Wireless Communications

Wireless Security mit minimierter Latenz und minimiertem Energieverbrauch

Sensor- und Aktuatornetzwerke sind unverzichtbare Bestandteile von Maschinen, Fabriken und komplexer Umgebungen. Die eigentliche Herausforderung ist die Entwicklung einer zuverlässigen und sicheren drahtlosen Kommunikation, um deren Flexibilität für Industrie 4.0 und Cyber-physikalische Systeme nutzbar zu machen. Die Existenz und Verfügbarkeit einer sicheren drahtlosen Echtzeitkommunikation erhöht Innovationspotenziale für Industriepartner, um ihre Position auf den Weltmärkten zu stärken und auszubauen.

Forschungsfokus

• Zuverlässige, drahtlose Kommunikationsnetzwerke
• Sicherheit in drahtlosen Kommunikationsnetzwerken
• Nahtlose Integration von drahtlosen und kabelgebundenen Kommunikationsnetzwerken
• Direkter, drahtloser Zugang zu Sensoren auf unkonventionellen Substraten und Oberflächen

Forschungskompetenzen

• Drahtlose Kommunikation in intelligenten Fabriken, in der Produktionszelle oder in Fahrzeugen, um Kabelbäume zu reduzieren
• Nahtlose Integration von drahtlosen Sensoren und Aktoren zur kabelgebundenen Kommunikation
• Entwicklung von Kommunikations- und Sicherheitskonzepten für Industrie 4.0 und Cyber-Physikalische Systeme (CPS) für grüne und vielseitige Produktion mit verbesserter Flexibilität
• CPS für verteiltes und ereignisgesteuertes Computing, eng gekoppelt mit hoher Sicherheit in einer vernetzten Smart Factory
• Standardisierung von intelligenten Sensoren und Aktoren mit besonderem Fokus auf Energieeffizienz

Zuverlässig, anpassungsfähig, energieeffizient und sicher auch ohne Kabel

Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit als sich gegenseitig beeinflussende Eigenschaften stehen im Fokus der Forschung: Multi-User-Szenarien, Kanalauswahl, Kanalzugriff, Datenrate und Latenz werden die Forschung anhand unterschiedlicher Use Cases und der Verfügbarkeit von Ressourcen prägen. Die Anzahl der gleichzeitig betriebenen Funkknoten mit einer definierten QoS (Quality of Service) hängt stark von einem optimierten und flexiblen Ressourcenmanagement ab. Folglich müssen Standards oder proprietäre Lösungen flexibel genug sein, um die hohe Variabilität abzudecken, die anpassungsfähige Lösungen mit einer Optimierung unter verschiedenen Gesichtspunkten und Situationen ermöglicht.

Diese Netzwerkarchitektur muss auch Echtzeitfunktionen des Netzwerks unterstützen und basiert auf drei Hauptprinzipien: Funktionale Verknüpfungsabstraktion, opportunistische drahtlose Verbindungen und globale QoS-Entkopplung, um den Real-Time-Bedarf abzudecken. Anwendungsfälle für die Echtzeitkommunikation können in "Worst-Case"-Latenz für sporadische Befehlsmeldungen, minimale Instabilität für zyklische Nachrichten und maximale Bandbreite für Datenerfassungsaufgaben aufgeteilt werden.

Zukünftige Produktionssysteme werden aus flexibel kombinierbaren, mechatronischen Produktionsmodulen bestehen, in denen sich der physische Aufbau ständig verändert (z.B. metamorphe Produktionssysteme). Dies erfordert eine hochflexible Kommunikation, bei der sich die Interaktionsmuster aufgrund der aktuellen Produktionsanforderungen und des aktuellen Produktions-Setups häufig ändern.

Energieeffiziente Kommunikation ist auch ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, der durch Ergebnisse früherer Forschungsfelder an Bedeutung gewinnt. Mithilfe einiger Erweiterungen werden auf Energy-Harvesting basierende Sensorknoten mit eingeschränkter Hardware-Fähigkeit geschaffen. Energy Harvesting & Sensing für RFID mit Wireless-Power-Transfer (WPT) und Datenübertragung ist zugleich besonders nutzbringend für Ultra-Low-Power-Sensoren in schwer zugänglichen Positionen oder schwierigen Umgebungen.

Safety und Security wird durch die begrenzte Reichweite von Funksystemen dahingehend unterstützt, dass klare Bedingungen und Umgebungen für den Schlüsselaustausch definiert werden können. Anwendungen wie Keyless-Entry-Systeme basieren auf verbessertem „distance bounding“, stehen im Fokus der Forschung an der Lokalisierung von Peer-to-Peer-Netzwerken oder in Netzwerken mit Multi-Anchor-Strategien. Der Einsatz smarter Antennen für Richtungsabhängigkeit bietet viele Freiheitsgrade, um die Lokalisierung zu verbessern und bildet die Grundlage für die theoretische und experimentelle Forschung an Demonstratoren.

All diese Maßnahmen können zu „Trust Indicators“ zusammengefasst werden, welche die Servicequalität messen und folglich nützliche Indikationen liefern, die uns sagen, ob ein System vertrauenswürdig ist. Wird ein Fehlerfall erkannt, muss in den "Fail-Safe"-Modus gewechselt werden.

Im Wireless Sensor Networks Lab ist die Erforschung kryptografischer Protokolle geplant, die PHY-Layer-Parameter (Latenz, Synchronizität....) als Sicherheitsmerkmale einsetzen. Um die Unterstützung von Kryptographie zu vereinfachen, werden neben den Aspekten der Initialisierung/Lebenszyklus auch physikalische Eigenschaften und Sicherheitsmaßnahmen (z.B. physikalisch unklonierbare Funktionen, minimale TPMs etc.) untersucht. Alle diese Maßnahmen unterstützen Edge-Computing-Safety und Security, um die Sensorknoten oder Gateways von Backboneproblemen wie Verbindungsabbruch und Angriffen auf die Netzwerkarchitektur zu schützen.