DE10234411A1

DE10234411A1 - Kollisionsminimiertes Verfahren zur Übertragung von Daten

Info

Publication number: DE10234411A1
Application number: DE10234411A
Authority: DE
Inventors: Dirk Matussek; Martin Dipl.-Inf. Hansing
Original assignee: TECHEM DEV GmbH; TECHEM DEVELOPMENT GmbH
Current assignee: Techem Energy Services GmbH
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: DE10234411B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mehreren Kommunikationseinheiten auf einem Datenübertragungskanal bildet jeweils eine Gruppe von Kommunikationseinheiten ein System, wobei ein oder mehrere Systeme den gleichen Datenübertragungskanal nutzen. Für einen störungsarmen Betrieb mehrerer solcher Systeme innerhalb der gegenseitigen Reichweite auf dem gleichen Übertragungsmedium steht jeder Kommunikationseinheit eines Systems eine Anzahl von Kommunikationszeitschlitzen zum Senden und/oder Empfangen während eines Kommunikationszyklus zur Verfügung. Innerhalb der Zeitschlitze können die Systemkomponenten eines Systems kollisionsfrei Daten austauschen. Die Zykluslänge eines Systems wird durch die individuelle, von den anderen Systemen innerhalb der Reichweite abweichende Anzahl seiner Zeitschlitze bestimmt. Die individuelle Anzahl der Zeitschlitze für jedes System ist vorzugsweise eine Primzahl oder teilerfremd zur Zeitschlitzzahl anderer Systeme.

Description

Anwendungsgebiet
Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen Verbrauchsdatenerfassungsgeräten, Sensoren, Aktoren und Steuer- und/oder Erfassungseinheiten, sowie Repeatern zur Reichweitenerhöhung, im folgenden Systemkomponenten genannt, in einem nicht per se kollisionsfreien Übertragungsmedium, z.B. Funk, wobei zur kollisionsfreien Datenübertragung jeder Systemkomponente ein oder mehrere Sende-/Empfangszeitschlitze zur Datenübertragung zugewiesen werden, wobei sich das Zeitschlitzschema zyklisch wiederholt.
Für einen möglichst störungsarmen Betrieb mehrerer solcher Systeme (= Installationen) innerhalb der gegenseitigen Reichweite auf dem gleichen Übertragungsmedium (z.B. mehrere Funksysteme in den Wohnungen eines Mehrfamilienhauses) wird die jeweils konstante Zykluslänge der Zeitschlitz-Zyklen installationsspezifisch individuell so gewählt, dass die Wahrscheinlichkeit wiederholter Kollisionen der einzelnen Installationen untereinander minimiert wird.
Das Verfahren soll insbesondere eine stromsparende Lösung der (bidirektionalen, drahtlosen) Kommunikation zwischen mehrheitlich batteriebetriebenen Systemkomponenten bereitstellen.
Stand der Technik
In der Offenlegungsschrift DE 198 24 471 A1 (Prof. Dr. Horst Ziegler) wird ein ähnliches Verfahren beschrieben, in dem ein oder mehrere Übertragungsparameter stochastisch variiert werden, um dauerhafte Kollisionen mit gleichartigen Nachbarinstallationen zu vermeiden.
Der Nachteil des in der genannten Offenlegungsschrift beschriebenen Verfahrens liegt in der stochastischen Variation der Übertragungsparameter. Hierdurch wird das System nicht-deterministisch, was den Realisierungsaufwand der Geräte in Hardware und Software (und damit die Entwicklungs- und Stückkosten) erhöht. Außerdem kann der Test und Fehlerbehebungsaufwand bei Entwicklung und beim Betrieb einer Installation (z.B. bei der Inbetriebnahme oder im Fall eines Synchronisationsverlustes) beträchtlich sein. Die stochastische Komponente erhöht allgemein die Komplexität des Systems.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung soll die o.g. Nachteile vermeiden durch Weglassen der stochastischen Variation der Übertragungsparameter, die ersetzt wird durch eine deterministische, konstante Festlegung der Übertragungsparameter, insbesondere der Zykluslänge, aber auch der Frequenz des Datenübertragungskanals, etc., die aber installationsspezifisch unterschiedlich gewählt werden.
Die Datenübertragung zwischen den Systemkomponenten eines Systems geschieht in einem festen Zyklus von N Zeitschlitzen mit einer konstanten Länge T_z. Den Systemkomponenten werden jeweils ein oder mehrere Zeitschlitze pro Zyklus eindeutig zum Senden und/oder Empfangen von Daten zugeordnet. Mindestens eine (Steuer-) Instanz übernimmt die Synchronisation des Systems, sodass innerhalb der synchronen Installation keine zeitlichen Kollisionen der ausgetauschten Botschaften auftreten können. Insgesamt wird davon ausgegangen, dass nur ein relativ geringer Anteil der Zeitschlitze tatsächlich vergeben wird, was praxisgerecht ist, wenn die Installationen z.B. den Wohnungen eines Gebäudes entsprechen und die Systemkomponenten etwa Verbrauchserfassungsgeräte für Wärme und Wasser oder Aktoren, wie z.B. elektronische Heizkörperventile oder Sensoren, z.B. für Raumtemperaturen sind. Außerdem gibt es in bestimmten, für solche Anwendungen geeigneten Frequenzbereichen zu lassungsmäßige Einschränkungen bzgl. des duty-cycle von Aussendungen, was ebenfalls in der Praxis zu einem relativ geringen Anteil tatsächlich vergebener Zeitschlitze führen muss.
Um Kollisionen mit den Datentelegrammen benachbarter Installationen gleichartiger Systeme innerhalb der gegenseitigen Übertragungsreichweite zu vermeiden, wird die Länge der Zeitschlitze relativ kurz gewählt (z.B. T_z = ¹/₁₆s) und die Zykluslänge so gewählt, dass sie N Zeitschlitze beträgt, wobei N immer eine Primzahl ist. Die Anzahl der Zeitschlitze pro Zyklus benachbarter k Installationen N₁, N₂, ..., N_k wird so gewählt, dass sie für jede Installation eine individuelle Primzahl ist, wobei innerhalb der gegenseitigen Reichweite der Installationen keine Primzahl mehrfach verwendet wird. Dadurch wird eine minimale Wahrscheinlichkeit wiederholter Kollisionen zwischen den Komponenten benachbarter Installationen erzielt.
Zahlenbeispiel
Die Zeitschlitzlänge beträgt T_z = ¹/₁₆s. Es werden Zykluslängen im Bereich von 60,4375s (entspr. N = 967) und 76,0625s (entspr. N = 1217) gewählt. In dieser Spanne von N gibt es 37 Primzahlen, nämlich 967, 971, 977, 983, 991, 997, 1009, 1013, 1019, 1021, 1031, 1033, 1049, 1051, 1061, 1063, 1069, 1087, 1091, 1093, 1097, 1103, 1109, 1117, 1123, 1129, 1151, 1153, 1163, 1171, 1181, 1187, 1193, 1201, 1213, 1217. Dies bedeutet, dass man 37 Installationen innerhalb der gegenseitigen Reichweite mit minimaler Wahrscheinlichkeit wiederholter Kollisionen gleicher Zeitschlitzpaare betreiben kann. Die Häufigkeit einer Kollisionswiederholung zweier bestimmter Zeitschlitze beträgt für das gewählte Beispiel weniger als 0,103%. Sie stellt hier ein Optimum (= Minimum) bzgl. der Kollisionswiederholrate zweier bestimmter Zeitschlitze dar, die bei der Wahl nicht teilerfremder Zeitschlitzzahlenpaare (N_i, N_j) immer höher läge. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass eine zeitliche Koinzidenz zweier Systeme durch das KgV (kleinste gemeinsame Vielfache) der Zykluslängen (gemessen in Zeitschlitzen) zweier Systeme bestimmt ist. Die Koinzidenz ist genau dann minimal, wenn die Zykluslängen verschiedener Systeme zueinander teilerfremd sind. Dies lässt sich am einfachsten durch Primzahlen erreichen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Erweiterbarkeit um weitere Systeme aufgrund der unbegrenzten Verfügbarkeit von geeigneten Primzahlen kein prinzipielles Problem darstellt. Die Methode zeigt keine Sättigungseffekte, ab der die Systemstabilität sprungartig zu kippen beginnt. Dies zeigt sich an der nur etwa linear mit der Anzahl der Systeme zunehmenden Wahrscheinlichkeit für wiederholte Kollisionen:

Eine weitere Variante des Verfahrens sieht vor, dass die Anzahl Z der für Kommunikation nutzbaren Zeitschlitze für alle Systeme konstant und identisch ist. Jedem System wird nun noch eine individuelle Anzahl P_i kommunikationsfreier Pausenzeitschlitze zugeordnet, so dass die Summe der Zeitschlitze Z + Pi und damit der kollisionsrelevante Wiederholzyklus für jedes System i eine Primzahl ist bzw. teilfremd zu den Zykluslängen anderer Systeme ist. Es gelten weiterhin alle zuvor gemachten Überlegungen in Bezug auf die Wahrscheinlichkeiten wiederholter Kollisionen. Das Verhältnis Z/(Z + P_i) Kommunikationszeit zu Zykluslänge charakterisiert die Kanalbelastung für ein System i. Die max. zulässige Grundkollisionsrate kann nun abhängig von der Anzahl konkurrierender Systeme über dieses Verhältnis eingestellt werden. Es bietet sich zusätzlich die Möglichkeit der bedarfsgerechten Konfiguration einzelner Systeme über dieses Verhältnis. Systemen mit hohem Kommunikationsbedarf kann individuell ein geringer Anteil von Pausenzeitschlitzen (zur Herabsetzung der Zykluszeit) zugeordnet werden, und Systemen mit niedrigem Kommunikationsbedarf kann ein entsprechend höherer Anteil kommunikationsfreier Pausenzeitschlitze zugeschlagen werden, um die Kanalbelastung gering zu halten.
Diese Variante erweist sich als praxisgerecht, da es i. d. R. für jedes System eine maximale Ausbaustufe bezüglich der miteinander kommunizierenden Komponenten gibt. Diese Maximalausbaustufe lässt sich direkt auf eine konstante Anzahl für Kommunikation nutzbarer Zeitschlitze Z abbilden. Das Hinzufügen von P_i Pausenzeitschlitzen verschiebt keine Systemgrenzen, sondern beeinflusst lediglich den bedarfsgerecht einstellbaren Durchsatz des Informationsflusses. Die prinzipielle Gleichartigkeit der Systeme bleibt gewahrt.
Die Wahrscheinlichkeit wiederholter Kollisionen lässt sich weiter reduzieren, wenn die Gesamtanzahl der Pausenzeitschlitze P_i innerhalb des Zyklus' auf mehrere Pausenzeiten verteilt wird (anstatt alle Pausenzeitschlitze „en bloc" zu legen). Ein weiterer Vorteil ist in diesem Fall, dass ggf. eine relativ lange Totzeit, die durch eine Blockpause entstünde, vermieden wird.
Zahlenbeispiel
Zykluslänge: Z = 997 Zeitschlitze, Anzahl der nutzbaren Kommunikationszeitschlitze (Z–P_i) = 960, Gesamtzahl der Pausenzeitschlitze also P_i = 37.
Die 37 Pausenzeitschlitze werden auf acht Unterpausen innerhalb des Gesamtzyklus' verteilt. Dabei entstehen 38.320.568 verschiedene mögliche Folgen von Partialsummen von Zeitschlitzen, die den Unterpausenlängen entsprechen. Werden unterschiedliche Folgen von Unterpausenlängen in benachbarten Installationen gleicher Zykluslänge verwendet, so ist auch hier bereits die Wahrscheinlichkeit dauerhafter Kollisionen minimiert. Siehe hierzu Tabelle 3.
Eine weitere Variante sieht vor, zusätzlich zur Wahl der Zykluszeiten durch Benutzung mehrerer Übertragungskanalfrequenzen die Anzahl der parallel betreibbaren Installationen zu erhöhen und/oder das Niveau der Kollisionsrate zu verringern.
Weitere Varianten sehen vor, dass sich verschiedene Installationen zusätzlich zur individuellen Zykluslänge durch jeweils anders gewählte weitere Übertragungsparameter, wie z.B. Datenrate, Modulationsverfahren, Kanalkodierung, Datenformat, etc. unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der stochastischen Variation der Übertragungsparameter. Die Übertragungsparameter sind deterministisch und konstant. Das Verfahren lässt sich mit geringem Aufwand in Hardware und Software realisieren. Der Test auf Synchronität der Systemkomponenten beim Betrieb des Systems und die Aufrechterhaltung der Synchronität ist einfach, da durch konstante Wiederholungszyklen eine gute Vorhersagbarkeit des Zeitverhaltes gegeben ist. Trotzdem wird durch die geeignete Wahl der Übertragungsparameter, insbesondere der Zykluslänge, aber auch der Übertragungskanalfrequenz, einer Menge von Installationen innerhalb der gegenseitigen Übertragungsreichweite die Kollisionsrate minimiert.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen mehreren Kommunikationseinheiten auf einem Datenübertragungskanal, wobei jeweils eine Gruppe von Kommunikationseinheiten ein System bildet, wobei ein oder mehrere Systeme den gleichen Datenübertragungskanal nutzen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kommunikationseinheit eines Systems eine Anzahl von Kommunikationszeitschlitzen zum Senden und/oder Empfangen während eines Kommunikationszyklus zur Verfügung steht, innerhalb derer die Systemkomponenten eines Systems kollisionsfrei Daten austauschen können, und dass die Zykluslänge eines Systems durch die individuelle, von den anderen Systemen innerhalb der Reichweite abweichende Anzahl seiner Zeitschlitze bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Anzahl der Zeitschlitze für jedes System eine Primzahl ist oder tellerfremd zur Zeitschlitzzahl anderer Systeme ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konstanten, individuellen Zykluslängen aller Systeme auf dem gleichen Übertragungsmedium voneinander verschieden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine feste, vorzugsweise gleiche Anzahl von Kommunikationszeitschlitzen pro System und/oder eine individuelle, vorzugsweise variable Anzahl von Pausenzeitschlitzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere installationsspezifische Übertragungskanalfrequenzen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass installationsspezifisch unterschiedlich gewählte weitere Übertragungsparameter, wie z.B. Datenrate, Modulationsverfahren, Kanalkodierung, Datenformat, etc. verwendet werden.