Bisher basiert ein Großteil der Echtzeit-Kommunikation in der industriellen Automatisierung auf kabelgebundener Ethernet-Technologie, die allerdings aufgrund der physischen Verbindung der Teilnehmer eine Flexibilisierung der in der Produktion eingesetzten Maschinen und Roboter einschränkt. Und die Flexibilisierung nimmt Fahrt auf: Fließbänder werden durch mobile und flexibel einsetzbare Plattformen ersetzt, mobile Roboter verrichten ihre Arbeit an wechselnder Stelle, um danach autonom zum nächsten Job zu wechseln. Solche Szenarien setzen eine Echtzeit-Kommunikation ohne Kabel voraus: Funkkommunikation. Die bisher verfügbaren Technologien im Funkbereich sind allerdings nicht echtzeitfähig, da Eigenschaften des Funk-Mediums die Realisierung des geforderten Determinismus erschweren. 

OPC UA mit TSN und Pub/Sub: die Möglichkeiten

Worin liegen nun die wesentlichen Herausforderungen, die im Rahmen von Echtzeit-Funkkommunikation heute noch bestehen? Was sind mögliche Lösungsansätze? Welche Einschränkungen gibt es? Und: Inwiefern wäre OPC UA mit TSN und Pub/Sub mit der Echtzeit-Funkkommunikation vereinbar? OPC UA stellt eine generische Beschreibungs- und Austauschplattform dar, mit der Komponenten aller Hersteller auf unterschiedlichsten Ebenen miteinander kommunizieren können. Als Kommunikationsmedium lassen sich verschiedene niedrigschichtige Technologien verwenden. Bisherige OPC-UA-Spezifikationen legen besonderen Wert auf Anwendungsfälle im nicht-echtzeitfähigen Bereich. Dazu werden effiziente Kommunikations-Architekturen vorgesehen, die insbesondere auf dem Server/Client-Modell beruhen und Standardmechanismen zum Transport und zur Absicherung vorsehen. Diese sind jedoch entweder nur eingeschränkt einsetzbar oder ineffizient, wenn es um echtzeitfähige Anwendungen geht.

Daher wurde für echtzeitfähige Anwendungen das Publisher/Subscriber-Modell vorgeschlagen, das sich zum einen natürlicher auf die Kommunikationsmuster anwenden und zum anderen deutlich einfacher realisieren lässt. Letzteres spielt gerade für Ressourcen-beschränkte Komponenten wie Sensoren eine wichtige Rolle. Andere Schlüsseleigenschaften der neuen OPC-UA-Erweiterung betreffen die Möglichkeit, einen Datenaustausch in einem lokalen Netz mit reduziertem Aufwand umsetzen zu können. Weiterhin muss auch bei der niedrigschichtigen Kommunikationstechnologie eine korrekte Wahl getroffen werden, um die Echtzeit-Fähigkeit garantieren zu können. Dafür bietet sich TSN als Hersteller-übergreifende Lösung an, die flexibel für verschiedene Anwendungen einsetzbar ist und zum Großteil auf preiswerten Hardware-Komponenten aufsetzt.

Die Selektivität des Funkkanals, das heißt, dass die Empfangsqualität örtlich, zeitlich und in der Frequenz zu jedem Zeitpunkt unvorhersehbar variiert, ist für deterministische Anwendungen eine große Herausforderung. Dieser Effekt wird verstärkt durch die Mobilität der geplanten Anwendungen an sich, aber auch durch die Mobilität anderer Objekte und Personen in der Produktion. Weiterhin setzt die Ausbreitung der Signale im Raum ein umfängliches und deterministisches Management der Funkteilnehmer voraus, sodass Störungen beziehungsweise Interferenzen vermieden werden, welche die Echtzeit-Fähigkeit unterbinden würden. 

Herausforderung Funkkommunikation

Damit einhergehend ist das zur Verfügung stehende Spektrum im unlizenzierten und lizenzierten Bereich stark eingeschränkt und limitiert. Dadurch ist allerdings auch die zur Verfügung stehende Kapazität im Hinblick auf Zykluszeit, Datendurchsatz, Zuverlässigkeit und die Anzahl der Netzteilnehmer beschränkt. Heute verfügbare Produkte auf Basis bestehender und weitestgehend standardisierter Funktechnologien wie WLAN, Bluetooth, ZigBee und 4G wurden nicht für Echtzeit-Anforderungen entwickelt und können entsprechend nicht in den komplexen Umgebungen einer Produktion mit einer Vielzahl von Netzteilnehmern verwendet werden. Allerdings befinden sich bereits neue Ansätze – auf Basis von WLAN-Technologie (EchoRing) oder im zellulären Bereich (5G URLLC) – in der Entwicklung und sind für erste Anwendungen bereits als Produkte oder zu einer ersten Evaluierung verfügbar.

Knackpunkt Echtzeit

Um OPC UA mit TSN und Pub/Sub zukünftig auch in der Funktechnik unterstützen zu können, gilt es drei wesentliche Anforderungen zu erfüllen:

1. Sehr hohe Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit der Funkverbindung, 
2. Unterstützung von sehr geringen Zykluszeiten sowie 
3. Zeitsynchronisierung bei einer Mikro-sekunde in Hinblick auf eine zentrale Master-Uhr. 

Aufgrund der naturgemaßen Herausforderungen im Feld der Funkkommunikation kommt einer effizienten (in Bezug zum notwendigen Spektrum) und kostengünstigen (in Bezug auf Hardware-Kosten und -Komplexität) Umsetzung eine besondere Bedeutung zu.

Die Architektur-Optionen

Da die Qualität des Funksignals nicht gut vorhersehbar ist, spielt das Thema Redundanz eine große Rolle. Ein zu wählender Ansatz ist typischerweise ein Kompromiss aus verwendetem Spektrum, komplexer Hardware, unterstütztem Formfaktor, erzielbarer Zykluszeit und Skalierbarkeit. Entsprechend ist eine insgesamt effiziente Umsetzung Schlüssel zum Erfolg. Die aus heutiger Sicht vielversprechendsten Ansätze sind:

Frequenz-Redundanz

Hierbei erfolgt zur Absicherung der Versand des Signals auf dem direkten Pfad auf mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig. Diese für eine geringe Zykluszeit gute Ausgestaltung bedingt jedoch eine höhere Komplexität bei Sender- und Empfängerstrukturen (Hard- und Software) und erfordert mehr spektrale Ressourcen. Zudem ist die Variabilität des Funkkanals in der Frequenz eine Funktion der physikalischen Eigenschaften der Übertragungsumgebung, welche nicht beinflussbar ist. Somit ist der Diversitätseffekt nicht steuerbar und gegebenenfalls nur eingeschränkt vorhanden.

Multi-Antennen-System

Der potenzielle Zugewinn an Zuverlässigkeit bei einer geringen Zykluszeit durch Versand und Empfang der Signale durch mehrere Antennen jeweils bei Sender und Empfänger hat einen signifikanten Einfluss auf den jeweiligen Formfaktor sowie die Komplexität von Sende- und Empfängerstrukturen. Beides erhöht letztlich die Kosten und die Leistungsaufnahme der Systemlösung.

Kooperative Systeme

Im Gegensatz zu den beiden Alternativen erfolgt hier die Absicherung des Signals unter Zuhilfenahme von anderen Übertragungspfaden über andere Funknetz-Partner und hat damit einen entscheidenden Vorteil in Bezug auf erzielbare Diversitätsgewinne. Etwa wenn durch Mobilität in der Fabrikumgebung direkte Pfade nicht mehr zur Verfügung stehen. Gleichzeitig funktioniert dieser Ansatz mit sehr einfacher und kostengünstiger Hardware und hat eine sehr effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Spektrums zur Folge. Auf der anderen Seite hat Kooperation einen Einfluss auf die unterstützbare Zykluszeit.

Skalieren bei geringen Zykluszeiten – die Knackpunkte

Wie auch bei den kabelbasierten Systemen hat die Auswahl der in der Kommunikationskette verwendeten Komponenten und Schnittstellen sowie der jeweiligen Software einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtzykluszeit. Abhängig von dieser Ausgestaltung und den Anforderungen der Applikation steht für die Funkstrecke zwischen Sender und Empfänger – inklusive Verarbeitungszeit – ein maximales Zeitbudget zur Verfügung.

Die Einhaltung dieses Zeitbudgets hängt maßgeblich von der zur Verfügung stehenden Bandbreite, also dem Spektrum, und deren Verwendung ab. Typischerweise muss das zur Verfügung stehende Spektrum für folgende Themen exklusiv zur Verfügung stehen und entsprechend aufgeteilt werden und stellt damit einen relevanten Kostenfaktor dar, der sich im unlizenzierten (zum Beispiel EchoRing) und lizenziertem Spektrum (zum Beispiel 5G URLLC) jeweils anders auswirkt:

• Zuverlässigkeit: Unabhängig von den beschriebenen Systemarchitekturen werden typischerweise zusätzlich Wiederholungen der Datenpakte vorgesehen, die bei einem garantierten Service-Level im System nur für diesen Fall vorzuhalten sind.
• Kapazität: Ein wesentlicher Aspekt ist die jeweilig benötigte Datenrate der Applikation, die sich aus den Paketlängen und deren Periodizität ergibt. Je höher die Periodizität und je kürzer die Paketlänge sind, desto höher ist auch der Overhead und damit auch desto geringer die unterstützbare Netto-Datenrate im definierten Zeitintervall.
• Störanfälligkeit: Aufgrund der sich dynamisch verändernden Funksignalstärken (stark beeinflusst durch bewegliche Produktionsfaktoren wie Produktionspersonal, Werkzeuge, Produktionsmaterial- und -logistik) sowie der nicht-kontrollierbaren Umgebungen in Hinblick auf ‚Security‘ sollten ‚Notfall-Kanäle‘ vor-gehalten werden, auf die bei Bedarf in Echtzeit gewechselt werden kann.
• Abdeckung: Auch das Thema Funknetz-Abdeckung spielt eine große Rolle, nicht nur für die Skalierbarkeit der unterstützten Anwendungen. Grundsätzlich kann eine Frequenz in derselben Örtlichkeit und Zeit nur einmal verwendet werden. Eine Wiederverwendung derselben Frequenz kann nur in einem gewissen räumlichen Abstand erfolgen (analog zur Funknetzplanung im zellulären Umfeld).

Eine allgemeingültige Aussage zu den Latenzzeiten ist nur sehr schwer möglich, da der drahtlose Kanal weiteren äußeren Einflussfaktoren unterliegt, zum Beispiel der Dicke von Wänden oder der Positionierung von Antennen. Im Fall von EchoRing ist davon auszugehen, dass sich die Anzahl der Teilnehmer in einer Funkzelle bei einer Zykluszeit von 16 ms unter Berücksichtigung der zu erwartenden Latenzen in den anderen Komponenten im höheren einstelligen bis mittlerem zweistelligen Bereich bewegt (je 20 MHz Funkkanal). Niedrigere Zykluszeiten sind möglich, dabei verringert sich aber die maximale Teilnehmerzahl pro Netzwerk signifikant. Gleichzeitig müssen diese Funkzellen typischerweise engmaschig – 25 m x 25 m – aufgebaut werden, um den hohen Anforderungen und dem begrenzten Spektrum gerecht zu werden.

Die Zeitsynchronisierung bei 1 µs

Neben den genannten Herausforderungen stellt die Zeitsynchronisierung aus heutiger Sicht die größte Hürde dar: Die Zeitsynchronisierung zu einer zentralen Master-Uhr muss auf jeder Komponente unter Berücksichtigung der jeweiligen Schnittstellen und Hardware- sowie Software-Aspekte umgesetzt werden. Um den Anforderungen an den Jitter gerecht zu werden, führt dies zu einer hohen Komplexität und hohen Kosten; nicht zuletzt wegen der notwendigen Auswahl der unterstützenden Hardware und spezieller Software.

In Bezug auf die Funkkomponenten ergibt sich das Problem in derselben Art und Weise, sodass die verwendete Schnittstelle, die Verarbeitung in der Funkkom-ponente sowie der Zugriff auf das Funkmedium optimiert werden muss. Eine solche Realisierung, etwa auf einem Software-Defined-Radio mit FPGAs, ist heute schon umsetzbar, jedoch aufgrund der hohen Hardware- und Softwarekosten für eine Vermarktung nur bedingt geeignet. Was die derzeit verfügbaren Standard-Funkkomponenten anbelangt, so sind diese nicht für diesen Anwendungsfall entwickelt und optimiert worden. Entsprechend ist hier von einer Verfügbarkeit der notwendigen Voraussetzungen im Rahmen der nächsten Generationen von WLAN 802.11 AX oder 5G URLLC wünschenswert.

Aktuelle Lösungen

Stand heute sind die Anforderungen an eine Zeitsynchronisierung im Bereich von 1 µs noch nicht zusammen mit einem Echtzeit-Funksystem als Produkt verfügbar. Doch gibt es bereits erprobte Systeme, die auf bestehenden Standard-Funkkomponenten basieren und sich für eine breite Anzahl von Anwendungsfällen schon verwenden lassen.

Existente Funktechnologien erfüllen noch nicht die Anforderungen eines deterministischen Datenverkehrs.

© R3 Communications

Das Produkt EchoRing der Firma R3 Communications etwa basiert auf einem WLAN-Chip der Firma Texas Instruments, nutzbar im 2,4- und 5-GHz-Funkspektrum. Es nutzt kooperative Mechanismen zur Reduktion der Störanfälligkeit. Weiterhin verfügt es über Features zur Absicherung der Funkverbindung sowie Roaming zur räumlichen Abdeckung. Ein wesentlicher Vorteil des Systems liegt in der transparenten Ar­chitektur, um unterschiedliche Protokolle auf höheren Schichten zu unterstützen. Diese Funktionalität ist schon mit bestehenden Industrieprotokollen validiert. Solche Systeme unterstützen bereits führende Industrieprotokolle mit Zykluszeiten von 16 ms, je nach Ausgestaltung auch geringer, bei gleichzeitig sehr hoher Zuverlässigkeit.

Echtzeit-Funk mit OPC UA und TSN

Wesentliche Voraussetzung für die Unterstützung von OPC UA mit TSN und Pub/Sub liegt in einer transparenten Umsetzung eines Echtzeit-Funkkommunikationssystems. Im Gegensatz etwa zu Bluetooth, bei dem das Protokoll auch höhere Schichten umfasst, ist bei einer solchen angestrebten Lösung die Beschränkung auf Layer 1 und 2 geboten.

Der TSN Stack und Wireless: Die Integration von drahtlosen Technologien in TSN-Netzen erfolgt nach dem kabelgebundenen Ansatz.

© R3 Communications

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Unterstützung verschiedener Kommunikationsmuster. Während sich bisherige Funktechnologien besonders für die Realisierung des Server/Client-Modells – One-to-One – eignen, unterstützen Funktechnologien der nächsten Generation entweder schon heute (EchoRing) oder bei Einführung (5G URLLC) das Pub/Sub-Kommunikationsmuster effizient. Dazu werden die Broadcast-Eigenschaften des drahtlosen Mediums mit einer effizienten Multicast-Adressierung kombiniert, um One-to-Many- und Many-to-Many-Relationen abzubilden.

Die von der OPC Foundation vorgeschlagenen Änderungen hinsichtlich der Effizienzsteigerung – das Erlauben von UDP statt TCP als Transportprotokoll, beziehungsweise die Möglichkeit, Nutzdaten sogar direkt auf Layer 2 einzuspeisen –, reduzieren die Datenraten, die das Kommunikationssystem bereitstellen muss. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des limitierten Spektrums im Funkbereich äußerst hilfreich.

Letzter wichtiger Punkt ist die interne Verknüpfung von drahtgebundenen und drahtlosen Technologien: Aufgrund der Netzmanagement-Funktionalität von TSN, insbesondere des ‚Time Aware Traffic Shaping‘, können Datenpakete entsprechend ihrer Priorität zum Funkmedium weitergegeben und vom Funkmedium entgegengenommen werden. Genau hierfür ist die transparente Architektur der Funktechnologie entscheidend, um zykluszeitoptimiert die Anforderungen der Applikation zu erfüllen.

Was ist zu erwarten?

Die Entwicklung von Echtzeit-Funktechnologie wird im Moment an verschiedener Stelle mit hoher Priorität verfolgt. Die bestehenden Lösungen (wie EchoRing) ermöglichen bereits heute den Einstieg in Echtzeit-Funkkommunikation auf kostengünstiger Standard-Hardware. Aufgrund der derzeit fehlenden Zeitsynchronisierung im Bereich von 1 µs werden Zeit-isochrone Anwendungen allerdings noch nicht unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass in naher Zukunft erste Demonstratoren und Prototypen die fehlende Funktionalität der Zeitsynchronisierung auf Messen zeigen werden. Die Vermarktung einer kostengünstigen Standard-Hardware ist jedoch erst nach 2020 als realistisch einzustufen.

Autor:
Florian Bonanati ist Gründer und Geschäftsführer der R3 Communications GmbH.