TACNET 4.0

Hochzuverlässige und echtzeitfähige 5G Vernetzung für Industrie 4.0 -
das taktile Internet für Produktion, Robotik und Digitalisierung der Industrie

Teilprojekt: Relevanz-basierte Signalverarbeitung für Small-Cell Netzwerke mit Edge Cloud RAN

TacNet Logo
 

Motivation

Um im internationalen Wettbewerb langfristig bestehen zu können, muss die deutsche Industrie Prozesse konsequent digitalisieren. In der Vision einer „Industrie 4.0“ kooperieren Menschen, Roboter und Maschinen eng miteinander. Dazu bedarf es einer durchgängigen Vernetzung aller Industrieakteure und Systeme. Derzeitige industrielle Kommunikationsnetze gewährleisten dies noch nicht. Die Voraussetzung dafür wird erst die neue, 5. Generation des Mobilfunks (5G) schaffen, deren Potenziale für die Industrie 4.0 in diesem Projekt erschlossen werden sollen.

Ziele und Vorgehen

Ziel des Projektes TACNET 4.0 mit dem Titel „Hochzuverlässige und echtzeitfähige 5G Vernetzung für Industrie 4.0“ ist die Entwicklung eines einheitlichen industriellen 5G-Kommunikationssystems, das fortgeschrittene Kommunikationslösungen für den Anwendungsfall Industrie 4.0 nutzbar macht. Anspruch ist es, Mobilfunknetze der fünften Generation durchgängig in industrielle Kommunikationsnetze zu integrieren.
Hierzu gilt es unterschiedliche Forschungsfragen zu lösen wie zum Beispiel: Wie können zahllose Maschinen, Roboter und andere IT-Systeme auf begrenztem Raum ausfallsicher, mit hohen Datenraten und ohne Verzögerung drahtlos kommunizieren? Wie können Bestandssysteme migriert werden? Ein wichtiger Aspekt ist dabei das Management des Netzwerks. Dieses dient unter anderem der Initiierung und Aufrechterhaltung vieler gleichzeitiger Funkverbindungen. Es muss in der Lage sein, schnell auf Änderungen zu reagieren und im Hintergrund selbsttätig komplexe Konfigurationen der Funkzugangsknoten vorzunehmen. Im Projekt werden zudem Verfahren erforscht, wie Steuer- und Managementfunktionalitäten in die Cloud ausgelagert werden können. Automatisierungssysteme kommunizieren mit dieser in Echtzeit. So können beispielsweise  Instandhaltungsprozesse von Maschinen und Anlagen bedarfsgerechter und vorausschauender gestaltet werden.

Innovationen und Perspektiven

Mit TACNET 4.0 entsteht eine industrielle Kommunikationsinfrastruktur, die das gesamte Kommunikationsnetz innerhalb und außerhalb einer Fabrikanlage umfasst. Die Produktion kann flexibel aus der Ferne gesteuert und gewartet werden, wobei besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit berücksichtigt werden. Mit dem in TACNET 4.0 geschaffenen Konzept kann die verarbeitende Industrie künftige 5G-Technologien einfacher und zu vertretbaren Kosten gewinnbringend nutzen. Die wirtschaftliche Verwertung erfolgt in der Prozess- und Fertigungsautomatisierung. Durch die Beteiligung von Praxispartnern werden deren Anforderungen umfassend berücksichtigt.

Forschgungsbeitrag der Uni Bremen

Innerhalb von TACNET 4.0 fokussiert sich die Universität Bremen auf das Thema der Relevanz-basierten Signalverarbeitung in Small-Cell Netzwerken. Die nachfolgend ausgeführten Herausforderungen und offenen Problemstellungen bilden die Grundlage für die technisch/wissenschaftliche Arbeit dieses Teilvorhabens.

In TACNET wird ein gesamtes industrielles Kommunikationsnetz betrachtet, welches zum einen verschiedene Funkzugangssysteme vereinen soll und zum anderen moderne Verfahren der Netzwerkgestaltung und -steuerung aufgreifen und weiterführen soll. Diese Netzwerkperspektive ermöglicht die Adressierung von Fragestellungen der Netzabdeckung großer Gebiete (Hallen, Outdoor-Anlagen) und der Ausnutzung von Redundanzen in Netzwerken bestehend aus einer Vielzahl an Small-Cells.

Völlig neue Konzepte der Signalverarbeitung in einem industriellen Kommunikationsnetzwerk und ein hoher Grad an Verfügbarkeit werden dabei durch den Aufbau eines dichten Netzes aus Zugangsknoten (Small-Cells) ermöglicht. Kommunikationsnutzer können gleichzeitig mit mehreren der Small-Cells kommunizieren (Multi-Konnektivität) und prinzipiell unterschiedliche Funkzugangstechnologien hierfür nutzen (Multi-RAT). Eine gemeinsame Verarbeitung der Empfangssignale mehrerer Small-Cells in einem drahtgebundenen Funkzugangsnetzwerk (Radio Access Network, RAN) ermöglicht sogenannte Zentralisierungsgewinne in Kombination mit Edge Computing bzw. einer Edge Cloud. Diese Zentralisierungsgewinne können für verschiedene Leistungssteigerungen wie eine höhere Zuverlässigkeit, Komplexitätseinsparungen oder niedrigere Latenzen ausgenutzt werden. Beispielsweise können bei gleicher Zuverlässigkeit Algorithmen geringerer Komplexität verwendet werden oder Teilverarbeitungsschritte des RAN so vereinfacht werden, dass die Gesamtlatenz sinkt. Zum anderen ist so auch eine Erhöhung der Resilienz durch Multi-Konnektivität / Multi-RAT realisierbar. Dabei bestimmt eine Vielzahl an Randbedingungen die erzielbaren Gewinne dieser kooperativen Kommunikation. Das Signalverarbeitungskonzept für ein derart verteiltes Radio Access Network (RAN) muss ein hohes Maß an Flexibilität bieten, um Anpassungen an beschränkte Fronthaul-Bandbreite, verfügbare Rechenkapazitäten, Energieanforderungen/-beschränkungen und eine dynamisch veränderliche Funksituation zu ermöglichen. Die Universität Bremen verfolgt daher zwei wesentliche, wissenschaftliche Ansätze, die in Kombination die Relevanz-basierte Signalverarbeitung ergeben. Das Ziel dieser Ansätze ist die Erforschung einer effizienten, flexiblen und anpassbaren Signalverarbeitung in Small-Cell Netzwerken mit Edge Cloud.

Weitere Informationen:

Projektwebseite     www.tacnet40.de
Siehe auch BMBF   http://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/tacnet

Details

Laufzeit: 04/2017 - 03/2020
Förderung:Bundesministerium für Bildung und Forschung
Vorgänger:METIS
iJOIN
Characteristic Information Processing

Publikationen

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Beteiligte Mitarbeiter

Zuletzt aktualisiert am 16.01.2019 von D. Wübben
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