Entwurf eines robusten drahtlosen Kommunikationssystems für die industrielle Automatisierung unter harten Echtzeitbedingungen auf Basis von Ultrawideband-Impulsfunk

Goal of this thesis was to investigate the suitability of Ultra-Wideband Impulse Radio (IR-UWB) for wireless communication in the sensor-actuator layer of industrial factory automation by designing and evaluating a wireless communication system based on this technology. Another requirement was that the system should be using standardized protocols or products wherever possible. The application scenario results in hard real-time constraints in the order of few milliseconds. Those are to be ful lled in rough environments with high noise gures and many metallic objects, that are causing a lot of multipath e ects. Thus, the primary subjects were to reduce latency and improve robustness for the existing IR-UWB based standard IEEE 802.15.4a. A very appealing feature of that standard is that it allows the use of very cheap, low complexity non-coherent devices. It was discovered, that it is possible to improve the robustness of transmissions while still using these low-cost, low-complexity devices with only few additions to the existing standard. Several contributions to the state of the art of lowcost, low-complexity receiver design for IR-UWB and changes in modulation and coding were made to enhance the robustness of the existing standard. To use the resulting improved PHY layer e ciently, an exisiting specialized MAC layer for factory automation, as described in the draft standard IEEE 802.15.4e, was used. This MAC layer enabled further application speci c crosslayer improvements that exploit the known communication pattern to provide a lower latency and higher resilience. The resulting communication system is con gurable to adopt to di erent automation applications and provides at least equal and partly better performance than existing wire-bound or wireless solutions for the sensor-actuator level of industrial factory automation, like e.g. AS-Interface, Bluetooth I/O or WISA. For the representative case of 32 slave nodes with one byte of payload data each, the system provides a cyce time of 1.88 ms. It therefore allows to ful ll a hard realtime boundary of 15 ms with an error probability below 10−9. During the work, a highly con gurable simulator for IR-UWB based on industrygrade channel models has been developed to verify the results. The communication system was implemented in hardware based on FPGA. Since the RF-frontend was not ready for test, the veri cation of MAC and baseband functionality was acomplished using a baseband back-to-back test method. UWB, Impulse Radio, Automation, Wireless Zusammenfassung Ziel dieser Dissertation war es, die Eignung von Ultra-Breitband-Pulsfunk (IRUWB) 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 Ober ächen, die Multipfad-E ekte 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-E ekten 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 Modi kationen 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 e zient 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-spezi sche Optimierung möglich, die eine weitere Reduzierung der Latenz sowie eine Erhöhung der Robustheit erbrachte. Im Zuge der Arbeit wurde ein exibel kon gurierbarer Simulator für IR-UWB auf Basis von industriell akzeptierten Kanalmodellen erstellt. Dieser Simulator wurde auch zur Evaluation und Veri kation der Forschungsergebnisse benutzt. Das entworfene Gesamtsystem ist über mehrere Parameter kon gurierbar und dadurch an weitere Anwendungen in der Automatisierung anpassbar. Eine dieser Kon gurationen 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 zulieÿ, wurde die Funktion durch eine Basisbandverbindung über Kabel veri ziert. UWB, Pulsfunk, Automatisierung, drahtlos