Methodik zur Bewertung von drahtlosen Netzzugangstechnologien für zuverlässige M2M-Anwendungen

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1 Mehodik zur Bewerung von drahlosen ezzugangsechnologien für zuverlässige M2M-Anwendungen Marko Kräzig, Insiu für Auomaion und Kommunikaion e.v. Magdeburg M. Sc. Björn Czybik, Dipl.-Ing. Lars Dürkop, init - Insiu für indusrielle Informaionsechnik, Hochschule Oswesfalen-Lippe 1 Kurzfassung Diverse drahlose ezzugangsechnologien werden heuzuage mi sehr hoher Verbreiung genuz. Ihre grundlegenden Eigenschafen zur Realisierung von auomaisieren Anwendungen wurden bisher aber noch nich hinreichend unersuch und durchdrungen. So berichen Bereiber von M2M-Anwendungen und Herseller von M2M-Geräen von ungeklären Effeken in Bezug auf die Verbindungsqualiä. Im Rahmen dieses Berages wird eine einheiliche Mehodik für die reproduzierbare Unersuchung und Bewerung der Überragungseigenschafen von drahlosen ezzugangsechnologien vorgesell. 2 Maschine-zu-Maschine Kommunikaion Der auomaisiere Informaionsausausch zwischen elekroechnischen Geräen wird allgemein als Maschine-zu-Maschine (M2M) Kommunikaion bezeichne. Der ypische Aufbau einer M2M-Anwendung (siehe Bild 1) beseh aus einem Daenendpunk (DEP), dem Daeninegraionspunk (DIP) und dem verbindenden Kommunikaionsnez. Klassische Bereiche der M2M-Kommunikaion sind z.b. die Telemerie (Fernmessung), Fernwarung und Supervisory Conrol and Daa Acquisiion (SCADA). Die Anwendungsfelder sind sehr wei gesreu und reichen von wasserechnischen Anlagen, Weererfassungssysemen, Produkionsprozessüberwachungen bis hin zur Seuerung von Energienezen und Floenmanagemensysemen.

2 Bild 1: Typischer Aufbau einer M2M Anwendung [1] Aufgrund der geografischen Enfernung zwischen DEP und DIP wird häufig das Inerne als Kommunikaionsnez genuz, um die Endpunke zu verbinden. Mi der sark zunehmenden Verbreiung von IP-basieren Kommunikaionssysemen für M2M-Anwendungen mi unerschiedlichen ezzugangsechnologien sellen sich Fragen nach der Zuverlässigkei und die mi den Prookollen und eingesezen Technologien verbundenen Risiken. Of is bei aufreenden Problemen unklar, ob die Ursache das Prookoll, das ez, die Komponene oder die jeweilige Konfiguraion is. Bild 2 zeig die Besandeile eines M2M- Kommunikaionssysems, die eigenliche M2M-Applikaionn, das Auomaisierungsprookoll, die Zugangsneze und das Inerne. M2M Applikaion z.b. GPRS Inerne z.b. DSL Auomaisierungsprookoll Zugangsnez M2M Applikaion Auomaisierungsprookoll Zugangsnez M2M-Verbindung Bild 2: Typische Archiekur eines M2M-Kommunikaionssysemen Das Zusammenwirken aller dieser Besandeile im Rahmen der M2M-Anwendung is sehr komplex. Eine besondere Rolle nimm dabei der ezzugang ein. Als ezzugang zum Inerne kann grundsäzlich zwischen drahgebundenen (z.b. Sandleiung, Modem, ISD, DSL(ADSL,VDSL)) und drahlosen (z.b. GSM,GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA, LTE) Technologien unerschieden werden. Hierbei wird den Mobilfunknezen als drahlose ezzugangsechnologien eine wachsende Bedeuung beigemessen, da zwischenzeilich zum

3 einen eine hohe ezabdeckung und kosengünsige Tarife für die Daendiense, sowie zum anderen ensprechende Schnisellen für die Inegraion in Endgeräe zur Verfügung sehen. Sei einiger Zei finde diese ezzugangsechnologie auch Einzug in die auf Zuverlässigkei und Sicherhei ausgerichee Auomaisierungsechnik [2]. So werden beispielsweise im Bereich der Versorgungswirschaf vereile Zählersaionen, Brunnen, Pumpen, oder Übergabesaionen per GPRS (General Packe Radio Service) an eine zenrale Leiware gekoppel. eben der uzung von VP (Virual Privae ework) zur Hersellung der nowendigen IT-Sicherhei, werden sowohl hersellerspezifische Fernwirkprookolle, als auch Prookolle, wie ModBus RTU [3], DP3, oder die IEC [4] mi ihren unerschiedlichen Anwendernormen (z.b anwendungsbezogene orm für Fernwirkaufgaben in IP-ezen [5]) verwende. Diese Fernwirkprookolle wurden jedoch zunächs überwiegend für Sandleiungen eingesez. 3 Tesarchiekur Dami ezzugangsechnologien für M2M-Anwendungen aus Sich der Auomaion bewere werden können is die Enwicklung einheilicher, universeller und reproduzierbarer Tess nowendig. Folgende Anforderungen an eine solche Mehodik müssen erfüll werden, dami sie Basis für Sandardess sein kann: Vorgehen und Ergebnisdarsellung werden in der auomaisierungsechnischen Fachwel akzepier. Die zu ermielnden Kenngrößenwere sind geeigne, die ezzugangsechnologien mi Bezug auf die auomaisierungsechnische Anwendung zu beweren. Die Terminologie orienier sich an der Auomaisierungsechnik. Alle Begriffe sind klar definier, so dass sie mi gleicher Bedeuung verwende werden können. Die Mehodik is unabhängig von einer spezifischen ezzugangsechnologie und dami auch auf zukünfige ezzugangsechnologien anwendbar. Alle möglichen Einflussgrößen sind zu erarbeien, deren Relevanz is zu prüfen bzw. relevane Werbereiche sind zu idenifizieren. Bild 3 zeig diese Absrakion als Berachungsraum für die weieren Ausführungen. Eine Tesanwendung beinhale vereile Teskomponenen, von denen einige drahlose ezzugangsechnologien zur Kommunikaion verwenden. Die Schniselle zwischen dem M2M-Modul und der vereilen Tesanwendung sei mi Anwendungsschniselle bezeichne. Zur Bewerung der Eigenschafen der ezzugangsechnologien sind Were ypischer Kenngrößen bezogen auf diese Anwendungsschniselle anzugeben. Dabei is zu berücksichigen, dass die Were dieser Kenngrößen von Einflussgrößen beeinrächig

4 DEP werden, deren Were von der Auomaisierungsanwendung, der M2M-Lösung und dem Verhalen der ezinfrasrukur abhängen. Tesergebnis Einflussgrößen Tesfall Tesfall Tesfall Kenngrößen Tes Applicaion Bedingungen Vereile Teskomponene Vereile Teskomponene Vereile Teskomponene M2M Modul M2M Modul M2M Modul Anwendungsschniselle Vereile Teskomponene M2M Modul DIP LTE UMTS GSM/GPRS ezinfrasrukur ework Bild 3: Berachungsraum Daraus läss sich ein allgemeines Bewerungskrierium ableien, das eine ezzugangsechnologien (M2M-Lösung) erfüllen muss, um in einem indusriellen Auomaisierungssysem eingesez werden zu können. Die Frage laue: Kann ein Prozesswer der auomaisierungsechnischen Anwendung uner definieren Bedingungen, zu definieren Zeipunken, an definieren Schnisellen fehlerfrei zur Verfügung sehen? Eine Mehode, die diese Bewerung gewährleisen soll, muss also die in Fehler! Verweisquelle konne nich gefunden werden. veranschaulichen Aspeke berücksichigen. 4 Kenngrößen 4.1 Zuverlässigkei In [6] is Zuverlässigkei definier als "Zusammenfassender Ausdruck zur Beschreibung der Verfügbarkei und ihrer Einflussfakoren Funkionsfähigkei, Insandhalbarkei und Insandhalungsbereischaf." Die Zuverlässigkei is also selbs keine Kenngröße, die durch Messung ermiel werden kann. Die Verfügbarkei is in [6] definier als "Fähigkei einer Einhei, zu einem gegebenen Zeipunk oder während eines gegebenen Zeiinervalls eine gefordere Funkion uner gegebenen

5 Bedingungen erfüllen zu können, vorausgesez, dass die erforderlichen äußeren Hilfsmiel bereigesell sind." Angewand auf die M2M-Kommunikaion is es die Fähigkei einer M2M- Lösung uzdaen von einem Producer (DEP oder DIP) zu einem Consumer (DEP oder DIP) zu überragen. Zur geforderen Funkion gehör auch, dass die Daen durch die M2M- Überragung nich veränder werden, also fehlerfrei den Consumer (DEP oder DIP) erreichen. Und schließlich gehör zur geforderen Funkion, dass die Daen innerhalb einer besimmen Zei oder zu einem geforderen Zeipunk den Consumer (DEP oder DIP) erreichen. Die gegebenen Bedingungen, für die die Funkion geforder wird, können mihilfe der in [6] definieren Einflussgrößen beschrieben werden. eben der Funkionsfähigkei, also der "Fähigkei einer Einhei, eine gefordere Funkion uner gegebenen Bedingungen für ein gegebenes Zeiinervall zu erfüllen." [6], wird die Insandhalbarkei als weierer Einflussfakor auf die Verfügbarkei genann. Die Insandhalbarkei is in [6], definier als "Fähigkei einer Einhei, uner gegebenen Anwendungsbedingungen in einem Zusand erhalen bzw. in ihn zurückversez werden zu können, in dem sie eine gefordere Funkion erfüllen kann, wobei vorausgesez wird, dass die Insandhalung uner den gegebenen Bedingungen mi den vorgeschriebenen Verfahren und Hilfsmieln durchgeführ wird." Für die M2M-Kommunikaion bedeue das, dass Verfahren vorgesehen sind, die den gewünschen Zusand und Abweichungen davon erkennen und Maßnahmen, die auomaisch den Zusand wieder hersellen, in dem die gefordere Funkion erfüll wird, durchführen. Für die in der Indusrie eingesezen M2M-Lösungen kann davon ausgegangen werden, dass diese Verfahren und Maßnahmen implemenier sind. Beispiele sind Forward Error Correcion, Cyclic Redundancy Check, Acknowledgmens, Wiederholung der Überragung oder Mehrfachüberragung. Die Insandhalungsbereischaf is in [6] definier als "Fähigkei einer Insandhalungsorganisaion, uner gegebenen Bedingungen bei Bedarf die Miel bereizusellen, die für die Insandhalung einer Einhei uner Beachung der fesgelegen Insandhalungsgrundsäze erforderlich sind." Dieser Aspek der Verfügbarkei beriff die Diagnose bei anhalenden Fehlern bzw. die Warung, beispielsweise den Baeriewechsel. In diesem Dokumen wird eine Kenngröße abgeleie, die die Fähigkei einer M2M-Lösung, die gefordere Funkion erfüllen zu können, quanifizier und dami bewerbar mach. 4.2 Zeikenngrößen In diesem Abschni werden die Zeikenngrößen One-Way Delay nach RFC 2679 [8] und Round-Trip Delay nach RFC 2681 [10] vorgesell. Diese eignen sich sehr gu zur Bewerung

6 M2M Module M2M Module One-way delay von drahlosen ezzugangsechnologien für zuverlässige M2M-Anwendungen. Gemäß der Definiion in RFC 2679 [8] is die Zeikenngröße One-Way Delay sehr wichig, da: einige M2M-Anwendungen nich sehr gu funkionieren, wenn die End-zu-Ende- Verzögerung relaive groß is zu einem Grenzwer der auomaisierungsechnischen Anwendung unvorhersehbare Abweichungen bei der Verzögerung Echzeianwendungen schwierig bis unmöglich machen große Wer der Zeikenngrößen ein Problem für Sandard Transpor-Layer Prookolle sind Eine allgemeine Definiion der Verzögerung, gemäß der RFC 2679 [8] und RFC 2681 [10], is die Zei zwischen dem ersen Teil (z.b.: erses Bi) eines Objekes (z.b.: Pake), welches einen Berachungspunk durchläuf und dem lezen Teil (z.b.: lezes Bi) dieses Objekes oder ein zugehöriges Objekes (z.b. Anworpake), welches einen zweien Berachungspunk oder denselben Berachungspunk durchläuf One-Way Delay Die Kenngröße One-Way Delay is sehr wichig, da eine Vielzahl von ezzugangsechnologien für M2M-Anwendungen asymmerische Überragungsrecken verwenden oder die Servicequaliä von der Überragungsrichung abhängig is. Applicaion Inerface M2M - Transmission Applicaion Inerface Applicaion Producer Applicaion Consumer comm.req 1 1 comm.ind Bild 4: Definiion der Kenngröße One-Way Delay Die Kenngröße One-Way Delay wird nach dem Producer-Consumer-Modell ermiel. Der Producer übergib in einem definieren Sendezeiabsand ein Tespake an die Anwendungsschniselle. In diesem Tespake is ein Zeisempel enhalen, welcher der Sarzei der Pakeüberragung (erses Bi des Tespakees an der Anwendungsschniselle)

7 M2M Module M2M Module Round-Trip delay ensprich. Am Consumer wird die Kenngröße One-Way Delay aus der Empfangszei des Pakees (lezes Bi des Tespakees an der Anwendungsschniselle des Consumers) und der Sarzei der Pakeüberragung, welche im überragen Zeisempel enhalen is, ermiel. Für die Messung bedeue es, dass die Uhren des Producer und Consumer sehr genau synchronisier sein müssen. Wenn Tespakee nich innerhalb einer anwendungsbedingen Zei am Consumer empfangen werden, so müssen dieses Pake als verloren gewere werden Round-Trip Delay Im Prinzip ensprich die Kenngröße Round-Trip Delay der Kenngröße (One-Way Delay) für beide Überragungsrichungen. Die Kenngröße Round-Trip Delay wird nach dem Clien- Server-Model ermiel und is der Zeiabschni vom Beginn der Iniiierung eines Requess an der Anwendungsschniselle eines Cliens bis zur Idenifizierung der Confirmaion an der Anwendungsschniselle desselben Cliens, die dem Reques zugeordne werden kann. Das heiß, die die Kenngröße Round-rip Delay sez sich aus mindesens einer Überragungszei (One-Way Delay) zwischen Clien und Server und einer Überragungszei (One-Way Delay) zwischen Server und Clien zusammen. Hinzu komm die Bearbeiungszei im Server. Applicaion Inerface M2M Transmission Applicaion Inerface Applicaion Clien Applicaion Server comm.req 1 comm.conf. 1 Bild 5: Definiion der Kenngröße Round-Trip Delay 4.3 Kenngrößen für Pakeverluse Von einem Sender werden Pakee ausgesende und manche dieser Pakee gehen verloren, also werden sie am Zielor nich empfangen. Bei einzelnen Pakeverlusen ha dies meis nur eine geringe Auswirkung auf die M2M-Anwendung, aber der Verlus von mehreren Pakeen oder wiederhole Pakeverluse können einen signifikanen Einfluss haben. Aus diesem Grund sind die saisischen Eigenschafen von Pakeverlusen ineressan für die Besimmung der Leisungsfähigkei von ezzugangsechnologien.

8 4.3.1 Anzahl korrek empfangener Pakee Ein Pake p gil zunächs als empfangen, wenn es an der Anwendungsschniselle des Consumer an die Anwendung übergeben wurde. Da es allerdings zu Verfälschungen des Inhals und zu Pakewiederholungen kommen kann, die nich durch die Fehlersicherungsmechanismen der M2M-Lösung idenifizier und beseiig werden, sind die empfangenen Pakee daraufhin zu prüfen. Außerdem gehör die Rechzeiigkei zu den Bedingungen eines korrek empfangenen Pakees. Deshalb werden bei der nachfolgend aufgeführen Besimmung der korrek empfangenen Pakee der Daeninhal (Daa conen: DC), die Reihenfolge (Sequence number: S) und die Überragungszei T TTi eines empfangenen Pakees berücksichig. Tx Rx c p i1 ( ) (1) Rx bezeichne demzufolge die Anzahl korrek empfangener Pakee, für die gil: Der Daeninhal simm mi dem Daeninhal des gesendeen Pakees überein. Es liegen keine Bifehler bzw. Symbolfehler vor. Die Reihenfolge der empfangenen Pakee muss mi der Reihenfolge der gesendeen Pakee idenisch sein. Überhole Pakee werden somi als Verlus gewere. Die Überragungszei muss kleiner als eine maximale Überragungszei sein Anzahl verlorener Pakee Der riviale Fall dafür, dass ein Pake als verloren gil, is, dass ein an der Anwendungsschniselle des Producer übergebenes Pake nich an der Anwendungsschniselle des Consumer übergeben wird. Allerdings gil im Rahmen dieser Berachung auch ein empfangenes Pake p RXi als verloren, wenn dessen Überragungszei T TTi über einem definieren Maximalwer T TTmax lieg. Des Weieren wird bei Pakeverauschungen das verspäee Pake als Verlus gewere, selbs wenn es den Maximalwer T TTmax nich überschrien ha. Die Anzahl verlorener Pakee (umber of los packes: PL ) ergib sich dami wie folg: PL Tx i1 l( p l( p ) mi l( p l( p ) 1, ) 1, TT i ( p TI j1 ) 0, sons ( p ) Rxj TT max i1 ) TI k1 ( p Rxk ) (2)

9 4.3.3 Verfügbarkei Wie bereis oben ausgeführ is die Verfügbarkei (Availabiliy: A) ein Maß für die Fähigkei einer Einhei, während eines gegebenen Zeiinervalls eine gefordere Funkion zu erfüllen. Angewand auf die Funkion einer Funklösung is die Verfügbarkei (Availabiliy: A) das Verhälnis der Zei der fehlerfreien Daenüberragung (Upime: U ) zu einem Berachungszeiraum (Observaion ime: O ): U A (3) O Uner der Annahme, dass der Producer im Berachungszeiraum O eine Anzahl Pakee (umber of ransmied Packes: Tx ) periodisch mi einem Sendezeiinervall (Transmission inerval: TI ) versende und dass das Funksysem für jedes empfangene Pake für die Zei des Sendezeiinervalls als fehlerfrei gil, kann die Verfügbarkei wie folg besimm werden: A Rx TI Rx (4) TX TI Für jeden beliebigen Berachungszeiraum Oi kann die Abhängigkei der Verfügbarkei a i von gesören Überragungen (umber of los Packes: PL ) wie folg dargesell werden: TX a ( ) i O Txi PLi PLi PLi TI TXi ( TXi ) TXi TXi TI PLi TI oi (5) Die Darsellung in Formel (5) verdeulich, dass das Verhälnis zwischen Sendezeiinervall und Berachungszeiraum von Bedeuung is. Je weier sich der Berachungszeiraum dem Sendezeiinervall näher, umso särker wirken sich Pakeverluse negaive auf die Verfügbarkei aus. Andererseis können bei einem langen Berachungszeiraum gehäufe Pakeverluse und dami zeilich begrenze Einbrüche der Verfügbarkei nich erkann werden Pakeverlusrae Of wird sa der Verfügbarkei die Pakeverlusrae (PLR) zur Bewerung eines Kommunikaionssysems herangezogen. Mi Bezug auf Formel (4) und Formel (5) kann sie wie folg ermiel werden: PL TX Rx PLR 1 A (6) TX TX

10 5 Lieraurverzeichnis [1] Denzin, F.: M2M im GSM-ez: Anforderungen an Mobilfunkerminals. M2M Kompeenzag, 2010 [2] Barelmann, D.: GPRS in der Fernwirk- und Auomaisierungsechnik. ez, Hef 1/2007 [3] Suckmann, P.; Franke, J.: Performance characerisics of he Enhanced General Packe Radio Service for he mobile Inerne access. 2nd Inernaional Conference on 3G Mobile Communicaion Technologies, 2001 [4] IEC , Communicaion Profile Teleconrol Equipmen and Sysems. Technical Commiee 57, Inernaional Elecroechnical Commission, 1997 [5] IEC , ework access for IEC using sandard ranspor profiles. Inernaional Elecroechnical Commission, 2000 [6] VDI-Gesellschaf Sysemenwicklung und Projekgesalung, Arbeisgruppe Terminologie: VDI 4001 Terminologie der Zuverlässigkei, Verein Deuscher Ingenieure, Düsseldorf 2006 [7] RFC2678: IPPM Merics for Measuring Conneciviy [8] RFC2679: A One-way Delay Meric for IPPM [9] RFC2680: A One-way Packe Loss Meric for IPPM [10] RFC2681: A Round-rip Delay Meric for IPPM

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