DE102012207120A1

DE102012207120A1 - Eingabe-/Ausgabevorrichtungen, Netzwerk, Systeme und Verfahren mit priorisiertem On-Demand-Routing Protokoll für Mehrweg-Funkübertragung

Info

Publication number: DE102012207120A1
Application number: DE102012207120A
Authority: DE
Inventors: Harry John Courtice
Original assignee: Cooper Technologies Co
Current assignee: NATBREWAY PTY LTD ATF NATBREWAY UNIT TRUST, AU
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-05-23
Also published as: CN102769564B; CA2775416A1; CN102769564A; CN107509235A; AU2012202451A1; US9832707B2; US20140036694A1; US8599759B2; US20120275490A1; AU2012202451B2; CA2775416C

Abstract

Vorrichtungen, Netzwerke, Systeme und Verfahren zum Koordinieren von Übertragungen in Mehrweg-Funkübertragungs-Maschennetzen schließen ein, dass Antworten auf Routen-Anforderungen auf Basis verfügbarer Weg-Metriken verzögert werden, um zu gewährleisten, dass die besten verfügbaren Verbindungs-Routen durch das Netzwerk ermittelt und genutzt werden können.

Description

Hintergrund der Erfindung
Das Gebiet der Erfindung betrifft im Allgemeinen Eingabe-/Ausgabevorrichtungen zum drahtlosen Übertragen von Daten in industriellen Überwachungs- und Steuersystemen und insbesondere Funkfrequenz-Maschennetz-Kommunikationssysteme.
Systeme zur Überwachung, Steuerung und Datenerfassung, sogenannte SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition systems), werden verbreitet zum Überwachen und Steuern aller Arten industrieller Prozesse eingesetzt. Derartige SCADA-Systeme schließen üblicherweise eine Anzahl fernüberwachter Standorte ein, die Sensoren enthalten, und mit den Sensoren an jedem der fernüberwachten Standorte zusammenhängende Daten und Information werden über ein Kommunikations-Netzwerk zu anderen Standorten und schließlich zu einem zentralen Computersystem überfragen, das erfasste Daten verwaltet und Funktion des industriellen Prozesses, Ausrüstungen oder Einrichtungen steuert, die mit den industriellen Prozessen zusammenhängen. Desgleichen können Steuerbefehle unter Verwendung des Kommunikations-Netzwerks zu den entfernten Standorten gesendet werden. Bei bestimmten Einsatzzwecken ist die Verwendung von Lang- und/oder Kurzstrecken-Funkvorrichtungen in den Datenübertragungs-Netzwerken außerordentlich vorteilhaft und so sind in bestimmten Industriezweigen für SCADA-Systeme im Allgemeinen RF-Kommunikationsvorrichtungen eingesetzt worden.
Bei industriellen Datenübertragungs-Systemen für Überwachungs- und Steuerzwecke nach dem Stand der Technik wird Spreizspektrum-HF-Technologie mit Frequenzsprung, sog. ”Frequency Hopping”, in Maschennetz-Topologien implementiert. In derartigen Systemen wird eine Anzahl von Funkvorrichtungen angeordnet, um ein Kommunikations-Netzwerk einzurichten, wobei jede Funkvorrichtung mit mehreren anderen Vorrichtungen in dem Netzwerk kommunizieren kann. Mit der Spreizspektrum-Technik (spread spectrum technique) wird die HF-Energie über einen vorgegebenen Kommunikationskanal bzw. vorgegebene Kommunikationskanäle gespreizt, um den Effekt von Interferenz beim Betrieb des Netzwerks zu reduzieren, während es das Frequency Hopping den Funkvorrichtungen gestattet, mehrere Frequenzen zu nutzen. Durch diese Frequenz-Diversity wird die Robustheit jedes Signalweges zwischen Funkvorrichtungen in dem Netzwerk verbessert, und es können effektiv Interferenz, störende Reflektionen oder sogenannte Null-Spots beseitigt werden, durch die ansonsten Übertragungen unterbrochen werden. Maschenvernetzung der Funkvorrichtungen schafft des Weiteren redundante Signalwege, so dass, selbst wenn bestimmte Signalwege für Datenübertragung nicht mehr verfügbar oder funktionstüchtig sind, Übertragungen dennoch unter Verwendung alternativer Signalwege durchgeführt werden können.
Obwohl Funkfrequenz-Maschennetze mit Frequency Hopping in vielen Aspekten vorteilhaft sind, weisen sie dennoch Probleme auf, und Verbesserungen sind wünschenswert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren nicht einschränkend und nicht erschöpfend beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen, wenn nicht anders angegeben, in allen verschiedenen Ansichten auf die gleichen Teile beziehen.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften industriellen Eingabe-/Ausgabevorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Daten in einem industriellen SCADA-System.
2 stellt schematisch ein beispielhaftes Kommunikations-Maschennetz dar, das durch eine Vielzahl von Eingabe-/Ausgabevorrichtungen, wie die in 1 gezeigten, gebildet wird.
3. stellt einen beispielhaften Teil eines Maschennetzes sowie mehrere Übertragungswege von einer Ursprungs-Funkvorrichtung zu einem Ziel dar.
4 stellt ein priorisiertes Kommunikationsprotokoll zum Koordinieren von Übertragungen zwischen den in 3 gezeigten Funkvorrichtungen dar.
5 ist eine detaillierte Ansicht eines Teils des in 4 dargestellten Protokolls
6 ist eine detaillierte Ansicht eines anderen Teils des in 4 dargestellten Protokolls.
7 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Aglorithmus, mit dem das in 4–6 gezeigte priorisierte Kommunikationsprotokoll implementiert wird.
8 stellt eine alternative Protokoll-Methode zu der in 4 gezeigten dar.
9 stellt eine alternative Protokoll-Methode zu der in 6 gezeigten dar.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften industriellen Eingabe-/Ausgabevorrichtung 100, die so konfiguriert ist, dass sie Eingabedaten bezüglich eines industriellen Prozesses empfängt und die Daten unter Verwendung von Drahtlos-Sendeverfahren zu einem entfernten Standort überträgt. Das heißt, die Eingabe-/Ausgabevorrichtung ist, wie weiter unten erläutert, eine Funkvorrichtung 100, die im Kombination mit anderen ähnlichen Vorrichtungen eingesetzt werden kann, um ein Mehrweg-Drahtlos-Datenübertragungs-Netzwerk für industrielle Überwachungs- und Steuerzwecke einzurichten, wie dies weiter unten beschrieben ist.
In dem dargestellten Beispiel ist die Funkvorrichtung 100 eine programmierbare, prozessorbasierte Vorrichtung, die einen Prozessor 102 und einen Speicher 104 enthält, in dem ausführbare Anweisungen, Befehle und Steueralgorithmen sowie andere Daten und Informationen, wie beispielsweise Kommunikations-Netzwerk- und Protokoll-Parameter, gespeichert werden, die erforderlich sind, um die Funkvorrichtung 100 ordnungsgemäß zu betreiben. Der Speicher 104 der prozessorbasierten Vorrichtung kann beispielsweise ein sogenannter RAM-Speicher (random access memory) oder eine andere Form von Speicher sein, die in Verbindung mit RAM-Speicher eingesetzt wird, wobei dies Flash-Speicher, PROM-Speicher (programmable read only memory) und EEPROM-Speicher (electronically erasable programmable read only memory) einschließt, jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Der hier verwendete Begriff ”prozessorbasierte Vorrichtung” bezieht sich auf Vorrichtungen, die, wie gezeigt, einen Prozessor oder Mikroprozessor zum Steuern der Funktionalität der Vorrichtung, jedoch auch andere äquivalente Elemente, wie beispielsweise Mikrocontroller, Mikrocomputer, programmierbare Logik-Controller, sogenannte RISC-Schaltungen (reduced instruction set circuits), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und andere programmierbare Schaltungen, Logik-Schaltungen, Äquivalente derselben und beliebige andere Schaltungen oder Prozessoren, einschließen, die in der Lage sind, die weiter unten beschriebenen Funktionen auszuführen. Die oben aufgelisteten prozessorbasierten Vorrichtungen sind lediglich beispielhaft und sollen daher keinesfalls die Definition und/oder Bedeutung des Begriffs ”prozessorbasierte Vorrichtung” einschränken.
Die Funkvorrichtung 100 enthält des Weiteren ein Funk-Übertragungselement 106, das einen Sender 108 und einen Empfänger 110 enthalten kann. Der Sender 108 und der Empfänger 110 können separat voneinander vorhanden sein oder als Alternative dazu zu einer einzelnen Vorrichtung zusammengefasst sein, die als ein Sendeempfänger (transceiver) bezeichnet wird. Das Funk-Übertragungselement 106 sendet und empfängt Drahtlos-Datensignale unter Verwendung bekannter Funkfrequenz-Übertragungsmethoden. Die Daten und Informationen, die mit dem Funk-Übertragungselement 106 übertragen werden, können durch den Prozessor 102 unter Verwendung in dem Speicher 100 gespeicherter Informationen verarbeitet, formatiert oder in ein geeignetes Kommunikationsprotokoll umgewandelt werden. Digitale Funkfrequenzsignale können beispielsweise unter Verwendung eines vorgegebenen Protokolls für den Inhalt der in einem bestimmten Kommunikations-Netzwerk gesendeten Datennachrichten gesendet und empfangen werden. Parameter für Netzwerk-Übertragung können Daten und Informationen, wie beispielsweise die Größe (d. h. die Anzahl von Bits) der gesendeten Datensignale, die Reihenfolge von Bits, die die Nachricht bilden, eindeutige Funk-Kennungen, Hardware- und Softwareversionscodes, Sicherheitscodes, diagnostische Codes und dergleichen, enthalten, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
Des Weiteren kann/können gewünschte Signalverarbeitung, wie beispielsweise Verstärkung, Filtern, Signalumwandlung (beispielsweise Digital-Analog-Umwandlung) und diagnostische Vorgänge durchgeführt werden. Algorithmen und Befehle zum Ausführen spezieller Kommunikationsprotokolle und -Prozeduren sind beispielsweise in dem Speicher 104 gespeichert und werden durch den Prozessor 102 ausgeführt, um Informationen über ein Kommunikations-Netzwerk zu übertragen, das Teil eines SCADA-Systems 112 sein kann. Die Funkvorrichtung 100 kann Teil einer Fernbedieneinheit (remote terminal unit-RTU) in einem SCADA-System 112 sein.
Die Funkvorrichtung 100, wie sie in 1 dargestellt ist, kann mit Eingängen, wie beispielsweise Sensoren, Wandlern und ähnlichen Überwachungs- oder Zustandserfassungs-Elementen, die mit dem industriellen Prozess zusammenhängen, der überwacht und gesteuert wird (im folgenden kollektiv als ”Sensoren” bezeichnet), wie sie mit den Bezugszeichen 113 und 114 gekennzeichnet sind, sowie mit einem Ausgabeelement 116, wie beispielsweise einer Steuervorrichtung für einen industriellen Prozess, verbunden sein. Die Sensoren 113 und 114 erzeugen Steuer-Rückmeldungssignale, die den Zustand des industriellen Prozesses anzeigen, und stellen sie bereit, und die Steuervorrichtung 116 ermöglicht Regulierung des überwachten Prozesses an dem Punkt der Sensoren 113 und 114, um Änderungen des Zustandes zu bewirken. Es ist eine Reihe von Sensoren bekannt, die verschiedene Aspekte des überwachten Zustandes erfassen, der einem Maschinen-Status, einem Komponenten-Status, einem Prozeßschritt oder einem anderen Parameter entspricht, der für das SCADA-System 112 von Interesse ist. Überwachte Aspekte eines industriellen Prozesses, die durch die Sensoren 113 und 114 erfasst werden, können beispielsweise elektrische Zustände oder Bedingungen (beispielsweise Strom- oder Spannungsbedingungen), mechanische Zustände oder Bedingungen (beispielsweise Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Belastung und Spannung), einen physikalischen Zustand bzw. eine physikalische Bedingungen (beispielsweise Temperatur, Phase oder Zusammensetzung), einen Umgebungszustand bzw. eine Umgebungsbedingung (beispielsweise Rauschen, Schwingung, Luftqualität) und andere Zustände oder Bedingungen von Interesse einschließen.
Dem Fachmann ist des Weiteren eine Reihe von Steuervorrichtungen 116 bekannt und vertraut, von denen beliebige eingesetzt werden können, um erwünschte Zustände oder Bedingungen des industriellen Prozesses aufrechtzuerhalten, Veränderungen von Zuständen oder Bedingungen von Aspekten des industriellen Prozesses zu bewirken und auf abnorme oder inakzeptable Zustände oder Bedingungen an verschiedenen Punkten von Interesse in dem industriellen Prozess, zugehörigen Geräten und/oder zugehörigen Einrichtungen zu reagieren. Die Steuervorrichtung 116 kann Schaltelemente, Maschinen-Steuereinrichtungen oder Komponenten-Steuereinrichtungen enthalten oder koordinieren, um eine Änderung in einem Zustand oder einer Bedingung ohne menschlichen Eingriff zu bewirken, kann den industriellen Prozess unterbrechen, um unerwünschte Ergebnisse zu vermeiden, die auf erfasste Zustände oder Bedingungen zurückzuführen sind, oder kann Warnelemente und Strukturen für Reaktion und Entscheidungen aktivieren, die von menschlichen Individuen vorzunehmen sind. Es versteht sich, dass sich das Steuerelement 116 an der gleichen oder einer anderen physischen Position befinden kann wie/als die Sensoren 113, 114. Das heißt, das Steuerelement 116 kann den Sensoren 113, 114 in dem industriellen Prozess nachgelagert oder vorgelagert sein, so dass in der Praxis die Sensoren 113, 114 und das Steuerelement 116 möglicherweise nicht mit der gleichen Funkvorrichtung 100 verbunden sind.
Des Weiteren versteht sich, dass, obwohl zwei Sensoren 113, 114 und eine Steuervorrichtung 116 dargestellt sind, als Alternative Sensoren und Steuervorrichtungen bei gleichem Effekt in anderer Anzahl mit der Funkvorrichtung 100 oder Funkvorrichtungen 100 verbunden sein können. In verschiedenen Ausführungsformen können die Sensoren 113 und 114 mit der Funkvorrichtung 100 fest verdrahtet sein, können drahtlos mit der Funkvorrichtung 100 kommunizieren oder Kombinationen aus fest verdrahteten und Drahtlos-Vorrichtungen sein. Üblicherweise ist eine Anzahl von Funkvorrichtungen 100 über den gesamten industriellen Prozess verteilt, wobei jede Funkvorrichtung 100 mit anderen Sensoren verbunden ist, um Steuereingaben und Rückmeldungen über den gesamten industriellen Prozess zu erzeugen, und die Funkvorrichtungen in einem Netzwerk unter Verwendung des vorgegebenen Kommunikationsprotokolls kommunizieren.
Des Weiteren könnten anstelle spezieller Sensoren und Steuervorrichtungen, wie sie dargestellt sind, die Funktionen dieser Vorrichtungen in einer oder mehreren Eingabe-/Ausgabevorrichtung/en kombiniert werden, die bidirektional mit der/dem Funkvorrichtung/en 100 kommunizieren können. In jedem Fall werden Daten und Informationen, die über die Sensoren und/oder Steuervorrichtungen erfasst werden, von jeder Funkvorrichtung 100 in dem SCADA-System 112 erfasst und unter Verwendung des vorgegebenen Kommunikationsprotokolls zu einem entfernten Standort übertragen. Des Weiteren können Informationen, wie beispielsweise Steuerbefehle, durch die Funkvorrichtung 100 von einem entfernten Standort entsprechend dem vorgegebenen Kommunikationsprotokoll empfangen und zu der Steuervorrichtung 116 geleitet werden.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Funkvorrichtung 100 als ein Sensor-Knoten in dem größeren SCADA-System 112 implementiert. Das heißt, die Funkvorrichtung 100 gibt Ausgangssignale von den Sensoren 113 und 114 ein bzw. empfängt diese und gibt Datensignale zum Übertragen der Sensorsignale zu einem entfernten Standort unter Verwendung des geeigneten Kommunikationsprotokolls aus bzw. sendet diese. In einer anderen Implementierung kann jedoch die Funkvorrichtung 100 als ein Steuer-Knoten arbeiten. Wenn sie als Steuer-Knoten implementiert wird, kommuniziert die Funkvorrichtung 100 nicht direkt mit einem Sensor, sondern empfängt stattdessen Datensignale von anderen Funkvorrichtungen in dem Netzwerk und leitet diese Übertragungen entsprechend dem geeigneten Kommunikationsprotokoll weiter. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Funkvorrichtung 100 in der Lage, sowohl in Sensor- als auch in Steuer-Knoten zu arbeiten und kann austauschbar als einer von beiden eingesetzt werden, auch wenn, falls gewünscht, als Alternative spezielle Sensor-Funkvorrichtungen und spezielle Steuer-Funkvorrichtungen eingesetzt werden könnten.
Die Funkvorrichtung 100 kann als eine Langstrecken-Funkvorrichtung konfiguriert sein, die in der Lage ist, Funkfrequenz-Signale drahtlos beispielsweise über Distanzen von 10 bis 20 km zu senden und zu empfangen. Verglichen mit anderen Funkvorrichtungen kann die Funkvorrichtung 100 als Vorrichtung mit vergleichsweise hoher Leistung betrachtet werden, die so eingerichtet ist, dass sie Signale über größere Distanzen ausstrahlt. Eine externe Stromquelle 118 ist daher mit der Funkvorrichtung 100 verbunden, da Batterien und andere Energiespeichervorrichtungen keine ausreichende Strompegel zum kontinuierlichen Betreiben der Funkvorrichtungen über längere Zeiträume bereitstellen würden, wie sie für SCADA-Systeme mitunter erforderlich sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die externe Stromquelle 118 eine Wechselstrom- oder Gleichstrom-Quelle sein, die mit der Funkvorrichtung 100 beispielsweise über eine externe Stromleitung bzw. ein externes Stromkabel gekoppelt ist. Im Allgemeinen können fest verdrahtete Stromverbindungen unter Verwendung bekannter Schraub-Anschlussverbindungen oder anderer geeigneter Verfahren für derartige Vorrichtungen mit relativ hohem Strombedarf eingerichtet werden. Zusätzlich können Transformatoren, Leistungsverstärker und dergleichen für die Vorrichtung 100 vorhanden sein, um von der externen Quelle 114 zugeführten Strom Koch- oder herunterzutransformieren, sowie Wechselstrom-Gleichstrom- oder Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler, die möglicherweise benötigt werden.
Natürlich kann die Funkvorrichtung 100 als Alternative dazu als Kurzstrecken-Funkvorrichtung zur Kommunikation über kürzere Strecken konfiguriert sein. Wenn sie als Kurzstrecken-Funkvorrichtung konfiguriert ist, kann die Vorrichtung 100, wenn gewünscht, ausreichend über Batterievorrichtungen oder andere integrierte Stromquellen mit Strom versorgt werden, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt. Desgleichen können, wenn gewünscht, Kurzstrecken-Funkvorrichtungen durch eine externe Stromquelle 118 mit Strom versorgt werden. Jedes Netzwerk von Funkvorrichtungen kann Kombinationen von Lang- und Kurzstrecken-Funkvorrichtungen enthalten.
2 stellt schematisch eine beispielhafte Installationsanordnung einer Kommunikations-Netzwerks 120 dar, das mit Funkvorrichtungen, wie den oben beschriebenen Funkvorrichtungen 100, eingerichtet wird. In 2 sind die Funkvorrichtungen allgemein als Teil von Sensor-Kommunikationsknoten 154 oder Steuer-Kommunikationsknoten 156 dargestellt. Die Sensor-Knoten 154 sind, wie in 2 gezeigt, mit einem oder mehreren Sensor/en an bestimmten Punkten von Interesse in dem industriellen Prozess verbunden, während die Steuer-Knoten 156 mit Sensor-Knoten 154 verbunden sind. Die Sensor-Knoten 154 übertragen, allgemein gesagt, Datensignale, die Status-Informationen enthalten, die von den Sensoren erfasst werden, und die Steuer-Knoten 156 stellen Kommunikationswege zu und von den Sensor-Knoten 154 sowie entfernten Befehls- und Steuer-Zentren für das SCADA-System her.
Das heißt, die Sensor-Knoten 154 überwachen, wie in 2 gezeigt, eine oder mehrere lokale Betriebs-Charakteristik/en des industriellen Prozesses nahe an ihren Anschlusspositionen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Sensor-Kommunikationsknoten 154 beispielsweise an Masten angebracht sein, oder können als Alternative dazu oberirdisch an einer anderen Tragestruktur, am Boden oder in verschiedenen Installationen im Boden vorhanden sein. Die Steuer-Kommunikationsknoten 156 sind um die Sensor-Kommunikationsknoten 154 herum und zwischen ihnen angeordnet und in einem Maschennetz angeordnet, durch das eine Vielzahl in dem Beispiel in 2 mit A bis Q gekennzeichneter Drahtlos-Kommunikationswege zwischen den Sensor-Kommunikationsknoten 154 und den Steuer-Kommunikationsknoten 156, zwischen den verschiedenen Kommunikationsknoten 156 sowie von den Kommunikationsknoten 156 zu einer Signalerfassungs- oder Gateway-Vorrichtung 124 geschaffen werden.
Die Gateway-Vorrichtung 124 selbst ist eine prozessorbasierte Funkvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit den Sensor-Knoten 154 und den Steuer-Kommunikationsknoten 156 kommuniziert. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Gateway-Vorrichtung 124 eine spezifische Vorrichtung sein, die speziell für Gateway-Funktionalität eingerichtet ist und sich daher von den Funkvorrichtungen unterschiedet, die mit den Sensor-Knoten 154 und den Steuer-Kommunikationsknoten 156 verbunden sind. In einer anderen Ausführungsform können die Funkvorrichtungen 100 (1), die dazu dienen, die Sensor-Knoten 154 und Steuer-Kommunikationsknoten 156 zu bilden, so konfiguriert sein, dass sie, wenn erforderlich oder gewünscht, als Gateway-Vorrichtungen arbeiten.
Rundfunksignale von den Sensor-Kommunikationsknoten 154 werden entsprechend durch die Steuer-Kommunikationsknoten 156 in dem Netzwerk 120 und unter ihnen zu der Gateway-Vorrichtung 124 gesendet. Desgleichen können Steuerbefehle von der Gateway-Vorrichtung 124 ausgestrahlt und durch die anderen Sensor-Knoten 124 und/oder Steuer-Kommunikationsknoten 156 in dem Netzwerk 120 und unter ihnen zu einem bestimmten Sensor-Knoten gesendet werden. Aufgrund der zahlreichen und redudanten Signalwege zwischen den Sensor-Knoten 154, den Steuer-Kommunikationsknoten 156 und dem Gateway 124 können Datensignale selbst dann zuverlässig über das Kommunikationsnetzwerk 120 zu der Gateway-Vorrichtung 124 gesendet werden, wenn einige der Kommunikationsknoten 156 vorübergehend eingeschränkt sind (auf Grund von Abdeckung, Interferenz, Stromausfall usw.) oder ausgefallen sind (auf Grund nicht behebbarer Fehlfunktion, Beschädigung, Defekt usw.) und nicht verwendet werden können. Wege, die nicht genutzt werden können, werden mitunter als ”nicht verfügbar” bezeichnet, und es ist möglich, dass sich der Zustand von Kommunikationswegen unvorhersagbar von ”verfügbar” zu ”nicht verfügbar” ändert und umgekehrt, wenn verschiedene Ereignisse eintreten und sich Betriebsbedingungen ändern. Wenn Wege nicht mehr verfügbar sind, können Übertragungen über andere verfügbare Wege umgeleitet werden. Da die Funkvorrichtungen häufig in Verbindung miteinander stehen, ist im Allgemeinen jede Funkvorrichtung darüber informiert, welche ihrer benachbarten Funkvorrichtungen innerhalb des Signalbereiches für den Empfang einer Übertragung verfügbar oder nicht verfügbar sind.
Es sind viele verschiedene Maschen-Topologien bekannt, die in dem Netzwerk 120 eingesetzt werden können. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Funkvorrichtungen und die dazugehörigen Sensor- und Steuer-Kommunikationsknoten so konfiguriert, dass sie eine Maschen-Topologie mit Frequency Hopping und Spreizspektrum im Bereich von 902–928 MHz bilden. Das Maschennetz kann algorithmisch aufgebaut und so konfiguriert sein, dass es spezifische Bedürfnisse für spezifische Anlagen erfüllt. Das Maschennetz kann auch selbstkonfigurierend und selbstheilend sein und Autorouting- sowie Rerouting-Fähigkeit aufweisen und kann daher problemlos skaliert werden. Das heißt, das Netzwerk kann einfach angepasst werden und eignet sich zum Hinzufügen oder Entfernen von Sensor-Knoten und Kommunikationsknoten 156.
Bei beispielhaften Installationen können die Steuer-Kommunikationsknoten 156 an Positionen vorhanden sein, die von den Sensor-Kommunikationsknoten 154 beabstandet sind, und können beispielsweise an Leitungsmasten angebracht werden, oder können als Alternative dazu an einer anderen Tragestruktur oberirdisch, am Boden oder in verschiedenen Installationen unterirdisch vorhanden sein. Der von Steuer-Kommunikationsknoten 156 und Sensor-Kommunikationsknoten 154 hängt vorwiegend von der Signalreichweite der eingesetzten Funkvorrichtungen 100 (1), der für die Übertragung verwendeten konkreten Frequenz sowie der Umgebung der Knoten 154 und 156 ab. Beispielsweise können die Knoten 154 und 156 in oberirdischen Installationen, die im Allgemeinen keine Abdeckungen oder Hindernisse aufweisen, weiter von einander beabstandet sein als bei Boden- oder unterirdischen Installationen.
Es können Sendeverfahren mit digitaler Signalverarbeitung, bei denen kodierte Datenpakete genutzt werden, von den Kommunikationsknoten 154 und 156 eingesetzt werden, um Signale zu transportieren, die eine Vielzahl von Daten und Informationen von Interesse für ein breites Spektrum an Vorrichtungen transportieren. Das heißt, das Kommunikationsprotokoll kann ein byte-orientiertes Protokoll sein, das mehrere Bits aufweist, die repräsentativ für Informationen von Interesse sind. Die kodierten Daten und Bits von Informationen, die verwendet werden, um Datenpakete für die übertragenen Signale zu erzeugen, können eindeutige Funk-Kennungen, die jedem der Sensor-Knoten 154 in dem Stromsystem entsprechen, Seriennummern für Geräte und Vorrichtungen, die durch die Sensor-Knoten überwacht werden, Geräte-Typcodes für überwachte Einrichtungen und Geräte, einen Standort-Code für jeden Sensor-Knoten, Drahtlos-Adressen für Steuer-Kommunikationsknoten in dem Signalübertragungssystem, Zeit/Datums-Stempel, einen Software-Revisionscode für die Anwendungssoftware, einen Hardware-Revisionscode für die Gateway-Vorrichtung, einen Datenpaket-Zählwert für eine eingehende Nachricht, einen Fehler-Zählwert für eingehende Datenpakete und Nachrichten sowie Fehlercodes einschließen, die verschiedenen Fehlerbedingungen für die Sensor-Knoten, die Steuer-Kommunikationsknoten in dem Signalübertragungssysstem und/oder Fehlerbedingungen in dem Steuer-Zentrum 126 entsprechen. Kunden-Kennungen und Kontaktinformationen für Betreiber und Wartungspersonal bei erfassten Warnungs- und Alambedingungen können ebenfalls in den Signalen kodiert sein.
Obwohl einige beispielhafte Nachrichten-Codes beschrieben worden sind, versteht sich, dass andere Typen von Codes, Informationen und Daten in alternativen Ausführungsformen enthalten sein können, und es ist auch verständlich, dass in anderen Ausführungsformen weniger als alle der beispielhaften Protokollbits und Codes verwendet werden könnten. Die Implementierung der Nachrichtenprotokolle kann mit Ausnahme der weiter unten folgenden spezifischen Erläuterungen auf herkömmlichen Weg erfolgen.
Die Kommunikationsknoten 156 werden mitunter als Repeater/Router-Elemente bezeichnet und die Datensignale werden unter den Steuer-Kommunikationsknoten 156 auf beschriebene Weise zu der Gateway-Vorrichtung 124 gesendet. In einer weiteren Ausführungsform kann/können einer oder mehrere der Sensor-Kommunikationsknoten 154 in Abhängigkeit von der Signalreichweite der Kommunikationsknoten und der Nähe der Gateway-Vorrichtung 124 direkt mit der Gateway-Vorrichtung 124 kommunizieren.
Datenpakete können von den Sensor-Kommunikationsknoten 154 periodisch abgegeben werden, und Datenpakete können innerhalb vorgegebener Zeiträume wiederholt gesendet werden, um zu gewährleisten, dass die Datenpakete vollständig empfangen, verarbeitet und wahlweise durch die Gateway-Vorrichtung 124 quittiert werden. Wiederholtes Senden von Datensignalen vermeidet Kollision von Signalen, wenn mehr als eine der Schaltungs-Schutzeinrichtungen ungefähr zur gleichen Zeit arbeiten. Des Weiteren können die Kommunikationsknoten 156 einen Routing-Code, einen Zeitstempel oder andere Informationen zu dem Datenpaket hinzufügen, so dass das Kommunikationssystem und Signalwege zwischen den Sensor-Kommunikationsknoten 154 und den Steuer-Kommunikationsknoten 156 überwacht werden können.
Die Gateway-Vorrichtung 124 erfasst die Datensignale der Kommunikationsknoten und überträgt die Datensignale in gleicher oder anderer Form zu Steuer-Zentrum 126 des SCADA-Systems 112 (1) zum Verarbeiten. Mehr als eine Gateway-Vorrichtung 124 und/oder mehr als ein Steuer-Zentrum 126 können vorhanden sein und eine einzelne Gateway-Vorrichtung 124 kann mit mehr als einem Steuer-Zentrum 126 kommunizieren. Die Gateway-Vorrichtung 124 kann ein netzwerkbasiertes Computer-Serversystem, ein Personal Computer, eine Computer-Workstation, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein anderer elektronischer Controller, ein prozessorbasiertes Handgerät oder ein anderes elektronisches Gerät oder ein Äquivalent dazu sein, das Signale von den Kommunikationsknoten 156 empfangen, anpassen, verarbeiten oder interpretieren und die Signale zu den Steuer-Zentren 126 übertragen kann.
Für Kommunikation zwischen der Gateway-Vorrichtung 124 und den Steuer-Zentren 126 können Langstrecken-Kommunikationsverfahren, wie beispielsweise Lichtleitfaser-Übertragung, Breitband-Powerline-Systeme, WiMAX-Systeme, WiFi-Systeme, Ethernet-Verbindungen, Satellitenübertragungen und dergleichen genutzt werden.
Die Gateway-Vorrichtung 124 kann Datenreduzierungs-Algorithmen zum Verarbeiten von Signalübertragungen von den Steuer-Kommunikationsknoten 156 durchführen, bevor sie mit den Steuer-Zentren 126 kommuniziert. Die Gateway-Vorrichtung 124 kann beispielsweise eingehende Datensignale filtern und doppelte Signalübertragungen identifizieren, die beispielsweise auftreten können, wenn mehr als einer der Kommunikationsknoten 156 das gleiche Signal zu der Gateway-Vorrichtung 124 sendet oder bei einem anderen Beispiel ein- und derselbe Sensor-Knoten 154 die Kommunikationsknoten 156 mehr als einmal signalisiert. Doppelte Signale können durch die Gateway-Vorrichtung 124 vor Übertragung von Signalen zu den Steuer-Zentren 126 verworfen oder gelöscht werden.
Datenreduzierungs-Algorithmen, die durch die Gateway-Vorrichtung 124 durchgeführt werden, können auch Informationen in den Datensignalen reduzieren oder eliminieren, die für die Funktionalität des Steuer-Zentrums nicht erforderlich sind. Beispielsweise können Informationen über das Benachrichtigungsprotokoll, die für die Funkfrequenz-Übertragung der Datensignale in dem Netzwerk 120 zutreffen, jedoch für ein Nachrichtenübertragungs-Protokoll für die Gateway-Kommunikation zu den Steuer-Zentren 126 nicht zutreffen, aus den Datensignalen vor Senden zu den Steuer-Zentren 126 entfernt, eliminiert oder gelöscht werden.
Die Gateway-Vorrichtung 124 kann auch Authentifizierung, Verifizierung oder Sicherheitsalgorithmen durchführen, um die Integrität der Signale der Kommunikationsknoten zu gewährleisten, und auch Diagnose, Test und Problembehebungs-Prozeduren durchführen, um ordnungsgemäße Installation und Funktion der Kommunikationsknoten 154 und 156 zu gewährleisten.
Von der Gateway-Vorrichtung 124 übertragene Signale können an den Steuer-Zentren 126 empfangen werden, wo sie unter Verwendung entsprechender Hardware und Software verarbeitet, dekodiert oder interpretiert werden. Interaktive, menügesteuerte und graphische Anzeigeeinrichtungen können dem Benutzer an der Steuer-Station 126 angezeigt werden und ermöglichen es dem Benutzer, den/die industriellen Prozess/e, der/die überwacht wird/werden, mehr oder weniger in Echtzeit in geeigneter Weise zu überschauen, wenn sich Betriebsbedingungen ändern. Der Benutzer oder Betreiber der Software kann aufgefordert werden, in Reaktion auf erfasste Ereignisse entsprechende Maßnahmen zu treffen, Alarm- und Warnmeldungen können automatisch für entsprechende Personen erzeugt werden, und bestimmte Schutzmaßnahmen können automatisch von dem Steuerungssystem in Reaktion auf Übertragung von den Sensoren ergriffen werden.
Des Weiteren können erfasste Dateninformationen und Berichte durch die Gateway-Vorrichtung 124 und/oder die Steuer-Zentren 126 als geeignetes Mittel für proaktive Verwaltung des/der überwachten industriellen Prozesses/Prozesse zusammengestellt und erzeugt werden.
Nachdem nunmehr die Grundmerkmale des Funktions-Algorithmus der Gateway-Vorrichtung 124 und der Steuer-Zentren 126 beschrieben worden sind, kann Programmierung der Gateway-Vorrichtung sowie der Einrichtungen des Steuer-Zentrums für den Betrieb auf die beschriebene Weise auf herkömmliche Art von Programmierungs-Fachleuten ohne weitere Erläuterung durchgeführt werden.
Das Netzwerk 120 kann allgemein in einem breiten Spektrum industrieller Einsatzgebiete verwendet werden. Zu beispielhaften Einsatzgebieten gehören pharmazeutische Anlagen, Systeme oder Produktionseinrichtungen, Öl- und Gasproduktion sowie Verteilungssysteme und -einrichtungen, Bergbauproduktion und Aufbereitungssysteme und -einrichtungen, Wasser- und Abwasser-Behandlungssysteme und -einrichtungen. Energieverteilung (beispielsweise Erdgas- und Stromsysteme und Verteilungsnetze), Aquakultur und landwirtschaftliche Produktionssysteme und -einrichtungen, Zellstoff- und Papierherstellungssysteme und -einrichtungen sowie Verwaltungssysteme und -einrichtungen für Straßen- und Schienennetze. Es sind weitere Einsatzgebiete möglich, da die Kapazitäten von Netzwerk-Konfigurationen zum Einsatz für verschiedene End-Verwendungszwecke praktisch unbegrenzt sind.
Obwohl die Erfindung bisher im Kontext eines einzelnen Kommunikations-Netzwerks 120 beschrieben worden ist, können mehrere Kommunikations-Netzwerke vorteilhaft für die Wartung und Überwachung bestimmter industrieller Systeme und Einrichtungen sein, Dementsprechend kann das mit der Funkvorrichtung 100 (1) hergestellte Kommunikations-Netzwerk als eigenständiges Netzwerk eingerichtet werden oder kann sich Kommunikationsknoten mit anderen Maschennetzwerken teilen, um die Redundanz zu vergrößern und die Zuverlässigkeit des SCADA-Systems zu verbessern. Verschiedene Kommunikationsnetzwerke können, wie gewünscht, kategorisiert, zu Gruppen oder Teilgruppen zusammengefasst werden, um komplexe industrielle Systeme und Einrichtungen einzubinden oder verschiedene Einrichtungen oder Verteilungssysteme über große geographische Bereiche zu steuern.
Beispielsweise können die Steuer-Kommunikationsknoten 156 in verschiedenen Maschennetzwerken separat in abgegrenzten Bereichen zusammengefasst werden und Kurzstrecken-Kommunikationsverfahren nutzen, wobei Kommunikationsverfahren für längere Strecken genutzt werden, um Informationen zwischen verschiedenen Einrichtungen zu übertragen. Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, Maschennetze zu schaffen, die miteinander über die Gateway-Vorrichtung 124 für längere Strecken sowie mit dem zentralen Steuerzentrum 126 kommunizieren können. Es können auch Maschennetze für spezielle Zwecke geschaffen werden, und derartige Maschennetze für spezielle Zwecke können sich mit anderen Maschennetzen vollständig oder teilweise überlappen oder separat von anderen Maschennetzen vorhanden sein.
In weiteren Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, mehr als eine Gateway-Vorrichtung 124 bereitzustellen, um Übertragungen weiter zu verbessern, indem die Anzahl von Kommunikationsknoten verringert wird, die erforderlich sind, um die Gateway-Vorrichtung 124 zu erreichen, oder um Kommunikation zwischen verschiedenen Kommunikationsnetzwerken zu erleichtern. Wenn mehrere Gateway-Vorrichtungen 124 vorhanden sind, können einige Kommunikationsknoten 156 selektiv mit einigen der Gateway-Vorrichtungen kommunizieren, mit anderen jedoch nicht. Das heißt, es können Gateways für spezielle Zwecke geschaffen werden, die nur bestimmte Typen von Nachrichten erfassen und andere ignorieren.
Derartige Maschen-Kommunikationsnetzwerke haben zahlreiche Vorteile. Die Sensor-Knoten 154 und die Kommunikationsknoten 156 können bei vorhandenen Einrichtungen, Anlagen und Vorrichtungen nachgerüstet werden, und teure Punkt-zu-Punkt-Verkabelung wird durch die Drahtlos-Kommunikation umgangen. Die relativ kostenaufwendige Gateway-Vorrichtung 124 kann gemeinsam von Hunderten von Kommunikationsknoten genutzt werden, so dass die Gesamt-Anlagenkosten des Systems gesenkt werden. Es kann, wie bereits erwähnt, entweder zugelassen werden, dass die zusätzlichen Knoten mit den Knoten innerhalb ihrer eigenen Familiengruppe kommunizieren, oder sie können vorhandene Knoten nutzen, um die Vermaschungsfähigkeit des Netzwerks zu unterstützen, wodurch weitere Kosten eingespart werden können.
Erweiterung des Netzwerks 120 kann erreicht werden, indem einfach Kommunikations-Knoten 154 und 156 in der Signalreichweite anderer Kommunikations-Knoten 156 hinzugefügt werden. Der Knoten-Zählwert kann sich schnell vergrößern, um Änderungen in den überwachten industriellen Prozessen und Einrichtungen zu ermöglichen. Unabhängig von Erweiterung oder Modifikation des Stromsystems 100 können angesichts der relativ niedrigen Kosten für die Kommunikationsknoten zusätzliche Kommunikationsknoten ohne Weiteres zu dem Netzwerk hinzugefügt werden, um zusätzliche Punkte von Interesse zu überwachen, wenn dies gewünscht wird.
Kommunikation zwischen den Knoten 156 und der Gateway-Vorrichtung 124 kann bidirektional sein, so dass die Übertragung von Steuersignalen, die Befehlsanweisungen entsprechen, von den Steuer-Zentren 126 zu einer spezifischen Position in dem überwachten industriellen Prozess ermöglicht wird.
Das Kommunikationsprotokoll kann so angepasst werden, dass es praktisch jeden Typ von Informationen oder jeden Typ von Daten zu dem Steuer-Zentrum überträgt, und Steuer-Entscheidungen sollten auf Basis der übertragenen Informationen getroffen werden. In bestimmten Netzwerken des beschriebenen Typs und insbesondere in Funkfrequenz-Maschennetzen mit Frequenz Hopping, können bestimmte Probleme auftreten.
Das Kommunikationsprotokoll kann beispielsweise einen sogenannten AODV-Routing Algorithmus (ad-hoc an demand distance vector routing algorithm-AODV) enthalten, der ein Routing-Protokoll ist, das für Ad-hoc Netzwerke bestimmt ist. AODV ermöglicht Unicast- und Multicast-Routing und ist ein On-demand-Algorithmus, was bedeutet, dass Routen eingerichtet und nur solange aufrechterhalten werden, wie sie von den Quellen-Vorrichtungen (d. h. den mit den Sensor-Knoten und den Kommunikationsknoten zusammenhängenden Funkvorrichtungen) benötigt werden.
In einer Implementierung kann das AODV-Protokoll eine Verweistabelle enthalten, die in dem Speicher 104 (1) der Funkvorrichtungen 100 gespeichert werden kann. Die Verweistabelle verknüpft Funkvorrichtungen in dem Netzwerk und mögliche Ziele in dem Netzwerk und verknüpft des Weiteren die beste bekannte Route zu dem Ziel mit einer Netzwerk-Weg-Metrik. Das Protokoll verwendet Sequenznummern, um zu gewährleisten, dass die Routen so aktuell wie möglich gehalten werden. Das AODV-Protokoll ist schleifenfrei, selbststartend und kann auf eine große Anzahl von Knoten skaliert werden, wenn das Netzwerk definiert wird. Aufgrund der Verweistabelle kann jede Funkvorrichtung mit bestimmten Informationen bezüglich ihrer relativen Position in dem Netzwerk von möglichen Zielen aus ausgestattet sein. Diese Informationen sind vorteilhaft für die Indentifizierung und Bewertung potentieller Wege für Übertragungen durch das Netzwerk über Erzeugung von RREQ-Nachrichten (Route Request messages) und RREP-Nachrichten (Route Reply messages), wie dies weiter unten erläutert ist.
In dem AODV-Protokoll fordern die verschiedenen Funkvorrichtungen in den Sensor- und Steuer-Knoten 154 und 156, wenn sie als Ursprungs-Funkvorrichtungen für Datenübertragungen arbeiten, Informationen über Routen durch das Netzwerk zu einem gewünschten Ziel über eine oder mehrere Funkvorrichtung/en der Netzwerkknoten innerhalb des Signalbereiches an. Eine derartige Anforderung wird unter Verwendung einer RREQ-Nachricht an andere Funkvorrichtungen innerhalb des Signalbereiches gestellt, der das Endziel für eine Übertragung in dem Netz angibt. Zu Erläuterungszwecken wird eine Funkvorrichtung, die eine RREQ-Nachricht ausstrahlt, als ”Ursprungs”-Funkvorrichtung betrachtet, und andere Funkvorrichtungen in dem Netzwerk werden als ”Stations”-Funkvorrichtungen betrachtet, die eine Verbindungsweg-Route von der Ursprungs-Funkvorrichtung zu dem gewünschten Ziel definieren. Eine Stations-Funkvorrichtung kann direkt oder indirekt mit dem Ziel kommunizieren. Ein direkter Kommunikationsweg ist vorhanden, wenn sich eine Stations-Funkvorrichtung innerhalb der Signalreichweite des Ziels befindet und ohne Einbeziehung irgendeiner anderen Station mit dem Ziel kommunizieren kann. Ein indirekter Kommunikationsweg liegt vor, wenn eine Stations-Funkvorrichtung einen Kommunikationsweg zu dem Ziel nur über eine andere Stations-Funkvorrichtung abschließen kann.
Im Allgemeinen sind die mit einem der in 2 dargestellten Sensor-Knoten 154 und Steuer-Knoten 156 verbundenen Funkvorrichtungen in der Lage, als eine Ursprungs-Funkvorrichtung, eine Stations-Funkvorrichtung oder eine Ziel-Funkvorrichtung in dem Netzwerk zu arbeiten. Es ist jedoch klar, dass der Ursprung oder das Ziel nicht in allen Fällen einer der Sensor-Knoten 154 oder der Steuer-Knoten 156 sein muss. Das Gateway-Element 124 beispielsweise kann der Ursprung oder das Ziel für Routen-Anforderungen sein.
Jede erzeugte RREQ-Nachricht von einer Ursprungs-Funkvorrichtung in einem derartigen System ergibt eine Anzahl von RREP-Nachrichten von den Stations-Funkvorrichtungen innerhalb der Signalreichweite der Ursprungs-Funkvorrichtung, die die Anforderung ausstrahlt. Jede Stations-Funkvorrichtung, die die RREQ-Nachricht von der Ursprungs-Funkvorrichtung empfängt, antwortet entweder der Ursprungs-Funkvorrichtung und gibt an, dass eine Route zu dem in der RREQ-Nachricht identifizierten Ziel für eine Übertragung verfügbar ist, oder die Stations-Funkvorrichtung leitet die RREQ-Nachricht durch erneutes Senden der RREQ-Nachricht zu anderen Stations-Funkvorrichtungen zur Beantwortung weiter, wenn keine Route zu dem Ziel von dieser Stations-Funkvorrichtung verfügbar ist.
In einer vorgesehenen Ausführungsform kann beispielsweise die in der Verweistabelle gespeicherte Metrik eine Zahl sein, die repräsentativ für eine Distanz ist, die mit einem verfügbaren Weg von der die RREQ-Nachricht empfangenden Stations-Funkvorrichtung zu dem Ziel verknüpft ist. In einer vorgesehenen Ausführungsform können die Weg-Metriken ganze Zahlen sein, wobei eine kleinere Zahl einen kürzeren und daher vorteilhafteren Signalübertragungsweg von der Stations-Funkvorrichtung zu dem Ziel anzeigt, und eine höhere Zahl einen längeren und daher weniger vorteilhaften Signalübertragungsweg von der Stations-Funkvorrichtung zu dem Ziel anzeigt. Indem RREP-Nachrichten und die Weg-Metriken verglichen werden, können der Ursprungs-Funkvorrichtung bevorzugte Übertragungswege mitgeteilt werden und genutzt werden, um Leistung des Netzwerks zu verbessern.
In einem veranschaulichenden Beispiel sendet, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, eine Ursprungs-Funkvorrichtung 200 eine RREQ-Nachricht zu mehreren Stations-Funkvorrichtungen 202, 204 und 206 innerhalb der Signalreichweite der Ursprungs-Funkvorrichtung 200. Die Stations-Funkvorrichtung 202 (Station A) verfügt über einen direkten Weg zu dem in der RREQ-Nachricht angeforderten Ziel 208. Stations-Funkvorrichtung 204 (Station B) und Stations-Funkvorrichtung 206 (Station C) verfügen über indirekte Wege zu dem Ziel 208. Das heißt, Stations-Funkvorrichtung 204 (Station B) kann nur über Stations-Funkvorrichtung 202 (Station A) indirekt mit dem Ziel kommunizieren und ist einen Schritt von einem direkten Kommunikationsweg zu dem Ziel 208 entfernt. Stations-Funkvorrichtung 206 (Station C) kann mit dem Ziel 208 nur indirekt über die beiden Stations-Funkvorrichtungen 204 und 206 kommunizieren. Station C ist zwei Schritte von einem direkten Kommunikationsweg zu dem Ziel 208 entfernt. Andere Stations-Funkvorrichtungen können mit zusätzlichen direkten und indirekten Wegen zu dem Ziel versehen sein.
Bei dem Beispiel in 3 sind mehrere und redundante Kommunikationswege bzw. -routen für die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 zur Kommunikation mit dem Ziel 208 vorhanden. Wenn beispielsweise der Kommunikationsweg zwischen der Ursprungs-Funkvorrichtung 200 und der Stations-Funkvorrichtung 202 (Station A) nicht mehr verfügbar ist, kann die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 Übertragungen über Funkvorrichtungen B oder C umleiten, um zu dem Ziel 208 zu gelangen. Wenn der Kommunikationsweg zwischen der Ursprungs-Funkvorrichtung 200 und den Stations-Funkvorrichtungen 202 und 204 (Stationen A und B) nicht mehr verfügbar ist, kann die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 Übertragungen über Funkvorrichtung C oder möglicherweise andere Funkvorrichtungen umleiten, um das Ziel zu erreichen. Maschennetze dieses Typs können auf viele mögliche Situationen reagieren, in denen Kommunikationswege aus praktisch unvorhersagbaren Gründen nicht mehr verfügbar sind, und gewährleisten dabei dennoch praktisch, dass die Daten zu dem Ziel 208 gesendet werden können. Um diese Probleme zu lösen, muss jedoch die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 über bestimmte Informationen bezüglich der Zustände der verschiedenen möglichen Kommunikationswege (d. h., ob bestimmte Wege verfügbar oder nicht verfügbar sind) zu jedem Zeitpunkt verfügen, so dass das Kommunikationsprotokoll die Verfügbarkeit bzw. Nichtverfügbarkeit von Kommunikationswegen berücksichtigen kann. So antwortet jede Stations-Funkvorrichtung 202, 204, 206 auf eine durch die Ursprungs-Funkstation 200 gesendete RREQ-Nachricht mit einer RREP-Nachricht, die verfügbare Wege mit dazugehörigen Weg-Metriken anzeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Metrik-Nummer 0 anzeigen, dass die die RREQ-Nachricht empfangende Stations-Funkvorrichtung die gleiche Vorrichtung wie das der RREQ-Nachricht entsprechende Ziel ist.
In einem beispielhaften Kommunikationsprotokoll kann die Metrik-Nummer 1 einen direkten Weg zwischen der die RREQ-Nachricht empfangenden Stations-Funkvorrichtung und der RREQ-Nachricht entsprechendem Ziel anzeigen. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel wird daher Station 202 (Station A) die Metrik mit dem Wert 1 zugewiesen. Wenn die Ursprungs-Funkvorrichtung 200, die RREQ-Nachricht aussendet, eine RREP-Nachricht von der Stations-Funkvorrichtung 202 empfängt, die die Metrik-Nummer 0 in der RREP-Nachricht zurückführt, erfährt die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 damit, dass der kürzeste mögliche Weg zu dem Ziel 208 zur Nutzung verfügbar ist.
Die Metrik-Nummer 2 kann, um mit dem gleichen Beispiel fortzufahren, anzeigen, dass die Stations-Funkvorrichtung, die die RREQ-Nachricht empfängt, einen Weg von dem Ziel entfernt ist, das der RREQ entspricht. So wird bei dem in 3 gezeigten Beispiel der Ursprungs-Funkvorrichtung 204 eine Metrik mit dem Wert 2 zugewiesen. Wenn die Ursprungs-Funkvorrichtung 200, die eine RREQ-Nachricht aussendet, eine RREP-Nachricht von der Stations-Funkvorrichtung 204 empfängt, die die Weg-Metrik der Nummer 2 zurückführt, kann die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 daraus entnehmen, dass der über die Stations-Funkvorrichtung 204 verfügbare Weg eine weitere Stations-Funkvorrichtung (in dem dargestellten Beispiel Stations-Funkvorrichtung 202) einschließen würde, bevor das gewünschte Ziel 208 erreicht ist.
Die Metrik-Nummer 3 kann, um mit dem gleichen Beispiel fortzufahren, anzeigen, dass die Stations-Funkvorrichtung, die die RREQ-Nachricht empfängt, zwei Wege von dem Ziel entfernt ist, das der RREQ-Nachricht entspricht. So wird bei dem Beispiel in 3 der Ursprungs-Funkvorrichtung 206 eine Metrik mit dem Wert 3 zugewiesen. Wenn die Ursprungs-Funkvorrichtung 200, die eine RREQ-Nachricht aussendet, eine RREP-Nachricht von der Stations-Funkvorrichtung 206 empfängt, mit der die Weg-Metrik mit dem Wert 3 zurückgeführt wird, kann die Ursprungs-Funkvorrichtung 200 daraus entnehmen, dass der über die Stations-Funkvorrichtung 206 verfügbare Weg zwei andere Stations-Funkvorrichtungen (bei dem dargestellten Beispiel die Stations-Funkvorrichtungen 204 und 202) einschließen würde, bevor das Ziel 208 erreicht ist.
Es sollte nunmehr ersichtlich sein, dass eine Stations-Funkvorrichtung, der einer Weg-Metrik-Nummer 4 zugewiesen wird, vier Wege von dem Ziel entfernt wäre, eine Stations-Funkvorrichtung mit einer Weg-Metrik mit dem Wert 5 fünf Wege von dem Ziel entfernt wäre, usw. Ein derartiges Protokoll kann, wie das Maschennetz selbst, in dem es arbeitet, je nach der Größe des Maschennetzes und der Anzahl von Funkvorrichtungen auf den möglichen Kommunikationsrouten zu einem Ziel auf eine beliebige Anzahl n skaliert werden.
Die zugewiesene Weg-Metrik zu möglichen Zielen kann in einer Verweistabelle in dem Speicher der Funkvorrichtungen gespeichert werden. Für jede Funkvorrichtung können für verschiedene mögliche Ziele in dem Netzwerk unterschiedliche Weg-Metriken zugewiesen werden. Der gleichen Funkvorrichtung kann beispielsweise eine Weg-Metrik mit dem Wert 1 zu einem Ziel, jedoch eine Weg-Metrik mit dem Wert 2 oder 3 zu einem anderen Ziel zugewiesen werden. Die relevante Weg-Metrik hängt, anders formuliert, von dem angeforderten Ziel ab. So kann eine Stations-Funkvorrichtung, wenn sie eine RREQ-Nachricht empfängt, die entsprechende Weg-Metrik aus der Verweistabelle abrufen, die dem in der RREQ-Nachricht angegebenen Ziel entspricht.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann jede Stations-Funkvorrichtung, die eine RREP-Nachricht zu einer Ursprungs-Funkvorrichtung sendet, die Metrik, die dem angeforderten Ziel entspricht, abrufen, und die Metrik in die zu der Ursprungs-Funkvorrichtung zurückgesendete RREP-Nachricht integrieren.
Die Weg-Metrik-Werte selbst können entweder manuell oder automatisch zugewiesen werden. Bei Netzwerken mit automatischer Weg-Erfassung des beschriebenen Typs bestimmt jede Funkvorrichtung über periodische Kommunikation mit den anderen Funkvorrichtungen ihre Distanz zu möglichen Zielen in dem Netzwerk, entweder so wie ursprünglich installiert oder wie anschließend modifiziert. Das heißt, die Funkvorrichtungen können möglicherweise, indem sie RREQ-Nachrichten senden und RREP-Nachrichten von vorhandenen Vorrichtungen in dem Netzwerk verarbeiten, neue Routen erfassen und in Erfahrung bringen, wenn neu hinzugefügte Funkvorrichtungen installiert werden, und können dementsprechend die passenden Weg-Metriken herleiten. Wenn eine neue installierte Funkvorrichtung Informationen bezüglich Weg-Metriken von antwortenden Stations-Funkvorrichtungen in RREP-Nachrichten erhält, kann die Weg-Metrik von der neu installierten Funkvorrichtung hergeleitet werden. In einer solchen Situation können Weg-Metriken durch die Funkvorrichtung automatisch zugewiesen und aktualisiert werden.
Obwohl bisher ein beispielhaftes AODV-Protokoll und Weg-Metriken dafür beschrieben worden sind, ist vorgesehen, dass andere alternative Weg-Metriken eingesetzt werden, um eine relative Vorteilhaftigkeit mehrerer Signalübertragungswege anzuzeigen, die zu jedem Zeitpunkt verfügbar sind. Obwohl in einer beispielhaften Ausführungsform die Weg-Metriken vorzugsweise ganze Zahlen sind und so begrenzt sind, dass die Position eines RREQ-Weiterleitungsfensters sicher festgestellt werden kann, sind andere Abwandlungen möglich. Andere als ganzzahlige Werte sowie Buchstaben, Grafiken oder Symbole können verwendet werden, um Weg-Metriken anzuzeigen. Desgleichen können konkrete Werte der Distanz zwischen Funkvorrichtungen, wenn sie bekannt sind oder anderweitig durch die Funkvorrichtungen erfasst werden, als Weg-Metriken mit ähnlichem Effekt genutzt werden, um die kürzesten oder effektivsten Weg-Routen zu ermitteln, die verfügbar sind. Wenn gewünscht, können auch Näherungen und Berechnungen ebenfalls verwendet werden, um Weg-Metriken zuzuweisen oder zu aktualisieren. Schließlich können andere Metriken als die Distanz verwendet werden, um bevorzugte Kommunikationswege (d. h. Kommunikationsrouten) von jeder beliebigen Ursprungs-Funkvorrichtung zu jedem beliebigen Ziel zu ermitteln. Beispielsweise können Funkweg-Qualität, Funk-Datendurchsatz, Funkweg-Überlastung usw. verwendet oder berücksichtigt werden, wenn Weg-Metriken bestimmt werden.
Unabhängig von der verwendeten Weg-Metrik oder der Art der Implementierung der Metriken ermöglichen es die Weg-Metriken der Ursprungs-Funkvorrichtung, die eine RREQ-Nachricht sendet, Metriken zu vergleichen und so festzulegen, dass sie Peer-to-Peer-Entsprechung mit einer der Funkvorrichtungen aufweisen, die eine RREP-Nachricht mit der besten Weg-Metrik zurücksendet. Das heißt, auf Basis der empfangenen RREP-Nachricht kann die Ursprungs-Funkvorrichtung Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit einer bestimmten bevorzugten der Stations-Funkvorrichtungen für effektivere und zuverlässige Übertragung von Nachrichten in dem Netzwerk über einen bevorzugten Weg mit der besten Metrik einrichten. Bei dem oben erläuterten beispielhaften AODV-Protokoll ist von mehreren verfügbaren Wegen, aus denen gewählt wird, wie anhand empfangener RREP-Nachrichten und der entsprechenden Metriken bestimmt, die kürzeste Route die Route der Wahl, und die Ursprungs-Funkvorrichtung folgt diesem Weg. Dadurch wird die Übertragung von Datenpakten schneller und zuverlässiger. Derartige Protokolle stellen, obwohl sie in vielerlei Hinsicht vorteilhaft sind, häufig zusätzliche Anforderungen, die bei anderen Typen von Kommunikations-Netzwerken nicht unbedingt vorhanden sind.
Das heißt, wenn mehrere Stations-Funkvorrichtungen in dem Netzwerk innerhalb der Empfangs-Reichweite einer Ursprungs-Funkvorrichtung vorhanden sind, die eine RREQ-Nachricht ausstrahlt, antworten alle Stations-Funkvorrichtungen, die die RREQ-Nachricht empfangen, entsprechend so wie sie sollten. Dies führt jedoch dazu, dass eine Reihe verschiedener RREP-Nachrichten von den Stations-Funkvorrichtungen mehr oder weniger zur gleichen Zeit gesendet werden. Daher kann/können eine oder mehrere der RREP-Nachrichten miteinander kollidieren und verhindern, dass die Ursprungs-Funkvorrichtung alle gesendeten RREP-Nachrichten bearbeitet. Insbesondere wenn die Anzahl von Stations-Funkvorrichtung zunimmt, empfängt die Ursprungs-Funkvorrichtung schließlich möglicherweise nur einen kleinen Bruchteil der zurückkommenden RREP-Nachrichten und verarbeitet diese. Es ist, obwohl in einem gut strukturierten Netzwerk nicht wahrscheinlich, möglich, dass keine der RREP-Nachrichten durch die Ursprungs-Funkvorrichtung empfangen wird. Unabhängig davon kann die beste verfügbare Route zu dem in der RREQ-Nachricht angeforderten Ziel, üblicherweise die kürzeste Route durch das Netzwerk, unvorteilhafterweise in einem Sturm von RREP-Nachrichten ”untergehen”. Damit verbleibt für die Ursprungs-Funkvorrichtung eine Auswahl von Routen auf Basis der tatsächlich empfangenen und verarbeiteten RREP-Nachrichten, die die tatsächlich verfügbaren besten Routen nicht enthalten. Die Ursprungs-Funkvorrichtung kann keinen Wegen folgen, über sie nicht informiert wird.
Weitere Probleme treten auf, wenn mehrere Stations-Funkvorrichtungen, die über keinen Weg zu dem Ziel verfügen, die RREQ-Nachricht möglicherweise ungefähr zur gleichen Zeit weiterleiten, zu der die RREP-Nachrichten durch andere Stations-Funkvorrichtungen gesendet werden.
Eine oder mehrere der weitergeleiteten RREQ-Nachrichten kann/können ebenfalls verhindern, dass die Ursprungs-Funkvorrichtung eine oder mehrere der RREP-Nachrichten empfängt, wobei die Ergebnisse identisch zu dem oben erläuterten sind, d. h. die Ursprungs-Funkvorrichtung empfängt keine RREP-Nachrichten für bessere Routen, die gesendet worden, von der Ursprungs-Funkvorrichtung jedoch nicht empfangen worden sind. Derartige Probleme beim nahezu gleichzeitigen Senden von RREP- und weitergeleiteten RREQ-Nachrichten und der begrenzten Fähigkeit der Ursprungs-Funkvorrichtungen, diese zu empfangen und zu verarbeiten, können sich über das gesamte Netzwerk kaskadenartig ausbreiten. Es kommt möglicherweise und tatsächlich zur Auswahl suboptimaler Kommunikations-Routen und die Gesamtleistung des Kommunikations-Netzwerks sowie die Systems wird beeinträchtigt. Die Auswirkungen mangelhafter Systemleistung werden umso ausgeprägter, je größer und komplexer das Netzwerk wird.
4 stellt schematisch ein beispielhaftes Protoll-Ablaufdiagramm für einen Steueralgorithmus (weiter unten beschrieben) dar, der ein effektiveres Kommunikations-Protokoll für Systeme mit On-Demand-Routingprotokoll ermöglicht. Der Zeitablauf-Algorithmus umgeht, wie im Folgenden ausführlich beschrieben, die oben dargelegten Probleme auf verschiedene Weise, indem das Senden von RREQ- und RREP-Nachrichten priorisiert wird, um die Kollision von Nachrichten bezüglich bevorzugter Wege zu vermeiden. Indem das Senden bestimmter RREP- und weitergeleiteter RREQ-Nachrichten, durch die Protokoll-Priorität bestimmt, verzögert wird, kann weitgehend gewährleistet werden, dass eine Ursprungs-Funkvorrichtung unabhängig davon, wie viele Stations-Funkvorrichtungen involviert sind, jede zutreffende RREP-Nachricht sowie praktisch alle der weitergeleiteten RREQ-Nachrichten empfängt und verarbeitet.
Das heißt, das Zeitablaufprotokoll schließt, wie unten weitergehend ausführlich beschrieben, ein, dass das Senden von RREP-Nachrichten entsprechend der jeweiligen Weg-Metriken der Stations-Funkvorrichtungen so verzögert wird, dass RREP-Nachrichten, die einen vorteilhaften Weg (d. h. eine bessere Weg-Metrik für eine verfügbare Route zu einem Ziel) angeben, früher gesendet werden als RREP-Nachrichten, die einen weniger vorteilhaften Weg angeben. So werden RREP-Nachrichten mit einem Metrik-Weg mit dem Wert 0 vor RREP-Nachrichten mit einem Metrik-Weg mit dem Wert 1 gesendet, und RREP-Nachrichten mit einem Metrik-Weg mit dem Wert 1 werden vor RREP-Nachrichten mit einem Metrik-Weg mit dem Wert 2 gesendet usw. RREP-Nachrichten können in vorgegebenen Zeitfenstern gesendet werden, so dass Senden von RREP-Nachrichten mit weniger optimalen Weg-Metriken zeitlich verzögert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass RREP-Nachrichten mit der optimalen Weg-Metrik nicht mit anderen RREP-Nachrichten kollidieren können. Die RREP-Nachrichten mit den besten Weg-Metriken werden dementsprechend durch die Ursprungs-Funkvorrichtung empfangen und können bei der Verwaltung von Übertragungen berücksichtigt werden.
4 stellt die grundlegenden Erwägungen zum Zeitablauf eines beispielhaften priorisierten Kommunikationsprotokolls dar, mit dem diese Vorteile erzielt werden. In 4 stellt die horizontale Achse einen Verlauf der Zeit t beginnend mit Zeitpunkt t₀ dar, zu dem eine RREQ-Nachricht durch die Stations-Funkvorrichtungen empfangen wird. Das Protokoll schließt, wie in 4 zu sehen ist, mehrere verschiedene Zeitfenster für die Stations-Funkvorrichtungen zum Antworten und Zurücksenden von RREP-Nachrichten ein. Das Zeitfenster, in dem eine bestimmte Stations-Funkvorrichtung antwortet, hängt von ihrer Weg-Metrik für das angeforderte Ziel in der RREQ-Nachricht ab.
Ein erstes Zeitfenster 220 ist, wie in 4 gezeigt, zwischen Zeitpunkt t₀ und einem folgenden Zeitpunkt t₁ eingerichtet. Dieses Zeitfenster 220 wird bei dem vorliegenden Beispiel als Fenster 0 bezeichnet, und jede Funkvorrichtung, die mit einer Weg-Metrik mit einem Wert 0 (beispielsweise in der Ziel-Station in 3) antworten kann, wird angewiesen, in diesem Zeitfenster 220 zu antworten. Die Dauer des Fensters 220 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren, im Allgemeinen ist sie jedoch so lang, dass die Ziel-Station mit einer Weg-Metrik mit dem Wert 0, jedoch nicht mehr, antworten kann. Des Weiteren sollte die Funkvorrichtung mit einer derartigen Weg-Metrik mit dem Wert 0 (das Ziel) im Allgemeinen ohne bewusste Verzögerung antworten, wenn die RREQ-Nachricht zum Zeitpunkt t₀ empfangen wird. Da nur eine Ziel-Station vorhanden ist, gibt es (maximal) eine Stations-Funkvorrichtung mit einer Metrik des Wertes 0, die antwortet, so dass keine RREP-Nachrichten kollidieren können.
Ein zweites Zeitfenster 222 ist, wie in 4 ebenfalls gezeigt, zwischen Zeitpunkt t₁ und einem folgenden Zeitpunkt t₂ eingerichtet. Dieses Zeitfenster 222 wird in diesem Beispiel als Fenster 1 bezeichnet, und jede beliebige Funkvorrichtung, die mit einer Weg-Metrik mit dem Wert 1 antworten kann (beispielsweise Stations-Funkvorrichtung A in 2), wird angewiesen, in diesem Zeitfenster 222 zu antworten. Die Dauer des Fensters 222 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren, ist jedoch im Allgemeinen so lang, dass jede beliebige Stations-Funkvorrichtung, die mit einer Weg-Metrik mit dem Wert 1 antworten kann, dies tun kann. Das Fenster 222 folgt auf das Fenster 220, so dass die Antwort jeder beliebigen Stations-Funkvorrichtung, die in dem Fenster 222 antwortet, wenigstens um ein Zeitmaß verzögert wird, das der Dauer des Fensters 220 gleich ist.
Ein drittes Zeitfenster 224 ist zwischen Zeitpunkt t₂ und einem folgenden Zeitpunkt t₃ eingerichtet. Dieses Zeitfenster 224 wird bei dem vorliegenden Beispiel als Fenster 2 bezeichnet, und jede beliebige Funkvorrichtung, die mit einer Weg-Metrik mit dem Wert 2 antworten kann (beispielsweise Stations-Funkvorrichtung B in 3), wird angewiesen, in diesem Zeitfenster 224 zu antworten. Die Dauer des Fensters 224 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren, ist jedoch im Allgemeinen so lang, dass jede Stations-Funkvorrichtung, die mit einer Weg-Metrik mit einem Wert 2 antworten kann, dies tun kann. Das Fenster 224 folgt auf die Fenster 220 und 222, so dass die Antwort jeder beliebigen Stations-Funkvorrichtung, die in dem Fenster 224 antwortet, um wenigstens ein Zeitmaß verzögert wird, das der Dauer des Fensters 220 und der Dauer des Fensters 222 gleich ist.
Ein viertes Zeitfenster 225 ist zwischen Zeitpunkt t₃ und einem folgenden Zeitpunkt t₄ eingerichtet. Dieses Zeitfenster 225 wird in dem vorliegenden Beispiel als Fenster 3 bezeichnet, und jede beliebige Funkvorrichtung, die mit einer Weg-Metrik des Wertes 3 antworten kann (beispielsweise Stations-Funkvorrichtung C in 3), wird angewiesen, in diesem Zeitfenster 225 zu antworten. Die Dauer des Fensters 225 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren, ist jedoch im Allgemeinen so lang, dass jede beliebige Stations-Funkvorrichtung, die mit einer Pfad-Metrik des Wertes 3 antworten kann, dies tun kann. Das Fenster 225 folgt auf die Fenster 220, 222 und 224, so dass die Antwort jeder beliebigen Stations-Funkvorrichtung, die in dem Fenster 225 antwortet, um wenigstens ein Zeitmaß verzögert wird, das der Dauer des Fensters 220 und der Dauer des Fensters 222 entspricht.
Es könnte jede beliebige Anzahl von Fenstern n für Funkvorrichtungen mit Metriken von 0 bis n – 1 vorhanden sein, wobei jedes Fenster einen separaten Zeitschlitz für Stations-Funkvorrichtungen mit unterschiedlichen Weg-Metriken zum Antworten mit RREP-Nachrichten definiert. Wie 3 zeigt, ist ein Netzwerk, das drei Stationen, drei Weg-Metriken n enthält, in dem Beispiel in 4 auf 4 eingestellt, und dementsprechend sind vier Fenster bis zu und zwischen den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ und t₄ definiert. Der direkte Weg wird bei diesem Beispiel unmittelbar über die Antwort in Fenster 0 realisiert, die nächstbeste Weg-Metrik wird bei diesem Beispiel zu einem späteren Zeitpunkt über das Fenster 1 gemeldet usw. bis alle Stations-Funkvorrichtungen, die mit RREP-Nachrichten antworten können, dies getan haben. Bei einem derartigen System wird, indem das Senden von RREP-Nachrichten mit besseren Weg-Metriken priorisiert wird und das Senden von RREP-Nachrichten mit schlechteren Weg-Metriken verzögert wird, das Kollidieren von RREP-Nachrichten, das die Verfügbarkeit von Routen mit besseren Weg-Metriken verdecken kann, vollständig vermieden.
Wie 4 ebenfalls zeigt, ist ein fünftes Fenster zwischen Zeitpunkt t₄ und einem folgenden Zeitpunkt t₅ eingerichtet. Dieses Zeitfenster 226 wird in dem vorliegenden Beispiel als ein RREQ-Fenster bezeichnet, und jede Stations-Funkvorrichtung, die nicht über einen Weg zu dem Ziel verfügt, wird angewiesen, die RREQ-Nachricht in diesem Zeitfenster 226 weiterzuleiten. Die Dauer des Fensters 226 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren, ist jedoch im Allgemeinen so lang, dass jede beliebige Stations-Funkvorrichtung, die die RREQ-Nachricht weiterleiten kann, dies tun kann. Das Fenster 226 folgt auf die Fenster 220, 222, 224 und 225, so dass die Antwort jeder beliebigen Stations-Funkvorrichtung, die in dem Fenster 226 antwortet, um wenigstens ein Zeitmaß verzögert wird, das der kumulativen Dauer der Fenster 220, 222, 224 und 225 gleich ist. Eine weitergeleitete RREQ-Nachricht wird dabei erst gesendet, nachdem alle möglichen RREP-Nachrichten in den vorhergehenden Fenstern 220, 222, 224 und 225 erschienen sind, und jegliche Möglichkeit, dass eine weitergeleitete RREQ-Nachricht mit einer RREP-Nachricht kollidiert und die Verfügbarkeit von Routen mit besseren Weg-Metriken überdeckt, wird vollständig vermieden.
Es sind, wie in 5 dargestellt, weitere Verbesserungen möglich, indem willkürliche Verzögerung beim Senden von RREP-Nachrichten in jedem der n Fenster umgesetzt wird, um eine Möglichkeit des Kollidierens von RREP-Nachrichten zu verringern, die sich auf Wege der gleichen Metrik beziehen. So kann es bei dem Beispiel in 4, wenn mehr als eine Funkstation eine RREP-Nachricht mit einer Weg-Metrik mit einem Wert 1 in dem Fenster 222 sendet, zu einer möglichen Kollision von RREP-Nachrichten kommen. Um dies zu vermeiden, wird eine geringfügig willkürlich festgelegte Verzögerung zwischen dem Beginn des Fensters 222 (in dem vorliegenden Beispiel Zeitpunkt t₁) und dem Senden der RREP-Nachricht hinzugefügt. Die Verzögerung ist in 5 mit t_r gekennzeichnet und führt dazu, dass die RREP-Nachricht zu einem Zeitpunkt t₁ + t_r und nicht unmittelbar zum Zeitpunkt t₁ gesendet wird.
Zufallszahlgeneratoren und dergleichen können eingesetzt werden, um das tatsächliche Maß der Verzögerung zu bestimmen, und aufgrund der Zufälligkeit der Verzögerung für jede antwortende Funkvorrichtung wird die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Stations-Funkvorrichtungen vollständig kollidierende RREP-Nachrichten senden, effektiv minimiert. Die Verzögerung ist relativ gering, und es ist vorgesehen, dass sie ein Bruchteil der Dauer des Fensters 220 bzw. 222 ist, der nicht in allen Ausführungsformen der gleiche sein muss. Aufgrund der zufälligen Verzögerung gibt es einen zeitlichen Abstand zwischen den durch verschiedene Stations-Funkvorrichtungen gesendeten RREP-Nachrichten in dem Fenster 222, der zulässt, dass die Ursprungs-Funkvorrichtung diese empfängt und verarbeitet. Bei vorgesehenen Ausführungsformen kann die zufällige bzw. willkürliche Verzögerung eine Verzögerung mit dem Wert 0 einschließen, so dass eine in dem Fenster 220 gesendete Nachricht unmittelbar zum Zeitpunkt t₁ gesendet wird. Ähnliche willkürliche Verzögerungen können in allen Fenstern 1 bis n in jedem beliebigen Netzwerk erzeugt werden.
5 stellt weitere Merkmale dar, die wahlweise in dem Protokoll enthalten sein können. Obwohl 5 nur das beispielhafte Fenster 222 darstellt, ist vorgesehen, dass alle Fenster 1 bis n ähnlich eingestellt werden. Das heißt, das Protokoll kann zusätzlich zum Senden einer RREP-Nachricht wahlweise durch eine Stations-Funkvorrichtung eine vorhandene Bestätigungsnachricht (RREP-ACK), die von der Ursprungs-Funkvorrichtung zurückgesendet wird, und wahlweise eine nicht angeforderte Antwort (G-RREP) von der Repeater-Funkvorrichtung an die Ziel-Funkvorrichtung zum Einrichten der Rückwärts-Route in Erwartung bidirektionaler Kommunikation zwischen dem Ursprung und dem Ziel enthalten. So kann wahlweise bestätigt werden, dass Übertragungen durch die Ursprungs-Funkvorrichtung empfangen wurden, und eine Rückwärts-Route von dem Ziel zu dem Ursprung kann proaktiv eingerichtet werden. Die Länge des Zeitschlitzes 222 sollte das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein von RPEP-ACK-Nachrichten und G-RREQ-Nachrichten in dem Protokoll berücksichtigen und auch die Verzögerung berücksichtigen, die vor Erzeugungen der RREP-Nachricht durch eine Stations-Funkvorrichtung hinzugefügt wird. Das Fenster 222 sollte lang genug sein, um die erforderlichen Nachrichtenübertragungen und das Maß an Verzögerung zu ermöglichen. Idealerweise sollten alle Nachrichtenübertragungen innerhalb der Grenzen des Fensters beginnen und enden. Ansonsten könnten sich Nachrichten in das nächstfolgende Fenster hinein ausbreiten und Möglichkeiten der Kollision von Nachrichten verhindern. Die Länge der Fenster 1 bis n kann so ausgewählt werden, dass sie in verschiedenen Ausführungsformen gleich oder unterschiedlich ist.
Weitere Verbesserungen der Leistung werden, wie in 6 gezeigt, möglich, indem Weiterleitung beliebiger RREQ-Nachrichten in dem n + 1-ten Fenster 226 um ein willkürlich festgelegtes Maß verzögert wird, das durch das Maß t_r angezeigt wird. Die Verzögerung kann auf ähnliche Weise wie die oben erläuterte Verzögerung in dem Fenster 220 (5) bestimmt werden. Die willkürlichen Verzögerungen werden individuell bei den Stations-Funkvorrichtungen angewendet, die die RREQ-Nachricht weiterleiten müssen. Die Anwendung willkürlich verteilter Verzögerungen bei weitergeleiteten RREQ-Nachrichten dient dazu, eine Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass von verschiedenen Stations-Funkvorrichtungen gesendete RREQ-Nachrichten einander stören. Die Dauer bzw. Länge von Fenster n + 1 kann an gewünschte Leistung beim Weiterleiten von RREQ-Nachrichten angepasst werden.
7 stellt eine beispielhafte Implementierung des oben beschriebenen priorisierten Kommunikations-Protokolls dar. Der Algorithmus kann intern gespeichert und durch jede der prozessorbasierten Steuereinrichtungen der Funkvorrichtungen 100 (1) ausgeführt werden. In einer vorgesehenen Ausführungsform ist jede Funkvorrichtung in dem Maschennetz in der Lage, den Algorithmus auszuführen, da alle Vorrichtungen im Allgemeinen als Ursprungs- und Stations-Funkvorrichtungen zum Senden von Nachrichten eingesetzt werden können. In anderen Ausführungsformen könnte der Algorithmus jedoch nur von ausgewählten der Funkvorrichtungen in dem Netzwerk ausgeführt werden.
Der Algorithmus beginnt, wie in 7 gezeigt, wenn in Schritt 240 eine RREQ-Nachricht empfangen wird. Wenn die RREQ-Nachricht empfangen ist, stellt die Funkvorrichtung in Schritt 242 fest, ob ein Weg zu dem Ziel verfügbar ist. Die Verfügbarkeit bzw. Nichtverfügbarkeit kann in einer Verweistabelle gespeichert werden, die periodisch aktualisiert wird, wenn die Funkvorrichtungen kommunizieren. Die Verfügbarkeit bzw. Nichtverfügbarkeit eines Weges könnte als Alternative dazu auf andere Weise bestimmt oder bekannt gemacht werden und verwendet werden, um Schritt 242 zu bewerten.
Wenn ein Weg zum Ziel verfügbar ist, wird die Weg-Metrik in Schritt 244 abgerufen. Die Weg-Metrik kann anhand der oben beschriebenen Verweistabelle abgerufen werden oder auf die oben beschriebene Weise oder auf andere Art bestimmt werden. Wenn der beste verfügbare Weg und die Weg-Metrik bekannt sind, legt die Funkvorrichtung die Verzögerung beim Antworten entsprechend der Metrik fest. Bei einer Weg-Metrik mit dem Wert 0 kann die RREP-Nachricht ohne Verzögerung gesendet werden, da maximal eine sendende Vorrichtung vorhanden ist, die die angeforderte Ziel-Station ist. Bei indirekten Wegen (Metriken größer als 0) kann die Funkvorrichtung auf Basis der Weg-Metrik auswählen, in welchem der Fenster 1 bis n geantwortet wird. Senden der RREP-Nachrichten wird priorisiert und entsprechend verzögert, wie dies oben beschrieben ist.
Es kann, wie in Schritt 248 gezeigt, eine zusätzliche und willkürlich festgelegte Verzögerung wahlweise angewendet werden, um zu vermeiden, dass RREP-Nachrichten von verschiedenen Funkvorrichtungen, die die gleiche Metrik haben und in dem gleichen Fenster gesendet werden, kollidieren, wie dies oben erläutert ist. Nach der möglichen zusätzlichen Verzögerung in Schritt 248 wird die RREP-Nachricht gesendet.
Die Funkvorrichtung kann, wie in Schritt 252 gezeigt, wahlweise gegebenenfalls auf Bestätigung der RREP-Nachricht durch die Ursprungs-Funkvorrichtung warten. Wenn keine Bestätigung empfangen wird, kann die Ursprungs-Funkvorrichtung, die die ursprüngliche RREQ-Nachricht gesendet hat, durch die RREP-Nachricht sendende Station auf eine schwarze Liste gesetzt werden (dies ist der normale Ablauf beim AODV-Protokoll). Wenn eine Bestätigung empfangen wird, kann unaufgefordert eine Antwort zu der Ziel-Funkvorrichtung gesendet werden, die in der Routen-Anforderung angezeigt ist, wie dies in Schritt 254 dargestellt ist. Die Vorrichtung kehrt dann zu Schritt 240 zurück und wartet auf eine weitere RREQ-Nachricht von einer Ursprungs-Funkvorrichtung.
Wenn in Schritt 242 festgestellt wird, dass kein Weg zu dem Ziel verfügbar ist, kann die Funkvorrichtung eine Verzögerung 256 beim Weiterleiten der RREQ-Nachricht bis zum Beginn des n + 1-ten Fensters festlegen. Wahlweise wird, wie in Schritt 258 gezeigt, eine willkürlich bestimmte Verzögerung angewendet, um Kollision weitergeleiteter RREQ-Nachrichten zu vermeiden. In Schritt 260 wird die weitergeleitete RREQ-Nachricht gesendet. Die Vorrichtung kehrt dann zu Schritt 240 zurück und wartet auf eine weitere RREQ-Nachricht von einer Ursprungs-Funkvorrichtung.
Nach dieser Erläuterung des Algorithmus wird davon ausgegangen, dass der Fachmann den Algorithmus programmieren oder den Algorithmus anderweitig ohne weitere Erläuterung in prozessorbasierten Steuereinrichtungen implementieren könnte. Es wird davon ausgegangen, dass Implementierung in Firmware und/oder Hardware zu den Fähigkeiten des Fachmanns gehört. Der Algorithmus könnte in dem Kommunikations-Netzwerk per Funk als Firmware- oder Software-Update zu den Funkvorrichtungen übertragen werden oder könnte als Alternative dazu den Funkvorrichtungen vor Installation in dem Netzwerk bereitgestellt werden.
8 stellt dar, wie Senden von RREP-Nachrichten in jedem der n Fenster auf alternative Weise zusätzlich verzögert werden kann, um die Möglichkeit der Kollision von RREP-Nachrichten bei Wegen mit gleicher Metrik zu verringern. So kann es bei dem Beispiel in 8, wenn mehr als eine Stations-Funkvorrichtung eine RREP-Nachricht mit einer Weg-Metrik des Wertes 1 in dem Fenster sendet, das zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ definiert ist, zu einer möglichen Kollision der RREP-Nachrichten kommen. Um dieses Problem zu lösen, kann das Fenster in mehrere Zeitschlitze unterteilt werden, deren Dauer jeweils ausreicht, um Senden der RREP-Nachricht sowie wahlweise von RREP-ACK und G-RREP-Nachrichten zuzulassen. Die RREP-Nachricht wird dann in einem dieser Schlitze gesendet.
Ein derartiger Schlitz ist in 8 mit Bezugszeichen 280 gekennzeichnet und erstreckt sich zwischen einem Zeitpunkt t_d und dem Ende der RREP-Nachricht wahlweise zuzüglich RREP-ACK- und G-RREP-Nachrichten. Der Zeitpunkt t_d folgt auf Zeitpunkt t₁, zu dem das Antwort-Fenster beginnt, und daher wird eine Verzögerung zwischen dem Beginn des Antwort-Fensters zum Zeitpunkt t₁ und dem Beginn der RREP-Nachricht zum Zeitpunkt t_d eingebaut. Die Verzögerung führt dazu, dass die RREP-Nachricht zu einem Zeitpunkt t₁ plus t_d und nicht unmittelbar zum Zeitpunkt t₁ gesendet wird. Indem mehrere Schlitze mit verschiedenen t_d-Werten definiert werden und dann willkürlich einer der mehreren Schlitze zum Senden der RREP-Nachricht ausgewählt wird, wird effektiv zufällige Verzögerung von RREP-Nachrichten von unterschiedlichen Funkvorrichtungen ermöglicht, die die gleiche Weg-Metrik melden.
Wenn die Zeitverzögerung t_d so ausgewählt wird, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Schlitz-Zeit ist (d. h. der kumulative Zeitraum, der erforderlich ist, um die RREP-Nachricht zu senden, und, wenn konfiguriert, wahlweise die RREP-ACK-Nachricht zu empfangen, und des Weiteren, wenn konfiguriert, wahlweise die G-RREP-Nachricht zu senden), kann gewährleistet werden, dass die willkürlich ausgewählten Zeitschlitze keinerlei Überlappung aufweisen. Beispielsweise kann die Verzögerungszeit t_d für jeden der mehreren Schlitze bestimmt werden, indem die Schlitz-Zeit mit einer beliebigen ganzen Zahl in dem Bereich 0-m-1 multipliziert wird, wobei m ein Wert ist, der gewährleistet, dass der Schlitz m das folgende Fenster nicht überlappt.
9 stellt dar, wie das Senden weitergeleiteter RREQ-Nachrichten in dem Fenster zum Weiterleiten von RREQ-Nachrichten auf alternative Weise verzögert werden kann, um eine Möglichkeit der Kollision von RREQ-Nachrichten zu verringern. Bei dem Beispiel in 9 kann das RREQ-Fenster in mehrere Zeitschlitze 290, 292 und 294 unterteilt werden, wobei jede der weitergeleiteten RREP-Nachrichten in einem dieser Schlitze gesendet wird. Die Schlitze können so ausgewählt werden, dass es bei keiner der RREP-Nachrichten zu Überlappung kommt. Das RREQ-Fenster kann so ausgewählt werden, dass es so lang ist, dass alle möglichen Funkvorrichtungen RREQ-Nachrichten in dem RREQ-Fenster weiterleiten können.
Die in 8 und 9 gezeigten Methoden können anstelle der 5 und 6 gezeigten Methoden eingesetzt werden und in dem Algorithmus in 7 in den Schritten 248 und 258 implementiert werden, um zusätzliche Verzögerung bei der Nachrichtenübertragung zu erzeugen und Kollision von Nachrichten in dem Netzwerk 120 zu vermeiden.
Es wird davon ausgegangen, dass nunmehr die Nutzeffekte und Vorteile der Erfindung anhand der offenbarten beispielhaften Ausführungsformen ausreichend dargestellt worden sind.
Es ist eine Ausführungsform einer Eingabe-/Ausgabevorrichtung offenbart worden, die enthält: einen Sender, der so konfiguriert ist, dass er eine Funkfrequenz-Signalübertragung erzeugt; einen Empfänger, der so konfiguriert ist, dass er eine Funkfrequenz-Signalübertragung empfängt, und eine prozessorbasierte Steuereinrichtung, die Senden von Funkfrequenz-Signalübertragungen in Reaktion auf empfangene Signalübertragungen in einem Übertragungsnetzwerk mit mehreren Signalwegen koordiniert. Die prozessorbasierte Steuereinrichtung ist so konfiguriert, dass sie eine Routen-Anforderung empfängt, die ein Ziel für eine vorgeschlagene Übertragung über das Netzwerk enthält, feststellt, ob die Eingabe-/Ausgabevorrichtung das Ziel ist und, wenn dies der Fall ist, eine Routen-Antwortnachricht ohne Verzögerung sendet, und, wenn die Eingabe-/Ausgabevorrichtung nicht das Ziel ist, feststellt, ob ein Signalweg zu dem Ziel von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel verfügbar ist, und, wenn ein Signalweg zu dem Ziel verfügbar ist, eine Routen-Antwortnachricht erzeugt und nach wenigstens einem ersten Maß an Verzögerung sendet
Wahlweise kann die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie eine Metrik identifiziert, die einer Vorteilhaftigkeit des verfügbaren Signalweges zu dem Ziel entspricht, und sie das erste vorgegebene Maß an Verzögerung entsprechend der Metrik vergrößert. Die Metrik kann eine ganze Zahl umfassen, die eine Anzahl von Funkstations-Signalwegen repräsentiert, die erforderlich sind, um eine Übertragung von dem Eingabe-/Ausgabeelement zu dem Ziel abzuschließen, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das erste vorgegebene Maß an Verzögerung proportional um ein Maß vergrößert, das der ganzen Zahl gleich ist. Die Metrik kann einer Distanz zwischen dem Eingabe-/Ausgabeelement und dem Ziel entsprechen.
Die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren wahlweise so konfiguriert sein, dass sie ein erstes zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem ersten vorgegeben Maß an Verzögerung hinzufügt, wobei das zusätzliche Maß an Verzögerung willkürlich bestimmt wird. Das erste zusätzliche Maß an Verzögerung kann kürzer sein als eine Zeit, die zum Abschließen von Senden der RREP-Nachricht erforderlich ist. Das erste zusätzliche Maß an Verzögerung kann einem willkürlich ausgewählten einer Anzahl von Zeitschlitzen für die Antwort entsprechen.
Die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren wahlweise so konfiguriert sein, dass sie, wenn kein Weg von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel verfügbar ist, die Routen-Anforderungsnachricht nach wenigstens einem zweiten vorgegebenen Maß an Verzögerung weiterleitet. Das zweite vorgegebene Maß an Verzögerung kann das erste vorgegebene Maß an Verzögerung für jedes beliebige Eingabe-/Ausgabeelement in dem Netzwerk, das die Routen-Anforderung empfängt, zuzüglich der zum Abschließen der Routen-Antwortnachricht erforderlichen Zeit übersteigen. Das zweite zusätzliche Maß an Verzögerung kann einem einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Weiterleiten der Routen-Anforderungsnachricht entsprechen.
Die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie ein zweites zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem zweiten vorgegebenen Maß an Verzögerung hinzufügt, wobei das zweite zusätzliche Maß an Verzögerung willkürlich bestimmt wird. Das zweite zusätzliche Maß an Verzögerung kann so ausgewählt werden, dass die Leistung des Netzwerks in Bezug auf das Weiterleiten von Anforderungs-Nachrichten optimiert wird.
Die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren wahlweise so konfiguriert sein, dass sie eine Eingabe wenigstens eines Sensors empfängt, und die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie ein Datenpaket, das die Signaleingabe enthält, zu einem entfernten Standort sendet. Die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann auch so konfiguriert sein, dass sie eine Signalausgabe an wenigstens eine Steuervorrichtung bereitstellt, und die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie ein Datenpaket von einem entfernten Standort empfängt, wobei das Datenpaket einen Befehl an die Steuervorrichtung enthält und die prozessorbasierte Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie den Befehl an die Steuervorrichtung ausgibt.
Das erste vorgegebene Maß an Verzögerung kann wahlweise durch eines einer Vielzahl aufeinanderfolgender Antwort-Fenster bestimmt werden, und die prozessorbasierte Steuereinrichtung ist des Weiteren so konfiguriert, dass sie eines der Vielzahl von Fenstern auswählt, um ein priorisiertes Senden einer Routen-Antwortnachricht zu ermöglichen.
Der Sender und der Empfänger können zu einem Sendeempfänger kombiniert werden. Die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie Senden von Funkfrequenz-Signalübertragungen in einem Übertragungsnetzwerk mit mehreren Signalwegen koordiniert, das eine Spreizspektrum-Maschen-Topologie mit Frequency Hopping hat.
Es ist des Weiteren eine Ausführungsform eines Mehrweg-Funkkommunikations-Netzwerks offenbart worden, mit dem ein industrieller Prozess überwacht und gesteuert wird, wobei das Netzwerk umfasst: eine Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Maschennetz drahtlos kommunizieren, wobei jede Funkvorrichtung mit mehreren anderen Funkvorrichtungen in dem Maschennetz kommuniziert. Wenigstens eine der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen ist so konfiguriert, dass sie eine Routen-Anforderung empfängt, die ein Ziel für eine vorgeschlagene Übertragung über das Netzwerk enthält, feststellt, ob ein Weg zu dem Ziel von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel vorhanden ist, und, wenn ein Weg zu dem Ziel vorhanden ist, eine Routen-Antwortnachricht entsprechend einem priorisierten Kommunikations-Protokoll nach wenigstens einer vorgegebenen Zeitverzögerung sendet, wobei die Zeitverzögerung von einer Weg-Metrik abhängt, die dem Weg entspricht.
Wahlweise kann die Weg-Metrik einer Vorteilhaftigkeit des Signalweges zu dem Ziel entsprechen. Die Metrik kann eine ganze Zahl umfassen, die eine Anzahl von Funkstations-Signalwegen repräsentiert, die erforderlich sind, um eine Übertragung zu dem Ziel abzuschließen, wobei die vorgegebene Zeitverzögerung dem Produkt der ganzen Zahl und einer vorgegebenen Zeitdauer gleich ist. Die Weg-Metrik kann einer Distanz zwischen jeder prozessorbasierten Funkvorrichtung und dem Ziel entsprechen. Die Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie ein willkürlich bestimmtes zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem vorgegebenen Maß an Verzögerung hinzufügt.
Die prozessorbasierten Funkvorrichtungen können wahlweise des Weiteren auch so konfiguriert sein, dass sie, wenn kein verfügbarer Weg zu dem Ziel vorhanden ist, die Routen-Anforderungsnachricht zu einem Zeitpunkt weiterleiten, zu dem alle Routen-Antwortnachrichten gesendet worden sind. Die prozessorbasierten Funkvorrichtungen können des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie ein willkürlich bestimmtes Maß an Verzögerung zu dem Zeitpunkt hinzufügen, zu dem alle Routen-Antwortnachrichten gesendet worden sind, und sie die Routen-Anforderungsnachricht weiterleiten, nachdem das willkürlich bestimmte Maß an Verzögerung abgelaufen ist.
Wenigstens eine der prozessorbasierten Funkvorrichtungen kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie, wenn die Funkvorrichtung die Zielvorrichtung ist, eine Routen-Antwortnachricht ohne Verzögerung erzeugt und sendet. Die vorgegebene Zeitverzögerung kann einem ausgewählten einer Vielzahl aufeinanderfolgender Antwort-Zeitfenster entsprechen.
Es ist desgleichen eine Ausführungsform eines Mehrweg-Funkkommunikationssystems offenbart worden, die umfasst: eine Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Maschennetz, das eine Spreizspektrum-Topologie mit Frequency Hopping aufweist, drahtlos miteinander kommunizieren. Jede der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen ist so konfiguriert, dass sie eine Routen-Anforderung empfängt, die ein Ziel für eine vorgeschlagene Übertragung über das Netzwerk enthält, feststellt, ob ein Weg zu dem Ziel vorhanden ist, und wenn nur ein indirekter Weg zu dem Ziel vorhanden ist, eine Routen-Antwortnachricht entsprechend einem priorisierten Kommunikations-Protokoll erzeugt und unter Verwendung eines ausgewählten einer Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten sendet.
Wahlweise kann jede der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie, wenn ein direkter Weg zu dem Ziel vorhanden ist, eine Routen-Antwortnachricht erzeugt und ohne Verzögerung sendet. Jede der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen kann des Weiteren auch so konfiguriert sein, dass sie, wenn kein Weg zu dem Ziel von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel vorhanden ist, die Routen-Anforderung nach Ablauf der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten weiterleitet. Eine Weg-Metrik kann mit jedem der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten verbunden sein, und die Weg-Metrik kann einer Vorteilhaftigkeit eines indirekten Signalweges zu dem Ziel entsprechen. Die Weg-Metrik kann eine ganze Zahl sein, die für eine Anzahl von Funkstations-Signalwegen steht, die erforderlich sind, um eine Übertragung zu dem Ziel abzuschließen. Die Weg-Metrik kann des Weiteren einer Distanz zwischen jeder prozessorbasierten Funkvorrichtung und dem Ziel entsprechen. Aufeinanderfolgende der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten können eine stärkere Verzögerung beim Senden der Routen-Antwortnachricht definieren.
Die Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen können des Weiteren auch so konfiguriert sein, dass sie ein willkürlich bestimmtes zusätzliches Maß an Verzögerung vor dem Senden der Routen-Antwortnachricht in jedem der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten hinzufügen. Das willkürlich bestimmte zusätzliche Maß an Verzögerung kann einem willkürlich ausgewählten einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Antworten entsprechen. Die prozessorbasierten Funkvorrichtungen können des Weiteren so konfiguriert sein, dass sie ein zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem Zeitpunkt hinzufügen, nachdem alle Routen-Antwortnachrichten gesendet sind, wobei das zusätzliche Maß an Verzögerung einem willkürlich ausgewählten einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Antworten entspricht.
Des Weiteren ist ein beispielhaftes Verfahren zum Priorisieren von Übertragungen zwischen Funkvorrichtungen in einem Mehrweg-Funkkommunikationssystem offenbart worden, das eine Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen enthält, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Maschennetz drahtlos miteinander kommunizieren. Das Verfahren wird in prozessorbasierten Funkvorrichtungen implementiert und umfasst Empfangen einer durch eine Ursprungs-Funkvorrichtung erzeugten Routen-Anforderung mit mehreren prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen, wobei die Routen-Anforderung ein Ziel für eine vorgeschlagene Kommunikation über das Netzwerk enthält, Feststellen, ob ein Weg zu dem Ziel von den mehreren prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen zu dem Ziel vorhanden ist, und Priorisieren des Sendens von Routen-Antworten zu der Ursprungs-Funkvorrichtung von entsprechenden der mehreren prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen, in denen festgestellt wird, dass Wege zu dem Ziel vorhanden sind, wobei Priorisieren des Sendens von Routen-Antworten umfasst, dass Senden von Routen-Antworten auf Basis einer Weg-Metrik für jede entsprechende der prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen verzögert wird.
Wahlweise kann das Verfahren auch, wenn festgestellt wird, dass keine Wege von den prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen zu dem Ziel vorhanden sind, einschließen, dass Senden weitergeleiteter RREQ-Nachrichten durch die prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen verzögert wird, bis alle Routen-Antworten gesendet worden sind. Verzögern des Sendens weitergeleiteter RREQ-Nachrichten, nachdem alle Routen-Antworten gesendet worden sind, kann des Weiteren einschließen, dass ein zusätzliches Maß an Verzögerung hinzugefügt wird, nachdem alle Routen-Antworten gesendet worden sind.
Verzögern des Sendens kann einschließen, dass die Weg-Metrik durch jede Funkvorrichtung abgerufen wird, mit jeder entsprechenden Routen-Antwort für die prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen in einem einer vorgegebenen Vielzahl von Fenstern zum Senden von Routen-Antworten auf Basis der Weg-Metrik geantwortet wird und ein zusätzliches Maß an Verzögerung hinzugefügt wird, bevor mit jeder entsprechenden Routen-Antwort in jedem Fenster geantwortet wird.
Priorisieren des Sendens von Routen-Antworten zu der Ursprungs-Funkvorrichtung kann des Weiteren einschließen, dass eine Routen-Antwort ohne Verzögerung gesendet wird, wenn eine der prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen das Ziel ist.
In der vorliegenden Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung einschließlich der besten Art und Weise der Umsetzung zu offenbaren und darüber hinaus den Fachmann zu befähigen, die Erfindung zu praktizieren, wobei dies Herstellen und Verwenden von Vorrichtungen oder Systemen und Durchführen damit zusammenhängender Verfahren einschließt. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, wie sie sich für den Fachmann ergeben. Es ist beabsichtigt, dass diese anderen Beispiele im Schutzumfang der Patentansprüche enthalten sind, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht vom Wortlaut der Patentansprüche abweichen, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unerheblichen Abweichungen vom Wortlaut der Patentansprüche enthalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrweg-Funkkommunikations-Netzwerk geschaffen, mit dem ein industrieller Prozess überwacht und gesteuert wird. Das Netzwerk umfasst eine Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Maschennetz drahtlos kommunizieren, wobei jede Funkvorrichtung mit mehreren anderen Funkvorrichtungen in dem Maschennetz kommuniziert. Wenigstens eine der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen ist so konfiguriert, dass sie eine Routen-Anforderung empfängt, die ein Ziel für eine vorgeschlagene Übertragung über das Netzwerk enthält, feststellt, ob ein Weg zu dem Ziel von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel vorhanden ist, und, wenn ein Weg zu dem Ziel vorhanden ist, eine Routen-Antwortnachricht entsprechend einem priorisierten Kommunikations-Protokoll nach wenigstens einer vorgegebenen Zeitverzögerung sendet, wobei die Zeitverzögerung von einer Weg-Metrik abhängt, die dem Weg entspricht.
Vorzugsweise entspricht die Weg-Metrik einer Vorteilhaftigkeit des Signalweges zu dem Ziel.
Des Weiteren umfasst die Metrik vorzugsweise eine ganze Zahl, die eine Anzahl von Funkstations-Signalwegen repräsentiert, die erforderlich sind, um eine Übertragung zu dem Ziel abzuschließen, wobei die vorgegebene Zeitverzögerung dem Produkt der ganzen Zahl und einer vorgegebenen Zeitdauer gleich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Weg-Metrik einer Distanz zwischen jeder prozessorbasierten Funkvorrichtung und dem Ziel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen des Weiteren so konfiguriert, dass sie ein willkürlich bestimmtes zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem vorgegebenen Maß an Verzögerung hinzufügt.
Das willkürlich bestimmte zusätzliche Maß an Verzögerung entspricht des Weiteren vorzugsweise einem willkürlich ausgewählten einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Antworten.
Die prozessorbasierten Funkvorrichtungen sind des Weiteren vorzugsweise so konfiguriert, dass sie, wenn kein verfügbarer Weg zu dem Ziel vorhanden ist, die Routen-Anforderungsnachricht zu einem Zeitpunkt weiterleiten, nachdem alle Routen-Antwortnachrichten gesendet sind.
Die prozessorbasierten Funkvorrichtungen sind des Weiteren vorzugsweise so konfiguriert, dass sie ein zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem Zeitpunkt hinzufügen, nachdem alle Routen-Antwortnachrichten gesendet sind, wobei das zusätzliche Maß an Verzögerung einem willkürlich ausgewählten einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Antworten entspricht.
Die prozessorbasierten Funkvorrichtungen sind des Weiteren vorzugsweise so konfiguriert, dass sie ein willkürlich bestimmtes Maß an Verzögerung zu dem Zeitpunkt hinzufügen, nachdem alle Routen-Antwortnachrichten gesendet sind, und die Routen-Anforderungsnachricht weiterleiten, nachdem das willkürlich bestimmte Maß an Verzögerung abgelaufen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine der prozessorbasierten Funkvorrichtungen des Weiteren so konfiguriert, dass sie eine Routen-Antwortnachricht erzeugt und ohne Verzögerung sendet, wenn die Funkvorrichtung die Zielvorrichtung ist.
Die vorgegebene Zeitverzögerung entspricht weiterhin einem vorzugsweise ausgewählten einer Vielzahl aufeinanderfolgender Antwort-Zeitfenster.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Mehrweg-Funkkommunikationssystem geschaffen. Das System umfasst eine Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Maschennetz, das eine Spreizspektrum-Topologie mit Frequency Hopping aufweist, drahtlos miteinander kommunizieren. Jede der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen ist so konfiguriert, dass sie eine Routen-Anforderung empfängt, die ein Ziel für eine vorgeschlagene Kommunikation über das Netzwerk enthält, feststellt, ob ein Weg zu dem Ziel vorhanden ist, und wenn nur ein indirekter Weg zu dem Ziel vorhanden ist, eine Routen-Antwortnachricht entsprechend einem priorisierten Kommunikations-Protokoll erzeugt und unter Verwendung eines ausgewählten einer Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten sendet.
Vorzugsweise ist jede der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen des Weiteren so konfiguriert, dass sie eine Routen-Antwortnachricht erzeugt und ohne Verzögerung sendet, wenn ein direkter Weg zu dem Ziel vorhanden ist.
Vorzugsweise ist jede der Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen weiterhin so konfiguriert, dass sie die Routen-Anforderung nach Ablauf der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten weiterleitet, wenn kein Weg zu dem Ziel von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung vorhanden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Weg-Metrik mit jedem der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten verbunden, und die Weg-Metriken entsprechen einer Vorteilhaftigkeit eines indirekten Signalweges zu dem Ziel.
Vorzugsweise ist die Weg-Metrik des Weiteren eine ganze Zahl, die einer Anzahl von Funkstations-Signalwegen entspricht, die erforderlich sind, um eine Übertragung zu dem Ziel abzuschließen.
Die Weg-Metrik entspricht weiterhin vorzugsweise einer Distanz zwischen jeder prozessorbasierten Funkvorrichtung und dem Ziel.
Noch besser definieren aufeinanderfolgende der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten eine stärkere Verzögerung beim Senden der Routen-Antwortnachricht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen des Weiteren so konfiguriert, dass sie ein willkürlich bestimmtes zusätzliches Maß an Verzögerung vor dem Senden der Routen-Antwortnachricht in jedem der Vielzahl vorgegebener Zeitfenster zum Antworten hinzufügen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Priorisieren von Übertragungen zwischen Funkvorrichtungen in einem Mehrweg-Funkkommunikationssystem geschaffen, das eine Vielzahl prozessorbasierter Funkvorrichtungen enthält, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Maschennetz drahtlos miteinander kommunizieren. Das Verfahren wird in prozessorbasierten Funkvorrichtungen implementiert und umfasst die Schritte des Empfangens einer durch eine Ursprungs-Funkvorrichtung erzeugten Routen-Anforderung mit mehreren prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen, wobei die Routen-Anforderung ein Ziel für eine vorgeschlagene Kommunikation über das Netzwerk enthält, des Feststellens, ob ein Weg zu dem Ziel von den mehreren prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen vorhanden ist, und des Priorisierens des Sendens von Routen-Antworten zu der Ursprungs-Funkvorrichtung von entsprechenden der mehreren prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen, in denen festgestellt wird, dass Wege zu dem Ziel vorhanden sind, wobei Priorisieren des Sendens von Routen-Antworten umfasst, dass Senden von Routen-Antworten auf Basis einer Weg-Metrik für jede entsprechende der prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen verzögert wird.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt, in dem Senden weitergeleitete RREQ-Nachrichten durch die prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen verzögert wird, bis alle Routen-Antworten gesendet worden sind, wenn festgestellt wird, dass keine Wege von den prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen zu dem Ziel vorhanden sind.
Des Weiteren umfasst Verzögern des Sendens weitergeleiteter RREQ-Nachrichten, nachdem alle Routen-Antworten gesendet worden sind, vorzugsweise, dass ein zusätzliches Maß an Verzögerung hinzugefügt wird, nachdem alle Routen-Antworten gesendet worden sind.
Verzögern des Sendens umfasst vorzugsweise weiterhin, dass die Weg-Metrik durch jede Funkvorrichtung abgerufen wird und mit jeder entsprechenden Routen-Antwort für die prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen in einem einer vorgegebenen Vielzahl von Fenstern zum Senden von Routen-Antworten auf Basis der Weg-Metrik geantwortet wird.
Verzögern des Sendens von Routen-Antworten umfasst vorzugsweise weiterhin, dass ein zusätzliches Maß an Verzögerung hinzugefügt wird, bevor mit jeder entsprechenden Routen-Antwort in jedem Fenster geantwortet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst Priorisieren des Sendens von Routen-Antworten zu der Ursprungs-Funkvorrichtung, dass eine Routen-Antwort ohne Verzögerung gesendet wird, wenn eine der prozessorbasierten Stations-Funkvorrichtungen das Ziel ist.

Claims

Eingabe-/Ausgabevorrichtung, die umfasst: einen Sender, der so konfiguriert ist, dass er eine Funkfrequenz-Signalübertragung erzeugt; einen Empfänger, der so konfiguriert ist, dass er eine Funkfrequenz-Signalübertragung empfängt, und eine prozessorbasierte Steuereinrichtung, die Senden von Funkfrequenz-Signalübertragungen in Reaktion auf empfangene Signalübertragungen in einem Übertragungsnetzwerk mit mehreren Signalwegen koordiniert, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie: eine Routen-Anforderung empfängt, die ein Ziel für eine vorgeschlagene Übertragung über das Netzwerk enthält; feststellt, ob die Eingabe-/Ausgabevorrichtung das Ziel ist, und wenn dies der Fall ist, eine Routen-Antwortnachricht ohne Verzögerung sendet; und wenn die Eingabe-/Ausgabevorrichtung nicht das Ziel ist, feststellt, ob ein Signalweg zu dem Ziel von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel verfügbar ist, und, wenn ein Signalweg zu dem Ziel verfügbar ist, eine Routen-Antwortnachricht erzeugt und nach wenigstens einem ersten Maß an Verzögerung sendet.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie eine Metrik identifiziert, die einer Vorteilhaftigkeit des verfügbaren Signalweges zu dem Ziel entspricht, und sie das erste vorgegebene Maß an Verzögerung entsprechend der Metrik vergrößert.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Metrik eine ganze Zahl umfasst, die eine Anzahl von Funkstations-Signalwegen repräsentiert, die erforderlich sind, um eine Übertragung von dem Eingabe-/Ausgabeelement zu dem Ziel abzuschließen, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das erste vorgegebene Maß an Verzögerung proportional um ein Maß vergrößert, das der ganzen Zahl gleich ist.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Metrik einer Distanz zwischen dem Eingabe-/Ausgabeelement und dem Ziel entspricht.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie ein erstes zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem ersten vorgegebenen Maß an Verzögerung hinzufügt, wobei das zusätzliche Maß an Verzögerung willkürlich bestimmt wird.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 5, wobei das erste zusätzliche Maß an Verzögerung kürzer ist als eine Zeit, die zum Abschließen des Sendens der RREP-Nachricht erforderlich ist.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie, wenn kein Weg von der Eingabe-/Ausgabevorrichtung zu dem Ziel verfügbar ist, die Routen-Anforderungsnachricht nach wenigstens einem zweiten vorgegebenen Maß an Verzögerung weiterleitet.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 7, wobei das zweite vorgegebene Maß an Verzögerung das erste vorgegebene Maß an Verzögerung für jedes Eingabe-/Ausgabeelement in dem Netzwerk, das die Routen-Anforderung empfängt, zuzüglich der zum Abschließen der Routen-Antwortnachricht erforderlichen Zeit übersteigt.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie ein zweites zusätzliches Maß an Verzögerung zu dem zweiten vorgegebenen Maß an Verzögerung hinzufügt, wobei das zweite zusätzliche Maß an Verzögerung willkürlich bestimmt wird.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 9, wobei das zweite zusätzliche Maß an Verzögerung so ausgewählt wird, dass die Leistung des Netzwerks in Bezug auf das Weiterleiten von Anforderungs-Nachrichten optimiert wird.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie eine Eingabe wenigstens eines Sensors empfängt, und die prozessorbasierte Steuereinrichtung kann des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie ein Datenpaket, das die Signaleingabe enthält, zu einem entfernten Standort sendet.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie eine Signalausgabe an wenigstens eine Steuervorrichtung bereitstellt, und die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie ein Datenpaket von einem entfernten Standort empfängt, wobei das Datenpaket einen Befehl an die Steuervorrichtung enthält und die prozessorbasierte Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie den Befehl an die Steuervorrichtung ausgibt.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste vorgegebene Maß an Verzögerung durch eines einer Vielzahl aufeinanderfolgender Antwort-Fenster bestimmt wird und die prozessorbasierte Steuereinrichtung des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie eines der Vielzahl von Fenstern auswählt, um ein priorisiertes Senden einer Routen-Antwortnachricht zu ermöglichen.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sender und der Empfänger zu einem Sendeempfänger kombiniert sind.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 5, wobei das erste zusätzliche Maß an Verzögerung einem willkürlich ausgewählten einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Antworten entspricht.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 7, wobei das zweite zusätzliche Maß an Verzögerung einem einer Anzahl von Zeitschlitzen zum Weiterleiten der Routen-Anforderungsnachricht entspricht.
Eingabe-/Ausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die prozessorbasierte Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie Senden von Funkfrequenz-Signalübertragungen in einem Übertragungsnetzwerk mit mehreren Signalwegen koordiniert, das eine Spreizspektrum-Maschen-Topologie mit Frequency Hopping hat.