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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Kommunikation in einem Haus- oder Gebäudeinstallationssystem gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7.
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Als Haus- oder Gebäudeautomation bezeichnet man die Gesamtheit von Überwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden. Alle Sensoren, Aktoren, Bedienelemente, Verbraucher und andere technische Einheiten im Gebäude werden dazu miteinander vernetzt und sind über entsprechende Controller mittels eines Kommunikations-Netzwerks oder Bussystems miteinander verbunden.
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In der Haus- oder Gebäudeautomation werden auch heterogene Kommunikationstechnologien, wie beispielsweise die Kommunikation über ein KNX-, BACnet-, LON-, Zigbee- oder Bluetooth-Kommunikationsnetzwerk mittels intermediäre Einheiten, beispielsweise Gateways oder Netzknoten, kombiniert.
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In diesen Netzwerken der Haus- oder Gebäudeautomation wirken die involvierten Geräteeinheiten einschließlich der verwendeten Controller und intermediäre Einheiten als Sende- und Empfangsgeräte und haben aufgrund der Heterogenität in der Regel keine komplette Information darüber, über welche Art Netzwerk die gesendeten Datenpakete weitergeleitet werden. Darüber hinaus beeinflussen auch übergreifende Sicherheitsmechanismen häufig die Übernahme/Konfiguration einer Empfangsbestätigung eines gesendeten Datenpaketes, eine Verarbeitung der Bestätigung und gegebenenfalls einer Wiederholung des Sendevorgangs, auch als Retransmissions-Mechanismen bekannt, und nur ein übergeordnete „Top Application Layer” verfügt über ausreichend Information über die gesendeten Datenpakete.
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Zur Analyse der Datenkommunikationsnetzwerke wird eine Effizienz und Leistung des Netzwerks bestimmt, um zu bewerten, dass das Netzwerk korrekt funktioniert, wobei zur Bewertung dieser Datennetzwerke, die Leistungskriterien oder Leistungsparameter, wie beispielsweise Datendurchsatz, Dienstgüte, Datenpaket-Latenz, Übertragungszeiten usw. verwendet werden.
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Dabei beschreibt die Dienstgüte, auch als Quality of Service (QoS) bekannt, eine Menge von Qualitätsanforderungen an das gemeinsame Verhalten beziehungsweise Zusammenspiel von mehreren Objekten eines Kommunikationsdienstes. Mit der Paket-Latenz ist die Zeit festgelegt, die erforderlich ist, um ein Paket vom Sendegerät zum Empfängergerät zu senden.
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In einigen der bekannten Netzwerk-Technologien werden entsprechende Parameter genutzt, um die Eigenschaften der Kommunikation in den Datenkommunikationsnetzwerken zu beeinflussen. Dazu zählen u. a. eine Priorisierung der zu übertragenen Datenpakete, eine verlässliche Kommunikation durch Überprüfung mittels Empfangsbestätigungsmeldungen, sogenannten Acknowledgements, des Time-out Verhaltens, einer Pufferung der Daten (z. B. auf Zwischenstationen) oder einer Begrenzung der maximalen Anzahl von Zwischenstationen, wohin die Datenpakete übertragen werden.
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Nachteilig ist, dass in der Haus- oder Gebäudeautomatisierung verfügbare Netzwerk-Layer und QoS entweder nicht existent oder eine durchgängige QoS Handhabung im gesamten Kommunikationsnetzwerk eines Hauses oder Gebäudes nicht verfügbar sind.
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Die Kommunikation eines Controllers wird häufig in einer End-to-End Version durchgeführt, indem passive intermediäre Geräteeinheiten, wie Netzknoten, zur Nachrichtenübermittlung oder aktive intermediäre Geräteeinheiten, wie Gateways zur Transcodierung von Nachrichten bzw. Datenpaketen genutzt werden.
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Aus den verwendeten heterogenen Kommunikationstechnologien ergeben sich unterschiedliche Nachrichtentypen mit unterschiedlichen Anforderungen an Latenzanforderungen, beispielsweise niedrige Latenzanforderungen für Statusmeldungen, Meldungen, auch Heartbeats genannt, zwischen Sendegerät und Empfangsgerät, um sich gegenseitig darüber zu benachrichtigen, dass sie betriebsbereit sind und ihre Funktionen noch erfüllen können, sogenannte Signalgeber, auch Beacons, genannt, die in festen Zeitintervallen Signale senden.
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Mittlere Latenzanforderungen werden für Sensormessungen und Kontrollmeldungen ohne Benutzerinteraktion, die nicht aktiv angefordert wurden und hohe Latenzanforderungen für Kontrollmeldungen mit Benutzerinteraktion oder Alarme festgelegt. Daraus ergibt sich das Problem, dass häufig nur die Applikation auf dem Sendegerät (z. B. dem Controller) Kenntnis von den Details der zu übertragenden Nachrichten inklusive der Latenzanforderungen, hat, während die Empfangsbestätigung eines gesendeten Datenpaketes üblicherweise über eine niedrigere Softwareschicht, auch als Layer bezeichnet, übertragen werden. Die Empfangsbestätigungen eines gesendeten Datenpaketes werden auf den niedrigeren Layer, beispielsweise einen ISO/OSI-Layer, ohne Informationen bezüglich des Inhaltes der vorab übertragenen Nachrichten und der Latenzanforderungen gesendet.
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Eine Empfangsbestätigung eines gesendeten Datenpaketes zu einem höheren Layer, beispielsweise einem Applikations-Layer oder einem Service-Layer, der sich typischerweise im Controller befindet, erfolgt unter Nutzung einer festgelegten Zeitspanne für eine Empfangsbestätigung eines gesendeten Datenpaketes oder einem Zeitüberschreitungswert, auch als Timeout-Wert bezeichnet, wobei der Timeout-Wert die Zeitspanne ist, die ein Vorgang in Anspruch nehmen darf, bevor er mit einem Fehler abgebrochen wird, oder den Fehler selbst, der nach der Zeitüberschreitung ausgelöst wird. Das heißt, dass das Gesamtpaket der Latenzen in einem solchen Netzwerk nicht mit den anwendungsspezifischen Anforderungen über Latenzanforderungen in Übereinstimmung steht.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Kommunikation in einem Haus- oder Gebäudeinstallationssystem anzugeben, welches vorab genannte Nachteile vermeidet und die Kommunikation innerhalb des Haus- oder Gebäudeautomatisierungssystems verbessert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Kommunikation in einem Haus- oder Gebäudeinstallationssystem gelöst, welche die im Anspruch 1 und 7 angegebenen Merkmale aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren für die Kommunikation in einem Haus- oder Gebäudeinstallationssystem mit wenigstens einem Sendegerät und einem Empfangsgerät, optional auch mit weiteren intermediären Geräteeinheiten, wie beispielsweise Gateways und Netzknoten, die über ein Kommunikationsnetzwerk oder ein Bussystems miteinander kommunizieren, nutzt einen auf dem Service- oder Applikations-Layer implementierten adaptiven Timeout- und Retransmissions-Mechanismus und umfasst die folgenden Schritte:
Schritt 1: Bereitstellung der Datenpakete aus der im Gerät abgelegten Applikation für den adaptiven Timeout-Mechanismus basierend auf einer Überwachung von Leistungskriterien bzw. Leistungsparametern, zu denen beispielsweise die Priorisierung der gesendeten Datenpakete, eine Überwachung des noch vorhandenen Reservespeicherplatzes sowie dem Speicherplatz für ausgehende Nachrichten (d. h. vorhalten der Daten für eine Wiederholung im Fehlerfall) beim Sendegerät, der erhaltenen Empfangsbestätigungen sowie von zugrunde liegenden Netzwerkbedingungen, beispielsweise betreffend der zugrunde liegenden Netzwerk-Topologie zählen. Zusätzliche Informationen über die über die zugrundeliegende Netzwerk-Topologie, beispielsweise manuelle Eingaben oder Informationen, die aus einem Netzwerk-Scan bereitgestellt werden und zusätzlich in das Netzwerk neu eingebundene Geräte, Netzwerkknoten bzw. Anforderungen anderer Kommunikationspartner (z. B. Anforderungen vom intermediäre Knoten bis zum Ziel-Knoten) können dem Timeout-Mechanismus automatisch oder manuell zur Verfügung gestellt werden.
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Schritt 2: Aktivierung des implementierten adaptiven Timeout-Mechanismus auf dem Service- oder Applikations-Layer innerhalb eines Dienstes, der über eine dafür vorgesehene Schnittstelle gemäß vorliegender Netzwerkbedingungen und Latenzanforderungen der zu übertragenen Daten vom Sendegerät zum Empfangsgerät angepasst wird und einen Timeout-Wert für Dauer der Datenübertragung zwischen Sendegerät und Empfangsgerät bereitstellt. Als Dienst ist hier die die Ausführung einer Funktion als Software auf dem Gerät bezeichnet, welcher als „normale” Software mit proprietärer Schnittstelle oder aber auch z. B. als Netzwerk-Schicht oder -Dienst (falls das Gerät eine solche Form der Software-Ausführung nutzt) mit einheitlicher Schnittstelle angeboten werden.
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Der adaptive Timeout Mechanismus innerhalb des Dienstes nutzt die Schnittstelle, um den bereitgestellten Timeout-Wert gemäß der tatsächlichen Netzwerkbedingungen anzupassen, insbesondere hinsichtlich des jeweils anvisierten Empfangsknotens und gemäß der Latenzanforderungen der Nachricht bzw. des Datenpaketes, die versandt werden sollen. Der bereitgestellte Timeout-Wert kann optional auch von anderen Diensten genutzt werden, um ihren jeweiligen Empfangsbestätigungs-Timeout-Wert entsprechend einzustellen. Die Nutzung durch andere Dienste betrifft eine Funktion, die als „Netzwerk-Sicht” oder allgemeiner Netzwerk-Dienst angeboten wird (und nicht als Teil einer einzelnen Applikation enthalten ist), dann können andere Applikationen (oder Dienste auf der Applikations-Schicht) diese Funktion auch nutzen – es wäre in dem Fall dieselbe Schnittstelle nutzbar. Beispielsweise können auf einem Controller unterschiedliche Applikationen laufen – neben der reinen Steuerung können Überwachung, Fernwartung, Fernsteuerung oder komplexere Abläufe (Skripte/”Intelligente” Dienste) durch Applikationen abgebildet werden.
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Alternativ ist der adaptive Timeout-Mechanismus dafür vorgesehen, eine weitere Schnittstelle für die vorab beschriebenen anderen Dienste oder Anwendungen bereitzustellen, um die Datenübertragung zu einer untergeordneten Softwareschicht abzuwickeln, und um den adaptiven Timeout-Mechanismus direkt anzuwenden (z. B. vergleichbar mit einem intermediären Layer). Auf diese Weise ist die Kontrolle der Betätigungen der gesendeten Datenpakete gegeben und Eigenschaften, wie Verfügbarkeit und Round-trip time (Paketumlaufzeit), können verarbeitet werden.
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Schritt 3: Anpassung des Timeout-Wertes an Änderung der Netzwerkbedingungen mittels des Timeout-Mechanismus, wobei die Latenzanforderungen zur Datenübertragung mittels des nunmehr angepassten Timeout-Wertes optimiert werden, beispielsweise durch ein Zurücksenden der Nachricht zu einem frühen Zeitpunkt, und/oder durch eine Vermeiden von Doppelnachrichten.
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Andere Nachrichten, wie Meldungen zwischen Sendegerät und Empfangsgerät, um sich gegenseitig darüber zu benachrichtigen, dass sie betriebsbereit sind und ihre Funktionen noch erfüllen können, oder periodisch gesandte Status Update Nachrichten, sind unkritisch und sollten nur dann zurückgesandt werden, wenn zu viele davon nacheinander verloren gehen.
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In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird basierend auf der Art des verwendeten Kommunikationsnetzwerkes, wie beispielsweise die Kommunikation über ein KNX-, BACnet-, LON-, Zigbee- oder Bluetooth-Kommunikationsnetzwerk, ein QoS- oder Resend-Mechanismus zur Bestimmung der Dienstgüte und der zurückgesendeten Nachrichten sowie deren Parametrierung genutzt.
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In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nutzung der QoS- oder Resend-Mechanismen und deren Parametrierung auch in Endgeräten, wie Türkommunikationsanlagen, Alarmanlagen, und intermediäre Knoten des Kommunikationsnetzwerkes, wie Reichweitenerweiterung drahtloser Endgeräte durch Zwischenknoten als spezielle Form eines Gateways vorgesehen, wobei die intermediäre Geräteeinheiten die Nachricht bis zu einem Level dekodieren, wo Latenzanforderungen der Nachricht festgelegt werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Kommunikation in einem Haus- oder Gebäudeinstallationssystem mit wenigstens einem Sendegerät und einem Empfangsgerät, welche über ein Kommunikationsnetzwerk oder ein Bussystem miteinander Daten bzw. Datenpakete, austauschen, umfasst
- – im Sendegerät vorgesehene Mittel zur Bereitstellung der Datenpakete aus einer im Gerät abgelegten Applikation sowie von zugrunde liegenden Netzwerkbedingungen für einem im Gerät implementierten adaptiven Timeout-Mechanismus basierend auf einer Überwachung von Leistungskriterien bzw. Leistungsparametern, wobei
- – der adaptiver Timeout-Mechanismus innerhalb einer Kommunikationsschicht oder eines Kommunikationsmechanismus aktiviert ist, und über eine dafür vorgesehene Schnittstelle gemäß vorliegender Netzwerkbedingungen und Latenzanforderungen der zu übertragenen Datenpakete vom Sendegerät zum Empfangsgerät angepasst sind, und
- – einen Timeout-Wert für Dauer der Datenübertragung zwischen Sendegerät und Empfangsgerät bereitstellt, wobei eine Anpassung des Timeout-Wertes an Änderung der Netzwerkbedingungen mittels des Timeout-Mechanismus erfolgt, um die Latenzanforderungen zur Datenübertragung mittels des angepassten Timeout-Wertes zu optimieren.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mittels dem implementierten und aktivierten adaptiven Timeout- und Retransmissions-Mechanismus die Empfangsbestätigung sowie die Verarbeitung der Bestätigung und gegebenenfalls einer Wiederholung des Sendevorgangs eines gesendeten Datenpaketes gemäß den Eigenschaften des zugrundeliegenden Netzwerks (z. B. Netzwerktechnologie, ”Round-trip-time”, Datenübertragungswege und involvierte intermediäre Knotenpunkte, Anzahl der Hops (Weg von einem Netzknoten zum nächsten) zwischen ”Sendegerät und Empfangsgerät, Erreichbarkeit der Empfängerknoten) und gemäß den Latenzanforderungen des jeweiligen Nachrichtentyps angepasst werden.
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Auch wenn keine Dienstgüte (QoS) verfügbar ist, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Latenzanforderungen sogar bei heterogenen Netzwerktechnologien verbessert werden, indem indirekt eine QoS für unterschiedliche Arten von Nachrichten zur Verfügung gestellt werden und zwar ohne zusätzliche Funktionalität an den intermediären Knoten. Weiterhin wird die Leistung der Geräte des Haus- oder Gebäudeinstallationssystems nicht aufgrund ineffektiver Timeout-Werte reduziert.
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Anhand der in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 ein in ein Kommunikationsnetzwerk eines Haus- oder Gebäudeinstallationssystem eingebundenes Sendegerät mit integrierter Applikation gemäß dem Stand der Technik, welches dafür vorgesehen ist, Nachrichten bzw. Datenpakete über das Kommunikationsnetzwerk zu übertragen,
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2 eine bespielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn innerhalb einer Zeitspanne keine Empfangsbestätigung empfangen wurde unter Verwendung eines im Sendegerät integrierten adaptiven Timeout-Mechanismus,
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3, 4 weitere bespielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche zusätzlich zum adaptiven Timeout-Mechanismus einen weiteren Mechanismus zur Bestimmung der Dienstgüte und einen Resend-Mechanismus sowie deren Parametrierung nutzen, und
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5 eine beispielhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die gesendeten Nachrichten mittels eines Gateways oder Netzknotens dekodiert werden.
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In 1 ist ein in ein Kommunikationsnetzwerk eines Haus- oder Gebäudeinstallationssystem eingebundenes Sendegerät 10 gemäß dem Stand der Technik gezeigt, welches dafür vorgesehen ist, Nachrichten bzw. Datenpakete 21 aus einer Applikation 11 über eine vorgesehene Schnittstelle 20 an das Kommunikationsnetzwerk zu übertragen.
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Eine Wiederholung 23 einer ursprünglich gesendeten Nachricht bzw. eines gesendeten Datenpaketes 21 erfolgt innerhalb einer festgelegten Zeitwertspanne 22, auch als Timeout-Wert bezeichnet, wobei der Timeout-Wert die Zeitspanne ist, die ein Vorgang in Anspruch nehmen darf, bevor er mit einem Fehler abgebrochen wird, oder den Fehler selbst, der nach der Zeitüberschreitung ausgelöst wird. Der Timeout-Wert ist in der im Sendegerät 10 abgelegten Applikation 11 fest eingestellt.
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Die positive Bestätigung für ein gesendetes Datenpaket mit erneuter Übertragung, auch als Acknowledgement with Retransmission (PAR) bekannt, dient dazu den Verlust von Datenpaketen in einer Datenübertragung zu vermeiden.
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Wie in der 1 gezeigt, wird zunächst von der Applikation 11 ein Datenpaket 21 n eine Zieladresse gesendet und der zuvor fest eingestellter Timeout 22 gestartet. Ist das Paket 21 beim Empfängergerät angekommen, so sendet dieses über die Schnittstelle 20 über das Netzwerk eine Bestätigung an die Applikation 11 im Sendegerät 10 zurück. Erst wenn das Sendegerät 10 diese Bestätigung erhalten hat und somit weiß, dass das Datenpaket 21 sicher beim Empfängergerät angekommen ist, überträgt das Sendegerät 10 das nächste Paket 21. Erhält das Sendegerät 10 jedoch keine Bestätigung, bevor der fest eingestellte Timeout 22 ausläuft, so überträgt das Sendegerät 10 das zuvor gesendete Paket erneut, dies zeigt Bezugszeichen 23. Dieser Vorgang wird als Retransmission bezeichnet.
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2 zeigt ein Sendegerät 10 eines Haus- oder Gebäudeautomatisierungssystems mit integrierter Applikation 11, das über die vorgesehene Schnittstelle 20 an das Kommunikationsnetzwerk des Haus- oder Gebäudeautomatisierungssystems Datenpakete bzw. Nachrichten 21 überträgt sowie ein Verhalten im Fehlerfall, wenn innerhalb einer Zeitspanne keine Empfangsbestätigung empfangen wurde.
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Im Folgenden wird eine bespielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung der Kommunikation im Haus- oder Gebäudenetzwerk basierend auf einem adaptiven Timeout auf dem Service-Layer beschrieben, wenn im Fehlerfall innerhalb einer Zeitspanne keine Empfangsbestätigung empfangen wurde.
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Erfindungsgemäß wird dabei ein adaptiver Timeout- und Retransmissions-Mechanismus 30 auf einem Service- oder Applikations-Layer im Gerät 10 implementiert, der einen optimierten adaptiven Timeout-Wert 32 nutzt.
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Gemäß dem Verfahren nach vorliegender Erfindung erfolgt in einem ersten Schritt 1 zunächst die Bereitstellung der in Daten bzw. Datenpakete inklusive ihrer Zieladresse aus der im Gerät 10 abgelegten Applikation für den adaptiven Timeout-Mechanismus 30 basierend auf einer Überwachung von Leistungskriterien bzw. Leistungsparametern, zu denen beispielsweise die Priorisierung der gesendeten Datenpakete und/oder die gewünschte bzw. max. erlaubte Zeitspanne für die Wiederholung des erneuten Sendens eines Datenpaketes zählt.
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In einem zweiten Schritt 1a werden die Netzwerkbedingungen 24 ermittelt, überwacht, beispielsweise betreffend die zugrunde liegende Netzwerk-Topologie, und dem adaptiven Timeout-Mechanismus zur Verfügung gestellt.
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In einem weiteren Schritt 2 wird eine Aktivierung eines implementierten adaptiven Timeout-Mechanismus 30 auf dem Service- oder Applikations-Layer im innerhalb eines Dienstes ausgeführt, um einen Timeout-Wert 32 für Dauer der Datenübertragung zwischen Sendegerät 10 und Empfangsgerät zu ermitteln.
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Der adaptiven Timeout-Mechanismus 30 passt in einem nächsten Schritt 3 den Timeout-Wert 32 an die ermittelten Änderung der Netzwerkbedingungen an.
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Dazu nutzt der adaptive Timeout Mechanismus 30 die Schnittstelle 20, um den adaptiven Timeout-Wert 32 gemäß den tatsächlichen Netzwerkbedingungen anzupassen. Der bereitgestellte Timeout-Wert 32 kann optional auch von anderen Diensten genutzt werden, um ihren jeweiligen Empfangsbestätigungs-Timeout-Wert entsprechend einzustellen.
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Die Wiederholung 23 einer ursprünglich gesendeten Nachricht bzw. eines gesendeten Datenpaketes 21 wird dabei unter Nutzung des adaptiven Timeout-Wertes 32 ausgeführt.
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Die 3 und 4 zeigen weitere beispielhafte Sendegeräte 10, die in das Kommunikationsnetzwerk des Haus- oder Gebäudeautomatisierungssystem eingebunden sind. Auch in diesen Geräten 10 ist ein adaptiver Timeout-Mechanismus 30 für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert, wenn im Fehlerfall innerhalb einer Zeitspanne keine Empfangsbestätigung empfangen wurde.
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Basierend auf der Art des verwendeten Kommunikationsnetzwerkes wird zum adaptiven Timeout-Mechanismus 30 ein weiteren Mechanismus zur Bestimmung der Dienstgüte (QoS) (siehe 3) oder zusätzlich ein Resend-Mechanismus (siehe 4) und deren Parametrierung verwendet.
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Der hier gezeigte Verfahrensablauf ergänzt das Zusammenspiel von adaptivem Timout Management und der zu unterstützenden Kommunikationstechnologien. Sollten diese selbst QoS oder Resend Mechanismen über eine weitere Schnittstelle 40 bereitstellen, so können diese Mechanismen genutzt und geeignet in das adaptive Timeout Management 30 integriert werden – d. h. in diesem Fall können QoS- und Resend-Parameter durch das das adaptive Timeout Management 30 (für alle Applikationen einheitlich) bestimmt und gesetzt werden.
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5 zeigt eine beispielhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die gesendeten Nachrichten mittels eines zwischen Sendegerät 10 und Empfängergerät 60 angeordneter Gateways oder Netzknotens 50 dekodiert werden. Der gezeigte Gateway 50 ist dafür vorgesehen, unterschiedliche Kommunikationsnetze über seine Schnittstellen 51, 52 miteinander zu verbinden und eine Transcodierung von Nachrichten bzw. Datenpaketen zu übernehmen.
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Erfindungsgemäß ist auch im Gateway 50 der schon vorab zu 3 beschriebene adaptive Timeout Mechanismus 30 zur Ermittlung des adaptiven Timeout-Wert 32 implementiert, wobei im Gateway 50 die Nachrichten bis zu einem Level dekodieret werden, um Latenzanforderungen der Nachricht festzulegen.
