Các gợi ý hỗ trợ thiết kế và xây dựng hệ thống mạng không dây công nghiệp

Mike Werning

Field Application Engineer, Moxa Americas

Giới thiệu

Hiện nay, mạng Wi-Fi rất phổ biến, và có mặt khắp mọi nơi, và con người thoải mái sử dụng chúng cho rất nhiều các ứng dụng. Các nhà thiết kế hệ thống hiện nay đang sử dụng mạng Wi-Fi làm cơ sở để chuyển đổi những ứng dụng công nghiệp của họ từ mạng Ethernet có dây sang mạng không dây. Việc chuyển đổi sang những thiết kế không dây đem lại rất nhiều lợi ích.

Hệ thống mạng không dây cho phép các thiết bị client có thể lắp đặt tại những nơi rất khó tiếp cận nếu như sử dụng kết nối bằng dây dẫn; giúp tiết kiệm chi phí dây dẫn và lắp đặt trong trường hợp các thiết bị cách xa nhau. Một lợi ích khác là không cần phải xây dựng lại cơ sở hạ tầng khi thay đổi vị trí lắp đặt thiết bị và dễ dàng mở rộng hệ thống khi cần thiết.

Một số công nghệ Wi-Fi khác nhau có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.Tuy nhiên, cho dù với một ứng dụng đã có sẵn hoặc khi thiết kế một hệ thống mới, chúng ta cần phải xem xét các yêu cầu của ứng dụng một cách cẩn thận để quyết định sử dụng công nghệ phù hợp nhất.

Các gợi ý của chuyên gia khi triển khai hệ thống mạng không dây

Sau khi quyết định chuyển đổi cơ sở hạ tầng từ có dây sang không dây, chúng ta cần kiểm tra kỹ các thông tin theo các gợi ý dưới đây trong quá trình thiết kế để đảm bảo các thiết kế của bạn được thành công

Gợi ý số 1: Xác định nhu cầu thông lượng của ứng dụng

Xác định tốc độ truyền dữ liệu của Client trong ứng dụng khi gửi và nhận, đây là yếu tố quan trọng cho việc xây dựng hệ thống mạng. Thông tin này được sử dụng để quyết định công nghệ Wi-Fi nào sẽ được sử dụng và có bao nhiêu điểm truy cập sẽ cần được lắp đặt để cung cấp đủ thông lượng mong muốn.

Trong một hệ thống mạng Wi-Fi, thông lượng thực tế phục vụ cho các ứng dụng thông thường chỉ nên chiếm khoảng 50-60% toàn bộ băng thông của công nghệ Wi-Fi được lựa chọn. Điều này giúp quản lý và kiểm soát dung lượng overhead trong hệ thống mạng Wi-Fi. Nếu ứng dụng cần dung lượng nhiều hơn mức khả năng có sẵn để sử dụng, sẽ dẫn tới ứng dụng sẽ không làm việc theo yêu cầu.

Tiêu chuẩn	Tốc độ tối đa(Mbps)	Băng thông tương đối có thể dùng (Mbps)
802.11a	54	26
802.11b	11	6
802.11g	54	26
802.11n (2x2)	300	80-100

Bảng 1: Thông lượng khả thi cho ứng dụng

Gợi ý số 2: Xác định số lượng Client sẽ truy cập vào hệ thống mạng Wi-Fi.

Bước này liên quan chặt chẽ với vấn đề về nhu cầu thông lượng của ứng dụng đã được đề cập trong bước 1. Nguyên lý hoạt động của Wi-Fi giống với một Hub Ethernet. Đó là, sử dụng vùng “xung đột” duy nhất cho tất cả các thiết bị kết nối tới mạng Wi-Fi, có nghĩa là chỉ một thiết bị có thể truyền dữ liệu ở một thời điểm, và tất cả các thiết bị khác phải đợi cho tới khi mạng ở chế độ rảnh mới được phép truyền. Khi nhiều thiết bị cố gắng truyền dữ liệu cùng một thời điểm, khả năng rất lớn có xung đột sẽ xảy ra, dẫn đến hiện tượng trễ trong hệ thống mạng. Nếu thiết kế một hệ thống mạng không dây công nghiệp để cho nhiều thiết bị kết nối vào, chúng ta nên tính toán thêm nhiều điểm truy cập để cho phép các thiết bị khác nhau, sử dụng các điểm truy cập khác nhau, do đó sẽ giảm được số xung đột.

Hình 1: Bổ sung các điểm truy cập để tăng tổng số thông lượng phục vụ

Gợi ý số 3: Xác định cách các ứng dụng sẽ gửi và nhận dữ liệu.

Nhiều giao thức công nghiệp thường gửi những gói dữ liệu nhỏ với độ dài chỉ vài trăm bytes. Trong khi đó các ứng dụng khác như hình ảnh video hoặc lưu trữ dữ liệu lại sử dụng khối dữ liệu lớn và có yêu cầu truyền hàng ngàn bytes. Khi chúng ta biết được tính chất của từng ứng dụng sẽ giúp quyết định chính xác công nghệ Wi-Fi nào phù hợp nhất.

Chuẩn 802.11n rất phù hợp cho các ứng dụng cần truyền khối dữ liệu lớn vì tiêu chuẩn này hỗ trợ các tính năng cho phép tối ưu hóa việc truyền tải dung lượng lớn. Ví dụ tính năng xác nhận khối dữ liệu (Block Acknowledge), sẽ làm giảm số lượng overhead trên các kênh không dây bằng cách cho phép các thiết bị bên nhận gửi lại một xác nhận sau khi bên gửi dữ liệu thực hiện xong một số lần truyền dữ liệu, giúp tối ưu hóa sử dụng băng thông. Khi so với chuẩn 802.11a/b/g lại luôn gửi một xác nhận sau mỗi lần truyền dữ liệu.

Gợi ý số 4: Xác định giao thức nào được sử dụng trong ứng dụng

Các giao thức công nghiệp và các ứng dụng sử dụng mạng sử dụng TCP cho các ứng dụng điều khiển hoặc cần độ tin cậy cao, không cho phép mất mát các gói tin. Bởi TCP cho phép bên nhận yêu cầu gửi lại các bản tin bị lỗi hoặc mất mát. TCP được biết đến như là một giao thức đáng tin cậy, trái lại UDP, UDP là một giao thức không liên kết (định hướng). Với UDP, bên gửi chuyển một gói tin tới bên nhận mà không cần quan tâm tới quá trình truyền có thành công hay không.

Các gói tin trên mạng có dây thường ít hoặc không xảy ra mất mát, do đó có thể là ưu điểm khi sử dụng UDP để giảm dung lượng Overhead. Tuy nhiên, với mạng không dây, cần xem xét các yếu tố khác như: chuyển vùng Client và nhiễu RF (Radio Frequency-tần số radio), vì điều này có thể gây gián đoạn quá trình truyền các gói dữ liệu. Trong khi theo chuẩn 802.11 cho phép thực hiện gửi lại các gói dữ liệu mà sau khi gửi nó không nhận lại được xác nhận. Tuy nhiên, các gói tin vẫn có thể bị mất mát với tỷ lệ phụ thuộc vào độ dài khoảng thời gian xảy ra nhiễu.

Điều này có nghĩa là độ nhạy của ứng dụng hoặc giới hạn cho phép mất mát của gói dữ liệu phải được đánh giá và cân nhắc. Giải pháp Dual Redundant Packet (dự phòng gói dữ liệu kép) của Moxa có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề này. Khi chuyển các ứng dụng hiện tại sang môi trường truyền tải không dây, các nhà thiết kế ứng dụng có thể cần phải cải tiến lại thiết bị truyền dẫn hoặc cần có thêm các điều chỉnh khác.

Hình 2: Dữ liệu được gửi trên cả hai liên kết Client, hỗ trợ dự phòng và hạn chế nhiễu

Gợi ý số 5: Xác định các khả năng của các thiết bị Client để xây dựng hệ thống mạng

Tất cả các thiết bị Client sẽ sử dụng cùng một công nghệ hay sẽ là sự phối hợp các công nghệ khác nhau? Nắm bắt được điều này, sẽ hỗ trợ phân tích chính xác thông lượng của ứng dụng. Ví dụ: Nếu cả hai thiết bị 802.11b và 802.11g cùng yêu cầu được hỗ trợ, sẽ giảm được tổng số thông lượng trên kênh không dây. Bởi trên thực tế, điểm truy cập sẽ phải giảm tốc độ xuống theo chuẩn 802.11b khi thực hiện truyền thông với các thiết bị này. Thời gian nó cần để thực hiện truyển tải ở dải thấp hơn sẽ được cắt xén (steals) từ những client truyền tải ở dải cao hơn và giới hạn tổng số thông lượng của chúng trong mạng.

Nếu phối hợp các chế độ hoạt động, phải chắc chắn cần có đủ thông lượng để hỗ trợ ứng dụng. Để cải thiện hiệu suất hệ thống, có thể tránh hỗ trợ các thiết bị công nghệ cũ, giới hạn một số điểm truy cập và chỉ hỗ trợ một công nghệ không dây riêng biệt. Ví dụ, giới hạn các điểm truy cập khác chỉ cho phép 802.11g hoặc 802.11n hoạt động sẽ cải thiện được hiệu suất do các thiết bị cũ không được phép truy cập.

Hình 3: Thông lượng (Mbps) giảm khi client càng xa điểm truy cập

Gợi ý số 6: Dự tính thông lượng

Biết được nhu cầu thông lượng của các client rất quan trong vì sẽ giúp tính toán được số lượng điểm truy cập cần được lắp đặt. Chỉ vì, chúng ta đã chọn công nghệ 802.11n và băng thông phục vụ có thể hỗ trợ tới 300Mbps, cũng không có nghĩa rằng mọi tín hiệu từ mọi điểm truy cập sẽ truyền tải ở mức 300 Mbps. Tín hiệu sẽ yếu dần đối với các client ở xa điểm truy cập, tín hiệu cũng yếu hơn khi Client càng gần với tầng nhiễu. Sự khác biệt giữa tín hiệu và tầng nhiễu là tỷ số nhiễu với tín hiệu.

Tỷ số tín hiệu với nhiễu cao có nghiex rằng việc điều chế và mã hóa có thể được sử dụng bởi các radio. Khi tỷ số tín hiệu và nhiễu suy giảm, các radio phải sử dụng bộ mã hóa và điều chế thấp hơn kết hợp với ảnh hưởng nhiễu trên các kênh. Có thể gọi là chuyển mạch tốc độ động, có nghĩa rằng khi Client càng xa điểm truy cập thì thông lượng trao đổi giữa Client và điểm truy cập càng thấp. Khi nhu cầu thông lượng của ứng dụng cao, có nghĩa chúng ta phải thiết kế mạng không dây với nhiều điểm truy cập gần với các vị trí lắp đặt các Client, khi đó sẽ đảm bảo sóng radio có thể duy trì tốc độ truyền dữ liệu cao.

Gợi ý số 7: Xác định ứng dụng cần chuyển vùng

Với hệ thống mạng không dây trong công nghiệp, thông thường các client có thể di chuyển linh hoạt. Các client thường được sử dụng cho việc theo dõi vị trí hoặc để xác định tọa độ GPS của một đối tượng ở vị trí kế tiếp. Trong các trường hợp khác, các Client được sử dụng cho các máy điều khiển trong băng tải di chuyển, cần trục, xe chạy trên các thanh ray. Các nhà thiết kế hệ thống cần phải xác định khoảng thời gian trễ tối đa cho mỗi ứng dụng khi các đối tượng di chuyển giữa các điểm truy cập.

Khi một client di chuyển từ một điểm truy cập tới điểm truy cập khác, nó sẽ cần thời gian để kết nối với điểm truy cập mới do đó sẽ sinh ra thời gian trễ. Với các thiết bị sử dụng Wi-Fi thông thường như máy tính, thời gian trễ có thể là vài giây. Với những ứng dụng yêu cầu chuyển vùng nhanh, giải pháp Turbo Roaming của Moxa là một sự lựa chọn tốt cho thiết kế, tất nhiên các client phải là sản phẩm của Moxa. Turbo roaming có thể cung cấp thời gian chuyển vùng giữa các điểm truy cập chỉ 100ms, với những trường hợp yêu cầu nhanh hơn nữa thì cần xem xét tới việc sử dụng các bộ điều khiển tiếp cận (controller-base approach). WAC (Wireless Access Controller) của Moxa là một công cụ tối ưu cho trường hợp này. Nếu sử dụng WAC, thời gian chuyển vùng của các thiết bị Client của Moxa chỉ còn 50ms.

Hình 4: Turbo Roaming cung cấp sự chuyển giao nhanh hơn giữa các điểm truy cập.

Gợi ý số 8: Nhận biết đặc tính của môi trường

Các máy móc công nghiệp, các nhà xưởng được xây dựng bằng kim loại hoặc các vật liệu có khả năng phản xạ thường là nguyên nhân dẫn đến nhiễu RF. Sử dụng chuẩn 802.11a hoặc 802.11n trong dải tần 5GHz có thể tránh vấn đề nhiễu loạn của việc quá tải dải tần 2.4GHz. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, phạm vi và khả năng xuyên thấu của tín hiệu bị giảm sút. Điều này có nghĩa là:

• Sẽ cần nhiều điểm truy cập hơn hoặc ăng-ten khuếch đại cao hơn để đạt được vùng phủ sóng trong dải tần 5GHz như trong dải tần 2.4GHz

• Ý tưởng hay cho trường hợp này là sử dụng hai Ăng-ten. Lợi ích từ hệ thống ăng-ten đa dạng sẽ giúp quản lý các tín hiệu phản xạ.

• 802.11n sử dụng khả năng MIMO của nó để tái tạo các tín hiệu dội lại từ môi trường.

Hình 5: Tái tạo tín hiệu từ tín hiệu phản xạ trong một hệ thống MIMO

Gợi ý số 9: Xác định cách xử lý kết nối trực tiếp với các ăng-ten ngoài.

Các điểm truy cập gắn liền với ăng-ten hoặc được nối trực tiếp với ăng-ten rất phổ biến trong các môi trường văn phòng, xí nghiệp. Tuy nhiên, hiệu quả từ giải pháp này thường không cao trong dải 2 đến 4 dB. Trong môi trường công nghiệp, không hiếm trường hợp bộ phát radio được gắn bên trong một tủ điều khiển kết nối tới ăng-ten được gắn ở bên ngoài hoặc gắn trên cột. Trong những tình huống này, cần chú ý đến khả năng khuếch đại của annten, tổn hao do cáp và các bộ kết nối sẽ được sử dụng.

• Khi sử dụng cáp ngắn, chọn loại cáp LMR-200 cho phép hạn chế suy yếu tín hiệu

• Khi sử dụng cáp dài, chọn loại cáp LMR-40 hoặc cao hơn để giảm thiểu những tổn thất.

Ví dụ, với 3m cáp LMR-200 sẽ có một bộ nối cáp (combined cable/connector) gây tổn thất 1.9dB ở dải tần 2.4GHz và 2.8dB ở 5GHz. Giải pháp tương tự, sử dụng cáp loại LMR-400 sẽ chỉ tổn thất bằng một nửa so với LMR-200. Chọn lựa loại cáp và chiều dài phù hợp với mỗi loại ăng-ten kết nối với bộ phát sóng radio để có hiệu suất cao nhất.


Hình 6: Mỗi ăng-ten lắp ngoài cần một cáp kết nối với bộ radio-cần tính toán tổn thất do cáp	Hình 7: Kết nối trực tiếp ăng-ten, không có tổn hao do cáp.

Gợi ý số 10: Thiết kế vị trí lắp đặt và các kênh truyền

Khi sử dụng nhiều hơn một điểm truy cập hoặc khi có nhiều các điểm truy cập trong cùng một khu vực, cần xác định các kênh sẽ được sử dụng cho mỗi điểm truy cập liền kề. Khi thực hiện, điều quan trọng là tránh sử dụng cùng một kênh cho các điểm truy cập liền kề nhau.

• Trong dải tần 2.4GHz chỉ các kênh 1, 6, và 11 không chồng nhau. Nếu có thể bố trí xen kẽ các điểm truy cập với các kênh này sẽ tối ưu sự ảnh hưởng nhiễu đồng kênh.

• Trong dải tần 5GHz, nếu sử dụng một kênh có độ rộng 20MHz, các kênh sẽ không bị chồng lấn nhau. Điều này được xem như chế độ HT20. Nếu mỗi điểm truy cập sử dụng 802.11n ghép kênh 40MHz (gọi là HT40), thì cần xếp xen kẽ các cặp kênh để tránh chồng nhau.

Hình 8: phổ 2.4GHz. Sử dụng các kênh 1,6 và 11 để tránh chồng lấn.

Hình 9: Dải tần 5GHz. Không chồng lấn tại kênh 20MHz; bỏ qua các kênh khi sử dụng ghép kênh 40MHz

Gợi ý số 11: khảo sát hiện trường xác định sơ đồ bố trí các điểm truy cập dự kiến.

Nếu chắc chắn rằng ứng dụng của bạn cần nhiều điểm truy cập để cung cấp phạm vi bao trùm hiệu quả thì bạn nên sử dụng một phần mềm làm công cụ xây dựng sơ đồ bố trí các điểm truy cập đó. Điều này sẽ tiết kiệm rất nhiều thời gian cho quá trình thăm thực địa để khảo sát hiện trường thực tế. Những công cụ này thường sử dụng mặt sàn của công trình làm cơ sở cho việc thiết kế. Phần mềm sẽ sử dụng dữ liệu như những điểm truy cập đã được bố trí và các client sử dụng, cũng như các loại vật liệu xây dựng tại hiện trường; khảo sát hiện trường có thể đặt ra các phương án lắp đặt thiết bị cũng như số lượng điểm truy cập được lắp để đảm bảo thông lượng cho các nhu cầu của ứng dụng.

Hình 10: Khảo sát dự tính với bản đồ nhiệt

Gợi ý số 12: Khảo sát hiện trường để xác định vị trí của các điểm truy cập

Mặc dù thực hiện thiết kế dự kiến vị trí bố trí có thể rất có ích, chúng cũng không gây ảnh hưởng hoặc gây trở ngại đến hoạt động của các thiết bị, máy móc và các thiết bị phát sóng bên trong tòa nhà, và đây chính là yếu tố quan trọng tại sao cần phải khảo sát hiện trường thực tế. Khi có dự kiến cho những vị trí sẽ lắp đặt các điểm truy cập, chúng ta cần tiến hành khảo sát thực địa, sử dụng loại anten và các thiết bị phát sóng radio để thực hiện các đo đạc thông số. Các công cụ hỗ trợ khảo sát thực địa rất đa dạng trên thị trường cho phép chúng ta đo các mức tín hiệu để xây dựng một bản đồ nhiệt với vùng phủ sóng thực tế trong khu vực cần triển khai và cho phép xác định các khu vực cần lưu ý.

· Sử dụng một kế hoạch được xây dựng từ trước như một hướng dẫn, đo đạc các mức tín hiệu thực tế của thiết bị trong việc xác định độ bao phủ khi triển khai.

· Cố gắng duy trì tuyến liên kết giữa các client radio và điểm truy cập tại các điểm có thể thực hiện.

· Nếu không sử dụng những công cụ khảo sát thực địa, sẽ gia tăng 15-20% rủi ro chồng lấn giữa các điểm truy cập liền kề tại dải dữ liệu nhỏ nhất được yêu cầu bởi ứng dụng.

Gợi ý số 13: Kiểm tra hệ thống mạng và xác định thông lượng

Sau khi các bộ phát sóng radio được bố trí cần xác định thông lượng tại nhiều địa điểm trong mạng. Khi đo có thể sử dụng phần mềm tiện ích như Jperf để đo thông lượng và xác định đầy đủ các thông lượng hiện có ở xung quanh khu vực phát Wi-Fi.

Hình 11: Kiểm tra thông lượng bằng phần mềm Jperf

Kết luận

Những gợi ý cho việc triển khai mạng không dây được đề cập trên đây chắc chắn sẽ giúp bạn thiết kế thành công mạng không dây. Để biết thêm thông tin, xin vui lòng truy cập www.moxa.com/iw và tải về tài liệu hướng dẫn về mạng không dây của Moxa, cuốn sách sẽ cung cấp chi tiết các công nghệ phục vụ giải quyết các vấn đề về mạng không dây.

MIMO : Multi Input Multi Output

TCP : Transmission Control Protocol

UDP : User Datagram Protocol-

WAC : Wireless Access Controller

ỨNG DỤNG LIÊN QUAN