Reglerbasiertes Koexistenzmanagement für Funkkommunikationssysteme

Lemgo / 18. Februar 2021

In Produktionssystemen werden zunehmend drahtlose Kommunikationssysteme wie WLAN oder Bluetooth und zukünftig 5G für den Daten- und Informationsaustausch verwendet. Sie gewährleisten eine vereinfachte Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung und sorgen damit letztlich für geringere Produktionskosten. Das erfordert für einige Automatisierungsanwendungen eine hochverfügbare, deterministische und schnelle Funkkommunikation. Hinzu kommt häufig die Anforderung, den Anwendungen eine hochgenaue Zeitinformation zur Verfügung zu stellen.

In Produktionssystemen werden zunehmend drahtlose Kommunikationssysteme wie WLAN oder Bluetooth und zukünftig 5G für den Daten- und Informationsaustausch verwendet. Sie gewährleisten eine vereinfachte Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung und sorgen damit letztlich für geringere Produktionskosten. Das erfordert für einige Automatisierungsanwendungen eine hochverfügbare, deterministische und schnelle Funkkommunikation. Hinzu kommt häufig die Anforderung, den Anwendungen eine hochgenaue Zeitinformation zur Verfügung zu stellen. 

Im Gegensatz zu drahtgebundener Kommunikation ist eine der größten Herausforderungen der parallele Betrieb von Funkkommunikationsanwendungen in lizenzfreien Frequenzbereichen, die technologieneutral vergeben werden. Bei einer üblichen Produktionsanlage ist mit verschiedenartigen Funkanwendungen zu rechnen, die Kommunikationsbedarfe mit unterschiedlichen Anforderungsprofilen bzw. unterschiedlichen Prioritäten haben. Unkoordiniert können diese Anforderungen nicht adäquat erfüllt werden. Weitere Herausforderungen bestehen aber auch bei der künftigen Nutzung von neuen Frequenzbereichen und bei neuen Mobilfunkanwendungen für die Industrie, wie z.B. 5G. Hier sind zellübergreifende Interferenzen nicht ausgeschlossen und sollten daher vermieden werden. 

Genau diesen Herausforderungen widmet sich das Projekt REBAKO – Reglerbasiertes Koexistenzmanagment verschiedenartiger Funkkommunikationssysteme. Dem Projektkonsortium gehören das Institut für Automation und Kommunikation (ifak) Magdeburg, sowie die beiden Lemgoer Forschungsinstitute Fraunhofer IOSB-INA und das Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe an. Am 18. Februar 2021 trafen sich die Projektpartner gemeinsam mit dem projektbegleitenden Ausschuss und DFAM-Vertretern, um in einer virtuellen Konferenz den Startschuss für das Projekt zu geben. 

Ziel des Projekts ist es, einen reglerbasierten Ansatz für ein automatisches Koexistenzmanagement zu realisieren, um unvorhersehbare Änderungen des drahtlosen Kommunikationskanals während der Betriebsphase zu beherrschen und unter diesen Bedingungen den störungsfreien Betrieb aller Systeme aufrechtzuerhalten. „Wir haben für die Umsetzung des Projektes in Lemgo den perfekten Standort, denn hier wird echtzeitfähige Funkkommunikation für Fabriken entwickelt. Auch das Thema 5G wird hier am Innovation Campus Lemgo vielversprechend eingesetzt, sodass wir dieses Know-how auch im Rahmen des REBAKO-Projektes unterbringen können“, sagt inIT-Projektleiter Professor Henning Trsek. Außerdem soll eine Referenzimplementierung zur Validierung der erarbeiteten Konzepte entstehen, die als Basis, für die zur weiteren Verwertung und anschließende industrielle Nutzung dient. 

Hierbei wird auf Ergebnisse vorheriger Projekte zurückgegriffen, wie z.B. KoMe oder HiFlecs und die bestehenden Lösungsansätze um ein automatisches Koexistenzmanagement sowie die zeitliche Ressourcenzuweisung gemäß der bestehenden Kommunikationsanforderungen ergänzt. Der Lösungsansatz basiert auf der Identifikation und Klassifikation von verschiedenen Funksystemen und Störern, die einem zentralen Regler als Istwert des Funkkanals zur Verfügung gestellt wird. Der Regler führt damit einen stetigen Istwert- zu Sollwertvergleich durch und weist den drahtlosen Systemen automatisch die erforderlichen Kommunikationsressourcen zu. Eine wichtige Komponente für die angestrebte Lösung ist eine Uhrensynchronisation der verschiedenen Funksysteme und des Reglers, da sie für den neuen Rechenalgorithmus im Regler unabdingbar ist. Dies gehört vor allem in den Aufgabenbereich des Fraunhofer IOSB-INA.

„Wir haben im Projektkonsortium gebündelte Expertise. Am Fraunhofer IOSB-INA entwickeln wir Integrationslösungen für die zeitbasierten Anwendungen und arbeiten an der benötigten integrierten und adaptiven Uhrensynchronisation zur Umsetzung des regelbasierten Koexistenzmanagements.  Die Kollegen und Kolleginnen am inIT entwickeln eine Sensing Lösung zur kontinuierlichen Überwachung des drahtlosen Kanals. Unter der Verwendung von Deep Learning Ansätzen aus der künstlichen Intelligenz erfassen und klassifizieren sie die multidimensionalen Nutzungen, also Raum, Zeit und Frequenz, des verfügbaren Frequenzspektrums“, fasst Fraunhofer IOSB-INA Projektleiter Sebastian Schriegel zusammen. Am ifak werden die Regler für die Ressourcenplanung und -zuweisung in drahtlosen Netzwerken in Echtzeit erarbeitet. Zur Veranschaulichung der Ergebnisse und deren Überprüfung auf Praxistauglichkeit soll in der SmartFactoryOWL ein Demonstrator entstehen. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.