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Optimierung und Erweiterung des IEEE 802.15.4a UWB-Standards für den Einsatz in Automatisierungssystemen

Optimization and extension of the IEEE 802.15.4a UWB standard for usage in automation systems

  • Der Einsatz funkbasierter Steuerungs- und Überwachungssysteme wird sich in den nächsten Jahren in der Automatisierungsindustrie wesentlich erhöhen. Funkbasierte Systeme sind flexibel, das heißt skalierbar, leicht rekonfigurierbar und mobil. Außerdem sind Funksysteme kostengünstig, insbesondere bei der Wartung. Dennoch müssen diese Systeme hohen Anforderungen genügen, wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit. Besonders wichtig für den Einsatz drahtloser Funktechnologien in Automatisierungssystemen ist die harte Echtzeitfähigkeit bei Zykluszeiten im Bereich von unter 1 ms bei Netzwerkgrößen 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 zuDer Einsatz funkbasierter Steuerungs- und Überwachungssysteme wird sich in den nächsten Jahren in der Automatisierungsindustrie wesentlich erhöhen. Funkbasierte Systeme sind flexibel, das heißt skalierbar, leicht rekonfigurierbar und mobil. Außerdem sind Funksysteme kostengünstig, insbesondere bei der Wartung. Dennoch müssen diese Systeme hohen Anforderungen genügen, wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit. Besonders wichtig für den Einsatz drahtloser Funktechnologien in Automatisierungssystemen ist die harte Echtzeitfähigkeit bei Zykluszeiten im Bereich von unter 1 ms bei Netzwerkgrößen 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 erfüllt. Dabei soll gewährleistet werden, dass die Abweichungen im Vergleich zum Standard möglichst gering ausfallen und dass die Vorgaben der Regulierungsbehörden nicht verletzt werden. Diese Anforderungen begrenzen die Möglichkeiten der Optimierungen stark, was die Aufgabe noch schwieriger macht, aber zugleich wird damit sichergestellt, dass die Lösungen auch in realen Systemen eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wurden sowohl komplexe theoretische Ansätze 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 erfüllen, wurden die einzelnen Teile des UWB-Frames optimiert. Um dies zu erreichen mussten neue Synchronisations- und Datenübertragungs-Verfahren entwickelt werden. Dieses Verfahren ermöglicht 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 Zuverlässigkeit zu erhöhen. Zusätzlich wurde ein Fehlerkorrekturverfahren für ternäre 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 für IR-UWB optimiertes Übertragungskonzept, welches eine zuverlässige und energieeffiziente Datenübertragung von unter 1 ms für einen Master und 127 Slaves ermöglicht. 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 für die übrigen wurde gezeigt, wie sie implementiert werden können. Der Einfluss weiterer Faktoren, wie die Umschaltzeit zwischen Sender und Empfänger, und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch wurden untersucht. Im Rahmen dieser Doktorarbeit entstand eine standardkonforme IR-UWB Einzelchiplösung, die um Eigenschaften erweitert wurde, die vom Standard, abweichen, aber notwendig sind um die Anforderungen der Automatisierungsindustrie zu erfüllen. Die gefertigte Variante der Einzelchiplösung enthält nicht alle in dieser Arbeit vorgeschlagenen Optimierungen, ist aber dennoch in der Lage die Zykluszeit um 57% zu verkürzen. Obwohl dieser Chip viele zusätzliche Features bietet, wurde die Komplexität und somit auch die benötigte Chipfläche um 43% reduziert.show moreshow less
  • The use of radio-based systems in the automation industry will increase in the next years. Radio-based systems offer a number of advantages compared to wired systems, such as flexible network topology, mobility, and lower maintenance cost. However, such systems need to meet high standards of safety, reliability, power consumption, speed and cost. The main requirement of wireless communication in this area is the hard real-time capability with cycle times under 1 ms for a network size of up to 127 sensor nodes and a bidirectional data transmission of up to 48 bytes per sensor node. Another challenge is the integration of these systems into existing infrastructures where coexistence with already present wireless systems is a crucial point. The aim of this work is to empower IR-UWB to fulfill the demanding parameters of automation control based on the IEEE 802.15.4a standard while not violating regulations for UWB. These conditions have a serious impact on optimizations that can be done making this endeavor even more demanding, butThe use of radio-based systems in the automation industry will increase in the next years. Radio-based systems offer a number of advantages compared to wired systems, such as flexible network topology, mobility, and lower maintenance cost. However, such systems need to meet high standards of safety, reliability, power consumption, speed and cost. The main requirement of wireless communication in this area is the hard real-time capability with cycle times under 1 ms for a network size of up to 127 sensor nodes and a bidirectional data transmission of up to 48 bytes per sensor node. Another challenge is the integration of these systems into existing infrastructures where coexistence with already present wireless systems is a crucial point. The aim of this work is to empower IR-UWB to fulfill the demanding parameters of automation control based on the IEEE 802.15.4a standard while not violating regulations for UWB. These conditions have a serious impact on optimizations that can be done making this endeavor even more demanding, but ensuring at the same time that the solutions can be used in real systems. In this work, both complex theoretical and practical implementation approaches are elaborated. Some of these approaches were simulated in Matlab, implemented in hardware (FPGA) and an ASIC has been produced. In order to fulfill the high requirements a lot of effort was put into the reduction of the main parts of the UWB communication. To achieve this, a new synchronization method as well as new data transmission method have been developed and optimized. This new scheme supports bidirectional communication with several nodes (up to 127) in parallel. A combination of Forward-Error-Correction methods (Reed-Solomon-Code and Hamming-Code) has been investigated to increase the reliability. In addition an innovative method with a small overhead for correcting errors in pulse sequences has been developed as well. Contrary to the Reed-Solomon-Code, this method makes it possible to fulfill the timing requirements. The result of this work is an optimized transmission concept for UWB. It allows in combination with custom hardware ranging and a reliable, energy-efficient data transmission. The transmission time is less than 1 ms in a network consisting of a master and 127 slaves. If all optimizations proposed in this work are applied, the transmission time for a complete cycle can be reduced by 95% compared to the IEEE 802.15.4a standard. The energy consumption for the whole network can be reduced by 65%. Some of these improvements have been implemented and for others it is shown how they could be implemented. The impact on the energy consumption of factors like switching time between transmitter and receiver have been analyzed. In the course of this work, a single-chip solution has been developed which is compliant with IEEE 802.15.4a standard. It is optimized through some proprietary extensions regarding its potential use in the automation industry. This chip does not contain all proposed optimizations but is capable of reducing the transmission time of a cycle by 57%. Even with these additional features the complexity has been considerably reduced so that the used area could be reduced by 43%.show moreshow less

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Metadaten
Author: Dan Kreiser
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-38703
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Theodor Vierhaus, Prof. Dr.-Ing. Beate Meffert
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/12/03
Release Date:2016/06/07
Tag:Automatisierungssystem; Synchronisierung; UWB; Vollduplex; Zuverlässig
Broadcast; IEEE.802.15.4a; Multicast; Synchronization
GND Keyword:Ultraweitband; Synchronisierung; Automatisierungssystem; IEEE 802.15.4
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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