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Das Thema siedelt sich im Bereich Smart-City an. Die Einsparung von Energie ist in der öffentlichen Straßenbeleuchtung von Interesse. Die Intention ist eine Automatisierung der Beleuchtungsanlage unter Nutzung einer drahtlosen Kommunikation. Ziel ist die Untersuchung des Einsparpotentials, der benötigten Datenraten und der Robustheit. Die physiologischen Bedürfnisse des Verkehrsteilnehmers zur Einhaltung der Verkehrssicherheit werden konsequent berücksichtigt. Die Umrüstung auf eine automatisierte Beleuchtung lohnt sich besonders in ländlichen Regionen oder Anliegerstraßen, wobei in Tempo-30-Zonen eine optimale Energieeffizienz existiert. Aufgrund eines beleuchteten Anhalteweges existieren maximale Einsparungen. Das Optimum wird durch eine Extremwertanalyse bewiesen und ausführlich untersucht. Die Einsparung hängt hauptsächlich von der Verkehrsstärke, der Verkehrsgeschwindigkeit und der Dimmstufe ab. Die lineare Abhängigkeit von der Dimmstufe wird bei einer geringen Verkehrsstärke durch eine Grenzwertanalyse gezeigt. 70 % Energie lässt sich im Gegensatz zu einer Dauerbeleuchtung mit typischen Parametern sparen. Im Gegensatz zu anderen Lösungskonzepten erreicht das entwickelte Moving-Light-System Mehreinsparungen von bis zu 23 %. Lichtplaner und Kommunen können örtliche Sparpotentiale mit dem neuen Modell berechnen, um zu prüfen ob sich eine Umrüstung überhaupt lohnen würde. Die benötigte Steuerung wird abstrakt beschrieben und mit Simulink verifiziert. Zur Verbesserung der Robustheit werden das schon vorhandene Licht und die ggf. schon vorhandenen Detektoren als redundantes Übertragungsmedium untersucht. Die Nutzung des sichtbaren Lichtes lohnt sich, wenn gleichzeitig solare Energiegewinne gewünscht sind, weil der notwendige Aperturdurchmesser des Detektors im Bereich mehrerer 10 cm liegt. Neben der optischen Kommunikation wird die Helligkeit benachbarter Leuchten automatisch mitgemessen. Dies ermöglicht die Detektion von Fehlerzuständen für eine verbesserte Wartung oder für die Aktivierung möglicher redundanter Fail-Safe-Funktionen. Eine hop-weise Lokalisierung wird in dem Multihopsystem ausgenutzt, damit die Steuerung ohne Kartenmaterial und Kompasssensor auskommt. Weitere Arbeit besteht bei der Quantifizierung der Eingangsparameter vom Menschen um den Lichtbedarf zu decken. Aufgrund der anwendungsorientierten Problemstellung liegt ein Querschnittsthema aus der Verkehrswissenschaft, Automatisierungstechnik, Kommunikationstechnik und Optik vor. Es wird eine Forschungshypothese vorangestellt. Sie dient als Leitfaden und stellt die wesentlichen Erkenntnisse vorweg.
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.