Draadloze Communicatie in de industriële automatisering Realiteit of Hype? Ing. Henk Capoen

Transcriptie

1 Draadloze Communicatie in de industriële automatisering Realiteit of Hype? Ing. Henk Capoen Hogeschool West-Vlaanderen, Departement PIH Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk 1 Antennes Propagatie link budget site survey Industriële omgeving Quality of Service Security 2

2 Antennes Propagatie link budget site survey Industriële omgeving Quality of Service Security 3 Begrippen: meeteenheden Vier meeteenheden voor RF signaalvermogen o mw (milliwatt) o dbm ( db milliwatt) o RSSI (Receive Signal Strength Indicator) o Signal Strength Percentage Formules owaarde in db = owaarde in dbm = P2 10 log 10 P 1 P2 10log10 1mW 4

3 Antennes: frequentie en golflengte Fundamenteel verband λ Met C = lichtsnelheid 300 miljoen meter/sec F = frequentie (Hz) λ = golflengte (m) Frequentie 1 MHz 3 MHz 30 MHz 100 MHz 300 MHz Golflengte 300m 30m 10m 3m 1m Frequentie 1 GHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 3 THz Golflengte 30 cm 10cm 1cm 1 mm 100µm 5 Antennes: algemeen Omzetting elektrische energie in elektromagnetische straling Ontwerp antenne maakt het mogelijk energie in een bepaalde richting te sturen Efficiënte antenne: dimensies van /4 of /2 6

4 Antennes: Stralingspatronen Directionaliteit o Omnidirectioneel (360 ) o Directioneel (beperkte coverage, verder bereik) Antenne Gain o Mate waarin een antenne de energie richt o Uitgedrukt in dbi of dbd (0 dbd = 2.14 dbi) G = Maximum vermogen intensiteit Gemiddelde vermogen intensiteit 7 Antennes: stralingspatroon Omnidirectionele antenne o Geen isotrope straler o Enkel omnidirectioneel in één vlak o Gain van 2.14 dbi Directionele antenne 8

5 Antennes: polarisatie 9 Antennes: voorbeeld industriële antenne 10

6 Antennes Propagatie link budget site survey Industriële omgeving Quality of Service Security 11 Propagatie: reflectie Elektromagnetische golf valt in op object dat groot is ten opzichte van de golflengte (bv. vloer, plafond, wanden, ) 12

7 Propagatie: diffractie Stralingspad tussen zender en ontvanger verstoord door een oppervlak met scherpe randen Golven buigen rond het obstakel zelfs als Line of Sight (LOS, visueel rechtstreeks pad) niet bestaat 13 Propagatie: verstrooiing Energie verstrooid in verschillende richtingen door objecten kleiner dan de golflengte (bijvoorbeeld stoelen, lampen, ) 14

8 Propagatie: interferentie Signalen zijn in fase en versterken elkaar Signalen in tegenfase en verzwakken elkaar 15 Propagatie: verzwakking in vrije ruimte Vrije ruimte: geen objecten Verzwakking: L s 4πd ( d) = [12] λ 2 o Verzwakking met een factor 100 als ontvanger van 1 meter naar 10 meter wordt verplaatst o Verlies neemt toe met kwadraat van de frequentie Afweging o Lage frequenties dragen ver o Antennes groter en minder gefocusseerd 16

9 Propagatie: path loss Empirisch model voor de path loss PL One-slope model: PL(d) = PL(d0)+10n log(d/d0)+χ o PL(d) = path loss [db] mediaan variaties o d = afstand tussen zender en ontvanger [m] o PL(d0) = path loss [db] op referentie-afstand d0 [m] o n = path loss exponent [-] o χ = random normaal verdeeld [db] Standaardafwijking [db] Ten gevolge van shadowing 17 Link budget Bepaling maximale afstand R [m] voor draadloze communicatie o Berekening voor de site survey meetconfiguratie Met behulp van meetresultaten o Path loss model (large-scale fading) o Rice K-factor (temporele fading) o Frequentie: 2.4 GHz Afstandsbereik afhankelijk van gewenste datarate o Meeste industriële toepassingen: 2 tot 11 Mbps nodig o Link budget opstellen voor: 2, 11 en 18 Mbps 18

10 Link budget P T + G T + G R L T L R P R = PL(d 0 ) + 10n log(r/d 0 ) + M S + M F PL max PL(R) PLmax: maximaal toegestane path loss zodat het WLAN signaal nog correct ontvangen wordt [db] o PT = zendvermogen [dbm] o GT, GR = antennewinst Tx, respectieverlijk Rx [db] o LT, LR = verlies antennekabel Tx respectievelijk Rx [db] o PR = gevoeligheid Rx [dbm] PL(R): one-slope path loss model [db] MS: shadowing margin [db] MF: fade margin [db] Oplossen naar bereik R [m] 19 Link budget: rekenvoorbeeld PL max = PL(R) + M S + M F R = d 0 10 (PL(R) PL(d 0 ))/10n Bereik R voor o 2 Mbps o LSF topologie 3 R = 84 m parameter P T G T G R L T L R P 2 Mbps PL max M S M F PL(R) R waarde 14 dbm 2 dbi -2 dbi 0 db 0 db -80 dbm 94 db 5.90 db 4 db db 84 m 20

11 Link budget versus site servey Magazijn te Berry Floor meetgevens: magazijn, NLOS en LOS met een significante hoeveelheid verstrooiingselementen die zich hoger dan de ontvangstantenne bevinden hoogte zendantenne: 6m hoogte ontvangstantenne: 2m toegepaste datarate: 11 Mbps site survey link budget access point 21 Antennes Propagatie link budget site survey Industriële omgeving Quality of Service Security 22

12 Kenmerken apparatuur Omgeving Transmissie Kantoor omgeving Normaal temperatuurbereik Weinig stof en vocht Nauwelijks kans op mechanische beschadigingen of problemen met chemicaliën Geringe EMC belasting Grote data paketten Uitval niet gewenst Hoofdzakelijk acyclische transmissie Real-time gedrag niet noodzakelijk Industriële omgeving Breed temperatuurbereik Stof, vocht en trillingen mogelijk Kans op mechanische beschadigingen en problemen met chemicaliën/dampen/gassen Hoge EMC belasting Kleine data paketten Uitval niet toegestaan Hoofdzakelijk cyclische transmissie Real-time gedrag wel noodzakelijk 23 Kenmerken apparatuur Kantoor omgeving Montage 19 cabinets of geen montage DIN rail Industriële omgeving Voedingsspanning 230 V AC 24 V DC of PoE Isolatieklasse IP 20 IP 65 / IP 67 Behuizing Plastieken uitvoering Robuuste kunststof of metalen behuizing Temperatuursbereik 0 C 40 C -20 C 60 C Connectoren Standaard RJ45 Voorgemaakte kabels Levensduur 5 jaar 10 jaar Koeling Actieve koeling Passieve koeling RJ45 in kasten, M12 op de werkvloer Connectoren assembleerbaar op de werkvloer Beschikbaarheid Geen redundantie Redundante uitvoeringen (verhoogde beschikbaarheid) 24

13 De industriële omgeving Grote open ruimtes Magazijnen Productieruimtes Mogelijke stoorbronnen o WLAN (2,4 GHz) o Microgolf oven (2,4 GHz) o DECT (1,9 GHz) o Elektrische poort (300 MHz) o Frequentiesturing (200 MHz) o Lasapparatuur (50 MHz) o Lasersnijmachines (1,7 GHz) Structurele barrières 25 Antennes Propagatie link budget site survey Industriële omgeving Quality of Service Security 26

14 QoS: EDCA WLAN: IEEE e en WMM (Wi-Fi Multimedia) o Prioriteit bij de toegang tot het medium o 4 prioriteitsniveaus 27 Industriële standaarden Redundantie o Meerdere radio interfaces 5,2 GHz 2,4 GHz o Twee frequenties Mesh: IEEE s o Snelle roaming tijden o Verhoogde beschikbaarheid van het WLAN o Verwacht in 2008 Roaming: IEEE r o Verwacht in 2008, roamingtijd < 50ms o Huidige roaming tijden zijn te hoog 28

15 Antennes Propagatie link budget site survey Industriële omgeving Quality of Service Security 29 WLAN Security Security en industriële applicaties o Veilige werking: noodzakelijkheid van redundantie o Betrouwbare en stabiele datacommunicatie o Netwerkbeveiliging: wie krijgt toegang en hoe veilig is de data? 30

16 WLAN Security PROBLEEM Beacons, ieder AP stuurt iedere 100ms een beacon uit. Het bestaan van het netwerk en info over AP worden op die manier overgedragen aan mogelijke clients. Netwerknaam (SSID), wordt mee verstuurd met de beacon AANTAL KLEINE MAATREGELEN TREFFEN o Uitschakelen SSID broadcast o SSID aanpassen o Login aanpassen o Vaste IP adressen o Blokkeren van MAC adressen 31 WLAN Security VEILIGE COMMUNICATIE Encryptie het versleutelen van data Authenticatie toegangscontrole Integriteit controle op de echtheid van datapakketten 32

17 WLAN Security VERSLEUTELING VAN WIFI DOOR DE JAREN HEEN Geen encryptie WEP IEEE B WPA met TKIP en Michael (maart 2003 / WiFi 2004) WPA2 met AES (eind 2004 / WiFi 2006) 33 WLAN Security WPA (WiFi Protected Access) voorlopige opvolger van WEP, zelfde algortimen en hardware niet enkel encryptie maar ook netwerkverificatie ENCRYPTIE bij WPA maakt gebruik van TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) INTEGRITEITSCONTROLE van data (MIC) NETWERKVERIFICATIE Personal mode: WPA-PSK (Pre-Shared Key) Enterprise mode: WPA x/EAP (Extensible Authentication Protocol) 34

18 WLAN Security WPA2 o Wi-Fi alliantie gebruikt de term WPA2 voor de volledige IEEE i standaard o Maakt standaard gebruik van AES, Advanced Encryption Standard (AES), een geavanceerde vorm van versleuteling: BLOCK CIPHERS Vereist nieuwe krachtigere hardware o Norm vrijgegeven sinds eind 2004 o 2 modes zijn voorzien: Personal mode Enterprise mode Encryption: AES Authentication: PSK Encryption: AES Authentication: IEEE 802.1X/EAP 35 WLAN Security AUTHENTIFICATIE (zowel voor WPA als WPA2) PSK Met een wachtwoord dat uit minstens 20 tekens bestaat: letters (ondersscheid kleine en hoofdletters), cijfers en allerlei leestekens Een goed wachtwoord is bv: Qt12$#YhA&^jj45laHGUs. IEEE 802.1x/EAP Open standaard, onafhankelijk van de encryptie methode In combinatie met een authentificatieserver, RADIUS Server Verschillende authenticatie protocollen mogelijk EAP-MD5 EAP-TTLS EAP-SIM Protected EAP Na authenticatie pas toegang tot het netwerk 36