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 verfügbar zu machen. Drahtlose Übertragung erfüllt hierbei die für industrielle Anwendungen benötigte Flexibilität, kann in herausfordernden Industrieumgebungen aber nicht immer zeitnahe und zuverlässige Übertragung gewährleisten. Die Beiträge dieser Arbeit behandeln schwerpunktmäßig Protokollentwurf und Protokollevaluation für industrielle Anwendungsfälle. Zunächst identifizieren wir Anforderungen für den industriellen Anwendungsfall und leiten daraus konkrete Entwufskriterien ab, die Protokolle erfüllen sollten. Anschließend schlagen wir Protokollmechanismen vor, die jene Entwurfskriterien für unterschiedliche Arten von Protokollen umsetzen, und die in verschiedenem Maße kompatibel zu existierenden Netzwerken und existierender Hardware sind: Wir zeigen, wie anwendungsfallspezifische Priorisierung von Netzwerkdaten dabei hilft, zuverlässige Übertragung auch unter starken Störeinflüssen zu gewährleisten, indem zunächst eine akkurate Vorschau von Prozessinformationen übertragen wird. Für deren Fehler leiten wir präziser Schranken her. Ferner zeigen wir, dass die Fairness zwischen einzelnen Maschinen durch Veränderung von Warteschlangen verbessert werden kann, wobei hier ein Teil der Algorithmen von Knoten innerhalb des Netzwerks durchgeführt wird. Ferner zeigen wir, wie Network-Coding zu unserem Anwendungsfall beitragen kann, indem wir spezialisierte Kodierungs- und Dekodierungsverfahren einführen. Zuletzt stellen wir eine neuartige Softwarearchitektur und Evaluationstechnik vor, die es erlaubt, potentiell proprietäre Protokollimplementierungen innerhalb moderner diskreter Ereignissimulatoren zu verwenden. Wir zeigen, dass unser vorgeschlagener Ansatz ausreichend performant für praktische Anwendungen ist und, darüber hinaus, die Validität von Evaluationsergebnissen gegenüber existierenden Ansätzen 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 the computational work into the network, we show that reordering queues in accordance with our prioritization scheme improves fairness among machines. We also demonstrate that network coding can benefit our use case by introducing specialized encoding and decoding mechanisms. Last, we propose a novel architecture and evaluation techniques that allows incorporating possibly proprietary networking protocol implementations with modern discrete event network simulators, rendering, among others, the adaption of protocols to specific industrial use cases more cost efficient. We demonstrate that our approach provides sufficient performance and improves the validity of evaluation results over the state of the art