Latenz statt Durchsatz

Schnappschuss eines chemischen Periodensystems und einer Kentmaus auf einem Schreibtisch

© DFG / David Ausserhofer

Mit autonomen Infrastruktursystemen der Wasser-, Energie- und Gasversorgung oder den Abläufen in smarten Produktionsanlagen der Industrie 4.0 auf unserer Erde befasst sich das 2016 bewilligte Schwerpunktprogramm „Cyber-Physical Networking“ (CPN). „Die Kopplung in diesen cyberphysischen Netzwerken erfolgt zumeist über drahtlose, teils mobile Kommunikationssysteme“, erklärt dessen Sprecherin Sandra Hirche vom Lehrstuhl für Informationstechnische Regelung an der TU München. „Dies wirft völlig neue Fragestellungen auf.“

Bisher war die Forschung im Bereich der Kommunikationsnetze vor allem darauf ausgerichtet, den Durchsatz etwa bei der Übertragung von Bilddaten und die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. „Das reicht für den Einsatz im geschlossenen Regelkreis nicht mehr aus“, konstatiert Hirche. „Entscheidend ist, die Latenz – also die Verzögerung bei der Übertragung – klein und so weit wie möglich vorhersehbar zu machen.“ Nur so kann beispielsweise gewährleistet werden, dass ein Transportroboter in einem Logistikzentrum die von einer Deckenkamera über ein Mobilfunknetz gelieferte Warnung eines kreuzenden Kollegen rechtzeitig erkennt und im Sinn des reibungslosen Arbeitsprozesses ebenso schnell wie richtig deutet. Je nachdem, wie lange Übertragung und Deutung dauern, stoßen nämlich nicht nur die Roboter zusammen, sondern das ganze System kollabiert.

In diesem Sinn sollen im „Cyber-Physical Networking“ neue Systemstrukturen, Koordinationsformen und Interaktionsmöglichkeiten mit der dazugehörigen Kommunikationstechnik wissenschaftlich betrachtet und in Einklang gebracht werden. Aufbauen kann es dabei auf die Ergebnisse des 2007 initiierten DFG-Schwerpunktprogramms „Regelungstheorie digital vernetzter dynamischer Systeme“. Dort lag der Fokus aber klar auf der Regelungstechnik. „Die Kommunikation zwischen den Einheiten wurde eher als Blackbox betrachtet“, sagt Hirche. „Das Neue bei uns ist, dass auch dieser für Latenzen und Paketverluste mitverantwortliche Bereich nun explizit berücksichtigt wird.“ Am Ende sollten möglichst flexible und effiziente Konzepte für Hochleistungssysteme entstehen, „die es erlauben, Kommu­nikationsprotokolle so zu entwerfen, dass sie zum Regler passen – und umgekehrt.“ Hohe Regelungsperformanz bei minimaler Belastung der Kommunikation sei ein Ziel – die Ressourcen des Kommunikationssystems bestmöglich auszunutzen, um ein optimal angepasstes „Cyber-Physical Networking“ zu erhalten.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist das Schwerpunktprogramm „Cyber-Physical Networking“ bewusst interdisziplinär angelegt: Forscherinnen und Forscher der Regelungs-, Kommunikations- und Informationstechnik sind vertreten. Für den Dialog dieser Gruppen gilt es laut Hirche zunächst, eine gemeinsame Sprache für die Analyse und den Entwurf mathematischer Modelle zu finden. Schon das ist alles andere als trivial, denn die Wissenschaftskulturen und die Terminologie der Fachbereiche sind recht verschieden. „Das“, unterstreicht Hirche, „ist die erste große Herausforderung.“

Ein Teil der im Schwerpunktprogramm geförderten Teilprojekte hat bereits 2016 seine Arbeit aufgenommen. Hierzu gehört auch das von Hirche selbst betreute Vorhaben, in dem sie versucht, Verzögerungen in der Datenübertragung durch die Nutzung von Rechenleistung zu verringern, die in Kommunikationsgeräten wie Routern oder Switches vorhanden ist. „Im Grunde ist es wie beim Schmerz, der entsteht, wenn man einen heißen Topf vom Herd nimmt“, erläutert Hirche. „Bevor da die relevante Information von der Haut als Sensor über die Nervenbahnen zum motorischen Kontrollzentrum im Gehirn gelangt ist, hat der Mensch dank der Verschaltung der Reflexe im Rückenmark schon bis zu fünf Mal schneller reagiert.“

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