@phdthesis{Dietrich2021, author = {Dietrich, Steven}, title = {Methods of evaluation and improvement on cascaded wired and wireless real-time communication networks for factory automation}, doi = {10.26127/BTUOpen-5483}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54833}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2021}, abstract = {Factory automation applications require a communication system that concurrently supports them with determinism, reliability, short communication cycles, and precise synchronization as well as mobility and extensibility. However, neither currently employed wired nor available wireless communication networks support all of these requirements at once. On the one hand, wired networks lack mobility and extensibility. On the other hand, wireless networks do not support reliability or determinism due to the stochastic nature of wireless channels. Moreover, none of the available wireless networks enable transmission latencies of 1 ms and below. Therefore, they cannot support the required short communication cycles. However, various research initiatives and the currently developed 5G standard promise to overcome these limitations at least partially. Nevertheless, even a corresponding wireless network will not directly replace all wired connections, but will initially be used for subsections of the data transmission, where e.g. mobility is of utmost importance. Accordingly, cascaded communication networks consisting of hierarchically ordered, wired and wireless subnetworks will emerge. In this thesis, we investigate effects and dependencies of such a cascading for the real-time communication of factory automation applications. Therefore, we have to find methods to interconnect arbitrary wired and wireless communication networks such that we can maintain the reliable real-time performance of wired subnetworks and the mobility of wireless subnetworks without, or at most with minimal performance degradation. Ideally, with a cascaded network, no hardware or software adjustments will be necessary compared to the individual networks deployed today. Based on a delimiting review of different application areas and a dedicated use case analysis of typical factory automation applications, we derive the most challenging requirements that have to be fulfilled by cascaded communication networks. According to this review, we present several methods to reduce the overall transmission latency in cascaded networks. Starting with analyzing different interface concepts and continuing with frame conversion methods, we achieve a decision-making basis to select dedicated subnetworks for a cascaded network that can be used for closed-loop control applications. Additionally, we develop methods to optimize the parametrization of individual subnetworks with respect to the overall communication, such that the end-to-end transmission latency can be drastically reduced. For verification, we design a generic model for analyzing the timing behavior of arbitrary communication networks and verify it based on an analysis of a machine tool application scenario. Additional measurements based on a real demonstrator implementation corroborate that, in industrial application, cascaded communication networks can provide competitive performance compared to the currently used wired networks.}, subject = {Cascaded networks; Factory automation; Real-time communication; Kaskadiertes Netzwerk; Fabrikautomatisierung; Echtzeitkommunikation; Telekommunikationsnetz; Echtzeitverarbeitung; Automatisierung}, language = {en} } @phdthesis{Hund2012, author = {Hund, Johannes}, title = {Entwurf eines robusten drahtlosen Kommunikationssystems f{\"u}r die industrielle Automatisierung unter harten Echtzeitbedingungen auf Basis von Ultrawideband-Impulsfunk}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25219}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {Ziel dieser Dissertation war es, die Eignung von Ultra-Breitband-Pulsfunk (IR-UWB) f{\"u}r die drahtlose Kommunikation in der Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung zu untersuchen. Dazu wurde ein drahtloses Kommunikationssystem auf Basis standardisierter Protokolle entworfen und untersucht. Diese Anwendung erfordert die Erf{\"u}llung harter Echtzeitf{\"a}higkeit im Bereich weniger Millisekunden in industriellen Umgebungen. Ein solches Umfeld stellt aufgrund eines hohen Rauschpegels und vieler metallischer Oberfl{\"a}chen, die Multipfad-Effekte verursachen, sehr hohe Anspr{\"u}che an das Latenzverhalten und die Robustheit. Deshalb waren die Hauptziele die Reduzierung von Latenz und gleichzeitige Erh{\"o}hung der Robustheit f{\"u}r den existierenden, auf IR-UWB basierenden Standard IEEE 802.15.4a. Dieser Standard ist unter anderem deshalb vielversprechend, da er sich mit sehr preisg{\"u}nstigen, nicht-koh{\"a}renten Empf{\"a}ngern von geringer Komplexit{\"a}t umsetzen l{\"a}sst, die trotzdem relativ robust gegen{\"u}ber Multipfad-Effekten sind. Es wurde gezeigt, dass sich auch mit diesen g{\"u}nstigen Ger{\"a}ten durch Optimierung des Standards eine hohe {\"u}bertragungssicherheit bei geringer Latenz realisieren l{\"a}sst. Es wurden Modifikationen zur Optimierung der Robustheit und Latenz des bisher {\"u}blichen Designs von nicht-koh{\"a}renten IR-UWB-Empf{\"a}ngern vorgestellt. Durch Erg{\"a}nzungen zu der im Standard beschriebenen Modulation und Kodierung konnte die Verl{\"a}sslichkeit zus{\"a}tzlich gesteigert werden. Um diese optimierte PHY-Schicht effizient einsetzen zu k{\"o}nnen, wurde eine spezialisierte MAC-Schicht f{\"u}r die Automatisierung, die in einem Entwurf f{\"u}r den kommenden Standard IEEE 802.15.4e beschrieben wird, eingesetzt. Da bei dieser MAC-Schicht die Kommunikationsmuster im Voraus bekannt sind, war weitere schicht{\"u}bergreifende, applikations-spezifische Optimierung m{\"o}glich, die eine weitere Reduzierung der Latenz sowie eine Erh{\"o}hung der Robustheit erbrachte. Im Zuge der Arbeit wurde ein flexibel konfigurierbarer Simulator f{\"u}r IR-UWB auf Basis von industriell akzeptierten Kanalmodellen erstellt. Dieser Simulator wurde auch zur Evaluation und Verifikation der Forschungsergebnisse benutzt. Das entworfene Gesamtsystem ist {\"u}ber mehrere Parameter konfigurierbar und dadurch an weitere Anwendungen in der Automatisierung anpassbar. Eine dieser Konfigurationen wurde durch Simulation evaluiert. Sie zeigt mindestens die gleiche und zum Teil bessere Performance als bisherige drahtlose oder drahtgebundene L{\"o}sungen f{\"u}r die Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung, wie z.B. AS-Interface, Bluetooth I/O oder WISA. F{\"u}r den repr{\"a}sentativen Fall von 32 Teilnehmern mit jeweils einem Byte Prozessdaten erreicht sie eine Zykluszeit von 1,88 ms. Damit kann eine eine mittlere Reaktionszeit von 985 µs erreicht werden und eine harte Echtzeitschranke von 15 ms mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit unter 10^-9 eingehalten werden. Das Kommunikationssystem wurde auch in Hardware auf FPGA-Basis implementiert. Da das benutzte analoge Front-End, ein fr{\"u}her Prototyp eines IEEE 802.15.4a-kompatiblen Front-Ends, noch keine repr{\"a}sentativen Messungen zuließ, wurde die Funktion durch eine Basisbandverbindung {\"u}ber Kabel verifiziert.}, subject = {Drahtloses lokales Netz; Ultraweitband; Breitband{\"u}bertragung; Echtzeitverarbeitung; UWB; Automatisierung; Echtzeit; Impulsfunk; IEEE 802.15.4a; UWB; Automation; Real-time; Impulse radio; IEEE 802.15.4a}, language = {de} }