СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАНАЛОВ
CHANNEL GREY LISTING

Область техники
Настоящее изобретение относится к системам беспроводной связи, и, конкретно, к выбору канала в системах беспроводной связи.
Уровень техники
Во многих промышленных установках с целью контроля и управления оборудованием, технологическими процессами и т.п. используются системы управления. Часто в таких системах управления есть централизованный диспетчерский зал, в котором имеется центральный компьютер, осуществляющий связь с полевым устройствами, находящимися на удалении от диспетчерского зала или в другом географическом местоположении.
Как правило, каждое полевое устройство содержит измерительный преобразователь, выполненный с возможностью формирования выходного сигнала на основании физического входа или с возможностью формирования физического выхода на основании входного сигнала. В число типов измерительных преобразователей, используемых в полевых устройствах, входит различное аналитическое оборудование, датчики давления, термисторы, термопары, датчики деформации, датчики расхода, устройства позиционирования, исполнительные устройства, соленоиды, индикаторы и т.п. Общепринятым является подключение аналоговых полевых устройств к подсистеме обработки и диспетчерскому залу посредством двухпроводных токовых контуров на витой паре, при этом каждое устройство соединяется с диспетчерским залом одним двухпроводным контуром на витой паре. Как правило, между двумя проводами пары поддерживают напряжение порядка 20-25 В, и через контур протекает ток в диапазоне 4-20 мА. Аналоговое полевое устройство передает сигнал в диспетчерский зал, модулируя ток, протекающий через токовый контур, так, чтобы этот ток был пропорционален регистрируемому параметру процесса. Аналоговое полевое устройство, выполняющее под управлением диспетчерского зала какое-либо действие, управляется величиной тока, текущего через контур, которую модулируют порты подсистемы обработки под управлением контроллера.
Традиционные двухпроводные токовые контуры на витой паре начинают вытесняться беспроводной связью между полевыми устройствами и диспетчерскими залами. Например, каждое полевое устройство и/или узел, связанный с полевым устройством, оборудуется беспроводным приемопередатчиком, обеспечивающим для полевого устройства возможность беспроводного обмена сообщениями с использованием протокола беспроводной связи, например, протокола WirelessHART (IEC 62591). Множество полевых устройств и/или узлов, оборудованных беспроводными приемопередатчиками, создает беспроводную ячеистую сеть, обеспечивающую возможность связи между диспетчерским залом и любым полевым устройством, находящимся в зоне действия данной беспроводной ячеистой сети, при этом сообщения передаются в нужное место последовательно от одного узла ячеистой сети к другому.
Подобно другим протоколам беспроводной связи, такие используемые в системах управления протоколы беспроводной связи, как, например, WirelessHART, работают в заданном диапазоне частот, который далее делится на множество каналов. Для осуществления связи между двумя устройствами, использующими WirelessHART (или иной протокол беспроводной связи), должно быть достигнуто соглашение о том, в каком канале должна осуществляться связь. Однако при использовании в том географическом местоположении, где функционирует протокол беспроводной связи системы управления, других протоколов беспроводной связи (например, WiFi), могут возникнуть проблемы. Например, на объекте, где используется протокол беспроводной связи системы управления, например, WirelessHART, также, с целью предоставления сотрудникам возможности обмена данными через беспроводную локальную сеть (wireless local area network, WLAN), может использоваться протокол беспроводной связи типа WiFi. Перекрытие частот, используемых в WirelessHART и в WiFi, приводит к возникновению помех (интерференции), из-за чего может происходить потеря сообщений (иногда называемая потерей пакетов).
Чтобы не допустить возникновения помех между одновременно используемыми протоколами беспроводной связи, обычно находят канал (каналы), используемый конкурирующим протоколом беспроводной связи, например, WiFi, а затем программируют протокол беспроводной связи системы управления (к примеру, WirelessHART), так, чтобы избежать таких перекрывающихся каналов. Однако блокирование («внесение в черный список») каналов, доступных для протокола беспроводной связи системы управления, снижает количество каналов, которое может быть использовано в схеме смены каналов, и поэтому снижает отказоустойчивость системы беспроводной связи. Термин «отказоустойчивость» используется здесь для обозначения способности беспроводной сети функционировать в условиях наличия в канале намеренных или случайных помех. Например, чтобы не допустить возможности создания злонамеренным пользователем помехи на одной частоте для прерывания связи, в типовых системах беспроводной связи используется смена каналов, выбираемых из множества каналов. Уменьшение количества каналов, используемых конкретной системой беспроводной связи, приведет к соответствующему снижению отказоустойчивости системы.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение предлагает способ и систему для формирования схемы смены каналов в беспроводной сети, работающей в географической зоне и перекрывающейся с другой системой беспроводной связи. Способ включает идентификацию каналов, используемых в первой системе беспроводной связи и перекрывающихся с каналом или каналами, используемыми во второй системе беспроводной связи. Перекрывающиеся каналы указываются в качестве каналов ограниченного использования («заносятся в серый список»), а применяемые далее схемы смены каналов продолжают использовать каналы ограниченного использования, но с меньшей частотой по сравнению с обычными схемами смены каналов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схему самоорганизующейся ячеистой сетевой системы, в которой сообщения маршрутизируются между центральным устройством и полевыми устройствами.
Фиг. 2 представляет функциональную схему, изображающую компоненты беспроводного полевого устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет диаграмму волновых сигналов, иллюстрирующую проблемы, возникающие в случае использования в том же географическом местоположении конкурирующих протоколов беспроводной связи.
Фиг. 4 представляет диаграмму, иллюстрирующую функции, выполняемые контроллером для реализации указания каналов в качестве каналов ограниченного использования в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 иллюстрирует технологическую систему 10 связи, содержащую центральный компьютер 12, высокоскоростную сеть 14 и беспроводную ячеистую сеть 16, которая содержит шлюз 18 и беспроводные полевые устройства или узлы 20a-20i.
Шлюз 18 связывает ячеистую сеть 16 с центральным компьютером 12 через высокоскоростную сеть 14. Сообщения могут передаваться из центрального компьютера 12 в шлюз 18 через сеть 14 и затем передаваться в выбранный узел ячеистой сети 16 по одному из нескольких отличающихся маршрутов. Аналогично, сообщения из отдельных узлов ячеистой сети 16 маршрутизируются через ячеистую сеть 16 от узла к узлу по одному из нескольких маршрутов, достигают шлюза 18 и затем передаются в центральный компьютер 12 через высокоскоростную сеть 14. Передача сообщений между отдельными узлами 20a-20i ячеистой сети 16 осуществляется с использованием протокола беспроводной связи, например, WirelessHART. Каждый из узлов 20a-20i с целью использования беспроводной связи содержит антенну беспроводной связи. В зависимости от выбранного протокола беспроводной связи каждый узел 20a-20i работает в заданном диапазоне частот, который разделяется на множество отдельных каналов. Каждый узел 20a-20i содержит контроллер связи (показанный на фиг. 2), реализующий алгоритм смены каналов, в котором выбирается и используется последовательность (схема) смены каналов.
Шлюз 18 может осуществлять связь с центральным компьютером 12 через сеть 14 с использованием нескольких разных протоколов связи. В одном варианте осуществления сеть 14 представляет собой двухпроводную линию связи RS485, по которой шлюз 18 может осуществлять связь с центральным компьютером 12 с использованием протокола MODBUS. В еще одном варианте осуществления сеть 14 представляет собой сеть Ethernet, а связь через сеть 14 может поддерживать MODBUS TCP/IP с использованием интерфейса Ethernet. Шлюз 18 осуществляет связь со множеством узлов 20a-20i, образующих ячеистую сеть 16, с использованием протокола беспроводной связи системы управления, например, протокола WirelessHART. Таким образом, сообщения, исходящие из центрального компьютера 12, через проводную линию связи передаются в шлюз 18, который преобразует их в соответствии с протоколом беспроводной связи системы управления и посредством беспроводной связи передает эти сообщения через ячеистую сеть 16 в полевое устройство, связанное с одним из узлов 20a-20i. Аналогично, сообщения, исходящие из полевого устройства, с использованием протокола беспроводной связи системы управления передаются по ячеистой сети 16 в шлюз 18 и затем через проводную сеть 14 связи в центральный компьютер 12. Хотя беспроводная ячеистая сеть 16 может использовать другие протоколы беспроводной связи, для целей раскрытия настоящего изобретения используется указание на протокол WirelessHART, чтобы можно было легче отличить протокол беспроводной связи, используемый беспроводной ячеистой сетью 16, от других описываемых беспроводных сетей.
Во многих практических ситуациях вышеописанная беспроводная ячеистая сеть 16 используется в географическом местоположении, где также работают другие независимые беспроводные сети. Например, на многих объектах беспроводные сети используются для реализации беспроводных локальных сетей (WLAN), содержащих по меньшей мере один беспроводной маршрутизатор 30 и одно приемопередающее устройство 32. Связь между беспроводным маршрутизатором 30 и приемопередающим устройством 32 осуществляется в соответствии с другим протоколом беспроводной связи, например, WiFi, в котором используется протокол связи стандарта 802.11. Однако диапазон частот, используемый данным протоколом беспроводной связи (к примеру, 802.11), перекрывается с диапазоном частот, используемым протоколом WirelessHART. Следует еще раз отметить, что хотя могут использоваться разные протоколы связи, для целей раскрытия настоящего изобретения протокол беспроводной связи, используемый беспроводным маршрутизатором 30 и приемопередающим устройством 32, называется WiFi.
Для предотвращения воздействия помех и потери сообщений при использовании протокола беспроводной связи с одновременным обеспечением требуемой отказоустойчивости сети в настоящем изобретении используется алгоритм модификации схемы смены каналов устройств в беспроводной ячеистой сети 16. Таким образом, вместо того, чтобы просто пропускать или блокировать каналы, совместно используемые протоколами связи WirelessHART и WiFi, в настоящем изобретении использование этих перекрывающихся каналов продолжается, но снижается частота или доля их использования в схеме смены каналов. Эти перекрывающиеся каналы здесь называются каналами ограниченного использования («каналами из серого списка»). Алгоритм, используемый для модификации схемы смены каналов устройств в беспроводной ячеистой сети 16, может находиться в узлах 20a-20i, в шлюзе 18 и/или в центральном компьютере 12. Например, в одном из вариантов осуществления шлюз 18 выполняет программное обеспечение управления сетью, которое, помимо прочего, выполняет алгоритм для выбора конкретной схемы смены каналов. Выбранная схема смены каналов загружается в каждый узел из множества узлов 20a-20i, используемых в качестве элементов беспроводной ячеистой сети 16.
Фиг. 2 представляет собой функциональную схему компонентов, содержащихся в узле 20а в качестве его частей и предназначенных для реализации связи по протоколу WirelessHART с целью осуществления беспроводной связи с соседними узлами и/или со шлюзом 18. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, узел 20а содержит контроллер 34, генератор 36 частот и антенну 38 беспроводной связи.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, контроллер 34 реализует алгоритм выбора частоты или канала, используемого узлом 20а для осуществления связи с другими узлами в соответствии с протоколом беспроводной связи системы управления. Как указано выше, в других вариантах осуществления изобретения алгоритм, используемый для определения схемы смены каналов, может находиться в шлюзе 18 и/или в центральном компьютере 12. Контроллер 34, как правило, также осуществляет связь с относящимся к узлу 20а датчиком (не показан), используемым для измерения параметра (к примеру, температуры, давления), и передает измеренный параметр в виде данных, предназначенных для беспроводной передачи, в шлюз 18 и в центральный компьютер 12. Генератор 36 частот генерирует частоту, выбранную контроллером 34 для использования при беспроводной связи, осуществляемой через антенну 38.
В одном варианте осуществления контроллер 34 отвечает за обнаружение перекрытия каналов между указанным протоколом беспроводной связи системы управления и другими системами беспроводной связи. Например, контроллер 34 может обнаруживать перекрытие на основании помех (интерференции), измеренных в конкретном канале по потерянным пакетам, по времени, требуемому для доставки пакета и/или множества пакетов, и/или по показателю, отражающему помехи. В других вариантах осуществления изобретения пользователь может вручную взаимодействовать с контроллером 34 с целью указания перекрывающихся каналов на основании имеющейся у пользователя информации, относящейся к каналу или каналам, используемым другой системой беспроводной связи. Обнаружив перекрывающиеся каналы, контроллер 34 модифицирует использование этих каналов в алгоритме смены каналов. Перекрывающиеся каналы (т.е. каналы ограниченного использования), хотя и продолжают использоваться в данном алгоритме, но используются в меньшей степени. Для определения того, насколько часто каналы ограниченного использования должны использоваться в указанной схеме смены каналов, могут применяться различные алгоритмы.
В еще одном варианте осуществления вместо того, чтобы делать ответственным за выбор схемы смены каналов каждый из узлов 20a-20i, эта ответственность возлагается на шлюз 18 (показанный на фиг. 1). В этом варианте осуществления изобретения шлюз 18 может обнаруживать перекрытие на основании помех, измеренных в конкретном канале, или может принимать данные о помехах, измеренных в определенном канале, из одного или более узлов 20a-20i сети беспроводной связи. И в этом случае факт наличия помех может устанавливаться на основании количества потерянных пакетов, времени, требуемого для доставки пакета или множества пакетов, и/или иных показателей, отражающих помехи. Например, если количество потерянных пакетов при осуществлении связи в конкретном канале превосходит пороговое значение, то данный канал идентифицируется в качестве перекрывающегося с другим каналом и выбирается в качестве канала ограниченного использования. Алгоритм, реализуемый шлюзом 18, идентифицирует в качестве каналов ограниченного использования обнаруженные перекрывающиеся каналы и формирует схему смены каналов, в которой частота использования каналов ограниченного использования уменьшена. В одном варианте осуществления частота, с которой каналы ограниченного использования используются в схеме смены каналов, уменьшается на по меньшей мере 50% по сравнению с обычной схемой смены каналов. Шлюз 18 затем сообщает новую или модифицированную схему смены каналов в каждый узел из множества узлов 20a-20i.
Фиг. 3 представляет собой график, на котором показан пример перекрытия каналов между протоколами WirelessHART и WiFi. Каналы линии 40 связи WirelessHART показаны сплошной линией, а каналы линии 42 связи WiFi показаны прерывистой линией. По оси у графика отложена мощность передачи, соответствующая каждому каналу, выраженная в децибел-метрах (дБм). По оси х графика отложена частота передачи, и разным каналам линии 40 связи WirelessHART и линии 42 связи WiFi соответствуют разные диапазоны частот.В варианте осуществления, иллюстрируемом фиг. 3, мощность передачи, соответствующая линии 42 связи WiFi, больше мощности передачи, соответствующей линии 40 связи WirelessHART. Соответственно, перекрытие между каналами приводит к помехам и снижению качества связи в линии 40 связи WirelessHART, но не в линии 42 связи WiFi.
В варианте осуществления, иллюстрируемом фиг.3, линия 40 связи WirelessHART разделена на по меньшей мере 15 каналов, обозначенных как с11-с26. Линия 42 связи WiFi разделена на три канала, обозначенных как С1, С6 и С11. Как показано, каналы с11-с14, относящиеся к линии 40 связи WirelessHART, перекрываются с каналом С1 линии 42 связи WiFi. Аналогично, каналы с15-с19 линии 40 связи WirelessHART перекрываются с каналом С6 линии 42 связи WiFi, а каналы с21-с24 линий 40 связи WirelessHART перекрываются с каналом С11 линии 42 связи WiFi.
Соответственно, если линия 42 связи WiFi работает на канале С6, то стандартная система была бы запрограммирована пользователем так, чтобы каналы с16-с19 линии 40 связи WirelessHART пропускались или блокировались. В результате при указанной схеме смены каналов линия 40 связи WirelessHART могла бы использовать только каналы с11-с15 и с20-с26. Напротив, в настоящем изобретении каналы с16-с19 не блокируются, а их использование модифицируется так, что эти каналы используются реже других каналов (к примеру, с11-с15 и с20-с26). Таким образом, одновременно с минимизацией помех между указанными двумя системами беспроводной связи сохраняется отказоустойчивость протокола 40 беспроводной связи системы управления. Кроме того, из-за снижения вероятности коллизий, вызванных помехой от другой беспроводной сети, минимизируется потеря пакетов и, соответственно, энергопотребление, поскольку снижается количество пакетов, которые приходится передавать повторно.
Фиг. 4 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую функции, выполняемые контроллером 34 для указания каналов в качестве каналов ограниченного использования в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Операция начинается На шаге 44. На шаге 46 контроллер 34 обнаруживает перекрывающиеся каналы. Как указано выше, контроллер 34 может быть выполнен с возможностью автоматического обнаружения перекрывающихся каналов путем анализа помех, обнаруживаемых в каждом канале. Например, для обнаружения помех, связанных с перекрытием каналов, контроллер 34 может использовать количество потерянных пакетов при осуществлении связи в каждом канале. Если количество потерянных пакетов в конкретном канале превосходит пороговое значение, то считается, что в соответствующем канале обнаружена помеха. В других вариантах осуществления изобретения контроллер 34 может использовать информацию, предоставленную пользователем и указывающую каналы, которые будут перекрываться с другой системой беспроводной связи.
Если перекрытие каналов не обнаружено, то на шаге 48 контроллер 34 использует стандартную схему смены каналов, в которой каждый канал используется с одинаковой частотой. Если же обнаружено перекрытие каналов, то на шаге 50 контроллер 34 выбирает эти каналы в качестве каналов ограниченного использования. Как правило, каналы ограниченного использования являются смежными по отношению друг к другу. Однако контроллер 34 в качестве каналов ограниченного использования может выбирать и несмежные каналы.
На шаге 52 контроллер 34, принимая во внимание наличие каналов ограниченного использования, формирует схему смены каналов. Например, исходная схема смены каналов может иметь следующий вид и повторяться бесконечно:
с11
с12
-с15-с16-с20-с21-с25 - -с15-с17-с20-с22-с26 -
с13
с14
-с15-с18-с20-с23-с25 - -с15-с19-с20-с24-с26
При обнаружении перекрытия в каналах с11-с14 (подчеркнуты в вышеприведенной последовательности) контроллер 34 указывает в качестве каналов ограниченного использования каналы с11-с14 и модифицирует схему смены каналов, например, так:
с26
с12
-с15-с16-с20-с21-с25 - -с15-с17-с20-с22-с26 -
с20
с14
-с15-с18-с20-с23-с25 - -с15-с19-с20-с24-с26.
В этой модифицированной схеме смены каналов канал с11 заменен на канал с26 в первом сегменте и канал с13 заменен на канал с20 в третьем сегменте. Каналы с12 и с14 продолжают использоваться. Данная схема смены каналов повторяется, но при следующем повторении будут использоваться каналы с11 и с13, а каналы с12 и с14 использоваться не будут. В результате использование каналов ограниченного использования сокращается на 50%, но отказоустойчивость сохраняется за счет использования всех доступных каналов. Операция завершается на шаге 52, хотя контроллер 34 может продолжать контроль на шаге 46 с целью обнаружения изменений в перекрытии каналов, что потребует добавления новых каналов в качестве каналов ограниченного использования или удаления каналов из такого списка.
Несмотря на то, что настоящее изобретение раскрыто со ссылкой на примерный вариант (варианты) осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что без выхода за пределы объема настоящего изобретения могут быть сделаны различные изменения и эквивалентные замены для элементов настоящего изобретения. Кроме того, без выхода за пределы сущности настоящего изобретения может быть сделано большое число модификаций с целью практического применения принципов настоящего изобретения в конкретной ситуации или к конкретному материалу. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается конкретным раскрытым вариантом (вариантами) осуществления, а содержит все варианты осуществления, охватываемые прилагаемой формулой изобретения.