ГОСТ Р МЭК 62657-2-2016

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 Сети промышленной коммуникации

 БЕСПРОВОЛОЧНЫЕ КОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ

 Часть 2

 Обеспечение совместимости

 Industrial communication networks. Wireless communication networks. Part 2. Coexistence management

ОКС 25.040.40,

          33.040,

          35.110

Дата введения 2017-04-01

 Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Негосударственным образовательным частным учреждением "Новая Инженерная Школа" (НОЧУ "НИШ") на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии указанного в пункте 4 стандарта, который выполнен Российской комиссией экспертов МЭК/ТК 65, и Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ВНИИНМАШ)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 306 "Измерения и управление в промышленных процессах"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 июня 2016 г. N 468-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 62657-2:2013* "Сети промышленной коммуникации. Беспроволочные коммуникационные сети. Часть 2. Обеспечение совместимости" (IEC 62657-2:2013 "Industrial communication networks - Wireless communication networks - Part 2: Coexistence management", IDT).

Международный стандарт разработан Техническим комитетом по стандартизации IEC/TC 65 "Измерения и управление в промышленных процессах"

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Апрель 2020 г.

7 В настоящем стандарте часть его содержания может быть объектом патентных прав

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

 Введение

Рынок нуждается в сетевых решениях, каждое из которых должно обладать различными характеристиками и функциональными возможностями, соответствующими разнообразным требованиям приложений. Прикладные технологии промышленной автоматизации охватывают различные области промышленного применения, такие как:

- автоматизация процесса, охватывающая, к примеру, следующие отрасли промышленности:

- нефтегазовую, нефтеперерабатывающую,

- химическую,

- фармацевтическую,

- горнодобывающую,

- целлюлозно-бумажную,

- водоочистку и водоподготовку,

- сталелитейную;

- электроэнергетика:

- выработка электроэнергии (например, ветряная энергетическая установка),

- энергоснабжение (энергосистема);

- автоматизированное производство, охватывающее, к примеру, следующие отрасли промышленности:

- продовольствия и напитков,

- производства автоматизированных технических средств,

- машинного оборудования,

- полупроводников.

Технологии промышленной автоматизации требуют от беспроводных сетей связи иных режимов работы, отличающихся от тех, которые используются, например, в области телекоммуникаций или для коммерческого применения, например пульт дистанционного управления или игрушка. Данные требования промышленной автоматизации определены и приведены в IEC/TC 62657-1. При промышленной автоматизации множество различных беспроводных сетей связи могут работать в одном и том же помещении.

Примерами этих сетей являются МЭК 62591 [6]

(WirelessHART®

), МЭК 62601 [7] (WIA-PA) и IEC/PAS 62734 [9] (ISA100.11a); все эти сети используют IEEE 802.15.4 [18] для использования технологий автоматизации процесса. Другие примеры беспроводных сетей связи указаны в Процедурах Контроля МЭК 61784-1 [3] и МЭК 61784-2 [4], которые используют IEEE 802.11 [14] и IEEE 802.15.1 [16] для автоматизации работы промышленного предприятия. В отличие от проводных промышленных шин (сетей), беспроводные интерфейсы связи могут создавать помехи другим в том же помещении или окружении, мешая друг другу. Таким образом, без предсказуемой уверенности совместимости было бы проблематично иметь несколько беспроводных сетей связи на том же предприятии или производственной среде, особенно потому, что критичность времени, надежность и безопасность эксплуатации не может быть обеспечена в такой среде.

_______________

Цифры в квадратных скобках ссылаются на Список использованной литературы.

WirelessHART является зарегистрированной торговой маркой Фонда Связи HART. Данная информация предоставлена для удобства пользователей настоящего документа и не означает одобрения упомянутого продукта со стороны МЭК. Могут быть использованы эквивалентные продукты, если они могут показать и привести к таким же результатам.

Настоящий стандарт посвящен обеспечению совместимости с предсказуемым уровнем обеспечения совместимости.

Серия МЭК 62657 состоит из двух частей:

- часть 1. Требования к беспроводной связи и спектральные особенности;

- часть 2. Обеспечение совместимости.

IEC/TS 62657-1 [8] регламентируют общие требования промышленной автоматизации и спектральные особенности, которые являются основой для решений промышленной связи. Настоящий стандарт определяет обеспечение совместимости с предсказуемым уровнем обеспечения совместимости. Настоящий стандарт предназначен для упрощения гармонизации будущих поправок к международным, национальным и местным нормативам.

Настоящий стандарт определяет концепцию и процесс обеспечения совместимости. На основании обеспечения совместимости, предсказуемый уровень обеспечения совместимости может быть достигнут для данного диапазона с определенными основными эксплуатационными характеристиками.

Настоящий стандарт содержит руководство для пользователей беспроводных сетей связи относительно выбора и правильного использования беспроводных сетей связи. Для того, чтобы поставлять на рынок соответствующие беспроводные устройства, настоящий стандарт также содержит описание поведения беспроводных устройств для построения беспроводных сетей связи, соответствующих основным эксплуатационным характеристикам.

Настоящий стандарт основан на анализе ряда международных стандартов, ориентированных на определенные технологии. Целью данного стандарта является не изобретение новых критериев (параметров), а использование уже определенных и стремление к технологической независимости.

      1 Область применения

Настоящий стандарт:

- определяет основные гипотезы, понятия, параметры и методику процесса совместимости беспроводной связи;

- определяет параметры совместимости и как они используются в приложении, требующем беспроводной совместимости;

- содержит рекомендации, требования и передовые методы по обеспечению работоспособности и функционирования беспроводной связи на автоматизированном промышленном предприятии, которая охватывает весь функциональный цикл совместимости беспроводной связи;

- помогает работе всех вовлеченных лиц с соответствующими обязанностями справляться с важнейшими составляющими на каждом этапе функционального цикла обеспечения совместимости беспроводной связи на автоматизированном промышленном предприятии. Важнейшими составляющими функционального цикла являются планирование, проектирование, установка, реализация, обслуживание, обеспечение и обучение;

- предлагает общую точку отсчета для совместимости беспроводной связи на производственных объектах промышленной автоматизации в качестве однородного руководства в помощь пользователем для проведения оценки и расчета трудозатрат их промышленного предприятия;

- рассматривает функциональные аспекты совместимости беспроводной связи как с точки зрения статической человеко-инструментальной организации, так и динамической самоорганизации сети.

Настоящий стандарт внесет основной вклад в государственные и региональные нормативы.

Это не освобождает устройства от обязанности соответствовать всем требованиям национальных и региональных нормативов.

Примеры:

1 Настоящий стандарт мог бы быть указан в качестве согласованного (гармонизированного) стандарта в Официальном Журнале Европейского Союза (ОЖЕС) для соответствия требованиям Статьи 3.2[20] Европейской директивы "Оконечное радио- и телекоммуникационное оборудование" (R&TTE) в дополнение к прочим согласованным стандартам.

2 Настоящий стандарт мог бы быть указан в Статье 18 [21] Корейского Исполнительного Постановления Закона о Регламенте Радиосвязи.

      2 Нормативные ссылки

Отсутствуют.

      3 Термины, определения, сокращения и условные обозначения

      3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 помехи от соседних каналов (adjacent channel interference): Помехи, возникающие, когда два или более беспроводных приложения используют каналы соседней частоты.

3.1.2 избирательность по соседнему каналу (adjacent channel selectivity): Способность радиоприемника реагировать на полезный сигнал и отклонять сигналы в каналах соседней частоты.

3.1.3 антенна (antenna): Конструкция или устройство, используемое для улавливания или излучения электромагнитных волн.

3.1.4

3.1.5 диаграмма направленности передающей антенны (antenna radiation pattern): Изменение напряженности поля (уровня сигнала) антенны как угловая функция относительно оси.

3.1.6 приложение автоматизации (automation application): Приложение измерений и автоматического контроля в областях промышленной автоматизации.

3.1.7 количество бит данных приложения автоматизации (automation application data length): Количество октетов, которыми обмениваются на интерфейсе связи.

3.1.8 полоса пропускания (пропускная способность) (bandwidth): Разница между верхней и нижней частотой среза.

3.1.9 центральная частота (centre frequency): Среднее геометрическое значение нижней частоты среза и верхней частоты среза радиоканала.

3.1.10 занятость канала (channel occupation): Время, в течение которого среда передачи данных занята.

Примечание - Помимо самой передачи пользовательских данных, это время включает в себя временные отрезки, необходимые для обработки протокола передачи, например, для передачи подтверждения.

3.1.11

3.1.12 совместимость (coexistence): Состояние совместимости беспроводной связи, при котором все решения беспроводной связи на промышленном предприятии, использующие коллективную среду, выполняют все свои требования приложений связи.

Примечание - Это согласуется с определением совместимости в IEEE 802.15.2-2003 [17].

3.1.13

3.1.14 обеспечение совместимости (coexistence management): Процесс создания и поддержания совместимости, включающий в себя организационно-технические мероприятия.

3.1.15 планирование совместимости (coexistence planning): Процесс, который описывает закрепление источников беспроводной связи (время, частоты, кодирование, пространство) за каждой системой беспроводной связи для достижения совместимости.

3.1.16 интерфейс связи (communication interface): Открытый интерфейс между приложением автоматизации и беспроводным элементом.

Примечание - Для измерений и автоматизации не существует последовательно определенных интерфейсов. Интерфейсом устройства может являться последовательный или параллельный аппаратный интерфейс, интерфейсная шина, программный интерфейс или последовательный, параллельный, дискретный и аналоговый интерфейс.

3.1.17 загрузка линии связи (communication load): Требование приложения автоматизации к передаче определенного объема пользовательских данных в пределах определенного отрезка времени.

3.1.18 коэффициент заполнения (duty cycle): Коэффициент отношения последовательности передатчика к установленному времени наблюдения для использованного радиоканала.

3.1.19 время выдержки (dwell time): Время, потраченное на определенной частоте в течение одного скачка системы со скачкообразным изменением частоты.

3.1.20 эффективная мощность излучения (effective radiated power; ERP): Мощность, подаваемая на антенну, умноженная на коэффициент усиления антенны.

3.1.21 частотный диапазон (frequency band): Диапазон в частотном спектре, который назначается регулирующими организациями для использования конкретными приложениями.

3.1.22 частотный канал (frequency channel): Часть частотной полосы, которая используется в соответствии со спецификацией (стандартной или спецификацией устройства) системой беспроводной связи.

Примечание - Согласованное использование различных частотных каналов является одним из критериев достижения совместимости.

3.1.23 помехоустойчивость (immunity): Способность элемента продолжать работу надлежащим образом в случае возникновения помех до определенного уровня помех и быть устойчивым к помехам выше этого уровня.

Примечание - Помехоустойчивость элемента достигается за счет прибавления к ошибкоустойчивости элемента способности быть устойчивым к помехам.

3.1.24 интермодуляционная чувствительность (intermodulation sensitivity): Объем внеполосных мешающих сигналов, которые при смешивании в буферном процессоре приемника образуют внутриполосной продукт нелинейности третьего порядка.

3.1.25 джиттер (колебание задержки) (jitter): Изменение во времени ожидаемого появления.

Примечание - Примерами являются изменения во времени передачи и обновления данных.

3.1.26 нижняя частота среза (lower cut-off frequency): Частота еще ниже частоты максимальной мощности, где спектральная плотность мощности падает ниже определенного уровня.

3.1.27 механизмы для адаптивности (mechanisms for adaptivity): Меры для изменения одного или нескольких рабочих параметров систем для того, чтобы улучшить степень устойчивости систем к помехам и минимизировать использование среды передачи данных.

3.1.28 метрические показатели (метрики) (metrics): Набор количественных показателей, соответствующих выбранным свойствам устройства связи, оборудования или системы беспроводной связи.

3.1.29 промышленное предприятие (plant): Рассматриваемое предприятие, включая его фактическую зону работы, персонал, оборудование и все прочее имущество.

3.1.30 спектральная плотность мощности (power spectral density): Мощность сигнала на определенной ширине диапазона.

3.1.31 радиоканал (radio channel): Интервал частотного спектра, который характеризуется по нижней и верхней частоте среза или по центральной частоте и ширине диапазона.

3.1.32 (радио) ресурс [(radio) resource]: Средства, используемые несколькими решениями беспроводной связи с целью передачи радиосигнала.

3.1.33 радиоустойчивость (radio robustness): Отличительное свойство беспроводной связи выполнять назначенную функцию, несмотря на наличие других активных приложений беспроводной связи, вмешивающихся в сферу влияния.

Примечание - Данный термин имеет такое же значение, как и определение термина совместимости в IEEE 802.15.2-2003, 3.1.2 [17].

3.1.34 блокировка приемника (receiver blocking): Влияние сильного внеполосного сигнала помех на способность приемника обнаруживать низкоуровневый полезный сигнал.

3.1.35 максимальный уровень входного сигнала приемника (receiver maximum input level): Максимальная мощность сигнала, которую может допустить система без искажений сигнала.

3.1.36 чувствительность приемника (receiver sensitivity): Минимальная мощность сигнала для приема данных с определенной частотой ошибочных битов.

3.1.37 эксплуатационная надежность (robustness): Способность элемента продолжать работу надлежащим образом в случае возникновения помех до определенного уровня помех.

Примечание - Эксплуатационная надежность элемента может быть увеличена в результате изменения одного или более его рабочих параметров.

3.1.38 совместно используемая среда передачи данных (shared medium): Ресурс частотного диапазона на определенном участке, совместно используемый несколькими беспроводными приложениями.

Примечание - В промышленном, научном и медицинском диапазоне используются многие беспроводные приложения. Благодаря этому совместному использованию термин "совместная среда" используется в настоящем стандарте. Частотные диапазоны используются различными беспроводными приложениями промышленного, научного и медицинского назначения.

3.1.39 побочный сигнал приема (ложный отклик) (spurious response): Выходная мощность радиоприемника в результате нежелательных сигналов.

Примечание - Это означает наличие частот, отличных от частот канала резонансной частоты.

3.1.40 общая мощность излучения (total radiated power): Пространственная плотность мощности, объединенная по всей поверхности сферы.

3.1.41 обрыв (пауза) передачи сигнала (transmission gap): Обрыв между двумя последовательными коэффициентами использования канала передатчиком.

3.1.42 интервал между посылками импульсов (transmission interval): Разница во времени между двумя последовательными передачами пользовательских данных из приложения автоматизации через интерфейс связи на модуль связи.

3.1.43 продолжительность последовательности передачи (transmission sequence duration): Время, в течение которого передатчик использует частотный ресурс для определенной последовательности с целью передачи данных.

3.1.44 спектральная маска передатчика (transmitter spectral mask): Максимальный предел спектральной плотности мощности на частотном диапазоне.

3.1.45 верхняя частота среза (upper cut-off frequency): Частота выше частоты максимальной мощности, где спектральная плотность мощности падает ниже определенного уровня.

3.1.46 беспроводное приложение (wireless application): Любое использование электромагнитных волн с устройствами или оборудованием для генерирования и использования радиочастотной энергии.

3.1.47 беспроводная связь (wireless communication): Связь, при которой электромагнитные излучения используются для передачи информации без использования проводов или оптоволокна.

3.1.48 беспроводная сеть связи (беспроволочная коммуникационная сеть) (wireless communication network): Решение беспроводной связи, состоящее как минимум из двух беспроводных устройств.

Примечание - "Беспроводная сеть" используется в рисунках в качестве сокращенного термина "беспроводная сеть связи".

3.1.49 решение беспроводной связи (wireless communication solution): Конкретная реализация или вариант беспроводной системы связи.

Примечание - Решение беспроводной связи может состоять из продуктов одного или более производителей.

3.1.50 система беспроводной связи (wireless communication system): Совокупность взаимосвязанных элементов, обеспечивающих беспроводную связь.

Примечание - Система беспроводной связи является высокоуровневой формой представления системы, в то время как решение беспроводной связи является практическим примером системы. Система беспроводной связи может включать в себя одну или более беспроводных сетей. "Беспроводная система" используется в рисунках в качестве сокращенного термина "беспроводная система связи".

      3.2 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

AFH - адаптивная перестройка частоты;

BOS - аварийно-спасательная служба; система беспроводной связи для использования органами государственной власти и организациями с функциями по обеспечению безопасности;

СЕРТ - Европейская организация администраций почты и электросвязи;

СР - коммуникационный профиль в соответствии с МЭК 61784-2 [4];

CSMA - множественный доступ с контролем несущей;

DAA - обнаружить и избежать (уклониться);

DAR - обнаружить и понизить;

DAS - обнаружить и подавить;

DECT - усовершенствованная цифровая беспроводная связь;

ЕСО - Европейский коммуникационный офис (Комитет по электронным коммуникациям Ассоциации министерств связи и администраций сетей связи стран Европы);

EIRP - эффективная изотропная мощность излучения;

ЕМС - электромагнитная совместимость;

ERP - эффективная мощность излучения;

GSM - глобальная система мобильной связи;

IP - межсетевой протокол (Интернет-протокол);

ISM - промышленный, научный и медицинский (частотный диапазон);

IT - информационная технология;

ITU - Международный союз телекоммуникаций;

LAN - локальная вычислительная сеть;

LOS - в пределах линии прямой видимости (область прямой видимости);

MAC - управление доступом к среде передачи данных;

NLOS - за пределами линии прямой видимости (область непрямой видимости);

N/A - неприменимо;

OLOS - за пределами прямой видимости;

РСВ - печатная плата;

PHY - физический уровень;

PLR - коэффициент потери пакетов;

PSD - спектральная плотность мощности;

R&TTE - оконечное радио- и телекоммуникационное оборудование;

RFID - радиочастотная идентификация;

SIR - отношение сигнал-помеха;

TDMA - множественный доступ с временным разделением каналов;

TRP - общая мощность;

UMTS - универсальная система мобильной связи;

WD - беспроводное устройство;

WIA-PA - беспроводная сеть для промышленной автоматизации - Автоматизация процессов;

WLAN - беспроводная локальная сеть передачи данных;

ZVEI - центральное объединение предприятий электротехнической промышленности.

      3.3 Условные обозначения

Примечание - Графические представления блок-схем в рисунках основаны на ИСО 5807 [10].

В разделе 8 для шаблонов параметров обеспечения совместимости применяются следующие условные обозначения:

- в столбце "Параметр" используются абзацы для группирования определенных параметров. Параметры, находящиеся правее, относятся к вышеуказанному параметру, находящемуся левее;

- столбец "Использование" определяет, будет ли параметр являться обязательным, необязательным (дополнительным) или параметром выбора, если выбран один из нескольких параметров;

- пункт "Значение" может содержать диапазон или список значений, если параметры допускают многовариантность. Если параметр не имеет единицы измерения, то пункт "Единица измерения" должен иметь маркировку "не применимо" (N/A).

      4 Концепция совместимости в автоматизации промышленного производства

      4.1 Общие положения

4.1.1 Общие сведения

Беспроводная связь в автоматизации промышленного производства способствует осуществлению производственных процессов более экономически эффективно, гибко и надежно, а также позволяет реализовывать новые концепции автоматизации. Приложения автоматизации обычно предъявляют более жесткие требования к надежности и способности беспроводной связи работать в режиме реального времени, чем приложения в домашнем и офисном домене.

Благодаря этим требованиям используются различные системы беспроводной связи. Вполне вероятно, что в одном месте могут одновременно работать несколько систем беспроводной связи.

В связи с тем, что эти системы беспроводной связи работают совместно в одной среде, то в течение всего периода эксплуатации предполагается возникновение помех. Это влияет на надежность и способность работать в режиме реального времени. Настоящий стандарт предназначен помочь определить потенциальные риски и рекомендовать меры по контролю за этими рисками в зависимости от требований приложения автоматизации.

Настоящий стандарт предназначен проектировщикам и лицам, отвечающим за производственные и обрабатывающие промышленные предприятия, специалистам автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), которым необходимо внедрить и запустить системы беспроводной связи на оборудовании и промышленных предприятиях, а также поставщикам технологий в области промышленных беспроводных систем связи. В частности, настоящий стандарт для обмена информацией между инженерами по автоматизации и радиотехниками.

Настоящий стандарт также показывает, что чаще всего совместимость нескольких систем беспроводной связи и одновременно эффективная обработка частотного диапазона в качестве ограниченного ресурса осуществима при условии выбора правильного подхода с учетом соответствующих требований. Для того чтобы добиться этого, необходим процесс, в котором учтены все аспекты совместимости систем беспроводной связи во время проектирования, пуско-наладки и эксплуатации, а также технического обслуживания.

Данный процесс, называемый обеспечением совместимости технологий беспроводной связи, является предметом настоящего стандарта.

Сопутствующие действия и решения служат для соблюдения заявленных предельных значений для приложения на протяжении всего периода эксплуатации промышленного предприятия.

Данный процесс может быть более или менее сложным, в зависимости от актуальности требований, относящихся к беспроводной связи для конкретного промышленного предприятия. Степень сложности зависит, помимо иных аспектов, от характеристик приложения, используемого каждой технологией беспроводной связи (например, контроль с жесткими требованиями работы в реальном времени), а также количества и расположения нескольких беспроводных систем связи (мешают ли они потенциально друг другу?). Если беспроводные системы не мешают друг другу, требования предъявляются к системе беспроводной связи, потребуется меньшее усилие для совместимости технологий беспроводной связи, чем в случае, когда система беспроводной связи является частью управляющего приложения со строгими требованиями к работе в реальном времени. Однако рекомендуется строго учитывать, что дополнительные системы беспроводной связи могут быть внедрены позже или что требование к существующей системе беспроводной связи может измениться в будущем (например, в результате дополнительных приложений). Проект промышленного предприятия должен гарантировать, что применяемые меры по обеспечению совместимости отвечают требованиям системы беспроводной связи. Состояние совместимости характеризуется удовлетворением предельных значений соответствующих параметров для всех беспроводных приложений в рассматриваемой зоне. Состояние совместимости осуществляется с помощью соответствующих действий при планировании и эксплуатации. Поэтому совместимость не является статическим атрибутом технологии беспроводной связи, а состоянием на протяжении всего срока эксплуатации промышленного предприятия. Существует возможность оставить это состояние временно или постоянно в связи с определенными событиями. Предельные значения параметров определяются приложением автоматизации, в котором осуществляется беспроводная связь. Это также означает, что обеспечение совместимости должно быть оценено и устроено концептуально и в полном соответствии с приложением автоматизации.

Если причиной превышения предельных значений является разрешенная радиосистема вне зоны ответственности и контроля специалиста по обеспечению совместимости, то специалист по обеспечению совместимости должен принять срочные меры, чтобы этим радиосистемам не мешали промышленные беспроводные системы связи.

Пример - Для достижения соответствия промышленных беспроводных технологий связи широкополосному фиксированному беспроводному доступу (BFWA) в диапазоне от 5725 до 5875 MHz в Европе (канал доступа BFWA может находиться под воздействием в радиусе вокруг систем промышленной беспроводной связи от 3 до 10 км) эффективным способом была бы установка дополнительной антенны обратного приема на крыше промышленного предприятия для того, чтобы обнаружить BFWA сигнал и немедленно прекратить использование этого диапазона за пределами нормального энергетического уровня.

Такая антенна будет иметь преимущество с точки зрения более благоприятных условий распространения на канал воздействия и возможности выбрать антенну с большим усилением для считывания.

С общей точки зрения, совместимости двух или более решений беспроводной связи можно добиться за счет ортогональной передачи сигналов, идущих из разных источников.

Существуют три уровня возможного обеспечения совместимости, где самый низкий уровень является менее эффективным:

- неавтоматизированное обеспечение совместимости (самый низкий уровень);

- автоматизированное несовместное обеспечение совместимости на основе показателей;

- автоматизированное совместное обеспечение совместимости на основе показателей (самый высокий уровень).

Автоматизированные и автоматические технические средства и алгоритмы, на которых они основаны, подразделяются на две широкие категории: совместные и несовместные.

4.1.2 Неавтоматизированное обеспечение совместимости

В случае неавтоматизированного обеспечения совместимости специалист по обеспечению совместимости (см. 7.2.1) должен определить четкое планирование решений беспроводной связи, предназначенное для предотвращения перекрытий передачи сигнала. Специалист обязан вручную принять меры, чтобы отреагировать на модификации (незначительные отклонения), изменяющие состояние беспроводной совместимости. Это самый простой метод обеспечения, особенно если вовлечено несколько беспроводных решений с различными технологиями и от нескольких производителей или если существует необходимость управлять несколькими частотными диапазонами. Однако, возможности неавтоматизированного обеспечения совместимости ограничиваются, если какие-либо параметры обеспечения совместимости не могут быть настроены.

4.1.3 Автоматизированное несовместное обеспечение совместимости на основе показателей

При автоматизированном несовместном обеспечении совместимости различные системы беспроводной связи не способны к обмену информацией. Данные системы полностью независимые и опираются только на обнаружение и измерение (оценку) помех. Иными словами, каждая задетая система беспроводной связи классифицирует поведение задевающих систем и таким образом пытается приспособить свое собственное поведение к новой предполагаемой обстановке. По этой причине несовместные технические средства являются более универсальными, но менее эффективными, чем совместные.

Например, несовместные алгоритмы динамически модифицируют стратегии связи (например, диапазон частоты, планирование временного интервала/пакетов и т.д.) в зависимости от некоторых показателей, способных установить, достаточно ли хорошее качество связи или нет.

Примечание - Некоторые из данных показателей описаны в IEEE 802.15.2 [17].

4.1.4 Автоматизированное совместное обеспечение совместимости на основе показателей

При автоматизированном совместном обеспечении совместимости различные системы беспроводной связи способны к обмену информацией.

Предпосылкой для совместного обеспечения совместимости для беспроводных систем связи, использующих различные технологии, предоставляемые несколькими поставщиками, является то, что среди этих решений доступен общий стандартный канал связи.

Автоматизированное совместное обеспечение совместимости может привести к некоторым ограничениям на выбранном оборудовании, поскольку, например, совместные методы обычно выполняются с помощью централизованного арбитратора/планировщика. Обмененная информация позволяет каждой задетой беспроводной системе связи эффективно подстраивать свое поведение к новой реальной обстановке, с учетом требований своей программы и программ других систем беспроводной связи. Эти динамические изменения могут влиять на детерминизм или надежность связи и, следовательно, не подходить для различных приложений автоматизации.

      4.2 Цель

В настоящем стандарте даются рекомендации изготовителям беспроводных средств автоматизации относительно того, как выполнить основное требование (2) Статьи 3 Директивы 1999/5/ЕС Оконечное радио- и телекоммуникационное оборудование (R&TTE) [20] и Статьи 18 Корейского Исполнительного Постановления Закона о Регламенте Радиосвязи [21]. Приборы дополнительно должны соответствовать местным и региональным нормативным требованиям.

В настоящем стандарте обращается особое внимание на меры обеспечения совместимости систем беспроводной связи для измерения и приложений автоматизации. Данные приложения могут быть классифицированы различными способами. Например, в таблице 1 они классифицированы в соответствии со степенью критичности приложения.

Действия (меры) по осуществлению обеспечения совместимости могут отличаться в соответствии с классификацией, приведенной в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация требований приложения к связи

Классификация приложений автоматизации, представленная в таблице 1, относится к функциональным требованиям, которым должно соответствовать приложение обрабатывающей промышленности.

Однако степень критичности и требования к соответствующему приложению связи должны быть определены специалистом по обеспечению совместимости в каждом конкретном случае.

Примечание 1 - Требования приложения к связи описаны в IEC/TC 62657-1 [8].

Приложения, начиная от радиоустройств для считывания штрих-кода и заканчивая голосовыми и видео IP-приложениями, могут быть классифицированы одинаково и рассматриваться в соответствии с настоящим стандартом. Применимость настоящего стандарта не ограничивается конкретной частотной полосой, например, 2,4 ГГц промышленного, научного и медицинского диапазона. Как параллельные системы связи, так и прочие разрешенные беспроводные приложения, такие как системы СВЧ-диапазона для сушки или сварки пластмасс, считаются помехами. Более того, дальнейшие помехи могут возникнуть из-за мощных низкочастотных электромагнитных полей (например, трансформаторов, мощных двигателей или других электромагнитных помех, см. рисунок 1). Источники помех, которые необходимо учитывать, подробно изложены в 4.4.

Примечание 2 - Анализ ЕМС исключен из сферы рассмотрения настоящего стандарта, но принят во внимание.

Настоящий стандарт направлен на решение проблемы обеспечения совместимости по месту нахождения предприятия. Однако, специалист должен учитывать тот факт, что какие-то помехи могут исходить за пределами нахождения промышленного предприятия. Специалист обязан определить и охарактеризовать потенциальные внешние источники радиоизлучения и их расстояние от предприятия. Средства и системы контроля должны быть на месте в рабочем положении для того, чтобы обеспечить отсутствие доступа несанкционированных или неучтенных мобильных источников на территории предприятия.

Рисунок 1 - Область рассмотрения

Предполагается, что в условиях без помех от других беспроводных систем связи система беспроводной связи в основном отвечает требованиям приложения автоматизации и что, в частности, предельные значения временной зависимости и ошибочного поведения соблюдаются, благодаря планированию требований к связи.

Меры, описанные здесь, предназначены для обеспечения необходимой производительности даже в присутствии других беспроводных приложений.

      4.3 Необходимость осуществления обеспечения совместимости

Полосы частот, выделяемые регулирующими организациями, представляют собой ценный ограниченный ресурс, который будет быстро исчерпан в случае нерегулируемого использования.

На рисунке 2 приведен пример беспроводного оборудования, которое можно найти в современной промышленности.

Существует высокий риск помех в результате чего, при определенных условиях, требования предполагаемой работоспособности и производительности не могут быть соблюдены. Для того чтобы избежать этого, или, скорее, чтобы снизить риск помех, необходимо осуществить привязку, процесс общекорпоративного уровня для обеспечения беспроводных приложений для всех участвующих сторон в соответствии с настоящим стандартом.

Рисунок 2 - Примеры беспроводного оборудования в современной промышленности

Обеспечение совместимости - это процесс внутри компании, который должен быть приспособлен к структуре и внутренним процессам предприятия. В каждой отдельной компании структура и процессы могут быть организованы по-разному.

Кроме того, фокус внимания в определении процесса или его отдельных шагов может отличаться в зависимости от рассматриваемых групп пользователей:

- беспроводные приложения с высокой пропускной способностью, но менее жесткими требованиями к работе в реальном времени: обеспечение совместимости ставит акцент на обеспечении надлежащей пропускной способности;

- беспроводные приложения без особых требований к производительности и работе в реальном времени: обеспечение совместимости направлено на обеспечение территориального охвата;

- беспроводные приложения с жесткими требованиями к работе в реальном времени: обеспечение совместимости защищает от функциональных проблем, вызванных в результате влияния других беспроводных приложений (классы приложений Функциональной безопасности или Управления).

В дополнение к этому, для обеспечения совместимости рекомендуется выполнить следующие основные меры:

- назначение общекорпоративного специалиста по обеспечению совместимости;

- назначение конкретного локального специалиста по обеспечению совместимости, если у компании несколько объектов (помещений);

- создание комитета, состоящего из контактных лиц всех подразделений компании, использующих беспроводные приложения;

- инвентаризация всех установленных и, по возможности, всех запланированных беспроводных приложений;

- учреждение процедуры регистрации новых беспроводных приложений или решений и идентификации уже существующих;

- координация и принятие решений, касающихся утверждения и применения беспроводных систем связи в рамках комитета;

- учреждение регламента и осуществимых в порядке принудительного исполнения дисциплинарных мер в отношении неполномочного внедрения новых беспроводных приложений или решений.

Эффективное обеспечение совместимости - это согласованный процесс с представительством всех участвующих подразделений компании (подразделений, отделов, технологий). Участвующими подразделениями являются те, которые занимаются планированием, материально-техническим снабжением, установкой, вводом в эксплуатацию, эксплуатацией и техническим обслуживанием беспроводных приложений, как например, планирование технологических процессов (технологическое планирование), информационные технологии, автоматизация, эксплуатация промышленного предприятия (производство), развитие, закупки, административно-хозяйственное производство (организация производства).

Обеспечение совместимости обеспечивает ряд преимуществ:

- снижение или устранение помех, ведущих к незапланированным простоям;

- сокращение или избавление от трудоемкого, дорогостоящего и отнимающего много времени процесса локализации отказов;

- снижение или исключение сокращения инвестиций в решения беспроводной связи, которые не могут работать в существующей радиосреде предприятия.

Примечание - Термин "решение беспроводной связи" использован здесь вместо термина "беспроводная система связи", так как он учитывает отличительные особенности продукта, которые являются важными для обеспечения совместимости.

      4.4 Интерференционный потенциал

Беспроводные приложения, использующие один и тот же частотный диапазон в качестве "совместной среды", могут мешать друг другу.

При одновременном соблюдении следующих условий взаимные помехи приводят к:

- перекрытию сигналов в частотной области;

- перекрытию сигналов во временной области;

- перекрытию сигналов при кодировании;

- отсутствию сигнала (сигналу логического нуля) (в зависимости от местоположения, мощности, характеристики антенны, поляризации).

Это приводит к столкновениям беспроводных приложений таким образом, что, например, переданный пакет необходимо повторить. Реакция системы на описанные помехи зависит от нескольких факторов, например, от стандарта радиосвязи, программно-аппаратной реализации или от класса приложения, который использует система связи для передачи данных.

Отделение неперекрывающихся частотных каналов является способом достижения совместимости.

Однако, возможны помехи между системами беспроводной связи, использующими одну и ту же полосу частот, например, из-за помех соседнего канала. Данные помехи называются помехами перекрестного канала связи. В частности, аналоговые беспроводные системы связи содержат в себе большой интерференционный потенциал для цифровых беспроводных систем связи из-за их высокой степени занятости канала. Кроме того, системы беспроводной связи, использующие разные частотные диапазоны, могут создавать помехи друг другу. Под основным сигналом, система беспроводной связи также издает внешние полосные сигналы, которые могут проникать в частотный канал подвергающейся опасности беспроводной системы связи, тем самым оказывая воздействие на полезный сигнал. Качество принимаемого сигнала в приемнике, в зависимости от помех со стороны других систем беспроводной связи, обычно измеряется соотношением сигнала к помехе (SIR), которым является отношение мощности полезного сигнала к общей остаточной мощности мешающего сигнала (помехи). Приемник может правильно обрабатывать (расшифровывать) входящие данные только тогда, когда соотношение сигнала к помехе выше заданного порогового значения. Значение порога зависит от принятой модуляции, в то время как фактическое значение соотношения сигнала к помехе зависит от наложения источников помех относительно намеренной передачи данных в следующих двух областях: времени и частоты. В зависимости от того, является ли наложение (стало быть, конфликт) в этих областях полным или только частичным, можно достичь различных функциональных характеристик.

Для временной области, поскольку поток информационного обмена между пострадавшей системой(ами) беспроводной связи и источником(ами) помех систем(ы) беспроводной связи может меняться всякий раз, оценке соотношения сигнала к помехе должно предшествовать определение временного интервала, в котором помехи являются постоянными.

Для частотной области оценка соотношения сигнала к помехе должна рассматривать как минимум эффект совместного действия передатчика(ов) помех и пострадавших спектральных масок приемника. По сути передатчик(и) помех могут иметь побочное излучение даже за пределами принятого частотного канала. С другой стороны, защитная маска приемника может отклонять сигнал(ы) источника(ов) помех, смягчая их влияние.

Для того, чтобы предусмотреть/оценить влияние помех, можно использовать аналитические модели, моделирование и экспериментально-испытательные стенды. Эти три подхода имеют различную (увеличивающуюся) сложность и, следовательно, различную (увеличивающуюся) точность.

Для того, чтобы оценить, существует ли риск возникновения конфликта или нет, риск возникновения конфликта всегда следует учитывать, если беспроводные приложения работают параллельно в той же полосе частот без подтверждения их радиотехнической надежности.

Примечание 1 - Данное понятие беспроводного приложения является более полным по сравнению с понятием системы беспроводной связи, потому что в беспроводных приложениях энергия частоты используется не только для передачи информации.

Примечание 2 - Использование электромагнитной энергии может быть либо намеренным (необходимым для обслуживания конкретного приложения), либо ненамеренным/случайным.

Однако, риск возникновения конфликта не означает, что параллельная работа конкурирующих беспроводных систем невозможна. Они могут быть совместимы при условии соблюдения требований к данным решениям беспроводной связи. Этот критерий должен быть принят в качестве основы для принятия решений относительно применения беспроводных систем связи.

По возможности, будущие изменения в требованиях, подразумевающие изменения интерференционного потенциала, также должны быть рассмотрены. В промышленной автоматизации жизненный цикл решения беспроводной связи, как правило, длится более пяти лет. В течение этого времени могут быть разработаны и использованы новые приложения для существующей системы беспроводной связи. Определение, координирование и контроль этих изменений является частью обеспечения совместимости.

Еще одним воздействием являются излучаемые помехи электромагнитной совместимости. Многие беспроводные приложения, подлежащие частотному регулированию, обладают значительной мощностью излучения, способной генерировать высокую напряженность электромагнитного поля вблизи от другой системы беспроводной связи. Решение беспроводной связи показывает определенную устойчивость к тем излучаемым помехам, которые определены в соответствующих стандартах. Данное предельное значение может быть превышено сигналом мощного беспроводного приложения.

Несмотря на то, что реальные решения беспроводной связи часто обладают большей устойчивостью к помехам, чем нормативно заявленной, и превышение предельного значения не всегда приводит к возникновению помех, дизайн должен быть выполнен таким образом, чтобы уровень шума на приемнике не превышал это предельное значение. Помехи с той же частотной полосы гораздо более вероятны, чем с других частотных полос. Тем не менее, интерференционные потенциалы с других частотных полос также необходимо принимать во внимание.

В зданиях и участках вблизи аэропортов, портов, передающих антенных мачт и прочих мест расположения мощных систем радиосвязи интерференционный потенциал там чрезвычайно высок.

Электромагнитные помехи, вызванные не радиоканалом (а например, мощными промышленными энергетическими системами, частотными преобразователями), могут вызывать помехи. Данные электромагнитные помехи являются предметом Директивы по ЕМС, и не рассматривается в настоящем стандарте.

      4.5 Дополнительные условия

Для беспроводной связи существуют очень ограниченные коммуникационные ресурсы, поэтому требуется провести тщательное планирование. Чем выше требования класса приложения на системе беспроводной связи к характеру изменений во времени, доступности, размерам и прочим параметрам, тем больше это требует организационно-технических затрат для обеспечения совместимости. Затраты возрастают непропорционально, как показано на рисунке 3. Определенный интервал затрат возникает из-за сложности беспроводных решений связи (например, простая двухточечная связь или линейная сеть со звездообразной, сотовой, древовидной, ячеистой топологией) и из-за числа влияющих факторов, которые следует учитывать (например, загрузка среды передачи данных, мощность передатчика). Интервал между двумя кривыми перемещается вверх при более эффективном использовании частотного ресурса.

Это применимо как к затратам на обеспечение совместимости на этапе планирования, так и к расходам на разработку подходящих решений беспроводной связи.

Трудозатраты можно сократить за счет введения стратегически важных правил обеспечения совместимости. Одним из возможных правил может быть ограничение количества рассматриваемых влияющих факторов, например, благодаря эксклюзивному присвоению частот для определенных беспроводных приложений. Важно учитывать тот факт, что стратегически важные решения на этапе планирования совместимости влияют на будущие расходы и вместе с тем на затраты за весь срок службы промышленного предприятия. Организационно-технические расходы на обеспечение совместимости на этапе эксплуатации могут увеличить расходы на планирование совместимости в течение всего срока службы промышленного предприятия. Таким образом, важно проанализировать, соответствуют ли требования запланированного применения требованиям предполагаемого применения. С нестрогими требованиями можно добиться более эффективного использования ресурса. Если ресурс исчерпан, необходимо будет искать другие решения.

Рисунок 3 - Повышение затрат для достижения совместимости, соответствующего классам приложения

      4.6 Передовые методики достижения совместимости

Установление совместимости представляет собой сочетание технических и/или организационных мер по обеспечению свободной от помех работы беспроводных приложений в своей среде. Основными критериями при выборе соответствующих мер по достижению совместимости являются: эффективность, реализуемость, экономическая целесообразность и падение производительности, допустимое для приложения, если решение беспроводной связи вынуждено использовать среду передачи данных совместно с другими системами беспроводной связи. Также необходимо учитывать перспективы развития беспроводного приложения на предприятии.

С технической точки зрения, ресурсы беспроводной связи можно классифицировать по:

- частоте;

- времени;

- кодированию;

- отсутствию сигнала (сигналу логического нуля) (в зависимости от местоположения, мощности, характеристики антенны, поляризации).

Рисунок 4 - Разделение систем беспроводной связи в зависимости от частоты и времени

Разделение в частотной области (см. рисунок 4) обычно вызывает наименьшие потери производительности и первоначально минимальные расходы.

Однако эти меры в значительной степени занимают среду передачи данных и, следовательно, должны быть зарезервированы для определенных классов приложений, используемых на промышленном предприятии, таких как функциональная безопасность и контроль.

Разделение во времени можно выполнить с помощью настройки коммуникационного запроса в соответствии с требованиями приложения к связи.

Для приложений с определенными динамическими свойствами цикл связи должен быть установлен как можно дольше и/или может быть использована событийно-управляемая связь. Также могут быть использованы беспроводные технологии с автоматическими адаптивными механизмами совместного использования среды передачи данных.

Пространственное разделение возможно крайне редко в отношении приложений беспроводной связи. Распространение радиоволн может быть ограничено пространственно только с большими усилиями. Структурные условия (к примеру, большие стальные железобетонные стены) и снижение излучаемой мощности (за счет регулирования выходной мощности радиопередатчика и выбор диаграммы направленности антенны) могут быть использованы для пространственного разделения. Если мощность снижается, сила всех связанных радиоэлементов (например, базовых станций, ретрансляторов и конечных устройств) должна быть скорректирована соответствующим образом.

Если приемопередатчики имеют несколько антенн, то можно было бы использовать пространственную обработку, как например, методы подавления помех, чтобы отделить одновременные (встречные) передачи в пространстве.

Разделение с помощью поляризации предполагает использование специфического атрибута антенны для подавления радиоволн с ортогональной поляризацией (перекрестной поляризацией). Например, антенна с горизонтальной поляризацией приемника сигнала может ослаблять вертикально поляризованный сигнал помехи. Однако, внутри зданий или в другой сильно отражающей окружающей среде результаты разделения поляризации относительно невелики.

Кроме того, направленные сегментно-параболические антенны (антенны типа "сыр") и другие появляющиеся конфигурации антенн могут быть использованы для ограничения распространения радиоволн внутри определенной области.

Организационные меры применяются к работе систем беспроводной связи, и они имеют косвенные значения для описанного выше механизма разделения. Поэтому применение системы беспроводной связи может, например, быть ограничено в пространстве или времени, или просто сервисы решения беспроводной связи, отвечающие требованиям совместимости, могут быть одобрены. Организационные меры (в частности, для систем беспроводной связи, имеющих отношение к производственному процессу или безопасности) должны оценить заранее, в какой степени может обеспечиваться и проверяться соблюдение технических требований.

При планировании системы беспроводной связи следует учитывать, что условия распространения в промышленной среде далеки от идеальных и по этой причине возможны воздействия на временную зависимость и ошибочное поведение решения беспроводной связи.

На этапе эксплуатации необходимо рассматривать исследование механизмов для повышения быстроты реакции беспроводных приложений на появление непредвиденных помех, например, технику разнесенного радиоприема и когнитивные методы радиодоступа к среде передачи данных.

Для того чтобы определить соответствующие меры и оценить их эффективность, рекомендуется обратиться за помощью к специалистам в области радиосвязи.

      4.7 Концептуальная модель совместимости

Приложения автоматизации имеют требования приложения к связи для выполнения намеченных задач. Одним из этих приложений автоматизации является выбранная система беспроводной связи, обладающая определенной устойчивостью (невосприимчивостью) к помехам со стороны других беспроводных систем связи. Использование ресурсов (частоты, времени, пространства, поляризации) может создавать помехи для других систем беспроводной связи и таким образом влиять на соответствующие приложения автоматизации. Необходимо учитывать условия распространения, поскольку они влияют на качество связи беспроводной системы, в том числе и на помехи от других беспроводных систем связи.

Требования приложения к связи и характеристики систем беспроводной связи [устойчивость (невосприимчивость) и использование] должны быть отражены в инвентарном списке. Возникающее в связи с этим планирование совместимости должно быть указано в плане распределения ресурсов. План распределения ресурсов должен служить базой для настройки, реализации и обслуживания использующихся беспроводных систем связи. Данный процесс обеспечения совместимости является не только одним действием при планировании системы, а итеративным повторяющимся процессом на протяжении всего жизненного цикла системы.

На рисунке 5 представлена концептуальная модель совместимости. У беспроводного приложения А существуют требования приложения для выполнения намеченных задач. Часть беспроводного приложения А является выбранной системой беспроводной связи. Она обладает определенной устойчивостью (невосприимчивостью) к помехам со стороны других беспроводных систем связи, и использование ее ресурсов может создавать помехи для других систем беспроводной связи. Исследования требований должны быть отражены в инвентарном списке. Возникающее в связи с этим планирование совместимости должно быть указано в плане распределения ресурсов. План распределения ресурсов должен служить базой для обеспечения радиоресурсов и их использования.

Рисунок 5 - Концептуальная модель совместимости

На рисунке 6 изображено представление рисунка 5 в качестве диаграммы, чтобы обеспечить взаимосвязь с рисунками 7, 30 и 31. Спецификация системы обеспечения совместимости представлена на рисунке 6 только в начале для обеспечения простоты рисунка. Документация должна расширяться и обновляться на каждом этапе. Документация указана в 7.1.2.

Рисунок 6 - Блок-схема концептуальной модели совместимости

      4.8 Обеспечение совместимости и выбор решения беспроводной связи

Отправной точкой и предпосылкой для этапа реализации является то, что решение беспроводной связи совместимо с предъявляемыми к нему требованиями. Этап реализации начинается с пересмотра требований системы беспроводной связи и определения, в состоянии ли существующая система обеспечить выполнение требований приложения к связи или нет.

В рамках данного процесса можно проанализировать новые системы беспроводной на предмет соответствия требованиям к связи. Рисунок 7 отображает решения и действия в блок-схеме, изображенной на рисунке 6.

В то же время, пока проводятся исследования на предмет соответствия беспроводного решения связи требованиям приложения автоматизации, необходимо проанализировать радиопередачи для того, чтобы увидеть, является ли такой подход разумным при рассмотрении усилий, которые потребуется предпринять для обеспечения совместимости. В этом отношении, процесс тщательного выбора решения беспроводной связи уже является частью процесса обеспечения совместимости.

Решение об установке системы беспроводной связи должно следовать за решением по реализации процесса обеспечения совместимости (см. 4.4). Процесс обеспечения совместимости включает в себя планирование совместимости, установку, эксплуатацию и обслуживание систем беспроводной связи. Этап планирования совместимости (см. 7.4.2.2) начинается с инвентаризации всех беспроводных приложений, так как они могут рассматриваться как потенциальные источники помех (см. 7.3).

На этапе планирования совместимости может стать очевидным, что выбранное беспроводное приложение не может быть интегрировано в существующее промышленное предприятие. Другое решение беспроводной связи может быть выбрано или сама идея системы беспроводной связи может быть оставлена. Если на этапе планирования совместимости есть четкая уверенность в том, что все беспроводные приложения отвечают соответствующим требованиям, то можно приступать к процессу обеспечения совместимости для этапа эксплуатации (см. 7.4.4).

Примечание - Процессы на этапе планирования и эксплуатации более подробно рассмотрены далее в настоящем стандарте.

Рисунок 7 - Выбор системы беспроводной связи в процессе реализации обеспечения совместимости

      4.9 Система обеспечения совместимости

Система обеспечения совместимости состоит из организационной структуры и процедурных документов. Выполнение обеспечения совместимости приводит систему в состояние "обеспечения совместимости на этапе эксплуатации". Спецификация системы обеспечения совместимости должна содержать в себе следующую информацию:

- объем (масштаб) обеспечения совместимости;

- ориентация организации на обеспечение совместимости;

- порядок соблюдения спецификации системы обеспечения совместимости;

- организационные вопросы, включая структуру организации, функциональные обязанности персонала, связь с внешними организациями и обучение персонала;

- порядок обеспечения совместимости.

Спецификация системы обеспечения совместимости должна быть задокументирована и соблюдена.

      5 Параметры обеспечения совместимости

      5.1 Общие положения

Раздел 5 определяет параметры процесса обеспечения совместимости. Данные параметры относятся к требованиям к автоматизации связи и условиям в пределах зоны эксплуатации и характеризуют беспроводные устройства и сети.

Их использование определено в разделе 6. В разделе 8 содержатся шаблоны, относящиеся к некоторым из этих параметров.

Параметры перечислены в алфавитном порядке.

      5.2 Расшифровка параметров совместимости

5.2.1 Избирательность по соседнему каналу

В библиографической справке определено следующее [12]:

"Избирательность по соседнему каналу является мерой способности приемника получать полезный модулированный сигнал на номинальной частоте без превышения указанного предела ухудшения из-за наличия модулированного ложного сигнала (сигнала-помехи), который отличается по частоте от полезного сигнала на величину, равную разделению соседнего канала, для которого предназначено оборудование".

Избирательность по соседнему каналу определена в соответствии с [12] как "нижнее значение (верхнего и нижнего соседнего каналов) коэффициентов, в децибелах, уровней уровня ложного сигнала, выраженных в виде напряженности поля к указанному уровню ложного сигнала, выраженному в виде напряженности поля, издающего сигнал данных с коэффициентом битовых ошибок равным 10

". Избирательность по соседнему каналу подходит для оценки устойчивости оборудования к системам, работающим в соседних каналах.

5.2.2 Усиление антенны

Усиление антенны описывает фокусирование переданного или полученного сигнала. Значения даны относительно полуволнового диполя или теоретического изотропного излучателя. Поскольку изотропное усиление полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, усиление антенны относительно полуволнового диполя на 2,15 дБ ниже усиления антенны относительно изотропного излучателя.

Вместе со значениями мощности передачи и с внимательным рассмотрением условий распространения чувствительность приемника может быть использована для оптимизации расположения и направления оборудования или антенн.

5.2.3 Диаграмма направленности передающей антенны

Диаграмма направленности излучения обычно графически представлена для условий в дальней зоне либо в горизонтальной, либо в вертикальной плоскости. Даная информация может быть использована для оптимизации расположения и направления оборудования или антенн.

5.2.4 Полоса пропускания

Полоса пропускания представляет собой диапазон частот, занятых модулированным сигналом несущей. Значение полосы пропускания зависит от указанного уровня спектральной плотности мощности (см. 5.2.3). Скорость передачи битов канала связи пропорциональна полосе пропускания сигнала, используемой для связи. С точки зрения обеспечения совместимости, полоса пропускания показывает использование частотного спектра беспроводным оборудованием. Системы могут также непреднамеренно излучать вне установленной полосы пропускания. Это может привести к так называемым помехам по соседнему каналу (для следующего) или даже через канальным помехам (для следующего через один).

Единицей измерения данного параметра должен быть герц (Гц).

5.2.5 Битовая скорость передачи данных физического канала

Битовая скорость передачи данных физического канала - это показатель количества двоичных сигналов, передаваемых в секунду. Поскольку информация часто сочетается с модуляцией или кодированием, время использования телеграммы не всегда может быть рассчитано методом простого деления количества бит телеграммы на битовую скорость передачи данных. Также необходимо отметить, что битовая скорость передачи данных физического канала не означает автоматически высокое качество сервиса.

5.2.6 Центральная частота

Некоторые стандарты беспроводной связи определяют радиоканалы, используя центральную частоту и полосу пропускания. Таким образом, центральная частота показывает расположение радиоканала в пределах частотного спектра. Центральная частота должна быть вычислена на основании соответствующих частот среза. Центральная частота является средним геометрическим нижней частоты среза и верхней частоты среза.

Единицей измерения данного параметра должен быть герц (Гц).

5.2.7 Характеристика участков работы

Необходимо рассматривать следующие зоны работы:

- внутри помещения;

- вне помещения;

- внутри и вне помещения.

Для участков работ внутри помещения целесообразно определить, сконцентрирована ли связь в оборудовании или гибком производственном модуле, или работает ли она по всему производственному залу или промышленному предприятию.

5.2.8 Загрузка линии связи

Загрузка линии связи описывает требование приложения автоматизации к передаче определенного объема пользовательских данных в пределах определенного отрезка времени, как показано на рисунке 8. Загрузка линии связи представляет собой соотношение количества бит пользовательских данных и интервала передачи.

Обозначение:

WD - беспроводное устройство

Рисунок 8 - Загрузка линии связи при наличии двух беспроводных устройств

Однако, фактическое использование среды передачи данных зависит от применяемого решения беспроводной связи. Например, на рисунке 9, загрузка линии связи указана более чем для двух радиоэлементов.

Обозначение:

WD - беспроводное устройство

Рисунок 9 - Загрузка линии связи при наличии нескольких беспроводных устройств

5.2.9 Частота среза

В принципе, существуют две частоты среза. Верхняя частота среза представляет собой самую высокую соответствующую частоту огибающей спектра. Нижняя частота среза представляет собой самую нижнюю соответствующую частоту огибающей спектра. Однако, это зависит от технологии беспроводной связи и стандарта в отношении того, что имеется в виду под понятием "соответствующую".

Существуют два принципиальных подхода:

- начальный уровень является максимальной спектральной плотностью мощности передачи. Из данного максимального уровня вычитается определенное значение. Примером такого значения является 20 дБ. Частота выше частоты, где спектральная плотность мощности падает ниже полученного в результате уровня, называется нижней частотой среза. Соответственно, частота ниже частоты, где спектральная плотность мощности падает ниже этого уровня, называется верхней частотой среза;

- второй подход определяет частоты среза относительно определенного уровня паразитного (побочного) излучения.

Частоты среза определяют пропускную способность системы и таким образом использование среды передачи данных в частотном диапазоне. Кроме того, частоты среза можно использовать для вычисления центральной частоты.

Рисунок 10 - Частоты среза, полученные от максимального уровня мощности

Единицей измерения данного параметра должен быть герц (Гц).

5.2.10 Пропускная способность канала передачи данных

Пропускная способность канала передачи данных имеет отношение к передаче больших объемов информации (например, передаче наборов данных со значительными параметрами для приводов или загрузке программ в устройства с комплексным полем).

Пропускная способность канала передачи данных - это число используемых байтов данных или битов данных, передаваемых внутри потребителя от интерфейса связи к приложению за единицу времени.

Для того, чтобы вычислить совместимость, можно использовать среднее значение серии измерений в сравнении со значением, данным приложением автоматизации.

5.2.11 Коэффициент заполнения

Коэффициент заполнения - это коэффициент отношения последовательности передатчика к установленному времени наблюдения для использованного радиоканала. То, каким образом выбирается время наблюдения, влияет на значение коэффициента заполнения. Это проиллюстрировано на рисунке 11. Для системы 1 со временем наблюдения 1 коэффициент заполнения больше, чем для системы 2. Однако он ниже для системы 1 со временем наблюдения 2.

Обозначения:

- красный (незаполненные рамки) - система 1;

- синяя (в полоску) штриховка - система 2.

Рисунок 11 - Коэффициент заполнения

Целесообразно определить время наблюдения по отношению к профилям приложений. Время наблюдения должно равняться десяти обычным интервалам передачи профиля приложений. При этом интервал передачи - это разница во времени между двумя передачами пользовательских данных из приложения автоматизации. Таким образом, должны быть использованы значения времени наблюдения, как показано в таблице 2.

Таблица 2 - Значения времени наблюдения, зависящие от профиля приложения

Коэффициент заполнения является ключевым параметром для определения использования среды передачи данных во времени. Малый коэффициент заполнения приводит к небольшому использованию среды передачи данных и вместе с тем к меньшему влиянию на пользователей других частот.

Данный параметр должен выражаться в процентах (%).

5.2.12 Эффективная мощность излучения (EIRP, ERP)

EIRP и ERP - параметры, которые выражают мощность, подаваемую на антенну, помноженную на усиление антенны в заданном направлении. Подаваемая на антенну мощность задается в результате объединения спектральной плотности мощности по всей полосе пропускания. Если направление антенны не задано, то тогда принимается направление максимального усиления. Эффективная мощность излучения учитывает потери в линии передачи и соединителях (см. также [11]), таким образом, общая мощность излучения ниже мощности, подаваемой на антенну.

Для частот ниже 1 ГГц, в качестве ориентира для усиления антенны используется полуволновой диполь. Эффективная мощность излучения обозначается аббревиатурой ERP. Для частот выше 1 ГГц в качестве ориентира для усиления антенны используется теоретический изотропный излучатель. Эта эффективная мощность излучения называется эффективной мощностью изотропного излучения (EIRP).

Поскольку изотропное усиление полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, значения EIRP на 2,15 дБ больше, чем значения ERP.

ERP и EIRP - фундаментальные параметры для оценки уровня мощности в определенном положении. Данное соотношение между EIRP и ERP можно пояснить на следующем примере:

Пример - Предположим, что мы используем антенну с усилением антенны равным 3 дБи (см. также 5.2.1), в таком случае, для того чтобы удовлетворять требованию

20 дБм EIRP, мощность передачи на входе антенны не должна превышать 17 дБм.

Единицей измерения данного параметра должен быть ватт (Вт).

5.2.13 Алгоритм скачкообразной смены частоты

Алгоритм скачкообразной смены частоты должен включать в себя последовательность частотных каналов и период времени скачкообразной смены частоты.

5.2.14 План будущего расширения

Следует рассматривать планы будущего расширения. Установка новых решений беспроводной связи и зданий может влиять на условия для беспроводной связи.

5.2.15 Географические размеры промышленного предприятия

В рамках совместимости беспроводной связи, географическими размерами промышленного предприятия являются длина, ширина и высота участка, на котором происходит распространение беспроводной связи установленных систем. Следует рассматривать участок работы, например, производственный зал для оборудования.

5.2.16 Элементы инфраструктуры

Под элементами инфраструктуры подразумевают устройства, такие как роутер или базовые станции без непосредственной зависимости от приложения автоматизации. Элементы инфраструктуры необходимы для создания системы беспроводной связи в соответствии с технологией или стандартом. Они могут повысить устойчивость работы сети, однако они также создают помехи другим беспроводным системам связи.

Роутер или базовые станции, которые имеют интерфейс к проводным промышленным сетям или которые выполняют функции приложения автоматизации, не считаются элементами инфраструктуры, а считаются беспроводными устройствами.

5.2.17 Начало процесса передачи данных

Данный параметр определяет, как приложение начинает процесс передачу данных: периодически (циклично), апериодически (ациклично) или стохастически (случайно). Периодическая передача может привести к более высокой нагрузке связи, чем апериодическая передача, потому что одни и те же значения могут передаваться неоднократно. Начало процесса передачи данных влияет на нагрузку связи и может способствовать разделению во времени систем радиосвязи.

5.2.18 Длина пользовательских данных на интервал передачи

Длина пользовательских данных влияет на нагрузку связи и может являться причиной разделения во времени систем беспроводной связи.

5.2.19 Ограничение от соседних с промышленным предприятием объектов

Соседние с промышленным предприятием объекты могут являться причиной ограничений для беспроводной связи. Примерами таких объектов являются мощный(ые) источник(и) радиоизлучения и чувствительное оборудование.

5.2.20 Максимальное время выдержки

Под максимальным временем выдержки понимают отрезок времени, в который система закреплена за определенным каналом. Если система требует немедленного ответа, то необходимо рассматривать его и время ожидания. Это применимо только к системам со скачкообразной сменой частоты. Максимальное время выдержки показано на рисунке 12 с

.

Время выдержки определяет быстроту действия системы со скачкообразной сменой частоты. Время выдержки вместе с числом радиоканалов может быть использовано, для того чтобы вычислить, как часто система появляется в определенном канале.

Рисунок 12 - Максимальное время выдержки

Единицей измерения данного параметра должна быть секунда (с).

5.2.21 Максимальное число ретрансляций

Данный параметр указывает, как часто пользовательские данные автоматически ретранслируются коммуникационным стеком из-за ошибок передачи. Возможно, что ретрансляции инициируются разными протокольными уровнями. Таким образом, максимальное число ретрансляций должно быть определено для каждого соответствующего уровня. По возможности, следует разъяснить особенности механизма, например, время ожидания. Данный параметр может существенно влиять на использование среды передачи данных.

5.2.22 Максимальная последовательность передатчика

Под максимальной последовательностью передатчика понимается максимальное время, в течение которого передатчик использует радиоканал. Если запрос требует немедленного ответа, и в течение времени ожидания среда передачи данных не может быть использована устройством той же сети, необходимо рассматривать весь период времени. Данное целесообразное упрощение, даже в том случае, если передачу могли бы начать устройства других систем.

Таким образом, на рисунке 13, максимальной последовательностью передатчика системы 1 является

, а максимальной последовательностью передатчика системы 2 является

.

Обозначения:

- красный (незаполненные рамки) - система 1;

- синяя (в полоску) штриховка - система 2.

Рисунок 13 - Максимальная последовательность передатчика

Для систем со скачкообразной сменой частоты это время должно быть рассмотрено для каждого используемого частотного канала. Максимальная последовательность передатчика дает представление о максимальном занятом времени. Реальные приложения могут использовать только малую толику. Поэтому дополнительно следует рассматривать коэффициент заполнения.