ISA100 Wireless Compliance Institute
ISA100 Wireless Compliant
無線の基礎及び
無線の基礎及び
ISA100.11a
ISA100.11a
技術の特徴
技術の特徴
安川 和行
富士電機システムズ株式会社
技術開発本部 制御技術センター
目次
• 無線の基礎
• 無線の基礎
無線通信とは？
• （伝送路として）線を使わない電気通信 ⇔ 有線通信
– 携帯電話やPHSなどのように電波によるもののみならず、光や音
波によるものも広義には「無線通信」に含まれることもある
• 電波法施行規則
– 「無線通信」は「電波を使用して行うすべての種類の記号、信号、
文言、影像、音響又は情報の送信、発射又は受信をいう」と定義
• 電波法施行規則2条1項15号
• （伝送路として）線を使わない電気通信 ⇔ 有線通信
– 携帯電話やPHSなどのように電波によるもののみならず、光や音
波によるものも広義には「無線通信」に含まれることもある
• 電波法施行規則
– 「無線通信」は「電波を使用して行うすべての種類の記号、信号、
文言、影像、音響又は情報の送信、発射又は受信をいう」と定義
• 電波法施行規則2条1項15号
出典：Wikipediaより抜粋
工業環境における電波伝搬測定 結果例
-100 -90 -80 -70 -60 -50 10 直線距離 [m] 100 伝搬損失 [d B ] 周波数A 見通しなし 周波数A 見通しあり 周波数B 見通しなし 周波数B 見通しあり電波の伝搬特性は周波数や伝搬環境などの影響を強く受ける
50m周波数による相違
通信可否が距離により
一義に決まらない
見通し有無による相違
90m工業環境におけるノイズ測定 結果例
無線
LANが放射する電波
⇒ 他の無線システムにはノイズ
• 携帯電話、ノートPCなどの普及
⇒ 工業環境の無線利用は進んでいる
• 隣接事業所からの電波により影響を受けることもある
周波数による電波の特性の相違
•
周波数帯により、伝送距離や伝送速度等の得失は異なる
⇒ システムの所要性能に応じて、使用周波数帯を選定
•
使用周波数帯の選択 ⇒ ライセンス要否
– 事業所内の無線システムには、免許不要バンドの採用が一般的
•
2.4GHz帯:
「世界共通・免許不要で使用可能な唯一の帯域」
– 欠点：無線LANなどと同一の周波数帯であり、干渉の懸念
⇒
無線共存性が重要
評価指標
周波数
低
高
電波伝搬特性
伝搬損失 （伝送距離）
○
×
回り込み
○
×
アンテナサイズ
×
○
チャネル帯域幅（伝送速度）
×
○
電波の干渉
送信 受信 受信 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 Time [s] R ecei v ed po w e r [d B m ] 時間 受信電力 反射物が移動 ⇒ 時間と共に受信電力が変動シャドウィング
⇒ 遮蔽物による電波の減衰マルチパスフェージング
⇒ 複数の反射物からの電波が 受信端で合成される際に生じる干渉干渉に伴う受信電力の変動は
-30dB（=1/1000）を超える
工業環境における無線利用の課題
高信頼性
高信頼性
拡張性
オープン性
導入・運用の簡易性
多機能性
・様々なシステム要件への対応
・将来の拡張・更新
・既存有線ネットワークとの接続
• 電波伝搬（不確実性）
• ノイズ
（既存無線システムとの共存）
• 電波の干渉
• セキュリティ
（盗聴・改ざん・なりすまし）
• 無線の基礎
ISA100.11a 概略仕様
項目 仕様 周波数帯 2.4GHz帯 物理層 IEEE 802.15.4-2006 直接スペクトル拡散（DSSS） データリンク層 TDMA／CSMAハイブリッド 周波数ホッピング（スロット／スロー） EUI-64アドレス（+16bit ショートアドレス） 時刻同期 セキュリティ データリンク層（リンク単位） トランスポート層（エンド to エンド） ネットワーク層 IPv6ベース（IETF 6LoWPAN, RFC4944） アプリケーション パブリッシュ／サブスクライブ、クライアント／サーバ アラート、バルク伝送、アラーム、トンネリング 無線LANとの共存性が必須 次スライド以降で説明ISA100.11a規格 構成要素（Role）
I/Oデバイス ・データの発信元 もしくは伝送先 バックボーンルータ ・無線ネットワークとバックボーン ネットワーク間の中継 システム／セキュリティマネージャ ・ネットワーク内の端末・セキュリティの管理 ゲートウェイ ・無線ネットワークとプラントネットワーク間の アプリケーションI/F ルータ ・無線ネットワーク内の中継１つのデバイスが複数のRoleを担うこともある
ネットワーク構成（トポロジー）
通信成功率向上 ⇒ 高信頼性
エリア拡大 ⇒ 拡張性
低遅延・低コスト ⇒ 多機能性
Bメッシュとスターの組み合わせも可能 ⇒ 多機能性
• メッシュ
– 1つの宛先に対して、複数の
経路を構成
– 多段中継によるエリア拡大
• スター
– 低遅延伝送（高速制御）
– 低コスト端末の実現
バックボーンルータの追加
Duo Cast
・本来の宛先ではない端末が、データを
受信し、応答を返す機能
バックボーンルータの追加
通信品質・スループット向上 ⇒ 高信頼性
エリア拡大 ⇒ 拡張性・多機能性・簡易導入
ISA100.11a-2009スペクトル拡散
• 直接拡散方式（DSSS）
– ノイズに似た性質の符号によ
り送信信号を拡散して送信す
る方式
– IEEE 802.15.4にて規定
• 周波数ホッピング（FHSS）
– 予め決められたパターンによ
り、時間と共に周波数を変更
して、伝送する方式
– ISA100.11aにて規定
時間 周波数対ノイズ性能の向上 ⇒ 高信頼性
チャネル ホッピング
• スロットホッピング
– センサーデータの定期的な収集など、定時性の必要な用途に使用
• スローホッピング
– ファームウェア更新など、大容量データの高効率伝送に使用
定時性の向上 ⇒ 高信頼性
高信頼性・多機能性
チャネル ホッピング
• ハイブリッド（ホッピング）
– スロット／スローホッピングの組み合わせ
チャネル
• アダプティブホッピング
「悪い」状態のチャネル → 干渉、ノイズ・・・ 通信成功率の悪いチャネルを 使用するスロットをスキップ多機能性
対ノイズ・干渉性能の向上 ⇒ 高信頼性
チャネル ブラックリスト
他システムとの共存性の向上 ⇒ 高信頼性
無線LANの利用を自動的に検出
物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション I/Oデバイス ルータ ・・・ ・・・ ゲートウェイ システム／セキュリティ マネージャ バックボーンルータ 物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション 物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション 物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション ・・・ バックボーンネットワーク 無線ネットワーク
セキュリティ
2階層構成による強固なセキュリティ ⇒ 高信頼性
データリンク層：隣接するデバイス間のセキュリティ トランスポート層：エンド⇔エンド間のセキュリティ時刻の同期
定時性・セキュリティの向上 ⇒ 高信頼性
・ 時刻基準：国際原子時 （TAI） ・ ネットワーク内の全てのノードの時刻を同期 ・ 隣接デバイス間は、msオーダで同期 ・セキュリティ目的（データ整合性チェック）に使用IPv6対応
• ネットワーク層：6LoWPANベース
– 6LoWPAN：IPv6 over Low power WPAN
• IETF RFC4944
物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション I/Oデバイス ルータ ・・・ ・・・ ゲートウェイ システム／セキュリティ マネージャ バックボーンルータ 物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション 物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション 物理層 データリンク ネットワーク トランスポート アプリケーション ・・・ バックボーンネットワーク 無線ネットワークアドレス変換（IPv6⇔無線アドレス）
パケット分割・再構成（フラグメンテーション）
拡張性・将来性
オープン性
既存有線フィールドバスの収容
• アプリケーション層：トンネル機能
導入・運用の簡易性
オープン性
Native HOST A FF HOST B HART HOST C Native FF HARTまとめ
•
無線通信は、電波を通信媒体とする性質上、ノイズ、干渉、セキュリティな
どの課題を避けて通ることはできない
– 工業環境に適用する場合、信頼性を高い次元で実現する必要がある
•
ISA100.11aの機能
– フレキシブルなトポロジー
– スペクトル拡散
– 様々なホッピングメカニズム
– チャネルブラックリスト
– セキュリティ
– 時刻同期
– IPv6対応
– 既存フィールドバス収容
高信頼性
拡張性
オープン性
導入・運用の簡易性
多機能性
ユーザ参加のプロセスにより、ユーザの求める機能・性能をバランスよく実現
ISA100.11a無線伝送距離
500m 程度 500m 程度 50-100m 程度
