Zentrales Koexistenzmanagement für den zuverlässigen Betrieb von industriellen Funkanwendungen

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Zentrales Koexistenzmanagement für den zuverlässigen Betrieb von industriellen Funkanwendungen Marko Krätzig Dr. Lutz Rauchhaupt Institut für Automation und Kommunikation e.v. Magdeburg Werner-Heisenberg-Str.

1 Zentrales Koexistenzmanagement für den zuverlässigen Betrieb von industriellen Funkanwendungen Marko Krätzig Dr. Lutz Rauchhaupt Institut für Automation und Kommunikation e.v. Magdeburg Werner-Heisenberg-Str Magdeburg Phone: Fax: marko.kraetzig@ifak.eu Kognitive Mediumszugangsalgorithmen für industrielle Funkanwendungen - KoMe Institut für industrielle Informationstechnik Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Lemgo Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Uwe Meier Institut für Telekommunikation und Hochfrequenztechnik (ITH) Universität Bremen Projektleiter: Dr. Carsten Bockelmann Laufzeit: FKZ: IGF BG/3 über DFAM 1

2 Agenda 1. Einleitung 2. Stand der Technik 3. Modell für das Koexistenzmanagement 4. Architektur des zentralen Koexistenzmanagement 5. Zusammenfassung 2

3 Einleitung 11/09 08/11: ETSI ERM/TG28: ETSI TR Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); System Reference Document; Short Range Devices (SRD); Part 2: Technical characteristics for SRD equipment for wireless industrial applications using technologies different from Ultra-Wide Band (UWB) 09/11 01/14: CEPT/ECC SE24: ECC Report 206: Compatibility studies in the band MHz between SRD equipment for wireless industrial applications and other systems Seit 03/14: ETSI ERM/TG41 EN V1.0.0 ( ): Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Wireless industrial automation; Radio equipment to be used in the 5,725 GHz to 5,875 GHz frequency range with power levels ranging up to 400 mw; Harmonized EN covering essential requirements under article 3.2 of the R&TTE Directive WIA 5,8 GHz HEN ETSI TS V1.0.0 ( ): Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Wireless industrial automation; Radio equipment to be used in the 5,725 GHz to 5,875 GHz frequency range with power levels ranging up to 400 mw; TS on methods and concepts for a WIA system approach to sharing in the 5,8 GHz band 3

4 Application Funkdienste und systeme im Frequenzbereich von MHZ Wireless Industrial Application Defence systems (Radiolocation) Fixed satellite (Earth to space) Broadband Fixed Wireless Access (BFWA) TTT* ITS** Amateur Service Non-Specific Short Range Devices (SRD) Industrial, Scientific and Medical (ISM) RLAN (WiFi) / LTE LAA Amateur Service S/E Frequency [MHz] * Transport & Traffic Telematics; ** Intelligent Transport Systems 4

5 Geforderte Mediumszugriffsmechanismen Detect and Avoid (DAA) Transmit Power Control (TPC) Dynamic Frequency Selection (DFS) Frequency [MHz] 5875 Keine Unterscheidung zwischen Indoor und Outdoor Dynamic Frequency Selection (DFS): Detection threshold -65 dbm Detect and Avoid Mechanismus (z.b. Listen before talk) Detection threshold: -99 dbm für BFWA and -85 dbm für ITS und TTT Zeitliche Beschränkungen (t on ; t off ; t L ) Einführung ein zentrales Koexistenzmanagement! 5

6 Agenda 1. Einleitung 2. Stand der Technik 3. Modell für das Koexistenzmanagement 4. Architektur des zentralen Koexistenzmanagement 5. Zusammenfassung 6

7 Stand der Technik ETSI TC RRS - Rekonfigurierbaren Funksystem - Software Defined Radio, kognitiven Funksystemen und die Verwendung einer zentralen Koordinierungsstelle - ETSI TR : Möglichkeiten zur Verwendung eines Kontrollkanals (Pilot channel) in Verbindung mit einer zentrale Steuerungsinstanz (Central Control Point) - ETSI TR : Funktionale Architektur zum Management und zur Steuerung von RRS - ETSI TR werden Konzepte zu kognitiven Funksystemen (CR), sowie die Klassifizierung und Einsatzfälle von CR-Systemen IEEE P Beschreibung neuer Technologien und Techniken für eine neue Generation von Funksystemen und eines erweiterten Spektrumsmanagement ABER - Anforderungen der Automatisierungstechnik bleiben weitestgehend unberücksichtigt 7

8 Agenda 1. Einleitung 2. Stand der Technik 3. Modell für das Koexistenzmanagement 4. Architektur des zentralen Koexistenzmanagement 5. Zusammenfassung 8

Modell für das Koexistenzmanagement Quelle: IEC62657-2: Industrial

9 Modell für das Koexistenzmanagement Quelle: IEC : Industrial communication networks - Wireless communication networks - Part 2: Coexistence management 9

10 Agenda 1. Einleitung 2. Stand der Technik 3. Modell für das Koexistenzmanagement 4. Architektur des zentralen Koexistenzmanagement 5. Zusammenfassung 10

11 Anforderungen an die Architektur Erfüllung der regulatorischen Vorgaben zum Schutz von vorhandenen Funkdiensten und -systemen Sicherstellung der Koexistenz zwischen heterogenen Funksystemen kontinuierliche Überwachung des verwendeten Spektrums Detektierung von freien und belegten Frequenzbereichen Klassifizierung von ermittelten Funkdiensten, -systemen und geräten automatisch Zuweisung der Mediumsressourcen für industrielle Funksysteme Zentrale Koexistenzmanager muss mit verschiedenen Funksystemen und - geräten unterschiedlichster Funktechnologien kommunizieren Berücksichtigung der Anforderungen der automatisierungstechnischen Anwendungen nach Verfügbarkeit, Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit 11

12 Architektur des zentralen Koexistenzmanagement Central Coordination Point Ressourcendatenbank Spektrumsmanager Datenbank für primäre Funkdienste/-anwendung Funksystem und geräte Registrierung und Verwaltung CCW 1 CCP Client / WIA Master CCW 2 CCP Client / WIA Master WIA Slave WIA Slave WIA Slave WIA Slave Ressourcenmanagement von automatisierungstechnischen Anwendung Spectrum Sensing Spectrum Sensing Messeinheit System zur System Spektrumsüberwachung Funksystem mit herkömmlichen Medienzugriffsmechanismus Master Slave 12

13 Funktionsstruktur für das zentrale Koexistenzmanagement Device Description Engineering Industrial Fieldbus/Ethernet WSAN Gateway + Network Manager 1 S 4 S 3 S 2 S Existing Wireless Actuator Sensor Network Basestation RAT 1 5 S Radio Radio Automation Device 1 User Data Spectrum Sensing Unit PLC Basestation RAT 2 Radio CPC Information & Configuration Data Electromagnetic Disturber HMI RAT Information & Configuration Data CPC Manager Radio Automation Device 2 Configuration Data of Industrial Application & Communication Access to Backplane(s) Spectrum Manager Access to RF Channel Central Coordination Point Information to Spectrum usage Radio Automation Device n Policy Engine other Wireless Systems (e.g. from the Office World) Regulations Data Base Regulation Data Spectrum Sensing Unit PLC = Programmable Logic Controller HMI = Human Machine Interface CPC = Cognitive Pilot Channel RF = Radio Frequency RAT = Radio Access Technology WSAN = Wireless Actuator Sensor Network 13

14 Spektrumsüberwachung Kombination aus zentraler und verteilter Spektrumsüberwachung zentrale Spektrumsüberwachung. Detektierung und Klassifizierung von primären Funkdiensten (außerhalb industrieller Anlagen) verteilte Spektrumsüberwachung Detektierung der Mediumsnutzung und Klassifizierung von Funksysteme und geräte im industriellen Umfeld 14

15 Agenda 1. Einleitung 2. Stand der Technik 3. Modell für das Koexistenzmanagement 4. Architektur des zentralen Koexistenzmanagement 5. Zusammenfassung 15

16 Zusammenfassung Konzept des Central Coordination Point Parallelbetrieb von heterogenen Funksystemen im industriellen Umfeld mittels zentralem. Koexistenzmanager sicherstellen primäre Funkdienste schützten, um eine Zweitnutzung von vorhandenen Frequenzbereichen zu ermöglichen. Industrielle Funksysteme und -geräte können alle ihre Ressourcen für den zuverlässigen, echtzeitfähigen Betrieb der automatisierungstechnischen Anwendung einsetzen Steigerung der Verfügbarkeit Anforderungen der automatisierungstechnischen Anwendung werden berücksichtigt optimierte Verwendung der Ressourcen 16

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