Konvergierte deterministische Industrienetze in heterogenen Umgebungen mit Campus-5G (KOSINU5)
| Partner | Siemens Aktiengesellschaft (Nürnberg, Deutschland) Anprechpartner: Franz-Josef Götz Infosim GmbH & Co. KG (Würzburg, Deutschland) Anprechpartner: Dr. David Hock |
| Geldgeber | FuE Programm Informations- und Kommunikationstechnik Bayern |
| Laufzeit | Oktober 2021 - September 2024 |
| Mitarbeiter | Prof. Dr. Tobias Hoßfeld Dr. Florian Metzger Alexej Grigorjew M.Sc. Viktoria Vomhoff M.Sc. |
Projektbeschreibung
Industrie 4.0 revolutioniert die Art und Weise, wie Unternehmen ihre Produkte herstellen, verbessern und betreiben. Produktionsketten werden flexibler geplant, Roboter eingesetzt und Maschinen vernetzt. Diese müssen miteinander kommunizieren. Ziel dieses Projektes ist es, robuste, skalierbare Industrienetzwerke für die intelligente Fabrik zu entwickeln und deren Leistungsfähigkeit zu evaluieren. An das industrielle Netzwerk werden Echtzeitanforderungen gestellt und Garantien für die Kommunikationsnetze der Fabrik der Zukunft gefordert. Ein besonderer Fokus liegt auf dem Einfluss von 5G und der Luftschnittstelle im Hinblick auf Echtzeitgarantien und die stochastische Skalierbarkeit von 5G für industrielle Netze. Heutige separate Subnetze für Industrie 4.0-Anwendungen werden in eine konvergente Netzwerkinfrastruktur aus heterogenen, deterministischen Subnetzen umgewandelt. Diese werden von vielen zeitkritischen (z. B. Steuerung, Echtzeit-Bildverarbeitung) und nicht zeitkritischen Anwendungen (z. B. Konfiguration, Monitoring) gemeinsam genutzt, damit die Netzwerkinfrastruktur in Fabriken für die IT/OT-Konvergenz sorgt. Dazu sollen im Projekt Netzüberwachungsmechanismen für ausgewählte industrielle Anwendungen (hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit zur Diagnose oder als Frühwarnsystem) entwickelt und implementiert werden. Weiterhin sollen Schnittstellen, insbesondere anwendungsneutrale Schnittstellen zum Netz mit Unterstützung verschiedener Netztechnologien (5G, WLAN, TSN) und Mechanismen zur automatischen Regelung und Steuerung der Netze bereitgestellt werden. Dieser Plug-and-Play-Ansatz für industrielle Netzwerke wird in einem Proof-of-Concept demonstriert.
Projektziele
Garantien zur Echtzeitfähigkeit in Industrienetzen
- Validierung neuster Standards von IEEE und IETF auf der Data Plane und Control Plane
- Umsetzen von skalierbarem Determinismus und skalierbarer Quality of Service (QoS) durch eine moderne Data Plane
- Evaluation und Weiterentwicklung von Methoden zur Ausfallsicherheit, z.B. Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER)
Echtzeitfähigkeit und Determinismus in Funknetzen
- Analyse der möglichen Störeinflüsse bei verschiedenen Kanalzugriffsmechanismen
- Framework zur analytischen Beschreibung der deterministischen und stochastischen Echtzeiteigenschaften von WLAN und 5G unter Berücksichtigung verschiedener Kanalzugriffsmechanismen
- Definition eines einheitlichen, deterministischen IP-Protokoll-Stacks über 5G und andere Funktechnologien hinweg
Heterogenität der Kommunikationsnetze
- Framework zum Bestimmen der Möglichkeiten und Limitationen von Echtzeiteigenschaften in heterogenen Netzen
- Dynamische Auswahl der bestgeeigneten Schnittstelle zur Netzoptimierung bei Geräten die mehrere Netzwerkschnittstellen auf Basis verschiedener Zugangstechnologien bieten
- Mechanismen auf höheren Protokollschichten (Netzwerkschicht bis Anwendungsschicht), die die heterogenen Inseln verbinden, Störfälle abfangen und u.U. sogar die stochastischen Echtzeiteigenschaften trotz fehlender Unterstützung durch die Netzzugangsschicht in Netz-Teilabschnitten verbessern können
Bedarf nach einheitlichen Schnittstellen für ein konvergiertes Netzmanagement der Echtzeitfähigkeit
- ML-basierte autonome Konfiguration eines deterministischen Netzes
- Verwaltungssystem für die heterogene Gerätelandschaft
- Mehrstufiges Frühwarnsystem zur Diagnose und Problemerkennung
- Evaluation von gegenseitigen Einflüssen verschiedener Verkehrs-Prioritätsstufen in der heterogenen Umgebung
- Active Probing und Netzplanung unter Berücksichtigung von Resilienz
Steigender Bedarf nach “Plug&Play”-Lösungen in Industrienetzen
- “Plug&Play” Möglichkeit für Geräte der gesamten Fabrik
- Möglichkeit zur Selbstauskunft über Status und Zustand für jedes Gerät
- Möglichkeit zur automatischen Rekonfiguration des Netzwerks
