Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi I: historie a současnost

číslo 5/2003

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi I: historie a současnost

Zdenek Bradáč, Petr Fiedler, Milan Kačmář

Bezdrátové komunikace se v posledním desetiletí začaly radikálně prosazovat téměř ve všech oblastech lidské činnosti, oblast automatizace nevyjímaje. Očekává se, že mobilní zařízení budou znamenat téměř takovou revoluci, jakou představoval nástup osobních počítačů. V současné době nejúspěšnější mobilní aplikace – mobilní telefon – je pouze počátkem nadcházejících změn. Předpokládá se, že koexistence různých mobilních zařízení povede k dosažení stavu naprosté dostupnosti informačních zdrojů, přičemž vzniknou zcela nové aplikace – tzv. ubiquitous computing. Zatímco v dnešní době z hlediska počtu aplikací bezdrátových přenosů jednoznačně převažuje přenos hlasu, očekává se, že v budoucnu nabude na významu přenos dat.

1. Historie bezdrátových komunikací

Počátky bezdrátové komunikace jsou spojovány se jménem Guglielmo Marconi. Tento italský vědec v roce 1895 úspěšně přenesl informaci na vzdálenost přibližně dvou kilometrů. V roce 1901 došlo k prvnímu transatlantickému bezdrátovému přenosu dat. Další rozvoj bezdrátových komunikací souvisel především s námořnictvem, protože pozemní komunikace ovládal telegraf. V počátcích bezdrátové komunikace se přenášela informace za pomocí Morseovy abecedy, avšak už v roce 1904 se odehrála první ukázka bezdrátového přenosu hlasu. V roce 1934 byla demonstrována frekvenční modulace (FM), která ve srovnání s amplitudovou modulací (AM) umožnila kvalitnější přenos zvuku. Ve třicátých letech 20. století začal rozvoj analogové radiotelefonie.

Po válce, v roce 1947, se objevily první teoretické návrhy moderních buňkových rádiových systémů, které k pokrytí většího území využívaly základnové stanice – podobně jako je tomu u sítí GSM. První analogový buňkový radiotelefonní systém byl vyzkoušen v roce 1961. Koncem osmdesátých let 20. století se začaly objevovat první digitální radiotelefonní systémy, z nichž nejúspěšnější v Evropě byl systém GSM. Konec dvacátého století byl ve znamení radikálního nástupu digitálních systémů, které téměř ve všech sférách vytlačily systémy analogové.

Tab. 1. Srovnání bezdrátových standardů a jejich požadavků na licencovaná pásma

Standard Licencované pásmo Nelicencované pásmo
Bluetooth ne ano
WLAN (obecné) ano ano
IEEE 802.11 (Wi-Fi) ne ano
GSM-GPRS ano ne
GSM-HSCSD ano ne
UMTS ano ne
Prioprietální řešení ano ano

V oblasti digitálního přenosu dat k významným milníkům patří bezdrátový spoj ALOHNET, zprovozněný v roce 1971 na Havajské univerzitě, který propojoval sedm počítačů rozmístěných na pěti havajských ostrovech. V oblasti komerčního použití se začaly počátkem osmdesátých let minulého století angažovat firmy IBM, Motorola, Eritel AB a Telia Mobitel. Tyto firmy vyvinuly na sobě nezávislá řešení, která umožňovala digitální přenos dat rychlostí řádově jednotek kilobitů za sekundu. Rozvoj vysokorychlostních bezdrátových komunikací a bezdrátových sítí, který nastal koncem devadesátých let 20. století, byl umožněn rozvojem techniky, která dovolila využít UHF a mikrovlnnou oblast, tedy frekvence nad přibližně 1 GHz.

2. Vývoj v oblasti digitálních komunikací

V dřívější době byly bezdrátové komunikace využívány zejména pro přenos hlasu. S nástupem moderních digitálních prostředků nabývá na významu přenos dat, neboť významnými aplikacemi se stávají jak bezdrátový přístup k lokálním počítačovým sítím, tak i datová komunikace mezi autonomními zařízeními. S rostoucím využitím bezdrátových přenosů je nutné při jejich použití zvažovat i problematiku obsazení rádiových frekvencí, neboť pásem, ve kterých lze bez licence provozovat bezdrátové komunikace, není mnoho. Například v oblasti 2,4 GHz pracují nejen běžné kuchyňské mikrovlnné trouby, ale také navzájem nekompatibilní zařízení Bluetooth a IEEE 802.11b. Jelikož dané pásmo není licencované, nelze při použití těchto technologií zaručit, že v dané lokalitě bude v daném pásmu „prostor“ pro další zařízení. Ačkoliv moderní postupy pro omezení vlivu rušení používají rychlé skokové změny frekvence (frequency hopping), může další nárůst počtu zařízení pracujících v těchto nelicencovaných frekvenčních pásmech způsobit, že pásma nebudou rozumně použitelná pro aplikace, které vyžadují spolehlivý přenos dat.

Tab. 2. Stručná charakteristika bezdrátových standardů

Standard Stručná charakteristika
Bluetooth Využívá frekvenční pásmo v oblasti 2,4 GHz, které není licencované. Standard je koncipován tak, aby podporoval typy přenosů point-to-point i point-to-multi-point. Vlastní dosah standardního komunikačního řešení je od 10 po 100 m. Komunikační rychlost je až 721 kb/s.
IEEE 802.11 (Wi-Fi) Zatím nejrozšířenějším standardem podle IEEE 802.11 je IEEE 802.11b, který byl uveden do praxe jako první. V současné době jsou k dispozici WLAN založené na standardech IEEE 802.11a, 802.11b a 802.11g. Souhrnně jsou tyto standardy označovány jako Wi-Fi (Wireless Fidelity). V Evropě je zatím rozšířen pouze 802.11b a začíná se používat 802.11g. Komunikační rychlosti dosahují až 54 Mb/s. V případě použití směrových antén s vysokým ziskem je dosah až v desítkách kilometrů.
GSM-GPRS Komunikační technologie pro přenos dat, která využívá síť GSM. Datová propustnost závisí na vlastnostech sítě a mobilního terminálu a nepřesahuje 100 kb/s. Dostupnost služby závisí na službách podporovaných operátorem v dané lokalitě. Účtováno je množství přenesených dat, nikoliv doba spojení.
GSM-HSCSD Komunikační technologie pro přenos dat, která využívá síť GSM. Datová propustnost závisí na vlastnostech sítě a mobilního terminálu a nepřesahuje 100 kb/s. Dostupnost služby závisí na službách podporovaných operátorem v dané lokalitě. Účtována je doba spojení, nikoliv objem přenesených dat.
UMTS Tak zvané sítě třetí generace, které umožní vysokorychlostní datové připojení (teoreticky až 2 Mb/s).
Proprietární řešení – telemetrické systémy, radiomodemy Jde o čistě proprietární řešení bezdrátových přenosových zařízení. Tato zařízení využívají licencovaná i nelicencovaná frekvenční pásma. Přenosové rychlosti se liší podle charakteristik výrobce.

Zařízení pro budování sítí WLAN obecně umožňují pracovat ve frekvenčních pásmech jak licencovaných, tak nelicencovaných, v zásadě v rozsahu od 900 MHz do 6 GHz. V tab. 1 je uvedeno základní srovnání jednotlivých bezdrátových komunikačních standardů vzhledem k možnosti využívat licencovaná a nelicencovaná pásma.

3. Charakteristika bezdrátových komunikačních standardů

Standardů moderních bezdrátových komunikací je velké množství a následující seriál si klade za cíl ve stručnosti představit nejvýznamnější současné a nebo v současné době nastupující bezdrátové komunikace s ohledem na jejich možné využití v oblasti automatizace. Vzhledem k radikálně odlišným možnostem a schopnostem jednotlivých bezdrátových sítí se seriál zabývá všemi významnými bezdrátovými komunikacemi, od sítí s místním dosahem (Bluetooth) po sítě globální (GSM).

Tab. 3. Srovnání bezdrátových standardů z hlediska jejich použití

Standard Základní použití Přenosová rychlost
Bluetooth Primárně pro domácí a kancelářské aplikace. Propojení PDA, tiskáren, mobilních telefonů a sad hands-free. Existují řešení pro průmysl, především aplikace typu cable-replacement. do 1 Mb/s
IEEE 802.11 (Wi-Fi) Primárně pro vytvoření bezdrátových sítí LAN. Použití hlavně v kancelářské oblasti pro stavbu bezdrátových infrastruktur. Časté využití v průmyslu pro připojení bezdrátových terminálů, spojení dislokovaných sítí, propojení technologií a velínů, připojení mobilních skladových terminálů do podnikových sítí atd. do 11 Mb/s, popř. 54 Mb/s
GSM-GPRS Propojení zařízení v oblasti celulárních sítí. V domácím a kancelářském prostředí se používá pro připojení mobilních počítačů k síti Internet, synchronizaci elektronické pošty atd. V průmyslové oblasti se využívá pro stálé připojení mobilních či dislokovaných (těžko přístupných) serverů WWW nebo FTP do sítě Internet, dálkové ovládání zařízení, připojení řídicích systémů (PLC, IPC atd.) do nadřízených sítí, jejich dálkovou správu a programování. do 100 kb/s
GSM-HSCSD Propojení zařízení v oblasti celulárních sítí. V domácím a kancelářském prostředí se používá pro připojení mobilních počítačů k síti Internet, synchronizaci elektronické pošty atd. do 100 kb/s
UMTS Nové technologie orientované na přenos velkého objemu dat v oblasti mobilních sítí. Zatím v podstatě neexistují jednotlivá řešení ani aplikace. do 2 Mb/s
Proprietární řešení Časté řešení pro průmysl, vzájemná nekompatibilita zařízení různých výrobců. Využívají se systémy typu cable-replacement, propojení senzorů a měřicích stanic, telemetrické systémy. podle výrobce

Bezdrátové sítě tak, jak byly vyvíjeny původně, byly zaměřovány především na oblast komerčního použití pro běžné spotřebitelské aplikace. Využití komerčně běžně dostupných bezdrátových komunikací v průmyslovém prostředí, které klade zvýšené nároky na spolehlivost i na práci v reálném čase, není úplně bezproblémové.

Hlavní výhodou bezdrátových komunikací je jejich mimořádná flexibilita, která vyplývá přímo z podstaty bezdrátové komunikace, tedy neexistence kabelových rozvodů. Mezi problematické oblasti při využití bezdrátových komunikací naopak patří napájení (omezená životnost akumulátorů, popř. nutnost instalovat napájecí kabel), spolehlivost (rádiové rušení) a dosah signálu.

Z hlediska dosahu signálu lze bezdrátové komunikace a sítě rozdělit, podobně jako jiné komunikační sítě, na sítě místního významu (PAN – Personal Area Network, dosah jednotky až stovky metrů), sítě lokálního dosahu (LAN – Local Area Network, dosah stovky metrů až jednotky kilometrů) a sítě globálního dosahu (WAN – Wide Area Network), které pokrývají velká území.

Tab. 4. Seznam použitých zkratek
Zkratka Plné znění
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
Wi-Fi Wireless Fidelity
PAN Personal Area Network
WAN Wide Area Network
LAN Local Area Network
WLAN Wireless Local Area Network
FM Frequency Modulation
AM Amplitude Modulation
UHF Ultra High Frequency
GSM Global System for Mobile Comunication
GPRS General Packet Radio Service
HSCSD High Speed Circuit Switched Data
UMTS Universal Mobile Telephone System

4. Standardizované bezdrátové komunikace

V oblasti bezdrátových komunikací existuje množství standardů, avšak velká většina z nich má buď lokální význam, je jednoúčelová pro určité aplikace, nebo představuje čistě proprietární řešení. Nejvýznamnější technologie, které mají význam pro automatizaci a které budou popisovány v dalších dílech v seriálu, shrnuje tab. 2.

5. Závěr

V oblasti bezdrátového přenosu dat lze očekávat další prudký vývoj, který umožní masivní použití těchto komunikačních prostředků tam, kde je dnes nutné využívat metalická nebo optická vedení. Většina standardů uvedených v tomto článku nebyla původně zamýšlena a navrhována pro použití v průmyslu. Vzhledem k technickým přínosům a možnostem se však zmíněné standardy prosazují i v této oblasti, jak naznačuje stručná charakteristika jednotlivých standardů v tab. 3. Naproti tomu standardy jsou průběžně inovovány a rozšiřovány tak, aby lépe vyhovovaly aplikacím, které kladou zvýšené nároky na bezpečnost, spolehlivost a přenos dat v reálném čase.

Standard Bluetooth se stal prvním z řady standardů sítí PAN začleněných do specifikace IEEE 802.15. Tento standard prožívá v současné době vzkříšení a dochází k jeho masivnějšímu rozšíření. Další standardy řady IEEE 802.11, které v Evropě mohou být provozovány pouze v pásmu 2,4 GHz, také prožívají bouřlivý rozvoj. Vzhledem k perspektivě standardu IEEE 802.11 a pásma ISM 2,4 GHz, z důvodu zvýšení přenosových rychlostí a uvolnění velmi zatíženého pásma, lze očekávat, že pro sítě IEEE 802.11 bude uvolněno i pásmo 5 GHz, a že tedy bude možné provozovat nejen sítě podle IEEE 802.11b, ale i IEEE 802.11a, podobně jako je tomu např. v USA.

Mimo standardizovaná řešení existuje skupina proprietárních komunikačních řešení, která předcházela standardizační proces a v současné době koexistují se schválenými standardy. Postupem času jsou nahrazovány proprietární komunikační řešení řešeními, která jsou založena na otevřených standardech. Velkou nevýhodou proprietárních řešení je jejich vzájemná nekompatibilita, jež výrazně limituje jejich masivní použití v průmyslových aplikacích. Toto omezení by měly eliminovat standardizované technologie, u kterých je do značné míry zaručena interoperabilita a schopnost vzájemné koexistence.

Tab. 5. Internetové odkazy (zhlédnuto 3/2003)

https://www.bluetooth.org oficiální stránka sdružení Bluetooth
http://www.wlana.org informační portál sdružení Wireless LAN Association
http://www.ibm.com stránky IBM obsahují množství informací o bezdrátových komunikacích (doporučit lze např. http://www-106.ibm.com/developerworks/wireless)
http://www.nokia.com firma Nokia není jen výrobce mobilních telefonů, ale i komunikační techniky pro průmysl
http://www.t-mobile.cz stránky operátora GSM, který klade velký důraz na aplikace v průmyslu

Z hlediska dálkového přístupu k datům se v současné době prosadila technologie GSM-GPRS, využívaná v celulárních sítích, jejíž hlavní výhodou je trvalé připojení ke vzdáleným stanicím. To je umožněno především tarifikací založenou na objemu přenesených dat, nikoliv tarifikací doby spojení, jako je tomu u podobné technologie GSM-HSCSD. Vzhledem ke vzrůstajícím požadavkům na přenesený objem dat lze předpokládat masivní rozšíření standardu UMTS pro rychlý přístup ke vzdáleným technologiím za účelem monitorování, ovládání a dálkové diagnostiky.

Věříme, že seriál uvozený tímto článkem přispěje k seznámení odborné i laické veřejnosti s uvedenými moderními bezdrátovými komunikačními technologiemi. Autoři si kladou za cíl čtivou formou seznámit laskavého čtenáře s možnostmi jednotlivých bezdrátových komunikačních metod a standardů a tím přispět k rozšíření obecného povědomí o této problematice.

Ing. Zdenek Bradáč, Ing. Petr Fiedler,
Vysoké učení technické v Brně, UAMT FEKT,
a Ing. Milan Kačmář, Radiomobil, a. s.

Inzerce zpět