Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-532
Main Title: Investigations on MAC and Link Layer for a wireless PROFIBUS over IEEE 802.11
Author(s): Willig, Andreas
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Bei sogenannten 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 rauhen Umgebungen eingesetzt werden. Viele industrielle Anwendungen haben mobile Subsysteme, und können somit von aktuellen drahtlosen Netzwerktechnologien (wireless LANs, WLANs) profitieren, die Mobilität in natürlicher Weise unterstützen, im Gegensatz zu den bisherigen kabelgebundenen Technologien. Der IEEE 802.11 wireless LAN Standard ist derzeit die führende WLAN-Technologie. Der Standard ist ausgereift, und fertige Systeme bzw. Komponenten sind kommerziell erhältlich. Es ist daher naheliegend zu fragen, ob und wie diese Technologie für drahtlose Feldbussysteme genutzt werden kann. Eine zentrale Frage dabei ist, wie über das drahtlose Medium trotz hoher Fehlerraten und zeitvariablen Fehlerverhaltens eine möglichst gute "Echtzeit-Leistung" ("Realtime-Performance") erzielt werden kann. Der Begriff der Echtzeit-Leistung faßt gleichzeitig Zeit- und Zuverlässigkeitsaspekte der Übertragung sicherheitskritischer Daten ins Auge. Die vorliegende Dissertation bearbeitet diese Frage für den PROFIBUS, einem in Deutschland und Europa weit verbreiteten Feldbussystem. Das Fernziel, auf das hin diese Arbeit die ersten Schritte macht, ist die Integration drahtloser und verdrahteter Stationen in einem einzigen PROFIBUS LAN. Der Focus liegt hierbei auf der Mediumzugriffs- und Sicherungsschicht des OSI-Referenzmodells, wo der PROFIBUS ein Token-Passing-Protokoll auf einem Broadcast-Übertragungsmedium einsetzt, und die angeschlossenen Stationen einen logischen Ring bilden. Die vorgestellten Ergebnisse legen nahe, ein speziell auf die (Fehler-) Eigenschaften des drahtlosen Mediums zugeschnittenes Zugriffs- und Sicherungsprotokoll zu verwenden, und die existierenden Protokolle, namentlich das PROFIBUS Token-Passing Protokoll und das IEEE 802.11 Zugriffsprotokoll, nicht in Betracht zu ziehen. Das 802.11 Zugriffsprotokoll bietet keine ausreichende Unterstützung zur Implementierung der Dienste der PROFIBUS-Sicherungsschicht. Das PROFIBUS-Protokoll hingegen hat über einem fehlerbehafteten bzw. drahtlosen Medium erhebliche Probleme mit der Stabilität des logischen Rings, selbst nach Einführung geeigneter Protokollmodifikationen. Die Entwurfsentscheidung, das PROFIBUS-Zugriffsprotokoll durch ein anderes zu ersetzen, erschwert die Integration drahtloser und verdrahteter Stationen in einem PROFIBUS LAN, insbesondere unter der Randbedingung, daß der Protokollstack der verdrahteten Stationen nicht verändert werden soll. Umgekehrt ermöglicht sie aber auch die Suche nach Protokollen mit besserer Echtzeit-Leistung, als sie das PROFIBUS-Protokoll bietet. Die vorliegende Arbeit identifiziert die Klasse polling-basierter Protokolle als aussichtsreichen Kandidaten. Es wird gezeigt, daß bereits ein einfaches k-beschränktes Round-Robin Protokoll oft eine erheblich bessere Echtzeit-Leistung erzielt als das PROFIBUS-Protokoll, der Unterschied beträgt bis zu einer Größenordnung. Weiterhin werden drei Modifikationen des Round-Robin-Protokolls vorgestellt, mit denen die Echtzeit-Leistung weiter erhöht werden kann. Beim Entwurf dieser Modifikationen wurden die spezifischen (Fehler-) Eigenschaften drahtloser Medien einbezogen, wie sie sich in Messungen in einer industriellen Umgebung zeigten. Die verbesserte Echtzeit-Leistung der modifizierten Protokolle wird allerdings auf Kosten einer leicht veränderten Semantik der Dienste der PROFIBUS-Sicherungsschicht erreicht. Insgesamt gesehen liefert die vorliegende Arbeit die ersten Schritte auf dem Weg zu einem PROFIBUS-System, in welchem drahtlose und verdrahtete Stationen integriert sind.
<a name="Abstract-ENG">Fieldbus systems are a specific class of LAN technology for industrial and factory applications, targeted for fulfilling hard (safety-critical) realtime requirements in harsh environments. Many of these applications involve mobile subsystems and could benefit from recent wireless LAN technologies replacing the current cable-based systems. The IEEE 802.11 wireless LAN standard is currently the leading WLAN technology, many components are commercially available. Hence, an immediate question is if and how this technology could be used for wireless fieldbus systems. An important aspect of this question is how to provide good "realtime performance" over the error-prone and time-variable wireless link. The notion of realtime performance captures the hard timing- and reliability requirements of industrial applications. This thesis answers this question for the PROFIBUS, a fieldbus system popular in Europe. As a final goal, it follows the vision of integrating wired and wireless stations into a single PROFIBUS LAN. The scope of the investigations is focused to the MAC- and link-layer, where the PROFIBUS employs a token-passing protocol on top of a broadcast medium, where the stations form a logical ring. The results reported in this thesis suggest to use a specifically tailored MAC protocol on top of the 802.11 physical layer, and to drop the 802.11 MAC protocol as well as the PROFIBUS MAC protocol. One obvious candidate, namely the 802.11 MAC protocol, could not be matched well with the PROFIBUS services, and the other obvious candidate, the PROFIBUS protocol, has problems with the stability of the logical ring over the error-prone wireless medium, even after introducing some modifications. The choice of dropping the PROFIBUS MAC protocol complicates integration of wired and wireless stations in a single LAN (where clearly the wish is to leave the wired station's protocol stack unchanged), but offers the opportunity to look for MAC protocols with better realtime performance. In this thesis the class of polling-based protocols is proposed as a candidate. It is shown, that even a very simple $k$-limited round-robin variant often achieves much better realtime performance than the PROFIBUS protocol. Furthermore, the performance of round-robin can be improved. Three modifications of round-robin are proposed, which are designed to cope with the error characteristics of a wireless link as they are found in measurements in an industrial environment. However, the much better realtime performance of these protocols comes at the price of a slightly modified semantics of the PROFIBUS link layer services. The overall contribution of this thesis is to provide the first steps towards a wireless PROFIBUS integrating wired and wireless stations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4349
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/829
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-532
Exam Date: 17-May-2002
Issue Date: 20-Jun-2002
Date Available: 20-Jun-2002
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Drahtlose Netze
Echtzeit
Feldbus
Leistungsbewertung
PROFIBUS
Fieldbus
Performance
PROFIBUS
Realtime
Wireless
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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