So funktioniert sicherheitsgerichtete Kommunikation mit sichtbarem Licht

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) und andere mobile Systeme werden für moderne Industrieeinrichtungen immer wichtiger. Entscheidend für ihre Rolle in der flexiblen Fabrik der Zukunft sind deren Kooperation, was ungestörte Kommunikation verlangt: Wenn mehrere FTS gemeinsam eine Last transportieren sollen, müssen sie zur präzisen Koordination zuverlässig Informationen austauschen. Denn eine hohe Latenz würde eine unerwünschte Relativbewegung in der FTS-Formation verursachen. Daher erfordern kooperierende FTS eine besonders zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz, kurz: uRLLC (ultra Reliable Low Latency Communication). Um das zu erreichen, müssen Interferenzbereiche des Funk-Spektrums umgangen werden, beispielsweise mittels sichtbarem Licht.

Diese Vorteile hat Visible Light Communication (VLC)

Als Kommunikationstechnologie hierfür wählte SEW-Eurodrive Visible Light Communication. VLC ist ein drahtloses Peer-to-Peer-Kommunikationssystem für kurze Reichweiten im Frequenzbereich von 400 bis 800 THz (750 bis 375 nm). Es bietet die erforderliche niedrige Latenz und hohe Zuverlässigkeit für die Kommunikation zwischen kooperierenden, benachbarten FTS. Weil neben dieser lokalen Kommunikation auch eine globale Kommunikation mit hoher Bandbreite erforderlich ist, benötigen die FTS eine zweite Kommunikationsschnittstelle. Diese zusätzliche WIFI-Anbindung übernimmt die Kommunikation mit der Infrastruktur.

Aus dieser Kombi-Lösung resultiert eine weitere Herausforderung: Die Entscheidung, welche Daten-Pakete über welche Schnittstelle zu übertragen sind. Ziel ist, häufige Wechsel des Übertragungskanals (WIFI oder VLC) zu vermeiden, da dies Latenzspitzen verursacht. Abhilfe schafft ein Routing-Verfahren, das die Zahl der Übergaben zwischen dem WIFI- und dem VLC-Netzwerk minimiert.

Zudem muss die Verteilung dieser Regeln auf die Netzwerkknoten (FTS) definiert werden. Grundsätzlich sollte die Kommunikation zwischen kooperativ arbeitenden FTS via VLC erfolgen, weil dies weniger Ressourcen im WLAN belegt. Bei Tests zeigte sich, dass der erzwungene, nicht geplante Wechsel der Kommunikationstechnologie von VLC zu WIFI die Latenz mitunter verzehnfacht. Daher ist es wichtig, die Kommunikationsverbindungen zwischen FTS (Routen) mit einer langen Lebensdauer, das heißt keine Unterbrechungen oder neue Knoten auszuwählen. Die Strategie muss sein, die VLC-Routen auf Grundlage von aktiven kooperativen Aufgaben auszuwählen, um die kooperierenden FTS zu gruppieren. Dadurch entstehen VLC-Cluster.

Interferenzen zählen zu den größten Herausforderungen für die Kommunikation innerhalb dichter Netzwerkcluster. Da die die lokalen Cluster-Teilnehmern (FTS) die Lichtsignale der VLC nach außen hin vollständig blockieren, verringert sich die effektive topologische Dichte im WIFI-Band. Somit reduziert sich die Gefahr von Interferenzen beziehungsweise die Latenz der Funk-Kommunikation.

Konkret schließen sich kooperierende FTS bei Bedarf eigenständig basierend auf den Informationen vom Flottenmanagement oder der SDN-Controller zu einem lokalen Cluster zusammen. Innerhalb dieses Clusters kommunizieren die FTS dann untereinander via VLC. Der Datenaustausch außerhalb des Clusters erfolgt dagegen über WIFI. Die Entscheidung, welche Pakete über welche Verbindung gesendet werden, trifft ein SDN-Switch im FTS. Solche Software Defined Networks trennen die Daten- und die Control-Ebene des Netzwerks. Das erlaubt ein dynamisches Anpassen der Netzwerkstruktur an wechselnde Bedingungen. Diese Netzwerksteuerung ermöglicht das Routing auf Grundlage von globalen Systeminformationen wie den kooperativen Aufgaben, deren Dauer und den Teilnehmern. SDN hat hier den Vorteil, dass die globalen Informationen der FTS-Flottensteuerung genutzt werden können, um das Routing zu planen.

Die VLC-Implementierung durch SEW-Eurodrive verwendet ein Array aus weißen LEDs zur Signalübertragung und vier unabhängige Empfänger für dessen Empfang. Jedes FTS ist mit jeweils vier VLC-Modulen mit einem Öffnungswinkel von 120° ausgestattet. Dadurch kann das Fahrzeug VLC-Signale in alle Richtungen senden beziehungsweise aus allen Richtungen empfangen. Die Kommunikation ist bei einer direkten Sichtverbindung innerhalb von 5 m möglich.

Die Latenz einer Verbindung über VLC wurde unter realen Bedingungen gemessen, konkret: Mehrere VLC-Verbindungen (Cluster) waren in räumlicher Nähe aktiv. Hierbei gab es keine gegenseitige Beeinflussung. Es zeigte sich, dass Umlaufzeiten, das heißt: die Zeit die ein Paket braucht, um von einem FTS zum nächsten und wieder zurück zu gelangen kleiner 40 ms bei einer Verlässlichkeit von über 99 % erreicht werden.

Empirische Untersuchungen und Simulationen zeigen, dass die Dauer kooperativer Aufgaben im Mittel einhundert Mal länger ist als die Verbindungsdauer in einem Peer-to-Peer-Netzwerk über WIFI zwischen FTS. Man kann davon ausgehen, dass während der Ausführung einer kooperativen Aufgabe zwischen FTS die VLC-Verbindungen nicht unterbrochen werden, weil die Sichtverbindung zwischen den Fahrzeugen aufgrund der geringen Abstände nicht abreißt. In Dauertests konnte kein Paketverlust auf den VLC-Verbindungen beobachtet werden, auch dann nicht, wenn geringe Relativbewegungen zwischen Sender und Empfänger initiiert wurden.

Für die Verteilung von Routing-Regeln an Clients, gibt es verschiedene Strategien. Bei einer dezentralisierten Erstellung dieser Regeln erstellt und pflegt der Client (FTS) eigene Routingtabellen. Alternativ kann eine zentrale Einheit das Routing organisieren, planen und die daraus resultierenden Regeln an die Clients verteilen. Die zentrale Lösung ist von Vorteil, weil die implementierte Strategie auf globalen Informationen basiert. Das Clustern der FTS wird dabei mithilfe einer SDN-Steuerung implementiert, die ihre Informationen zu geplanten Transportaufgaben aus dem FTS-Flottenmanagementsystem erhält. Der SDN Controller wandelt diese Informationen in Routinginformationen (Flow Table Entries) und überträgt diese an die SDN-Switches der FTS.

Kooperierende FTS sind eine Schlüsseltechnologie für die Fabrik der Zukunft. Industrielle Wifi-Implementierungen reichen häufig nicht aus, um bei kooperativen Aufgaben von FTS, die Anforderungen hinsichtlich niedriger Latenz und hoher Zuverlässigkeit zu erfüllen. VLC in Kombination mit WIFI schafft hier Abhilfe. Diese gemischte Architektur wurde mithilfe von SDN implementiert, in dem alle Fahrzeuge Software-Switches enthalten, die durch eine zentrale SDN-Steuerung konfiguriert werden. Diese Architektur ermöglicht eine lokale Kommunikation via VLC, ohne die übergeordnete Kommunikation der FTS via Wifi zu beeinträchtigen.