ISA100 Wireless Compliance Institute 無線の基礎及び ISA100.11a 技術の特徴 安川和行富士電機システムズ株式会社技術開発本部制御技術センター ISA100 Wireless Compliant 1
目次 無線の基礎 ISA100.11a の技術的特長
無線の基礎 ISA100.11a の技術的特長
無線通信とは? ( 伝送路として ) 線を使わない電気通信 有線通信 携帯電話や PHS PHSなどのように電波によるもののみならず 光や音波によるものも広義には 無線通信 に含まれることもある 電波法施行規則 無線通信 は 電波を使用して行うすべての種類の記号 信号 文言 影像 音響又は情報の送信 発射又は受信をいう と定義 電波法施行規則 2 条 1 項 15 15 号 出典 :Wikipedia より抜粋
工業環境における電波伝搬測定結果例 電波の伝搬特性は周波数や伝搬環境などの影響を強く受ける -50-60 周波数による相違 見通し有無による相違 伝搬損失 [db] -70-80 -90-100 周波数 A 見通しなし 周波数 A 見通しあり 周波数 B 見通しなし周波数 B 見通しあり 50m 90m 10 直線距離 [m] 100 通信可否が距離により一義に決まらない
工業環境におけるノイズ測定結果例 携帯電話 ノート PC などの普及 工業環境の無線利用は進んでいる 隣接事業所からの電波により影響を受けることもある 無線 LAN が放射する電波 他の無線システムにはノイズ
周波数による電波の特性の相違 周波数帯により 伝送距離や伝送速度等の得失は異なる システムの所要性能に応じて 使用周波数帯を選定 使用周波数帯の選択 ライセンス要否 事業所内の無線システムには 免許不要バンドの採用が一般的 2.4GHz 帯 : 世界共通 免許不要で使用可能な唯一の帯域 欠点 : 無線 LAN などと同一の周波数帯であり 干渉の懸念 無線共存性が重要 評価指標 低 周波数 電波伝搬特性 伝搬損失 ( 伝送距離 ) 回り込み アンテナサイズ チャネル帯域幅 ( 伝送速度 ) 高
電波の干渉 反射物が移動 時間と共に受信電力が変動 -60-65 干渉に伴う受信電力の変動は -30dB(=1/1000) を超える 受信電力 Received power [dbm] -70-75 -80-85 -90-95 -100-105 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time [s] 時間 送信 受信 マルチパスフェージング 複数の反射物からの電波が受信端で合成される際に生じる干渉 受信 シャドウィング 遮蔽物による電波の減衰
工業環境における無線利用の課題 電波伝搬 ( 不確実性 ) ノイズ ( 既存無線システムとの共存 ) 電波の干渉 セキュリティ ( 盗聴 改ざん なりすまし ) 様々なシステム要件への対応 将来の拡張 更新 既存有線ネットワークとの接続 高信頼性 多機能性 拡張性 オープン性 導入 運用の簡易性
無線の基礎 ISA100.11a の技術的特長
ISA100.11a 概略仕様 項目 仕様 無線 LANとの共存性が必須 周波数帯 2.4GHz 帯 物理層 IEEE 802.15.4-2006 直接スペクトル拡散 (DSSS) 次スライド以降で説明 データリンク層 TDMA/CSMAハイブリッド周波数ホッピング ( スロット / スロー ) EUI-64アドレス (+16bit ショートアドレス ) 時刻同期 セキュリティデータリンク層 ( リンク単位 ) トランスポート層 ( エンド to エンド ) ネットワーク層 アプリケーション IPv6 ベース (IETF 6LoWPAN, RFC4944) パブリッシュ / サブスクライブ クライアント / サーバアラート バルク伝送 アラーム トンネリング
ISA100.11a 規格構成要素 (Role) I/O デバイス データの発信元もしくは伝送先 システム / セキュリティマネージャ ネットワーク内の端末 セキュリティの管理ゲートウェイ 無線ネットワークとプラントネットワーク間のアプリケーション I/F バックボーンルータ 無線ネットワークとバックボーンネットワーク間の中継 ルータ 無線ネットワーク内の中継 1 つのデバイスが複数の Role を担うこともある
ネットワーク構成 ( トポロジー ) メッシュ 1 つの宛先に対して 複数の経路を構成 多段中継によるエリア拡大 通信成功率向上 高信頼性エリア拡大 拡張性 スター 低遅延伝送 ( 高速制御 ) 低コスト端末の実現 B 低遅延 低コスト 多機能性 メッシュとスターの組み合わせも可能 多機能性
バックボーンルータの追加 通信品質 スループット向上 高信頼性エリア拡大 拡張性 多機能性 簡易導入 バックボーンルータの追加 ISA100.11a-2009 Duo Cast 本来の宛先ではない端末が データを受信し 応答を返す機能
スペクトル拡散 直接拡散方式 (DSSS) ノイズに似た性質の符号により送信信号を拡散して送信する方式 IEEE 802.15.4 にて規定 周波数ホッピング (FHSS) 周波数 予め決められたパターンにより 時間と共に周波数を変更して 伝送する方式 ISA100.11a にて規定時間 対ノイズ性能の向上 高信頼性
チャネルホッピング スロットホッピング 定時性の向上 高信頼性 センサーデータの定期的な収集など 定時性の必要な用途に使用 スローホッピング 高信頼性 多機能性 ファームウェア更新など 大容量データの高効率伝送に使用 ISA100.11a-2009
チャネルホッピング ハイブリッド ( ホッピング ) スロット / スローホッピングの組み合わせ 多機能性 アダプティブホッピング 対ノイズ 干渉性能の向上 高信頼性 チャネル 通信成功率の悪いチャネルを使用するスロットをスキップ 悪い 状態のチャネル 干渉 ノイズ
チャネルブラックリスト 無線 LAN の利用を自動的に検出 空きチャネルのみでホッピングパターンを構成 他システムとの共存性の向上 高信頼性
セキュリティ トランスポート層 : エンド エンド間のセキュリティ I/O デバイスルータ バックボーンルータ ゲートウェイシステム / セキュリティマネージャ アプリケーション アプリケーション アプリケーション アプリケーション トランスポート トランスポート トランスポート トランスポート ネットワーク ネットワーク ネットワーク ネットワーク データリンク データリンク データリンク データリンク 物理層 物理層 物理層 物理層 無線ネットワーク データリンク層 : 隣接するデバイス間のセキュリティ バックボーンネットワーク 2 階層構成による強固なセキュリティ 高信頼性
時刻の同期 時刻基準 : 国際原子時 (TAI) ネットワーク内の全てのノードの時刻を同期 隣接デバイス間は ms オーダで同期 セキュリティ目的 ( データ整合性チェック ) に使用 定時性 セキュリティの向上 高信頼性
IPv6 対応 ネットワーク層 :6LoWPAN ベース 6LoWPAN:IPv6 over Low power WPAN IETF RFC4944 I/Oデバイスルータ バックボーンルータ 拡張性 将来性オープン性 ゲートウェイシステム / セキュリティマネージャ アプリケーション トランスポート アプリケーションアドレス変換 (IPv6 アプリケーション無線アドレス ) アプリケーション パケット分割 再構成 ( フラグメンテーション ) トランスポート トランスポートトランスポート ネットワーク ネットワーク ネットワーク ネットワーク データリンク データリンク データリンク データリンク 物理層 物理層 物理層 物理層 無線ネットワーク バックボーンネットワーク
既存有線フィールドバスの収容 アプリケーション層 : トンネル機能導入 運用の簡易性オープン性 Native HOST A Native FF HOST B FF HART HOST C HART
まとめ 無線通信は 電波を通信媒体とする性質上 ノイズ 干渉 セキュリティなどの課題を避けて通ることはできない 工業環境に適用する場合 信頼性を高い次元で実現する必要がある ISA100.11a の機能 フレキシブルなトポロジー スペクトル拡散 様々なホッピングメカニズム チャネルブラックリスト セキュリティ 時刻同期 IPv6 対応 既存フィールドバス収容 高信頼性 多機能性拡張性オープン性導入 運用の簡易性 ユーザ参加のプロセスにより ユーザの求める機能 性能をバランスよく実現
ISA100.11a 無線伝送距離 オープンスペースタンクファーム配管設置場所 500m 程度 500m 程度 50-100m 程度
ご清聴ありがとうございました
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