WiFi in ambito industriale: dalle possibilità odierne al futuro prossimo

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La famiglia di protocolli Ieee 802.11, più comunemente conosciuta come WiFi, ha portato negli ultimi 10 anni a una rivoluzione nel mondo delle comunicazioni wireless consumer a medio raggio.

Oggi in ambito industriale esistono diversi prodotti basati su questi standard. L’applicazione più diffusa in questo settore è quella del cable-replacement per applicazioni senza requisiti di latenza e in cui la perdita di un messaggio non risulti critica. Solo in pochi casi il WiFi viene utilizzato per applicazioni diverse. Tendenzialmente queste ultime soluzioni sono proprietarie e non interoperabili.

Il protocollo di accesso al mezzo utilizzato da WiFi è chiamato Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) e ha il grosso vantaggio di rendere molto semplici e robuste le operazioni di invio dei dati. Questo però non permette di avere nessuna assicurazione sul tempo di trasmissione dei pacchetti. Inoltre, le regole utilizzate per coordinare le trasmissioni fanno sì che, più il mezzo è congestionato, più alto sarà il tempo di accesso al canale. La congestione del canale aumenta inoltre con l’aumentare dei dati trasmessi, e soprattutto con l’aumentare dei nodi (in quanto ci sono più stazioni che competono per la trasmissione).

Tradizionalmente, negli ambienti industriali c’è una certa diffidenza verso le soluzioni wireless che vengono spesso scartate perché sembrano non garantire un’affidabilità di comunicazione paragonabile a quella dei cavi. Ciò nonostante la possibilità di costruire nuove macchine e realizzare nuove tipologie di soluzioni, grazie all’assenza di cavi, le rende molto interessanti. Una spinta ulteriore verso l’utilizzo del wireless è dato dalla diffusione dei sistemi Ethernet che trovano la loro naturale estensione verso il WiFi. Nell’ottica di fornire soluzioni di automazione miste cablate e wireless che utilizzino la tecnologia Ethernet, i produttori offrono sistemi molto conservativi. Per esempio le reti wireless proposte sono di tipo infrastrutturato con Access Point, topologia rigorosamente a stella e tempi di aggiornamento della rete nell’ordine delle decine dei millisecondi. Alcuni propongono anche soluzioni cluster di stelle dove gli access point sono collegati tra loro tramite reti cablate con protocolli proprietari e si tenta poi di ridurre il tempo di roaming (passaggio di un nodo da una cella all’altra). Infine non sono generalmente contemplate soluzioni ridondati con client associati a più di un Access Point. Nel tentativo di aumentare l’affidabilità, le trasmissioni vengono spesso ‘confinate’ in uno spazio specifico utilizzando antenne direzionali o cavi coassiali fessurati; l’ovvio vantaggio di riduzione delle interferenze e aumento della densità di celle si scontra però con la limitazione nella libertà di movimento dei nodi che sono costretti a seguire percorsi specifici. Inoltre il costo di tali realizzazioni è più alto rispetto all’utilizzo di antenne omnidirezionali.

In conclusione, si può affermare che, rispetto alle soluzioni cablate, le soluzioni wireless industriali attuali sono inferiori dal punto di vista delle prestazioni e molto rigide dal punto di vista topologico. Soluzioni wireless innovative, che superassero i vincoli posti dalle architetture a stella e che garantissero l’aggiornamento di un numero di nodi elevato in tempi brevi, sarebbero sicuramente accolte in modo favorevole dal mercato dell’automazione industriale.

Una possibilità per migliorare la trasmissione di dati su WiFi è quella di utilizzare lo standard 802.11e ovvero quello che definisce per il WiFi le estensioni inerenti la Qualità del Servizio. Dall’esperienza degli autori, il miglioramento portato da questo standard è misurabile, ma non cambia le prestazioni in maniera sostanziale (è infatti basato su un approccio alla qualità del servizio di tipo statistico e non deterministico). Inoltre una soluzione di questo tipo rimane legata a una topologia a stella, non prevede soluzioni intelligenti per la ridondanza e non va a risolvere il problema della mobilità dei nodi.

Per superare questi limiti è necessario cambiare approccio sia per quanto riguarda l’accesso al mezzo (che deve essere basato sulla divisione di tempo) sia per la gestione topologica che non può più essere a stella (non gestisco ridondanza e mobilità) ma deve essere basata su un approccio distribuito. Rimane inoltre da considerare il problema dell’hidden terminal (due nodi che trasmetto a un terzo non sono in visibilità tra loro e mettono in crisi le regole di funzionamento del CSMA/CA) che è spesso poco considerato sia negli studi teorici che in quelli pratici.

MS-Aloha, una soluzione TDMA compatibile con WiFi
MS-Aloha [1] (www.ms-aloha.eu) è un protocollo per comunicazioni veicolari completamente distribuito, scalabile e compatibile con il livello fisico definito dagli standard IEEE 802.11. Anche in questo tipo di applicazioni, la latenza è un requisito critico (si pensi, ad esempio, ad un segnale che deve comunicare l’arresto improvviso di un veicolo) che deve essere preso in considerazione.

Figura 1: Un esempio di applicazione delle reti veicolari

In particolare MS-Aloha, prevede un continuo scambio di informazioni tra i nodi che compongono la rete. Grazie a questa caratteristica ogni nodo è in grado di conoscere le condizioni del canale (es. allocazione degli slot nel frame), fino a 3-hop di distanza (ovvero anche per nodi che non si sentono direttamente). In questo modo, soprattutto nel caso di reti mobili (la cui topologia può cambiare rapidamente), si evitano le collisioni dovute all’assegnazione dello stesso slot a più nodi e si riesce a risolvere il problema dell’hidden terminal. L’overhead aggiuntivo introdotto dal protocollo non influisce sulle prestazioni offerte dall’algoritmo [2] in termini di delay o probabilità di corretta ricezione.

MS-Aloha supporta in maniera nativa la qualità di servizio con distinzione tra flussi diversi e meccanismi di pre-emption. Tali caratteristiche non prevedono l’aggiunta o il supporto di ulteriori segnalazioni. Nel caso di esaurimento degli slot (es. rete congestionata), flussi a priorità più alta possono prenotare e occupare slot già in uso da flussi a priorità minore. In questo modo si evita che i nodi siano bloccati e non riescano ad accedere al canale di comunicazione. È stato dimostrato [3] come, grazie a questo algoritmo, si riescano a gestire oltre 900 nodi wireless in un ambiente urbano (750 x 750 m) con ottime prestazioni.

Alcune delle problematiche affrontate per la creazione di questo protocollo sono le stesse non risolte, a oggi, nell’ambito automazione. Questo lavoro ha quindi cercato di studiare l’applicabilità di MS-Aloha a uno scenario industriale che andasse oltre le prestazioni oggi ottenibili con componenti commerciali. Lo scenario mostrato in figura 2 prevede l’interrogazione di N nodi (richiesta e risposta) in un tempo di ciclo di aggiornamento pari a Tc. Lo scenario è stato impostato con le seguenti configurazioni (N=16 nodi e Tc=2ms) ed è stato effettuato un confronto simulativo tra MS-Aloha e CSMA/CA.

Figura 2: Lo scenario analizzato tramite simulazione

Le figure 3 a e 3 b mostrano i risultati delle simulazioni sia con tutti i nodi in visibilità, sia nel caso in cui tutti i nodi siano nella situazione di ‘hidden terminal’. Come si vede in figura 3a le prestazioni di CSMA/CA sono in media di un ordine di grandezza peggiori rispetto all’obiettivo di interrogare tutti i nodi in Tc=2ms.

Figura 3a: Tutti i nodi in visibilità

Figura 3b: Tutti i nodi in situazione ‘hidden terminal’

L’approccio TDMA ottiene, per sua costruzione, dei risultati migliori di CSMA/CA (in scenari critici come quello analizzato). Le simulazioni hanno dimostrato, che il coordinamento distribuito delle trasmissioni di MS-Aloha funziona bene e non provoca situazioni di cattiva gestione delle risorse, portando lo scenario al raggiungimento del target prefissato. Quando i nodi sono tutti in situazione di ‘hidden terminal’ (figura 3b) MS-Aloha continua a funzionare normalmente mentre CSMA/CA soffre maggiormente.

Questo risultati sono incoraggianti e lasciano spazio a successive analisi che affrontino il problema della ridondanza (non ho più una topologia a stella) e della mobilità avanzata dei nodi.

Bibliografia
[1] R. Scopigno e H. A. Cozzetti, «Mobile Slotted Aloha for Vanets,» in Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2009-Fall), 2009 IEEE 70th, 2009.

[2] H. A. Cozzetti e R. Scopigno, «Evaluation of Time-Space Efficiency in CSMA/CA and Slotted Vanets,» in IEEE 71th Vehicular Technology Conference- (VTC Fall 2010), 2010.

[3] H. A. Cozzetti e R. Scopigno, «Scalability and QoS in Slotted VANETs: Forced Slot Re-Use vs Pre-emption,» in The 14th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems – (ITSC 2011), 2011.

Note
Questo lavoro è parzialmente finanziato all’interno del progetto Faros “Framework Automazione Real-time Open Source” (Regione Piemonte - Polo della Meccatronica)
Questo lavoro è parzialmente finanziato all’interno del progetto PRIN2009 “Reti ibride di nuova generazione per applicazioni di misura ed automazione industriale – Caratterizzazione e misure di prestazioni wired/wireless” del MIUR

Istituto Superiore Mario Boella
www.ismb.it/

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