O escalonamento no WirelessHART é realizado centralizadamente pelo Network Man- ager. Para que o escalonamento seja feito de maneira eficiente e otimizada, o Network manager precisa de informações sobre a rede, sobre os requisitos de comunicação e so- bre a capacidade dos dispositivos na rede. Ao passo que estas informações são obtidas e atualizadas, o Network Manager continua a ajustar o escalonamento para se adequar aos requisitos. O escalonador utiliza o informações do sistema operacional para ajustar o escalonamento. Os requisitos de escalonamento são descritos na Tabela 2.3.
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Tabela 2.3: Requisitos de escalonamento.
Função de Rede Requisito
Pressupostos O Network Manager tem uma representação do grafo da rede. Cada dispositivo de rede deve ser configurado com uma tabela de conexões. O network manager sabe a taxa de atualização de cada dispositivo. Para efeito de redundância, dados são enviados com uma transmissão e uma retransmissão por um caminho e outra retransmissão em um caminho diferente.
Restrições O número máximo de canais ativos é determinado pelo número de canais habilitados e limitado pelo blacklisting. nenhum dispositivo deve ser escalonado para escutar duas vezes em um mesmo slot. mais de um dispositivo pode transmitir para o mesmo dispositivo. Um link de
broadcast e links dedicados para cada um dos dispositivos que escu-
tam a transmissão podem coexistir. Em um caminho de múltiplos hops, o hop mais imediato é escalonado primeiro. As taxa de atualização suportadas são definidas por 2n, onde n é um valor inteiro. Por exem- plo, a taxa de atualização aceita pode ser 250ms, 500ms, 1s, 2s, 4s, 8s, 26s, 32s, 60s ou mais. Gerenciamento básico da rede e comunicação de dados publicados (publish data) não devem execeder 30% da banda disponibilizada (100slots/seg no máximo). O Network Manager leva em conta os requisitos e serviço. O escalonamento final (não contando o gateway) deve ter 50% de slots livres (ou seja, alocados para retrans- missões e escutas).
Descoberta de vizinhos O Network Manager aloca um link de descoberta comum a todos os dispositivos de rede. O temporizador de tempo de descoberta é config- urado para habilitar a descoberta.
A norma WirelessHART [IEC 62591: Industrial communication networks - Wireless
communication network and communications profiles - WirelessHART 2010] não especi-
fica um algoritmo de escalonamento, mas resume a seguinte estratégia escalonamento: 1. Estratégia de escalonamento
• Iniciando do slot 0, o channel offset é atribuído aos dispositivos . • O dispositivo que publica dados mais rapidamente é alocado primeiro. • O destino dos dados publicados é sempre o gateway.
2. Superframes de Dados
• O comprimento do superframe de dados é determinado pela taxa de leitura de
dados.
• Os slots são alocados da mais rápida para mais lenta taxa de atualização de
• Se iniciando do dispositivo mais distante do gateway, um link é alocado para
cada dispositivo na rota para o gateway. Um segundo slot é alocado para dar suporte a retransmissão.
• cada transmissão é escalonada com uma retransmissão alocada em outro cam-
inho (caso exista um disponível).
• Um dispositivo de rede só pode estar escalonado para receber dados uma vez
por slot.
• Notificações de eventos utilizam o mesmo esquema de escalonamento dos da-
dos. Se houver uma operação de publicação de dados escalonada, então os eventos podem dividir o mesmo slot. Os eventos são enviados esporadica- mente. Quando um evento é enviado, pode-se usar o slot de retransmissão. 3. Superframe de Gerenciamento (Management Superframe)
• O superframe de gerenciamento tem prioridade sobre os superframes de da-
dos.
• O superframe do Network Manager deve compor-se de 6400 slots conforme
descrição da norma [IEC 62591: Industrial communication networks - Wire-
less communication network and communications profiles - WirelessHART
2010].
• O grafo deve ser percorrido por busca em largura, iniciando do gateway, nu-
merando os dispositivos de N0, N1, ... Nn.
• Todo dispositivo deve ter um slot para um DLPDU de Keep-Alive. Este slot
deve ser um slot de recepção compartilhado do nó pai no grafo compartilhado. Se um dispositivo de rede não envia nenhum pacote para o seu nó pai durante o intervalo de tempo denominado Keep_alive_time, a estação deve enviar um DLPDU de Keep-Alive depois que este tempo expirar.
• Cada dispositivo deve ter 3 slots a cada 15 minutos para relatórios de estado
do dispositivo.
• Cada dispositivo deve ter pelo menos 1 slot compartilhado a cada minuto
para requisição/resposta. Caso esteja apto, o gateway deve alocar os recur- sos necessários para esta aplicação.
4. Comandos e respostas para gerenciamento da rede
• Os links de gerenciamento de rede devem ser compartilhados com requisição
e respostas de join. 5. Comandos requisição/respostas
• Os links deve ser alocados de mesmo modo das requsições de join.
• O Network Manager aloca slots compartilhados para suportar o tráfico ad-hoc
de requisição/respostas. 6. Superframe de Gerenciamento
• Devem existir slots alocados para o superframe de gerenciamento. Este super-
frame deve estar configurado em todos os dispositivos. Ele deve ter 1 segundo de duração e ser composto de 4 slots.
2.3. CAMADA DE ENLACE 33
7. Superframe de Gateway
• O superframe de gateway deve ter Superframe_ID de valor 253.
• O superframe de gateway tem, no mínimo, 40 slots de duração (400ms). • Os slots devem ser alternados entre slots de transmissão e de recepção e devem
todos serem compartilhados. 8. Superframe de Propósitos Especiais
• O Network Manager deve alocar superframes para serem usados pelo gateway
ou por um cliente para atender altas demandas de transmissão de dados. Isso é definido com serviço de "manutenção"ou "tranferência em bloco".
• O Network Manager deve alocar superframes para serem usados pelo dis-
positivos handheld e por todos os dispositivos de campo para propósitos de manutenção. Este superframe é usado para fornecer conexões de alta veloci- dade para handhelds e dispositivos de campo. O Network Manager deve alo- car 4 slots por segundo (dois links em cada direção).
9. Parâmetros para otimização
• Número de hops ao gateway. • Caminhos alternativos. • Latência.
• Consumo de Energia
• Volume total de dados transmitidos.
Exemplo de escalonamento com um único hop
Utilizando a abordagem sugerida na definição dos superframes, os slots foram alo- cados da taxa de atualização mais rápida para a mais lenta. Assumindo que todos os sipositivos estão a 1 hop de distância do Gateway G, temos a configuração e as respecti- vas taxas de atualização da rede mostradas na Figura 2.20.
O escalonamento obtido está mostrado na Figura 2.21. Para prover suporte para re- transmissões imediatas, slots adicionais são utilizados a cada transmissão.
Figura 2.21: Escalonamento para o exemplo de um único hop.
Exemplo de escalonamento com múltiplos hops
O exemplo anterior apresentou o caso ideal no qual todos os dispositivos estão ligados diretamente (1 hop) ao gateway. Entretanto, em vários casos isso não vai ocorrer e com isso múltiplos hops devem ser utilizados.
Figura 2.22: Topologia de exemplo para um múltiplos hops.
Uma rede WirelessHART é formada por um processo de Join. Quando um dispositivo de rede não se comunica diretamente com o gateway, slots devem ser reservados para o
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roteamento de pacotes. Além disso, se a rede estiver configurada para tal, os dispositivos podem ter várias rotas pelas quais enviar suas mensagens e slots devem ser definidos para que tais dispositivos possam rotear pacotes além dos seus próprios pacotes. Quando os
slots estão reservados para transmitir por ambos os caminhos, o segundo slot no super-
frame é utilizado apenas se nenhuma confirmação for recebida por parte do primeiro. A estrutura é mostrada na Figura 2.22 e o escalonamento resultante é mostrado na Figura 2.23. O delay do dispositivo C3 para o gateway vai de 30ms sem retransmissão para 60ms com retransmissão. Um jitter pequeno quando comparado com a taxa de atualização de 1 segundo.
Figura 2.23: Escalonamento para o exemplo de múltip´los hops.
Retransmissão para melhorar confiabilidade sendo realizada antecipadamente, leva a uma limitação na banda mesmo quando retransmissões forem desnecessárias, entretanto o WirelessHART provê recursos para se superar isso. Além da taxa de transmissão comum, os 15 canais descritos anteriormente podem ser utilizados simultaneamente, aumentando a banda em até 15 vezes [Chen et al. 2010], sendo a largura de banda efetiva do Wire- lessHART maior do que a versão cabeada do HART.
Neste capítulo foram descritos as camadas físicas e de enlace do WirelessHART. A camada física é baseada
Capítulo 3
WirelessHART: Camadas Superiores
3.1
Camadas Superiores
O termo camadas superiores, no escopo do nosso trabalho, se refere às camadas de Rede, Transporte e Aplicação do modelo OSI. A camada de Rede no modelo OSI é res- ponsável pelas funções de roteamento, lidando com o endereçamento para a entrega de dados. A camada de transporte controla a transmissão de dados de maneira confiável e sincronizada entre duas estações através de controle de fluxo, fragmentação e desfrag- mentação. A camada de sessão gerencia o dialogo, conexão e sessão entre dois nós da rede. No padrão WirelessHART essas três camadas do modelo OSI são englobadas pela camada de Rede.