ли она достаточно устойчивой, чтобы гарантировать передачу ваших данных в точку назначения? Может ли она предоставить вам уверенность, что связь достаточно стабильна? Ответы на эти вопросы в нашей публикации, составленной по материалам компании Belden.

Пресс-центр >> Публикации >> 08.07.2015

Одной из главных проблем беспроводной связи для широкого ряда критических приложений всегда была и остается надежность.

  • Будет ли работать ваша беспроводная связь в условиях промышленного производства?
  • Будет ли она достаточно устойчивой, чтобы гарантировать передачу ваших данных в точку назначения?
  • Может ли она предоставить вам уверенность, что связь достаточно стабильна?

Все это – хорошие вопросы! Создано много различных инструкций и руководств о том, как решать эти проблемы. Однако в них отсутствует реально интегрированное, точное и надежное решение, которое действительно решало бы эту проблему и давало вам уверенность, что связь будет работать безотказно, и гарантировать сохранность и достоверность передаваемых данных.

Последние достижения в технологиях и стандартах изменили эту ситуацию в лучшую сторону. Эти изменения сделали промышленные беспроводные приложения гораздо более стабильными, надёжными, быстрыми, безопасными и намного более лёгкими в эксплуатации. Частично эти изменения обусловлены использованием нового модернизированного и улучшенного протокола передачи данных, который называется PRP - Parallel Redundancy Protocol (Протокол Параллельного Резервирования)

Промышленные Беспроводные Приложения вчерашнего дня

Традиционно, беспроводные локальные сети использовались в тех случаях, когда:

  • Кабель слишком тяжелый для данного применения.
  • Кабель нельзя использовать вследствие очень жестких условий эксплуатации.
  • Кабель невозможно использовать вследствие мобильного характера подключаемых механизмов либо транспортных средств.

Однако, надежность и качество обслуживания беспроводных соединений обычно являются проблематичными, когда:

  • Приложение предъявляет жесткие требования в отношении последовательности и времени запаздывания.
  • Требования безопасности приложений, превышали возможности беспроводной связи.
  • Требовался высокий уровень надежности [при передаче информации], несмотря на неблагоприятные условия.

Необходимо подсоединить мобильные машины к промышленным беспроводным сетям (WLAN)

Например, видеосистемы, которые выполняют такие важные задачи, как обеспечение безопасности вышек сотовой связи или управление и контроль внутреннего состояния поездов, часто оказывались проблематичными в результате своей чувствительности к надежности и качеству передачи информации. Существует немало других приложений, в которых применение беспроводной связи вызывает сомнение, например контроль качества или сбор количественной информации в процессе управления промышленным производством.

Все эти приложения чувствительны к прерываниям, задержкам и потере пакетов данных. Эти прерывания сети могут быстро привести к серьезным проблемам, таким как остановка транспортных средств или остановка производства, которые тоже приводят к значительным издержкам вследствие простоя.

PRP – Создание резервирования при помощи дублирования пакетов

В проводных промышленных сетях Ethernet методика резервирования была давно установлена для гарантирования бесперебойной работы сетей даже при отказе отдельных коммуникаций.

Протокол параллельного резервирования (PRP) часто используется в соответствии со стандартом МЭК 62439. Результатом является бесшовное резервирование передачи данных без задержек и без потерь.

Устройство, известное как «Резервный бокс» или «Красный чемоданчик» дублирует и переводит пакеты данных параллельно по двум различным сетевым маршрутам. Перед разветвлением маршрута пакеты дублируются, а после, параллельные потоки соединяются и дублированные пакеты удаляются.

Если один маршрут нарушен, будут использоваться пакеты из резервного. Поэтому приложение, основывающееся на сети такого типа, может продолжать работать без сбоя, несмотря на серьезные повреждения в линиях связи (На рисунках 1 и 2 показан PRP в действии).

Рисунок 1. PRP в сети высокой надёжности: одновременное использование двух резервных путей. Пакеты, дублированы в точке 5; дубликаты сброшены в точке 1.

Рисунок 2. PRP в сети высокой надежности: неисправность имела место в сети А и пакет 3 не поступает, однако, используются пакеты из второго маршрута сети без каких-либо задержек во времени из-за переключения.

PRP имеет сильное воздействие на промышленные беспроводные приложения.

В течение многих лет PRP использовался в стандартных проводных сетях. Однако, особый интерес пришел с использованием PRP в беспроводных средах, где его воздействие даже более значительно, чем в проводных вариантах.

Параллельное резервирование не только осуществляет отказоустойчивость с нулевой задержкой восстановления сети, оно также может использоваться, чтобы компенсировать неизбежные мелкие сбои (например, взаимные помехи), которые могут иметь место при беспроводном соединении.

Когда PRP пересылает пакеты одновременно по двум различным беспроводным путям передачи данных (рисунок 3), эффекты от потери отдельного пакета можно не принимать во внимание.

Случайные потери пакетов не видны при использовании PRP, потому что сбой при передаче или ошибка при получении имеет место только тогда, когда одновременно повреждены оба пакета на обоих маршрутах.

Рисунок 3. RPR с двумя каналами беспроводной передачи данных: резервная передача данных компенсирует потерю пакетов, искажения в нагрузке и отличия, обусловленные интерференционно зависимым временем передачи.

Кроме того, существенно снижается влияние джиттера и запаздывания сигнала. При использовании PRP с одновременной передачей по двум каналам влияние интерференции либо времени задержки практически исключается. Как видно из рис. 3, задержка пакета 5 в сети В не будет оказывать никакого влияния, поскольку в точке выделения всегда будет использоваться пакет пришедший раньше.

Хотя механизмы, используемые для PRP в проводных и беспроводных линиях одни и те же (дублирование пакетов данных и их устранение) для беспроводных линий связи наблюдается ощутимо большая выгода. А именно:

  1. PRP значительно повышает надежность путем компенсации потерь индивидуальных пакетов при временных нарушениях связи, как например интерференции, обусловленной другими радиосистемами.
  2. PRP уменьшает время задержки сигнала, поскольку из двух дублированных пакетов всегда будет активным пакет пришедший первым.
  3. PRP уменьшает флуктуации времени передачи сигнала (джиттер), поскольку, как видно из рис. 3, длинные задержки устраняются. Флуктуации возникают, только если оба пакета прибывают с задержкой.

Преимущества при промышленном использовании беспроводных сетей с PRP

Итак, мы рассмотрели, как недавние успехи в технологии и стандартах кардинально изменили надёжность для промышленных беспроводных приложений; они больше не являются ахиллесовой пятой передачи сигналов. В частности, PRP, описанный в МЭК 62439, играет большую роль в улучшении производительности беспроводной сети в трёх важных областях:

  1. Резко снижается возможность потери данных вследствие отсутствия задержки при восстановлении сети.
  2. Значительно улучшается время передачи сигнала из-за уменьшения задержек.
  3. Снижается джиттер при передаче данных по линии связи.

В этих областях наблюдаются значительные улучшения. При практических испытаниях ощутимая потеря пакетов для приложения с использованием протокола PRP была уменьшена до 0.00021 процента. Это уменьшение потери пакетов в 500 раз!

Рассмотрим две дополнительных разработки, получающие непосредственную выгоду от применения стандартизованного протокола PRP (МЭК 62439). Эти решения делают сегодняшнюю беспроводную связь ещё более практичной и включают диверсификацию частоты и интеграцию PRP непосредственно в беспроводное оборудование.

Рисунок 4: Недавние улучшения в технологиях промышленной беспроводной связи делают сложные задачи, такие как беспроводное видеонаблюдение на нефтеперерабатывающих предприятиях, практичными и очень надёжными.

Диверсификация частоты и интеграция протокола PRP ещё больше расширяют возможности систем на базе промышленной беспроводной связи.

Во многих странах провайдеры беспроводной связи могут передавать данные на нескольких нелицензированных частотах, которые включают два популярных диапазона – 2.4 ГГц и 5 ГГц. Каждый диапазон имеет различные преимущества и, в свою очередь, различные недостатки.

Добавляя различные частоты в вашу схему передачи сигнала с использованием протокола PRP (передача одного сигнала на 2.4 ГГц, а другого на 5 ГГц), вы в значительной степени увеличиваете вероятность гарантированного прохода пакета данных. Так как, весьма маловероятно, чтобы факторы, которые снижают качество сигнала на одной частоте, вызывали бы одновременно помехи сигнала на другой частоте. Вводя такое комбинирование частот, вы ещё больше увеличиваете надёжность передачи данных в своей сети.

Компания Hirschmann, стремясь ещё больше увеличить практичность и финансовую отдачу от промышленных беспроводных приложений, посредством интеграции возможностей PRP напрямую в точках доступа беспроводной связи. Это означает, что во многих сетевых приложениях больше нет необходимости в отдельном Резервном боксе для управления копированием и восстановлением пакетов данных.

Рисунок 5. Использование дублирующих частот улучшает работоспособность беспроводных сетей. Кроме того, интеграция PRP непосредственно в точки доступа сокращает сложность сети и затраты на ее создание.

Кроме того, PRP не является эксклюзивным протоколом только для проводных или только для беспроводных решений. Тот факт, что он может использоваться для гибридных проводных/беспроводных систем, также значительно расширяет диапазон и возможности различных решений.

Рассмотрим несколько примеров интересных топологий сети, которые не были бы возможны без PRP. Они легко могут обеспечить вам необходимый повышенный уровень надёжности.

Беспроводная сеть как решение высокой надежности

Рассмотрим задачу, когда уже имеющуюся сетевую инфраструктуру необходимо обновить и внедрить новые узлы. Количество коммуникаций, которые потребуется проложить заново, слишком велико. Например, система управления допуском/защитой объектов по их периметру или система видеонаблюдения.

Традиционно, при рассмотрении такого проекта вариант беспроводной связи был бы отклонён, потому что необходимо гарантировать, что система всегда должна быть работоспособной. Но в свете описанного выше в этой статье, стоит взглянуть на задачу по новому.

Корпорация Belden не так давно сотрудничала с местным провайдером по внедрению именно такой системы для нефтеперерабатывающего завода на Ближнем Востоке. Возможность для шумовой интерференции, а также огромное количество географических факторов и отражений, которые имеют место, сделало эту задачу очень сложной для реализации беспроводной системы.

В дополнение к физическим характеристикам, необходимость передачи видеосигнала обусловило использование очень широкой полосы пропускания сигнала, плюс стабильность и надежность линии передачи. Несмотря на это, использование протокола PRP на базе коммутаторов Hirschmann в структуре беспроводной связи обеспечило необходимый уровень производительности и надёжности системы.

PRP обеспечивает не только передачу данных с резервированием и нулевым уровнем отказа, но и улучшает производительность сети посредством удаления джиттера и снижения времени задержки сигнала. Это делает его идеальным средством для передачи данных в сетях с повышенным требованием к надёжности.

Рисунок 6: Нефтеперерабатывающий завод смог использовать беспроводную связь для системы безопасности периметра предприятия и систем видеонаблюдения благодаря высокой надёжности, обеспеченной беспроводным оборудованием, использующим PRP.

Беспроводная связь как избыточное резервирование к проводной передаче сигналов

Представьте сеть, которая функционирует в сложных условиях и использует проводную передачу данных, однако это вызывает массу проблем. Это мог бы быть мостовой кран, который постоянно находится в движении или это может быть оборудование типа плавильной печи, либо другое высокотемпературное оборудование наподобие домны.

В любом из этих и подобных случаев ваш сетевой кабель может быть повреждён, что привнесёт в рабочий процесс предприятия массу проблем. Ввиду этого и сказанного в данной статье ранее, стоит внедрить беспроводную систему как резерв для первичного проводного соединения. Такое нововведение оправдает себя при первом же повреждении кабеля.

Рисунок 7: PRP позволяет использовать как проводные, так и беспроводные маршруты в качестве резервных путей, обеспечивая тем самым многообразие сетевых топологий.

Такое сочетание проводных и беспроводных маршрутов описано в МЭК 62439 как применение PRP, реализованного на обоих путях прохождения сигнала. Беспроводной канал может использоваться как резервный путь, без задействования промежуточных коммутаторов присутствующих в проводном подключении.

Существует ряд решений, которые могут передавать резервную информацию с помощью собственных особых алгоритмов . Однако они основываются на одном канале передачи данных и это делает невозможным комбинацию беспроводных/проводных каналов.

В сравнении с этим, сценарий, основанный на стандарте PRP, учитывает более сложные ситуации, которые могут быть внедрены с явными преимуществами для предприятия.

Мобильные приложения с роумингом PRP устройств

Пару слов о системах, в которых задействованы движущиеся машины или транспортные средства типа вагонов или поездов. Когда устройство, находящееся в пути, необходимо соединить с несколькими беспроводными точками доступа. При этом сценарии, использование PRP обеспечивает не только два соединения, которые могут одновременно передавать информацию; оно обеспечивает возможность всегда сохранить подключение к одному из двух соединений при движении транспортного средства и перемещению его между точками убытия и прибытия.

Рисунок 8: PRP в беспроводной сети WLAN, состоящей из нескольких точек доступа и клиента. Объединение пакетов осуществляется в центральной точке с PRP.

Итоговое качество соединения, как и в случае с другими приложениями, всегда будет лучше, чем лучшее из двух соединений, указанных здесь. Оно не зависит от таких эффектов, как низкий коэффициент соотношения «сигнал-шум» или затухание сигнала.

PRP-технология не только автоматически выбирает пакеты для лучшей линии передачи, но и компенсирует потери на «лучшей линии» успешно доставленными пакетами по «другой» линии. Это позволяет не зависеть от прерываний роуминга и снижения производительности систем связи, а так же обойтись без прерываний передачи сигнала.