Neue Wege in der Kommunikation Wireless-Technologien für die Automation

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1 Neue Wege in der Kmmunikatin Wireless-Technlgien für die Autmatin Chancen Möglichkeiten Grenzen Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert Übersicht Warum Funk? Mtivatin Kabellse Systeme in der Autmatin Möglichkeiten vn Funk HF-Technik in 3 Minuten... Anfrderungsklassen für Funktechnik Anwendungsgebiete Grenzen vn Funksysteme ISM-Band Kexistenz und Kanalplanung Perfrmance Zusammenfassung & Ausblick Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 2 1

2 Mtivatin Kabellse Systeme (1) Durchgängige Autmatin Mbile Geräte - Internet der Dinge Intelligente Warenbegleitscheine (RFID) Intelligente Fahrerlse Transprtsysteme (WLAN) Intelligente, rtsabhängige Mensch-Maschine-Schnittstelle Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert Mtivatin Kabellse Systeme (2) Steigerung der Verfügbarkeit und Reduktin der Betriebs- und Wartungsksten Funk ist Wartungsfrei (kein Bürsten / Khlen) Ermöglicht höhere Datenraten in der Kmmunikatin (Schleifelemente) Größere Entfernungen (Schleppketten) Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 4 2

3 Surce: Emersn Mtivatin Kabellse Systeme (3) Ksten- und Kmfrtvrteile durch kabellse Systeme Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert Übersicht Warum Funk? Mtivatin Kabellse Systeme in der Autmatin Möglichkeiten vn Funk HF-Technik in 5 Minuten... Anfrderungsklassen für Funktechnik Anwendungsgebiete Grenzen vn Funksysteme ISM-Band Kexistenz und Kanalplanung Perfrmance Zusammenfassung & Ausblick Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 6 3

4 Wie funktiniert Funk? Sender Abstand d Empfänger P tx (dbm) L fs (db) P rx (dbm) Sendeleistung Freifelddämpfung Signalstärke Empfänger Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 7 HF-Technik in 5 Minuten Sender Abstand r Empfänger Sr1 Sr2 Freifelddämpfung P E P S 1 r 2 1 f 2 G Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 8 4

5 Link Budget / Kanalgewinn L fs (db) L m (db) P rx = received pwer at detectr ( dbm ) P tx = transmitter utput pwer ( dbm ) G tx = transmitter antenna gain ( dbi ) G rx = receiver antenna gain ( dbi ) L fs = free space attenuatin / prpagatin lss( db ) L m = miscellaneus attenuatin ( radme, rain, etc. ) P tx (dbm) C tx (db) G tx (dbi) G rx (dbi) C rx (db) P rx (dbm) Sender P rx = P tx C tx + G tx C rx + G rx - L fs - L m Empfänger Effektive Übertragungsleistung ERP (Emitted Radi Pwer) Sendeleistung [dbm] Cable+cnnectr lss [db] + Antennengewinn[dBi] Eurpa (2,4 Ghz 100 mw / 20 dbm) Freifelddämpfung (Prpagatin Lss) Fresnell Frmel 6dB Dämpfung halbiert die Reichweite! L f 20lg f 20lg d 20lg 2 4 Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 9 Signalausbreitung BER Bitfehlerrate: Verlrene Bits / pr gesendeten Bits typische Angabe der Empfindlichkeit -90 BER 10-3 PLR Packet Lss Rate: Verlrene Packete pr gesendete Pakete typische Angabe der Empfindlichkeit -95 PLR10-2 IEEE Freescale MC EVB Empfindlichkeit PER = -92 dbm. P S - Empfängerleistung BER Bluetth Mitsumi WML C20 (BlueCre 2) -50 Empfindlichkeit BER = -90 dbm Übertragung Erkennung Interferenz Kabeläquivalent Übertragungsbereich Kmmunikatin möglich niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich Signalerkennung möglich keine Kmmunikatin Interferenzbereich Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei Sender Entfernung Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 10 5

6 Signalausbreitung P E P S 1 r 2 1 f 2 G BER Erkennungsbereich f 2 Erkennungsbereich f 0 Erkennungsbereich f Sender d 2 d 0 d 1 f 2 > f 0 f 0 f 0 > f 1 Entfernung / d Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 11 Übersicht Warum Funk? Mtivatin Kabellse Systeme in der Autmatin Möglichkeiten vn Funk HF-Technik in 5 Minuten... Anfrderungsklassen für Funktechnik Anwendungsgebiete Grenzen vn Funksysteme ISM-Band Kexistenz und Kanalplanung Perfrmance Zusammenfassung & Ausblick Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 13 6

7 Data rate [Mbps] IrDA Technische Anfrderungen Einige technische Anfrderungen Hhe Datenrate Grße Reichweite Geringe Latenzzeiten Wenig Emissinen Geringe Ksten Kleine Prtkllstacks Interperabilität Weltweiter Zugang Hhe Sicherheit Skalierbare Verwendung Glbales Raming High speed mbility Frequency band Mdulatin Regulatry Interperability Wireless Technlgy Security Reliability Prtcl Pwer management Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 14 Technlgie Anfrderungen shrt range lng range ,1 RFID Ethernet WLAN Bluetth ZigBee / IEEE /868MHz WIMAX WIMAX e UMTS GSM Rm / Office Building Statinary Slw mbile Fast mbile 10 m 100 m 1000 m LTE high datarate lw datarate Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 15 7

8 Beispiel Industrieautmatin Industrielle Funksysteme sind vielfältig Installatinsinseln mit spezifischen Funktechnlgien Energieautarke Sensren Sensren für Przessautmatin Sensren in der Fertigungsautmatin Funktechnik unterschiedlichste Funkbrücken Welche Prbleme sllen gelöst werden? Siemens Scalance iwlan ABB Wisa Sensrverteiler Steute Psitin Switch EF41 Emersn Wireless Level Transmitter 3051S Phenix Cntact GSM Mdem Phenix Cntact MFL BT BS3 Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert Anfrderungen in der Autmatin M2M Machine t Machine Cmmunicatin Ndes per Cell HMI Human Machine Interface Duty Cycle 100% 10 % 1 % 0,1% ,1/m² 1/m² 0,01/m² 10/m² Nde Density > 1 sec 100 ms 10 ms 1 ms 10 mws 1 mws 0,1 mws Realtime Cycle Energy/Bit Factry Autmatin Prcess Autmatin Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 8

9 Funk in der Autmatin Funktechnlgie ist Schlüsseltechnlgie Neue Anwendungsfälle und Einsatzszenarien Verbesserte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit vn Anlagen Ksteneinsparung durch Wartungsfreiheit Funk ist kmpliziert und ganz einfach... Empfangsleistung hängen vn der Sendeleistung, der Entfernung und der Frequenz ab! Unterschiedliche Technlgien und Bänder bieten unterschiedliche Vrteile Der Anwender möchte Lösungen und keine Technlgien Anwendungsfälle müssen bekannt sein Es gibt keine Universaltechnlgie Anfrderungen müssen klar sein Anzahl Knten, Kntendichte, Reichweite, Echtzeiteigenschaften, Dutycycle Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 18 Übersicht Warum Funk? Mtivatin Kabellse Systeme in der Autmatin Möglichkeiten vn Funk HF-Technik in 5 Minuten... Anfrderungsklassen für Funktechnik Anwendungsgebiete Grenzen vn Funksysteme ISM-Band Kexistenz und Kanalplanung Perfrmance Zusammenfassung & Ausblick Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 19 9

10 Regulatrische Anfrderungen Frequenz 13,56 MHz In den meisten Ländern 220 MHz 433 MHz 868 MHz 900 MHz Bereich China Eurpa und einige andere Länder Eurpa Nrd Amerika und andere Länder 2,4 GHz Weltweit 5,7 GHz In den meisten Ländern Lizenz- und Gebührenfrei ETS ( Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 20 Wann ist die Luftschnittstelle kritisch? Wenn permanent der Datenkanal belegt ist und ein weiterer Teilnehmer ihn auch belegen möchte 1. Was ist ein Datenkanal? Ein Frequenzbereich, der für die Verbindung zwischen zwei der mehr Teilnehmer belegt wird. Kann ein schmalbandiger Kanal sein. Können unterschiedliche Frequenzen zu unterschiedlichen Zeiten sein. 2. Was versteht man unter Kanalnutzung? Wie viel Bandbreite vn dem bereitgestellten Kanal tatsächlich benötigt wird. Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 21 10

11 Kanalnutzung im 2.4 GHz Band Bluetth IEEE MHz IEEE MHz 25 MHz 30MHz 2,400 GHz 2,485 GHz Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 22 Begriffsdefinitin Duty Cycle Die Bewertung der Kanallast spielt eine wichtige Rlle in realen technischen Systemen! Die Kanalnutzung wird als Duty Cycle bezeichnet. ΔT cycle ΔT cycle ΔT cycle ΔT cycle Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 11

12 Cexistenzplanung Frequenzplanung Lastplanung Welche Datenkanäle werden in den unterschiedlichen Frequenzbereichen benötigt? Welche Kanalzurdnung ermöglicht eine knfliktfreie Cexistenz? W werden zeitkritische Daten übertragen? Auf welchen Kanälen werden viel Daten übertragen? W erflgt eine permanente Auslastung? W werden nur spradisch Daten übertragen? Kann man spradische Daten vn permanenten Daten trennen? Gibt es Kanäle die schn durch andere Nutzer belegt sind? Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 24 Testszenari Bluetth - WLAN 11 Bluetth nutzt durch das Frequenz-Hpping die Gesamte Bandbreite des 2.4 GHz ISM Band Bei kmmt es unweigerlich zu Knflikten Bluetth blendet selber benutzte Datenkanäle aus (AFH Adaptive Frequency Hpping) 11 Bluetth AFH IEEE Kanal 11 Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 12

13 Referenzwerte Bluetth 1 Paralleler Betrieb zu WLAN Bei ausgeblendeten Kanälen sind keine applikatinsrelevanten Störungen messbar Referenzmessung Min: 14ms Max: 37ms Avg: 23,5ms Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert Testszenari IEEE / WLAN Bei IEEE und WiFi IEEE ist eine explizite Kanalplanung ntwendig. Eine sinnvlle Cexistenz ist nur bei exakter Planung ntwendig. 100% Dutycycle vn in den Seitenbändern kann zu einem Ttalausfall führen Beispiel WLAN Kanal 1 und 7 IEEE Kanal 16 u Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 13

14 Messwertaufnahme / IEEE VisualBER Aufzeichnung digitaler Fehlerprzess Bit Errr Rate (BER) Packet Lss Rate (PLR) Receive Signal Strength Indicatr (RSSI) Höhere Statistiken Bitfehlerabstände Paketfehlerabstände Blckfehlerdichte Bitfehlerkrrelatin Parametrierung digitaler Kanalmdelle Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert Störfestigkeit WLAN IWLAN Mde g CH6 / IEEE Kanal Knfiguratin IWLAN Kanal 6 / Mde g 500 Bytes Nutzdaten Sendeintervall 30 ms Maximale Sendeleistung RX n A TX n B SW- HW-Retries = Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 14

15 Störfestigkeit WLAN Störer im Seitenband führen zu erheblichen Prblemen 11g ist wesentlich kritischer als 11b Die Perfrmance ist extrem abhängig vm Duty-Cycle des Störers! Aktive Störer Kanal Kanallast - Max 50% 10% #sent #errr #lst min[ms] 1,48-1,5 1,5 max[ms] 2,59-12,67 5,89 avg[ms] 1,57-2,7 1,69 WLAN g Kanal 6 Verhalten Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 30 Übersicht Warum Funk? Mtivatin Kabellse Systeme in der Autmatin Möglichkeiten vn Funk HF-Technik in 5 Minuten... Anfrderungsklassen für Funktechnik Anwendungsgebiete Grenzen vn Funksysteme ISM-Band Kexistenz und Kanalplanung Perfrmance Zusammenfassung & Ausblick Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 31 15

16 Zusammenfassung Funktechnlgie ist Schlüsseltechnlgie Es gibt eine Vielzahl divergierender Anfrderungen beim Einsatz vn Funktechnlgie Der Anwender möchte Lösungen und keine Technlgien Anfrderungen müssen klar sein Anzahl Knten Ndes per cell Kntendichte 1000 Reichweite 100 Echtzeiteigenschaften Dutycycle % 10 % und vieles mehr Dutycycle 1 % 1 0,1% 0,1/m² 1/m² Ich muss wissen was ich tue 0,01/m² Cexistenz! > 1 sec Die Zeit ist reif Es gibt Lösungen für fast jeden Anwendungsfall Realtime Cycle Energy/Bit Lehrgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze (C) Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 32 1 ms 10 ms 100 ms 10 mws 1 mws 0,1 mws 10/m² Nde density Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert jerg.wllert@hs-bchum.de Tel: Tel: Fax: it@autmatin Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 33 16

17 Lehr- und Frschungsgebiet Sftwaretechnik und Rechnernetze Prf. Dr.-Ing. Jörg F. Wllert 34 17