Reproduzierbare Handover Zeiten von zellularen industriellen WLAN Netzwerken für die Fertigungsautomatisierung

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1 Reproduzierbare Handover Zeiten von zellularen industriellen WLAN Netzwerken für die Fertigungsautomatisierung Henning Trsek init - Institut Industrial IT Hochschule Ostwestfalen-Lippe Lemgo henning.trsek@hs-owl.de Jürgen Weczerek, Andreas Pape Phoenix Contact Electronics GmbH Dringenauer Str Bad Pyrmont {jweczerek, apape}@phoenixcontact.com

2 und mögliche Optimierungen 3. Reproduzierbare Messumgebung im init im Fokus 2 / M.Sc. Henning Trsek /

3 Motivation Einsatz drahtloser Technologien Flexibilität Mobilität Neue Anwendungen Echtzeit Ethernet Technologien auf Feldebene WLAN Drahtlose Ergänzung zu Ethernet Große Abdeckung erreichbar Zellularer Aufbau Häufig Verwendung von vorhandenem IT-WLAN 3 / M.Sc. Henning Trsek /

4 Überblick Funktechnologien Bruttodatenrate (Mbps) > ,1 IEEE Bluetooth WISA IEEE Wireless HART IEEE n (>100Mbps) IEEE a/g (54Mbps) IEEE b (11Mbps) WLAN EDGE/ GPRS/ GSM 0,01 PAN LAN Reichweite (m) WAN / M.Sc. Henning Trsek /

5 Schritte des Handover (1) Besteht aus 4 verschiedene Phasen 1. Suchphase Entscheidung Scan nach neuen APs (aktiv/passiv) 2. Offene Authentifizierung Authentication Request Frame Authentication Response Frame 3. Assoziierung Association Request Frame Association Response Frame 5 / M.Sc. Henning Trsek /

6 Schritte des Handover (2) 4. Sichere Authentifizierung Authentifizierung gegen Server Verwendung IEEE 802.1x Aushandlung Pairwise Master Key (PMK) Evtl. Zwischenspeicherung der Keys 4-Wege-Handshake Aushandlung des transienten Schlüssels 5. Verschlüsselter Datenaustausch 6 / M.Sc. Henning Trsek /

7 Handover Frames 7 / M.Sc. Henning Trsek /

8 Optimierungen - Infrastruktur Preauthentication Vorab Authentifizierung über das Backbone-Netz PMK Caching Zwischenspeicherung der Schlüssel r Sichere Authentifizierung zusammen mit der offenen Authentifizierung 8 / M.Sc. Henning Trsek /

9 Optimierungen - Client Background Scanning Suche nach APs während des Datenaustausch Sammeln von Umgebungsinformationen Meist aktive Suche Eingeschränkte Kanalliste Ausschließen mögl. Kanäle z.b. nur 1, 6, 11 erlaubt Kanaltabelle Festlegung der AP Reihenfolge Reihenfolge immer 1,13, 7, 1, 13, 9 / M.Sc. Henning Trsek /

10 Herkömmliche Handover Messung Over-the-air Manuelle Steuerung und Aufzeichnung Umwelteinflüsse Moving Client Auswertung/ Verkehrserzeugung AP1 Wireless Monitor AP2 Authentifizierung 10 / M.Sc. Henning Trsek /

11 Historie der IEEE Standardisierung Task Group T innerhalb der IEEE (seit 2004) Erster Entwurf verabschiedet (02/2008) Terminologie und Leistungscharakteristika aus RFC 2544 Ziel der TGT Definition von Leistungsmetriken Messmethoden Testbedingungen Etablierung einer allgemeinen und akzeptierten Grundlage für WLAN Leistungsmessungen 11 / M.Sc. Henning Trsek /

12 Framework Anwendungsfälle Datenorientiert Latenzsensitiv Streaming Messumgebung Conducted Calibrated over the air Over the air (indoor) Over the air (outdoor) 12 / M.Sc. Henning Trsek /

13 Relevante Metriken Latency Verzögerung zwischen dem Senden und Empfangen eines Frames Jitter Abweichung der Zwischenankunftszeiten Packet Loss Packet BSS transition time Dauer des Wechsels zwischen zwei BSS s (auch Handoverzeit) _ LostFrames Loss = TransmittedFrames 13 / M.Sc. Henning Trsek /

14 Reproduzierbare Umgebung 14 / M.Sc. Henning Trsek /

15 Testsystem Roaming HF-Pfad 1 HF-Pfad 2 15 / M.Sc. Henning Trsek /

16 Einschienenhängebahn / Fahrerlose Transportsysteme Bereich Logistik Zulieferaufgaben in FA Lokale Steuerung vorhanden Kommunikation mit übergeordneter SPS (Auftragsvergabe, etc.) Anforderungen Mittlere Geschwindigkeit 5 m/s ca. 350 ms 16 / M.Sc. Henning Trsek /

17 Seilbahngondeln Steuerung der Gondeln Verbesserung durch einzelne Steuerung der Gondeln Strecke von einigen hundert Metern Anzahl ca Gondeln Einsatz Profinet/Profisafe 4 bis 5 AP notwendig Anforderungen Hohe Dichte der Fahrzeuge ca. 200ms 17 / M.Sc. Henning Trsek /

18 Aufbau und Parameter Geräte 2x Cisco AP (Aironet1131ag) 1x Phoenix Contact Client (FL WLAN 24 EC ) Konfiguration Verschiedene Roaming Optimierungen des Clients SecurityRSN/802.1x Zyklischer Datenverkehr (8ms) Kanal Freiraum Funkkanalmodell (emuliert durch Dämpfung) keine Mehrwegeausbreitung Emulation weiterer Kanäle optional 18 / M.Sc. Henning Trsek /

19 Standard Handover 2,5 2 Handover Zeit (s) 1,5 1 0, Roamingvorgang Suchen Authentifizierung Assoziierung Sichere Authentifizierung 19 / M.Sc. Henning Trsek /

20 Handover mit eingeschränkten Kanälen Handover Zeit (s) 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Roamingvorgang Suchen Authentifizierung Assoziierung Sichere Authentifizierung 20 / M.Sc. Henning Trsek /

21 Handover mit Kanaltabelle Handover Zeit (s) 0,15 0,1 0, Roamingvorgang Suchen Authentifizierung Assoziierung Sichere Authentifizierung 21 / M.Sc. Henning Trsek /

22 Fazit Vielversprechende Optimierungen Zeitlichen Anforderungen der Anwendungen können erfüllt werden Akzeptanzsteigerung durch Anerkannte Testverfahren für die Industrie Leistungsmessungen Hohe Leistungsfähigkeit des Systems Automatisierter Ablauf der Messungen Wichtige Faktoren Reproduzierbarkeit 22 / M.Sc. Henning Trsek /

23 Messsystem Erweiterung des Messsystems Anpassung an neue Anforderungen (Standard Draft) Testskripte für weitere Metriken Handover Optimierungen Infrastrukturseitig r Clientseitig Background Scanning 23 / M.Sc. Henning Trsek /

24 Vielen Dank Haben Sie noch Fragen? Internet: 24 / M.Sc. Henning Trsek /