(Drahtlose, robuste, adaptive, industrielle Systeme)

Laufzeit: 01.02.2016 - 31.12.2018
Leitung: Prof. Dr.-Ing Horst Hellbrück
Mitarbeiter: Swen Leugner, Manfred Constapel

Hintergrund

Im Verbundprojekt DRAISE werden drahtlose Kommunikationssysteme für die Produktions- und Intralogistik erforscht und entwickelt. Diese Kommunikationssysteme erlauben es, Daten zuverlässig per Funk aus Industrieumgebungen zu erfassen, zu relevanten Informationen zu kondensieren und zu korrelieren, um einen Mehrwert zu erzielen.

Die Automatisierung von Produktionsanlagen in der Industrie schreitet stetig voran. Dabei sind zuverlässige Datenübertragungssysteme eine notwendige Voraussetzung: Nur so können reibungslose Produktionsabläufe gewährleistet werden. Der Markt für Industrie-Automation bietet derzeit aber fast ausschließlich drahtgebundene Lösungen an. Anwendungen drahtloser Netze konnten sich bisher kaum durchsetzen, da sie nicht zuverlässig genug funktionieren und zu hohe und variable Latenzzeiten aufweisen. Die Herausforderung besteht also in der Entwicklung einer neuen, drahtlosen Technologie, die diese Schwachpunkte nicht mehr aufweist und problemlos in bestehende Systeme integriert werden kann.

Ziel

Ziel des Teilvorhabens von CoSA ist die Erforschung und Optimierung von Protokollen für drahtlose Kommunikationsnetze für die Produktions- und Intralogistik. Die Technische Hochschule Lübeck erarbeitet in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Lösungen zu den technischen Herausforderungen. Die TH Lübeck entwickelt schwerpunktmäßig Lösungen für die Single-Hop Kommunikation. Die TUHH ist für die Multi-Hop Kommunikation zuständig. Zum Erreichen der Ziele sind zuverlässige Koexistenz mit anderen Funksystemen, fehlerfreie und zeitnahe Kommunikation sowie die nahtlose Anbindung über ein oder mehrere Gateways zu erforschen und zu entwickeln. Die Kommunikation muss im industriellen Umfeld so zuverlässig sein, dass eine Latenz unter 10 ms sowie eine Paketverlustrate unter 10-6 angestrebt wird, selbst beim Auftreten von typischer Störung. Außerdem müssen technische Lösungen größtmögliche Flexibilität aufweisen und annähernd wartungsfrei sein. Die Verwendung von zusätzlicher Technik darf die bisherigen Ablaufprozesse nicht stören oder das ausführende Personal unzumutbar belasten.

Ansatz

Im Teilvorhaben von CoSA werden Modelle für verschiedene Störeinflüsse entwickelt. Dazu gehören Störungen von gleichartigen Systemen, anderen Kommunikationssystemen und weiteren Quellen von elektromagnetischer Interferenz. Mit den Erkenntnissen aus der Modellierung arbeitet die TH Lübeck an der Single-Hop Kommunikation, Cooperative Spectrum Sensing und Funkstörsicherheit. Es werden Algorithmen zur kooperativen- und nicht kooperativen Koexistenz mehrere Systeme auf dem gleichen Frequenzkanal entwickelt und ihre Leistung bewertet. Des Weiteren werden Verfahren für die Kommunikation über mehrere Frequenzkanäle entwickelt. Hierzu gehören Frequenzsprungverfahren mit ständigem Wechsel des verwendeten Kanals oder die gleichzeitige Verwendung mehrerer Kanäle. Die entwickelten Verfahren und Algorithmen werden in das Gesamtsystem integriert und im Demonstrators umgesetzt.

Projektpartner

 

Krallmann

 

Technische Universität Hamburg-Harburg

 

Virtenio

 

Dieses Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. 

Förderkennzeichen:  16KIS0430, DRAISE

 

Veröffentlichungen


Artikel and Buchkapitel
[2018] Drahtlose Robuste Adaptive Industrielle Systeme (Manfred Constapel, Leo Krüger, Swen Leugner, Zeynep Vatandas, Koojana Kuladinithi, Andreas Timm-Giel, Horst Hellbrück), In ITG-Fachbericht-Mobilkommunikation VDE VERLAG GmbH, 2018. [bib] [abstract]
Die industrielle Fertigung wandelt sich mit der Digitalisierung. Fertigungsstücke werden individuell durch Industrie 4.0-Technologien; sie sind jederzeit und überall erfassbar. Fertigungsprozesse werden digitalisiert und bilden Struktur und Verhalten einer Fertigungs- und Produktionsstrasse ab, womit sich wichtige Erkenntnisse zum Ablauf gewinnen lassen. Dies setzt eine Vernetzung der Fertigungsstücke voraus, welche die klassische Automatisierung ergänzt. Drahtlose Sensoren sind an Fertigungsstücke gekoppelt und bilden großflächige und dichte Sensornetze. Messgrößen der Sensoren sind beispielsweise Ort, Zeit, Temperatur, Beschleunigung, Geräusch oder Luftfeuchte, welche nach Anforderung der Datenanalyse ausgewählt und ausgewertet werden. Derartige Sensornetze stellen neue Herausforderungen und Forschungsfragen an Industrie 4.0-Anwendungen. Das Projekt DRAISE hat das Ziel, produktionsrelevante Daten in Industrieanlagen zuverlässig zu erfassen und entsprechend aufzubereiten. Hierfür werden Transportwagen einer Fertigung drahtlos vernetzt und Temperatur, Erschütterung, Position und Zeit erfasst. Zusätzlich interagieren die Mitarbeiter in der Produktion über eine definierte Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem System. Zur Minimierung der Auswirkungen durch andere, drahtlose Systeme werden Time Division Multiple Access (TDMA)-basierende Protokolle für die Single-Hop- und Multi-Hop-Kommunikation entwickelt. Die Kommunikation wird durch Lokalisierungskomponenten ergänzt, welche mit einem System auf Basis von Ultra-Wide-Band (UWB) implementiert ist. Für die angestrebte, zuverlässige und robuste Kommunikation werden zukünftig Frequenzsprungverfahren und Spectrum Sensing die entwickelten Protokolle erweitern. Ein großflächig und produktiv eingesetzter Demonstrator dient der ständigen Leistungsbewertung des Systems.
[2017] UWB-based Single Reference Point Positioning System (Mathias Pelka, Swen Leugner, Marco Cimdins, Holger Schwegmann, Horst Hellbrück), In ITG-Fachbericht-Mobilkommunikation VDE VERLAG GmbH, 2017. [bib] [abstract]
Indoor positioning enables new applications, for instance monitoring of goods in smart factories. For such applications, indoor positioning requires cost-effective solutions with high accuracy. State-of-the-art positioning systems are expensive due to high infrastructure and maintenance costs. In this paper we suggest an accurate UWB-based single reference point positioning system using multiple antennas. We compare lateration and hyperbolic lateration as positioning methods and present efficient algorithms for UWB-based single reference point positioning systems. We present theoretical limits based on the Cramer-Rao lower bound and derive an error estimation as well as evaluation results. Our measurements indicate that decimeter accuracy is possible.
[2016] Receiving more than data - a signal model, theory and implementation of a cognitive IEEE 802.15.4 receiver (Tim Esemann, Horst Hellbrück), In EAI Endorsed Trans. Cognitive Communications, volume 2, 2016. [bib] [pdf] [abstract]
Standard medium access schemes sense the channel immediately prior transmission, but are blind during the transmission. Therefore, standard transceivers have limited cognitive capabilities which are important for operation in heterogeneous radio environments. Specifically, mobile interferers move gradually into the reception range before actually causing collisions. These gradual interferences cannot yet be detected, and upcoming collisions cannot be predicted. We present a theoretical analysis of the received and demodulated signal. This analysis and the derived signal model verifies that the received signal contains more than transmitted data exclusively. Enhanced signal processing extracts signal components of an interference at the receiver and enables advanced interference detection to provide information about approaching mobile interferers. Our theoretical analysis is evaluated by simulations and experiments with an IEEE 802.15.4 transmitter and an extended cognitive receiver.
Konferenz Beiträge
[2018] Minimizing Indoor Localization Errors for Non-Line-of-Sight Propagation (Mathias Pelka, Peter Bartmann, Swen Leugner, Horst Hellbrück), In International Conference on Localization and GNSS, 2018. [bib] [abstract]
Indoor Localization becomes more important, as it provides additional context for many applications for example in the Internet of Things (IoT). Time-of-flight measurements, as a basis for distance estimation, are susceptible for non-line-of-sight (NLOS) propagation, resulting in large distance errors. Standard least squares solutions to estimate the targets location do not account for NLOS propagation which results in large scale errors. We investigate the difference between L1- and L2-minimization and present a new framework based on a modified RANSAC approach. Additionally, we investigate a Support Vector Machine (SVM) to detect NLOS measurements.We present simulation and measurement results and evaluate our approach. We show that our framework delivers better performance in presence of NLOS propagation compared to plain L1- or L2-minimization.
[2018] Listen and Talk in IEEE 802.15.4 with Dual Radio (Swen Leugner, Horst Hellbrück), In 2018 Advances in Wireless and Optical Communications (RTUWO) (RTUWO'18), 2018. [bib] [abstract]
In wireless sensor networks, the license-free 2.4 GHz industrial medical and scientific band is increasingly popular. The popularity of this license-free band results in growing heterogeneous wireless networks in which the channel state detection becomes difficult. In this paper, we present a novel solution to enable Listen and Talk with an IEEE 802.15.4 dual radio transceiver sensor node, to provide a channel state detection. In contrast, to Listen before Talk or Clear Channel Assessment, our approach named Advanced Clear Channel Assessment talks and listens, which means checking the channel state during transmission. We show that Advanced Clear Channel Assessment increases the channel busy detection compared to Clear Channel Assessment by a factor of six. Furthermore, we provide a novel metric to compare detection algorithms for channel state based on threshold levels.
[2018] TriClock – Clock Synchronization compensating Drift, Offset and Propagation Delay (Swen Leugner, Manfred Constapel, Horst Hellbrück), In IEEE International Conference on Communications, 2018. [bib] [abstract]
In wireless sensor networks (WSN) precise clock synchronization is still a challenge e.g. for synchronized medium access control (MAC). State of the art solutions require many messages or neglect clock drifts or propagation delay. In multi-hop networks synchronization errors increase with the number of hops because numerous messages increase latency. The latency and clock drift reduces synchronization accuracy. Finally, propagation delay introduces additional synchronization offsets. We introduce a novel synchronization protocol that requires a single message to compensate both clock offset and clock drift and one additional message to account for propagation delay. With this minimal amount of messages, an efficient multi-hop synchronization is practicable. We implement our approach on a DWM1000 hardware and evaluate the protocol in single-hop and multi-hop configuration. In our preliminary experiments, we achieved a synchronization accuracy of 0.46 ns in a single-hop configuration within 3.6 ms and 6 ns in a multi-hop configuration for 5 hops within 11 ms which is appropriate for MAC and time-division multiple access (TDMA) implementations.
[2018] A Model-based Approach for Self-healing IoT Systems (Franziska Kühn, Horst Hellbrück, Stefan Fischer), In Proceedings of the 7th International Conference on Sensor Networks (SENSORNETS) , 2018. [bib] [abstract]
IoT systems become more and more important in our daily life. They will perform monitoring and control tasks which are often safety-critical. Therefore, it is obviously important that IoT systems work reliably, i.e., fulfill their specification. Even if something unexpected happens, it is required that the system moves back into a correct state which we name self-healing. In this paper, we present our idea for a model-based approach for self-healing IoT systems. Based on a formal specification of the system’s properties, we derive monitors which observe the system behavior and trigger healing actions when necessary. In IoT systems, the placement of such systems becomes important due to the increased unreliability of single devices. The paper outlines basic ideas where to place monitors and how to assign monitoring tasks to IoT devices.
[2017] DRAISE - Drahtlose, Roboste Adaptive, Industrielle Systeme (Swen Leugner, Leo Krüger, Andreas Timm-Giel, Horst Hellbrück), In Zukunft der Netze 2017, Postersession, 2017. [bib]
Workshop Beiträge
[2017] Anomaly-based Device-free Localization with Particle Filtering (Marco Cimdins, Mathias Pelka, Horst Hellbrück), In Workshop on Dependable Wireless Communications and Localization for the IoT, 2017. [bib] [abstract]
In the Internet of Things (IoT), devices, e.g. sensors or actuators, transmit packets to transfer data. For the IoT localization information is crucial, as it provides additional context for the data. We envision that devices in the IoT know their position and on receipt of a packet, the received signal strength is measured. This measurement is used to build a device-free localization (DFL) system to improve the dependability of the IoT system. DFL systems are able to detect and track persons within a target area that neither wear a device nor participate actively in the process of localization. This work presents an anomaly-based DFL system that measures if a person affects the radio frequency (RF) propagation and determines the position with a particle filter. In our 65m 2 indoor testbed, we employ eight IEEE 802.15.4 compliant wireless transceivers and estimate the position of a person with a median localization error of 1.4m.
[2016] Comparison of wired and wireless synchronization with clock drift compensation suited for U-TDoA localization (Swen Leugner, Mathias Pelka, Horst Hellbrück), In 13th Workshop on Positioning, Navigation and Communication, 2016. [bib] [abstract]
Indoor localization with Uplink Time Difference of Arrival (U-TDoA) provides good scalability, high updates rates and high accuracy. However, clock errors lead to localization errors and synchronization is important. In this paper, we design and implement wired and wireless synchronization and provide a comparison between them. We design and implement a wireless synchronization with clock drift compensation. For wired and wireless synchronization, we discuss reasons for clock deviation that lead to localization errors. We evaluate both approaches in a U-TDoA measurement setup. Finally, we provide recommendations for wired and wireless synchronization.
Sonstige Veröffentlichungen
[2018] Lessons learned: Indoor Ultra-Wideband localization systems for an industrial IoT application (Swen Leugner, Horst Hellbrück), Technical report, Technische Universität Braunschweig, 2018. [bib] [pdf] [abstract]
Since ultra-wideband (UWB) transceivers are available for wireless sensor networks, the usage in research and industry increased. Research efforts resulted in methods, measurement results, and solutions under laboratory conditions for a variety of indoor localization problems provided to the community. In this paper, we present an indoor positioning system (IPS) that is installed in a $mathbf1500 m^2$ real world production facility. In this real-world application, we faced some challenges that research has not addressed yet. For instance, challenges are receiving UWB signals from other floors in a multistory building through windows and multipath effects at walls like reflexions. We present solutions to increase the availability of such large-scale IPS, give a performance evaluation and recommendation for a modified NMEA sentence named iNMEA for IPS receivers.
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