Protocolos MAC e redes sem fio para automação industrial

Redes industriais são aquelas especificamente projetadas para operação com restrições temporais e com requisitos de tolerância a faltas (fault tolerance), para serem usadas predominantemente em aplicações de controle e automação. Devido às restrições de tempo real, até recentemente essas redes eram usualmente cabeadas e implementa- das somente as camadas um (Física), dois (Enlace) e sete (Aplicação) do modelo de referência OSI, evitando-se, assim, a comunicação com múltiplos saltos e atrasos asso- ciados ao enfileiramento nos nodos intermediários (WILLIG, 2008). Contudo, as redes industriais cabeadas apresentam pouca flexibilidade na mudança de suas configurações e um alto custo de implantação e manutenção. Essas ligações podem custar cente- nas de dólares por metro nas aplicações convencionais, chegando a custar até milhares de dólares por metro, no caso da necessidade de fiação especializada para ambientes agressivos (INDUSTRIAL WIRELESS COMMUNITY, 2002).

Os recentes avanços nas redes sem fio e desenvolvimento de componentes de baixo custo e fácil implantação, tornaram possível substituir-se gradualmente as redes cabe- adas industriais pela alternativa sem fio, permitindo se eliminar dezenas de milhares de metros de fiação na indústria. Além dessa vantagem, em ambientes industriais, pequenos nodos sensores podem ser acoplados em pontos estratégicos das máquinas objetivando monitorar o estado das mesmas, no sentido de verificar se estão sujeitos a fadigas ou operando fora das suas especificações, aumentando sua disponibilidade e vida útil.

A introdução da tecnologia de redes sem fio em ambientes industriais pode ser feita gradualmente tornando necessária sua coexistência com as tecnologias de redes cabea- das. No entanto, mesmo para essa implantação gradual, atualmente há pelo menos três grandes problemas a serem resolvidos (CENA; VALENZANO; VITTURI, 2008): (i) como o meio é compartilhado por todos os dispositivos, a vazão total obtida por cada dispositivo geralmente é muito pequena. Exacerbando este problema, ainda existem os sobrecustos introduzidos pelos protocolos MAC das redes sem fio; (ii) técnicas de acesso ao meio baseadas em disputa (ex. CSMA/CA), usadas frequentemente em redes sem fio, introduzem atrasos máximos que não podem ser pré-determinados; e (iii) há sérios problemas na confiabilidade dessas redes pois os canais de redes sem fio são muito mais sujeitos a erros do que os cabeados.

Uma estratégia para lidar com esses três problemas mencionados é aumentar a diversidade espacial/frequencial/temporal dos protocolos MAC de redes sem fio que executam nesses ambientes. A diversidade em redes sem fio – algumas vezes referida como diversidade de canal ou diversidade de enlace – está relacionada com o fenô-

meno em que transmissões por diferentes canais, faixa de frequência ou instantes de tempo, possuem diferentes condições de recepção, e sofrem diferentes atenuações e perdas. Adotar uma estratégia de diversidade reduz os problemas de vazão, previsibi- lidade temporal e de confiabilidade relatados em (CENA; VALENZANO; VITTURI, 2008), atendendo melhor os requisitos de tolerância a faltas desses ambientes industri- ais (CHEN; ZHANG; MARSIC, 2009).

Diversidade Temporal. Como a comunicação sem fio é sujeita a falhas de transmis- são – devido a colisões de mensagens, interferências ou atenuação no sinal –, a retransmissão de mensagens (ARQ - Automatic Repeat reQuest) é uma técnica fundamental utilizada pela maioria dos protocolos MAC. Algoritmos que usam um tempo de backoff antes de retransmitir a mensagem tentam exatamente ob- ter uma maior diversidade temporal, espalhando no tempo a retransmissão da mensagem, buscando aumentar a chance de sucesso. No entanto, há limites su- periores para os tempos de backoff, pois em aplicações industriais geralmente há necessidade de se estabelecer soluções de compromisso entre atender as res- trições temporais das aplicações (ainda que sejam deadlines soft) e aumentar a taxa de sucesso com a consequente economia de energia, espalhando o má- ximo possível os tempos de backoff das mensagens, evitando, assim, possíveis retransmissões futuras. Outra abordagem possível – comum na área de teleco- municações mas que é raramente usada em protocolos MAC de redes industriais – é empregar uma codificação de correção de erros em avanço (FEC - Forward Error Correction), espalhando a informação sobre um período mais longo de tempo de transmissão.

Diversidade em Frequência. No caso de erros por interferência no sinal, a diversi- dade temporal deve ser empregada em conjunto com a diversidade em frequên- cia. A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças com relação à reflexão, difração e espalhamento, ainda que seja considerado o mesmo instante de tempo e localização. Medidas corretivas para esse tipo de desvanecimento incluem transmissões simultâneas por múltiplas subportadoras e salto entre frequências (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Como vantagem adicional ao aumento na confiabilidade, essas técnicas podem melho- rar a vazão da rede, permitindo que dispositivos adjacentes transmitam simulta- neamente em diferentes faixas de frequência.

Diversidade Espacial. Entre um transmissor e um receptor podem existir múltiplos percursos para o sinal se propagar. Para aumentar a diversidade espacial, no nível

físico, múltiplas antenas podem ser usadas, e na camada de rede, uma topologia em malha (mesh) na organização da rede também aumenta a sua confiabilidade. Adotar uma abordagem para aumentar a diversidade – seja temporal, frequencial ou especial – como um esquema para melhorar o transporte de dados, pode funcionar em qualquer camada ou numa combinação das mesmas. Contudo, importante destacar que esquemas que envolvem a diversidade na camada física, influenciam também os protocolos da subcamada MAC, devido à proximidade entre essas duas camadas.

5.1.3

IEEE 802.15.4

A especificação do IEEE 802.15.4 (COMMITTEE, 2006) define as camadas físicas e subcamada MAC da pilha de protocolos para redes LR-WPAN. O padrão especifica dois tipos diferentes de dispositivos para essas redes: FFD (full-function device) e RFD (reduced-function device). A diferença entre eles reside no fato que, enquanto um dis- positivo RFD opera com uma implementação mínima do protocolo, e pode atuar apenas como um dispositivo simples, um nodo FFD pode atuar também como um coordenador da rede (PAN coordinator), provendo serviços de sincronização para rede, geralmente através do envio de mensagens de beacon. Por esse motivo, uma rede IEEE 802.15.4 necessita ter pelo menos um dispositivo atuando como nodo coordenador, gerenciando os outros nodos da rede. Contudo, mesmo para o coordenador da rede, o envio de beaconsnão é obrigatório porque o MAC do IEEE 802.15.4 suporta dois modos de operação: com e sem beacon (Figura 5.2).

Figura 5.2: Modos de operação do MAC em redes IEEE 802.15.4

O protocolo padrão usado para o controle de acesso ao meio é o CSMA/CA, e duas versões são oferecidas pelo padrão: com e sem slots. O modo CSMA-CA com slots pode ser usado apenas no modo com beacon, e a principal diferença entre os dois modos reside no fato que no modo CSMA-CA com slots, a contagem de slots de backoff de um dispositivo desta rede necessita estar alinhado com o início de um beaconde transmissão.

A Figura 5.3 ilustra um exemplo de uma rede IEEE 802.15.4 configurada no modo CSMA-CA com beacon. Nela é possível se observar a importância de dois parâmetros: Beacon Order(BO) e Superframe Order (SO). O parâmetro BO define o intervalo de transmissão do beacon, ou seja, o Beacon Interval (BI); enquanto SO determina a dura- ção de tempo em que o superquadro fica no modo ativo, ou seja, o Superframe Duration (SD). No exemplo mostrado, o valor de BO é igual a SO + 1. Esses valores causam a existência de período de tempo inativo, no qual dispositivos não podem transmitir. Em outras possíveis configurações de rede, os valores de BO e SO podem ser iguais, não existindo período inativo, com o intervalo entre beacons coincidindo com a duração do superquadro.

Figura 5.3: Um superquadro do IEEE 802.15.4 com GTS e período inativo

Adicionalmente ao Contention Access Period (CAP), onde os dispositivos trans- mitem disputando o acesso ao meio usando o protocolo CSMA/CA, um superquadro pode, opcionalmente, possuir um período sem disputa pelo meio – o Contention Free Period (CFP). O CFP é usado por dispositivos que necessitam garantias de que não haverá colisões de suas mensagens com outros dispositivos IEEE 802.15.4. Este pe- ríodo de tempo consiste na alocação, pelo dispositivo coordenador da rede, de com- partimentos garantidos – Guaranteed Time Slots (GTS). Supostamente, a alocação de compartimentos garantidos, através da definição de um período de tempo sem disputas, resolveria o problema das aplicações que necessitam de garantias tempo real. Entre- tanto, uma grande desvantagem deste mecanismo é que apenas sete compartimentos podem ser alocados para todos os dispositivos, o que é insuficiente para a maioria das aplicações.

5.1.4

WirelessHART

A tecnologia WirelessHART (Wireless Highway Addressable Remote Transducer) (KIM et al., 2008) permite um protocolo de comunicação bidirecional que prevê a troca de

dados entre instrumentos inteligentes de campo e sistemas de coleta numa planta in- dustrial. Seus transceivers funcionam na banda 2.4 GHz mantendo compatibilidade na camada física com redes IEEE 802.15.4. No entanto, sua subcamada MAC usa a téc- nica TDMA e salto entre frequências para controle de acesso ao meio. Esta técnica de MAC permite a comunicação determinista e livre de colisões entre dois dispositivos, cada um associado a um compartimento: um como fonte e outro como destino. Os compartimentos migram de uma frequência a outra, segundo uma ordem determinada, aumentando a diversidade em frequência.

Os dispositivos de comunicação são associados a um superquadro, um comparti- mento dentro de um superquadro e um canal. Este trio forma um enlace de comuni- cação entre dois dispositivos. A camada de enlace de dados comporta a transferência de dados de uma origem a um destino, com retransmissão automática para garantir a ausência de erros na transferência de dados. Nesta camada estão implementados ser- viços de QoS, divididos em duas classes: com prioridade e com limite de tempo. As prioridades são classificadas em quatro níveis: comandos, dados de processos, nor- mal e alarme. Os limites de tempo são dados na própria mensagem que especifica em cada solicitação limites superiores sobre a duração do tempo máximo permitido para a conclusão de cada instância da tarefa.

5.1.5

ISA 100.11a

Uma rede ISA100.11a (ISA, 2008) consiste de uma coleção de dispositivos físicos que se comunicam através de enlaces compatíveis com o padrão IEEE 802.15.4. Enquanto no WirelessHART todos os dispositivos de campo são roteadores com capacidade de repassarem pacotes para outros dispositivos, no ISA100.11a os dispositivos sensores e atuadores não tem capacidade de roteamento. Dessa forma, neste padrão os instrumen- tos de campo precisam ser definidos a priori ou como nodos finais, sem capacidade de rotear pacotes, ou como nodos roteadores (PETERSEN; S., 2011). Essa flexibilidade permite reconfigurar redes ISA100.11a suportando topologias em malha, agrupamento em árvore ou estrela

A exemplo do WirelessHART, o ISA100.11a utiliza na camada física os canais 11 a 26 do padrão IEEE 802.15.4. Da subcamada MAC do IEEE 802.15.4, utiliza algumas funcionalidades. No entanto, em vez de adotar os mecanismos padrão de retransmis- são e de tempo de backoff, o ISA100.11a implementa seu próprio mecanismo de retransmissão, envolvendo diversidade espacial e em frequência.

Como esquema para aumentar diversidade frequencial, saltos entre canais são cui- dadosamente programados para, a cada salto, ocuparem um novo canal do IEEE 802.11.

Além disso, como a sequência de saltos é pré-determinada pelo administrador da rede, no caso de haver várias sub-redes, cada uma pode utilizar uma sequência defasada de seu vizinho para evitar interferências mútuas.

O ISA100.11a suporta tanto compartimentos de tempo dedicados para tráfego regu- lar e previsível como compartimentos de tempo compartilhados para alarmes, tráfego em rajadas e retransmissão. Para cada compartimento é definido quem é o transmissor e quem é o receptor e, portanto, um dispositivo saberá em que momento deve ouvir o meio para receber um mensagem e em que momento deve transmitir para um outro determinado dispositivo.

5.1.6

IEEE 802.15.4e

Apesar do padrão IEEE 802.15.4 estar sendo aceito cada vez mais como um padrão industrial, este não foi originalmente desenvolvido para tratar aspectos de tempo real (CHEN; GERMAN; DRESSLER, 2010). Por este motivo, devido à influência dos me- canismos já introduzidos no WirelessHART e no ISA100.11a, há propostas de estender este padrão incorporando, dentre outras, as seguintes características:

• Comunicação com baixa latência: para reduzir os atrasos fim a fim na entrega de mensagens, visando principalmente aplicações de controle;

• Estrutura com múltiplos superquadros e escalonamento TDMA: permitindo a alocação de dezenas de compartimentos, contornando as limitações impostas pelo padrão original de se poder alocar apenas sete GTS a cada superquadro; e

• Salto entre canais: para aumentar a diversidade de frequência, adicionando ro- bustez e permitindo a coexistência com outras redes sem fio.

Nesse sentido, essas propostas estão sendo consolidadas atualmente no padrão, IEEE 802.15.4e (COMMITTEE, 2010), o qual foi proposto como uma emenda ao pa- drão IEEE 802.15.4, e atualmente aprovado na forma de um draft, em 2010, destinado a atender à demanda industrial.

Como exemplo de mecanismo para suportar comunicação com baixa latência entre o coordenador PAN e seus dispositivos sensores/atuadores, em redes com topologia es- trela, propõe-se um mecanismo opcional de quadro MAC curto, com apenas 1 octeto de cabeçalho, permitindo a redução tanto no tempo de processamento do quadro quanto no tempo de sua transmissão. O acesso físico passa a ser regido por um esquema TDMA com compartimentos (time slots) definidos em um superquadro de tamanho fixo. Esses

compartimentos podem ser dedicados para dispositivos sensores, atuadores e também para o gerenciamento da rede, sendo acessados diretamente sem uso de CSMA-CA (portanto, sem a necessidade de escutar o meio antes de transmitir).

Uma estrutura com múltiplos superquadros pode ser definida de forma opcional. Esta estrutura, denominada multi-superframe, é formada por um ciclo de superqua- dros, cada qual composto por um quadro de beacon, período com contenção (CAP) e período sem contenção (CFP). Além dos parâmetros BO e SO, já existentes no padrão IEEE 802.15.4 e que servem para definir o intervalo entre beacons e a duração do su- perquadro, respectivamente, um novo parâmetro MacMulti-superframeOrder (MO) é usado para definir o tamanho do multi-superframe.

Durante um período com contenção os nodos precisam ficar ativos, pois podem ne- cessitar receber quadros de outros nodos. Portanto, com objetivo de permitir economia de energia, um mecanismo denominado Redução de CAP (CAP Reduction) pode ser usado em múltiplos superquadros. Caso esse mecanismo seja usado, excetuando-se o primeiro superquadro, todos os superquadros subsequentes no multi-superframe terão apenas períodos sem contenção (CFP).

O mecanismo de reconhecimento múltiplo, conhecido como Group ACK pode ser usado para melhor gerenciar as mensagens de reconhecimento em aplicações com con- trole centralizado (ex. aplicações de controle via rede), evitando-se o envio de men- sagens de reconhecimento individuais para cada dispositivo. Um Group ACK é um compartimento reservado pelo coordenador PAN, contendo um bit correspondente a cada dispositivo, e que serve para informar a estes, se seus quadros de dados foram corretamente recebidos ou não. Propõe-se, junto com este mecanismo, a alocação de compartimentos dedicados para que os dispositivos que não tiveram sucesso em suas tentativas anteriores façam suas retransmissões.

Para aumentar a diversidade em frequência, o modo de salto de canais pode ser usado dentro de um superquadro em uma estrutura multi-superframe. Como exemplo, cada compartimento dentro de um superquadro pode usar um canal distinto, escolhendo um dentre os 11 canais disponíveis, evitando assim interferência de outros dispositivos que estejam no alcance do rádio. Dentro de um multi-superframe, a sequência de saltos entre canais precisa ser pré-definida, mas a escolha cuidadosa da sequência de saltos permite introdução de um deslocamento (offset) em frequência em compartimentos de superquadros contíguos, introduzindo uma ortogonalidade entre o tempo e a frequên- cia, o que ajuda a reduzir a possibilidade de interferências.