Die Forschungsgruppe Communication Network Engineering befasst sich mit Kommunikationslösungen für industrielle und professionelle Anwendungen. Typische Anforderungen an solche Kommunikationssysteme sind:

• Kontrolle über Latenzen und Verzögerungen
• Skalierbarkeit
• Präzise Zeitverteilung im Netzwerk, sowohl für Anwendungen als auch für die Steuerung des Datenverkehrs selbst
• Hohe Verfügbarkeit oder Redundanz im Netzwerk
• IP-Konnektivität bis zum Endknoten

Keine dieser Anforderungen ist neu, und es gibt eine Vielzahl proprietärer und standardisierter Ansätze und Verfahren, um sie zu erfüllen. Allerdings haben diese Verfahren häufig die eine oder andere Schwachstelle oder werden stark durch Interessengruppen getrieben. CAN, PROFIBUS oder EtherCAT erfüllen viele dieser Anforderung, haben aber Limitierungen bei Bandbreite, Kompatibilität oder IP-Konnektivität. Zur Umsetzung von Industrie 4.0 mit den Zielen einer Smart Factory und «Plug & Produce» ist es wichtig, herstellerübergreifende, offene Standards einzusetzen.

Das InES verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich Echtzeitnetzwerke und hat die Standardisierung in IEEE und IEC insbesondere in den Bereichen Redundanzverfahren und hochgenaue Zeitsynchronisation aktiv unterstützt. Für die Zeitsynchronisation nach IEEE 1588 (PTP) und IEEE 802.1AS (gPTP) verfügen wir über eigene Implementierungen, die wir zur Umsetzung in Projekten einsetzen, die aber auch lizensiert werden können.

Das Precision Time Protocol (PTP, IEEE1588) und das generalized Precision Time Protocol (gPTP, IEEE 8201.AS) sind zwei verwandte Protokolle zur hochgenauen Zeitsynchronisation über verschiedene Übertragungsmedien. Das InES ist seit Beginn der Standardisierung im IEEE aktiv involviert. Mit der heute oft standardmässig in Netzwerk-Chips integrierten Zeitstempelung sind Genauigkeiten unter einer Mikrosekunde und in Spezialimplementierungen bis in den Nanosekundenbereich möglich.

Single Pair Ethernet (SPE) gibt es inzwischen für Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis 5 Gbit/s. Bei diesen Ethernet Varianten, die mit dem Kürzel «-T1» gekennzeichnet werden, erfolgt die Datenübertragung in beide Richtungen über ein einziges verdrilltes Paar an Kupferkabeln. Je nach Anwendungsfall und Datenrate sind die Eigenschaften hinsichtlich maximaler Segmentgrösse und Topologie unterschiedlich. Aufgrund der reduzierten Verkabelungskosten und der Gewichtseinsparungen sind diese Lösungen für viele Anwendungen interessant, beispielsweise im Automotive Bereich oder in der Prozessautomatisierung.

Im Forschungsschwerpunkt beschäftigen wir uns mit dem Einsatz von SPE für verteilte Anwendungen. Im Fokus stehen hierbei die 2019 standardisierten 10 Mbit/s Varianten 10BASE-T1S und 10BASe-T1L.

Am InES arbeiten mehrere Forschungsschwerpunkte im Bereich Time Sensitive Networking. Ob, in welchem Umfang und in welchen Anwendungen der Einsatz dieser Technologie sinnvoll und notwendig ist, ist nicht immer einfach zu beantworten.

Das InES hat untersucht, wie sich ein Powerline System für IP-Kommunikation in industriellen Anwendungen wie Aufzugssteuerungen nutzen lässt. Detaillierte Untersuchungen zu Latenz und Jitter sowie eine passende Systemarchitektur sind der Schlüssel für einen Einsatz der Technologie.

Das InES war aktiv bei der Entwicklung von stossfreien Redundanzverfahren für Netzwerke beteiligt. Die Arbeit floss in die IEC Standardisierung ein und ist heute als IEC 62439-3 normiert und wird beispielsweise in der Kraftwerks- und Energiebranche eingesetzt.