Drahtlos vernetzte regelungstechnische Anwendungen

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1 Drahtlos vernetzte regelungstechnische M.Sc. Henning Trsek, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite {henning.trsek, init Institut Industrial IT Fachhochschule Lippe und Höxter 1 / M.Sc. H. Trsek /

2 Motivation Nach J. Nilsson, Real-Time Control Systems with Delays, Lund University, 1998 Problem: Delays sollten idealerweise klein und konstant sein! 2 / M.Sc. H. Trsek /

3 Vorteile drahtloser Technologien (WLAN) Einfache Anbindung mobiler Einheiten Systemänderungen sehr schnell möglich Schwer zugängliche Bereiche (z.b. Ex) Ohne Abnutzung, spart Wartungskosten (Schleifkontakte, Schleppketten, mech. Verbindungen, etc.) 3 / M.Sc. H. Trsek /

4 QoS in IEEE Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Hybrid Coordination Function (HCF) Point Coordination 2 Function (PCF) Network Layer HCF Contention Access (EDCA) Data Link Layer Physical Layer HCF Controlled Access (HCCA) Monitoring and Configuration MAC a b g Distributed Coordination Function (DCF) Layer 2 (802.11e, i, h, usw. ) Layer 1 (802.11a, b, g) MAC Architektur (Kanalzugang) 4 / M.Sc. H. Trsek /

5 EDCA Mechanismus Enhanced Distributed Channel Access - priorisierter Kanalzugang AIFS [AC0] AIFS [AC2] AIFS [AC3] Contention Window Contention Window... QSTA 1 Data PIFS SIFS Contention Window SIFS Ack Slot time QSTA 2 Defer Access QSTA2 starts to transmit 5 / M.Sc. H. Trsek /

6 HCCA Mechanismus HCF Controlled Channel Access - parameterized channel access 6 / M.Sc. H. Trsek /

7 HCCA Scheduling Bsp. Parameter Mean Data Rate Maximum Service Interval (MSI) Delay Bound 7 / M.Sc. H. Trsek /

8 Simulationsmodell 8 / M.Sc. H. Trsek /

9 Simulationsparameter Central traffic flow distribution ->Nutzdaten = 40 Byte Anzahl der Clients: 2 80 für EDCA (durch gew. SI eingeschränkt) für HCCA Clients wurden stationär betrieben Max. # der Clients Service Interval 8 10 ms ms ms ms Aus H. Trsek, J. Jasperneite. A Simulation Case Study of the new IEEE e HCCA mechanism in Industrial Wireless Networks, 11th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA 2006), September / M.Sc. H. Trsek /

10 Szenarien SPS über eine drahtlose Verbindung mit der ihren I/O-Knoten verbunden Echtzeitkritische Daten (Prozessdaten) Zusätzliche Best-Effort Daten (z.b. ftp-session) BE Verkehr variiert -> unterschiedliche Kanallast Nur 12 QSTA in diesem Szenario SI=20 ms 10 / M.Sc. H. Trsek /

11 Ergebnisse HCCA 10% EDCA 10% HCCA 100% EDCA 100% Mean 6.76 ms ms 7.57 ms ms σ 2.65 ms 7.7 ms 2.71 ms 9.47 ms 11 / M.Sc. H. Trsek /

12 Reale Applikation In einem instabilen Prozess (schwebende Kugel) soll der Distanzsensor per WLAN an die Steuerung gekoppelt werden. Laser-Distanz- Sensor BNC Switch ILC AI AO PC WORX Ethernet Ethernet IB IB Ethernet FL IL AO IB BNC 4 Q-Steller Spule 12 / M.Sc. H. Trsek /

13 Regelungstechnische Betrachtung Entstanden in Zusammenarbeit mit dem Labor für Regelungstechnik und Mechatronik, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas 13 / M.Sc. H. Trsek /

14 Fazit und Starke Schwankungen der Netzauslastung und der Antwortzeit des Netzes führen zu Unsicherheiten in Bezug auf die Reaktionszeiten des Regelkreises Beschränkte und zeitvariable Strukturen: Nicht alle Knoten können direkt, ständig bzw. überhaupt erreicht werden. Zeitvariable Übertragungszeiten: Die Antwortzeiten des Netzes verändern sich in weiten Grenzen. 14 / M.Sc. H. Trsek /

15 Co-Simulation OPNET WLAN Simulation 15 / M.Sc. H. Trsek /

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Internet: 16 / M.Sc. H. Trsek /

17 Simple Scheduler SI= Service Interval N i = Number of arriving frames during one SI R i = PHY rate M i = max. MSDU 17 / M.Sc. H. Trsek / Minimum of all MSIs for all TSs and chooses the SI lower than this value and as a sub-multiple of the beacon interval

18 Traffic Specification Element 18 / M.Sc. H. Trsek /

19 Default Parameter Set Default EDCA access parameters AC CWmin CWmax AIFSN Background (BK) Best Effort (BE) Video (VI) Voice (VO) / M.Sc. H. Trsek /

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