Wireless Networking in Future Factories: Protocol Design and Evaluation Strategies

Industrie-4.0 bringt eine wachsende Nachfrage an Netzwerkprotokollen mit sich, die es erlauben, Informationen vom Produktionsprozess einzelner Maschinen zu erfassen und verfugbar zu machen. Drahtlose Ubertragung erfullt hierbei die fur industrielle Anwendungen benotigte Flexibilitat, kann in herausfordernden Industrieumgebungen aber nicht immer zeitnahe und zuverlassige Ubertragung gewahrleisten. Die Beitrage dieser Arbeit behandeln schwerpunktmasig Protokollentwurf und Protokollevaluation fur industrielle Anwendungsfalle. Zunachst identifizieren wir Anforderungen fur den industriellen Anwendungsfall und leiten daraus konkrete Entwufskriterien ab, die Protokolle erfullen sollten. Anschliesend schlagen wir Protokollmechanismen vor, die jene Entwurfskriterien fur unterschiedliche Arten von Protokollen umsetzen, und die in verschiedenem Mase kompatibel zu existierenden Netzwerken und existierender Hardware sind: Wir zeigen, wie anwendungsfallspezifische Priorisierung von Netzwerkdaten dabei hilft, zuverlassige Ubertragung auch unter starken Storeinflussen zu gewahrleisten, indem zunachst eine akkurate Vorschau von Prozessinformationen ubertragen wird. Fur deren Fehler leiten wir praziser Schranken her. Ferner zeigen wir, dass die Fairness zwischen einzelnen Maschinen durch Veranderung von Warteschlangen verbessert werden kann, wobei hier ein Teil der Algorithmen von Knoten innerhalb des Netzwerks durchgefuhrt wird. Ferner zeigen wir, wie Network-Coding zu unserem Anwendungsfall beitragen kann, indem wir spezialisierte Kodierungs- und Dekodierungsverfahren einfuhren. Zuletzt stellen wir eine neuartige Softwarearchitektur und Evaluationstechnik vor, die es erlaubt, potentiell proprietare Protokollimplementierungen innerhalb moderner diskreter Ereignissimulatoren zu verwenden. Wir zeigen, dass unser vorgeschlagener Ansatz ausreichend performant fur praktische Anwendungen ist und, daruber hinaus, die Validitat von Evaluationsergebnissen gegenuber existierenden Ansatzen verbessert.%%%%As smart factory trends gain momentum, there is a growing need for robust information transmission protocols that make available sensor information gathered by individual machines. Wireless transmission provides the required flexibility for industry adoption but poses challenges for timely and reliable information delivery in challenging industrial environments. This work focuses on to protocol design and evaluation aspects for industrial applications. We first introduce the industrial use case, identify requirements and derive concrete design principles that protocols should implement. We then propose mechanisms that implement these principles for different types of protocols, which retain compatibility with existing networks and hardware to varying degrees: we show that use-case tailored prioritization at the source is a powerful tool to implement robustness against challenged connectivity by conveying an accurate preview of information from the production process. We also derive precise bounds for the quality of that preview. Moving parts of…