Вдохновившись интересом к моему посту по проводным промышленным сетям, хочу продолжить свои изыскания и рассказать о беспроводных технологиях. Существует множество сценариев беспроводных подключений, где самые распространённые технологии – Wi-Fi и LTE не вполне справляются. В этих случаях стоит обратиться к проприетарным беспроводным технологиям. Одним из таких решений под названием Ultra-Reliable Wireless Backhaul недавно обзавелась компания Cisco. Предлагаю в нем разобраться, посмотреть где такие решения применяются – вместо или вместе с стандартными технологиями, и как там устроена передача данных.

Для чего это нужно?

Решение Cisco Ultra-Reliable Wireless Backhaul выросло из продуктов приобретённого компанией Cisco производителя FluidMesh. Оно призвано обеспечить высокоскоростную беспроводную передачу данных на большие расстояния на стационарных и движущихся объектах.
Несмотря на наличие в названии слова Wireless, важно не путать его с привычным Wi-Fi. В сетях Wi-Fi у нас есть точки доступа и стандартизованные клиентские устройства – ноутбуки, смартфоны, планшеты. Бывает, что вместо клиентского устройства подключается ещё одна точка доступа – получается Wi-Fi-мост, из мостов можно составить Mesh-сеть, но это не совсем то, для чего Wi-Fi придуман и не то, где он проявляет себя лучше всего.

В случае с Ultra-Reliable Wireless Backhaul клиентских устройств у нас нет. Есть только устройства, которые умеют принимать и передавать данные по специальной проприетарной технологии. Для того, чтобы подключить клиентское устройство, необходимо использовать Ethernet-коммутатор и/или точку доступа Wi-Fi, подключив их к устройству Ultra-Reliable Wireless Backhaul кабелем.

Проще всего представить, что нам нужно соединить некие локации высокоскоростным кабелем, но протягивать его дорого, сложно или, в случае с подвижными объектами, невозможно. Поэтому мы ставим приёмопередатчики и делаем этот «кабель» беспроводным. Получается опорная сеть, в англоязычной терминологии — Wireless Backhaul.

Примеры использования

Стационарное соединение «точка-точка»

Самый простой пример всё тот же: вам нужно подключить новое здание на территории, скажем, завода к общей сети, а оптику туда прокладывать дорого и долго. Мост, построенный на оборудовании Cisco, позволит быстро и дёшево обеспечить подключение до 500Мбит/с. Если необходимо, можно поставить две пары устройств и получить 1Гбит/с.

Точно также решается задача подключения к сети строительных площадок. Здесь протягивать оптику смысла, как правило, вообще нет, в том числе и потому, что её скорее всего порвут.

Стационарное соединение «точка-многоточка»

Здесь хороший пример – подключение камер видеонаблюдения на территории вокруг основного здания – управления завода, торгового центра и т.п. Камеры чаще всего устанавливаются на фонарные столбы, где электропитание уже подведено ради самих фонарей, а вот с подведением Ethernet-кабеля возникает вопрос. Чтобы этого избежать – можно ставить вместе с камерами простейшие устройства Ultra-Reliable Wireless Backhaul и с каждого столба передавать данные на устройства, установленные на здание.

Транспортные средства и другие мобильные объекты

Особенности технологии Cisco Unified Wireless Backhaul, о которых пойдёт речь чуть ниже, позволяют обеспечивать очень высокое качество связи с подвижными объектами.

— На предприятиях, добывающих полезные ископаемые открытым способом с её помощью организуется связь для сбора данных телеметрии и местоположения с карьерной техники. По периметру карьера устанавливаются стационарные устройства Cisco Unified Wireless Backhaul с антеннами, направленными внутрь карьера, а на технике – мобильные с всенаправленными антеннами. Пропускной способности при этом хватает даже для передачи видео с камер, установленных на машинах.

— В шахтах Ultra Reliable Wireless Backhaul может быть использован для организации связи с машинами или поездами, ходящими внутри. Схема аналогичная: ряд стационарных устройств ставится в тоннеле для обеспечения покрытия, а мобильные устойства – на технике. Для шахт могут быть интересны и варианты стационарного использования: раздача Wi-Fi для работников, использующих планшеты, телефоны, радиометки, сбор данных и управление автоматикой – вентиляция, устройства SCADA и т.д.

— Связь между «землёй» и обычным пассажирским поездом: для раздачи Wi-Fi и сбора данных видеонаблюдения в последнем.

— Внутри железнодорожного состава Wireless Backhaul может быть использован для обеспечения связи между вагонами: два устройства устанавливаются в разных вагонах со специальными антеннами, направленными друг на друга.

— Приём и передача данных в лифты в высотных зданиях для обеспечения работы видеонаблюдения, Wi-Fi и передачи контента на мониторы, расположенные в лифтовых кабинах. Для таких целей традиционно используются специальные дорогие и сложные в установке кабели. Беспроводное решение может оказаться надёжнее и дешевле.

Зачем нужно проприетарное решение?

Кажется, что все описанные выше задачи можно решить с помощью обычного Wi-Fi, а для ситуаций, где необходима передача данных на большие расстояния – LTE. Однако возникает целый ряд проблем:

В случае с Wi-Fi:

  • непредсказуемая задержка передачи данных: алгоритм управления средой передачи данных в Wi-Fi устроен так, что клиентские устройства обмениваются данными с точкой доступа по очереди, получая доступ к ней почти случайным образом. Возможности гарантировать стабильность задержки передачи данных нет. Максимум, на что способны механизмы обеспечения качества передачи данных в Wi-Fi – это снизить вероятность резких колебаний задержек передачи данных для определённого типа трафика, по сравнению с другими, но никак не гарантировать, что таких колебаний не будет вообще.
  • не очень предсказуемый хэндовер – переход с одной точки доступа на другую в Wi-Fi зависит практически полностью от решений, принимаемых клиентским устройством. При этом никакие настройки Wi-Fi-сети не позволят гарантировать, что хэндовер произойдёт быстро и в нужный момент. Особенно там, где объект перемещается с большой скоростью
  • небесшовный хэндовер. В большинстве сценариев использования это незаметно, но переход с одной точки доступа на другую для клиентского Wi-Fi-устройства занимает не менее 200мс, в течение которых данные не передаются. При использовании беспроводной сети для сбора телеметрии даже такие перерывы могут быть недопустимы
  • небольшие расстояния передачи данных
  • доступная пропускная способность (DataRate) резко падает по мере увеличения расстояния
  • для обеспечения оптимальной производительности Wi-Fi-сети требуется сложная и тонкая настройка
  • доступность устройств для перехвата и анализа Wi-Fi-трафика во многих случаях делает доступным и взлом Wi-Fi-сетей

В случае с LTE:

  • ассиметричная пропускная способность. Полоса пропускания Download шире, чем Upload.
  • непредсказуемая задержка передачи данных, как и в случае с Wi-Fi
  • обслуживание беспроводной сети придётся доверить оператору связи. Оператор может не обеспечивать достаточно оперативное устранение неисправностей, особенно если ваша сеть расположена в труднодоступном месте, например, на карьере в Восточной Сибири. Закрыть эту потребность собственными специалистами не получится
  • если покрытия уже имеющихся у оператора базовых станций оказывается недостаточно, установка дополнительных, даже мобильных, сильно увеличивает затраты, а значит и стоимость услуги для её заказчика.

Кроме того, могут возникать проблемы, связанные с проявлениями эффекта Доплера, при обмене данными с транспортными средствами, если последние движутся на высоких скоростях.

Как устроено?

Решение Ultra-Reliable Wireless Backhaul не единственное в своём роде в том смысле, что и другие производители предлагают реализации опорных сетей на базе проприетарных протоколов беспроводной передачи данных. В чём особенность Wireless Backhaul?

“Физика” от Wi-Fi

Физический уровень передачи данных реализован на чипах, полностью аналогичных тем, что используются в устройствах Wi-Fi последнего поколения (IEEE 802.11ax). Это значит, что и частоты, и каналы передачи данных используются те же самые, а значит, с точки зрения регулирующих органов, установка устройства FluidMesh выглядит также, как установка точки доступа, вещающей в нелицензируемом диапазоне 5ГГц.
В отличие от обычного Wi-Fi, физика Ultra-Reliable Wireless Backhaul даже на очень больших расстояниях способна обеспечивать MIMO.

«Логика» от операторских сетей связи

На канальном и сетевом уровнях в решении Ultra-Reliable Wireless Bakchaul используется протокол под названием PRODIGY 2.0, основанный на MPLS. MPLS – это технология передачи данных в сетях операторов связи, обеспечивающая высокую производительность и хорошую управляемость таких сетей. Использование такого протокола позволяет обеспечить качество обработки трафика – прежде всего, предсказуемую задержку передачи, которая так важна для аудио, видео и телеметрии реального времени. Для приоритетных приложений обеспечивается задержка меньше 0.3мс.

Пропускная способность

Доступная пропускная способность соединения «точка-точка» — до 500Мбит/с. Устройства Ultra-Reliable Wireless Backhaul умеют выбирать DataRate так, чтобы он не менялся непредсказуемо при изменении расстояния или хендовере, как это происходит в Wi-Fi-сетях.

Действительно бесшовный хендовер

Протокол PRODIGY 2.0 имеет продвинутые механизмы хендовера – переключения с одной базовой станции на другую. В обычном Wi-Fi переключение происходит следующим образом: при падении соотношения шум/сигнал ниже порогового значения клиентское устройство переключается на другую доступную точку доступа с максимальным соотношением шум/сигнал. При этом это клиентское устройство ничего не знает о том, насколько хорошо будет работать связь с новой точкой. Кроме того, как уже говорилось выше, чтобы переключиться на новую точку ему необходимо сначала разорвать соединение с предыдущей, то есть существует промежуток времени, хоть и короткий, в течение которого данные передаваться не могут. Даже при так называемом «бесшовном» хендовере. В протоколе PRODIGY 2.0 на устройствах Ultra-Reliable Wireless Backhaul переключение реализовано иначе: обмениваясь данными с текущей базовой станцией, устройство ищет вторую доступную, устанавливает с ней соединение, тестирует его и только потом переключает в него поток данных.

Перестроение Mesh-сети при отказе

Mesh-сети строятся из некоторого количества беспроводных точек доступа или базовых станций, передающих данные от одной к другой. В случае отказа одного из устройств, его соседи должны оперативно перестроить передачу данных через другие доступные, если это возможно. Сеть Ultra-Reliable Wireless перестраивается менее чем за 500мс.

Безопасность

Здесь всё просто: помимо встроенных механизмов шифрования трафика с помощью AES, передача данных с использованием проприетарного протокола остаётся невидимой для анализаторов Wi-Fi. Подменить базовую станцию, чтобы подключиться к вашей сети, у злоумышленника тоже не получится – от этого защищает механизм аутентификации.
От попыток заглушить сеть шумами защищает механизм автоматической смены частот (Frequency Hopping).

Поддержка PROFINET

Ultra Reliable Wireless Backhaul умеет правильно передавать пакеты, относящиеся к работе распространённого протокола промышленной автоматизации PROFINET. Применение технологии допускается и в сетях PROFINET Conformance Class B.

Структура сети

С простыми случаями, вроде соединений «точка-точка» всё понятно. Структуру же большой сети Ultra Reliable Wireless Backhaul, проще всего понять по аналогии с Wi-Fi.

Сама сеть строится из базовых станций – это аналоги точек доступа.

Шлюзы (Gateway) выполняют агрегацию MPLS трафика и являются его точкой выхода в сеть предприятия. Шлюзы не обязательная составляющая решения, поскольку они не являются беспроводным контроллером в понимании Wi-Fi решений. Каждая базовая станция может выполнять роль шлюза, но ограничена пропускной способностью в 500 Мбит/с. Если необходима суммарная пропускная способность выше 500 Мбит/с, тогда нужна установка шлюза. Шлюзы доступны для пропускной способности 1 Гбит/с и 10 Гбит/с.

Дополнительно ко всему этому прилагается система мониторинга FM-Monitor и система управления RACER – аналог в Wi-Fi – Cisco Prime Infrastructure или DNA Center.

Здесь аналогия с Wi-Fi-заканчивается. В плане взаимодействия точек доступа между собой сеть больше похожа на проводные Ethernet-сети:

  • Наиболее высокопроизводительные базовые станции образуют ядро сети – Backbone;
  • Менее производительные – образуют уровень распределения – Distribution. Этот уровень подключается к Backbone и доводит соединения до уровня доступа;
  • Уровень доступа (Access) – вещает для конечных клиентов – мобильных и стационарных, с которых необходимо собирать и на которые необходимо отправлять данные (Clients).

В зависимости от задач и реальных масштабов, те или иные уровни сети могут быть объединены.

Вместо заключения

Этим постом тема беспроводных технологий, конечно, не исчерпывается. И если вам интересно узнать больше и позадавать вопросы нашим экспертам по беспроводным сетям, приходите послушать наш вебинар 29 июня. Там мы поговорим и о Wi-Fi, и об Ultra Reliable Wireless Backhaul. Разберем, в каких сценариях стоит использовать первую технологию, в каких вторую, а в каких обе.

C оригиналом статьи можно ознакомиться на Хабре