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Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung
von Daten gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Es ist insbesondere für eine Übertragung 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, geeignet, wobei zur kollisionsfreien Datenübertragung
jeder Systemkomponente ein oder mehrere Sende-/Empfangszeitschlitze zur Datenübertragung
zugewiesen werden, wobei sich das Zeitschlitzschema zyklisch wiederholt.
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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.
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Das
Verfahren soll insbesondere eine stromsparende Lösung der (bidirektionalen,
drahtlosen) Kommunikation zwischen mehrheitlich batteriebetriebenen
Systemkomponenten bereitstellen.
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Aus
der
US 5,732,076 A sind
ein integriertes Kommunikationssystem und ein entsprechendes Verfahren
bekannt, bei welchen zwei Protokolle in der selben geographischen
Region unterstützt
werden. Jedes Protokoll definiert einen Zeitrahmen und Zeitschlitze
von unterschiedlicher Länge,
aus denen ein zusammengesetzter Zeitrahmen gebildet wird. Eine erste
Basisstation kommuniziert innerhalb eines ersten Zeitschlitzsatzes des
zusammengesetzten Zeitrahmens anhand eines der beiden Protokolle
und eine zweite Basisstation kommuniziert innerhalb eines zweiten
Zeitschlitzsatzes des zusammengesetzten Zeitrahmens anhand des anderen
Protokolls. Das System verfügt
außerdem über Abstimmungselektronik,
um Kollisionen zu verhindern, die zwischen Kommunikationsverbindungen
der Basisstationen mit deren Benutzern stattfinden können. Bei
einer Ausführungsform
des bekannten Systems ist das eine Protokoll so aufgebaut, dass
dessen Zeitschlitzdauer der zweifachen Zeitschlitzdauer des anderen
Protokolls entspricht. Des weiteren beträgt die Dauer eines Zeitrahmens
des einen Protokolls das vierfache der Dauer eines Zeitrahmens des
anderen Protokolls.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
198 24 471 A1 (Prof. Dr. Horst Ziegler) wird ein Verfahren
beschrieben, in dem ein oder mehrere Übertragungsparameter stochastisch
variiert werden, um dauerhafte Kollisionen mit gleichartigen Nachbarinstallationen
zu vermeiden.
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Der
Nachteil des in der
DE
198 24 471 A1 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.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung soll die o.g. Nachteile vermeiden durch Weglassen
der stochastischen Variation der Übertragungsparameter. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst,
indem die stochastische Variation der Übertragungsparameter 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.
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Die
Datenübertragung
zwischen den Systemkomponenten eines Systems geschieht in einem
festen Zyklus von N Zeitschlitzen mit einer konstanten Länge Tz. 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 Heiz körperventile
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.
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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. Tz =
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, ..., Nk 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.
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Eine
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 Pi 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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Zahlenbeispielen und der
Zeichnung näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 die
akummulierte Häufigkeit
für Wiederholungskollisionen
bei zunehmender Anzahl von Systemen;
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2 eine
Tabelle mit der Beurteilung zeitlicher Koinzidenzen verschiedener
Systeme mit individuellen, teilerfremden Zykluslängen über die KGVs der Zykluslängen auf
Zeitschlitzbasis 1/16s;
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3 eine
Tabelle mit der Darstellung der Dauer wiederholter zeitlicher Überdeckung
verschiedener Systeme in [hh:mm:ss] für das Beispiel gemäß 2 und
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4 eine
Tabelle mit der Anzahl möglicher
Zerlegungen der Pausenzeiten gemessen in Zeitschlitzen in n = 1
bis n = 8 Partialsummen als Beispiel eines diversifizierten Zeitverhaltens
durch zusätzliche
Zerlegung des Pausenanteils in n = 1 bis 8 Partialsummen.
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In
einem konkreten Zahlenbeispiel beträgt die Zeitschlitzlänge Tz = 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 (Ni Nj) 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.
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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,
wie auch
1 zu entnehmen ist:
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Auch
für die
Verfahrensvariante, bei der einer konstanten Anzahl von Kommunikationszuschlitzen
eine variable Anzahl von Pausenzuschlitzen zugeordnet werden, gelten
weiterhin alle zuvor gemachten Überlegungen
in Bezug auf die Wahrscheinlichkeiten wiederholter Kollisionen.
Das Verhältnis
Z/(Z + Pi) 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.
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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
Pi Pausenzeitschlitzen verschiebt keine
Systemgrenzen, sondern beeinflusst lediglich den bedarfsgerecht
einstellbaren Durchsatz des Informationsflusses. Die prinzipielle
Gleichartigkeit der Systeme bleibt gewahrt.
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Die
Wahrscheinlichkeit wiederholter Kollisionen lässt sich weiter reduzieren,
wenn die Gesamtanzahl der Pausenzeitschlitze Pi 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.
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Dies
wird durch das nachfolgende Zahlenbeispiel erläutert:
Zykluslänge: Z =
997 Zeitschlitze, Anzahl der nutzbaren Kommunikationszeitschlitze
(Z – Pi) = 960, Gesamtzahl der Pausenzeitschlitze
also Pi = 37.
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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 4.
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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.
