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Wireless PROFIBUS über WLAN 802.11(b)

Anpassung des Mac-Protokolls - Modellierung und Simulation

Wireless PROFIBUS über WLAN 802.11(b)
Über dieses Buch
  • Art: MA-Thesis / Master
  • Autor: Thomas Vogel
  • Abgabedatum: November 2003
  • Umfang: 134 Seiten
  • Dateigröße: 2,3 MB
  • Note: 1,2
  • Institution / Hochschule: Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) Deutschland
  • ISBN (eBook): 978-3-8324-7550-5
  • ISBN (Paperback) :
    978-3-8324-7550-5 P
  • ISBN (CD) :978-3-8324-7550-5 CD
  • Sprache: Deutsch
  • Prämierung:
  • Arbeit zitieren: Vogel, Thomas November 2003: Wireless PROFIBUS über WLAN 802.11(b), Hamburg: Diplomica Verlag
  • Schlagworte: Polling, k-limited round-robin Protokoll, Matlab/Simulink/Stateflow, drahtloser Feldbus

MA-Thesis / Master von Thomas Vogel

Zusammenfassung:

Mit zunehmender Verbreitung von Wireless Local Area Networks (WLANs) im betrieblichen und industriellen Umfeld wird immer öfter der Wunsch laut, auch herkömmliche, leitungsgebundene Netze und Protokolle über ein wireless LAN zu betreiben. Einen solchen, weit verbreiteten, Standard für die Vernetzung von Maschinen und Anlagen in industrieller Umgebung stellen die sogenannten Feldbussysteme dar.

Bei Feldbussystemen handelt es sich um eine spezielle Klasse lokaler Netzwerke (LANs), die insbesondere industrielle Anwendungen im Blick hat. Diese Anwendungen zeichnen sich durch harte Echtzeit–Bedingungen aus: es müssen sicherheitskritische Nachrichten, z.B. Alarme, innerhalb einer maximalen Zeit sicher übertragen werden können. Hinzu kommt, dass Feldbussysteme vielfach in rauen Umgebungen mit starken Störungen eingesetzt werden. Viele industrielle Anwendungen haben mobile Subsysteme und können somit von aktuellen drahtlosen Netzwerktechnologien profitieren, welche Mobilität in natürlicher Weise unterstützen (im Gegensatz zu den bisherigen kabelgebundenen Technologien).

Der IEEE 802.11x wireless LAN Standard ist derzeit die führende WLAN–Technologie. Der Standard ist ausgereift und fertige Systeme bzw. Komponenten sind kommerziell in großer Vielfalt kostengünstig erhältlich. Es ist daher naheliegend zu untersuchen, ob und wie diese Technologie für drahtlose Feldbussysteme genutzt werden könnte.

Eine zentrale Frage dabei ist, wie über das drahtlose Medium trotz hoher potentieller Fehlerraten und zeitvarianten Fehlerverhaltens eine möglichst gute „Echtzeit–Leistung“ (Realtime–Performance) erzielt werden kann. Der Begriff der Echtzeit–Leistung fasst dabei gleichzeitig Zeit– und Zuverlässigkeitsaspekte der Übertragung sicherheitskritischer Daten ins Auge.

Ein weiterer großer Bereich umfasst die Problematik der Kollisionsdetektion eines normalerweise leitungsgebundenen Übertragungsprotokolls in einer wireless-Umgebung, in der nicht sichergestellt ist, dass jeder Busteilnehmer jeden anderen auch „sieht“, was zu Problemen bei der Kollisionsdetektion führt. Damit ist eine Anpassung des MAC–Layers eines Feldbusprotokolls sehr wahrscheinlich notwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zum Einen mit der möglichst detailgenauen Modellierung des 802.11b PHY–Layers zur Analyse des zu erwartenden Fehlerverhaltens und zum Anderen mit der Analyse der beiden schon bestehenden MAC–Layer (802.11 vs. PROFIBUS) mit dem Ziel, konkrete Aussagen über die Auswirkungen des Funkkanals auf das Echtzeitverhalten treffen zu können. Ein abschließender dritter Punkt betrifft die eventuell notwendigen Anpassungen oder Neugestaltungen des MAC–Protokolls, um diese Einflüsse zu minimieren.

Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die grundsätzliche Natur eines Indoor–Funkkanals bezüglich der Fehlerhäufigkeit und –charakteristik und der Möglichkeiten seiner Modellierung. Damit ist wird die Grundlage für eine Bewertung der unterschiedlichen MAC–Layer geschaffen.

Im zweiten Teil werden die Eigenschaften des PROFIBUS betrachtet, allerdings beschränkt auf den MAC–Layer. Speziell wird das Verhalten des MAC bei Nutzung eines fehlerbehafteten Übertragungskanals untersucht.

Der dritte Teil beschreibt den PHY–Layer eines 802.11b Systems inklusive Sender, Empfänger und Antennen sowie die Eigenschaften der Verstärker. Dieser PHY–Layer wurde modelliert und dient als Grundlage für die aufbauenden MAC–Layer. Zusätzlich wird der noch in der Entwicklung befindliche Standard 802.11e, der sich speziell mit zeitkritischen Anwendungen wie z.B. Voice over IP widmet, näher beleuchtet und seine Eignung als MAC–Protokoll für PROFIBUS bewertet.

Nachdem festgestellt wird, dass keiner der beiden schon vorhanden MAC–Layer geeignet ist, die geforderten Bedingungen zu erfüllen, wird im vierten Teil der Arbeit ein neuer MAC–Layer vorgeschlagen und beschrieben.

Dieser MAC wurde modelliert und auf seine Funktionsfähigkeit mittels Simulation überprüft. Die Beschreibung des Simulink Modells befindet sich im fünften Abschnitt, indem auch eine Übersicht über Probleme bei der Modellierung und prinzipielle Einschränkungen von Simulink erläutert werden.

Inhaltsverzeichnis:

Erklärung I
Abkürzungsverzeichnis VII
1. Einleitung 1
2. Der Funkkanal 3
2.1 Grundlagen 3
2.2 Beschreibung des Funkkanals 4
2.2.1 Delay–Spread 7
2.2.2 Fading 8
2.2.3 Dopplerspreizung 9
3. PROFIBUS 11
3.1 Grundlagen 11
3.2 PROFIBUS MAC–Layer (Link Layer) 13
3.2.1 Datenübertragungsdienste 15
3.2.2 Buszugriffssteuerung 15
3.2.2.1 Token–Verwaltung 16
3.2.2.2 Ring Maintenance Mechanismus 17
3.2.2.3 Bus–Initialisierung / Tokenverlust 19
3.2.2.4 Token–Umlaufzeit 20
3.2.2.5 Niedrigpriorisierte Dienste 21
3.2.3 Buszugriffsparameter 22
3.2.4 Frameformate 23
3.3 PROFIBUS unter einem fehlerbehafteten Übertragungskanal 25
4. WLAN nach 802.11b 27
4.1 Grundlagen 27
4.2 PHY–Layer 30
4.2.1 Aufbau des PHY–Layers 31
4.2.2 PLCP Sublayer 31
4.2.3 PMD Sublayer 33
4.2.3.1 Modulation 34
4.2.3.2 Spreizung 38
4.2.3.3 Pulsformung 39
4.3 MAC–Layer 40
4.3.1 Topologien 40
4.3.2 802.11b MAC–Layer 41
4.3.2.1 Distributed Coordination Function 42
4.3.2.2 Collision Avoidance 43
4.3.2.3 RTS–CTS–Prozedur 47
4.3.2.4 Fragmentierung von langen Nachrichten 48
4.3.2.5 Point Coordination Function 49
4.3.3 802.11e MAC–Layer Erweiterungen 52
4.3.3.1 Enhanced Distributed Coordination Function 53
4.3.3.2 Hybrid Coordination Function 55
5. Wireless PROFIBUS 59
5.1 Positionierung 59
5.2 Anforderungen 60
5.3 Polling basierte Protokolle für den wireless PROFIBUS 60
5.3.1 k–limited round–robin Protokoll 63
5.3.2 Erweiterung durch Relaying 64
5.3.2.1 Einfaches Daten Relaying 64
5.3.2.2 Einfaches Poll Relaying 65
6. Modellierung 67
6.1 Der Funkkanal 69
6.1.1 Realisierung 70
6.1.2 Grenzen des Modells 70
6.2 Modellierung des 802.11b PHY 72
6.2.1 PLCP Sublayer 73
6.2.1.1 TX Modul 74
6.2.1.2 RX Modul 80
6.2.1.3 CCA Modul 86
6.2.2 PMD Sublayer 88
6.2.2.1 Transmitter 88
6.2.2.2 Receiver 93
6.3 Modellierung der MACs 97
6.3.1 MAC der Base Station 97
6.3.2 MAC der wireless Terminals 98
6.3.2.1 Scheduler 100
6.4 Modellierung des LLI der Schicht 7 109
6.5 Probleme bei der Modellierung 112
6.5.1 Untersuchte Modellierungsvarianten 112
6.5.2 Einschränkungen von Simulink 113
6.5.3 Einschränkungen von Stateflow 114
6.6 Simulation 115
IV. HTW – Dresden 117
7. Fazit, Ausblick 117
Literaturverzeichnis i
Abbildungsverzeichnis vi
Tabellenverzeichnis vii

Automatisiert erstellter Textauszug:

Die PCF weist damit eine höhere Priorität auf als die normale Übertragung mittels DCF, muss jedoch jeweils die Quittierung der angesprochenen Station abwarten. Während der gesamten CFP bleibt der PC steuernd 802.11e overview (EDCF and HCF) fragt während der CFP alle Stationen auf II. tätig. Er führt eine so genannte „Polling List“ und dieser Liste der Reihe nach ab, ob sie eine Übertragung wünschen. Dabei identifiziert er die Stationen über In July Association Identifier (AID). Die Stationen können (SG11e) with the charter to enhance dem einen 1999, the 802.11 Working Group initiated a Study Group sich während der Anmeldung bei the 802.11 MAC, which would expand support for applications with QoS requirements, and in the Zugangspunkt für die Polling–Liste eintragen lassen. maintaining backward compatibility with capabilities and efficiency of the protocol, while obviously Der PC darf folgende Pakettypen in beliebigen Kombination an die CF–Pollable–Stationen senden: [...]

Die PCF dient der Unterstützung zeitkritischer Dienste, womit sie eine genauere Betrachtung in dieser Arbeit verdient. Sie erlaubt dem jeweiligen Point Coordinator (PC) den priorisierten Zugriff auf das Übertragungsmedium. Es agiert üblicherweise ein AP mit Festnetz–Zugang als PC. Zwar definiert 802.11 PCF als optional, dennoch müssen alle Stationen in der Lage sein, den entsprechenden Medien– Zugriffsregeln Folge zu leisten. Stationen, die auf Anfragen des PC auch antworten können, werden CF–Pollable genannt. Neben dem AP können nur solche Stationen Daten entsprechend der PCF übertragen. Die PCF steuert die Übertragung der Rahmen während einer sogenannten wettbewerbsfreien Zeit (Contention Free Period (CFP)), die sich mit der durch die DCF gesteuerten Wettbewerbs–Periode (Contention Period (CP)) zyklisch abwechselt. Die CFP dient dabei der Vermeidung von Kollisionen durch die Verhinderung von Verbindungsversuchen anderer Stationen. Die Zusammenfassung von CFP und CP bezeichnet man als Superframe. Es ist verbindlich festgelegt, dass ein Superframe eine CP mit einer minimalen Länge beinhaltet, die es erlaubt, mindestens eine MAC Service Data Unit (MSDU) via DCF zu übertragen. Die CFP wird in regelmäßigen Zeitabständen mit der CFP–Rate wiederholt und startet, unabhängig ob PCF aktiv ist, mit der Übertragung eines vom PC generierten sogenannten Beacons (Leuchtfeuer, Signalfeuer), bei dem es sich um einen Managementrahmen handelt, der die maximale Dauer der CFP enthält und auch der Synchronisation der Stationen dient. Um die Kollisionshäufigkeit zu verringern setzen alle Stationen im BSS außer dem PC ihren NAV auf diesen Wert und [...]

wird außerdem das More Frag–Bit gesetzt. Lediglich beim letzten Rahmen wird diese Kennzeichnung nicht vorgenommen. Wenn es sich bei der Nachricht um keine Broadcast–Nachricht handelt, so sendet die empfangende Station eine Empfangsbestätigung zurück. Bevor andere Stationen nach dem Ablauf der DIFS auf den Kanal zugreifen können, darf die sendende Station bereits nach SIFS das folgende Fragment verschicken. Somit wird der fortlaufende Zugriff des Senders gewährleistet. Für den Fall, dass die Übertragung entweder durch das Datenpaket oder die Empfangsbestätigung gestört wird, erhält die sendende Station keine Empfangsbestätigung. Dann wiederholt die sendende Station, wie im Basisprotokoll, die Übertragung, setzt allerdings das Bit Retry im Steuerrahmen zur Erkennung einer Wiederholungsübertragung. Auch die Reservierung des Kanals für fragmentierte Nachrichten ist möglich. Hierzu teilt die sendende Station in ihrem RTS–Paket die Dauer der Übertragung für das erste Fragment Frame 0 mit, das in dem CTS–Paket der empfangenden Station repliziert wird. In dem Frame 0 der sendenden Station wird nunmehr im Duration/ID Field des Headers die Verlängerung des NAV–Vektors für das folgende Fragment übertragen. Ebenso enthält das Duration/ID Field die Empfangsbestätigung für dieses Fragment, so dass alle Stationen im Empfangsbereich ihre Übertragungen auch für das nächste Fragment zurückstellen. Die Daten– und Bestätigungspakete können als virtuelle RTS–/CTS–Pakete angesehen werden. Beim letzten Fragment Frame 2 enthält die Reservierung nur noch die Zeit für ein SIFS und Acknowledgement. Der Wert RTS–Threshold, ab dem ein Paket fragmentiert werden soll, kann vom Systemadministrator eingestellt werden. Dabei muss einerseits berücksichtigt werden, dass lange Pakete mit einer höheren Wahrscheinlichkeit von Bitfehlern während der Übertragung belastet sind, wobei im Fehlerfall die gesamte Übertragung wiederholt werden muss. Andererseits erhöht sich aber durch die Fragmentierung der Protokollaufwand, so dass hier für die jeweiligen Gegebenheiten des Funknetzes ein Optimum gefunden werden muss. Dies geschieht meist experimentell. [...]

Arbeit zitieren:
Vogel, Thomas November 2003: Wireless PROFIBUS über WLAN 802.11(b), Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
Polling, k-limited round-robin Protokoll, Matlab/Simulink/Stateflow, drahtloser Feldbus

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