Ausbreitungseffekte von Funk und ihre Auswirkungen auf zuverlässige Übertragungen

Authoren
Xavier Bush
Jesper Lindström
Prof. James Gross

Wie in unserer Einleitung erwähnt, beginnen wir diese Reihe mit der Behandlung der zufälligen Übertragungseffekte, die in einer drahtlosen Umgebung auftreten. Diese Effekte wirken sich stark auf die Signalzuverlässigkeit aus und stellen eine bedeutende Hürde dar, die Funk-Netzwerke überwinden müssen, bevor sie industriell genutzt werden können. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über das Thema und erklärt, warum die aktuellen Funk-Technologien noch keinen wirksamen Partner gefunden haben und stellt dann eine bahnbrechende Technik vor, die im letzten Jahrzehnt entwickelt wurde. Abschließend stellen wir EchoRing und sein Potenzial als kommerzielle industrielle Funklösung vor.

Die Herausforderung

Der grundlegende Prozess der drahtlosen Kommunikation beginnt, wenn ein Sender ein Daten-Paket (eine Sammlung von Bits) in eine elektromagnetische Welle kodiert. Dieser Vorgang wird als Modulation bezeichnet. Ausbreitungseffekte beginnen, wenn die Welle über die Luft gesendet wird, was sich auf den Empfang des Signals auswirkt. Die beiden wichtigsten Ausbreitungseffekte sind:

Mehr-Pfad-Ausbreitung

Dieser Effekt tritt auf, wenn eine oder mehrere "Kopien" der Originalübertragung den Empfänger erreichen. Dies liegt daran, dass in den meisten Fällen der genaue Standort des Empfängers dem Sender unbekannt ist, weshalb die Sendewelle in einem weiten Bogen in alle Richtungen abgestrahlt wird. Diese Welle trifft dann unweigerlich auf verschiedene physikalische Objekte in der Umgebung (Maschinen, Wände, menschliche Arbeiter usw.) und prallt von diesen ab, wodurch mehrere Signalkopien entstehen, die den Empfänger zu unterschiedlichen Zeiten erreichen.

Ein Operator (Sender) sendet an den Roboter (Empfänger), der mehrere
Signalkopien empfängt

Dämpfung

Der andere Hauptausbreitungseffekt ist direkter: Elektromagnetische Wellen verlieren auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger kontinuierlich Energie.

Ein typischer Wegverlust einer elektromagnetischen Welle

Sowohl die Mehr-Pfad-Ausbreitung als auch die Dämpfung sind nicht nur auf die drahtlose Kommunikation beschränkt. Wenn zum Beispiel ein Schall (d. h. ein Lied) von mehreren harten Oberflächen reflektiert wird, bevor er ein Ziel (einen Zuhörer) erreicht, ist ein Echo zu hören. Ebenso liegt es auf der Hand, dass der Ton umso leiser wahrgenommen wird, je weiter er von einem Zuhörer entfernt ist - insbesondere wenn Gegenstände im Weg sind. Die Klanganalogie gilt jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt. Zurück zu den elektromagnetischen Wellen: Mehr-Pfad-Ausbreitung und Dämpfung erzeugen zusammen zwei weitere Zufallseffekte, die Funk-Übertragungen erheblich schwächen können: Abschattung und Fading.

Abschattungseffekt

Angesichts der Tatsache, dass sich ein industrielles Standardszenario über eine beträchtliche Entfernung (d.h. mehrere zehn Meter) erstreckt, gibt es oft wenig Kontrolle über größere physische Objekte, die sich in einer drahtlosen Ausbreitungsumgebung bewegen können. Mobile Objekte wie Gabelstapler, AGVs, mobile Roboter, menschliche Arbeitskräfte usw. können dem Übertragungsweg leicht in die Quere kommen, während sie ihren Aufgaben nachgehen. Wann immer dies geschieht, nimmt die Stärke eines herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Signals solange stark ab bis der Weg wieder frei ist. Da die Geschwindigkeit, das Timing und die Richtung dieser mobilen Objekte kaum vorhersagbar sind, ist es auch fast unmöglich, vorherzusagen, wann und wie lange ein Signalabfall auftreten wird. Dieser Zufallseffekt der Signalabfälle wird als Abschattung bezeichnet.

Verblassung

Der zweite, aber subtilere, zufällige Funk-Effekt ist als Fading bekannt. Der beste Weg, das Fading zu verstehen, besteht darin, sich eine elektromagnetische Welle als eine Schwingung mit einer bestimmten Form vorzustellen. Immer dann, wenn aufgrund der Mehr-Pfad--Ausbreitung mehrere Wellen gleichzeitig bei einem Empfänger ankommen, ist das Signal, das der Empfänger tatsächlich verarbeitet, eine Überlagerung (Überlappung) aller empfangenen Wellen, die übereinander liegen. Diese Überlagerung kann die Signalstärke entweder verstärken oder abschwächen, je nachdem, wie eng sich die empfangenen Frequenzwellen aneinander ausrichten.

Wie bereits erwähnt, wird eine destruktive, fehlausgerichtete Überlagerung meist durch Signalwellen verursacht, die aufgrund der Mehr-Pfad-Ausbreitung zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen. Angesichts der Tatsache, dass jedes Signal typischerweise Hunderte von verschiedenen Wellenkopien hat - jede mit ihrer eigenen einzigartigen Ausbreitungsdistanz - ist es unmöglich vorherzusagen, wann eine destruktive Überlagerung auftritt. 

Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass das Fading zwar 1000-mal schneller auftritt als die Abschattung - innerhalb eines Bereichs von 10 ms – sich aber auch die Signalstärke zehnmal stärker verschlechtert.

Die kombinierte Wirkung von Abschattung und Fading

Wie unter Dämpfung erläutert, kommt nur ein winziger Bruchteil der Startenergie einer Übertragung tatsächlich beim Empfänger an. Glücklicherweise können Informationspakete auch dann noch zugestellt werden, wenn die Energie um den Faktor 1 Million (oder sogar 1 Milliarde) abnimmt. Eine erfolgreiche Übertragung hängt nicht von der Gesamtstärke des Signals ab, sondern davon, ob die Stärke des Signals mindestens 100 Mal höher ist als das Rauschen des Netzes - die Umgebungsenergie in der Ausbreitungsumgebung. Das bedeutet, dass ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) einen Stärkeabfall um den Faktor 10 tolerieren kann, ohne eine Verbindung zu verlieren. Leider können Fading- und Abschattungseffekte zusammengenommen leicht die Signalstärke in diesem oder einem noch höheren Grad beeinträchtigen. Rauschinduzierte Signalabfälle sind daher eine wichtige Hürde, die es zu überwinden gilt, bevor drahtlose Netzwerke in zeitkritischen industriellen Anwendungen implementiert werden können.

Aktuelle Lösungen für die drahtlose Verfügbarkeit und warum sie mit industriellen Aufbauten inkompatibel sind

Eine übliche Lösung für die Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation besteht darin, ein beschädigtes Datenpaket einfach erneut zu übertragen, sobald es nicht zustellbar ist oder nach einer festgelegten Zeitspanne. Dies wird als Automatic Repeat Request (ARQ) bezeichnet. ARQ funktioniert sehr gut bei unkritischer Funk-Kommunikation und ist eine Standardkomponente in mobilen Netzwerken. Industrielle Anwendungen hingegen erfordern eine konstante Verfügbarkeit in Echtzeit, während die ARQ-Wiederherstellung in den meisten Fällen zu einer spürbaren Verzögerung der Verbindung führt.

Eine weitere häufige Lösung besteht darin, die Fehlerkorrektur eines Netzwerks zu erhöhen, so dass Informationspakete auch dann abgerufen werden können, wenn das Rauschen die Signalstärke übersteigt. Das Problem bei dieser Methode für industrielle Zwecke besteht darin, dass größere Informationspakete versendet werden müssen, was zu längeren Übertragungszeiten führt und den Zweck der Echtzeit-Latenz überhaupt erst zunichte macht.

Die dritte traditionelle Lösung besteht darin, einfach die Sendeleistung und die Empfängerempfindlichkeit zu erhöhen. Auch diese Methode ist nicht praktikabel, da sie sehr kostspielig in den Gemeinkosten sein kann und immer noch nicht ausreicht, um die stärksten Signalabfälle abzudecken.

Gegenwärtig sind alternative Lösungen erforderlich, um die Leistungsanforderungen für Funk-Netzwerke in Industriequalität zu erfüllen.

Kooperative Kommunikation als Lösung für industrielle Funksysteme

Im einfachsten Fall besteht ein kooperativer Kommunikationsaufbau aus einem Sender, einem Empfänger und mindestens einem Backup-Relais irgendwo in Reichweite von beiden. Der Sender sendet Kopien eines Datenpakets sowohl an den Empfänger als auch an das Relais, woraufhin das Relais das Paket zur Redundanz auch an den Empfänger überträgt. Dieser Vorgang erfolgt gleichzeitig und augenblicklich, so dass die Echtzeit-Latenzzeit nicht geopfert wird.

Durch diese Signalredundanz werden Abschattungseffekte überwunden. Wann immer eine direkte Verbindung beeinträchtigt wird, ist mindestens eine alternative Verbindung über ein Relais hergestellt worden. Selbst ein einzelnes Relais, das an einem bestimmten Ort innerhalb einer Übertragungsumgebung (z.B. einer Decke) installiert ist, erhöht die Echtzeit-Zuverlässigkeit dramatisch. Die Zuverlässigkeit nimmt mit jedem installierten Relaisknoten weiter zu.

Die kooperative Kommunikation geht sogar noch weiter, wenn es darum geht, Fading-Effekten entgegenzuwirken. Wie bereits erwähnt, kann Fading die Signalqualität je nach Ausrichtung der eingehenden Signalwellenlängen entweder verstärken oder verschlechtern. Mit mehreren kooperativen Netzwerkknoten, die sowohl in Reichweite des Empfängers als auch des Senders platziert sind, steigen die Chancen, dass einige Sender-Relais- und Relais-Empfänger-Wellenpfade einen konstruktiven Verlauf nehmen (wie oben dargestellt). Wenn aktuelle Kanalstatusinformationen gesammelt und analysiert werden, können die Elemente eines Netzwerks so optimiert werden, dass automatisch der stärkste Signalweg zum Empfänger ausgewählt wird. Diese Technik ist als Multi-User-Diversity bekannt - der Schlüsselfaktor, der die Zuverlässigkeit der Funktechnik so weit verbessert, dass die strengen Zeit-Leistungs-Anforderungen industrieller Anwendungen erfüllt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kooperative Kommunikation eine äußerst effektive Gegenmaßnahme gegen Abschattung und Fading ist und den vielversprechendsten Netzwerkaufbau für industrielle drahtlose Anwendungen darstellt. Sie ist auch sehr kosteneffizient im Vergleich zu anderen Systemen mit mehreren Antennen oder komplexer Infrastruktur. Der Prozess erfordert jedoch 1) eine effektive Netzwerkplanung, um sicherzustellen, dass sich genügend Relaisknoten in Reichweite jedes Senders und Empfängers befinden, und 2) die Erfassung von Kanalstatusinformationen in Echtzeit. An dieser Stelle kommt EchoRing ins Spiel. 

Kooperative Kommunikation durch EchoRing

Zunächst eine kurze Einführung: EchoRing ist eine Funk-Kommunikationstechnologie, die auf einem Token-Passing-Protokoll basiert. Beim Token-Passing (innerhalb eines Medium-Access-Control-Protokolls) wird ein eindeutiges Kontrollpaket oder "Token" zwischen Netzwerkknoten weitergegeben. Eine Station in einem EchoRing-Netzwerk kann die Nutzdaten nur übertragen, während sie das Token selbst hält, was eine feste Netzwerk-Latenzzeit und eine deterministische Kontrolle über den Kanalzugriff gewährleistet. Dies sind Themen, die wir im nächsten Eintrag dieser Reihe behandeln werden, [Kollisionen vermeiden: Meinem Netzwerk Determinismus hinzufügen].

Um auf unser Hauptthema zurückzukommen: Das Token-Passing-Protokoll von EchoRing ist eine ausgezeichnete Plattform für kooperative Kommunikation. Dies liegt daran, dass das Token, wie im vorigen Abschnitt erwähnt, aktuelle Statusinformationen über das Netzwerk enthält, einschließlich der aktuellen Stärke jeder Verbindung. Der Token-Inhaber ist daher in der Lage, sofort den Sender mit der besten Backup-Verbindung zum Empfänger zu bestimmen und diesen als Relais zuzuweisen. 

Die kooperative Kommunikationsmethode von EchoRing läuft in zwei Schritten ab:

1. Der Sender sendet Kopien des Informationspakets sowohl an den Empfänger als auch an das Relais (oder die "Buddy"-Station). Wie bereits erwähnt, wird das Paket in allen Richtungen in einer breiten Welle übertragen, so dass nur eine einzige erforderlich ist, um beide Ziele gleichzeitig zu erreichen.

Ein Bediener (Sender), ein Montageroboter (Empfänger) und ein autonomer Gabelstapler (Buddy-Station)

2. Wenn das Paket, aus welchem Grund auch immer, den Empfänger nicht erreicht, wird die Buddy-Station sofort benachrichtigt und leitet das Paket stattdessen weiter.

Übertragung über die Buddy-Station, nachdem eine direkte Übertragung fehlgeschlagen ist.

Durch diesen kooperativen Ansatz gewährleistet EchoRing eine kabelähnliche Zuverlässigkeit von höchstens 1 Paketverlust pro 1 Million (10-6) und eine Wiederherstellungsrate von mindestens 99,9999999%, je nach Anwendung und Ausbreitungsumgebung. Doch selbst unter den ungünstigsten Bedingungen erfüllt EchoRing immer noch die Zuverlässigkeitsanforderungen der meisten industriellen Anwendungen.

Wir hoffen, diese Übersicht war informativ! Wie bereits erwähnt, ist unser nächster Beitrag "Kollisionen vermeiden: Determinismus zu meinem Netzwerk hinzufügen" erklären, wie EchoRing Kollisionen und Latenzprobleme durch Netzwerk-Determinismus vermeidet.