Einführung in Funknetzwerke [Whitepaper]

3. Dezember 2008 

Jeder kennt hochgradig vernetzte Funknetzwerke, wie zum Beispiel Mobilfunknetze, aber Bedenken im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, Leistung und Sicherheit haben bis jetzt verhindert, dass diese zentrale Netzwerktechnologie in den allgemeinen Handel gelangt ist. Stattdessen basiert die jetzige Generation der Funkprodukte, die in der Automation verwendet werden, normalerweise auf einfachen Sender-Empfänger-Paaren, die keine fortschrittliche Vernetzung bieten.

Um Funkprodukte maximal zu nutzen, müssen Automations- und Prozessingenieure und Führungskräfte wissen, wie diese Produkte zusammen funktionieren, sprich: sich vernetzen. 

Dieses Whitepaper beschreibt die allgemeinen Grundlagen der Netzwerktechnik:

• Grundbausteine von Netzwerken
• Gängige Netzwerktopologien
• Netzwerkkonfiguration

Alle Netzwerke werden aus bestimmten Grundbausteinen gebaut. In den letzten 20 Jahren haben Netzwerktechniker mit diesen Grundbausteinen von Netzwerken einen anhaltenden Strom von immer zuverlässigeren, schnelleren, energieeffizienteren Produkten geschaffen, die uns in vielen Aspekten des täglichen Lebens begegnen.

Die folgenden Bausteine werden in Funksensornetzwerken verwendet.

Der Teilnehmer ist der grundlegendste Baustein in einem Netzwerk. Technisch gesehen ist jedes Gerät in dem Netzwerk ein Teilnehmer, aber im Funksensornetzwerk versteht man unter einem Teilnehmer ein Funknetzwerkgerät, das einen oder mehrere Sensoren und/oder Auslöser und ein einziges Funkgerät enthält. Jedes Funkgerät im Netzwerk stellt einen einzelnen Teilnehmer dar, auch wenn ein Funkgerät mehrere Sensoren enthält.

Ein Repeater ermöglicht die Übertragung von Funksignalen über größere Entfernungen. Er empfängt das Signal, verstärkt es und wiederholt es dann auf der Senderseite des Funkgeräts.

Ein Router fungiert als Verteiler zwischen mindestens zwei ähnlichen Netzwerken, um die Übertragung von Informationen zwischen ihnen zu ermöglichen.

Ein Gateway ist ein Teilnehmer, der eine Schnittstelle mit einem anderen Netzwerk bildet, das ein anderes Protokoll verwendet. Es übersetzt die Informationen in einer Form, die das andere Netzwerk verstehen kann. Da die meisten Gateways auch Routingfunktionen enthalten, können Sie sich ein Gateway vorstellen wie zwei Router, die Rücken an Rücken stehen und zu ihren jeweiligen Netzwerken in verschiedenen Sprachen sprechen.

In einer Netzwerkdiskussion bezieht sich der Begriff "Topologie" auf die Art und Weise, wie die Teilnehmer in einem Netzwerk verbunden sind.

Punkt zu Punkt - Die einfachste Form des Netzwerks wird als Punkt-zu-Punkt-Topologie bezeichnet. Wie der Name schon sagt, sind in diesem Netzwerk zwei Geräte miteinander verbunden.

Bus - In einem Bus-Netzwerk sind die Teilnehmer über einen gemeinsamen Kommunikationsweg (als "Bus" bezeichnet) verbunden. In einem Bus-Netzwerk sind die beiden häufigsten Methoden für die Entscheidung darüber, welcher Teilnehmer in einem bestimmten Moment Daten senden kann, Master/Slave und Carrier Sense, Multiple Access (CSMA):

• Bei der Master/Slave-Methode ist ein Gerät auf dem Bus der Master; dieses kontaktiert regelmäßig die anderen Geräte (die Slaves) bzw. fragt diese ab. Modbus ist das bevorzugte Master/Slave-Bus-Netzwerkprotokoll für Netzwerke, die in großen Gebieten bereitgestellt oder mit einem bestehenden verdrahteten Netzwerk verbunden werden.
• In der CMSA-Bus-Struktur werden die Geräte im Netzwerk in jedem Timing-Zyklus (gelegentlich als "Epoche" bezeichnet) aktiviert, erfassen, ob sie eine Nachricht an das Netzwerk senden können, und falls ja, senden sie ihre Nachricht.

Mehrpunkt zu Punkt - Wenn viele Geräte mit einem einzelnen Punkt verbunden sind - beispielsweise, wenn mehrere Teilnehmer mit einem einzigen Gateway verbunden sind - wird dies als Mehrpunkt-zu-Punkt-Topologie bezeichnet. Wegen seiner Form wird dieses Netzwerk auch als Speichenarchitektur-Netzwerk oder als Sterntopologie bezeichnet. Ein Vorteil bei einer Sterntopologie besteht darin, dass jeder Teilnehmer auf seinem eigenen Kommunikationsweg mit dem Gateway verbunden ist. Wenn die Kommunikation zwischen einem Teilnehmer und dem Mastergerät fehlschlägt, bleibt das übrige Netzwerk davon unberührt.

Baum - Durch Hinzufügen eines Repeaters zu der sternförmigen Grundarchitektur entsteht eine Baum-Topologie. Auf der untersten Ebene befinden sich die Teilnehmer, auch als "Blätter" bezeichnet. Ihre einzige Funktion ist es, Informationen an die nächsthöhere Ebene zu übermitteln. Die Geräte der mittleren Ebene sind die Repeater, und die Baumkrone ist das Gateway. Fällt in dieser Struktur ein Repeater aus, so wird die Verbindung zwischen den Teilnehmern und ihrem Gateway unterbrochen. 

Vermascht - Für eine höhere Zuverlässigkeit haben Netzwerkdesigner eine Architektur entwickelt, die als "vermascht" bezeichnet wird. In einem echten vermaschten Netzwerk verfügt jeder Teilnehmer über begrenzte Routingfähigkeiten und unterhält eine Netzwerkverbindung mit mindestens zwei weiteren Teilnehmern. Wird eine Verbindung unterbrochen, steht den Informationen ein alternativer Weg zum Gateway zur Verfügung. Das Gateway könnte in diesem Fall jeder andere Teilnehmer im Netzwerk sein.

Für den Empfang von Nachrichten braucht jeder Teilnehmer in einem Netzwerk eine eindeutige Adresse. Die Adresse wird beim Erstellen des Netzwerks definiert - d. h., wenn die Funkverbindungen zwischen Teilnehmern, Repeatern und Gateways erstellt werden.

Ein Funksensornetzwerk erfordert kein so komplexes, dynamisches Adressenschema wie das Internet. Stattdessen kann es ein einfaches statisches Adressenschema verwenden, das auf zwei einfach zugänglichen Drehschaltern basiert:

• Der linke Drehschalter legt die Netzwerk-ID fest; diese ist die Adresse der obersten Ebene. Damit wird das Funkwechselmuster festgelegt, das alle Teilnehmer auf der spezifischen Netzwerk-ID verwenden, um mit dem Gateway zu kommunizieren. Sechzehn Netzwerk-IDs sind möglich, von 0 bis 15.
• Der rechte Drehschalter legt eine Geräteadresse für den Teilnehmer fest. Diese kann einen Wert von 0 bis 15 haben.

Ein Netzwerk mit zwei Drehschaltern unterstützt 256 eindeutige Adressen. Dabei handelt es sich um die möglichen Kombinationen von 16 Netzwerk-IDs und 16 Geräteadressen.

Vor der Installation eines Funknetzwerks wird bei einer Standortaufnahme bestätigt, ob alle Komponenten in dem Bereich kommunizieren können, in dem sie angesiedelt werden. Dieser Prozess kann zwar kompliziert und kostspielig sein, aber die Funknetzwerkgeräte können so gebaut werden, dass ein Standortaufnahme-Tool integriert wird. Wenn der Benutzer verlangt, dass ein Gateway eine Standortaufnahme mit einem bestimmten Teilnehmer initiieren soll, führt das Tool alle Tests automatisch durch.

Die zwischen den Adressen in einem Funknetzwerk übermittelten Informationen sind in einem formatierten Block enthalten, der als Paket bezeichnet wird. Dieser besteht aus drei Elementen: der Kopfzeile, welche zum Beispiel die Adresse enthält, an die das Paket gesendet wird, und die Art der Informationen, die gesendet werden; die Nutzlast, d. h. die Daten selbst; und eine Fußzeile, die das Ende des Pakets anzeigt.

Für die zuverlässige Übermittlung dieser Nachricht regeln effiziente Netzwerke die Kommunikation zwischen Geräten. Im Allgemeinen unterstützen die meisten Netzwerke das Master/Slave-Konzept. Bei diesem Konzept ist jederzeit ein Gerät im Netzwerk der Master, der das Netzwerk steuert, und die übrigen Geräte sind die Slaves, die darauf antworten. Ein Gateway kann der Master sein, und alle Teilnehmer können Slaves sein. Ist das Gateway hingegen über einen vernetzten Computer angeschlossen, so kann der Computer der Master sein.

Wie das Netzwerk für den Empfang von Nachrichten konfiguriert wird, wirkt sich auf die Leistung des Systems aus. Um die Möglichkeiten eines Funksystems genau zu verstehen, ist es wichtig, sich klar zu machen, welche Nachrichtentypen das Netzwerk unterstützt.

• Abfragegesteuert. Der Master fragt die Slaves ab, um zu ermitteln, ob diese Nachrichten über das Netzwerk versenden möchten. Hat ein Slave eine Nachricht, dann generiert er ein Paket für eine spezifische Adresse und sendet diese Informationen über das Netzwerk, wenn er vom Master angefunkt wird. Auf diese Weise steuert der Master den Zugriff auf das Netzwerk und sorgt dafür, dass jeder Teilnehmer ein spezifisches Intervall hat, in dem er seine Nachricht kommuniziert.
• Zyklisch. Der Slave generiert regelmäßig eine Nachricht an den Master auf der Grundlage spezifischer Parametereinstellungen, wie zum Beispiel "Temperatur alle drei Minuten senden". Der Slave wacht aus dem Ruhezustand auf, erfasst die Temperaturmessung, schaltet sein Funkgerät ein, hört das Netzwerk auf erkennbaren Datenverkehr ab, und falls kein Datenverkehr vorhanden ist, stellt er ein Paket zusammen und sendet es über den Sender.
• Ereignisgesteuert. Ein Ereignis - wie zum Beispiel eine zu hohe Temperatur oder ein niedriger Batteriestand - löst eine Meldung aus. In dieser Situation braucht der Teilnehmer in der Regel schnellen Zugriff auf das Netzwerk, damit er den Master benachrichtigen kann.

Das SureCross™ Funkprodukt von Banner Engineering enthält die Funktionalität der vier Grundbausteine von Netzwerken in zwei verschiedenen Hardwarepaketen: Teilnehmer und Gateway. Der Teilnehmer kann sich mit bis zu vier verschiedenen Sensoren und/oder Auslösern verbinden. Das Gateway führt Routingfunktionen durch und kann entweder als Repeater oder als Gateway für ein Modbus-Netzwerk konfiguriert werden.

SureCross ist so ausgelegt, dass die Netzwerkverbindung sowohl zuverlässig als auch einfach ist:

• SureCross verwendet die Sterntopologie-Architektur. Dadurch können die Teilnehmer Informationen nur an das Gateway übermitteln und unnötiger Funkdatenverkehr wird so reduziert. Jedes Banner-Gateway, das als Hub dient, kann bis zu 16 Teilnehmer unterstützen, und jeder Teilnehmer kann mehrere Sensoren unterstützen.
• SureCross-Adressen werden mit zwei Drehschaltern konfiguriert, die bis zu 256 eindeutige Adressen unterstützen.
• Durch die Konfiguration der SureCross-Gateways für die Verwendung von verschiedenen Kanälen können bis zu 16 verschiedene Hub/Spoke-Netzwerke denselben Funkraum belegen.
• Um die Sicherheit zu gewährleisten, kann der Benutzer Sensoren auf Teilnehmern konfigurieren, die eine bestimmte Aktion ausführen sollen (z. B. ein Ventil schließen), wenn die Funkverbindung zu den Repeatern für einen voreingestellten Zeitraum unterbrochen wird.
• Jeder SureCross-Teilnehmer und jedes SureCross-Gateway von Banner enthält ein eingebautes Standortaufnahme-Tool, und auf dem LCD des Gateways werden die Ergebnisse angezeigt.
• Das SureCross-Gateway unterstützt drei Ausgangsmodi: seriell, Ethernet und Modbus.