Tecniche di ridondanza nelle WLAN per ambienti industriali

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La LAN Wireless è divenuta uno dei principali strumenti per molte applicazioni di comunicazione nell’industria. La WLAN rappresenta un’eccellente soluzione dovunque l’utilizzo di cavi sia pesante, inaffidabile (usura e lacerazioni), costoso o semplicemente impossibile come per parti e veicoli in movimento. Inoltre, l’utilizzo di wireless in fabbrica permette un approccio completamente nuovo nella pianificazione e nell’esecuzione di processi industriali (Industria 4.0). I continui progressi tecnici e la più diffusa accettazione delle soluzioni wireless negli ultimi anni stanno dando vita a scenari applicativi sempre più audaci e sofisticati. Ciononostante, l’affidabilità e la qualità del servizio delle connessioni wireless in particolare pone problemi per applicazioni con requisiti tassativi in termini di affidabilità e latenza.

La tecnologia raggiunge i suoi limiti specialmente quando devono essere eseguite applicazioni con forte criticità di sicurezza su connessioni wireless come il cosiddetto “black channel” o quando sia richiesto un alto livello di affidabilità in presenza di condizioni avverse.

Tra gli esempi di queste applicazioni critiche vi sono i sistemi video che svolgono compiti importanti, come il monitoraggio all’interno di funivie e treni o il controllo di flussi produttivi, poiché esse sono sensibili a interruzioni, ritardi o perdite di pacchetti dati. Queste interruzioni di rete possono rapidamente condurre a problemi seri (es. transizione del sistema ad uno stato di sicurezza vulnerabile e quindi all’arresto) e, di conseguenza, ad elevati costi di ripristino.

Il Protocollo di Ridondanza Parallelo – Creare ridondanza raddoppiando i pacchetti

Nelle reti Ethernet industriali cablate sono state adottate tecniche di ridondanza per fare sì che la rete possa continuare ad operare senza intoppi anche in caso di cadute di singole connessioni. Queste tecniche di ridondanza possono essere utilizzate anche in reti wireless per migliorare significativamente l’affidabilità e la robustezza delle connessioni.

Il Protocollo di Ridondanza Parallelo standardizzato, PRP in breve, in base a IEC62439 viene utilizzato in misura crescente in ambienti cablati per permettere una ridondanza continua o lo switching senza interruzioni o ritardi in caso di caduta in un tratto o in un dispositivo di rete. Per ottenere ciò, i pacchetti vengono duplicati e trasmessi in parallelo attraverso due diversi percorsi di rete. Prima che i pacchetti duplicati siano consegnati oltre questi percorsi di rete, i flussi paralleli vengono fusi e i pacchetti duplicati rimossi. Se si perde un singolo pacchetto, si utilizzano i pacchetti presenti sull’altro percorso. L’applicazione che si basa su questa rete può quindi continuare a funzionare senza cadute, anche in presenza di seri disturbi (Le Figure 1 e 2 mostrano il funzionamento del PRP).

Figura 1. PRP in una rete affidabile: due percorsi ridondanti vengono utilizzati simultaneamente. Pacchetti duplicati al punto 5; i duplicati vengono scartati al punto 1.

Figura 2. PRP in una rete mission-critical: I pacchetti del secondo percorso di rete vengono utilizzati senza che si verifichino tempi di commutazione

Il PRP può anche essere usato in ambienti wireless, ma l’impatto si manifesta in modo completamente differente rispetto allo scenario cablato, pur utilizzando lo stesso principio. Questo accade perché la ridondanza parallela consente di compensare disturbi di piccola scala (es. interferenze) insiti in una rete wireless. Quando il PRP trasmette simultaneamente pacchetti su due differenti percorsi di trasmissione wireless (Figura 3), gli effetti di perdite di singoli pacchetti su un determinato percorso possono essere eliminati; un difetto di trasmissione on un errore in ricezione su un percorso diviene rilevabile soltanto se entrambi i percorsi subiscono simultaneamente una caduta dello stesso identico pacchetto. In altre parole, perdite di pacchetti non correlate non vengono rilevate dalle applicazioni che utilizzano le tecniche PRP.

Figura 3. PRP su due percorsi di trasmissione WLAN: La trasmissione ridondante compensa le perdite di pacchetti e controbilancia differenze nel tempo di transito legate al carico e alle interferenze.

Benché i meccanismi usati dal PRP siano gli stessi sia in scenari wireless che cablati (duplicazione ed eliminazione di pacchetti), l’effetto che si ottiene ha un impatto maggiore per il wireless.

Il suo uso in uno scenario wireless offre immediatamente una serie di diversi vantaggi:
a) Compensazione di singole perdite di pacchetti in caso di disturbi temporanei, come interferenze causate da altri sistemi a radiofrequenze, aumentando sensibilmente l’affidabilità.
b) Ridotta latenza, poiché viene sempre inoltrato il più veloce dei due pacchetti duplicati.
c) Ridotte fluttuazioni nel tempo di transito (jitter), poiché, come con b), i lunghi ritardi, causati da un dispositivo occupato o dalla ritrasmissione di un livello di rete, vengono ridotti e le fluttuazioni compaiono soltanto se entrambi i pacchetti giungono in ritardo.

Vantaggi pratici

I vantaggi dell’impiego di PRP basato su standard possono esser dimostrati utilizzando un semplice esempio:
Supponendo un tasso di perdite identico per entrambi i percorsi e approssimativamente dello 0.1%, il tasso per il sistema PRP nel suo complesso sarebbe appena dello 0.0001% (0.0001 x 0.0001 = 0.000001) – un miglioramento dell’ordine di 1000 volte.
Tuttavia, questo calcolo presuppone che le perdite siano distribuite in modo omogeneo e non siano correlate, ossia che esse non siano dovute a un’unica causa. Per ottenere questo risultato anche nella pratica, è necessario escludere fattori di influenza che abbiano un impatto uguale su ambedue i canali radio. Entrambi i percorsi possono essere gestiti in diverse bande di frequenza o, comunque in modo tale che essi non siano contemporaneamente disturbati da trasmissioni radio in concorrenza o da altri fattori ambientali. Inoltre, devono anche essere minimizzati altri elementi che possano causare perdite correlate e ridurre l’uniformità della loro distribuzione. Per esempio, il sovraccarico permanente di una connessione può causare la caduta di sequenze di pacchetti, e determinare un innalzamento dei valori di perdite nella connessione stessa, peggiorando quindi significativamente il tasso combinato risultante. Questi decisi miglioramenti sono raggiungibili anche nella realtà. In alcuni test pratici, la perdita percepibile di pacchetti nell’applicazione che utilizzava il PRP si è ridotta dallo 0,105% e 0,101% delle singole connessioni allo 0,00021% utilizzando una connessione parallela ridondante con PRP– un miglioramento di circa 500 volte.

Un altro effetto positivo dell’uso del PRP è il fatto che la latenza e le differenze nel tempo di transito, il jitter, decrescono significativamente in tutta la rete. Nell’esempio di cui sopra, si può osservare nella pratica una riduzione nella latenza media da 3,1 ms o 2,8 ms a 1,7 ms. Il valore di jitter, analogamente, cade da 0,45 ms a 0,23 ms.
La ragione di questi miglioramenti nelle misurazioni è che con il PRP viene sempre inoltrato il pacchetto più veloce tra i due trasmessi. I pacchetti con lunghi tempi di trasmissione, tipici delle WLAN, a causa della condivisione del mezzo di trasmissione e dell’accesso non deterministico al canale, possono essere in gran parte eliminati. Di conseguenza, il PRP migliora tre dei principali indicatori di qualità di una rete: il tasso di perdita, il jitter e il tempo di trasmissione.

Topologie e applicazioni

Benché il PRP rappresenti un miglioramento significativo nella protezione ridondante di singoli percorsi di trasmissione, come delineato più sopra, il fatto che esso non debba essere limitato alla trasmissione wireless, rende ancora più evidente la flessibilità di questa soluzione standardizzata, quando si parla di strutture di rete complesse. Anche se le soluzioni di ridondanza WLAN proprietarie offrono anch’esse miglioramenti nelle prestazioni di trasmissione, questi sono sempre limitati ad un singolo percorso di trasmissione. Il PRP nell’altra banda permette di realizzare scenari più complessi con connessioni radio e Ethernet, come pure con applicazioni mobili con dispositivi PRP in roaming. La Figura 4 illustra uno scenario in cui viene utilizzato il PRP su percorsi cablati e wireless. Il percorso di trasmissione wireless può quindi essere usato come connessione di backup priva di commutazione (switchover) per il percorso cablato, per applicazioni con vincoli restrittivi (es. parti in movimento o alte temperature). Combinazioni di questo genere non sono possibili se si utilizzano soluzioni di ridondanza WLAN proprietarie.

Figura 4. Il PRP permette di usare sia collegamenti cablati che wireless come percorsi ridondanti, permettendo quindi una ampia serie di topologie di rete. Qui viene mostrato un percorso cablato con un percorso wireless di backup.

La Figura 5 mostra l’uso del PRP in uno scenario mobile: un client con doppia radiotrasmissione (es. su un mezzo o un treno in movimento) viaggia su un percorso con moltiplici access point. Il client può gestire due connessioni contemporaneamente, quindi il percorso può essere protetto con il PRP.

Il client può anche aprire le connessioni ridondanti con diversi access point lungo la strada e passare da un access point all’altro, mantenendo una delle due connessioni PRP sempre attiva in qualunque momento. Inoltre, la qualità della connessione che ne risulta sarà sempre altrettanto buona o maggiore, rispetto alla migliore singola connessione, indipendentemente dagli effetti della mobilità (es., cattivo rapporto segnale/rumore o attenuazione) poiché l’algoritmo del PRP sceglie automaticamente il pacchetto con il migliore collegamento. Questo permette di evitare interruzioni nel roaming e il deterioramento del servizio, senza commutazioni. Il fatto più importante in questo scenario è, ancora una volta, che il PRP non è limitato al canale wireless, poiché sono presenti diverse connessioni WLAN su diversi access point, connessi alla rete con modalità diverse. Devono essere eliminati i pacchetti duplicati in un punto centrale della rete e questo è possibile soltanto utilizzando un metodo standardizzato e indipendente dalla WLAN.

Figura 5.Il PRP in una WLAN che comprende diversi access point e un client. L’eliminazione avviene in un punto centrale con uno switch abilitato PRP.

Belden e Hirschmann offrono una gamma completa di dispositivi in grado di gestire il PRP attraverso la famiglia di switch RSP, che permettono di realizzare le soluzioni descritte in precedenza. Inoltre, con la sua serie OpenBAT, Hirschmann offre lo standard IEEE 802.11n industriale, access point con doppia radio e client idonei per utilizzo in automazione, trasporti e in esterni. Questi prodotti supporteranno il PRP nelle prossime release del firmware OpenBAT (HiLCOS 8.90), che sarà disponibile all’inizio del terzo trimestre 2014.

Conclusioni

Come soluzione di ridondanza standardizzata, il PRP ha le caratteristiche ideali per migliorare drasticamente l’affidabilità e la qualità del servizio nelle connessioni wireless. Inoltre, il PRP permette di proteggere una varietà di topologie di rete, comprendenti connessioni cablate e wireless. Ne risulta la possibilità di gestire applicazioni soggette a perdita e latenza di segnale attraverso connessioni wireless.

Tobias Heer, responsabile sviluppo di software embedded presso Hirschmann Automation and Control GmbH

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