Solución para la interferencia en sistemas de control industrial inalámbrico de alta fiabilidad

Los controles inalámbricos son una gran ventaja para los sistemas industriales, pero hay algunos desafíos clave que superar. Este artículo explica el desafío que la interferencia presenta a los sistemas de control industrial de alta confiabilidad, y las diferentes frecuencias y protocolos inalámbricos que se implementan en una variedad de dispositivos del transceptor y módulos de Decawave, Linx Technologies, Digi y Atmel.

Hay muchas maneras diferentes de disminuir la interferencia en los sistemas de control inalámbricos para la automatización industrial. Los diseñadores pueden negociar el presupuesto del enlace, la distancia, la frecuencia y los protocolos para obtener los enlaces inalámbircos más confiables que sean posibles. La interferencia puede provenir de un amplio rango de fuentes desde el ruido eléctrico de banda ancha a otros sistemas inalámbricos que operan en la cercanía.

Los protocolos son una forma de optimizar el enlace, mediante la multiplexación por división de código (CDMA) para minimizar el efecto de símbolos perdidos. La corrección de errores de envío (FEC) y el control de redundancia cíclica (CRC) ahora se agregan habitualmente para mantener la integridad de los datos, pero pueden abarcar bits valiosos en la carga útil.

También se están utilizando el espectro ampliado y las técnicas de saltos de frecuencia para minimizar la interferencia. Emitir la señal a través de una gama de frecuencias también reduce el impacto de la interferencia en alguna de las frecuencias. O bien, el enlace puede detectar un problema y cambiar automáticamente a otra banda para evitar la interferencia en un esquema de salto de frecuencia.

Al mismo tiempo, los diseñadores pueden equilibrar el rango proporcionado por estas técnicas, que puede ser de hasta 12 km para algunos sistemas, para proporcionar un presupuesto de conexión mayor dentro de la fábrica que puede ser menos vulnerable a otras señales. 

Todas estas técnicas tienen efectos multiplicadores para el espectro de frecuencia utilizado. Las bandas sub-GHz 868 MHz y 902 MHz están congestionadas con muchos tipos diferentes de enlaces, lo que significa que el amplio espectro del salto de frecuencia no es viable, mientras que la banda 2.4 GHz aloja al protocolo ZigBee de baja potencia, pero también tiene que alojar Wi-Fi y Bluetooth, y también abordar la interferencia común de los hornos de microondas y otros sistemas industriales.

Como ejemplo de los desafíos, solo hay unos pocos canales de ZigBee que no se sobreponen con Wi-Fi (canales 15, 20, 25 y 26) y por lo tanto tienen una interferencia muy baja, mientras que para cada canal de Wi-Fi hay cuatro canales de ZigBee que se superponen. La reducción en la PER (tasa de error de paquete) tiene una relación cercana con la distancia entre la fuente y el receptor de la interferencia, y las diferencias de frecuencias del centro (entre la fuente de la interferencia y el receptor), lo que supone algunos desafíos significativos para los diseñadores de sistemas que utilizan la banda 2.4 GHz.

En lugar de abordar esto de manera directa, Decawave utiliza una combinación de los protocolos de banda 3.5 GHz a 6.5 GHz y de banda ultraancha para proporcionar mayores velocidades de transmisión de datos que son más inmunes a la interferencia. El chip DW1000 de DecaWave es un CI de banda ultraancha CMOS de chip único completo basado en la norma IEEE802.15.4-2011. Este es el primero de la familia de piezas ScenSor (Buscar, Controlar, Ejecutar, Red, Detectar, Acatar, Responder), opera a velocidades de transmisión de datos de 110 kbps, 850 kbps y 6.8 Mbps, y, como resultado de las frecuencias más altas, también pueden ubicar objetos con etiquetas tanto en el interior como en el exterior dentro de 10 cm.

Figura 1: El diagrama de bloque del transceptor DW1000.

La tecnología aborda tanto los enlaces de alta confiabilidad para las ubicaciones precisas en el interior, como la comunicación para la automatización de la fábrica, en especial en lugares remotos o a los que es difícil acceder. Debido a que el DW1000 permite que se produzca simultáneamente una medición precisa del tiempo y de los datos, los desarrolladores de Sistemas de ubicación en tiempo real (RTLS) y Sistemas de posicionamiento en interior pueden utilizarlo para una amplia variedad de aplicaciones, así como en la Internet de las cosas y las Redes de sensores inalámbricos.

Los proveedores de equipos de automatización de fábricas pueden incorporar la tecnología en las herramientas de automatización y monitoreo con una precisión de ubicación de 10 cm, en comparación con los 3 a 5 m para RTLS de Wi-Fi. Utilizar las frecuencias más altas también proporciona velocidades de transmisión de datos de hasta 6.8 Mbit/s en comparación con los 250 kbit/s para ZigBee y 1 Mbit/s para Wi-Fi.

El protocolo utilizado es el estándar de 802.15.4a, que es una combinación de modulación de la posición de las ráfagas de impulsos (BPM) y modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). Las BPM-BPSK combinadas se utilizar para modular símbolos, cada uno de los cuales está compuesto por una ráfaga de impulsos de banda ultraancha que reduce la vulnerabilidad a la interferencia en cualquier frecuencia en particular. El chip también combina seis canales de división de frecuencia (FDMA) con técnicas CDMA de división de código que utilizan dos códigos diferentes por canal para optimizar aun más el enlace de canal y reducir la interferencia. Esto luego se combina con la corrección de errores integrada FEC y CRC para garantizar que la interferencia no impacte en la señal.

La tecnología también tiene inmunidad incorporada para la interferencia por trayectos múltiples, ya que la banda de frecuencias en el pulso no se refleja bien y se disipa más fácilmente.

El DW1000 utiliza un voltaje de fuente única de 2.8 V a 3.6 V y tiene una corriente en modo de transmisión de 31 mA y corriente en modo de recepción de 64 mA para operación de baja potencia.

En cuanto a la banda sub-GHz, Linx Technologies ha desarrollado un transceptor para aplicaciones confiables de control remoto y sensor a largo plazo. El TRM-900-TT consta de un transceptor RF de espectro ampliado por salto de frecuencia (FHSS) altamente optimizado y un transcodificador integrado de control remoto. El sistema de FHSS permite mayor potencia con menos interferencia, y aporta un rango más amplio que las radios de banda angosta.

Con operación en la banda de frecuencia de 902 a 928 MHz, el módulo alcanza una sensibilidad típica de -112 dBm. La versión base es capaz de generar +12.5 dBm de potencia de salida del transmisor y alcanza un rango de más de 2 millas (3.2 km) para una línea de enlace del lugar en entornos típicos con antenas de ganancia de 0 dB. Una versión de alta potencia tiene salidas de +23.5 dBm y alcanza hasta 8 millas (12.8 km). 

El sintetizador RF contiene un VCO y un PLL de número fraccional de bajo ruido. El VCO opera al doble de la frecuencia fundamental para reducir las emisiones de señales falsas que causan interferencia y así permiten un rango mayor. Los sintetizadores de recepción y transmisión están integrados, lo que les permite configurarse automáticamente para alcanzar un ruido de fase, una calidad de modulación y un tiempo de estabilización óptimos.

El receptor incorpora amplificadores de bajo ruido altamente eficientes que proporcionan una sensibilidad de hasta -112 dBm, y Linx ha desarrollado técnicas avanzadas de bloqueo de interferencia que hacen que el transceptor sea extremadamente sólido ante la presencia de interferencia en la banda de sub-GHz.

Los módulos como el XBee de Digi les permiten a los diseñadores desplazarse entre las bandas de 2.4 GHz y 900 MHz mediante el protocolo 802.15.4. Estos módulos RF incorporados tienen un espacio común compartido por múltiples plataformas, incluidas las topologías de multipunto y ZigBee/Mesh con soluciones de 2.4 GHz y 900 MHz. Los desarrolladores que implementan XBee pueden reemplazar un XBee por otro, según las necesidades dinámicas de la aplicación con desarrollo mínimo, con las versiones de 2.4 GHz para implementación global y las versiones de 900 MHz para rangos mayores o entornos que necesitan más inmunidad ante la interferencia.

Figura 2: El módulo XBee de Digi tiene el mismo espacio para las implementaciones de 2.4 GHz y 900 MHz.

La interferencia es una de las razones principales por las que los desarrolladores pasan a los módulos. Los módulos proporcionan protección contra la interferencia electromagnética a través de blindaje, y además tienen diseños de ruta de antena optimizaos para reducir la interferencia del resto de los productos electrónicos y de fuentes externas. 

El módulo de 2.4 GHz y baja potencia ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit de Atmel es un módulo ZigBee tradicional que combina un microcontrolador de 8 bits AVR de baja potencia y un transceptor de alta velocidad de transferencia de datos que proporciona altas velocidades de transferencias de datos de entre 250 kb/s y hasta 2 Mb/s, manejo de armazón, alta sensibilidad del receptor y alta potencia de salida de transmisión para brindar una comunicación inalámbrica sólida. El módulo está diseñado para aplicaciones inalámbricas de detección, monitoreo, control y adquisición de datos.

Figura 3: Módulo ZigBit ATZB-S1-256-3-0-C de Atmel

Para abordar la interferencia, la norma IEEE802.15.4 admite dos opciones PHY basadas en DSSS (espectro ensanchado de secuencia directa). El PHY de 2.4 GHz utiliza modulación Q-QPSK, mientras que 780/868/915 MHz utiliza modulación BPSK (desplazamiento de fase binaria), y ambas ofrecen un buen rendimiento de BER (tasa de error de bits). Para destacar los desafíos de utilizar salto de frecuencia en estas bandas de menor frecuencia, la capa física 802.15.4 ofrece treinta y un canales, cuatro en la banda de 780 MHz para China (802.15.4c), uno en la banda de 868 MHz para Europa, diez en la banda de 915 MHz para América del Norte y dieciséis en la banda de 2.4 GHz en todo el mundo.

En ocasiones, la interferencia debe abordarse dentro del propio dispositivo. El WL1835MOD de Texas Instruments combina enlaces Wi-Fi MIMO y Bluetooth 4.0 dentro de un único dispositivo que presenta desafíos claves en el manejo de interferencia entre canales.

Figura 4: WL1835MOD de TI aborda la interferencia entre la operación de Wi-Fi y Bluetooth en el mismo chip.

El chip incluye los amplificadores de potencia (PA) de 2.4 GHz integrados para Wi-Fi, además de un procesador de banda base que maneja velocidades de transmisión de datos de 802.11b/g y 802.11n con diseños SISO (antena única) de 20 MHz o 40 MHz y MIMO (múltiples antenas) de 20 MHz, además de la radio Bluetooth frontal.

Para hacerlo, se necesita un esquema nuevo de coexistencia avanzado. Funciona en el nivel de MAC para coordinar la utilización de todo el ancho de banda en la banda de 2.4 GHz. En cualquier momento, todo el ancho de banda puede dedicarse a 802.11 o Bluetooth, siempre y cuando uno u otro esté inactivo. Por ejemplo, cuando no se esté realizando una comunicación por Bluetooth, todo el ancho de banda puede soportar comunicaciones de 802.11n a velocidades de hasta 54 Mbit/s. O bien, cuando la radio 802.11 esté inactiva, todo el ancho de banda del rango de 2.4 GHz puede dedicarse a las comunicaciones por Bluetooth. Para garantizar la calidad de ciertos tipos de comunicaciones críticas, especialmente los canales de audio, la solución de coexistencia puede establecer de manera inteligente diferentes prioridades según la importancia que tenga el tiempo para la comunicación.

Conclusión

Existen muchas formas de minimizar el impacto de la interferencia: salir de las bandas congestionadas, utilizar espectro amplio y técnicas de salto de frecuencia e impulsar el enlace con receptores más sensibles y transmisores de mayor potencia, y disposiciones optimizadas para reducir el impacto de las señales externas. Todo esto le permite al diseñador de equipos de automatización industrial equilibrar el presupuesto de conexión y la distancia de conexión para implementar los enlaces altamente confiables que necesitan.