DE102009012818A1 - Fehlertolerante Echtzeit-Datenübertragung für Ethernet - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines fehlertoleranten Echtzeit-Ethernet, wobei ein Datenstrom vor einer Übertragung komprimiert und codiert wird, wobei zur Kodierung ein Code verwendet wird, der eine Fehleraufdeckung und Korrektur zulässt, wobei dies insbesondere ein Viterbi-Code und/oder ein Reed-Solomon-Code ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein fehlertolerantes Echtzeitübertragungssystem für ein industrielles Ethernet.
• Bekannte Kommunikations-Protokolle im Industriebereich wie Profiaus^®, ProfiNet^®, CAN^®, DeviceNet^® etc. nutzen einen CRC über die Nutzdaten, um Protokollverfälschungen aufdecken zu können. Je nach Bedarf an Fehlersicherheit können unterschiedlich ”propere” CRC-Algorithmen angewendet werden. Generell ermöglicht ein CRC allerdings nur die Aufdeckung einer Protokollverfälschung, nicht jedoch deren Korrektur. Tritt also ein Protokollfehler auf, wird dieser erkannt. Das betroffene Protokoll wird verworfen und muss noch einmal gesendet werden. Je nach Schärfe der Echtzeit-Anforderung ist eine solche Protokollwiederholung jedoch nicht immer ohne Auswirkungen auf den Prozess möglich. Im schlimmsten Falle müssen die betroffenen Busteilnehmer ggf. stillgesetzt werden.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Echtzeit-Datenübertragung in einem Ethernet zu verbessern.
• Da Telegrammwiederholungen oftmals nicht tolerierbar sind und eine Korrektur über CRC nicht möglich ist, sind Protokollfehler durch entsprechend robuste Auslegung der Übertragungsstrecke zu verhindern. Dies führt allerdings bei steigenden Anforderungen an die zu Übertragenden Datenraten zu Problemen in der Auslegung der Hardware und erhöht die Kosten.
• In industriellen Applikationen hält das im PC-Bereich bereits weit verbreitete Ethernet mehr und mehr Einzug. Hier stehen im Vergleich zu den bisherigen industriellen Übertragungs standards wie RS232, RS422 und RS485 deutlich höhere Datenraten zur Verfügung. Im Industriebereich sind derzeit 100 Mbit, 1 Gbit Standard üblich, jedoch sind 10 Gbit und mehr sicherlich bald gängig. Die höheren Datenraten übersteigen derzeit noch das im Industriebereich notwendige. Vorteilhaft werden vorhandene Übertragungsressourcen genutzt, um die Fehlersicherheit der Übertragung zu verbessern. Dies geschieht beispielsweise so, dass der Datenstrom vor der Übertragung komprimiert und codiert (Komprimierung optional) wird. Die Kodierung erfolgt mit einem Code, der eine Fehleraufdeckung und Korrektur zulässt (z. Bsp. Viterbi, Reed-Solomon u. a.). Dabei können vorteilhaft auch mehrere Kodierungsverfahren nacheinander angewendet werden. So kann z. Bsp. ein Viterbi-Code per SW auf die Daten angewendet werden, wonach eine Hardware HW vor der Übertragung noch einen Reed-Solomon-Code auf das Datenpaket anwendet. Nachdem jede Kodierung zur Fehlerkorrektur die zu übertragende Datenmenge anwachsen lässt, können die Daten vor der Übertragung und Kodierung noch komprimiert werden, um die Kapazität im Datenkanal möglichst gut auszuschöpfen und die Laufzeit gering zu halten. Auf der Empfängerseite geschieht dann die De-Kodierung und das Entpacken, wobei ggf. aufgetretene Fehler korrigiert werden können. Der Einsatz von zusätzlichen Fehlersicherungsalgorithmen ist optional möglich.
• Zur Verbesserung der Datenübertragung im Industriebereich können Anleihen aus der Mobiltelefonie genommen werden. Aus digitalen drahtlosen Übertragungsstandards (GSM, UMTS, u. a.) sind verschiedene Datenübertragungsverfahren bekannt um selbst bei schwerwiegenden Störungen des Übertragungskanals noch eine Übertragung zu ermöglichen. In der EP 0 905 939 wird eine Methode zur Kompression und Fehlerkorrektur in Datennetzen beschrieben, wobei der Kodierungsmechanismus sich an ändernde Kanaleigenschaften anpassen kann (adaptive Codie rung). Bei der fehlersicheren Echtzeit-Kommunikation wird nun der gleiche Ansatz bei einem ”guten” Kanal dazu verwendet, dass Fehler vollständig vermieden werden können. Dadurch kann die Qualität einer drahtgebundenen echtzeitfähigen Datenübertragung in einer Industriekommunikationsstrecke verbessert werden. Die Kodierung (vorzugsweise in HW) hat den Effekt, dass Fehler auf der Übertragungsstrecke nicht nur erkannt, sondern beim Empfänger auch korrigiert werden können. Damit kann im Fehlerfalle eine Protokollwiderholung oder eine Abschaltung des Busteilnehmers vermieden werden. Der Übertragungskanal und damit die verwendete HW kann bei entsprechend gewählten Korrekturalgorithmen ggf. günstiger/preiswerter gestaltet werden. In diesem Zusammenhang kann ein Symbole = 8 bit und ein Codeword = 64 Symbole = 255 bit verwendet werden. Da beim reinen RS-Code für die Korrektur zwei Prüfsymbole für jeden Fehler benötigt werden, führt dies zu einer Gesamtsumme von 32 Prüfsymbolen und 223 Informationssymbolen pro Codeword (255 bit). D. h. bei einem Übertragungs-Mehraufwand von 12,5% könnten 16 Bitfehler in 255 bit Nutzdaten korrigiert werden. Außerdem kann der Reed-Solomon-Code auf einer Symbolbasis verschachtelt werden (Stichwort: Interleaving), bevor er übertragen wird. Da dies die RS-Symbole in einem Codeword trennt, wird es weniger wahrscheinlich, dass eine Störung im Kanal mehr als ein Symbol in einem Codeword zerstört.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - EP 0905939 [0006]

Claims (1)

1. Verfahren zum Betrieb eines fehlertoleranten Echtzeit-Ethernet, wobei ein Datenstrom vor einer Übertragung komprimiert und codiert wird, wobei zur Kodierung ein Code verwendet wird der eine Fehleraufdeckung und Korrektur zulässt, wobei dies insbesondere ein Viterbi-Code und/oder ein Reed-Solomon-Code ist.