Spolehlivé bezdrátové sítě s redundantními spoji

Představte si dva generály. Každý z nich táboří se svým vojskem na jednom kopci a mezi nimi je údolí zaplněné nepřátelskými jednotkami. První generál vyšle svého nejlepšího zvěda, aby se proplížil údolím a doručil na protější kopec následující zprávu: „Naši jedinou nadějí je koordinovaný útok, nejednotné zahájení útoku by znamenalo katastrofu. Pokud budu ujištěn, že se ke mně přidáte, zahájím útok o půlnoci.“ Druhý generál vyšle posla s odpovědí potvrzující souhlas s útokem.

Problém je, že i když jsou obě zprávy doručeny, nemá ani jeden z generálů absolutní jistotu v současné zahájení útoku. Vzhledem k nespolehlivosti poslů nemá druhý generál jistotu, že jeho odpověď byla doručena prvnímu generálovi a ten útok zahájí. První generál sice odpověď obdržel, ale ví, že druhý generál si jejím doručením není jistý. Tato nejistota ohrožuje na obou stranách odvahu potřebnou k útoku.

Faktem je, že bez ohledu na počet zpráv, které si dva generálové pošlou, nikdy nebudou mít potřebnou jistotu pro útok, protože stav poslední zprávy bude vždy nejistý. Toto dilema známé jako „problém dvou generálů“ existuje vždy, pokud není komunikace úplně spolehlivá a ilustruje důležitost zvyšování spolehlivosti a snižování nepředvídatelnosti komunikačního systému.

Průmyslová automatizace sice nedosahuje vážnosti armády a generálů, ale koordinovaná funkce je klíčová pro úspěšné řízení složitých průmyslových procesů. Stále více se systémoví integrátoři uchylují k použití bezdrátových komunikací pro koordinovaná řešení ve vysoce distribuovaných nebo mobilních aplikacích jako jsou skladové zakládače nebo důlní přepravníky. Tyto systémy jsou charakteristické stále se pohybujícími součástmi, jako jsou vozíky, nebo ramena jeřábů, u kterých jsou kabelové linky nepraktické. Nicméně přechod k bezdrátovým systémům nesnižuje důležitost spolehlivé komunikace. Přerušení spojení může znamenat nákladné prostoje, nebo dokonce poškození zařízení či ohrožení bezpečnosti pracovníků.

Při vytváření spolehlivé sítě musíme zvážit všechny rizika bezdrátové komunikace. I ve správně nakonfigurované bezdrátové síti existují dva hlavní zdroje komunikačních chyb: kolize a slabý signál.

Ke kolizím dochází tehdy, když více zařízení sdílí stejný síťový segment. U kabelového ethernetu poslouchá vysílací stanice příchozí signály a detekuje případné kolize. Spolehlivá detekce kolizí v bezdrátových sítích je téměř nemožná. Při vysílání je stanice obvykle schopna přijmout pouze svůj vlastní signál, protože vysílač je umístěn u přijímače, nebo je s ním propojen. Tím je znemožněna detekce současného vysílání jinými stanicemi. V důsledku toho předpokládá protokol 802.11 kolizi vždy, když dojde ke ztrátě paketu a reaguje opakovaným vysíláním po prodlevě a úpravě parametrů komunikace.

Kromě toho může dojít ke ztrátě paketů v případě, že je síla signálu u přijímače je příliš malá pro použitou přenosovou rychlost. Problémy s přenosem se mohou objevit v případě, že se síť pokouší komunikovat na příliš vysoké rychlosti vzhledem k síle signálu, nebo signál tlumí fyzické překážky. Viníkem může být i pohyb zařízení v mobilních aplikacích, když dojde ke zvětšení vzdálenosti mezi klientem a přístupovým bodem. Protokol 802.11 umožňuje reagovat na ztrátu paketu pouze regulaci výstupního výkonu a komunikační rychlosti, případně dočasným přerušením komunikace po kolizi.

Spolehlivost bezdrátové komunikace zhoršuje i okolní rušení. Elektronická zařízení jako jsou bezdrátové telefony, Bluetooth zařízení, průmyslové mikrovlnné trouby nebo domácí elektronika mohou způsobovat rušení v pásmu 2,4 GHz, používaném ve většině 802.11 bezdrátových sítích. Toto rušení a sdílení kanálů snižuje dostupnost pásma nárůst chybových paketů.

Redundance je běžnou metodou zvýšení spolehlivosti systémů včetně bezdrátových sítí. Zjednodušeně řečeno je redundance technologickým řešení základního konceptu mít vždy zálohu. Redundanci lze realizovat na mnoha úrovních. Redundance napájení, která umožňuje napájet zařízení ze záložního zdroje je poměrně časté a snadno realizovatelné řešení, zatímco kompletní redundance, která znamená zdvojení celého systému je mimořádně nákladná a často nepraktická

Vytvoření redundantního bezdrátového spoje se zvýší úroveň redundance systémy a zvýší jeho spolehlivost. Zatímco jeden bezdrátový spoj je aktivní a přenáší data, druhý je v pohotovostním režimu na jiném kanálu a je připraven převzít funkci v případě poklesu kvality pod určitou úroveň. Nicméně toto řešení má své meze. Zaprvé je potřeba počítat s určitým časem potřebným pro přechod na druhý spoj. V průběhu tohoto přechodného období budou vždy některé pakety ztraceny. Za druhé, pokud je prahová úroveň pro přechod na záložní spoj příliš nízká, pak musí komunikační rychlost klesnout na nízkou úroveň, než dojde k odpojení stávajícího spojení. To je nepřijatelné pro aplikace vyžadující nepřetržitou vysokou rychlost spojení. Na druhou stranu pokud je prahová úroveň nastavená příliš vysoko, aby byla garantována vysoká rychlost komunikace, objevuje se tzv. „ping-pong“ efekt kdy je bezdrátové spojení neustále přepínáno tam a zpět mezi dvěma spoji. Navržení ideálního přepínacího mechanismu je nemožné.

Ve snaze vyhnout se těmto komplikacím, jsou bezdrátové produkty Moxa vybaveny pokročilými technologiemi pro redundantní bezdrátové spoje. Prvky AWK-5222/6222 mají dva nezávislé RF moduly. To znamená, že oba moduly mohou být aktivovány současně. Při současném provozu redundantního bezdrátového spojení jsou datové přenosy duplikovány a eliminuje se tak jakákoli ztráta paketů při přepojování na záložní spoj. Schopnost vysílat souběžně na dvou odlišných kanálech a dokonce i ve dvou různých pásmech (2,4 GHz a 5 GHz) obchází vliv rušení, které se může vyskytovat v některém z pásem.

Zdvojený redundantní spoj se simultánním provozem rovněž zvyšuje datovou propustnost snížením počtu žádostí o opakované odeslání. Datová propustnost je průměrná rychlost jakou jsou požadovaná data doručovaná přes komunikační trasu. Může se stát, že i přes vysokou rychlost je datová propustnost nevyhovující z důvodu velké „komunikační režie“, protože je spotřebována pro přenos neužitečných dat, jako jsou hlavičky rámců nebo opakované přenosy, čímž vznikne malý prostor pro data zprávy, která má být doručena. Požadavky na opakované odeslání, které jsou hlavní příčinou vysoké režie u bezdrátových sítí, nepříznivě ovlivňují výkon. U duálního redundantního spoje nemusí být ztracené pakety znovu odesílány, pokud jsou správně přijaty aspoň na jedné z linek. To minimalizuje komunikační režii, optimalizuje využití šířky pásma a maximalizuje datovou propustnost při jakékoli rychlosti komunikace a za jakýchkoli podmínek.

Kvalita bezdrátové komunikace může být ohrožena selháním zařízení, nebo fyzickým přemístěním klienta. Redundantní klienti od společnosti Moxa umožňují okamžitě reagovat na poruchu přístupového bodu, nebo na ztrátu přímé viditelnosti a tím minimalizovat ztrátu paketů. Redundantní klienti Moxa kombinují technologii Turbo Roaming a redundantní bezdrátové technologie pro aktivní vyhledávání přístupových bodů. Když kvalita spojení klesne pod určitou hranici, klient ihned určí optimální přístupový bod a okamžitě se k němu připojí místo čekání na úplnou ztrátu signálu ze stávajícího přístupového bodu.