Funkvernetzung

Eine Vernetzung aller Komponenten in der industriellen Fertigung ist Voraussetzung für die Umsetzung von Industrie 4.0-Konzepten. Eine Vielzahl mobiler Objekte oder unzugänglicher Stellen macht die Funkvernetzung erforderlich. Dabei führt die Nutzung von Funk-Techniken für die Kommunikation zwischen den Komponenten zur Steigerung der Mobilität und Flexibilität in der Produktion. Hinsichtlich des Einsatzes von drahtlosen Systemen besteht eine signifikante Herausforderung in der Akzeptanz von Funktechnologien seitens industrieller Anwender. Neben technischen Aspekten wie eine hohe Zuverlässigkeit sind auch eine einfache Installation und Handhabung (Plug-and-Play) von Bedeutung und gelten als klare Vorteile der Funkvernetzung. Beispielsweise weisen Regelkreise in industriellen Anlagen oftmals hohe Anforderungen an die Latenz (typische Zykluszeiten zwischen 1 ms – 12 ms) und die Zuverlässigkeit (Fehlerwahrscheinlichkeit 10-9) der Kommunikation auf. Gleichzeitig müssen sich jedoch Funksysteme die gemeinsame Ressource »Funkkanal« teilen.

Techniken der Funkvernetzung im 2,4 GHz-Band sind interessant, da dieses ISM-Band mit nur geringen Einschränkungen weltweit lizenzfrei verfügbar ist und kostengünstige Komponenten verfügbar sind. Der kürzlich veröffentliche Standard »IO-Link Wireless System Extensions« basiert wie Bluetooth und WISA auf IEEE 802.15.1, arbeitet im 2,4 GHz-Band und erfüllt die Anforderungen hinsichtlich Echtzeitfähigkeit. Anforderungen bezüglich Verfügbarkeit und Robustheit müssen in Koexistenz mit anderen Systemen der Funkvernetzung in diesem ISM-Band erfüllt werden. Es besteht daher dringender Bedarf an einer Komponente zur Verbesserung der Koexistenz-Eigenschaften von Echtzeit-Funksystemen, insbesondere da in Zukunft eine steigende Anzahl von drahtlosen Systemen in der industriellen Produktion eingesetzt werden wird.

Kognitive Methoden für einen adaptiven Medienzugriff beziehungsweise für Koexistenz-Optimierung sind in der Literatur der industriellen Funkvernetzung umfangreich beschrieben. Jedoch werden Anforderungen industrieller Anwendungen wie minimale Latenz, strikter Determinismus sowie geringe Hardwarekosten nicht betrachtet. Es wird ein automatisches Koexistenz-Management angestrebt, das den Echtzeitanforderungen entsprechender drahtloser Systeme genügt und aus Sicht des Anwenders die größtmögliche Unterstützung bei der Installation und im Betrieb solcher Systeme gewährleistet. Das in diesem Projekt erarbeitete Konzept basiert auf kognitiven Methoden, die in der Telekommunikation etwa für den Zugriff auf sogenannte »White Spaces« Verwendung finden. Mittels einer kognitiven Komponente wird die Basisstation (IO-Link Wireless W-Master) in die Lage versetzt, zu erkennen, welche Bereiche des 2,4 GHz-Bands verfügbar sind (»Spectrum Sensing«), den am besten geeigneten Frequenzbereich auszuwählen (»Spectrum Management«), übergangslos den Frequenzbereich zu wechseln (»Spectrum Mobility«) und die verfügbaren Frequenzbereiche mit anderen Basisstationen (W-Mastern) zu koordinieren (»Spectrum Sharing«).

Die hier erarbeitete Lösung ermöglicht einen adaptiven Medienzugriff mittels »Cognitive Radio«-Methoden mit möglichst geringen Hardwareanforderungen. Anstelle kostenaufwendiger »Software Defined Radio«-Systeme werden kostengünstige IoT Hardware-Komponenten für die Funkvernetzung eingesetzt. Der Verzicht auf leistungsfähige Hardware-Komponenten wird durch dedizierte algorithmische Verfahren kompensiert.