CN106664256A - 用于在动态地重新优先排序数据帧的情况下串行传输数据的站点和方法 - Google Patents

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Abstract

用于在具有多个站点的通信网络中借助数据帧串行传输数据的方法，尤其是以载波侦听多路访问和冲突避免方法，所述方法在所述多个站点的通信中具有下列工作步骤：为通过所述多个站点在一个通信信道上要传输的数据帧执行第一优先级分析；通过至少一个第一站点执行第一退避，所述至少一个第一站点具有带有最高优先级的数据帧要传输；如果所述通信信道在所述退避之后是空闲的，则通过所述至少一个第一站点发送第一数据帧；以及，如果在所述至少一个第一站点上缺失传输的确认，则提高第一数据帧的优先级、尤其提高至仅用于未传输的数据帧的重新优先排序的优先级。

Description

用于在动态地重新优先排序数据帧的情况下串行传输数据的 站点和方法
技术领域
本发明涉及一种用于在通信网络中借助数据帧(data frame)、尤其是以载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)传输数据的站点和方法。
背景技术
机动车中的电子系统的数量在过去的数十年内已经强烈增加。因此，机动车的技术装置在此期间具有大量的电子系统，这些电子系统控制机动车并且部分代替机械系统。
因为在传统的电缆铺设中对于每个信息需要一条导线，所以随着机动车电子装置的功能范围增加，电缆束的长度和重量以及控制器上的接头的数量上升。迄今为止，数据总线、尤其是CAN总线(控制器局域网络、Controller Area Network)提供了补救办法，所述数据总线通过两条导线传输所有的信息。这样的数据总线将在运输工具中共同工作的多个控制器相互连接。在此，所连接的控制器可以通过数据总线相互交换信息。为了数据传输，各个控制器在总线系统中相互联网。如果某个站点或者说某个控制器借助数据帧(dataframe)将信息传输到数据总线中，则其它站点或者说控制器可以监视或者说“监听”所述信息。与数据帧中的信息相关的站点使用所述信息，其它站点忽视所述数据帧。
随着应该通过在机动车中存在的总线系统通信的(尤其是来自运输工具的遥控技术、媒体和音频以及自动化领域中的)控制器持续增加，产生这样的问题，即，越来越多的数据量并且因此越来越多的数据帧必须通过存在的总线系统来传输。在此，由于串行的传输方式，在这样的通信网络的数据流中常常产生过载或者说“拥挤”。
与此无关地，运输工具制造商存在这样的期望，即，从经济的和环保的观点出发，尤其是在机动车的驱动装置越来越电气化的背景下，消减机动车的重量并且将系统集成在一起，或者甚至使用用于站点或者说控制器的电力供应的电线作为总线系统，也就是说，通过所述电力供应尤其是按照标准IEEE 1901来设置所谓的PowerLAN、dLAN(direct LAN)或PowerLAN-Communication(PLC)。
例如，在使用通过标准IEEE 1901中的载波侦听多路访问和冲突避免方法的媒体访问时使用一种退避机制，所述退避机制可类比于IEEE 802.11标准的退避机制。附加地定义四种访问优先级(CA0至CA3，其中CA0是最低优先级并且CA3是最高优先级)。在站点可以开始退避过程之前，按照标准实施优先级分析。在优先级分析期间，每个站点在优先级分析间隔中发送信号，以便公布最高优先级，对于所述最高优先级，所述站点当前在其等待队列中具有用于传输的数据帧。如果定义四种访问优先级，则可以通过两个优先级分析间隔或者两个信号或两个位来定义所有的优先级。在优先级分析之后，最高优先级对于在网络中的所有站点是已知的，对于所述最高优先级，站点在相应的等待队列中准备好用于传输的数据帧。仅那些在其等待队列中具有在所述最高优先级中的数据帧的站点允许接着开始退避过程。
所述退避机制用于降低冲突的可能性。为此，站点根据随机抽样原则从预定的时间间隔中选择一个值。所选择的值说明：在站点通过通信信道开始发送尝试之前，所述站点等待多长的持续时间。如果在等待时查明所述通信信道已经被占用，则所述站点暂停退避，并且在所述通信信道经过足够的持续时间再次被识别为空闲的之后继续进行所述退避。
已经从预定的间隔中选择最小的持续时间或者最小的值的那些站点在退避时激活其传输。
除此此外，在IEEE 1901标准中定义，站点监视其在执行退避过程时被中断多少次。退避参数“迟延计数器”说明：站点直到其开始重新的退避过程允许被中断多少次。在所述重新的退避过程中，增大用于随机选择等待时间的值的间隔，以便降低与其它站点的冲突可能性。这应该在通信信道的负荷高(这通常由在通信网络中的站点的高的数量造成)时进一步降低冲突可能性，因为由此增大在退避中可选择的值的数量并且因此降低冲突可能性。
对于如典型地在家庭网络区域中存在的站点数量相对小的情况，由优先级分析和退避机制构成的组合可靠地工作。然而，如果站点的数量明显上升，则退避机制可能不再足以降低冲突可能性，因为存在非常多具有相同的优先级的数据帧。结果是在通信信道上发生冲突的数据帧的数量增加，这又导致通信信道的负荷增加，因为冲突的数据帧被重新传输。由站点借助于确认(acknowledgement-ACK)的缺失识别出数据帧的冲突或者未传输。
US 2005/0141480 A1公开了一种用于在无线与有线网络之间传输多媒体数据的方法。所述方法包括第一网络的第一通信协议类型的数据帧的生效以及将所接收的数据帧转化为第二通信协议类型的数据帧，其中，基于所接收的数据帧的包信息来确定被转化到第二通信协议类型的数据帧的传输优先顺序。基于所确定的传输优先顺序将所述数据帧传输给第二网络。
发明内容
本发明的任务是，提供一种设备和一种方法，以便改善串行数据传输，尤其是以便防止通信期间在一个通信信道上发生冲突的数据帧的数量增加。
所述任务通过一种根据权利要求1的用于数据传输的站点、一种根据权利要求4的用于运行站点的方法以及一种根据权利要求5的用于数据传输的方法来解决。有利的设计方案在从属权利要求中要求保护。
按照本发明的用于在通信网络中借助数据帧、尤其是以载波侦听多路访问和冲突避免方法传输数据的站点具有第一分类装置，所述第一分类装置设置用于执行针对自身(eigens)传输的数据帧的第一优先级分析；所述站点还优选具有处理装置，所述处理装置设置用于查明自身的要传输的数据帧是否具有最高优先级，以及具有选择装置，所述选择装置设置用于当自身的数据帧具有最高优先级时进行退避。所述站点还优选具有发送装置，所述发送装置设置用于发送数据帧；以及具有重新优先排序的装置，所述重新优先排序的装置设置用于当缺失传输的确认时提高自身的数据帧的优先级、尤其是提高至仅用于冲突的或者未传输的数据帧的优先等级。
按照本发明的用于运行如下站点的方法，所述站点用于在通信网络中以载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)借助数据帧传输数据，所述方法在通信中优选具有下列工作步骤：为自身的在一个通信信道上要传输的数据帧执行第一优先级分析；查明自身的要传输的数据帧是否具有最高优先级；如果自身的数据帧具有最高优先级，则进行退避；如果所述通信信道在所述退避之后是空闲的，则发送自身的数据帧；以及，如果缺失传输的确认，则提高自身的数据帧的优先级、尤其是提高至仅用于冲突的或者未传输的数据帧的优先等级。
按照本发明的用于在具有多个站点的通信网络中借助数据帧(data frame)以载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)传输数据的方法在所述多个站点的通信中优选具有下列工作步骤：为通过所述多个站点在一个通信信道上要传输的数据帧执行第一优先级分析；通过至少一个第一站点执行退避，所述至少一个第一站点具有带有最高优先级的第一数据帧要传输；如果所述通信信道在所述退避之后是空闲的，则通过所述至少一个第一站点发送第一数据帧；以及，如果在所述至少一个第一站点上缺失传输的确认，则提高第一数据帧的优先级、尤其是提高至仅用于冲突的或者未传输的数据帧的重新优先排序的优先级。
在本发明的意义上，站点是在通信网络中通信的参与者。
在本发明的意义上，数据帧(data frame)是协议的一种数据单元。数据帧优选包括目标地址和源地址、用于数据流控制的控制信息、数据包的有效数据和/或用于确保数据完整性的校验和。
在本发明的意义上，通信信道是一种可以共同被多个站点使用的传输媒介。
在本发明的意义上，优先级分析包括对各个数据帧或者包含所述数据帧的消息检查预定义的用于所述数据帧的优先级以及鉴定具有最高优先级的数据帧或者优选包括在多个数据帧或者包含所述数据帧的消息之间的优先级分级。
在本发明的意义上，退避是一种用于防止在一个通信信道上传输不同站点的数据帧或者消息时发生冲突的机制，在所述机制中，每个站点从预定义的时间点出发等待一段优选根据随机抽样原则选择的持续时间，以便开始传输。
在本发明的意义上，重新优先排序是指优先级的改变，数据帧或者包含所述数据帧的消息应该以所述优先级传输。
本发明基于这样的方案，即，动态地管理分配给要传输的数据帧的优先级。如果通过站点查明，由所述站点发送的数据帧与另一传输发生冲突，这尤其通过确认(acknowledgement)的缺失而识别出，则将所述数据帧提高至其它的、尤其是更高的并且按照标准未使用的优先等级。由此实现，在下一次发送尝试时基本上仅针对在上一次的发送尝试时发生冲突的那些数据帧开始退避。由此，要传输的数据帧(针对所述数据帧执行退避)的数量不增加。由此，与增大的间隔相互配合地甚至降低再次冲突的可能性，所述间隔用于在退避(“迟延计数器”)中随机选择发送开始。本发明尤其可以在IEEE 1901PowerLAN标准中使用，但也在用于串行数据传输的任意其他类型的方法中使用。
在按照本发明的用于串行数据传输的方法的一种有利的设计方案中，所述方法还具有下列工作步骤中的至少一个工作步骤：为通过所述多个站点在所述通信信道上要传输的数据帧执行第二优先级分析；通过至少一个第二站点执行退避，所述站点具有最高优先级的第二数据帧要传输；以及，如果所述通信信道在所述退避之后是空闲的，则通过所述至少一个第二站点发送第二数据帧。
在按照本发明的方法的所述有利的设计方案中，在所述优先级分析中原则上可以激活在其等待队列中具有要发送的数据帧的所有站点。仅那些具有带有最高优先级的数据帧要传输的站点开始所述退避。由此确保，如果在上一次退避之后在较低的优先级中出现冲突，则所述冲突不妨碍具有较高的优先级的数据帧在下一个传输周期中的传输。然而，通常其传输优先级被提高的那些数据帧具有最高优先级，从而再次在所述第一数据帧或者消息之间执行第二退避。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，所述方法还具有下列工作步骤中的至少一个工作步骤：为通过所述多个站点在所述通信信道上要传输的数据帧执行第二优先级分析；通过至少两个第一站点执行第二退避，所述至少两个第一站点具有带有提高的优先级的第一数据帧要传输；以及，如果所述通信信道在所述第二退避之后是空闲的，则通过至少一个第一站点发送第一数据帧。
在所述有利的设计方案中，在所述第二优先级分析之后，仅如下那些站点激活，所述站点的数据帧或者包含所述数据帧的消息在第一传输尝试时发生冲突并且因此配设有提高的优先级。由此确保，冲突的数据帧可以在没有另外的时间延迟的情况下传输。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，用于选择第二退避的发送开始的间隔比用于选择第一退避的发送开始的间隔更长。
通过延长间隔产生更多的可能性以用于为参与退避的站点开始发送过程。由此降低再次冲突的可能性。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，所述方法具有四种可能的用于数据帧的优先级。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，所述方法具有按照标准的优先级和至少一种重新优先排序的优先级。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，始终将优先级提高至重新优先排序的优先级。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，所述方法具有多种按照标准的优先级、尤其是两种按照标准的优先级并且具有相同数量的重新优先排序的优先级。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，重新优先排序的优先级相应地设置在按照标准的优先级上面，并且始终将所述优先级提高至位于上面的重新优先排序的优先级。
通过为不同的按照标准的输出优先级设置不同的重新优先排序的优先级，可以在重新优先排序之后实现优先级的分级。如果在对具有较低的优先级的数据帧重新优先排序之后在站点的队列中仍然存在具有较高优先的按照标准的优先级的数据帧，则这一数据帧优选可以在没有延迟的情况下传输。
在按照本发明的方法的另一种有利的设计方案中，具有重新优先排序的优先级的数据帧在优先级分析中被分为比具有按照标准的优先级的数据帧更高的优先级。
在本发明的上述各方面中公开的特征以及所属的用于借助数据帧的串行传输数据的方法的进一步扩展方案的和所属的用于运行用于串行传输数据的站点的方法的公开的特征同样相应地适合于用于串行传输数据的站点。
附图说明
本发明的其它特征、优点和应用可能性从以下结合附图的说明中得出。其中：
图1示出通信网络的部分示意图，按照本发明的方法在所述通信网络中得到应用；
图2示出按照本发明的在第一实施方式中的重新优先排序的的示意框图；
图3示出按照本发明的在第二实施方式中的重新优先排序的的示意框图；以及
图4示出按照本发明的用于串行传输数据的和用于运行按照本发明的站点的方法的部分示意框图。
具体实施方式
在图1中示出通信网络的一个例子，在所述通信网络中优选使用按照本发明的用于串行数据传输的方法。所述通信网络具有多个站点2a、2b、2c、2d...，在所述通信网络中又优选使用按照本发明的用于运行站点的方法。所述站点例如是控制器并且尤其是串行数据传输的参与者。所述通信网络1尤其是涉及运输工具、尤其是机动车的通信网络，并且所述站点或者说控制器2a至2d控制或者说实现行驶运行的不同功能或者其它功能、例如运输工具的多媒体功能。在通信网络1中，各个站点2a至2d能通过一个共同使用的通信信道3连接。所述通信网络1优选涉及WLAN网络、CAN网络、PowerLAN网络、无线电网络等，从而在物理层上的通信信道可以是有线地、光学地或者声学地实现。
在图2中示意地示出数据包的四种优先级CA0、CA1、CA2、CA3。在所示的实施方式中具有三种标准优先级CA0、CA1和CA2。优先级CA3是一种重新优先排序的优先级，将所述重新优先排序的优先级分配给所有的经历重新优先排序的的数据帧或者消息。
图3示出在一个通信信道3上的数据帧的可能的优先级的第二实施方式。在所述实施方式中存在两种按照标准的通过虚线的外边缘标记的优先级CA0和CA2。在此，所述按照标准的优先级分别重新优先排序为分开的重新优先排序的优先级CA1和CA3。相对于重新优先排序为一个按照标准的最高优先级(如在图2的实施方式中所示的那样)，这提供这样的优点，即，具有高的优先级CA2的消息(尽管所述消息应该在数据帧从按照标准的优先级CA0重新优先排序为重新优先排序的优先级CA1之后发送)仍然可以在没有时间延迟的情况下发送，因为忽视具有优先级CA1的数据帧。
图4示出按照本发明的用于串行传输数据的方法的一种实施方式的部分示意框图。工作步骤的各方面对于有利的设计方案以虚线示出。在此，执行工作步骤的顺序优选如示出的那样，但是也可以与该顺序有所出入。
优选地，在按照本发明的方法中通过每个站点进行101优先级分析。在所述优先级分析中检验：自身的要传输的数据帧相比于其它站点打算(一起)传输的数据帧是否具有最高优先级。如果查明自身的数据帧不具有最高优先级，则相应的站点进入等待状态102、103(N)，在所述等待状态中，所述站点监视在通信信道3上的通信亦或进入静止状态直到下一个优先级分析。而如果一个站点查明，在其等待队列中出现具有最高优先级的数据帧102、202(Y)，则通过相应的站点执行103、203退避。在所述退避中，相应的站点等待一段随机的时间间隔，直到所述站点开始发送具有最高优先级的数据帧或者具有最高优先级的数据帧的消息。在所述退避的框架中，紧邻开始发送前再检验一次，所述通信信道3是否被占用。如果另一站点已经开始传输，则所述通信信道被占用并且相应的站点同样进入等待状态103、203(N)。如果所述通信信道未被占用103、203(Y)，则所述站点发送数据帧104、204。如果所述站点接着接收到已经传输数据帧的确认105、205(Y)，则所述方法优选重头开始。如果所述站点没有接收到任何确认105、205(Y)，则所述站点知道，存在与其它数据帧的冲突并且所述数据帧未被传送。然后，优选提高106、206未发送的数据帧的优先级。尤其是为此设置重新优先排序的优先级CA3或CA1、CA3，如在图2和3的实施方式中所示的那样，所述重新优先排序的优先级仅用于未传输的或者冲突的数据帧。同样在这种情况下再次开始为在通信信道3上要传输的数据帧进行优先级分析，并且查明在被重新优先排序的的数据帧的等待队列中的数据帧是否具有最高优先级108、208。根据重新优先排序的优先级CA1、CA3是否是最高可能的优先级108、208(Y)或者是否也存在较高的按照标准的优先级108、208(N)，仅那些已经在上一步骤中进行了重新优先排序的站点激活。与此相关地执行另一退避，具有最高优先级的或者提高的优先级的数据帧的站点参与所述退避109、209a；109b、209b。在所述退避中未激活的站点再次进入等待状态109、209a；109b、209b(N)。在所述退避中激活109、209a；109b、209b(Y)的那些站点发送数据帧110、210。优选重复所述方法，直到由站点2a至2d结束在通信网络1中的通信。
附图标记列表
通信网络 1
站点 2a、2b、2c、2d
通信信道 3
优先级 CA0、CA1、CA2、CA3

Claims (16)

1.用于在通信网络(1)中借助数据帧(data frame)串行传输数据的站点(2a、2b、2c、2d)，尤其是以载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)，所述站点具有：
分类装置，所述分类装置设置用于为自身的在一个通信信道(3)上要传输的数据帧执行第一优先级分析；
处理装置，所述处理装置设置用于查明自身的要传输的数据帧是否具有最高优先级；
选择装置，所述选择装置设置用于当自身的数据帧具有最高优先级时进行第一退避；
发送装置，所述发送装置设置用于发送数据帧；以及
重新优先排序的装置，所述重新优先排序的装置设置用于当缺失传输的确认时提高自身的数据帧的优先级、尤其是提高至仅用于未传输的数据帧的优先等级。
2.通信网络(1)，尤其是用于在一个共同的通信信道(3)上的无线电通信或者电线通信，优选借助载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)或者时分多址方法(TDMA)，所述通信网络具有多个根据权利要求1所述的站点(2a、2b、2c、2d)。
3.具有根据权利要求2所述的通信网络(1)的运输工具。
4.用于运行站点(2a、2b、2c、2d)的方法(100)，所述站点用于在通信网络(1)中借助数据帧(data frame)的串行传输数据，尤其是以载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)，所述方法具有下列工作步骤：
为自身的在一个通信信道(3)上要传输的第一数据帧执行(101)第一优先级分析；
查明(102)自身的要传输的第一数据帧是否具有最高优先级；
如果自身的第一数据帧具有最高优先级，则进行(103)第一退避；
如果所述通信信道在所述退避之后是空闲的，则发送(104)自身的第一数据帧；以及
如果缺失传输的确认，则提高(106)自身的第一数据帧的优先级、尤其是提高至仅用于未传输的数据帧的优先等级。
5.用于在具有多个站点(2a、2b、2c、2d)的通信网络中借助数据帧(data frame)串行传输数据的方法(200)，尤其是一种载波侦听多路访问和冲突避免方法(CSMA/CA)，所述方法在所述多个站点(2a、2b、2c、2d)的通信中具有下列工作步骤：
为通过所述多个站点(2a、2b、2c、2d)在一个通信信道(3)上要传输的数据帧执行(201)第一优先级分析；
通过至少一个第一站点(2a、2b、2c、2d)执行(203)第一退避，所述至少一个第一站点具有带有最高优先级的数据帧要传输；
如果所述通信信道(3)在所述退避之后是空闲的，则通过所述至少一个第一站点(2a、2b、2c、2d)发送(204)第一数据帧；以及
如果在所述至少一个第一站点(2a、2b、2c、2d)上缺失传输的确认，则提高(206)第一数据帧的优先级、尤其是提高至仅用于未传输的数据帧的重新优先排序的优先级(CA3)。
6.根据权利要求4或5所述的方法(100、200)，还具有下列工作步骤中的至少一个工作步骤：
为通过所述多个站点(2a、2b、2c、2d)要在所述通信信道(3)上传输的数据帧执行(107、207)第二优先级分析；
通过至少一个第二站点(2a、2b、2c、2d)执行(109a、209a)第二退避，所述至少一个第二站点具有带有最高优先级的数据帧要传输；以及
如果所述通信信道(3)在所述第二退避之后是空闲的，则通过所述至少一个第二站点(2a、2b、2c、2d)发送(110、210)第二数据帧。
7.根据权利要求4或5所述的方法(100、200)，还具有下列工作步骤中的至少一个工作步骤：
为通过所述多个站点(2a、2b、2c、2d)在所述通信信道(3)上要传输的数据帧执行(107、207)第二优先级分析；
通过至少两个第一站点(2a、2b、2c、2d)执行(109b、209b)第二退避，所述至少两个第一站点具有带有提高的优先级的第一数据帧要传输；以及
如果所述通信信道在所述第二退避之后是空闲的，则通过至少一个第一站点(2a、2b、2c、2d)发送(110、210)第一数据帧。
8.根据权利要求6或7所述的方法(100、200)，其中，用于选择第二退避的发送开始的第二间隔比第一退避的相应的第一间隔更长。
9.根据权利要求5至8之一所述的方法(100、200)，所述方法具有四种可能的优先级(CA0、CA1、CA2、CA3)。
10.根据权利要求5至8之一所述的方法(100、200)，所述方法具有按照标准的优先级(CA0、CA1、CA2)和至少一种重新优先排序的优先级(CA3)。
11.根据权利要求10所述的方法(100、200)，其中，始终将所述优先级提高(106、206)至所述重新优先排序的优先级(CA3)。
12.根据权利要求4至11之一所述的方法(100、200)，所述方法具有多个按照标准的优先级(CA0、CA2)、尤其是两种按照标准的优先级(CA0、CA2)并且具有相同数量的重新优先排序的优先级(CA1、CA3)。
13.根据权利要求12所述的方法(100、200)，其中，重新优先排序的优先级(CA1；CA3)相应地设置在按照标准的优先级(CA0；CA2)上面，并且始终将所述优先级提高(106、206)至位于上面的重新优先排序的优先级(CA3)。
14.根据权利要求9至13所述的方法(100、200)，其中，具有重新优先排序的优先级(CA1、CA3)的数据帧在优先级分析中被分为比具有按照标准的优先级(CA0；CA2)的数据帧更高的优先级。
15.计算机程序，所述计算机程序具有这样的命令，当由计算机执行所述命令时，所述命令促使所述计算机执行根据权利要求4至14之一所述的方法的步骤。
16.计算机可读的媒介，在所述计算机可读的媒介上存储根据权利要求15所述的计算机程序。
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