Page tree
Skip to end of metadata
Go to start of metadata

You are viewing an old version of this page. View the current version.

Compare with Current View Page History

« Previous Version 24 Next »

Введение

Данный документ описывает применение устройств Инфинет для обеспечения устойчивой беспроводной связью подвижные объекты в различных сценариях. В частности, представлен базовый проект и рассмотрены особенности его реализации для горнодобывающей промышленности, железнодорожного и водного транспорта.

Постановка задачи

Базовый сценарий (см. рисунок 1) предусматривает передвижение одного или нескольких объектов по территории предприятия вдоль заданной траектории между точками A и B. На расстоянии от области, в которой может находиться подвижный объект, расположен центр управления сетью.

Целью проекта является организация надёжного канала связи между центром управления и подвижными объектами для организации различных информационных сервисов.

Рисунок 1 - Базовый сценарий проекта организации связи с подвижными объектами

Для достижения поставленной цели должны быть решены две категории задач:

  1. Базовый список задач:
    • Построение опорной радиосети. Покрытие опорной радиосети должно соответствовать области нахождения объекта.
    • Построение узла агрегации. Узел агрегации предназначен для объединения устройств опорной радиосети и является шлюзом между радиосетью и сетью предприятия.
    • Построение магистрального канала связи между узлом агрегации и центром управления.
  2. Расширенный список задач:
    • Обеспечение отказоустойчивости каналов связи на уровне доступа.
    • Обеспечение бесшовного абонентского роуминга в рамках опорной радиосети.
    • Обеспечение отказоустойчивости магистрального канала связи между узлом агрегации и центром управления.
    • Предусмотреть возможность внедрения политики качества обслуживания.

Решение

Решение задач базового списка, описанных выше, представлено на рисунке 2. Решение удобно разделить на четыре компоненты:

  • Опорная сеть предприятия.
  • Узел агрегации.
  • Опорная радиосеть.
  • Область нахождения объекта.

Опорная радиосеть состоит из нескольких базовых станций (БС), объединённых проводной инфраструктурой. На каждой из БС могут быть установлены один или несколько секторов, совокупность диаграмм направленности антенн которых формирует зону действия радиосети. Следует иметь в виду, что для объединения БС могут использоваться беспроводные каналы связи или смешанная инфраструктура.

Объединение базовых станций выполняется в узле агрегации, в котором устанавливается коммутатор InfiMUX. Использование InfiMUX, как будет показано позже, позволяет упростить конфигурацию устройств Инфинет за счёт объединения всех БС в единую MINT-область.

Между узлом агрегации и центром управления сетью организован магистральный канал связи. Выбор каналообразующих устройств определяется объёмом передаваемого трафика (см. Производительность устройств Инфинет ):

  • Использование устройств семейства InfiLINK 2x2 позволяет получить пропускную способность 280 Мбит/с.
  • Использование устройств семейства InfiLINK XG позволяет получить пропускную способность 500 Мбит/с.
  • Использование устройств семейства InfiLINK XG 1000 позволяет получить пропускную способность 1000 Мбит/с.

На каждом подвижном объекте устанавливается одна абонентская станция (АС), в конфигурацию которой добавляются все радиопрофили секторов БС. Принцип работы заключается в возможности переключения между БС по ходу движения объекта. Поскольку секторы БС обеспечивают покрытие всей области, в которой может находиться АС, то АС в любой момент времени находится в зоне действия одной из БС. Как только радиопараметры текущего подключения ухудшатся, АС выполнит подключение к другому сектору.  Так, при перемещении объекта из точки А в точку B на рисунке 2, АС последовательно подключается к БС1, БС2, БС3 и БС4.

Следует иметь в виду, что АС не может быть одновременно подключена к двум БС, т.к. в устройстве используется один радиомодуль, поэтому переключение АС между БС сопровождается кратковременными разрывами связи. К одному сектору БС может быть одновременно подключены несколько АС, поэтому в качестве сектора БС и АС используется оборудование семейства InfiMAN 2x2.


Рисунок 2 - Схема организации связи с подвижными объектами

Решение расширенного списка задач основывается на описанной архитектуре и не заменяет её, а дополняет.

Отказоустойчивость каналов связи на уровне доступа обеспечивается перекрытием диаграмм направленности секторов при проектировании опорной радиосети. Так, выход из строя одного из секторов, при перекрытии с соседними секторами более 50%, не повлияет на зону действия радиосети. Радиочастотное планирование требует комплексного подхода и подробнее рассматривается в следующих разделах.

Как было отмечено, роуминг в предлагаемом решении не является бесшовным, т.к. переключения АС между БС сопровождается перерывом связи. Переход к бесшовному роумингу требует установки второй АС на каждый из подвижных объектов. Такое решение подробно описано ниже.

Устройства Инфинет могут использоваться в различных схемах резервирования и агрегации каналов связи "точка-точка". Так, например, магистральный канал связи может быть зарезервирован с помощью фирменной технологии Failover, для чего потребуется установить второй комплект беспроводных устройств. Использование Failover позволит реализовать автоматическое резервирование магистрального канала связи с использованием всего лишь одного частотного канала. Варианты организации резервирования каналов связи представлено в документе Агрегация каналов, балансировка и резервирование.

Задача по внедрению политики качества обслуживания не потребует установки дополнительных устройств и решается конфигурацией беспроводных устройств и InfiMUX:

  • Сервис сбора телеметрии, телефонии и организация дистанционного управления чувствительны к задержкам и джиттеру, поэтому они требуют кропотливой конфигурации правил распределения трафика по классам. Минимизация джиттера для чувствительных сервисов может быть достигнута с помощью использования прошивки TDMA на устройствах семейства InfiMAN 2x2. Сравнительный анализ методов множественного доступа Polling и TDMA приведён в документе TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях.
  • Видеонаблюдение, помимо задержки, требует широкую полосу пропускания в восходящем канале от АС к БС. Устройства семейства InfiMAN 2x2 поддерживают метод множественного доступа с временным разделением TDMA, позволяющий администратору гибко распределять доступную полосу между восходящим и нисходящем каналами.
  • Использование единой инфраструктуры для предоставления набора сервисов с различными требованиями требует гибкого распределения доступной полосы между сервисами.

Планирование радиосети

Каждая реализация рассмотренного решения уникальна и требует предварительного планирования. Это очень важный этап, которому следует уделить внимание, т.к. экономия ресурсов на этапе проектирования может сильно повысить траты на эксплуатацию. В рамках данного документа будут рассмотрены вопросы радиочастотного планирования и размещения устройств.

Радиочастотное планирование

Частотное планирование - комплексный творческий процесс, результатом которого является карта размещения устройств с базовыми настройками радиоустройств. Удобным инструментом радиопланирования и оценки потенциальной производительности и достижимых радиопараметров является InfiPLANNER.

Выбор частотного канала, используемого на устройствах, определяется следующими факторами:

  1. Регуляторными ограничениями: радиочастотное регулирование определяется на законодательном уровне государства. Как правило, выделяется диапазон частот, разрешённый для свободного использования с определёнными ограничениями (излучаемая мощность, высота подвеса антенны и т.д.) и диапазон частот, для использования которых необходимо получать разрешение.
  2. Возможностями радиомодуля: радиомодуль беспроводного устройства поддерживает ограниченный набор излучаемых частот, это следует учитывать при проектировании.
  3. Физикой распространения электромагнитных волн: дальность распространения, влияние осадков и взаимодействие с препятствиями электромагнитной волны определяется её частотой, что необходимо иметь в виду при предварительных расчётах. Эффекты, проявляющиеся при распространении радиоволн, подробно описаны в онлайн-курсе "Основы беспроводных сетей".
  4. Интерференция: взаимное влияние беспроводных устройств оказывает существенное влияние на производительность системы, поэтому должно учитываться при проектировании. На уровень интерференции влияет мощность излучения и выбранные частотные каналы. Рекомендации по соблюдению частотного разноса при проектировании приведены в документе TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях. Особое внимание на выбор частотных каналов следует обращать в многосекторных конфигурациях проектов с подвижными объектами для того, чтобы минимизировать влияние секторов БС друг на друга.

Размещение устройств

Положение устройства в пространстве определяет параметры беспроводного канала связи и в эти параметры входят:

  1. Координаты устройства.
  2. Азимут и угол места.
  3. Высота подвеса.

В проектах с подвижными объектами следует учитывать направленные свойства антенн устройств. Если БС статичны и область радиопокрытия является постоянной, то диаграмма направленности антенны подвижного объекта может сильно влиять на конечный сервис и её выбор определяется спецификой проекта.

При расчёте проекта полезно оценить профиль трассы на протяжении всей траектории движения объекта. Это позволит найти потенциальные "мёртвые зоны", в которых будет отсутствовать связь с объектом и изменить расположение БС. Кроме того следует выполнить обследование, выехав на территорию предприятия, т.к. инструменты планирования каналов связи не учитывают влияние таких преград, как деревья, искусственные объекты и т.д.

В продуктовом портфеле Инфинет представлен широкий набор аксессуаров, в числе которых следует выделить комплекты крепления, позволяющие выполнять монтаж устройств в различных условиях с возможностью гибкой юстировки, и инжекторы питания, функционирующие на объектах как с постоянным, так и с переменным током.

Протокол MINT

Протокол канального уровня Ethernet, используемый в большинстве сетей, разрабатывался для проводных сетей и в нём не учитывается специфика беспроводной среды. Производители беспроводных устройств могут использовать стандартные протоколы беспроводной передачи данных, например Wi-Fi, или использовать собственные разработки. Компания Инфинет разрабатывает фирменный протокол передачи данных MINT, предназначенный для обмены данными в беспроводной среде.

MINT (Mesh Interconnection Network Technolohy - технология построения сетей с произвольными связями) - фирменный протокол компании "Инфинет", используемая на устройствах семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2, обеспечивающая передачу данных между устройствами по беспроводным и проводным каналам связи.

Понятие области MINT

Одним из центральных понятий протокола MINT является область MINT. Областью MINT называется множество устройств являющихся соседями, т.е. обмен данными между которыми осуществляется с помощью кадров MINT.

Рассмотрим описанное выше решение в контексте областей MINT (см. рисунок 3). Между устройствами Master и Slave установлен радиоканал и они образуют область MINT 5. Каждый из секторов БС1, БС2, БС3 и БС4 потенциально готов установить радиоканал с АС, установленной на подвижном объекте, образовав отдельную область MINT с соответствующим идентификатором.

Рисунок 3 - Использование множества областей MINT в схеме организации связи с подвижными объектами

Следует понимать, что протокол MINT предназначен для обмена данными в рамках области MINT. Данные вне области MINT могут быть переданы с помощью других канальных протоколов, например Ethernet, т.е. каждое из беспроводных устройств является шлюзом между MINT и Ethernet. Таким образом, в представленной схеме будет выполнена передача данных между центром управления и подвижным абонентом, но это потребует конфигурации коммутационных групп на каждом из устройств:

 switch group 1 add eth0 rf5.0
 switch group 1 start
 switch start

Помимо инкапсуляции при передаче кадров Ethernet через область MINT, протокол MINT подразумевает обмен служебными сообщениями для заполнения таблицы перенаправления кадров. Таблица перенаправления кадров позволяет выбирать маршрут передачи кадра (см. рисунок 4) через область MINT в соответствии со значением стоимости, вычисляемой с учётом параметров радиоканала и его загрузки. Данный механизм гарантирует выбор оптимального маршрута с точки зрения радиопараметров и не допускает возникновения петель.

Рисунок 4 - Пример выбора маршрута между узлами J и F в MINT

Иногда возникают ситуации, требующие вмешательства в алгоритм расчёта стоимости пути. Это можно сделать с помощью суммирования рассчитанной и добавочной стоимостей или фиксации определённого значения (коммутация в устройствах Инфинет подробно рассматривается в онлайн-курсе ""):

#Суммирование добавочной и рассчитанной стоимостей
mint rf5.0 -extracost 1000

#Фиксация определённого значения стоимости
mint rf5.0 -fixedcost 1000

Схема объединения секторов в одну MINT-область через InfiMUX

Главным недостатком представленного решения является необходимость конфигурации коммутационных групп на всех беспроводных устройствах. Поскольку группа коммутации является шлюзом между MINT и Ethernet, то можно объединить все БС опорной радиосети в единую область MINT, закрепив функцию шлюза за коммутатором InfiMUX (см. рисунок 5). В этом случае группу коммутации необходимо будет настроить только на InfiMUX.

Рисунок 5 - Объединение опорной радиосети в единую область MINT в схеме организации связи с подвижными объектами

Использование протокола MINT в проводной инфраструктуре возможно с помощью использование псевдорадиоинтерфейс PRF. Это виртуальный интерфейс, являющийся дочерним для проводного интерфейса, выполняющий инкапсуляцию кадров MINT в кадры Ethernet:

#Создание PRF-интерфейса 
ifc prf0 mtu 1500 up
prf 0 parent eth0 hwmtu 1514
mint prf0 start

#Объединение PRF- и RF-интерфейсов
mint join rf5.0 prf0

К преимуществам такого решения можно отнести упрощение конфигурации QoS, т.к. правила обработки трафика разных классов обслуживания настраиваются только на InfiMUX.

Схема с объединением секторов и магистрального канала в одну MINT-область (+команда)

В схеме с объединением устройств опорной радиосети в единую область MINT есть недостаток в части политики качества обслуживания: используемые правила классификации трафика должны быть продублированы на InfiMUX и устройствах магистрального канала связи Master и Slave. Если эти правила не продублировать, то эффект от внедрения политики QoS может значительно снизиться.

Одним из решений данной задачи является объединение каналообразующих устройств магистрали в единую область со всеми остальными устройствами (см. рисунок 6). В этом случае единые правила классификации трафика, настроенные на Master, будут справедливы в рамках всей области MINT. Кроме того, функции шлюза между MINT и Ethernet могут быть перенесены на устройство Master. Объединение областей выполняется по аналогии с рассмотренной выше конфигурацией.

Рисунок 6 - Объединение всех беспроводных устройств в единую область MINT в схеме организации связи с подвижными объектами

Роуминг

В этом документе под роумингом будем понимать процесс перехода АС, установленной на подвижном объекте, из зоны действия одного сектора БС в зону действия другого сектора этой же или другой БС. Роуминг сопровождается разрывом радиоканала с первым сектором и установлением радиоканала со вторым и ограничен зоной покрытия опорной радиосети.

Рассмотрим алгоритм роуминга (см. видеоролик 1):

  1. Между АС и БС1 установлен радиоканал.
  2. Подвижный объект перемещается и радиоканал между АС и БС1 рвётся. Причиной разрыва является невозможность установки связи из-за увеличения дистанции между беспроводными устройствами. Как будет показано ниже (#ССЫЛКА) инициатором разрыва радиоканала может быть как АС, так и БС1.
  3. АС пытается восстановить связь с БС1. Если радиоканал установлен, то алгоритм возвращается к п.1, если нет - к п.4.
  4. АС пытается подключиться к БС2.
  5. АС устанавливает радиоканал с БС2.

Error rendering macro 'multimedia'

com.atlassian.renderer.v2.macro.MacroException: Cannot find attachment 'Without_multiBS.mp4'

Установление радиоканала

Радиоканал может быть установлен между двумя устройствами при выполнении следующих требований:

  • Хотя бы одному из устройств назначена роль "ведущий". Возможны связи "ведущий-ведущий", "ведущий-ведомый". Архитектура решения предусматривает конфигурацию секторов БС, как ведущих, а АС - как ведомых.
  • В конфигурации АС создан радиопрофиль, соответствующий настройкам радио на БС.
  • Параметры сигналов (RSSI, SNR и т.д.) позволяют выполнять обмен данными хотя бы на минимальной модуляции.

Радиопрофили

На устройствах с ролью "ведущий" может быть настроен только один радиопрофиль, который будет использоваться для установки каналов связи. На устройствах с ролью "ведомый" может быть создано несколько радиопрофилей, либо один с возможностью автоматического выбора частоты. Конфигурация радиопараметров представлена ниже (в конфиге я не уверен):

#Настройка частоты на устройстве с ролью "ведущий"
 rf rf5.0 band 20
 rf rf5.0 mimo greenfield
 rf rf5.0 freq 5510 bitr 130000 sid 10101010 burst
 rf rf5.0 txpwr auto pwrctl distance auto

#Создание радиопрофиля на устройстве с ролью "ведомый"
 mint rf5.0 prof 1 -band 20 -freq 5510 -sid 10101010 \
          -nodeid 60755 -type slave \
          -autobitr -mimo greenfield

#Создание радиопрофиля с автовыбором частоты на устройстве с ролью "ведомый"
 mint rf5.0 prof 1 -band 20 -freq auto -sid 10101010 \
          -nodeid 60755 -type slave \
          -autobitr -mimo greenfield

При попытке установить соединение, ведомое устройство циклично перебирает радиопрофили, добавленные в его конфигурацию. Как только один из профилей подходит для установки радиоканала, создаётся связь с ведущим устройством и подбор профилей прекращается. В случае, если в конфигурации создан профиль с автоматическим выбором частоты, ведомое устройство пытается установить соединение с ведущим, перебирая частоты, поддерживаемые радиомодулем.

Очевидно, что установка связи может оказаться длительной операцией при использовании режима автоматического выбора частоты на ведомом устройстве из-за широкого диапазона частот, поддерживаемых радиомодулем. В рассматриваемых сценариях с роумингом это неприемлемо, поэтому рекомендуется в конфигурации АС создавать отдельные радиопрофили для каждого из секторов БС опорной радиосети.

Динамический выбор частоты

Устройства с ролью "ведущий", по аналогии с "ведомым" поддерживает режим динамического выбора частот (DFS). Устройства с поддержкой DFS, перед выбором частоты выполняют сканирование доступных частотных каналов и оценивают уровень интерференции на них и наличие радаров. Среди частотных каналов, свободных от радаров, выбирается канал с минимальным уровнем интерференции и устанавливается как рабочий.

DFS является стандартной технологией для беспроводных устройств, однако его недостаток состоит в том, что оценка радиообстановки выполняется только при включении и не актуализируется в процессе работы. Использование дополнительного радиомодуля на некоторых моделях устройств Инфинет позволяет реализовать фирменную технологию Instant DFS. Дополнительный радиомодуль постоянно сканирует эфир, выполняя переход между частотными каналами в соответствии с уровнем интерференции. Технологии DFS и instant DFS подробно описаны в документе Динамический выбор частоты (ещё не опубликован).

Конфигурация DFS выполняется следующим образом:

#Активация DFS на устройстве с ролью "ведущий"
 dfs rf5.0 dfsonly
 dfs rf5.0 freq auto

#Активация DFS и Radar detection на устройстве с ролью "ведущий"
 dfs rf5.0 dfsradar
 dfs rf5.0 freq auto

#Включение поддержки iDFS на устройстве
 mint rf5.0 -idfs

Частотный роуминг

Под частотным роумингом в этом документе подразмевается изменение рабочей частоты установленного радиоканала, т.е. выполняется смена частоты на обоих устройствах.

Механизм частотного роуминга тесно сопряжён с технологией instant DFS, поскольку, при обнаружении частотных каналов с меньшим уровнем интерференции, чем на текущем, ведущее устройство должно выполнить смену рабочей частоты. При этом устройства, с которыми у ведущего установлен радиоканал, также должно выполнить смену частотного канала. Поведение устройств при частотном роуминге определяется значением параметра "roaming":

  • leader: устройство определяет новый частотный канал и рассылает служебные сообщения другим устройствам для смены рабочей частоты. Целесообразно данную функцию назначить на устройство с активированной опцией DFS/iDFS.
  • enable: устройств, получив команду на смену рабочей частоты от leader, выполняет переход на новый частотный канал.
  • disable: устройство, получив команду на смену рабочей частоты от leader, игнорирует её.

В рассматриваемом решение не используется технология DFS, однако в проектах, где необходимо использование DFS/iDFS, целесообразно секторы БС настроить как roaming leader, а АС - как roaming enable:

#Конфигурация сектора БС
 mint rf5.0 roaming leader

#Конфигурация АС
 mint rf5.0 roaming enable

Важно отметить, что ведомое устройство с roaming enable, получив команду на смену рабочей частоты от roaming leader выполнит переход в другой частотный канал даже в том случае, если в конфигурации устройства не будет соответствующего радиопрофиля. При этом, после перезагрузки, ведомой устройство не сможет установить радиоканал, т.к. будет руководствоваться набором радиопрофилей, добавленных в конфигурацию.

Опция MultiBS (+команда)

Главным недостатком алгоритма роуминга является то, что АС, после разрыва канала связи с БС1, пытается восстановить это соединение и, только после нескольких неудачных попыток, выполняет поиск других БС для установления радиоканала. Устройства Инфинет поддерживают фирменную опцию MultiBS, позволяющую ускорить этот процесс.

Алгоритм роуминга с активной опцией MultiBS представлен ниже (см. видеоролик 2):


mul






+роуминг выполняет абонент, нет контроллера

Установление радиоканала, опции min и max (+команда)


Режимы fixed/mobile/nomadic (+команда)

Роуминг (переход АС между секторами)

Опция Global(+команда)

Использование двух абонентских устройств на объекте (+команда)

Горнодобывающая промышленность

Особенности

Истории успеха

Железнодорожный транспорт

Особенности

Истории успеха

Водный транспорт

Особенности (+TDMA для водной поверхности из-за guard interval +Beamforming)

Истории успеха




Дополнительные материалы

  1. Продукция Инфинет
  2. Производительность устройств Инфинет
  3. Агрегация каналов, балансировка и резервирование
  4. TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях
  5. Онлайн-курс "Основы беспроводных сетей"
  6. Вебинар "Монтаж, грозозащита и заземление оборудования Инфинет"
  7. Инструмент планирования беспроводных сетей InfiPLANNER
  8. Онлайн-курс "InfiPLANNER: инструмент планирования беспроводной сети"
  9. Онлайн-курс "Коммутация в устройствах семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2"
  10. Динамический выбор частоты
  • No labels