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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitschlitz-basierten Übertragung von Datenpaketen in einem drahtlosen vermaschten Netz sowie ein entsprechendes drahtloses Netz und einen Knoten zur Verwendung in einem solchen drahtlosen Netz.
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Drahtlose vermaschte Netze, welche auch als Mesh-Netze bezeichnet werden, umfassen eine Vielzahl von Knoten, welche über Datenlinks untereinander kommunizieren können. Dabei spezifiziert ein Datenlink eine drahtlose Übertragungsstrecke zwischen einem Knoten und einem Nachbarknoten in dessen Reichweite. Drahtlose Netze werden in einer Vielzahl von technischen Bereichen eingesetzt, in denen ein kabelgebundenes Netz nicht kosteneffizient realisierbar wäre. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Implementierung solcher Netze in industriellen Automatisierungssystemen, beispielsweise in der Form von Sensornetzen. Ein Sensornetz umfasst dabei drahtlos kommunizierende Knoten, in denen Sensoren und/oder Aktoren vorgesehen sind, mit denen z. B. in einer Automatisierungsanlage entsprechende Prozessschritte sensiert werden können und darauf aufbauend Aktionen ausgeführt werden können. Gegebenenfalls sind in dem Sensornetz ferner reine Weiterleitungsknoten zum Weiterleiten von drahtlos übertragenen Daten enthalten. Damit können auch Knotenpaare im Netz kommunizieren, zwischen denen kein direkter Datenlink existiert (Multihop-Kommunikation). Oftmals sind die in dem Sensornetz verwendeten Sensoren bzw. Aktoren rein batteriebetrieben.
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In industriellen Anwendungen ist die Verarbeitung von drahtlos übertragenen Daten oftmals nur dann in sinnvoller Weise möglich, wenn Verzögerungen bzw. Ausfälle bei der Datenübertragung möglichst genau vorhergesagt werden können. Um unerwartete Kollisionen bei der Übertragung von Datenpaketen mehrerer Netzknoten in drahtlosen Netzen zu vermeiden, sind Zeitschlitz-basierte TDMA-Verfahren (TDMA = Time Division Multiple Access) bekannt, bei denen für die drahtlosen Datenlinks in dem Netz exklusiv Zeitschlitze reserviert werden, in denen nur jeweils ein Knotenpaar zur Zeit über einen Datenlink Datenpakete übermittelt darf. In dem aus dem Stand der Technik bekannten Standard WirelessHART wird eine Zeitschlitz-basierte Datenübertragung von Datenpaketen zwischen Knoten eines drahtlosen vermaschten Netzes beschrieben, wobei die Zuweisung der Zeitschlitze über das TSMP-Protokoll (TSMP = Time Synchronized Mesh Protocol) erfolgt.
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Aus der Druckschrift Kunert K. et al: „Predictable Real-Time Communications with Improved Reliability for IEEE 802.15.4 Based Industrial Networks” geht eine Untersuchung von Echtzeiteigenschaften des Wireless HART-Standards hervor, bei dem Übertragungswiederholungen (Retransmissions) auf einer Transportebene realisiert werden.
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Aus der Druckschrift Mangharam, R. et al: „Voice over Sensor Networks” sowie aus der internationalen Veröffentlichungsschrift
WO 2009/018212 A1 werden zum Zwecke einer Quasi-Echtzeitübertragung Zeitschlitze eines Audio-Streams im Standard Wireless HART reserviert.
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Obwohl durch die Zuweisung von Zeitschlitzen unerwartete Kollisionen vermieden werden, können dennoch in bestimmten Situationen nur eingeschränkt zuverlässige Aussagen im Hinblick auf die bei einer Kommunikation zwischen zwei Knoten maximal auftretende Verzögerung bzw. die Erfolgswahrscheinlichkeit einer Datenübertragung getroffen werden. Dies liegt daran, dass im Rahmen der Übertragung über die entsprechenden Datenlinks die im Datennetz durchgeführte Kommunikation eines Knotenpaares nicht weiter von der Kommunikation anderer Knotenpaare separiert werden kann. Insbesondere ist dies der Fall, wenn verschiedene Knotenpaare gemeinsame Datenlinks zur Weiterleitung von Paketen verwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Zeitschlitzbasierte Übertragung von Datenpaketen in einem drahtlosen vermaschten Netz zu schaffen, welche einen höheren Grad an Determinismus im Hinblick auf die im Netz durchgeführten Kommunikationen aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. das drahtlose Netz gemäß Patentanspruch 11 bzw. den Knoten gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Zeitschlitz-basierten Übertragung von Datenpaketen in einem drahtlosen vermaschten Netz mit einer Vielzahl von Knoten. Das Netz ist dabei insbesondere als Sensornetz ausgestaltet, in dem die einzelnen Knoten Sensoren und/oder Aktoren und/oder Weiterleitungsknoten darstellen. Wie bereits oben erwähnt, werden solche Sensornetze insbesondere im industriellen Umfeld, z. B. in Automatisierungsanlagen, eingesetzt.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem Schritt a) für in dem Netz zu übertragende Datenpakete ein oder mehrere Graphen mit jeweiligen Graph-Identitäten gebildet, wobei ein Graph einen oder mehrere Übertragungspfade in dem Netz hin zu einem Zielknoten über einen oder mehrere Datenlinks festlegt. Ein Übertragungspfad besteht somit aus einer Sequenz von Datenlinks zwischen Quelle und Senke. Dabei spezifiziert ein jeweiliger Datenlink eine drahtlose Datenübertragung von einem Knoten zu einem anderen benachbarten Knoten, d. h. ein Datenlink stellt eine direkte drahtlose Verbindung zur Übermittlung von Datenpaketen zwischen zwei Knoten dar. Ein jeweiliges zu übertragendes Datenpaket ist dabei einem Graphen zugeordnet und enthält die Graph-Identität des zugeordneten Graphen.
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Erfindungsgemäß werden in einem Schritt b) auf einem oder mehreren Funkkanälen in zyklisch wiederholten Zeitrahmen ein oder mehrere Zeitschlitze reserviert, welchen jeweils ein Knoten mit zugehörigem und exklusiv in dem jeweiligen Zeitschlitz nutzbarem Datenlink zwischen dem Knoten und einem anderen Knoten zugeordnet ist. Der Zeitrahmen umfasst somit eine Vielzahl von Zeitschlitzen, welche alle bzw. auch nur teilweise zur Reservierung von Datenübertragungen über entsprechende Datenlinks verwendet werden können. Die exklusive Nutzung eines entsprechenden Datenlinks bezieht sich dabei auf die ausschließliche Nutzung in einem einzelnen Funkkanal, d. h. bei Übertragungen über mehrere Funkkanäle kann ein entsprechender Zeitschlitz gegebenenfalls auch parallel für Datenlinks in anderen Funkkanälen genutzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform bezieht sich die exklusive Nutzung eines entsprechenden Datenlinks in einem Zeitschlitz dabei auf die ausschließliche Nutzung eines bestimmten Knotenpaares, dessen Knoten nur einen Kanal gleichzeitig nutzen können. In einem solchen Fall können bei Übertragungen über mehrere Funkkanäle dennoch in einem Zeitschlitz gegebenenfalls andere Knotenpaare parallel Datenlinks nutzen.
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In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens sucht bei oder vor Auftreten eines Zeitschlitzes der dem Zeitschlitz zugeordnete Knoten nach einem von diesem Knoten zu übertragenden Datenpaket, dessen Graph-Identität einem Graph entspricht, der den zum Knoten gehörigen Datenlink umfasst. Die Suche nach dem Datenpaket erfolgt dabei mit einem geeigneten Auswahlverfahren, bei dem die zu übertragenden Datenpakte in einem Puffer hinterlegt sind und über ein entsprechendes Auswahlkriterium bestimmt wird, welches Datenpaket als nächstes aus dem Puffer zur Übertragung verwendet wird. Vorzugsweise ist das Auswahlverfahren dabei derart ausgestaltet, dass ältere Datenpakete in dem Puffer bei der Übertragung bevorzugt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einem Teil der zu Knoten gehörigen Datenlinks, die bei der Reservierung von Zeitschlitzen spezifiziert werden, jeweils eine oder mehrere Graph-Identitäten zugeordnet sind, wobei ein Datenpaket, das in dem obigen Schritt c) von einem Knoten aufgefunden wird, nur dann von dem Knoten über den zugehörigen Datenlink in dem aufgetretenen Zeitschlitz ausgesendet wird, wenn die Graph-Identität des Datenpakets mit einer Graph-Identität des zugehörigen Datenlinks übereinstimmt.
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Erfindungsgemäß erfolgt somit in einem Knoten bei einer anstehenden Datenübertragung eine Überprüfung dahingehend, ob eine Übereinstimmung zwischen für den Datenlink festgelegten Graph-Identitäten mit der Graph-Identität des zu übertragenden Datenpakets vorliegt. Nur wenn eine solche Übereinstimmung festgestellt werden kann, erfolgt die Übertragung des Datenpakets. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden Zeitschlitze somit nur für einen oder mehrere definierte Graphen verwendet und nicht für alle zur Übertragung geeignete Graphen. Auf diese Weise können durch die Definition entsprechender Graphen separate Kommunikationen in dem Netz definiert werden, wobei für einen Zeitschlitz über eine oder mehrere Graph-Identitäten spezifiziert werden kann, für welche Kommunikationen der Zeitschlitz genutzt werden soll. Auf diese Weise wird verhindert, dass Zeitschlitze, welche für eine bestimmte Kommunikation vorgesehen sind, auch von anderen Kommunikationen genutzt werden. Demzufolge ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Datenübertragung mit höherem Determinismus dahingehend, dass zuverlässigere Eigenschaften der Datenübertragung, insbesondere im Hinblick auf Datenverzögerung und Erfolgswahrscheinlichkeit der Datenübertragung, vorhergesagt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere bei einer Datenübertragung gemäß dem oben erwähnten Standard WirelessHART, der dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Dieses, von der HART Communication Foundation entwickelte drahtlose Übertragungsprotokoll definiert u. a. die paketbasierte Datenübertragung auf der L2- bzw. L3-Schicht des OSI-Referenzmodells und verwendet auf der physikalischen L1-Schicht den Übertragungsstandard IEEE 802.15.4. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch gegebenenfalls auch für beliebige andere Datenübertragungen eingesetzt werden, bei denen Übertragungspfade zu einem Zielknoten über eine Vielzahl von Datenlinks und somit über entsprechende Graphen spezifiziert werden. Beispiele für andere Übertragungsstandards, in denen das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann, sind eine Datenübertragung gemäß dem Standard ISA 100.11a und/oder WIA-PA. WIA-PA ist auch unter der Bezeichnung IEC 62601 bekannt.
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Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Graphen mit entsprechenden Graph-Identitäten können je nach Anwendungsfall verschiedene Kommunikationen spezifizieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform spezifiziert zumindest ein Teil der Graphen jeweils einen oder mehrere Übertragungspfade von einem vorgegebenen Quellknoten zu einem vorgegebenen Zielknoten. Das heißt, die Graphen definieren dedizierte Ende-zu-Ende-Kommunikationen in dem drahtlosen Netz. Auf diese Weise können Datenübertragungen zwischen vorbestimmten Kommunikationsendpunkten mit bestimmten Eigenschaften realisiert werden, welche insbesondere zur Übertragung von Nutzdaten, beispielsweise im Rahmen einer Regelschleife in einem Automatisierungssystem, verwendet werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens speichert ein einem Zeitschlitz zugeordneter Knoten den zu diesem Knoten gehörigen Datenlink als Informationsfeld. Dieses Informationsfeld enthält vorzugsweise die Identität des anderen Knoten des Datenlinks und eine Identifikation des Zeitschlitzes sowie des zur Datenübertragung genutzten Funkkanals, wobei das Informationsfeld vorzugsweise ferner einen Übertragungstyp für den Datenlink und/oder weitere Optionen für den Datenlink umfasst. Vorzugsweise enthält das Informationsfeld dabei die Informationen, wie sie für eine Link-Tabelle in der HART-Protokoll-Spezifikation HFC_SPEC-75 definiert sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Informationsfeld des Datenlinks um die Graph-Identität oder Graph-Identitäten des Datenlinks ergänzt. Hierdurch kann auf einfache Weise ermittelt werden, ob ein zu übertragendes Datenpaket aufgrund seiner Graph-Identität über den Datenlink ausgesendet werden darf. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass die Graph-Identität eines in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefundenen Datenpakets mit der Graph-Identität bzw. Graph-Identitäten des entsprechenden Datenlinks verglichen wird, wobei im Falle einer Übereinstimmung der Graph-Identität des Datenpakets mit einer Graph-Identität des Datenlinks die Datenübertragung des Datenpakets von dem entsprechenden Knoten veranlasst wird.
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Das oben beschriebene Informationsfeld, welches in einem Knoten gespeichert ist und den entsprechenden Datenlink spezifiziert, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform von einer Verwaltungseinheit des Netzes an die Knoten übermittelt. Diese Verwaltungseinheit stellt dabei eine zentrale Stelle in dem Datennetz dar, welche vorzugsweise auch die Reservierung der entsprechenden Zeitschlitze für die einzelnen Knoten vornimmt. Nichtsdestotrotz kann das Verfahren der Erfindung gegebenenfalls auch dezentral realisiert sein, d. h. die Reservierung von Zeitschlitzen sowie die Generierung entsprechender Informationsfelder kann auch durch Informationsaustausch der Knoten untereinander ohne zentrale Instanz durchgeführt werden.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zuordnung eines Datenlinks zu einer oder mehreren Graph-Identitäten in einem separaten, zweiten Informationsfeld in dem zugeordneten Knoten gespeichert, wobei sich dieses Informationsfeld von dem oben beschriebenen Informationsfeld unterscheidet. Somit kann alternativ oder zusätzlich zu einer Speicherung der Graph-Identitäten eines Datenlinks in dem oben beschriebenen Informationsfeld ein anderes, separates Informationsfeld zur Hinterlegung dieser Informationen verwendet werden. Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im Rahmen des WirelessHART-Standards kann folglich die in der Protokoll-Spezifikation HFC_SPEC-75 definierte Link-Tabelle gegebenenfalls unverändert bleiben und stattdessen für die Speicherung der Zuordnung eines Datenlinks zu den Graph-Identitäten eine separate Tabelle eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Zuordnung eines Datenlinks zu einer oder mehreren Graph-Identitäten von einer Verwaltungseinheit des Netzes mit einem dafür vorgesehenen Befehl an die Knoten übermittelt. Dieser Befehl kann beispielsweise als neues WirelessHART-Kommando in diesem Standard implementiert werden. Ebenso besteht wiederum die Möglichkeit einer dezentralen Verteilung dieser Information zwischen den Knoten ohne Verwendung einer Verwaltungseinheit. Die Kompatibilität zu Geräten, die die soeben beschriebene Erweiterung nicht implementieren, kann gewährleistet werden, indem das Kommando so gewählt wird, dass es von diesen Geräten ignoriert wird.
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Neben dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung ferner ein drahtloses vermaschtes Netz, insbesondere ein Sensornetz, mit einer Vielzahl von Knoten, welche derart ausgestaltet sind, dass in dem Netz die erfindungsgemäße Zeitschlitz-basierte Übertragung von Datenpaketen durchführbar ist. Insbesondere können auch eine oder mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dieser Datenübertragung in dem Netz durchgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Knoten zur Verwendung in dem soeben beschriebenen drahtlosen Netz. Der Knoten ist dabei derart ausgestaltet, dass er bei Betrieb in dem drahtlosen Netz einem oder mehreren Zeitschlitzen eines Zeitrahmens zugeordnet ist und für jeden Zeitschlitz, dem er zugeordnet ist, einen zugehörigen und exklusiv in dem jeweiligen Zeitschlitz nutzbaren Datenlink zwischen sich und einem anderen Knoten spezifiziert, wobei dem Datenlink eine oder mehrere Graph-Identitäten zugeordnet sind. Der Knoten ist ferner derart ausgestaltet, dass er bei Auftreten eines Zeitschlitzes, dem er zugeordnet ist, nach einem von ihm zu übertragenden Datenpaket sucht, dessen Graph-Identität einem Graphen entspricht, der den zum Knoten gehörigen Datenlink umfasst, wobei ein aufgefundenes Datenpaket dann von dem Knoten über den zugehörigen Datenlink in dem aufgetretenen Zeitschlitz ausgesendet wird, wenn die Graph-Identität des Datenpakets mit einer Graph-Identität des zugehörigen Datenlinks übereinstimmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Datenübertragung in einem drahtlosen Netz gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung der Vergabe von Zeitschlitzen zur Übertragung von Datenpaketen von dem Knoten 5 zu dem Knoten 1 im Netz der 1;
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3 eine schematische Darstellung der Vergabe von Zeitschlitzen zur Übertragung von Datenpaketen sowohl vom Knoten 5 zum Knoten 1 als auch vom Knoten 3 zum Knoten 1 im Netz der 1;
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4 ein Diagramm, welches die im Netz der 1 verursachte Verzögerung bei der Übertragung von Datenpaketen von Knoten 5 zu Knoten 1 verdeutlicht; und
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5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Datenübertragung in dem drahtlosen Netz der 1.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren basierend auf einer drahtlosen Datenübertragung gemäß dem hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannten Standard WirelessHART erläutert. Dieser Standard verwendet auf der physikalischen Schicht eine Datenübertragung gemäß dem Standard IEEE 802.15.4 und legt dabei die Datenübertragung auf der darüber liegenden L2- und L3-Schicht fest. Der Standard WirelessHART beschreibt die Kommunikation zwischen Knoten in drahtlosen vermaschten Netzen und basiert auf einem Zeitschlitz-basierten Medienzugriff, der über das ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte TSMP-Protokoll realisiert ist. WirelessHART wird insbesondere im industriellen Umfeld zur drahtlosen Kommunikation zwischen Geräten von Automatisierungssystemen eingesetzt. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist dabei die Kommunikation in drahtlosen Sensornetzen, in denen zumindest ein Teil der Knoten die Funktionalität eines Sensors und/oder Aktors übernehmen bzw. rein als Weiterleitungsknoten fungieren.
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1 zeigt beispielhaft ein drahtloses Netz aus fünf Knoten 1, 2, 3, 4 und 5, welche in einem durch ein gestricheltes Rechteck R angedeuteten Gebiet verteilt sind, wobei die entsprechenden Positionen der Knoten entlang einer x- und y-Achse in Metern angegeben sind. Die einzelnen Kreise um die Knoten verdeutlichen dabei die entsprechende Reichweite der Knoten. Im Folgenden wird zunächst anhand von 1 eine herkömmliche Übertragung von Datenpaketen basierend auf dem WirelessHART-Standard beschrieben. Dieser Standard verwendet ein sog. Graph-Routing, um Datenpakete zwischen den einzelnen Knoten weiterzuleiten. Dabei definiert ein Graph Routing-Informationen, um Datenpakete zu einem Zielknoten zu übermitteln. Ein Beispiel eines solchen Graphs G ist in 1 durch entsprechende Datenlinks L1, L2, L3, L4 und L5 zwischen den Knoten wiedergegeben. Der Graph G, dem die Graph-Identität GI zugewiesen ist, beschreibt dabei eine Datenübertragung hin zu dem Zielknoten 1, wobei zu dieser Datenübertragung aufeinander folgende Datenlinks genutzt werden können. Ein Graph spezifiziert somit eine Liste von möglichen Pfadstücken, die bei einer Datenübertragung hin zu einem Zielknoten durchlaufen werden. Ein Graph kann dabei gegebenenfalls mehrere Wege zum Ziel beschreiben. Insbesondere kann in dem Graphen G der 1 ein Datenpaket ausgehend vom Knoten 5 sowohl über die Links L1, L4 und L5 als auch über die Links L2, L3 und L5 zu dem Zielknoten 1 übermittelt werden. Ein einzelner Knoten in dem Netz kennt nicht den gesamten Weg entsprechender Datenpakete, sondern lediglich die möglichen Nachbarknoten für die Weiterleitung eines Datenpakets zum Zielknoten.
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Wie bereits oben erwähnt, läuft die Datenübertragung gemäß WirelessHART basierend auf einem Zeitschlitz-basierten Medienzugriff ab. Dabei werden für einen oder mehrere Funkkanäle, welche von den Knoten zur Aussendung von Datenpaketen verwendet werden können, aufeinander folgende Zeitrahmen festgelegt, welche wiederum eine Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitschlitzen umfassen. Für jeden Zeitschlitz kann in einem entsprechenden Funkkanal eine Datenübertragung über einen Datenlink exklusiv reserviert werden, so dass in dem entsprechenden Zeitschlitz Datenpakete ausschließlich über den reservierten Datenlink kollisionsfrei von einem Knoten zu einem anderen übermittelt werden können. Die Reservierung der Zeitschlitze wird dabei vorzugsweise von einem zentralen Netzwerk-Manager vorgenommen, der die Informationen bezüglich der reservierten Zeitschlitze an die Knoten weitergibt. Für jeden der reservierten Datenlinks werden Verwaltungsinformationen basierend auf der nachfolgend dargestellten Link-Tabelle in den entsprechenden Knoten des Netzes hinterlegt:
| Link |
| ID |
| LinkOptions |
| LinkType |
| SlotNumber |
| ChannelOffset |
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In dieser Link-Tabelle, welche der oben erwähnten Tabelle aus der WirelessHART-Spezifikation HFC_SPEC-75 entspricht, bezeichnet „Link” die Identifikation eines Datenlinks, wobei der Datenlink über die weiteren, in der Tabelle enthaltenen Felder spezifiziert wird. Die Tabelle ist dabei in dem Knoten hinterlegt, der auf dem Datenlink in dem entsprechenden reservierten Zeitschlitz Daten zu einem Nachbarknoten übertragen kann. In obiger Tabelle spezifiziert das Feld ID dabei den Nachbarknoten. In dem Feld „LinkOptions” werden weitere Optionen des Datenlinks spezifiziert und über den „LinkType” verschiedene Typen der durchgeführten Datenübertragungen. Die Felder „LinkOptions” und „LinkType” sind für die Erfindung nicht von Bedeutung und werden deshalb nicht weiter beschrieben. Das weitere Feld „SlotNumber” spezifiziert den entsprechenden Zeitschlitz in einem Zeitrahmen, in dem über den Datenlink Daten gesendet werden können. Darüber hinaus spezifiziert das Feld „ChannelOffset” einen in dem entsprechenden Zeitschlitz verwendeten Funkkanal zur Übertragung der Daten über den Datenlink. Die Funkkanäle in dem entsprechenden Zeitschlitz können dabei von Zeitrahmen zu Zeitrahmen basierend auf einem entsprechenden Rotieralgorithmus wechseln, so dass das Feld „ChannelOffset” nicht immer für den gleichen Kanal steht. Nichtsdestotrotz ergibt sich aus dem Feld „ChannelOffset” eindeutig der im entsprechenden Zeitschlitz des Zeitrahmens zu verwendende Funkkanal.
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In 2 ist beispielhaft eine mögliche Vergabe von Zeitschlitzen zur Übertragung von Datenpaketen von dem Knoten 5 hin zu dem Knoten 1 der 1 gezeigt. Es ist dabei ein Zeitrahmen F aus 20 aufeinander folgenden Zeitschlitzen bzw. Slots S0, S1, ..., S19 dargestellt. Der Zeitrahmen basierend dabei auf einer Übertragung im ChannelOffset CO = 0. Gegebenenfalls können in dem Netz weitere Datenübertragungen über entsprechende Zeitrahmen anderer ChannelOffsets ablaufen. In der in 2 dargestellten Zeitschlitz-Reservierung sind die gepunktet dargestellten Zeitschlitze S0 bis S4 für Datenübertragungen von dem Knoten 5 hin zum Knoten 1 reserviert. Dabei wird der Zeitschlitz S0 zur Übertragung von Datenpaketen vom Knoten 5 zum Knoten 3 verwendet, der Zeitschlitz S1 zur Übertragung von Datenpaketen vom Knoten 5 zum Knoten 4, der Zeitschlitz S2 zur Übertragung von Datenpaketen vom Knoten 4 zum Knoten 2, der Zeitschlitz S3 zur Übertragung von Datenpaketen vom Knoten 3 zum Knoten 2 und der Zeitschlitz S4 zur Übertragung von Datenpaketen vom Knoten 2 zum Knoten 1.
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Die zum Knoten 1 zu übertragenden Datenpakete enthalten die bereits oben erwähnte Graph-Identität GI, um hierdurch den Zielknoten zu spezifizieren, an den die Datenpakete zu übermitteln sind. Diese Graph-Identität wird von den einzelnen Knoten im Rahmen eines sog. Schedulers berücksichtigt, um die in einem Knoten in einer Warteschlange aufgelaufenen Datenpakete weiterzuleiten. Der Link-Scheduler ist dabei in dem Standard WirelessHART definiert und wird hier nicht näher erläutert. Dem Link-Scheduler stehen die in der oben beschriebenen Tabelle enthaltenen Informationen zur Verfügung. Herkömmlicherweise arbeitet ein Scheduler dabei derart, dass er in einem entsprechenden Zeitschlitz, in dem der Knoten senden darf, nach Datenpaketen in der Schlange sucht, deren Graph-Identität einem Graph entspricht, der den für den Zeitschlitz nutzbaren Datenlink gemäß obiger Tabelle enthält. Die Datenübertragung ist dabei nicht auf eine vorgegebene Graph-Identität beschränkt, sondern jedes Datenpaket, das gemäß seiner Graph-Identität den für den Zeitschlitz spezifizierten Datenlink umfasst, kann übertragen werden.
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3 zeigt eine weitere mögliche Zeitschlitz-Zuweisung in einem Zeitrahmen F, der analog zu dem Zeitrahmen der 2 wiederum 20 Slots S0, S1, ..., S19 umfasst. Im Unterschied zu 2 werden nunmehr nicht nur Datenpakete vom Knoten 1 zum Knoten 5, sondern auch vom Knoten 3 zum Knoten 1 übertragen. Das heißt, es werden sowohl im Knoten 5 als auch im Knoten 3 Datenpakete generiert, die an den Zielknoten 1 zu übermitteln sind. Gemäß 3 ist der schraffierte Zeitschlitz S0 für eine Datenübertragung auf dem Datenlink L4 von dem Knoten 3 zum Knoten 2 und der schraffierte Zeitschlitz S1 für eine Datenübertragung auf dem Link L5 von dem Knoten 2 zu dem Knoten 1 vorgesehen. Daran anschließend folgen die Zeitschlitze S2 bis S6, welche analog zu 2 gepunktet dargestellt sind und die gleiche Zeitschlitz-Vergabe wie 2, jedoch versetzt um zwei Zeitschlitze nach hinten, repräsentieren. Die Zeitschlitze S0 und S1 sind schraffiert angedeutet. In dem Zeitrahmen F werden ferner die schraffierten Zeitschlitze S10 und S11 nochmals einer entsprechenden Datenübertragung vom Knoten 3 zum Knoten 2 bzw. vom Knoten 2 zum Knoten 1 zugewiesen. Somit erfolgt die Kommunikation vom Knoten 3 zum Knoten 1 mit halber Periode der Kommunikation vom Knoten 5 zum Knoten 1.
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Die in der oben beschriebenen Link-Tabelle enthaltenen Informationen spezifizieren dabei nicht den Quell-Knoten der entsprechend übertragenen Datenpakete. Demzufolge kann aus diesen Informationen nicht auf eine Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten geschlossen werden. Somit kann z. B. der Knoten 3 sowohl von ihm selbst generierte Datenpakete als auch Datenpakete, welche er von dem Knoten 5 empfangen hat, über die Zeitschlitze S0, S5 und S10 übertragen, ohne dass er die jeweiligen Datenpakete im Hinblick auf deren Quellknoten unterscheiden würde. Werden beispielsweise aufgrund von Übertragungsfehlern Datenpakete der Kommunikation zwischen Knoten 5 und Knoten 1 erneut übertragen, könnten diese Datenpakete z. B. auch im Zeitschlitz 5 übermittelt werden, der eigentlich für eine Kommunikation ausgehend vom Knoten 3 vorgesehen ist.
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Geht man von einem Szenario aus, bei dem der Knoten 3 ein Datenpaket zum Zeitpunkt des Zeitschlitzes S9 generiert, so könnte er dieses Datenpaket mit geringer Verzögerung im Zeitschlitz S10 übertragen. Wenn nun allerdings bereits ein Datenpaket der Kommunikation vom Knoten 5 zum Knoten 1 in der Warteschlange im Knoten 3 vorhanden ist, so wird dieses Datenpaket zuerst übertragen, da Datenpakete in dem im Standard WirelessHART beschriebenen Link-Scheduler so übermittelt werden, dass die älteren Pakete in der Warteschlange bevorzugt werden. Somit wird ein Datenpaket der Kommunikation zwischen Knoten 5 und Knoten 1 in einem Zeitschlitz übermittelt, der für eine Übertragung von Datenpaketen vom Knoten 3 zum Knoten 2 vorgesehen ist. Hierdurch wird die Datenübertragung der Kommunikation vom Knoten 3 zum Knoten 1 durch die Kommunikation vom Knoten 5 zum Knoten 1 verzögert. Die beiden Kommunikationen beeinflussen sich somit gegenseitig bezüglich der Verzögerung, wodurch das Verzögerungsverhalten der Kommunikationen schwer für einzelne Verbindungen vorhersagbar ist.
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Das soeben beschriebene Verhalten wird nochmals durch das in 4 gezeigte Histogramm verdeutlicht, welches eine Simulation einer Kommunikation zwischen dem Knoten 5 und dem Knoten 1 der 1 bei einer Paketfehlerwahrscheinlichkeit von 10% für alle Links L1 bis L5 und mit der Zeitschlitz-Vergabe gemäß 3 darstellt. Das Histogramm zeigt in Abhängigkeit von der Verzögerung D in Einheiten von Zeitschlitzen die Häufigkeit von im Zielknoten 1 empfangenen Datenpaketen. Die Verzögerung wird durch die Differenz zwischen dem Zeitpunkt des Empfangs des Datenpakets im Knoten 1 und dem Zeitpunkt des Aussendens des Datenpakets im Knoten 5 repräsentiert. Die Häufigkeit von empfangenen Datenpaketen wird in 4 durch eine Verlässlichkeit R repräsentiert, welche den Anteil der zum jeweiligen Verzögerungszeitpunkt empfangenen Datenpakete an der Gesamtanzahl aller vom Knoten 5 zum Knoten 1 übertragenen Datenpakete wiedergibt, wobei die Gesamtanzahl der Datenpakete auf den Wert 1 normiert ist.
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Alle fehlerfrei übertragenen Datenpakete, die innerhalb der Zeitschlitze S2 bis S6 eines einzelnen Zeitrahmens vom Knoten 5 zum Knoten 1 übermittelt werden, weisen eine Verzögerung von fünf Slots auf und bilden den größten Anteil in dem Histogramm. Des Weiteren werden Datenpakete mit Verzögerungen von 10, 20, 25 und 30 Zeitschlitzen empfangen. Würden nur die Zeitschlitze S2 bis S6 in einem bzw. aufeinander folgenden Zeitrahmen zur Übertragung verwendet werden, so könnten nur Verzögerungen mit 5 Zeitschlitzen, 25 Zeitschlitzen, 45 Zeitschlitzen, 65 Zeitschlitzen usw. in dem Histogramm der 4 auftreten. Wie aus 4 ersichtlich ist, treten jedoch auch Verzögerungen von 10, 20 und 30 Zeitschlitzen auf. Das heißt, Datenpakete der Kommunikation von Knoten 5 zu Knoten 1 werden auch in Zeitschlitzen übertragen, welche eigentlich für die Kommunikation von Knoten 3 zu Knoten 1 vorgesehen sind. Wie bereits oben erwähnt, wird somit die Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen zwei Knoten im Hinblick auf deren Verzögerung bzw. Erfolgswahrscheinlichkeit nicht mehr vorhersagbar. In Netzen für industrielle Anwendungen ist jedoch oftmals eine genau spezifizierbare Qualität der Kommunikation zwischen entsprechenden Knoten erforderlich, um z. B. eine Mindestqualität einer drahtlosen Datenübertragung für bestimmte Arten von Daten zu gewährleisten.
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In der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nunmehr die Möglichkeit geschaffen, die Kommunikationen zwischen Knoten in dem Netz je nach Anforderung zu separieren und dadurch eine Beeinflussung der einzelnen Kommunikationen untereinander zu vermeiden. Auf diese Weise kann eine Datenübertragung mit einem hohen Grad an Determinismus über die separierten Kommunikationswege erreicht werden, d. h. für die einzelnen Kommunikationswege kann eine zuverlässige Aussage im Hinblick auf die Verzögerung bzw. die Erfolgswahrscheinlichkeit der Datenübertragung getroffen werden.
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5 illustriert in dem gleichen Netz wie 1 eine erfindungsgemäße Separierung der Kommunikation von Knoten 5 zu Knoten 1 von der Kommunikation von Knoten 3 zu Knoten 1. In Analogie zu 1 wird wiederum eine Graphstruktur G mit entsprechender Identität GI zur Übertragung von Knoten 5 zu Knoten 1 gebildet, wobei diese Graphstruktur die entsprechenden Datenlinks L1 bis L5 enthält. Die Graphstruktur dient nunmehr jedoch ausschließlich für eine Kommunikation von Knoten 5 zu Knoten 1. Für eine Kommunikation von Knoten 3 zu Knoten 1 wird eine separate Graphstruktur G' mit einer separaten Identität GI' gebildet. Diese Graphstruktur umfasst die gestrichelt angedeuteten Datenlinks L6 und L7, wobei sich der Datenlink L6 von Knoten 3 zu Knoten 2 und der Datenlink L7 von Knoten 2 zu Knoten 1 erstreckt.
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Um nunmehr die beiden Kommunikationen von Knoten
5 zu Knoten
1 bzw. von Knoten
3 zu Knoten
1 zu unterscheiden, wird in der hier beschriebenen Variante der Erfindung in den entsprechenden Knoten eine gegenüber der oben beschriebenen Link-Tabelle erweitere Link-Tabelle verwendet, welche wie folgt lautet:
| Link |
| ID |
| LinkOptions |
| LinkType |
| SlotNumber |
| ChannelOffset |
| GraphID |
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Diese Link-Tabelle enthält alle Felder, die auch in der herkömmlichen Link-Tabelle enthalten sind, so dass der Inhalt dieser Felder hier nicht nochmals beschrieben wird. Im Unterschied zur herkömmlichen Link-Tabelle ist nunmehr jedoch ein zusätzliches Feld „GraphID” vorgesehen, welches für einen Datenlink festlegt, zu welcher Graph-Identität dieser Datenlink gehört. Das heißt, in dem Szenario der 5 enthalten alle Datenlinks L1 bis L5 in der entsprechenden Link-Tabelle die Graph-Identität GI, wohingegen die Datenlinks L6 und L7 die Graph-Identität GI' enthalten. Diese Graph-Identität wird nunmehr im Rahmen des Aussendens bzw. Weiterleitens von Datenpaketen im entsprechenden Knoten derart berücksichtigt, dass die Graph-Identität der Link-Tabelle mit der Graph-Identität des zu übertragenden Datenpakets verglichen wird. Nur wenn das durch den Link-Scheduler zur Übertragung vorgesehene Datenpaket eine Graph-Identität enthält, welche der Graph-Identität in der erweiterten Link-Tabelle entspricht, wird das Datenpaket über den Datenlink ausgesendet.
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Die im Vorangegangenen beschriebene erweiterte Link-Tabelle enthält nur eine einzige Graph-Identität. Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, dass mehrere Graph-Identitäten in der Link-Tabelle hinterlegt werden, so dass eine Datenübertragung eines Datenpakets immer dann stattfindet, wenn eine der Graph-Identitäten der erweiterten Link-Tabelle mit der Graph-Identität des zu übertragenden Datenpakets übereinstimmt. In einer konkreten Implementierung ermittelt ein Knoten, der in einem entsprechenden Zeitschlitz Datenpakete übermitteln darf, zunächst die erlaubten Graphen gemäß den Graph-Identitäten in der in diesem Knoten gespeicherten erweiterten Link-Tabelle. Anschließend werden die erlaubten Graphen mit den Datenpaketen verglichen, die von dem Link-Scheduler als Kandidaten zur Übertragung im Zeitschlitz ermittelt wurden. In dem Zeitschlitz werden dann von diesen Kandidaten nur solche Datenpakete übermittelt, deren Graph-Identität in der Menge der erlaubten Graphen für den Datenlink ist.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann anhand des Histogramms der 4 verdeutlicht werden. Wird die oben beschriebene Separierung der Kommunikation zwischen Knoten 3 und Knoten 1 von der Kommunikation zwischen Knoten 5 und Knoten 1 durchgeführt, werden die in 3 gepunktet dargestellten Zeitschlitze S2 bis S6 ausschließlich für die Kommunikation von Knoten 5 zu Knoten 1 verwendet, wohingegen die schraffiert dargestellten Zeitschlitze S0, S1, S10 und S11 ausschließlich für eine Kommunikation von Knoten 3 zu Knoten 1 eingesetzt werden. Damit werden keine Pakete der Kommunikation von Knoten 5 zu Knoten 1 in den Zeitschlitzen der Kommunikation von Knoten 3 zu Knoten 1 übertragen. Das Histogramm der 1 enthält in diesem Fall dann keine Verzögerungen mit 10, 20, 30 Zeitschlitzen usw., sondern nur noch Verzögerungen mit 5, 25, 45 Zeitschlitzen usw. Auf diese Weise kann für die entsprechenden Ende-zu-Ende-Kommunikationen eine verlässliche Vorhersage für die Verzögerung bzw. die Erfolgswahrscheinlichkeit der Datenübertragung getroffen werden.
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Die oben beschriebene Variante der Spezifikation einer Graph-Identität über eine weitere Link-Tabelle stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, mit der ein Knoten einen Datenlink einem Graphen zuordnen kann. Gegebenenfalls kann die Zuordnung eines Datenlinks zu einem Graphen jedoch auch auf andere Weise realisiert werden, beispielsweise durch ein spezielles WirelessHART-Kommando, das von einem Netzwerk-Manager an die einzelnen Knoten gesendet wird und die für die jeweiligen Datenlinks spezifizierten Graph-Identitäten festlegt.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird in einem drahtlosen Datennetz die Separierung von Kommunikationen ermöglicht. Dies wird durch die Aufteilung der zu separierenden Kommunikationen auf unterschiedlichen Graphen erreicht, die ausschließlich die Pfadstücke für die jeweilige separierte Kommunikation enthalten. Ferner werden die Knoten in dem Datennetz mit zusätzlichen Informationen zu den entsprechenden Datenlinks konfiguriert. Basierend auf diesen Informationen können die Knoten entscheiden, welche Datenlinks (d. h. Kanalkapazitäten) für welche Kommunikationen verwendet werden dürfen, wenn beide Graphen denselben Datenlink verwenden.
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Durch die Erfindung kann eine bessere, im Idealfall vollständige Separierung bei der Übertragung von Nachrichten erreicht werden und somit eine deterministischere Datenübertragung erzielt werden. Der höhere Grad an Determinismus kann die Realisierung bestimmter Anwendungen im industriellen Bereich erleichtern oder überhaupt erst ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. durch eine einfache Erweiterung des WirelessHART-Standards implementiert werden, wobei die Erweiterung durch die Verwendung der oben beschriebenen erweiterten Link-Tabelle in den entsprechenden Knoten bzw. ein spezielles WirelessHART-Kommando erreicht werden kann. Das Verfahren kann dabei kompatibel zu dem derzeit bestehenden WirelessHART-Standard implementiert werden. Geräte, welche nach dem oben beschriebenen Verfahren arbeiten, können damit auch mit Geräten, welche nicht die entsprechende Erweiterung beinhalten, in dem bisher bekannten Umfang zusammenarbeiten.
