Startseite > Kommunikation > Wireless > Hochzuverlässig für Smart Factories

Industrielle Funkkommunikation

Hochzuverlässig für Smart Factories

1. Juni 2016, 14:54 Uhr | Von Christian Dombrowski und Dr. Mathias Bohge

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Das Echo-Prinzip trägt schon bei kleinen Netzwerken

Bild 5 zeigt, dass das EchoRing-Funksystem abhängig von der Netzwerkgröße (Anzahl der Knoten, links) und der physikalischen Systembeschaffenheit (Systemgüte) bei einem Netzwerk mit fünf Knoten (rechts) eine Übertragungszuverlässigkeit und Latenzwerte erreicht, die den Einsatz in kritischen industriellen Anwendungen erlauben: Ausfallsicherheiten von kleiner 10^–6 bei Latenzen von weniger als 10 ms. Insbesondere wird deutlich, dass hier, im Gegensatz zu CSMA, die Übertragungszuverlässigkeit durch kooperative Mechanismen mit der Netzwerkgröße wächst – und das schon bei relativ kleinen Netzwerken von drei bis fünf Knoten. Dabei kann auch bei relativ schlechten physikalischen Bedingungen (Systemgüte), die zu Paketverlustraten von 10^–3 bis 10^–4 auf der Bitübertragungsschicht führen, mit einem Netzwerk aus fünf EchoRing-Knoten den höheren Schichten ein zuverlässiger Dienst angeboten werden.

Mit EchoRing sind obere Latenzschranken möglich

Außerdem können die zu erwartenden Verzögerungen im Vergleich zu CSMA nicht nur signifikant reduziert, sondern individuell nach oben begrenzt werden. Bild 6 zeigt die komplementäre Verteilungsfunktion von experimentell ermittelten Verzögerungen für eine Ziellatenz von 10 ms bei moderater Datenverkehrslast. Je mehr sich der Graph des jeweiligen Protokolls der Null nähert, desto unwahrscheinlicher ist es, ein Paket mit eben jener Verzögerung zu observieren.

Wie Bild 6 verdeutlicht, haben die Token-basierten Verfahren eine gewisse zusätzliche Verzögerung, die dadurch zustande kommt, dass erst auf den Erhalt des Token gewartet werden muss, bevor Daten gesendet werden können. CSMA hingegen hat ein nur langsam abklingendes Latenz-Verhalten, das durch die exponentielle, zufällige Wartezeit (Backoff) bei der Übertragung hervorgerufen wird. Dieser kann zu signifikanten Verzögerungen führen. Würde der Datenverkehr im CSMA-System weiter erhöht, würde dieses Verhalten deutlich zunehmen, wogegen EchoRing den Determinismus beibehält. Durch kooperative ARQ-Verfahren, eine optimierte State Machine und prädiktive Kanalgütemessungen wurden unter Laborbedingungen an einem EchoRing-Prototypen Paketverlustwahrscheinlichkeiten kleiner als 10^–9sowie Latenzen unter 1 ms gemessen. Aktuell wird EchoRing in industriellen Partnerschaften unter realistischeren Bedingungen getestet und der Prototyp um Koexistenzfunktionen und sicherheitsrelevante Aspekte erweitert.

Literatur

[1] Kagermann, Prof. Dr. H.; et al.: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 – Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0. April 2013. www.bmbf.de/files/Umsetzungsempfehlungen_Industrie4_0.pdf
[2] Richtlinie 2006/42/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung). eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:32006L0042&from=de
[3] ITU-T X.200 (07/1994): Information technology – Open Systems Interconnection – Basic Reference Model: The basic model, Juli 1994, www.itu.int/rec/T-REC-X.200-199407-I.
[4] Chang, R. W.: Synthesis of band limited orthogonal signals for multichannel data transmission. Bell Systems Technical Journal, 10.12.1966, S. 1775–1796.
[5] ANSI/IEEE 802.5-1995, Part 5: Token ring access method and Physical Layer specifications. 1995.
[6] Cavers, J.: Mobile Channel Characteristics. Kluwer Academic Publishers, 2000.
[7] Fitzek, F. H. P.; Katz, M. D.: Cooperation in Wireless Networks: Principles and Applications. Springer Netherlands, 2006.

Die Autoren

Dipl.-Ing. Christian Dombrowski
ist Gründer der R3 – Reliable Realtime Radio Communications GmbH. Nach seinem Abschluss an der TU Berlin im Bereich Kommunikationsnetze ist er als Doktorand an das UMIC-Exzellenscluster der RWTH Aachen gewechselt, wo er sich im Rahmen seiner Forschungstätigkeiten mit zentralisierten und dezentralisierten Ansätzen der zuverlässigen Funkkommunikation beschäftigt. Einen Schwerpunkt bildet dabei sowohl die modellgestützte als auch die experimentelle Evaluation der entwickelten Protokolle.

Dipl.-Ing. Christian Dombrowski

ist Gründer der R3 – Reliable Realtime Radio Communications GmbH. Nach seinem Abschluss an der TU Berlin im Bereich Kommunikationsnetze ist er als Doktorand an das UMIC-Exzellenscluster der RWTH Aachen gewechselt, wo er sich im Rahmen seiner Forschungstätigkeiten mit zentralisierten und dezentralisierten Ansätzen der zuverlässigen Funkkommunikation beschäftigt. Einen Schwerpunkt bildet dabei sowohl die modellgestützte als auch die experimentelle Evaluation der entwickelten Protokolle.

christian.dombrowski@r3coms.com

Dr.-Ing. Mathias Bohge
ist Gründer und geschäftsführender Gesellschafter der R3 – Reliable Realtime Radio Communications GmbH. Seine Dissertationsschrift mit Auszeichnung hat er an der TU Berlin verfasst, nachdem er das Studium der Elektrotechnik in Berlin und am WinLab der Rutgers University, NJ, USA, beendet hatte. Seine berufliche Laufbahn führte ihn u.a. zu Siemens in Berlin und Ericsson in Kista, Schweden. Zuletzt arbeitete Herr Dr. Bohge als Berater für die Boston Consulting Group mit Schwerpunkt IT in Telekommunikationsunternehmen.

Dr.-Ing. Mathias Bohge

ist Gründer und geschäftsführender Gesellschafter der R3 – Reliable Realtime Radio Communications GmbH. Seine Dissertationsschrift mit Auszeichnung hat er an der TU Berlin verfasst, nachdem er das Studium der Elektrotechnik in Berlin und am WinLab der Rutgers University, NJ, USA, beendet hatte. Seine berufliche Laufbahn führte ihn u.a. zu Siemens in Berlin und Ericsson in Kista, Schweden. Zuletzt arbeitete Herr Dr. Bohge als Berater für die Boston Consulting Group mit Schwerpunkt IT in Telekommunikationsunternehmen.

mathias.bohge@r3coms.com