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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.
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.