Endüstriyel Kablosuz Ağları Optimize Etmek İçin Uzmanından 7 İpucu!

Kablosuz teknolojileri endüstriyel uygulamalarda kullanırken dikkat edilmesi gereken ilk konu, kablosuz bağlantıların stabil olmasıdır. Stabil olmayan, kararsız kablosuz bağlantılar, genellikle yüksek paket kaybına neden olurlar. Kararsız bir kablosuz ağın temel nedenleri ise; kanal satürasyonu, yetersiz sinyal gücü, hidden node’lar ve yedeklilik eksikliğidir.

İPUCU 1: 5 GHz Kanalları Kullanarak Kanal Satürasyonunun Üstesinden Gelin:

Kablosuz teknolojinin önemli bir özelliği, standart Wi-Fi bağlantılarının “carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA / CA)1” temelli olmasıdır. Bunun anlamı, aynı bölgede ve aynı kanalı kullanan tüm Wi-Fi radyolarının aynı transmisyon ortamını paylaşıyor olmasıdır. Bu nedenle, kanal kullanımını düşünürken, o bölgede çalışan tüm radyo cihazlarını hesaba katmalısınız. Örneğin, 2.4-GHz’de kanal 6 üzerinden yayın yapıyorsanız, bu kanalın satüre olup olmadığını kontrol ederken, sadece tüm AP’lere değil; bu frekans bandında yayın yapan veya harmonikleri bu frekans bandını etkileyen 802.11 olmayan tüm aygıtlara da (Mikrodalga, ZigBee ve Bluetooth) dikkat etmelisiniz.

 

 

Şekil.1: Fluke frekans analizörü ile elde edilen 2.4-GHz channel utilizasyon grafiği

Kanal utilizasyonuna bakmanın en kolay yolu, Fluke veya WiSpy (Şekil.1) gibi bir frekans analizörü kullanmaktır. Bu problemden kaçmanın en önemli yolu, aşırı doygun hale gelmiş kanal yerine başka bir kanala geçiş yapmaktır. Aslında, dar bant genişlikleri ve zaten birçok farklı alanda yaygın kullanılmaları nedeniyle 2.4 GHz kanallar endüstriyel uygulamalar için önerilmez.

2.4GHz’de sadece 3 kanal (1, 6, 11) birbiri ile enterfere olmaz. 5 GHz, birbiri ile enterfere olmayan kanal sayısının daha fazla olması nedeniyle daha geniş bir frekans aralığı sağlar.

 

 

Şekil.2: 5-GHz Wi-Fi kanalları (ref: SecurityUncorked.com)

Bununla birlikte, şekil.2’de gösterilen DFS kanallarınında yayın yapmak için Access Point cihazınıda DFS özelliğini aktif etmeniz gerekecektir. Bu şekilde bakıldığında, 5GHz’de de kanal kullanımının kısıtlı olduğunu düşünebiliriz. UNII-2 ve UNII-Extended kanallarını çıkardığımızda 5GHz için elimizde 4 adet UNII-1 kanalı ve 4 adet UNII-3 kanalı kalıyor.

İPUCU 2: Uzun mesafe iletişiminde bilimsel hesaplama araçları kullanarak maksimum sinyal erişimine ulaşın:

Daha yüksek bir 802.11 kablosuz iletim hızı elde etmek, daha güçlü bir radyo sinyali gerektirir. Daha güçlü radyo sinyali, radyo sinyalinin yetersiz erişimi, düşük veri iletim performansı ve hatta bağlantı kesilmelerine bir çare olabilir. Sinyal erişimini iyileştirmenin birkaç yolu vardır. Örneğin, daha yüksek kazançlı antenler kullanmak veya daha düşük bir frekansa (900 MHz gibi) geçmek, bu durum “Free-Space path loss (FSPL)” etkisini azaltabilir.

Gerçekçi bir wi-fi iletim mesafesini ve bant genişliğini daha doğru bir şekilde tahmin etmek için kullanılacak kablosuz mesafe hesaplayıcı aracı, teorik değerler üretebilir ve daha gerçekçi bir saha keşfi verisi oluşturabilir.

Ancak iç ortamlarda sinyal gücünü arttırmak tam tersi etki yaratabilir. Fazla güç ile daha fazla yansıyan sinyaller ve daha fazla gürültü ve enterferans ile data iletim performansı düşebilir. Yüksek sinyal gücünden ziyade iyi bir SNR değeri önem kazanır. SNR değerinin 20dB ve üzerinde olması önerilir. Örnek olarak RSSI sinyal gücü: -40dB gibi mükemmel bir değer olsun, gürültü -50dB ise, -40-(-50) = 10dB < 20dB. Yani sinyal gücü mükemmel olmasına rağmen gürültü de çok fazla ve verim istenen seviyede olmayacaktır.

 

 

Şekil. 3: İstenen sinyal seviyesi için Moxa WLAN Calculator aracı yardımcı olacaktır.

Şekil.3‘deki Online WLAN hesaplama aracı, kullanıcıların radyo sistemleri hakkında yararlı bilgiler toplamasına olanak tanır. Şekilde.4’deki gibi “Veri Hızı ve Bant Genişliği Eğrileri” ile teorik bir hesaplama yapılabilir.

 

 

Şekil.4: Moxa WLAN Calculator ile üretilen Mesafe ve Data Rate tablosu

İPUCU 3: Kablosuz Yedekleme Teknolojilerini kullanarak, kesintisiz bir iletişim elde edin:

Temiz bir kablosuz iletim ortamı ve yeterli sinyal erişimi kursanız bile, diğer faktörler bir kablosuz ağın kararlılığını etkileyebilir. Örneğin, Wi-Fi istemcilerinin farklı AP’ler arasında “Roaming” yapmasını etkileyen “hidden node problem”. Üstesinden gelmeniz gerekebilecek başka bir sorun ise kablosuz ağınızın konuşlandırıldığı yer, ve bu ortamın öngörülemeyen ve istenmeyen etkileridir. Kritik uygulamalar için, beklenmedik kesintilerden etkilenmemek veya kesintileri minimumda tutmak için RF yedekliliği veya Moxa’nın “AeroLink Teknolojisi” gibi kablosuz yedekleme teknolojileri kullanılmalıdır.

UAV gibi makinelerin hareket halindeyken kablosuz iletişim kurması gereken M2M uygulamaları için, örneğin fabrika zemin araçları, araçtan depoya iletişim veya liman vinci kontrolü gibi kesintisiz kablosuz iletişim sorunsuz yerine getirilebilmelidir. Hareketli nesneler arasında kablosuz iletim büyük bir sıkıntıdır. Bazı ileri düzey kullanıcılar güvenilir ve stabil bir kablosuz bağlantı kurabilir, ancak araçlar hareket etmeye başladığında, bağlantı kararsız hale gelir. Bunun çözümü Turbo Roaming gibi düşük kesinti süresi sunan Roaming teknolojisidir. Bununla birlikte,

1) Yetersiz kablosuz kapsama alanı,

2) Yanlış Roaming threshold ayarları

3) Uygunsuz anten kurulumu gibi durumlar kararsız bir kablosuz bağlantıya neden olurlar.

İPUCU 4: Mobil Ekipmanlar için Ağınızda Yeterli Kablosuz Kapsamı Sağlayın:

Kablosuz AP’lerin kapsama alanları nispeten küçüktür. Örneğin, varsayılan antenleriyle yerleştirilen ticari AP’ler, yaklaşık 50 metrelik yarıçaplı dairesel bir bölge üzerinde kapsama alanı sağlar. Kablosuz istemcilerin bir AP bölgesinden diğerine geçerken sorunsuz bir şekilde Roaming yapmasını sağlamak için kapsama alanları belli oranda örtüşmelidir. “Ekahau veya AirMagnet” gibi saha planlama yazılımları, ortamdaki AP yerleşimleirni görselleştirmek için simüle edilmiş bir kablosuz kapsama alanı ısı haritası sağlayabilir (Şekil 5).

 

 

Şekil.5: Site Survey Tool kullanılarak oluşturulmuş bir Kablosuz Saha Keşfi

Ek olarak, kablosuz kapsama alanı ek ya da daha güçlü antenlerle genişletilebilse bile, kullanıcılar antenlerin dikey kapsama alanını gözden kaçırma eğilimindedir. 802.11 wireless antenlerinin çoğu pasif bileşenlerdir, bu da sinyalin enerjisini yükseltemeyecekleri anlamına gelir, ancak radyasyon modelini sıkıştırarak erişim alanları genişletilebilir. Çok yönlü bir anten 360 derecelik bir yatay yayılma açısına sahiptir; Yatay kapsama alanını iyileştirmek için dikey açının azaltılması gerekir. Yani yüksek kazançlı bir omni antenin kapsama alanı yatayda büyüyecek ama dikeyde daralacaktır.
Bu nedenle, yüksek kazançlı bir antene geçerseniz anteni, hareketli araçlara takılı AP antenlerinden çok yüksek noktalara yerleştirmemeniz gerekir.

Aşağıdaki iki şekle baktığınızda 2.2dBi antenin elma gibi olduğunu, kazancı 6dBi olan antenin ise yatayda uzayıp, dikeyde kısaldığını görebilirsiniz. Kazan arttıkça kablosuz mesafesi artarken dikeyde kapsama alanı daralmaktadır.

 

 

Şekil.6: Omni Anten Propagasyonları

İPUCU 5: MIMO İstemci Antenlerini Kullanarak Mobil Çalışmayı Geliştirin:

2,4 GHz ve 5 GHz kablosuz iletişim, AP ile istemci arasında “Görüş Hattı”nın (Line of Sight) net olmasını gerektirir. Sinyalin bir duvardan penetrasyonu ve engellerden yansıması yoluyla da kablosuz bağlantı kurulması mümkündür. Ancak bu nedenlerle oluşan sinyal gücündeki azalma, kararlılığı ve genel verimi etkileyebilir. Bağlantının engellerden dolayı zayıflamasını önlemek için yapabileceğiniz iki şey vardır: AP’nin sahadaki yerleşimini düzenlemek, sayısını arttırmak ve istemci radyosu için daha iyi bir anten kullanmak. Kablosuz istemci MIMO anten yapısını destekliyorsa, aracın her iki ucuna da SISO anten takılması (Şekil 7), araca malların  yüklenmesi esnasında oluşan LoS sorunlarını önlemek için daha iyi sinyal alımı sağlayacaktır.

 

 

Şekil.7: Hareketli AGV aracı ve anten yerleşimi

İPUCU 6: Daha iyi bir Mobilite için Roaming Performansını Optimize Edin:

AP roaming geçiş süresini (hand-over time) milisaniye düzeyinde tutmak için gelişmiş bir “Roaming Teknolojisi” kullanılmalıdır. 802.11r gibi standartlar gelişmiş roaming teknolojisini desteklese de, çoğu kablosuz M2M üreticisi kendi tescilli roaming teknolojilerini destekleyen ürünler sağlar. Roaming performansını optimize etmek için, ürününüz tarafından desteklenen roaming teknolojisinin nasıl yapılandırılacağını anlamanız önemlidir.

 

 

Şekil.8: Roaming teknolojinizi öğrenin

Örneğin Moxa’nın Turbo Roaming teknolojisi, roaming threshold ve roaming difference parametrelerinin yapılandırılmasını gerektirir.

Roaming threshold: Dolaşım eşiği, kablosuz istemcinin hangi koşullarda yeni dolaşım adayları aramaya başlaması gerektiğini tanımlar. Bu parametrenin daha yüksek bir mutlak değere, örneğin -40 dB veya -35 dBm’e ayarlanması, mevcut bağlantı hala yeterince güçlü olsa bile, kablosuz istemcilerin yeni AP’leri aramaya başlamasına neden olur. Bu stratejinin dezavantajı, kablosuz bağlantının farklı AP’ler arasında gidip gelme eğiliminde olmasıdır.

Roaming difference: Dolaşım farkı, Roaming olayını tetikler. Bu sayının daha düşük bir değere ayarlanması, Roaming’i daha hassas hale getirir ve dolayısıyla geçiş süresinin azaltılmasına yardımcı olur.

Standard Roaming protokolleri

  • 11k
    • 11k protokolü, Client ve AP arasındaki sinyal ölçümlerini rapor etmekten sorumludur ve Clent’ın Roaming sırasında paket kaybını önlerken Wi-Fi ağı içinde AP’yi değiştirme (Roaming) amacına yardımcı olur.
    • Client ilk defa bir AP’ye bağlandığında, 80.11k uyarınca bir istek gönderir. Ve AP ona çevredeki AP’leri ve kanal listesini iletir. AP, tüm kanal listesini tüm beacon’lara iletir. Geçerli erişim noktasının sinyal gücü zayıfladığında Client bu listedeki hedef erişim noktalarını tarar. Böylece, Client tüm kanalları yani tüm frekans spectrum’unu taramak zorunda kalmaz. Örneğin 5GHz’de her bir kanalı taraması 200ms sürse 24 kanalı taraması 5 saniye sürerdi. Roaming yaptığı yeni AP’den yine her bir AP ve kanal listesini talep eder ve alır. Amaç, Client’ın roaming threshold değerine ulaştığında tüm spektrumu tarayıp vakit kaybetmesini önlemektir. AP’ler zaten background scanning ile bu tabloyu tutuyor olmalıdır.
  • 11r:
    • 11r, standard fast roaming teknolojisidir.
    • Yeni Erişim Noktası (AP) ile ilk el sıkışma, istemci Hızlı Geçiş (FT) olarak adlandırılan hedef AP’ye gitmeden önce gerçekleşir
    • İlk el sıkışma, istemcinin ve AP’lerin Eşli Ana Anahtar (PMK) hesaplamasını önceden yapmasına izin verir
    • FT anahtar hiyerarşisi, istemcilerin her AP’de yeniden kimlik doğrulamaya gerek kalmadan AP’ler arasında hızlı Baz İstasyonu Alt Sistemi (BSS) geçişleri yapmasına olanak tanır.
    • FT önceden paylaşılan anahtar (PSK) ve 802.1X kimlik doğrulama yöntemleriyle birlikte çalışır.
  • 11v:
    • 11v protokolü, istasyonu, o anda istasyona hizmet veren AP tarafından karar verilen başka bir erişim noktasına geçmeye zorlar.
    • 11v BSS geçiş Yönetimi (BSS-TM), 802.11 k ve 802.11e üzerine inşa edilmiştir ve bir Client’a roam olması için en iyi AP’yi anons eder.
    • İstemci, daha iyi bir AP seçeneği için Roaming’den önce 802.11v BSS Geçiş Yönetimi Sorgusu gönderebilir.
    • Bir AP çok yüklü ya da stüre ise, ilişkili bir istemciye bir 802.11v BSS Geçiş Yönetim İsteği gönderir.
    • Bir Client’dan alınan RSSI değeri, gereksinimi karşılamıyorsa, AP bu istemciye bir 802.11v BSS Geçiş Yönetimi İsteği gönderir.

İPUCU 7: Endüstriyel Protokol Uyumluluğuyla İlgili Sorunların Üstesinden Gelin:

Uzun ve tanınmış bir geçmişe sahip olan fabrika tabanlı otomasyon mühendisliği, kablolu seri ağlar üzerinden çalışan “PROFINET ve Modbus” gibi özel amaçlı protokollerden yararlanmıştır. Öte yandan, IT mühendisliği, öncelikle paylaşımlı kablolu ve kablosuz ethernet ağları üzerinden çalışan daha yeni bir disiplindir. Otomasyon mühendisleri her zaman verileri (örneğin, sensörlerden veri okuma ve kontrol sinyalleri) gerçek zamanlı olarak iletmek zorunda kaldıkları halde, IT mühendisleri bu sınırlamalara  tabi değildi, bunun yerine birçok kullanıcıya büyük miktarda merkezi veriye erişim sağlamaya odaklanmışlardı.

 

 

Artık fabrika otomasyon mühendisleri, IT tipi ağların avantajlarını elde etti, yani tüm cihazlarına merkezi bir konumdan erişebiliyor ve cihazları ağa bağlayarak operasyonlarını IT tipi s

802.11 AP / Client iletişim protokolü, akıllı telefonlar gibi kablosuz istemcilerin ağın uç noktaları olduğu varsayımıyla tasarlanmıştır. Bu nedenle, bu amaç için kablosuz bir paket içinde yalnızca sınırlı sayıda adres ayrılmıştır. PLC ünitesi bir clientmode AP üzerinden kablosuz ağa veri gönderirken kendi MAC adresi ile ağa kendini gösteremediğinde, standart 802.11 protokolü endüstriyel protokol verilerini iletemez. Çünkü Client mode AP, kendisine kablo ile bağlı PLC’yi Wireless ağa çıkartırken MAC adresini değiştirecektir. Moxa MAC Clone teknolojisi ile bu 2. katman Ethernet iletişim sınırlamasını çözer. MAC Clone teknolojisi,  PLC vs gibi cihazların MAC adresinin kablosuz bağlantılar boyunca şeffaf olmasını sağlayarak PROFINET gibi katman-2 tabanlı otomasyon protokolleri için kablosuz iletişimi mümkün kılar.