DE102008038584A1

DE102008038584A1 - Verfahren zur Zeitsynchronisation eines Koordinators mit Teilnehmern eines Drahtlos-Netzwerkes

Info

Publication number: DE102008038584A1
Application number: DE102008038584A
Authority: DE
Inventors: Jens Grebner; Sven Kerschbaum; Christoph Dr. Weiler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: DE102008038584B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitsynchronisation eines Koordinators mit Teilnehmern eines Drahtlos-Netzwerkes, wobei der Austausch eines Datenpakets zwischen dem Koordinator und den Teilnehmern während Zeitschlitzen eines Zeitzyklus erfolgt, der Koordinator jedem Teilnehmer mindestens einen Zeitschlitz zuteilt und wobei der Beginn eines Zeitzyklus den Teilnehmern durch eine Markierung angezeigt wird. Es werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch welche die Dauer der Zeitsynchronisierung zwischen Koordinator und Teilnehnmern des Drahtlos-Netzwerkes vermindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitsynchronisation eines Koordinators mit Teilnehmern eines Drahtlos-Netzwerkes, wobei der Austausch eines Datenpakets zwischen dem Koordinator und den Teilnehmern während Zeitschlitzen eines Zeitzyklus erfolgt, der Koordinator jedem Teilnehmer mindestens einen Zeitschlitz zuteilt und wobei der Beginn eines Zeitzyklus den Teilnehmern durch eine Markierung angezeigt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Drahtlos-Netzwerk zur Durchführung des Verfahrens sowie ferner einen Koordinator und einen Teilnehmer, welcher zum Einsatz in einem derartigen Drahtlos-Netzwerk geeignet ist.
Aus dem Standard IEEE 802.15.4 ist ein Übertragungsprotokoll für drahtlose Sensornetze bekannt, wobei dieser Standard eine Kommunikation zwischen Teilnehmern verschiedener Hersteller sicherstellt. Das Übertragungsprotokoll zwischen den Teilnehmern regelt ein Koordinator, der jeweils einem Teilnehmer mindestens einen Slot (eine Zeitscheibe) innerhalb eines Frames (innerhalb einer Zykluszeit) zur Datenübertragung bereitstellt. Dabei wird der Beginn eines derartigen Frames durch eine Markierung – durch einen so genannten Beacon – den Teilnehmern angezeigt, mit welcher die Teilnehmer mit dem Koordinator zeitsynchronisiert werden.
Um zu gewährleisten, dass die Teilnehmer, die als Sensor oder als Aktor ausgebildet sein können, möglichst wenig Energie verbrauchen, wird gewöhnlich der Empfänger bzw. der Sender des jeweiligen Teilnehmers passiv geschaltet, was bedeutet, dass in diesem Ruhezustand keine Kommunikation zwischen dem jeweiligen Teilnehmer und dem Koordinator erfolgen kann. Lediglich der Teil des Teilnehmers, welcher zur Aufnahme von Messdaten bzw. welcher zur Ausgabe von Sollwerten vorgesehen ist, ist ständig aktiv geschaltet. Um die Kommunikation zwi schen dem Koordinator und einem Teilnehmer, der einen Ruhezustand einnimmt, zu ermöglichen, wird zunächst dieser Teilnehmer beispielsweise ereignis- oder zeitgesteuert aktiviert. Anschließend muss sich der Teilnehmer mit dem Koordinator synchronisieren, um im Rahmen der Kommunikation ein Datenpaket vom Teilnehmer zum Koordinator oder vom Koordinator zum Teilnehmer übertragen zu können. Die Zeitsynchronisierung erfolgt – wie erwähnt – mittels des Beacons, wobei jeder Teilnehmer nach dem Empfang des Beacons die Uhrzeit zurücksetzt, was bedeutet, dass alle aktivierten Teilnehmer mit dem Koordinator zeitsynchron sind. Dadurch, dass der jeweilige Teilnehmer nach seiner Aktivierung, d. h. nach seiner „Aufwachphase”, zunächst warten muss, bis dieser das Beacon empfängt, wird die Zeitspanne, welche erforderlich ist, um ein Datenpaket zwischen Teilnehmer und Koordinator auszutauschen, verlängert, was bedeutet, dass sich die so genannte Latenzzeit verschlechtert. Im ungünstigsten Fall umfasst die Latenzzeit fast zwei Zeitzyklen, und zwar dann, wenn ein Teilnehmer im ersten Zeitschlitz des Zeitzyklus nach einem Beacon aufwacht, das Datenpaket allerdings erst im letzten Zeitschlitz, der diesem Teilnehmer zugewiesen ist, übermittelt werden kann. Erst mit dem Beacon des folgenden Zeitzyklus synchronisiert sich der Teilnehmer und muss warten, bis im letzten Zeitschlitz dieses Zeitzyklus ein Datenaustausch mit dem Koordinator erfolgen kann. Der Energieverbrauch der Teilnehmer steigt mit der Dauer des eingeschalteten Senders und Empfängers der Teilnehmer stark an, wobei insbesondere dann, wenn eine hohe Anzahl Teilnehmer mit dem Koordinator kommunizieren muss, der Energiebedarf hoch ist; denn eine zunehmende Zahl an Teilnehmern erhöht die Zykluszeit aufgrund der Zunahme der erforderlichen Zeitschlitze, erhöht die Synchronisierungszeiten und somit auch die Latenzzeiten einer Kommunikation, was einen hohen Energiebedarf für die Teilnehmer aufgrund der eingeschalteten Sender und Empfänger der Teilnehmer zur Folge hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Dauer der Zeitsynchronisierung zwischen Koordinator und Teilnehmern des Drahtlos-Netzwerkes vermindert. Ferner ist ein Drahtlos-Netzwerk zu schaffen, welches zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, und darüber hinaus ein Koordinator sowie ein Teilnehmer zum Einsatz in einem derartigen Drahtlos-Netzwerk.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Drahtlos-Netzwerk mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3, im Hinblick auf den Koordinator mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 sowie im Hinblick auf den Teilnehmer mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhaft ist, dass eine deutliche Reduktion der Synchronisierungszeit von „ruhenden” Sensoren bzw. Aktoren erreicht wird. Ferner ergeben sich hieraus minimierte Latenzzeiten beim Übermitteln von Ereignissen nach dem Ruhezustand von Sensoren bzw. Aktoren. Insbesondere werden der zur Synchronisierung benötigte Energiebedarf und damit der gesamte Energiebedarf von Sensoren bzw. Aktoren reduziert, was z. B. zu einer gesteigerten Batterie-Lebensdauer führt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die weitere Markierung nach einer Zeitverzögerung durch den Koordinator eingetragen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Koordinator vor der Eintragung einer weiteren Markierung in den Zeitschlitz diesen zunächst als „ungenutzt” erkennt.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist, werden im Folgenden die Erfindung, deren Ausgestaltungen sowie Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Aufbau einer Zykluszeit eines deterministischen Kommunikationsprotokolls und
2 den Aufbau einer Zeitscheibe einer Zykluszeit.
In 1 ist mit 1 eine Zykluszeit eines deterministischen TDMA (Time Division Multiple Access)-Verfahrens bezeichnet, das als Kommunikationsprotokoll zwischen einem hier nicht dargestellten Koordinator und ebenfalls hier nicht dargestellten Teilnehmern vorgesehen ist. Den Beginn einer Zykluszeit 1 zeigt der Koordinator den Teilnehmern mittels einer Markierung 2 – durch einen so genannten Beacon – an, wobei der Koordinator jedem Teilnehmer mindestens einen Zeitschlitz zur Übertragung eines Datenpakets zuweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die Zykluszeit 1 neun Zeitschlitze Z1, Z2, ... Z9 umfasst, von denen der dritte Zeitschlitz Z3 für einen Aktor und der sechste Zeitschlitz Z6 für einen Sensor reserviert ist, wobei im vorliegenden Beispiel der Koordinator während des dritten Zeitschlitzes Z3 dem Aktor ein Datenpaket D3 und während des sechsten Zeitschlitzes Z6 der Sensor dem Koordinator ein Datenpaket D6 übermittelt. Der Zeitschlitz Z1 ist für die Übermittlung der Markierung 2 reserviert. Aufgrund dessen, dass der Koordinator erkennt, dass lediglich während des dritten und sechsten Zeitschlitzes Z3, Z6 Datenpakete zu übermitteln sind, trägt der Koordinator in die restlichen Zeitschlitze Z2, Z4, Z5, Z7 ... Z9 jeweils eine weitere Markierung 3 – ein „Zusatz-Beacon” – ein, welche wie die Markierung 2 für eine Zeitsynchronisierung der Teilnehmer vorgesehen ist. Es kann nun vorkommen, dass z. B. der Sensor, dem der sechste Zeitschlitz Z6 für die Datenpaket-Übermittlung zugeordnet ist, nach einer Ruhephase, während der die Empfangs- und Sendeeinrichtung des Sensors inaktiv sind, „aufwacht”, d. h. sich aktiviert. Für den Fall, dass sich der Sensor im zweiten Zeitschlitz Z2 beispielsweise aufgrund eines Ereignisses im Rahmen eines zu steuernden technischen Prozesses aktiviert, synchronisiert sich der Sensor aufgrund der weiteren Markierung 3 im Zeitschlitz Z4 bereits nach Empfang dieser Markierung 3. Nach dieser Synchronisierung kann der Sensor bereits während des ihm zugewiesenen Zeitschlitzes Z6 dem Koordinator ein Datenpaket übermitteln und sich anschließend wieder in einen Ruhe zustand versetzen. Von der Aktivierung während des zweiten Zeitschlitzes Z2 bis zur Deaktivierung des Sensors nach dem Zeitschlitz Z6 verstreichen vier Zeitschlitze Z3, Z4, Z5, Z6. Ohne diese weitere Markierung 3 könnte sich der Sensor erst nach der auf den neunten Zeitschlitz Z9 folgenden Markierung 2 synchronisieren, was bedeutet, dass die Sende- und Empfangseinrichtung des Sensors nach dem Aufwachen während des Zeitschlitzes Z2 erst nach dem Verstreichen von insgesamt vierzehn Zeitschlitzen – Zeitschlitze Z3, ..., Z9 während eines Zyklus und Zeitschlitze Z1, ..., Z6 während des folgenden Zyklus – sich wieder deaktivieren könnte. Dies bedeutet wiederum, dass der Energiebedarf im Vergleich zu einer Synchronisation mittels des „Zusatz-Beacons” höher ist.
Um weitgehend sicherzustellen, dass der Koordinator einen „ungenutzten” Zeitschlitz sicher erkennt und in diesen eine weitere Markierung 3 einträgt, ist vorgesehen, dass der Koordinator eine Markierung 3 in einen Zeitschlitz erst nach einer Zeitverzögerung einträgt. In diesem Zusammenhang wird auf 2 verwiesen, in welcher der Aufbau eines Zeitschlitzes Zs dargestellt ist. Dieser Zeitschlitz Zs umfasst eine erste Offsetzeit Ta, welche genutzt wird, um sicherzustellen, dass ein Empfänger eines Teilnehmers sich aktiviert, und um eventuelle Synchronisations-Ungenauigkeiten auszugleichen. Ferner umfasst der Zeitschlitz Zs eine Paketübertragungszeit Tn sowie ferner eine zweite Offsetzeit Tb, welche für einen Empfänger eines Datenpaketes zur Verarbeitung benötigt wird. Nach einer der ersten Offsetzeit Ta folgenden Toleranzzeit Tt, während der der Koordinator den Zeitschlitz Zs als „ungenutzt” erkennt, weil auf die der ersten Offsetzeit Ta folgende Paketübertragungszeit Tn kein Datenpaket übertragen wird, schreibt der Koordinator während einer Markierungszeit Tm bzw. eines Markierungszeitintervalls eine weitere Markierung Ma in den Zeitschlitz Zs ein. Wie beschrieben, ist diese weitere Markierung Ma neben der Markierung 2 – dem Beacon – (1) für die Zeitsynchronisation der Teilnehmer mit dem Koordinator vorgesehen, wobei jeder Teilnehmer nach dem Empfang der weiteren Markierung Ma oder der Markierung 2 die Uhrzeit zurücksetzt, was bedeutet, dass alle aktivierten Teilnehmer mit dem Koordinator zeitsynchron sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Standard IEEE 802.15.4 [0002]

Claims

Verfahren zur Zeitsynchronisation eines Koordinators mit Teilnehmern eines Drahtlos-Netzwerkes, wobei – der Austausch eines Datenpakets (D3, D6) zwischen dem Koordinator und den Teilnehmern während Zeitschlitzen (Z2, ..., Z9; Zs) eines Zeitzyklus (1) erfolgt, – der Koordinator jedem Teilnehmer mindestens einen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) zuteilt, – der Beginn eines Zeitzyklus (1) den Teilnehmern durch eine Markierung (2) angezeigt wird, wobei diese Markierung (2) zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Koordinator in den Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) der Teilnehmer eine weitere Markierung (3; Ma) eingetragen wird, die während des Zeitschlitzes (Z2, ..., Z9; Zs) kein Datenpaket (D3, D6) übertragen, wobei diese weitere Markierung (3; Ma) ebenfalls zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Markierung (3; Ma) nach einer Zeitverzögerung (Tt) durch den Koordinator eingetragen wird.
Drahtlos-Netzwerk mit einem Koordinator und mit mindestens einem mit diesem Koordinator drahtlos verbundenen Teilnehmer, wobei – der Austausch eines Datenpakets (D3, D6) zwischen dem Koordinator und dem mindestens einen Teilnehmer während mindestens einem Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) eines Zeitzyklus (1) erfolgt, – der Koordinator diesen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) dem mindestens einen Teilnehmer zuteilt, – der Beginn eines Zeitzyklus durch eine Markierung (2) angezeigt wird, wobei diese Markierung (2) zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinator in den mindestens einen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) des mindestens einen Teilnehmers eine weitere Markierung (3; Ma) einträgt, falls dieser während des Zeitschlitzes (Z2, ..., Z9; Zs) kein Datenpaket (D3, D6) überträgt, wobei diese weitere Markierung (3; Ma) ebenfalls zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist.
Drahtlos-Netzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinator die weitere Markierung (3; Ma) nach einer Zeitverzögerung (Tt) einträgt.
Koordinator zum Einsatz in einem Drahtlos-Netzwerk nach Anspruch 3 oder 4, wobei – der Koordinator zum drahtlosen Verbinden mit mindestens einem Teilnehmer vorgesehen ist, – der Austausch eines Datenpakets (D3, D6) zwischen dem Koordinator und dem mindestens einen Teilnehmer während mindestens einem Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) eines Zeitzyklus (1) erfolgt, – der Koordinator diesen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) dem mindestens einen Teilnehmer zuteilt, – der Beginn eines Zeitzyklus (1) durch eine Markierung (2) angezeigt wird, wobei diese Markierung (2) zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinator in den mindestens einen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) des mindestens einen Teilnehmers eine weitere Markierung (3; Ma) einträgt, falls dieser während des Zeitschlitzes (Z2, ..., Z9; Zs) kein Datenpaket (D3, D6) überträgt, wobei diese weitere Markierung (3; Ma) ebenfalls zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist.
Koordinator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinator die weitere Markierung (3; Ma) nach einer Zeitverzögerung (Tt) einträgt.
Teilnehmer zum Einsatz in einem Drahtlos-Netzwerk nach Anspruch 3 oder 4, wobei – ein Koordinator zum drahtlosen Verbinden mit dem Teilnehmer vorgesehen ist, – der Austausch eines Datenpakets (D3, D6) zwischen dem Koordinator und dem Teilnehmer während mindestens eines Zeitschlitzes (Z2, ..., Z9; Zs) eines Zeitzyklus (1) erfolgt, – der Koordinator diesen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) dem Teilnehmer zuteilt, – der Beginn eines Zeitzyklus (1) durch eine Markierung (2) angezeigt wird, wobei diese Markierung (2) zur Zeitsynchronisation vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilnehmer eine durch den Koordinator in den mindestens einen Zeitschlitz (Z2, ..., Z9; Zs) eingetragene weitere Markierung (3; Ma) ebenfalls zur Zeitsynchronisation nutzt.