실시간 및 결정적 통신은 산업용 애플리케이션 세계에서 높은 중요성을 지닌다. 많은 솔루션들이 고속화된, 주기적 절차를 기반으로 하고 있다. 또한 물류 내지 운송 등과 같은 영역에서는 100ms 미만의 응답시간에 대한 수요가 나타나고 있다. 이러한 요인들은 네트워크 인터페이스 간의 데이터 교환의 신뢰성과 속도에 영향을 끼치며, 이는 엄격히 한정된 수준의 응답시간에 부합되어야 한다.
글: Mark Freeman, Siemens Automation & Drives, Product Manager
데이터 전송 속도 예약
이 방법을 사용하여 산업용 무선랜은 최소한의 데이터 속도 및 선택된 클라이언트에 대한 “최악의 경우”를 가정할 경우의 전송 시간(Quality of Service, QoS)을 보장하는 옵션을 제공한다. 이들 파라미터는 통신에 앞서 결정된다.
Example 1: 주기적 데이터 전송
해당 구성에서 자동화 애플리케이션의 엔지니어가 산업용 무선랜을 경유하여 중앙 컨트롤러로 매 550ms 마다 64-바이트의 패킷을 전송할 수 있는지 확인하기 원하는 경우, 다음의 파라미터들이 구성되어야 한다.
1. 전송 시간(응답 시간)
50ms 미만, 따라서 데이터는 노드에 ‘누적되지’ 않는다. 50ms 이후, 이전 패킷의 마지막 비트는 다음 64-바이트 패킷이 전송 될 수 있도록 전송되어 있어야 한다.
2. 데이터 속도(대역폭)
64 바이트가 50ms동안 전송된다면 적어도 (64 bytes x 8 bits)/50 ms = 10.24 Kbps의 데이터 전송속도가 설정되어야 한다. 이들 두 가지 설정은 무선 채널이 시스템의 병목현상이 아니면서 노드의 주기적 데이터 전송이 중앙 컨트롤러로 원활히 전달될 수 있도록 보장한다.
Example 2 : 파일 전송
노드가 1 Mbyte의 전송할 파일을 갖고 있다면 예측 가능한 전송 시간을 아래 설정에 따라 예측할 수 있다.
1. 전송 시간(응답 시간)
초 단위의 시간이 예상될 수 있기 때문에 무선 채널의 대기시간은 주요 요인이 아니다. 500ms의 시간이 여기서 선택될 수 있다.
2. 데이터 전송 속도(대역폭)
만일 데이터 속도가 500Kbps로 설정된다면 전체 파일은 (1 Mbyte x 8 bits)/500 Kbps = 16s안에 전송된다. 각 패킷들이 이론적으로 최대 500ms 대기시간을 갖는다는 것은 중요한 역할을 하지 않는다.
데이터 전송 속도를 예약하고자 할 때, 다음 제약들이 고려되어야 한다.
1. 데이터 전송 속도 설정은 이더넷 연결의 정량 데이터 전송속도를 기초로 한다. 무선 전송으로 인한 프로토콜 오버헤드는 고려할 필요가 없다.
2. 무선 스테이션이 다른 셀로 인계될 때, 하나의 스테이션은 단지 전송시간만 걸리며 새로운 AP 상의 ‘결정론적 클라이언트’로서 구성될 때 데이터 전송 속도가 이에 부가된다. 그러나 한 셀에서 다른 셀로 인계되는 순간 스테이션은 다음 AP에 로그온을 하기 위해 매우 틈이 없기 때문에 딜레이가 발생한다. 이 상태는 수백 밀리세컨드까지 소요될 수 있다. 이 시간 동안 어떠한 데이터 전송도 발생하지 않는다. 산업용 무선랜을 장래에 후속 개발하면서 이러한 특성은 20ms 미만의 인계 시간(Handover Times)이 소요되도록 향상시킬 것이다.
3. 어떤 중요 무선 스테이션에 전송 시간 및 데이터 전송 속도가 할당되는 경우, 하나의 셀이 완전히 활용될 때보다 그 성능이 더 못하지는 않다는 것을 의미한다. 예시: 2.4 GHz, 54 Mbps 셀 내의 단일 스테이션은 100ms및 500kbps의 속성을 갖는다. 이 스테이션은 물론 셀 안에 어떠한 다른 스테이션도 존재하지 않을 때에만 무선 채널의 전체 대역폭을 활용한다.
4. 주기적 데이터 교환은 양방향 통신이 가능하다. 스테이션에서 액세스 포인트로(업스트림), 그리고 액세스 포인트에서 스테이션으로 (다운스트림).
5. 타 제조사들의 상응하는 방법들은 하나의 카테고리의 데이터 스트림의 우선순위화를 제공한다. 이는 가령 전체 음성 트래픽이 우선순위를 갖는다는 것을 의미한다. 그러면 장치 기본으로 할당된 우선순위는 가능하지 않다. 많은 경우에 이들 방법은 또한 다운스트림 데이터의 우선순위를 제공한다.
위에 서술된 메커니즘을 설명하기 위해 6개의 스테이션들이 로그온 되어 있는 액세스 포인트를 가정해보자(그림 2. 클라이언트 1~6까지). 클라이언트 1, 2 및 3(가령, 모바일 컨트롤러)이 산업용 무선랜을 통해 플랜트 네트워크와 연결될 필요가 있는 애플리케이션의 경우 이들 컨트롤러는 고정된 주기적 포인트에서 일정 시간 내에 상태 메시지를 전송하는 것을 보장해야 한다. 이는 별도의 메커니즘이 전송 권한을 할당할 수 있는 경우에만 가능하다. 위의 예시에서 데이터 전송속도를 예약함으로써 클라이언트 1과 3은 클라이언트 4와 5가 명백히 대용량 전송 파일을 지니고 있다 하더라도 첫 단계에서 액세스 포인트에 접근할 기회를 갖는다. 이후 모든 다른 스테이션들이 일반 규칙에 따라 자신의 순서를 갖는 기간이 후속된다.
그림 2에서 이는 클라이언트 5가 첫 번째에 해당하고, 클라이언트 6은 다음에 해당한다. 이후 예약된 데이터 속도로 스테이션이 액세스 포인트에 접근할 수 있는 상태가 다시 한번 후속된다. 또한 그림 2의 도식에서 클라이언트 4가 IEEE 802.11 접근 방법으로 인한 ‘희생물’이라는 것이 분명하다. 이는 사전 구성된 확실한 성능(QoS)을 갖춘 클라이언트가 아니기 때문에 클라이언트 5와 6이 자신들의 데이터를 전송할 때까지 기다려야 한다. 산업용 무선랜 내에서는 선점된 무선 전송뿐만 아니라 표준과 호환되는 무선랜 전송 방식도 존재한다. 어떤 IEEE 802.11 호환 장치라도 우선권을 지닌 무선 전송에 포함될 수 있다는 점은 강조되어야 하겠다. 만일 하나의 액세스 포인트 셀 내에 우선권을 지닌 통신뿐만 아니라 IEEE 802.11 전송이 있다면 표준 트래픽의 성능을 약화시킨다는 것을 기억해야 한다.
강제 로밍(Forced Roaming)
IEEE 802.11 표준은 액세스 포인트가 이더넷을 경유하여 유선 네트워크에 연결되어야 한다는 것은 결코 명시하지 않는다. 뿐만 아니라 유선 네트워크를 사용할 수 있어야 한다는 것 또한 명시하지는 않는다. 이는 셀 내의 스테이션이 유선 인터페이스가 약화되거나 차단되는 경우, 이를 즉시 인식하지 못한다는 것을 의미한다. 이러한 오류는 스테이션이 중요한 공정 데이터를 제어실로 전송하는 모바일 컨트롤러라면 심각한 파급 효과를 초래한다.
만일 액세스 포인트 1로 연결되는 유선 인터페이스가 그림 3과 같이 차단될 경우, 액세스 포인트는 오류를 감지하고 자동적으로 셀을 차단한다(전제: 사용자가 액세스 포인트 1의 웹 인터페이스에서 이러한 옵션을 선택한 조건에서). 셀이 이중화 방식으로 설계된 경우(오버래핑/중첩 셀), 해당 스테이션은 가용한 다음 액세스 포인트(AP2)로 로밍시킨다. 이러한 메커니즘 없이, 모바일 컨트롤러가 제어 컴퓨터로의 연결을 유지할 수 있는 방법은 없다. 주: 이 메커니즘은 이중화 모드와 혼동되어서는 안 된다. 이 경우에서의 차이점은:
– 지점간 연결(point-to point 링크)
– 듀얼 액세스 포인트(Dual access point)
– 듀얼 액세스 포인트 중 하나의 무선 카드에서 다른 카드로의 전환(switchover)
이벤트
산업 플랜트에서 중요한 비용 요인 중 하나는 서비스 및 유지보수에 소요되는 비용 및 인력이다. 여기서 장치 오류 및 이들 요인이 적당한 시간 안에 재인식될 수 있을 경우 절약할 수 있는 여지가 상당하다. 오류를 차치하고라도 이는 구성 중에 중요 단계들이 기록되고 추후 정밀하게 재점검하는 데 도움이 된다.
– 재시작/핫 리스타트
– 이더넷으로의 연결
– 권한지정 부문의 오류(나는 누구인가? – 누가 로그인 되어 있는가?)
– 전원 공급 장치
– 무선 링크의 연결
– 구현 가능한/구현 불가능한 데이터 속도
– 이중화 모드
오류 및 상태를 간편하게 감지하는 것은 적합하지 않다: 적합한 반응 또한 촉발되어야 한다. 이를 가능하게 하기 위해서는 아래와 같은 메커니즘이 존재한다:
– 장치 상의 오류 표시(LED)
– E-mail 전송
– SNMP 트랩
– 추후에 해독될 버퍼 상의 로그 기록
항시 기록되고 고장/오류 LED들로 신호되는 소수의 심각한 오류들과는 별도로, 문제 발생을 지시하는 모든 방법들이 활성화 내지 비활성화 될 수 있다.
무선 분배 시스템, WDS
플랜트 내의 어떤 산업용 무선랜이 업그레이드 될 필요가 있는 경우 가능한 셀들을 초월하여 통신하기 위해 이더넷을 경유한 액세스 포인트 연결이 때로 가능하지 않을 수도 있다. 가능한 원인은 다음과 같다:
– 커미셔닝을 위해 임시 장비가 요구되는 경우
– 케이블 채널들이 확장될 수 없거나 없는 경우
– 설치상의 난관(가령 모래 채취장에서). 그러한 상황에서 해당 액세스 포인트들은 배선 없이 무선 분배 시스템 상에서 사용될 수 있다.
WDS 모드에서 하나의 액세스 포인트가 자신과 이웃하고 있는 다른 액세스 포인트를 ‘보는’ 것이 가능하도록 하는 것 중요하다(그렇지 않을 경우, 해당 체인이 차단될 수도 있다!). 이는 공급된 안테나들 대신에 특수한 원거리용 안테나를 사용할 필요가 있도록 만든다. 그림 4에서 보는 바와 같이 스테이션들이 이 모드에서 무선 운용에 완벽하게 참여할 수 있도록 되어 있다. 여기서 부각되는 중요한 특성 한 가지; 즉 스테이션 및 액세스 포인트 등이 가용한 전체 데이터 전송속도를 공유해야 한다는 것이다. 이러한 상황은 더욱 심각하게 될 수도 있는데, 왜냐하면 WDS 모드에서는 모든 액세스 포인트들과 스테이션들이 동일한 무선 채널 상에서 작동하기 때문이다(가령, 802.11g 및 54 Mbps 속도의 채널 1, 2, 4 GHz에서).
이러한 제약은 물론 애플리케이션에 대해서도 귀결된다. 다수의 스테이션들에 대해 높은 데이터 전송률이 필요한 애플리케이션들은(가령 무역 박람회장에서의 핫 스팟) 피해야 한다. 다른 한편 (수100 Kbps 단위) 컨트롤러들 내지 (수Mbps의) HMI가 무선 네트워크에 접속하여 구성을 위해 대량 파일을 다운로드 하는 일이 거의 없는 애플리케이션의 경우에는 일반적으로 병목현상을 걱정하지 않아도 된다. 그림 4의 무선 인프라의 성능은 듀얼 액세스 포인트가 사용될 경우 향상될 수 있다(그림 5 참조). 그렇게 되면 하나의 무선 카드는 무선 인프라(Backbone)를 설정하는 데 사용되며 다른 무선 카드가 듀얼 액세스 포인트 지점에 있는 해당 스테이션들에 이들이 무선 인프라에 접속할 수 있도록 하나의 셀을 제공한다. 다시 언급하지만, 특수 원거리용 안테나가 필요하게 되는 수도 있다.
WDS의 또 다른 유용한 응용은 몇몇 외부에 위치한 플랜트 부문들이 상호 연결될 필요가 있는 경우이다. 이는 케이블이 불필요하기 때문에 무선을 경유해 연결될 필요가 있는 조선소 부지에 있는 몇 개의 독이 될 수도 있다.
4개의 듀얼 액세스 포인트 환경에서 각기 하나의 중앙 액세스 포인트와 하나의 무선 카드가 WDS를 구현한다. 중앙 액세스 포인트는 동시에 유선 네트워크를 위한 인터페이스로 사용된다. 그림 5에서 보는 바와 같이 듀얼 액세스 포인트들은 이들이 설치된 지점에서 ‘로컬’ 무선 네트워크를 구현하며, 이는 해당 스테이션들로써 무선 인터페이스로 사용된다. 따라서 WDS는 다시 한번 해당 인프라에 대한 백본(backbone)을 제공한다.
아이씨엔 매거진 2006년 11월호
무선 LAN 솔루션, 산업 설비에 들어오다(2)
