DE10332324A1

DE10332324A1 - Verfahren zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommuniktionsverbindung sowie Sender und Empfänger

Info

Publication number: DE10332324A1
Application number: DE2003132324
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Weiler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (K) zwischen einem Sender (S) und zumindest einem Empfänger (E). Der Sender (S) speist dieselben zu übertragenden Daten unabhängig von einer Empfangsbestätigung eines Empfängers in mehrere verschiedene Übertragungskanäle (U1, U2...Un) der Kommunikationsverbindung (K). Da es unwahrscheinlich ist, dass auf allen Übertragungskanälen Störungen vorhanden sind, wird durch das neue Verfahren die Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung insbesondere für sicherheitsrelevante Daten erhöht. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Sender (S) und einen Empfänger (E) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen einem Sender und zumindest einem Empfänger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Sender und einen Empfänger zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 bzw. des Anspruchs 6.

Ein Verfahren zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung ist beispielsweise bereits aus der DE 100 49 568 A1 bekannt. Sender oder Empfänger von Daten über eine derartige drahtlose Kommunikationsverbindung können beispielsweise Regeleinrichtungen, Steuereinrichtungen, Programmiergeräte oder ein Prozessleitsystem sein, die in einer automatisierungstechnischen Anlage über ein Netzwerk miteinander kommunizieren. Bestimmte Kommunikationsverbindungen des Netzwerks werden aus praktischen Erwägungen drahtlos ausgeführt, beispielsweise da mobile Geräte zum Einsatz kommen oder Kommunikationsverbindungen zwischen lokalen und entfernten Systemen aufzubauen sind. Typischerweise haben drahtlose Kommunikationsverbindungen eine geringere Bandbreite als drahtgebundene und sind für elektromagnetische Störungen empfindlicher. Eine Störung der Datenübertragung tritt daher häufiger auf. Insbesondere bei der Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten, beispielsweise Alarmmeldungen oder der Übertragung eines Notaus-Signals, können Verfälschungen der übertragenen Daten zu Personenschäden oder Schäden an der Anlage führen. Zur Sicherung der Datenkommunikation wird ein korrekter Empfang der Daten durch den jeweiligen Empfänger bestätigt. Bei fehlerhafter Übertragung werden dagegen dieselben Daten nochmals übertragen, und zwar so oft, bis ihr korrekter Empfang durch den Empfänger bestätigt wird. Bei länger andauernden Störungen kann somit eine schnelle Reaktion auf Alarmmeldungen nicht gewährleistet werden.

Prinzipiell können derartige Probleme auf der Übertragungsstrecke erkannt und in der Art behandelt werden, dass eine durch vernetzte automatisierungstechnische Komponenten gesteuerte Anlage in einen gesicherten Zustand übergeht. Eine Kommunikationsverbindung mit schlechter Verfügbarkeit führt jedoch dazu, dass die Anlage häufig einen gesicherten Zustand einnehmen und ihr Betrieb oft unterbrochen werden würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung sowie einen Sender und einen Empfänger zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, durch welche die Verfügbarkeit der drahtlosen Kommunikationsverbindung erhöht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen, ein Sender zur Durchführung des Verfahrens in Anspruch 5 und ein dazu geeigneter Empfänger in Anspruch 6 beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine schnelle Übertragung von insbesondere sicherheitsrelevanten Daten erreicht wird, da im Störungsfall eines Kanals nicht erst eine erneute Übertragung angestoßen werden muss. Zudem zeichnet sich die neue Art der Datenübertragung durch eine gute Unempfindlichkeit gegenüber Dauerstörungen aus, da es unwahrscheinlich ist, dass sich Dauerstörungen gleichzeitig auf alle Übertragungskanäle auswirken. Es wird somit eine insgesamt höhere Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung erreicht. Besonders vorteilhaft ist diese Erhöhung der Verfügbarkeit bei einer Anwendung der Datenübertragung in einem Netzwerk einer automatisierungstechnischen Anlage, da hier eine Kommunika tionsverbindung mit schlechter Verfügbarkeit den Nachteil hätte, dass die Anlage häufig in einen sicheren Zustand überführt werden müsste. Das würde zu einer empfindlichen Verringerung der Produktivität führen und könnte von einem Anlagenbetreiber nicht akzeptiert werden.

Da sich Störungen oft nicht breitbandig über mehrere Funkfrequenzbänder hinweg auswirken, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Übertragungskanäle in unterschiedlichen Funkfrequenzbändern angeordnet werden. Dadurch wird die Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung weiter erhöht.

Ein Sender, der mehrere Übertragungskanäle gleichzeitig bedienen kann, ermöglicht ein gleichzeitiges Einspeisen der zu übertragenden Daten in die Übertragungskanäle. Das hat den Vorteil, dass die Daten vergleichsweise schnell übertragen werden können.

Wenn im Sender und im Empfänger zwischen redundant und nicht redundant zu übertragenden Daten unterschieden wird und der Sender nur redundant zu übertragende Daten unabhängig von einer Empfangsbestätigung des Empfängers jeweils vollständig in mehrere verschiedene Übertragungskanäle der Kommunikationsverbindung einspeist, so hat dies den Vorteil, dass die Übertragungskapazität der Kommunikationsverbindung erhöht wird. Wenn nur sicherheitsrelevante Daten, die üblicherweise in automatisierungstechnischen Anlagen eine geringe Datenmenge darstellen, redundant übertragen werden, ist die Erhöhung der Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung bei Anwendung des Verfahrens allenfalls mit einer geringen Reduktion der Bandbreite der genutzten Übertragungskanäle verbunden. Es wird somit eine Erhöhung der Verfügbarkeit erreicht, ohne jedoch den Nachteil einer zu großen Einschränkung der Übertragungskapazität in Kauf nehmen zu müssen.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Sender und einen Empfänger mit Kommunikationsverbindung und
2 bis 4 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Datenübertragung.
In 1 sind ein Sender S und ein Empfänger E dargestellt, die über eine Kommunikationsverbindung K Daten bidirektional miteinander austauschen. Der Sender S kann in einer automatisierungstechnischen Anlage beispielsweise ein mobiles Bedienterminal sein, das einen Notaus-Schalter besitzt, mit welchem beispielsweise ein Roboter der automatisierungstechnischen Anlage, dessen Steuerung über den Empfänger E verfügt, bei Notsituationen in einen sicheren Zustand überführt werden kann. Obwohl die Art der Datenübertragung im Folgenden lediglich für die Übertragungsrichtung von Sender S zum Empfänger E beschrieben wird, kann diese selbstverständlich für bidirektionale Kommunikationsverbindungen angewandt werden. Die Übertragung in der Gegenrichtung kann analog zur erläuterten Art und Weise erfolgen.
Der Sender S verfügt über mehrere Sendeeinrichtungen S1, S2...Sn, die einen Modulator für die gesendeten Daten sowie einen Demodulator für Quittungsdaten enthalten. Die Sendeeinrichtungen S1, S2...Sn sind jeweils mit Antennen A11, A12...A1n verbunden. Auf der Seite des Empfängers E sind entsprechend Antennen A21, A22...A2n angeordnet, die Empfangssignale auf Empfangseinrichtungen E1, E2...En führen. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel genügt selbstverständlich prinzipiell die Verwendung einer einzigen Antenne auf Sender- und Empfängerseite, lediglich zur Verbesserung der Anschaulichkeit wurden in der Darstellung mehrere Antennen eingezeichnet. Zwischen der Sendeeinrichtung S1 und der Empfangseinrichtung E1 sowie zwischen den weiteren Sendeeinrichtungen und Empfangseinrichtungen bis zur Sendeeinrichtung Sn und zur Empfangseinrichtung En sind jeweils Übertragungskanäle U1, U2... bzw. Un eingerichtet. Die Übertragungskanäle, U1, U2...Un gehören zu einer drahtlosen Kommunikationsverbindung K mit Datenübertragung durch Funksignale. Die Empfangseinrichtung E1, E2...En enthalten einen Demodulator für die übertragenen Funksignale mit den Empfangsdaten sowie einen Modulator für eine evtl. zu übertragende Quittung. Eine in vorteilhafter Weise erhöhte Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung K wird dadurch erreicht, dass die zu übertragenden Daten mehrfach, das heißt über mehrere der Übertragungskanäle U1...Un, übertragen werden. Die Daten werden somit korrekt übertragen, solange auf zumindest einem der genutzten Übertragungskanäle keine Störungen vorliegen. Werden beispielsweise die Daten auf dem Übertragungskanal U1 gestört und auf dem Übertragungskanal U2 störungsfrei übertragen, so liegen im Empfänger E bereits nach vollständiger Übertragung korrekte Daten vor. Gemäß dem früher verwendeten Verfahren, bei welchem eine korrekte Übertragung durch den Empfänger quittiert und im Fehlerfall eine Neuübertragung veranlasst werden musste, hat das neue Verfahren den Vorteil, dass meist unmittelbar nach einer mehrfachen Übertragung derselben Daten über verschiedene Übertragungskanäle korrekte Daten im Empfänger vorliegen, da meist nicht alle Kanäle gestört sind. Lediglich wenn alle genutzten Übertragungskanäle gestört sind, ist eine Wiederholung der Datenübertragung erforderlich. Als beispielhafte Möglichkeiten zur Trennung verschiedener Übertragungskanäle seien Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), Code Division Multiple Access (CDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA) und Time Division Multiple Access (TDMA) genannt. Vorteilhaft werden verschiedene Kanäle in einer Kommunikationsverbindung genutzt, deren Übertragungsfrequenzen in voneinander abweichenden Bändern liegen.
Anhand der Zeitdiagramme in den 2 bis 4 werden im Folgenden Prinzipien der Datenübertragung in verschiedenen Ausführungsvarianten näher erläutert. Dabei ist jeweils auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate ein Übertragungskanal Ux und ein Übertragungskanal Uy ausgezeichnet. Ein Balken auf der Höhe des jeweiligen Kanals zeigt an, dass zu dem zugehörigen Zeitpunkt Daten auf dem Kanal übertragen werden, während zu den Zeiten, in welchen kein Balken dargestellt ist, keine Datenübertragung auf dem Kanal stattfindet. Prinzipiell können die Kanäle nach einem beliebigen Verfahren voneinander getrennt werden, vorteilhaft ist jedoch eine Trennung nach Bändern, so dass die Angabe zweier verschiedener Kanäle Ux und Uy mit einer Angabe zweier verschiedener Frequenzbänder Ux und Uy gleichbedeutend ist. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird von einer Datenübertragung in Datenpaketen Pi, mit i=Paketnummer, ausgegangen. In den 2–4 wird jeder Paketübertragung ein Balken zugeordnet. Selbstverständlich kann in der Praxis die zu übertragende Datenmenge in beliebiger, auch vom beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichender Weise organisiert werden.
Bei einem Kanal/Zeit-Multiplex Verfahren gemäß 2 werden auf mehreren Kanälen mit möglichst großem Abstand, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf den beiden Kanälen Ux und Uy, dieselben Daten in redundanter Form zeitlich nacheinander übertragen. Sender und Empfänger müssen hierzu die beiden Kanäle Ux und Uy kennen und wechseln nach jedem Datenpaket auf den alternativen Kanal, um dort nochmals dieselben Daten zu übermitteln. In Kombination mit dem bei einer Kommunikationsverbindung gemäß dem Standard IEEE 802.11b üblichen DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ergibt sich eine erhöhte Immunität gegen Störungen. Die Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung steigt somit an. Ein Datenpaket Pn wird also, wie in 2 dargestellt, zunächst auf dem Übertragungskanal Ux übertragen. Danach wechseln Sender und Empfänger auf den Kanal Uy, auf welchem dasselbe Datenpaket Pn noch einmal übertragen wird. Ein darauf folgendes Datenpaket Pn+1 wird wiederum zuerst auf dem Kanal Ux übertragen und auf dem Kanal Uy wiederholt. Das gleiche Verfahren wiederholt sich für ein Datenpaket Pn+2 usw. Hierzu würde selbstverständlich abweichend von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sender und Empfänger genügen, der lediglich über eine einzige, kanalumschaltbare Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung verfügt.
In der in 3 dargestellten Ausgestaltung des neuen Verfahrens werden wie beim zuvor beschriebenen Kanal/Zeit-Multiplex Verfahren Datenpakete mehrfach übertragen, nun jedoch gleichzeitig auf unterschiedlichen Kanälen oder Bändern. Bei Verwendung einer Kommunikationsverbindung gemäß dem Standard IEEE 802.11 bieten sich für den Übertragungskanal Ux das 2,4-GHz-Band und für den Übertragungskanal Uy das 5-GHz-Band an. Bedingt durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Bänder werden in diesem Fall sowohl im Sender als auch im Empfänger mehrere Sende- bzw. Empfangseinrichtungen verwendet. Wie in 3 dargestellt, werden Pakete Pn, Pn+1, Pn+2, Pn+3, Pn+4 usw. gleichzeitig auf den beiden Kanälen Ux und Uy übertragen. Da die zur Verfügung stehende Bandbreite im Kanal Uy nicht vollständig zur Übertragung der Pakete Pn, Pn+1... benutzt wird, entstehen zwischen den Paketen Lücken, die für weiteren Datenverkehr genutzt werden können.
Bei der Übertragung von Daten kann gemäß 4 zwischen einer redundanten Übertragung, beispielsweise für sicherheitsrelevante Daten, und einer nichtredundanten Übertragung unterschieden werden. Es kann sich dabei um eine Datenübertragung über dieselbe Verbindung oder über unterschiedliche Verbindungen handeln. Redundant zu übertragende Datenpakete Pn und Pn+1 sind mit schwarzen Balken, nichtredundant zu übertragende Pakete Pm, Pm+1, Pm+2, Pm+3 sind mit weiß gefüllten Balken markiert. Wiederum werden redundant zu übertragende Datenpakete Pn und Pn+1 mehrfach in die beiden Übertragungskanäle Ux und Uy eingespeist, wie es zuvor anhand von
2 näher erläutert wurde. Diese Art der Datenübertragung wird vorzugsweise für sicherheitsrelevante Daten gewählt, um für diese Daten eine besonders hohe Verfügbarkeit der Kommunikationsverbindung zu erreichen. Für die übrigen Daten, die in den Paketen Pm, Pm+1 usw. übertragen werden, ist eine geringere Verfügbarkeit der Verbindung ausreichend und sie werden daher nur einfach übertragen. Für die Datenübertragung wird bei diesem Verfahren lediglich soviel Bandbreite der eingesetzten Übertragungskanäle beansprucht, wie es die jeweilige Anwendung in der automatisierungstechnischen Anlage erfordert. Die Art der Datenübertragung, redundant oder nicht redundant, kann durch einen Anwender für jede einzelne, über das Netzwerk einzurichtende Verbindung beispielsweise auf Ebene 2 oder 3 des ISO/OSI-7-Schichtenmodells angegeben werden.
Die Erfindung wurde anhand vorgehender Ausführungsbeispiele für eine Verbindung zwischen einem Sender und einem Empfänger erläutert. Selbstverständlich ist die Erfindung in entsprechender Weise für Verbindungen zwischen mehr als zwei Geräten anwendbar.
Zur Vereinfachung der Darstellung wurde auf die Berücksichtigung eines Quittungsbetriebs in den 2 bis 4 verzichtet. Dieser kann jedoch ohne Weiteres bei dem neuen Verfahren vorgesehen werden, beispielsweise in der bereits aus der eingangs erwähnten DE 100 49 568 A1 bekannten Weise.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (K) zwischen einem Sender (S) und einem Empfänger (E), dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (S) dieselben zu übertragenden Daten unabhängig von einer Empfangsbestätigung eines Empfängers in mehrere verschiedene Übertragungskanäle (U1, U2, Un) der Kommunikationsverbindung (K) einspeist und dass der Empfänger (E) die Daten von einem Übertragungskanal (U1, U2, Un) übernimmt, auf dem sie ungestört übertragen wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungskanäle (U1, U2, Un) in unterschiedlichen Funkfrequenzbändern angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (S) die zu übertragenden Daten gleichzeitig in die Übertragungskanäle (U1, U2, Un) einspeist.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Sender (S) und Empfänger (E) zwischen redundant und nichtredundant zu übertragenden Daten unterschieden wird und dass der Sender (S) nur redundant zu übertragende Daten unabhängig von einer Empfangsbestätigung des Empfängers in mehrere verschiedene Übertragungskanäle (U1, U2, Un) der Kommunikationsverbindung (K) einspeist.
Sender zur Durchführung des Verfahrens zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (S) mit zumindest einer Sendeeinrichtung (S1, S2, Sn) derart ausgebildet ist, dass dieselben zu übertragenden Daten unabhängig von einer Empfangsberechtigung eines Empfängers (E) in mehrere verschiedene Übertragungskanäle (U1, U2, Un) der Kommunikationsverbindung (K) eingespeist werden.
Empfänger zur Durchführung des Verfahrens zur Übertragung von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (E) mit zumindest einer Empfangseinrichtung (E1, E2, En) derart ausgebildet ist, dass er bei einer Einspeisung derselben zu übertragenden Daten in mehrere Übertragungskanäle (U1, U2, Un) der Kommunikationsverbindung (K) durch einen Sender (S) die Daten von einem Übertragungskanal (U1, U2, Un) übernimmt, auf dem sie ungestört übertragen wurden.