Simulation of powerline communication technologies in SmartGrid scenarios with OMNeT++

Diese Dissertation befasst sich mit der Implementierung von Powerline-Modulen für, sowie der simulatorischen Eignungsprüfung und dem Vergleich von gängigen Powerline-Kommunikationstechnologien/Realisierungen (Schmalband & Breitband, Access & InHouse) in einem SmartGrid-Umfeld. Diese Arbeit ist in das EEnergy-Projekt „E-DeMa“ eingebettet. Die Grundlage der Simulation ist hierbei das Programm OMNeT++ mit dem INET-Framework das auf einer Eclipse-C++ Umgebung fußt. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Implementierung von PLC-Modulen („Power Line Communication“) für das INET-Framework, welches bereits zahlreiche Technologien, z.B. Ethernet, als fertige Module verfügbar hat – aber eben noch nicht Powerline. Derartige Module sind für dieses Framework noch in keiner Weise verfügbar, und das Interesse bei Präsentationen, sowie Anfragen im Nachgang von Veröffentlichungen (siehe Anhang) haben gezeigt, das auch externes Interesse besteht, solche Module zur Verfügung zu haben. Abgegrenzt werden muss diese Implementierung allerdings von den zahlreichen Simulationen, die es bereits für den physikalischen Layer von PLC gibt, z.B. auch mit Hilfe/Unterstützung von digitalen Signalprozessoren. Die Komplexität dieses Layers und seine Besonderheiten schränken die Simulationsgröße zwingend auf wenige Teilnehmer ein. Will man ein SmartGrid (oder auch nur einen Teil davon, z.B. einen Straßenzug) als Ganzes simulieren/betrachten, müssen bestimmte Vereinfachungen getätigt werden, und der Fokus wandert vom physikalischen Layer zu höheren Schichten wie Medienzugriff, Vermittlung und Transport. Der physikalische Layer wird hier nur noch durch statistische Prozesse abgebildet, um die Komplexität im Rahmen zu halten. Dieser (Implementierungs-)Teil ist dabei nicht nur eine Beschreibung der durchgeführten Arbeit, sondern zeigt auch, wie zukünftige oder experimentelle Technologien von Dritten durch Änderungen der Konfigurationsdateien nachgeahmt, und dann auch einfach und schnell simuliert werden können – denn die Module sind so aufgebaut, das sie aus grundlegenden Blöcken bestehen, und nach einem Baukastensystem beliebig zusammengesteckt werden können. Das Ziel der Anstrengungen sind zum einen die Verfügbarkeit einer PLC-Simulationsumgebung für (verhältnismäßig) kleine Netzwerke (etwa Haus oder Straßenzug) und zum Anderen die Bestimmung von mittleren Latenzen, die in diesen Netzen auftreten. Diese, mit Hilfe der vorher implementierten Module ermittelten, Laufzeiten fließen anschließend in ein stark vereinfachtes Kanalmodell ein, welches das Verhalten von PLC in sehr großen Netzwerken simulieren kann. Die detaillierte Simulation arbeitet für diese große Simulation quasi als Vorsimulation. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit den auf den Implementierungen basierenden Simulationen. Hierfür werden zum Einen für einen Vergleich die implementierten Module an reale verfügbare Produkte angenähert, und zum Anderen, durch Variation der Modem-Eigenschaften, simuliert, wie sich bestimmte Faktoren, z.B. mittlere Datenrate oder das verwendete Kanalzugriffsschema, auf Laufzeiten und Kanalzugriffsverzögerungen sich in typischen SmartGrid-Szenarien überhaupt auswirken. Um dies mit einem vertretbaren Aufwand hinzubekommen, bestehen die Modem-Module, wie schon angedeutet aus Grundelementen, z.B. einem CSMA- und/oder TDMA-Modul, das mit anderen Eigenschaften/Modulen so kombiniert wird, dass das Verhalten eines konkreten, am Markt verfügbaren, Gerätes möglichst exakt nachgebildet werden kann. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wird mit der Untersuchung von „Viele inkompatible Systeme auf einem Medium“-Szenarien und der Untersuchung von MIMO-PLC neben den interessanten Ergebnissen auch gezeigt, wie vielfältig man die PLC-Module eigentlich einsetzen kann.This doctoral thesis deals with the implementation of PLC (narrowband and broadband, inhouse and access) technologies in OMNeT++ with focus on Smart Grid scenarios