Refine
Document Type
- Doctoral thesis (2)
Has Fulltext
- yes (2)
Is part of the Bibliography
- no (2)
Language
- German (2)
Keywords
- UWB (2) (remove)
Institute
- FG Systeme (2)
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 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.
Ziel dieser Dissertation war es, die Eignung von Ultra-Breitband-Pulsfunk (IR-UWB) für 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 Erfüllung harter Echtzeitfähigkeit im Bereich weniger Millisekunden in industriellen Umgebungen. Ein solches Umfeld stellt aufgrund eines hohen Rauschpegels und vieler metallischer Oberflächen, die Multipfad-Effekte verursachen, sehr hohe Ansprüche an das Latenzverhalten und die Robustheit. Deshalb waren die Hauptziele die Reduzierung von Latenz und gleichzeitige Erhöhung der Robustheit für den existierenden, auf IR-UWB basierenden Standard IEEE 802.15.4a. Dieser Standard ist unter anderem deshalb vielversprechend, da er sich mit sehr preisgünstigen, nicht-kohärenten Empfängern von geringer Komplexität umsetzen lässt, die trotzdem relativ robust gegenüber Multipfad-Effekten sind. Es wurde gezeigt, dass sich auch mit diesen günstigen Geräten durch Optimierung des Standards eine hohe übertragungssicherheit bei geringer Latenz realisieren lässt. Es wurden Modifikationen zur Optimierung der Robustheit und Latenz des bisher üblichen Designs von nicht-kohärenten IR-UWB-Empfängern vorgestellt. Durch Ergänzungen zu der im Standard beschriebenen Modulation und Kodierung konnte die Verlässlichkeit zusätzlich gesteigert werden. Um diese optimierte PHY-Schicht effizient einsetzen zu können, wurde eine spezialisierte MAC-Schicht für die Automatisierung, die in einem Entwurf für den kommenden Standard IEEE 802.15.4e beschrieben wird, eingesetzt. Da bei dieser MAC-Schicht die Kommunikationsmuster im Voraus bekannt sind, war weitere schichtübergreifende, applikations-spezifische Optimierung möglich, die eine weitere Reduzierung der Latenz sowie eine Erhöhung der Robustheit erbrachte. Im Zuge der Arbeit wurde ein flexibel konfigurierbarer Simulator für IR-UWB auf Basis von industriell akzeptierten Kanalmodellen erstellt. Dieser Simulator wurde auch zur Evaluation und Verifikation der Forschungsergebnisse benutzt. Das entworfene Gesamtsystem ist über 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 Lösungen für die Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung, wie z.B. AS-Interface, Bluetooth I/O oder WISA. Für den repräsentativen 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 früher Prototyp eines IEEE 802.15.4a-kompatiblen Front-Ends, noch keine repräsentativen Messungen zuließ, wurde die Funktion durch eine Basisbandverbindung über Kabel verifiziert.