DRAISE (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 FH Lübeck erarbeitet in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Lösungen zu den technischen Herausforderungen. Die FHL 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 FHL 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
[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.
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.
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