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Lehrstuhl für Informatik III

Konvergierte deterministische Industrienetze in heterogenen Umgebungen mit Campus-5G (KOSINU5)

Partner Siemens Aktiengesellschaft (Nürnberg, Deutschland)
Anprechpartner: Andre Kaiser

Infosim GmbH & Co. KG (Würzburg, Deutschland)
Anprechpartner: Dr. David Hock
Geldgeber FuE Programm Informations- und Kommunikationstechnik Bayern
Laufzeit Oktober 2021 - Juli 2025
Mitarbeiter Prof. Dr. Tobias Hoßfeld
Dr. Stefan Geißler
Alexej Grigorjew M.Sc.
Simon Raffeck 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

 

Publikationen

Veröffentlichungen

  • Simon Raffeck, Stefan Geißler, Tobias Hoßfeld. "Towards Understanding the Signaling Traffic in 5G Core Networks". In Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWAS'23). 2023.

  • Alexej Grigorjew, Stefan Geißler, Maximilian Ziegler, Lukas Kilian Schumann, Philip Diederich, David Hock, Tobias Hoßfeld, Wolfgang Kellerer. "Accurate Live Visualization of Packet Delays, Inter-Arrival Times, and Burstiness for Real-Time Networks" (Demo). International Conference on Networked Systems (NetSys). 2023.

  • Simon Raffeck, Samuel Hufen, Stefan Geißler, Tobias Hoßfeld. "Visualizing 5G Signaling Traffic: Paving the Way for the Development of 5G Core Performance Models" (Demo). International Conference on Networked Systems (NetSys). 2023.

  • Lisa Maile, Dominik Voitlein, Alexej Grigorjew, Kai-Steffen J. Hielscher, Reinhard German. "On the Validity of Credit-Based Shaper Delay Guarantees in Decentralized Reservation Protocols". 31st International Conference on Real-Time Networks and Systems. 2023.

  • Alexej Grigorjew, Florian Metzger, Tobias Hoßfeld, Johannes Specht, Franz-Josef Götz, Feng Chen, Jürgen Schmitt. “Constant Delay Switching: Asynchronous Traffic Shaping with Jitter Control”. IFIP Networking Conference, Juni 2022.

Präsentationen

Presse