PADRÕES DE REDE

Com a adoção das novas tecnologias de redes pelas indústrias, nos deparamos com soluções parcialmente incompatíveis com a realidade de uma planta industrial, logo tornou-se evidente que novos padrões wireless deveriam ser criados para atender esse nicho. Diante desse panorama,  esses novos padrões estão surgindo a fim de a viabilizar a comunicação wireless seja na aquisição de dados ou no controle e monitoração de processos industriais. A comunicação wireless no âmbito industrial necessita de alguns requerimentos prévios para sua abordagem como um todo. Desta forma, a Namur NE 124 apresenta uma série de recomendações com relação aos requisitos da automação com comunicação wireless. Dentre elas destacam-se:

1. Interoperabilidade / Intercambiabilidade: A solução wireless empregada deve garantir a interoperabilidade e intercambiabiliade, ou seja, permitir que dispositivos de fabricantes diferentes possam trocar dados entre si de maneira interoperável. Esta recomendação, no entanto, inibe o uso de soluções wireless proprietárias, portanto é recomendável o emprego de soluções não proprietárias que busquem uniformizar a tecnologia de conexões (antenas), das medidas de segurança e das fontes de alimentação (baterias).

2. Disponibilidade e Confiabilidade: A solução wireless adotada precisa ser ressarcida de alta disponibilidade e confiabilidade. Os fabricantes com ligação neste processo devem se responsabilizar por elas.

3. Tempo real: Consideradas as áreas de aplicação, a capacidade da solução wireless em atender cenários de tempo real deve ser claramente exposta em termos de parâmetros determinísticos e de latência, por exemplo.

4. Segurança: É recomendado que a seção wireless implemente medidas claras de segurança como a codificação dos dados transmitidos, controle de acesso à rede wireless através de autenticação e autorização e que a solução possua links seguros com a rede mestre (master network).

5. Coexistência: Recomenda-se que existam tanto a coexistência de tecnologias (Bluetooth, ZigBee e WLAN, por exemplo), quanto de aplicações (rede wireless de sensores e terminais de controle portáteis, por exemplo).

6. Fonte de Alimentação: Os instrumentos wireless utilizados como elementos finais são, em geral, energizados por baterias. Objetivando minimizar os custos gerados pela operação com baterias recomenda-se que a substituição de baterias seja fácil e que os procedimentos para tanto sejam seguros, que existam previsões precisas quanto à carga residual das baterias bem como haja proteção quanto a explosões.

É notório acrescentarmos uma observação quanto à padronização das baterias utilizadas nos instrumentos de campo e a existência de procedimentos claros sobre o descarte das mesmas.

7. Auto-monitoração e diagnóstico: Recomenda-se a disponibilização de informações / estatísticas sobre o nível de potência do sinal transmitido, o estado da bateria, a identificação de erros ou ataques provenientes de usuários não autorizados, a carga da rede wireless e a latência.

8. Integração transparente com sistemas de automação: Atualmente FDT e EDDL são exemplos de tecnologias utilizadas para integrar de forma amigável instrumentos aos sistemas de automação. É recomendado que a solução wireless adotada não impeça ou dificulte tais práticas.

O conhecimento das recomendações listadas da NE 124 é importante para esclarecer as necessidades advindas da comunicação wireless na automação, e ainda, a escolha por uma tecnologia wireless deve estar associada ás necessidades específicas e inerentes de cada aplicação visando o melhor equilíbrio de desempenho entre consumo energético dos transmissores, velocidade de transmissão de dados e confiabilidade.

A tecnologia wireless vem ora para simplificar e / ou baratear algumas aplicações solucionadas convencionalmente com fio, ora para atender novas aplicações nunca antes alcançáveis ou impossíveis. O uso da tecnologia wireless também minimiza os custos de instalação e com cabeamento. Além disso, em geral, a instalação dos instrumentos wireless pode ser muito simples e resumir-se apenas à sua conexão ao processo, na área de interesse, a uma distância adequada do roteador, gateway ou nó roteador.

É importante ressaltar que uma rede de monitoramento e controle ou de automação industrial formada por sensores de grandezas físicas (temperatura, umidade, pressão, etc.) e dispositivos atuadores não necessita de uma largura de banda elevada para funcionar, mas sim de uma latência pequena, confiabilidade e baixo consumo de energia para preservar a vida útil das baterias.

Figura 1: Confiabilidade e latência em função da aplicação e tipo de dados em uma rede wireless.

CARACTERÍSTICAS DAS REDES WIRELESS INDUSTRIAIS

Camada Física

A camada física é responsável pela seleção de freqüências, geração da freqüência portadora, detecção de sinal, modulação e codificação. Segundo os modos de transmissão para a camada física podem ser:

•     FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum;

•     DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum;

O método FHSS (Espalhamento por Saltos em Freqüências) faz parte da técnica Spread- Spectrum que, basicamente, consiste em espalhar a informação por uma banda muito maior do que a necessária para a sua transmissão. Para tal, FHSS divide a banda total em vários canais de pequena largura de banda. Desta forma, transmissor e receptor saltam por estes canais conforme uma seqüência pseudo-aleatória conhecida por ambos.

 Figura 2: Modo de transmissão FHSS

O FHSS utiliza modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), sendo 2GFSK para a taxa de 1Mbps e 4GFSK para uma taxa de 2Mbps. Adicionalmente, o FHSS provê segurança na transmissão de dados, uma vez que é necessário conhecer-se tanto a seqüência pseudo-aleatória que determina os saltos de freqüência, bem como o tempo de permanência em cada freqüência, para que se possa escutar inadvertidamente a conversação entre duas estações que utilizem FHSS.

Ou seja, o sinal é recebido por quem conhece a seqüência de saltos e aparece como ruído para os outros possíveis receptores. As vantagens e desvantagens dessa técnica são mostradas na Tabela 1.

Tabela 1: Vantagens e Desvantagens da técnica FHSS.

O método DSSS é a Seqüência Direta de Espalhamento do Espectro. A técnica da modulação do espectro de propagação é usada extensamente em aplicações militares. Fornece uma densidade espectral da potência muito baixa espalhando a potência do sinal sobre uma faixa de freqüência muito larga. Este tipo de modulação requer, conseqüentemente,  uma largura de faixa muito grande para transmitir diversos Mbits/s.

De acordo com a técnica de espalhamento do modo de transmissão DSSS, o sinal de

informação é multiplicado por um sinal codificador com característica pseudo-randômica,  conhecido como “chip sequence” ou pseudo-ruído (“pseudo-noise” ou PN-code). Assim cada bit é representado por múltiplos bits utilizando-se o código de espalhamento.

O sinal codificador é um sinal binário gerado numa freqüência muito maior do que a taxa do sinal de informação. Ele é usado para modular a portadora de modo a expandir a largura da banda do sinal de rádio freqüência transmitida. Esta modulação aumenta a banda de freqüência ocupada pelo sinal, o que significa o espalhamento deste sinal na freqüência. No receptor o sinal de informação

é recuperado através de um processo complementar usando um gerador de código local similar e sincronizado com o código gerado na transmissão. A Figura 3 mostra um exemplo de transmissão no modo DSSS.

 Figura 3: Modo de transmissão DSSS

Em razão da utilização de uma grande largura de banda para transmissão, os sistemas em seqüência direta dispõem de poucos canais dentro da banda. Estes canais são totalmente separados de forma a não gerar interferência entre eles.  Após ser espalhado, o sinal é modulado em uma portadora. Normalmente, são usados dois esquemas de modulação para DSSS, que são o DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) que permite uma taxa de 1Mbps e o uso de DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) que permite uma taxa de 2Mbps. As vantagens e desvantagens da técnica DSSS são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2: Vantagens e Desvantagens da técnica DSSS.

Diferentemente do rádio de freqüência fixa, os rádios FHSS pseudo-randômicos  variam a freqüência do carregador, saltando rapidamente através de múltiplos canais enquanto enviam dados.

A interferência é evitada pelo salto através de diferentes freqüências, cada uma com um efeito diferente de interferência ou características. Isso faz com que a FHSS tenha acesso livre de colisões ao alocar um espaço específico de tempo e uma freqüência específica para sua transmissão.

Um esquema de salto de freqüência, combinado com detecção de erros e requisições de repetições automáticas assegura que os dados transmitidos cheguem de maneira confiável. Além disso, uma vez que os padrões de salto de freqüência são proprietários para o fabricante de rádio, os rádios industriais FHSS são inerentemente seguros e menos propensos a interferências. Essas características fazem do FHSS a escolha preferível para as aplicações do wireless industrial, tais como sinais simples, analógicos e digitais. O FHSS é bem diferente do DSSS, que espalha seu sinal sobre um segmento espectral mais amplo e mantém uma transmissão livre de erros dos seus dados até que o interferente vá para o topo da sua margem de interferência, no qual o tráfego de dados do DSSS rapidamente cai a zero tornando inapropriado para a missão crítica de transmitir dados via wireless em ambiente industrial.

Camada de Rede

A camada de rede esta relacionada à transferência de pacotes da origem para o destino. Pacote é a unidade básica de todas as informações que cruzam a rede. Chegar ao destino pode exigir vários hops (saltos) em roteadores intermediários ao longo do percurso. Para atingir seus objetivos a camada de rede deve conhecer a topologia da sub-rede de comunicações (ou seja, o conjunto de todos os roteadores) e escolher os caminhos mais apropriados através dela. A camada de rede também deve ter o cuidado de escolher rotas que evitem sobrecarregar algumas das linhas

de comunicação e roteadores enquanto deixam outras ociosas.  Por fim, quando a origem e o destino estão em redes diferentes, ocorrem novos problemas, e cabe à camada de rede lidar com eles.

O algoritmo de roteamento é a parte do software da camada de rede responsável pela

decisão sobre a linha de saída a ser usada na transmissão do pacote de entrada. O roteamento é a principal função da camada de rede e envolve duas operações básicas: a determinação das rotas e o transporte dos pacotes.

Existem características desejáveis a todos os algoritmos de roteamento. As principais são escolha da melhor rota, simplicidade, robustez, estabilidade, rapidez convergência para o caminho ótimo, flexibilidade, aceitar parâmetros de qualidade de serviço (QoS) e ser independente da tecnologia da rede. A principal de todas estas características é sem dúvida a robustez. É esperado que uma rede fique funcionando sem interrupções ou falhas por anos. O algoritmo de roteamento deve robusto o suficiente para suportar isto.

Com relação às classes, algoritmos podem ser agrupados de várias formas: adaptativos ou não-adaptativos, distribuídos ou centralizados, pró-ativos ou reativos, single-path ou multiple-path, planos ou hierárquicos, host inteligente ou roteador inteligente, inter-domínio ou intra-domínio, dentre outros. Muitas destas características não excluem outras, diz respeito apenas a característica que estamos observando do protocolo.

Distribuídos ou Centralizados: No modelo centralizado, todas as rotas são criadas por um único nó da rede. Na forma distribuída, cada nó repassa informações sobre alterações na rede para os outros nós, sendo que a rota, neste modelo, é calculada de forma individual em cada nó. Algoritmos centralizados têm algumas vantagens sobre os distribuídos. Eles são mais simples e os nós comuns da rede são liberados do cálculo das rotas, o que torna os programas dessas máquinas mais simples e leves. Infelizmente, roteamento centralizado não é confiável. No caso de uma falha no nó que cria as rotas, toda a rede fica inoperante. É também necessário um consumo extra de banda para a

requisição de rotas e a utilização deste tipo de algoritmo depende do tamanho e organização da rede. Outro problema é que se torna necessário uma rota fixa indicando o caminho para o nó encarregado de criar as rotas. Os algoritmos distribuídos, por outro lado, são menos sensíveis a falhas do que os algoritmos centralizados. O tráfego referente a mudanças na rede também não representa um grande problema, já que este é distribuído por toda a rede. Entretanto, loops de roteamento são muito mais comuns e difíceis de serem detectados do que em redes centralizadas. Loops de roteamento são situações em que um pacote fica sendo enviado sempre entre os mesmos roteadores sem nunca chegar ao destino.

Pró-ativos ou Reativos: Os protocolos pró-ativos são os que tentam obter as informações de roteamento antes que estas sejam necessárias. A idéia é avaliar continuamente as rotas. Dessa forma, quando uma das rotas for requisitada ela pode ser utilizada imediatamente. Já os protocolos reativos esperam que alguma rota seja requisitada para somente aí buscar informações e criar a rota. A primeira abordagem requer significativamente mais banda passante que a segunda, mas os pedidos de rota podem ser respondidos imediatamente. Na segunda, tem-se uma economia de banda, mas em contrapartida, o tempo para se responder a uma requisição de rotas é muito maior.

Single-Path ou Multiple-Path:  Outra forma de se agrupar algoritmos de roteamento é com relação à capacidade de suportar mais de uma rota para um mesmo destino. Os algoritmos que têm esta capacidade são chamados multi-path e os que só suportam uma rota são chamados de single-path. Algoritmos multi-path permitem que o tráfego de mensagens seja distribuído em vários canais. Esta característica pode aumentar significativamente a taxa de utilização da rede. Outro ponto a ser observado é que algoritmos multi-path têm uma maior tolerância a falhas, pois no caso de uma rota ficar indisponível, tem-se outra que pode imediatamente tomar o seu lugar.