Aptitudes Temps réelr

Aptitudes Temps réelr des réseaux r sans fil Nicolas KROMMENACKER Nicolas.krommenacker@cran.uhp-nancy.fr 7 septembre 2007

Intérêts du sans fil en milieu industriel Réduction des coûts : -de câblage - d installation - de maintenance du réseau Apporte de la flexibilité/mobilité - simplicité d installation - équipements mobiles Répond à des nouveaux besoins - ubiquité (emaintenance, eautomation) bonne alternative aux réseaux industriels traditionnels

Quelle technologie choisir? Industrial Wireless RFID SP100 Standards émergents : - Wireless HART (fin 2007) - ISA SP100 Wireless Systems for Automation (courant 2008)

Les besoins en communications industrielles Information Level (MES, ERP) Control Level (PLCs, I/O) Device Level (Sensors, Actuators) Taille des données / Débits / temps de réponse

Quelle application pour le sans fil industriel? La classification retenue par l'agence ISA (Source : Plant Engineering July 2006)

Quelle application pour le sans fil industriel? End-user survey (ISA SP100)

D autres exigences... Sécurité - Données (Encryption( Encryption,, Authentification, IDS,...) bonne expertise dans le domaine des réseaux r sans fil "domestique" - Environnement (réglementation sur site, limitation puissances) Consommation d énergie - équipements autonomes (autonomie/consommation) - couverture (puissance/consommation) Fiabilité - respect des contraintes de l applicationl - perturbations liées à l environnement (variations de température, d humiditd humidité, vibrations, constructions métalliques, m obstructions, Interférences rences EMI) Et plus si affinité... (Coût, Datage des informations)

Un peu de physique des ondes Les technologies sans-fil ne tiennent qu à un fil - Atténuation ou fading (distance, obstacles) - Perte en chemin ou Path-loss - Multichemin (Multipath) - combinaison possible (multipath fading) - dépendant de la fréquence ª Difficile de modéliser et d évaluer les interférences

Les ondes en milieu industriel Études des technologies sans fil et de la propagation des ondes - peu d informations d en milieu industriel (très s spécifique) - souvent réalisr alisées dans le milieu de la bureautique (installation / site survey) - évolution des équipements, des technologies et des réglementations (allocation fréquences, puissances) NIST Researchers Tackle Wireless Interference Problem August 30, 2007 "The federal agency hopes to help companies improve factory designs and avoid blocking transmissions that make it difficult to take advantage of wireless networks."

Quelques études ABB corporate research: Radio Wave propagation in industrial environments 1 - Mesure des effets d un arc électrique dans la plage 2,4 2,5 GHz

Quelques études 2 - Tests Bluetooth dans une fonderie (chaleur, poussière, métaux)

Quelques études Simulation of an Industrial Environment and overview of test results [J. CATRYSSE, KHBO, Oostende] Mesures d interférences à proximité de différentes machines COST 286 Project: Electromagnetic Compatibility (EMC) in Diffused Communications Systems EM site survey

Peut être un constat...! -"Wireless can become a part of the machinery" Jürgen Weczerek,, Phoenix Contact - Importance des interférences causées par les autres technologies sans fil Coexistence 802.11 / Zigbee 802.15.2 (Recommended Practice for Coexistence in Unlicensed Bands)

Specifications techniques d un AP industriel Quels sont les aptitudes temps réel du produit?

Trafic Temps réel r et 802.11 Polling Modèle 802.11 LLC (Logical Link Control) 802.11f MAC (Medium Access Control) 802.11 c, e, h, i Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) 802.11 FHSS 802.11 DSSS 802.11 IR Wi-Fi (802.11b) Wi-Fi5 (802.11a) 802.11g CSMA/CA DCF : CSMA/CA, mode infrastructure /Ad hoc PCF : mode optionnel, Polling, Point Coordinator, mode infrastructure

Trafic Temps réel r et 802.11 Coexistence DCF/PCF Superframe Superframe Contention free period Contention period PCF DCF PCF DCF PCF time Access Point BEACON POLL POLL END PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS DIFS Polled stations DATA NULL - PCF et DCF alternent à l intérieur de la Superframe - Contrôle de l accès au médium selon 3 IFS (SIFS < PIFS < DIFS)

Trafic Temps réel et 802.11 Autres trafics (Best effort, DCF mode) «Real-time traffic» (periodic and aperiodic messages) Superframe Superframe Contention free period Contention period PCF DCF PCF DCF PCF

Liste de polling Obtenue à partir de l ordonnancement (application de monitoring) macrocycle microcycle Timeline ST 3 ST 0 ST 1 ST0 0 ST 2 ST 3 ST 0 ST 1 ST 0 ST 3 ST 0 ST 2 ST 1 ST 0 ST 3 ST 0 ST 1 ST 0 ST 2 0 1 2 3 4 5 6 7 time PCF DCF PCF DCF PCF CFP_Max_Duration time CFP_Rate Superframe Chaque microcycle doit être exécuté lors d une période PCF (microcycle runtime < CFP_Max_Duration) La période du microcycle doit être égale à la durée de la Superframe "CFP_max_duration" et "CFP_rate" doivent être correctement configurés

Ecourtement de la période p PCF Superframe DCF mode (contention period) Contend to access medium PCF mode (contention free period) DCF mode (contention period) Access Point BEACON... DIFS PIFS medium activity BUSY Delay Foreshortened Contention Free Period Superframe Superframe Contention Period Contention Free Period Contention Period Access Point Station Source Station Destination Difs Frame Contend to acces medium Sifs Ack Pifs Beacon Foreshortened CFP t t t

Ecourtement de la période p PCF (802.11b) Superframe DCF mode (contention period) Contend to access medium PCF mode (contention free period) DCF mode (contention period) Access Point BEACON... DIFS PIFS medium activity BUSY Delay Foreshortened Contention Free Period Ecourtement maximum avec 802.11b (en µs) : Rate (Mbit/s) 1 2 5.5 11 Foreshortened delay (ms) 20.00 10.42 4.33 2.59

Ecourtement de la période p PCF (802.11g) Superframe DCF mode (contention period) Contend to access medium PCF mode (contention free period) DCF mode (contention period) Access Point BEACON... DIFS PIFS medium activity BUSY Delay Foreshortened Contention Free Period Ecourtement maximum avec 802.11g (en µs) : Transmission time for the maximum size frame

Analyse de performance (802.11g) Format des trames: PHY header Rate 4 bits Reserved 1 bit Length 12 bits Parity 1 bit Tail 6 bits Service 16 bits MPDU Tail 6 bits Padding 24 bits, i.e. 1 OFDM symbol (4 µs) PHY Preamble 16 µs Signal 4 µs Data variable number of OFDM symbols (multiple of 4 µs) coded OFDM 6 Mbps coded OFDM Rate indicated by signal field Temps de Transmission (in µs) : Size of TAIL field = 6 bits MPDU size Data rate OFDM timeslot = 4 µs Size of SERVICE field = 16 bits permet de déterminer pour chaque microcyle le temps de transmission (PCF duration) et donc CFP_max_duration

Exemple numérique 15 stations (1 to 16 octets) Période (10 to 100 ms) MTU (1500 bytes) 20 elementary cycles, 5 poll-based patterns Microcycle = CFP_Rate = 10 ms (Highest Common Factor)

Exemple numérique - Durée pour chaque microcycle (en considérant l écourtement de PCF) ** - Débit restant pour la période DCF CFP_Max_Duration = 4.1 ms CFP_Rate = 10ms CFP_Max_Duration = 3.4 ms CFP_Rate = 10ms PCF DCF PCF DCF time time DCF throughput = 0.45 Mbps (6Mbps) DCF throughput = 2.55 Mbps (54Mbps)

Etude à saturation (Simulation) - Opnet 11.0a library -WLAN_stationnode -PCF mode -4 scenarios (6 Mbps, 6 Mbps/SAT, 54 Mbps, 54 Mbps/SAT)

Conclusion Débuts du sans fil en industrie - Quelques produits existent même si leur aptitude à supporter du temps réel reste à prouver! - Applications tolérantes aux fautes (monitoring) Domaine en expansion - actions de standardisation ISA SP100: Standard for automation IEEE 1451: Standard for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators - projets en cours OCARI: Optimisation des Communications Ad-hoc pour les Réseaux Industriels WiSA: Wireless Sensor and Actuator Networks for Measurement and Control DYNAMITE: Dynamic Decisions in Maintenance