ROAMING: VON NETZ ZU NETZ IN ECHTZEIT SPRINGEN

Authoren 

Dr. Christian Dombrowski 

Xavier Bush 

Jesper Lindström

In unseren bisherigen Beiträgen haben wir gezeigt, dass die existierende drahtlose Technologie die Leistungsanforderungen für zeitkritische industrielle Anwendungen problemlos erfüllen kann. Dennoch gibt es immer noch Hürden in Bezug auf einen wichtigen Anwendungsfall von Industrie 4.0 - flexible, rekonfigurierbare Fertigungsbereiche, die durch mobile Einheiten ermöglicht werden. Können die vorhandenen Methoden diesen mobilen Einheiten eine stabile Echtzeitverbindung über ihren gesamten Betriebsbereich bieten?

Gegenwärtig sind die beiden beliebtesten Techniken zur Gewährleistung einer drahtlosen Abdeckung Roaming und Mesh-Netzwerke. In diesem Beitrag werden beide Methoden analysiert und erklärt, warum Roaming die ideale Lösung für die industrielle Automatisierung ist.

Mesh-Netzwerke: Eine clevere Technik, die drahtlose Ressourcen überstrapaziert

Mesh-Netzwerke sind in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Dies ist sowohl auf ihre Flexibilität als auch auf ihre Implementierung in Wi-Fi- und WirelessHART-Netzwerken zurückzuführen. Das Konzept der Mesh-Netzwerke selbst ist einfach und genial - alle Knoten verbinden sich dynamisch und nicht-hierarchisch mit so vielen anderen Knoten wie möglich und leiten die Daten dann über den direktesten Weg zum Empfänger. Jeder mobile drahtlose Benutzer hat sich irgendwann einmal in einem Raum mit einem schwachen und ständig abfallenden Wi-Fi-Signal wiedergefunden, was sich auf seine Benutzererfahrung auswirkt. Mesh-Netzwerke bieten eine effektive Lösung, indem sie andere Wi-Fi-fähige Geräte in der Nähe (ab 2020 gibt es normalerweise mehrere an einem bestimmten Ort) nutzen, um einen klaren Pfad zum Router zu schaffen.

Ein Wi-Fi-Mesh-Netzwerk kann auch sein Abdeckungsgebiet mit der Anzahl der hinzugefügten Stationen vergrößern. Ein Basisabdeckungsbereich von 20 m kann auf 100 m erweitert werden, indem einfach fünf neue Stationen an strategischen Standorten hinzugefügt werden. Diese Lösung ist äußerst flexibel und vielseitig, da alle Stationen sowohl Pakete senden als auch empfangen können.

Ein Mesh-Netzwerk bestehend aus AGVs, Gabelstaplern und einem
menschlichen Bediener (Master)

Allerdings sind Mesh-Netzwerke mit bestimmten Fehlern behaftet, die sie für die zeitkritische Automatisierung ungeeignet machen. Zunächst einmal kann die Übertragungslatenz von Mesh-Netzwerken lang und unvorhersehbar sein - wenn ein Sender zwei "Sprünge" von einem Empfänger entfernt ist (siehe Abbildung oben), wird die Übertragungslatenz verdreifacht. Je länger es dauert, bis ein Datenpaket übertragen wird, desto länger belegen diese Daten den Kanal und verhindern, dass andere Stationen senden. Diese Latenzzeit nimmt mit der Dichte der Mobilstationen im Netzwerk weiter zu. Darüber hinaus erfordert jeder Umleitungsversuch eine Aktualisierung der Routingtabelle des Netzwerks, was zu einem Verbindungsabbruch führen kann. Da die Zykluszeiten in industriellen Anwendungen stark optimiert sind, sind Mesh-Netzwerke ab einem bestimmten Schwellenwert nicht mehr skalierbar.

Mesh-Netzwerke haben auch Schwierigkeiten, einen konstanten Dienst zu gewährleisten, insbesondere wenn die drahtlosen Stationen mobil sind. Denken Sie an fahrerlose Transportsysteme (AGVs), die oft in einem großen Werkstattbereich mit vielen Hindernissen zwischen ihnen und der zentralen Steuereinheit (central control unit - CCU) arbeiten - typischerweise ein Arbeiter mit einem Bediengerät. Eine große Anzahl von AGVs würde zwar die Reichweite des Netzwerks erhöhen, aber es besteht weiterhin die Gefahr, dass alle in einem einzigen Bereich außerhalb der Reichweite der CCU landen und eine Notbremsung auslösen könnten. Der Mitarbeiter, der die CCU hält, muss dann hinübergehen und sie manuell reaktivieren. Es versteht sich von selbst, dass ein Szenario mit diesem Risiko für zeitkritische industrielle Anforderungen ungeeignet ist.

Alle Mobilstationen haben sich versehentlich aus der Reichweite der CCU entfernt (der Betreiber)

Diese beiden kritischen Nachteile von Mesh-Netzwerken - die "Hop"-Latenzzeit und unvorhersehbare Verbindungen - bedeuten, dass andere drahtlose Automatisierungs-methoden erforscht werden müssen.

Roaming: Eine bewährte Lösung für die drahtlose Automatisierung

Roaming ist per Definition ein Signalpaket, das von einem Netz an ein anderes "übergeben" wird. Für den Durchschnittsverbraucher bezieht sich Roaming oft auf Mobilfunkdienste, die außerhalb des Standard-Erfassungsbereichs eines Dienstanbieters liegen, oft auf Reisen im Ausland oder in dünn besiedelten Gebieten. Um eine nahtlose Benutzererfahrung zu bieten, müssen die Übergaben nicht wahrnehmbar sein (typischerweise etwa 50 ms), was durch die strategische Platzierung von Signalmasten-Basisstationen ermöglicht wird. Diese Signalmasten bilden das so genannte Backbone-Netz - unbewegliche, vorhersehbare drahtlose Stationen, die eine zuverlässige Abdeckung für unvorhersehbare mobile Knotenpunkte bieten. Dasselbe Prinzip lässt sich auch auf drahtlose Industrienetze anwenden.

Roaming-fähige drahtlose Netzwerke werden bisher noch nicht in Produktionsprozessen in Fabriken eingesetzt. Während 5G, das unter dem Dach der Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) angesiedelt ist, industrielle drahtlose Lösungen genau für diesen Zweck entwickelt, dauert es noch lange, bis die erforderliche Infrastruktur und Nachrüstungen vorhanden sind. Glücklicherweise können bestehende nicht-zellulare drahtlose Technologien (wie z.B. WLANs) die Voraussetzungen für die drahtlose Automatisierung problemlos erfüllen, wobei die Infrastruktur kaum oder gar nicht überholt werden muss.

Vollständige Flächendeckung durch Backbone-Netze

Im Kontext der drahtlosen Automatisierung besteht ein Backbone-Netz aus nicht-mobilen drahtlosen Zugangspunkten (Routern), die - in der Regel über Kabel - mit der Netz-CCU verbunden sind. Ein strategisch platziertes Backbone-Netz kann problemlos alle Ecken einer Produktionshalle abdecken und allen mobilen Stationen (wie z.B. AGVs, freie, Roboterarme und autonome Gabelstapler) einen unterbrechungsfreien Service bieten. Diese Mobilstationen werten kontinuierlich die Verbindungsstärke ihrer aktuellen und angrenzenden Teilnetze aus und roamen zwischen den Signalen, wenn dies zur Optimierung der Netzwerkleistung erforderlich ist.

Two EchoRings (subnetworks) comprising a backbone network

Echtzeit-Roaming

Echtzeit-Übertragungen mit geringer Latenz zwischen Backbone-Teilnetzen sind das zweite Teil des drahtlosen Automatisierungspuzzles. Um diese Roaming-Leistung zu erreichen, muss einer von zwei intelligenten Mechanismen in das Industrienetz implementiert werden: anwendungs- oder netzgesteuerte Entscheidungen.  

Anwendungsgesteuerte Entscheidungen ermöglichen eine zentralisierte Steuerung des Netzwerkmanagements. Das bedeutet, dass die CCU sowohl das optimale Signal, zu dem eine Mobilstation roamen kann, als auch den optimalen Zeitpunkt der Übergabe selbst bestimmen kann. Diese Übergaben werden sowohl auf der Grundlage des Standorts des Mobilgeräts (der durch ein internes oder externes Positionierungssystem ermittelt wird) als auch auf der Grundlage des Einsatzplans des Netzwerks bestimmt. Diese präzise Steuerung geht jedoch auf Kosten der Latenz, insbesondere in größeren und komplexeren Netzwerken mit mehr Knoten. Wie im untenstehenden OSI-Diagramm (Open Systems Interconnection) dargestellt, muss eine anwendungsgesteuerte Übergabeanforderung an die CCU von der Anwendungsschicht (Schicht 7) zur physikalischen Schicht (Schicht 1) und wieder zurück über die gesamte Spannweite des OSI-Modells erfolgen. Erschwerend kommt hinzu, dass jede OSI-Schicht auf einem eindeutigen Protokoll läuft und eine eindeutige Übersetzung erfordert.

Bei netzgetriebenen Entscheidungen hingegen entscheidet jede einzelne Station unabhängig von der CCU, wann und auf welches Signal sie eine Übergabe durchführt. Um diesen Aufbau zu erreichen, analysieren die Stationen die relativen Signalstärken der Teilnetze, senden und empfangen sich gegenseitig laufend über die relativen Signalstärken der Teilnetze. Der Hauptvorteil netzwerkgesteuerter Entscheidungen ist die geringe Latenzzeit selbst in großen und komplexen Netzwerken, da die Handover-Anforderung nur von der MAC-Schicht (Schicht 2) zur physikalischen Schicht (Schicht 1) weitergeleitet werden muss.

Diese Anforderungen sind zudem anwendungstransparent, so dass sich die CCU auf der Anwendungsschicht ausschließlich auf die ihr zugewiesene Aufgabe konzentrieren kann. Der Hauptnachteil netzwerkgesteuerter Entscheidungen ist ihre geringere Präzision (und weniger effektive Netzwerkoptimierung), da ihnen ein Überblick auf Anwendungsebene fehlt.

Letztendlich weisen sowohl Anwendungs- als auch Netzantriebsentscheidungen einzigartige Stärken und Schwächen auf, und der Einsatz des einen über das andere hängt von der Komplexität und den Leistungsanforderungen eines Anwendungsfalles ab. Unabhängig davon muss bei Anwendungsfällen der Automatisierung, an denen Mobilstationen beteiligt sind, sichergestellt werden, dass alle Weitergaben innerhalb der festgelegten Latenzzeit der Anwendung erfolgen, um zu vermeiden, dass ein Notstopp ausgelöst wird.

EchoRing: Echtzeit-Roaming

EchoRing wurde von Grund auf mit Blick auf die drahtlose Automatisierung entwickelt. Es verwendet eine Backbone-Infrastruktur, um eine kontinuierliche Echtzeit-Konnektivität zu gewährleisten, und passt sich leicht sowohl an Ad-hoc- (dezentralisierte) als auch an klassische (zentralisierte) Netzwerktopologien an. EchoRing unterstützt außerdem sowohl anwendungs- als auch netzwerkgesteuerte Entscheidungen, so dass Benutzer die für die Anforderungen ihrer Anwendung am besten geeignete Methode auswählen können. Diese Flexibilität ermöglicht eine optimale Funktionalität in einer Vielzahl von Anwendungsfällen

Wie oben erläutert, ist die Netzwerkplanung der Schlüssel bei der Einrichtung und Bereitstellung der Backbone-Infrastruktur für ein EchoRing-Netzwerk. Dies geschieht durch die Identifizierung der wichtigsten Servicebereiche, die eine ununterbrochene Konnektivität erfordern, und die anschließende Zuweisung von EchoRing-Knoten zu diesen Bereichen, die für die Bildung des Backbone-Netzwerks erforderlich sind. Es ist auch wichtig, die erforderliche Anzahl von Netzwerk-"Ringen" (Teilnetzen) zu bestimmen und Betriebskanäle in der Reihenfolge ihrer Bedeutung zuzuweisen.

Aus all diesen Überlegungen können wir schließen, dass EchoRing die Technologie ist, die in drahtlosen Automatisierungsanwendungen, die Echtzeit-Roaming erfordern, eingesetzt werden sollte.