On the benefits of cooperation for dependable wireless communications

Serror, Martin; Wehrle, Klaus (Thesis advisor); Römer, Kay Uwe (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Reports on communications and distributed systems 21
Seite(n)/Artikel-Nr.: 180 Seiten : Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Das Industrial Internet-of-Things (IIoT) verspricht durch die tiefgreifende Vernetzung von Sensoren, Aktuatoren und Steuergeräten verbesserte Flexibilität, Produktivität und Kosten bei industriellen Prozessen. Auf lokaler Ebene bietet sich dafür drahtlose Kommunikation an, wodurch Kosten für Installation und Wartung gesenkt und gleichzeitig Mobilität von Kommunikationseinheiten ermöglicht werden. Allerdings sind industrielle Prozesse hauptsächlich durch kritische Maschine-zu-Maschine-Kommunikation geprägt. Daher sind existierende drahtlose Kommunikationsprotokolle für Privat- und Geschäftsbereiche, wie WLAN und Bluetooth, für das IIoT ungeeignet. Folglich benötigt das IIoT verlässliche drahtlose Kommunikation, die neben einer hohen Zuverlässigkeit auch eine geringe Latenz einhält. Ein erfolgversprechender Ansatz für diese sogenannte Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) ist die kooperative Diversität, da die beteiligten Stationen im IIoT bereits ein gemeinsames Ziel haben, nämlich den industriellen Prozess aufrecht zu erhalten. Dabei nutzt ein Sender mehrere unabhängige Übertragungswege über kooperierende Relaisstationen aus, um ein Paket zuverlässig an sein Ziel zu übertragen. Im Gegensatz zur räumlichen Diversität funktioniert dieser Ansatz auch mit SISO-Systemen. Im Hinblick auf URLLC besteht eine besondere Herausforderung darin, dass sich alle Stationen die knappen Übertragungsressourcen teilen müssen. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Mechanismen für verlässliche drahtlose Kommunikation untersucht, d. h. die Erhöhung der Zuverlässigkeit innerhalb einer sehr niedrigen Zeitschranke, wobei ein besonderer Fokus auf den Vorteilen der kooperativen Diversität liegt. Folglich werden unterschiedliche Designoptionen für URLLC untersucht und diese werden durch verschiedene methodische Ansätzen evaluiert. Mittels mathematischen Analyse wird zunächst der Nutzen von kooperativer Diversität für URLLC bewertet und grundlegende Designoptionen entwickelt. Im Vergleich zu anderen Diversitätstechniken weist kooperative Diversität vielversprechende Ergebnisse auf, insbesondere wenn sich alle Stationen beteiligen. Darauf aufbauend wird ein URLLC-Protokoll implementiert und in einem praktischen Aufbau evaluiert. Dadurch können einige analytische Ergebnisse validieren werden, während bei anderen eine erhebliche Differenz zwischen Analyse und praktischer Auswertung aufgezeigt wird. Darüber hinaus werden weitere offene Punkte identifiziert, zu denen insbesondere die Bewertung der Skalierbarkeit und der Mobilität gehören. Wir entwickeln schließlich eine codetransparente Simulation, die den nahtlosen Übergang zwischen Prototyp und Simulation ermöglicht. Unser Simulator, der auf ns-3 basiert, führt denselben Code aus, der für den Prototyp entwickelt wurde, und erzielt dabei genaue Simulationsergebnisse. Diese Ergebnisse zeigen, dass typische Mobilität in industriellen Szenarien das Relaying nicht negativ beeinflusst und dass kooperative Systeme eine höhere Anzahl an Stationen unterstützen als vergleichbare andere Systeme. Zusammenfassend liefert diese Dissertation einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung von Kommunikationsprotokollen mit hohen Anforderungen. Am Beispiel von kooperativer Diversität wird der Entwicklungsprozess von der Analyse bis zum Prototyp durchlaufen. Die Ergebnisse tragen nicht nur zur URLLC für das IIoT bei, sondern sie bieten darüber hinaus auch eine kritische Untersuchung der Evaluationsmethoden.

Einrichtungen

• Fachgruppe Informatik [120000]
• Lehrstuhl für Informatik 4 (Kommunikation und verteilte Systeme) [121710]