Die stetige technische Weiterentwicklung und die in den letzten Jahren stark gestiegene Akzeptanz von drahtlosen Lösungen ermöglichen immer anspruchsvollere Einsatz-Szenarien. Besonders wenn sicherheitskritische Anwendungen als sogenannter 'Black Channel' über eine drahtlose Verbindung geführt werden, oder wenn trotz widriger Umstände eine hohe Verfügbarkeit gefordert ist, stößt die Technik momentan jedoch nicht selten an ihre Grenzen. Beispiele für solche kritische Anwendungen sind Applikationen der Funktionalen Sicherheit wie etwa die Steuerung mobiler Maschinen, die Überwachung von kritischen Vorgängen zum Beispiel bei der Innenraum-Überwachung von Seilbahnen und Zügen, oder auch die Steuerung unterbrechungskritischer Produktionsabläufe. Diese Anwendungen reagieren besonders sensibel auf die im drahtlosen Umfeld nicht ungewöhnlichen Netzwerk-Effekte wie Unterbrechungen, Verzögerungen und Verluste von Datenpaketen.

Im Ethernet-Umfeld hat sich eine Vielzahl an Redundanztechniken etabliert, die auch beim Ausfall einzelner Verbindungen für einen reibungslosen Weiterbetrieb des Netzwerkes sorgen. Bei der Betrachtung von Netzwerk-Topologien wird generell zwischen Verfahren auf Layer 3 (Routing) und Layer 2 (Switching/Bridging) unterschieden. Besteht die Anforderung nach einer möglichst kurzen Fehlerumschaltzeit, wird man vorzugsweise ein Layer-2-Redundanzverfahren wählen. Jedoch stoßen dort selbst Hardware-unterstützte Protokolle wie FastMRP bei angestrebten Umschaltzeiten von unter 20 ms an ihre technologischen Grenzen.

Im kabelgebundenen Umfeld findet daher zunehmend das standardisierte PRP nach IEC 62439 Verwendung, um eine stoßfreie Redundanz – sprich ein verlustfreies Umschalten ohne jegliche Verzögerung – beim Ausfall einer Netzwerk-Strecke oder eines Geräts zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, werden die Anwendungspakete dupliziert und parallel auf zwei unterschiedlichen Pfaden übertragen. Vor der Auslieferung der verdoppelten Pakete werden diese an einem Punkt wieder zusammengeführt und anschließend alle Duplikate entfernt. Sollte ein Pfad ausfallen, kommen die Pakete des anderen Pfades weiterhin an. Die Anwendung kann so trotz einer schwerwiegenden Störung im Netzwerk fehlerfrei weiterarbeiten.

Bild 1: PRP über zwei WLAN-Funkstrecken: Die redundante Über­tragung kompensiert Paketverluste und gleicht last- und störungsbe­dingte Laufzeit-Unter­schiede aus.

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Daneben lässt sich PRP im drahtlosen Umfeld einsetzen, jedoch stellt sich die Wirkung trotz gleicher Mechanismen (Paketverdopplung und Elimination) auf ganz andere Weise dar als im drahtgebundenen Fall. Denn die parallele Redundanz lässt sich hier dazu verwenden, die prinzipbedingten Störungen in einem drahtlosen Netzwerk auszugleichen. Um dies zu erreichen, werden die Pakete mit PRP auf zwei unterschiedlichen Funkstrecken zeitgleich übertragen. Dadurch lässt sich eine Störung bei der Übertragung auf einer Strecke durch die parallele Übertragung auf einer anderen kompensieren (siehe Bild 1). Mit anderen Worten: Unkorrellierte Paketverluste sind ausgleichbar.

Während also beim Einsatz von PRP im drahtgebundenen Fall lediglich eine stoßfreie Umschaltung zwischen zwei Netzwerken erfolgt, bietet die Verwendung von PRP im kabellosen Umfeld gleich mehrere unterschiedliche Vorteile:

• Kompensation von einzelnen Paketverlusten bei zeitlich begrenzten Störungen, wie sie etwa durch Interferenz von anderen Funksystemen verursacht werden. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Zuverlässigkeit durch die verbesserte Verfügbarkeit.
• Eine deutliche Verringerung der Latenz, da stets das schnellere der beiden Pakete weitergeleitet wird.
• Verringerung der Laufzeitschwankungen (Jitter), da lange Verzögerungen durch ein belegtes Medium oder durch Neu-Übertragungen auf der Netzwerkschicht 2 ausgeglichen werden.

Der Nutzen in der Praxis

Der Nutzen von PRP in der praktischen Anwendung lässt sich anhand eines einfachen Rechenbeispiels verdeutlichen: Angenommen, die Verlustrate auf beiden Strecken wäre identisch und liegt bei 0,1 %, so liegt die Rate des PRP-Gesamtsystems bei nur 0,0001 % (0,0001 × 0,0001= 0,0000001) – ein 1000fach besserer Wert!

Diese Berechnung geht jedoch davon aus, dass Verluste gleichmäßig verteilt und unkorreliert sind. Um dies in der Praxis zu erreichen, ist es notwendig, alle Einflussfaktoren auszuschließen, die beide Funkkanäle gleichzeitig beeinflussen. Zu diesem Zweck müssen beide Strecken mit verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbändern betrieben werden, sodass eine konkurrierende Funkübertragung oder andere Umwelteinflüsse nicht beide Strecken gleichzeitig beeinflussen können. Darüber hinaus sind weitere Effekte zu minimieren, welche die Eigenschaft der Unkorreliertheit und Gleichverteiltheit der Störungen beeinflussen. So kann zum Beispiel eine dauerhafte Überlastsituation einer Verbindung zum Verwerfen von vielen Paketen führen, was die Verlustraten dieser Verbindung in die Höhe treibt und damit zugleich die kombinierte Verlustrate maßgeblich verschlechtert.

In Testaufbauten konnte der für die Anwendung wahrnehmbare Paketverlust mit PRP von 0,105 % und 0,101 % für die Einzelverbindungen auf 0,00021 % mit einer parallel redundanten PRP-Verbindung reduziert werden – eine etwa 500fache Verbesserung. Ein ähnliches Bild ergibt die Analyse der Safety-Response-Zeiten des Systems: Bei Verwendung eines WLAN-Kanals liegen die maximalen Abweichungen vom Durchschnitt bei über 100 %, während sie über die PRP-Strecke gemessen weniger als 7 % betragen. Dieser Wert liegt absolut im Bereich einer zum Vergleich gemessenen kabelgebundenen Ethernet-Verbindung.

Ein weiterer positiver Effekt beim Einsatz von PRP ist, dass die Netzwerk-Latenz und die Laufzeit-Unterschiede – sprich der Jitter – im Netzwerk deutlich zurückgehen. In der Praxis lässt sich in obigem Beispiel ein Rückgang der durchschnittlichen Latenz von 3,1 ms beziehungsweise 2,8 ms auf 1,7 ms beobachten. Ebenso verringert sich der Jitter-Wert von 0,45 ms auf 0,23 ms. Der Grund für die Verbesserung dieser Metriken ist, dass durch PRP stets das schnellere der beiden Pakete weitergeleitet wird. 'Ausreißerpakete' mit langen Übertragungszeiten, wie sie bei WLAN durch das geteilte Medium und den nichtdeterministischen Kanalzugriff die Regel sind, lassen sich so weitgehend eliminieren. So ist es möglich, mit PRP drei der bedeutendsten Qualitätsindikatoren eines Netzwerkes (Verlustrate, Jitter und Übertragungszeit) wesentlich zu verbessern.

Unter praxisnahen Umgebungsbedingungen ließen sich diese Testergebnisse ebenfalls bestätigen. Zu diesem Zweck wurde eine etwa 80 Meter lange redundante Funkstrecke auf einem Maschinen-Testgelände aufgebaut, die viele der typischen negativen Merkmale einer Industrieumgebung aufwies: ein paral­leles WLAN-Unternehmensnetzwerk, Personal mit Mobiltelefonen, Bluetooth-Freisprecheinrichtungen sowie auf Bluetooth basierende Maschinensteuerungen (Remote Control Units) mit maximaler Sendeleistung. Zudem wurden in der unmittelbaren Nähe zahlreiche Mobilkräne dauerhaft bewegt. Insbesondere die massiven und komplexen Verstrebungen der Mobilkräne erschweren die Kommunikation, da sie eine direkte Funkausbreitung verhindern und für starke Reflexionen sorgen.

Bild 2: Grafische Darstellung eines Testtages: Trotz teils starker Verzögerungen und Verlusten auf den einzelnen WLAN-Strecken (2,4 und 5 GHz) blieb die PRP-Strecke stets im gewünschten Zeitbereich und wies keine Störungen auf.

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Bei diesem Test, der über den Zeitraum einer Woche stattfand, wurden zwei komplett diversitäre Frequenzbänder verwendet: 2,4 GHz und 5 GHz (jeweils IEEE 802.11n). Dies deshalb, um nicht nur konkurrierende standardkonforme Funktechnologien, sondern auch massive breitbandige Störsender zu neutralisieren. Die einzelnen 802.11n-Links funktionierten trotz der extrem ungünstigen Randbedingungen erstaunlich gut und breitbandig. Dennoch gingen in beiden Frequenzbändern stets einzelne Pakete verloren beziehungsweise wurden zum Teil länger als 100 ms verzögert. Eine Sicherheitssteuerung hätte damit öfters zu einer permanenten Abschaltung der Anlage geführt. Die parallele PRP-Verbindung hingegen weist keinerlei Paketverluste auf (siehe Bild 2). Ebenso wichtig war dabei die Tatsache, dass auch das Timing der empfangenen Pakete sehr stabil war (durchschnittliche Verzögerung von etwa 2 ms, maximale Verzögerung unter 10 ms).

Das Fazit aus dem realen Testfeld: Mit Hilfe der nahtlosen, verzögerungsfreien Redundanzumschaltung mittels PRP ist es möglich, zeitkritische Prozesse mit hoher Verfügbarkeit selbst bei stark gestörten Teilnetzen über WLAN erfolgreich zu koppeln. Damit erschließen sich dem Industrial Ethernet neue Applika­tionsfelder wie etwa im Umfeld sich­er­heitsgerichteter Steuerungen in der Branche der mobilen Maschinen.