@phdthesis{Kreiser2015, author = {Kreiser, Dan}, title = {Optimierung und Erweiterung des IEEE 802.15.4a UWB-Standards f{\"u}r den Einsatz in Automatisierungssystemen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-38703}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2015}, abstract = {Der Einsatz funkbasierter Steuerungs- und {\"U}berwachungssysteme wird sich in den n{\"a}chsten Jahren in der Automatisierungsindustrie wesentlich erh{\"o}hen. Funkbasierte Systeme sind flexibel, das heißt skalierbar, leicht rekonfigurierbar und mobil. Außerdem sind Funksysteme kosteng{\"u}nstig, insbesondere bei der Wartung. Dennoch m{\"u}ssen diese Systeme hohen Anforderungen gen{\"u}gen, wie Sicherheit, Zuverl{\"a}ssigkeit, Energieverbrauch, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit. Besonders wichtig f{\"u}r den Einsatz drahtloser Funktechnologien in Automatisierungssystemen ist die harte Echtzeitf{\"a}higkeit bei Zykluszeiten im Bereich von unter 1 ms bei Netzwerkgr{\"o}ßen von bis zu 127 Knoten bei einer bidirektionalen Kommunikation mit einer Nutzdatenmenge von bis zu 48 Byte je Sensorknoten. Eine weitere Herausforderung ist die Integration dieser Systeme in bestehende Infrastrukturen, wo Koexistenz mit bereits vorhandenen drahtlosen Systemen ein kritischer Faktor ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die IR-UWB Funktechnik basierend auf dem Standard IEEE 802.15.4a so zu verbessern, dass sie die hohen Anforderungen der Automatisierungsindustrie erf{\"u}llt. Dabei soll gew{\"a}hrleistet werden, dass die Abweichungen im Vergleich zum Standard m{\"o}glichst gering ausfallen und dass die Vorgaben der Regulierungsbeh{\"o}rden nicht verletzt werden. Diese Anforderungen begrenzen die M{\"o}glichkeiten der Optimierungen stark, was die Aufgabe noch schwieriger macht, aber zugleich wird damit sichergestellt, dass die L{\"o}sungen auch in realen Systemen eingesetzt werden k{\"o}nnen. In dieser Arbeit wurden sowohl komplexe theoretische Ans{\"a}tze als auch Optimierungen der Implementierung ausgearbeitet, in Matlab simuliert und in einem FPGA implementiert. Anschließend wurde ein ASIC gefertigt. Um die hohen zeitlichen Anforderungen zu erf{\"u}llen, wurden die einzelnen Teile des UWB-Frames optimiert. Um dies zu erreichen mussten neue Synchronisations- und Daten{\"u}bertragungs-Verfahren entwickelt werden. Dieses Verfahren erm{\"o}glicht eine parallele bidirektionale Kommunikation mit einer variablen Anzahl an Sensorknoten (bis zu 127). Eine Kombination verschiedener Fehlerkorrekturverfahren (Reed-Solomon-Code und Hamming-Code) wurde untersucht, um die Zuverl{\"a}ssigkeit zu erh{\"o}hen. Zus{\"a}tzlich wurde ein Fehlerkorrekturverfahren f{\"u}r tern{\"a}re Impulssequenzen mit geringem Overhead ausgearbeitet. Dieses Verfahren erlaubt eine ausreichend gute Fehlerkorrektur und erlaubt im Gegensatz zu der Fehlerkorrektur mit dem Reed-Solomon-Code das Einhalten der zeitlichen Anforderungen. Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist ein f{\"u}r IR-UWB optimiertes {\"U}bertragungskonzept, welches eine zuverl{\"a}ssige und energieeffiziente Daten{\"u}bertragung von unter 1 ms f{\"u}r einen Master und 127 Slaves erm{\"o}glicht. Teile dieses Verfahrens wurden in Hardware gefertigt und experimentell evaluiert. Wenn alle vorgeschlagenen Optimierungen verwendet werden, kann die Zykluszeit im Vergleich zum IEEE 802.15.4a Standard, um 95\% reduziert werden. Der Energieverbrauch des gesamten Netzwerkes sinkt dabei um 65\%. Einige der vorgeschlagenen Verbesserungen wurden implementiert und f{\"u}r die {\"u}brigen wurde gezeigt, wie sie implementiert werden k{\"o}nnen. Der Einfluss weiterer Faktoren, wie die Umschaltzeit zwischen Sender und Empf{\"a}nger, und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch wurden untersucht. Im Rahmen dieser Doktorarbeit entstand eine standardkonforme IR-UWB Einzelchipl{\"o}sung, die um Eigenschaften erweitert wurde, die vom Standard, abweichen, aber notwendig sind um die Anforderungen der Automatisierungsindustrie zu erf{\"u}llen. Die gefertigte Variante der Einzelchipl{\"o}sung enth{\"a}lt nicht alle in dieser Arbeit vorgeschlagenen Optimierungen, ist aber dennoch in der Lage die Zykluszeit um 57\% zu verk{\"u}rzen. Obwohl dieser Chip viele zus{\"a}tzliche Features bietet, wurde die Komplexit{\"a}t und somit auch die ben{\"o}tigte Chipfl{\"a}che um 43\% reduziert.}, subject = {UWB; Synchronisierung; Automatisierungssystem; Vollduplex; Zuverl{\"a}ssig; IEEE.802.15.4a; Synchronization; Broadcast; Multicast; Ultraweitband; Synchronisierung; Automatisierungssystem; IEEE 802.15.4}, language = {de} }