Démystifier les communications sans fil

[HMS-Networks]

Pourquoi envisager le sans-fil

À l'heure actuelle, les technologies sans fil sont utilisées dans une part relativement faible (6 %), mais en constante augmentation, d’applications de communication industrielle sur la base des données de 2019, comme le montre la figure 1.

Image 1 : Rapport 2020 HMS Networks sur les réseaux industriels

L'un des principaux moteurs est l'utilisation croissante d'équipements mobiles automatisés dans les installations de production. Là où autrefois des employés sur des chariots élévateurs amenaient les composants aux cellules de production ou bien là où des convoyeurs à position fixe transportaient le produit à travers le processus d'assemblage, ces tâches sont aujourd'hui de plus en plus effectuées par des Véhicules à Guidage Automatique (AGV ou VGA) commandés par des applications logicielles connectées sur des réseaux sans fil, le plus souvent basés sur les normes 802.11, mais susceptibles d'être impactés à l'avenir par les communications cellulaires 5G. La flexibilité des communications sans fil permet un redéploiement beaucoup plus rapide des véhicules par rapport à ceux des systèmes à voie fixe.

En outre, il est de plus en plus nécessaire de faire évoluer la visualisation des machines au-delà de l'IHM traditionnelle fixe. La mise en œuvre d'une connectivité sans fil embarquée permet d'utiliser des plateformes mobiles telles que des tablettes et des smartphones pour visualiser les données de la machine depuis presque n'importe où. Cela permet également au personnel de maintenance de procéder à l'entretien de l'équipement en toute sécurité, dans la mesure où il peut désormais mettre à jour les programmes du contrôleur et de l'IHM confortablement à l'extérieur de l'armoire de commande et au-delà des protections de sécurité.

Il existe d'autres cas d'utilisation où la technologie sans fil est utile, mais il est important de tenir compte de plusieurs facteurs avant de la mettre en œuvre. Selon la technologie, les performances de ces réseaux dans des environnements spécifiques peuvent varier.

Comprendre la technologie sans fil à courte portée et les considérations d'utilisation

Pour l'automatisation industrielle, les technologies sans fil sont généralement déployées sur des réseaux à plus courte portée, inférieure à 500 mètres de portée effective. Cela s'explique par la réduction de la surface au sol occupée par l'usine elle-même et par un accès plus facile au backhaul Ethernet qui relie les machines aux applications logicielles.

La technologie la plus couramment utilisée pour la connectivité sans fil dans l'automatisation industrielle est basée sur l'ensemble de normes IEEE 802.11x, communément appelé Wi-Fi™. Ces réseaux émettent sur des fréquences accessibles au public dans l'espace des 2,4 GHz ou des 5 GHz et sont découpés en canaux d'une largeur de 20 ou 40 MHz (canaux adjacents liés). Ces canaux sont essentiellement les tuyaux par lesquels les données peuvent passer et la largeur de ces canaux a un impact significatif sur le débit du système. Au fil du temps, la spécification IEEE 802.11x a évolué pour intégrer des changements dans des domaines tels que la modulation radio, des flux spatiaux plus larges (jusqu'à 160 MHz) et la structure des antennes (MIMO) afin d'améliorer le débit et la fiabilité du système global. Les normes actualisées telles que 802.11n et 802.11ac permettent d'atteindre des vitesses de réseau typiques de plusieurs centaines de bits par seconde. Avec le sans-fil 802.11, dès que l'on dépasse la radio comme couche physique, les couches de protocole inférieures utilisées sont les mêmes que celles de l'Ethernet 802.3, ce qui simplifie l'intégration des réseaux.

Parmi les autres technologies courantes dans l'espace à courte portée figurent le Bluetooth, Bluetooth Low Energy et les normes basées sur 802.15.4, telles que Zigbee. Ces technologies existent dans le même spectre de 2,4 GHz que les normes 802.11 mais utilisent des canaux plus étroits, ce qui se traduit par des débits de données plus faibles que ceux de la norme 802.11. L'avantage de bon nombre de ces normes à faible débit de données est qu'elles nécessitent moins d'énergie, ce qui les rend optimales pour les dispositifs alimentés par batterie tels que les capteurs sans fil et les plateformes informatiques mobiles. Étant donné que les couches inférieures de ces protocoles ne sont pas basées sur la pile TCP/IP, des protocoles doivent être intégrés dans les couches supérieures pour les rendre adaptables aux réseaux Ethernet (ex. le protocole BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol)).

Plusieurs facteurs affectent les performances des réseaux sans fil. En ce qui concerne la norme 802.11, la limite théorique d'un seul segment de sous-réseau basé sur IP est de 255 dispositifs, mais la limite pratique est nettement inférieure. Cela s’explique par le nombre limité de canaux disponibles et par l’utilisation par plusieurs réseaux de ces ressources en canaux. Plus le nombre de dispositifs augmente, plus les tranches de bande passante disponibles pour chaque dispositif pour le passage des données sont réduites, ce qui peut avoir un impact sur les performances du système global. En outre, le spectre de 2,4 GHz est partagé par un grand nombre de dispositifs de transmission différents (par exemple, les fours à micro-ondes, les combinés sans fil), ce qui crée un bruit important pouvant entraîner des tentatives de communication et une perte de paquets. Le Bluetooth atténue ce problème en utilisant le saut de fréquence adaptatif, qui permet au réseau de recalibrer sa séquence de saut de canal lorsque des interférences sont détectées.

Avec les communications sans fil, il y aura toujours une perte d'énergie en espace libre, mais les obstructions peuvent aggraver cette perte et réduire la portée effective de ces réseaux. Tous ces facteurs doivent être pris en compte lors du déploiement de réseaux sans fil à courte portée.

Comprendre la technologie sans fil à longue portée et les considérations d'utilisation

Il existe de nombreuses applications d'automatisation pour lesquelles les réseaux à courte portée ne peuvent répondre aux besoins. C'est particulièrement vrai pour les équipements distants tels que les têtes de puits de pétrole et de gaz, les stations de pompage d'eau potable et les stations de relevage des eaux usées, où le sans-fil est le seul moyen de communication possible. Dans ces cas, les équipements sont situés à plusieurs kilomètres du point de collecte des données, ce qui nécessite des réseaux sans fil à longue portée.

Les réseaux à longue portée fonctionnent normalement à des fréquences plus basses du spectre sans fil, car les signaux à basse fréquence subissent moins de pertes en espace libre que les signaux à haute fréquence. La fréquence non cellulaire la plus couramment utilisée pour les applications sans fil distantes est la fréquence 900 MHz qui, avec une piste de propagation et une puissance radio suffisantes, peut parcourir plusieurs kilomètres avant que des répéteurs ne soient nécessaires. Des signaux de 900 MHz sont également capables de transmettre plus facilement à travers les structures, comme des arbres, ce qui en fait une bonne solution pour les applications extérieures, bien que les limites ne soient pas infinies. La ligne de visée doit toujours être maintenue entre les émetteurs-récepteurs, de sorte que des répéteurs devront être placés plus fréquemment dans des zones vallonnées. De nouvelles technologies dans le spectre 900 MHz, telles que LoRa et SigFox, ont évolué pour répondre au besoin de communications longue distance à faible bande passante, à faible charge utile et à faible consommation d'énergie pour les capteurs sans fil. Le plus grand défi de ces technologies concerne une bonne planification du site et le déploiement des infrastructures, dans la mesure où les infrastructures publiques ne sont pas facilement disponibles.

Les réseaux cellulaires peuvent également être utilisés pour les communications à longue portée, bien qu'ils ne soient pas intrinsèquement à longue portée, beaucoup d'entre eux supportant des fréquences nettement supérieures à 900 MHz. Par exemple, la technologie évolutive 5G pour les communications cellulaires utilisera des fréquences à courte portée en ondes millimétriques dans le cadre de son spectre pris en charge, qui est environ 100 fois supérieur à celui de 900 MHz. L'avantage de ces fréquences plus élevées est une amélioration significative du débit pour les applications à forte charge utile de données. Les réseaux cellulaires assurent des communications à longue portée grâce à un réseau de cellules qui se chevauchent et qui peuvent se transmettre des données entre elles avant de se connecter à un réseau backhaul. Pour les communications de capteurs sans fil, les réseaux cellulaires ont commencé à prendre en charge les normes LPWAN (Low-Power WAN) telles que NB IoT et CAT M1 sur les réseaux 4G LTE et, à terme, mMTC (Massive Machine-Type Communications) sur la 5G. Comme le 900 MHZ, ces technologies utilisent des fréquences inférieures à 1 GHz pour la transmission de données. Les avantages de l'utilisation des réseaux cellulaires sont considérables, les principaux défis étant l'existence d'une infrastructure publique dans certaines installations très éloignées et l'interférence des structures lors de l'utilisation des hautes fréquences.

Les meilleures pratiques pour l'utilisation du sans-fil

Utiliser efficacement les communications sans fil revient à comprendre le cas d'utilisation et les limites de cette technologie. Dans les cas où l'on cherche à déployer des réseaux privés, que ce soit à l'intérieur d'une installation ou pour des applications distantes, il est fortement recommandé d'effectuer une étude du site, ce qui peut aider à comprendre les défis potentiels avant l'installation et à déterminer les endroits où doivent être installées les radios pour garantir un bon fonctionnement.

Pour le dépannage des applications sans fil, les analyseurs de spectre peuvent être un outil très utile pour déterminer la présence de réseaux secondaires dans le même espace spectral et la présence de bruit provenant d'autres émetteurs sans fil.

En résumé, il y a beaucoup à gagner de l'utilisation du sans-fil, mais il est essentiel de planifier et d'être conscient des défis à relever.