DE19930423A1 - Schnurloses Datenübertragungsnetzwerk und Verfahren zu seiner Verwaltung - Google Patents

Abstract

Ein Datenübertragungsnetzwerk umfaßt eine Mehrzahl von Knoten (0, 1, 2, 3), die eingerichtet sind, um wahlweise als Master (0) oder Slave (1, 2, 3) zu arbeiten. Der Master (0) ist in der Lage, einem Slaven, der die beste Übertagungsqualität zu den restlichen Slaves gewährleistet, einen Befehl zur Übernahme der Masterfunktion zu erteilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Datenübertragungsnetz­ werk mit schnurloser Übertragung zwischen einer Mehrzahl von Geräten oder Knoten, die eingerichtet sind, um wahlweise als Master oder Slave in dem Netzwerk zu arbeiten. Bei schnurlo­ sen Kommunikationssystemen mit der Fähigkeit, ohne vorherige Konfiguration ein Netzwerk zu etablieren, sogenannten Ad hoc- LANs, ist eine solche Bifunktionalität der Knoten üblich. Da­ bei übernimmt ein Knoten beziehungsweise ein Gerät die Funk­ tion des Masters, der wesentliche Aufgaben wie zum Beispiel das Timing des gesamten Netzwerks kontrolliert. Der Master kann gleichzeitig eine Verbindung zu mehr als nur einem Slave aufrechterhalten; eine Datenübertragung innerhalb eines sol­ chen Netzwerks ist aber nur jeweils zwischen dem Master und einem der Slaves möglich, niemals aber direkt zwischen ein­ zelnen Slaves. Das heißt, selbst wenn die Slaves physikalisch durchaus in der Lage wären, direkt miteinander zu kommunizie­ ren, findet die tatsächliche Datenübertragung protokollbe­ dingt nur unter Einbeziehung des Masters statt, so daß sich eine sternförmige Netztopologie ergibt. Meist wird dabei die Masterrolle von demjenigen Gerät übernommen, welches den Ver­ bindungsaufbau zwischen den einzelnen Geräten oder Knoten, das heißt den Netzwerkaufbau initiiert.

Wenn der Master aus dem Netzwerk ausscheidet, zum Beispiel indem ein Benutzer ihn ausschaltet, bricht der Datenverkehr zusammen und kommt nur wieder in Gang, wenn die verbliebenen Slaves in der Lage sind, sich auf einen neuen Master zu eini­ gen. Dies führt notwendigerweise zu einer Unterbrechung der Datenübertragung und gegebenenfalls auch zu Datenverlust.

Das Problem stellt sich insbesondere bei Kleinnetzwerken für den Gebrauch durch private Anwender, die keine Erfahrung im Umgang mit Netzwerken besitzen, so zum Beispiel bei dem zur Zeit in Entwicklung befindlichen Bluetooth-Standard, der für die Vernetzung unter anderem von Geräten in Privathaushalten vorgesehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Netzwerk und ein Verfahren zu seiner Verwaltung anzugeben, die einen reibungslosen weiter­ betrieb des Netzwerks auch dann ermöglichen, wenn einzelne Knoten aus dem Netzwerk ausscheiden.

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Datenübertra­ gungsnetzwerk der eingangs definierten Art, bei dem derjenige Knoten des Netzwerks, der als Master arbeitet, in der Lage ist, einem Slave einen Befehl zur Übernahme der Masterfunk­ tion zu erteilen.

Sie wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Verwalten ei­ nes solchen Datenübertragungsnetzwerks, das eine Bewertung der Übertragungsqualität der Verbindungen der Slaves unter­ einander und die Auswahl desjenigen Slaves zur Übernahme der Masterfunktion vorsieht, der die beste Übertragungsqualität zu den restlichen Slaves des Netzwerks gewährleistet.

Diese Bewertung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß jeder Slave der Reihe nach ausgewählt und die Übertragungsqualität zwi­ schen ihm und den restlichen Slaves anhand der Übertragung eines Testdatenpakets bewertet wird. Dieser Vorgang wird vor­ zugsweise zentral dadurch ausgelöst, daß der Master eine An­ forderung zum Senden des Testdatenpakets an die restlichen Slaves sendet, und daß anschließend die restlichen Slaves das empfangene Testdatenpaket an den ausgewählten Slave senden. Um diesen abweichend von der auf den Master zentrierten Sternstruktur des Netzes in die Lage zu versetzen, die Test­ datenpakete von den restlichen Slaves direkt zu empfangen, kann es notwendig sein, die Masterrolle zeitweilig an den ausgewählten Slave zu übertragen.

Um ein zeitliches Zusammentreffen der Testdatenpakete am aus­ gewählten Slave zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise jedem der restlichen Slaves ein Zeitoffset zugeordnet, nach dessen Ver­ streichen er mit dem Senden des Testdatenpakets beginnen soll.

Um den Übertragungsaufwand im Rahmen der Bewertung gering zu halten, nimmt der ausgewählte Slave zweckmäßigerweise selbst die Bewertung der Verbindungen zwischen ihm und den restli­ chen Slaves vor und überträgt lediglich die Ergebnisse dieser Bewertung an den Master.

Für die Bewertung der Verbindungsqualität eines ausgewählten Slaves kommen diverse Kriterien in Frage. Zum einen kann eine Bewertung jeweils einzelner Verbindungen zwischen zwei Slaves anhand der Signalstärke, mit der ein Testdatenpaket empfangen wird, oder anhand der Fehlerrate des Testdatenpakets erfol­ gen. Um die Eignung eines Slaves als neuer Master zutreffend einschätzen zu können, ist darüber hinaus eine Gesamtbewer­ tung aller Verbindungen zwischen ihm und den restlichen Sla­ ves zweckmäßig. Diese kann zum Beispiel die Varianz der Über­ tragungsqualität der einzelnen Verbindungen zwischen dem aus­ gewählten Slave und den restlichen Slaves und/oder die Anzahl der restlichen Slaves, deren Übertragungsqualität zum ausge­ wählten Slave unzureichend ist, als Kriterium haben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein Bluetooth-Piconet als Beispiel für ein Datenüber­ tragungsnetzwerk mit schnurloser Übertragung gemäß der vor­ liegenden Erfindung; und

Fig. 2 den Ablauf eines Signalisierungsprotokolls, das von den Knoten des Netzwerks aus Fig. 1 abgearbeitet wird, um den bestgeeigneten Nachfolger für den Master unter den Slaves des Netzwerks zu ermitteln.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Bluetooth- Netzwerk mit vier Geräten, einem Master 0 und drei Slaves 1, 2, 3, die jeweils über Funkverbindungen 4 mit dem Master 0 kommunizieren können. Weitere Funkverbindungen, hier die ge­ strichelt eingezeichneten Verbindungen 5 und 6 sind physika­ lisch möglich, werden aber nicht genutzt, solange das Gerät 0 die Masterrolle innehat. Bei dem Master und den Slaves kann es sich zum Beispiel um einen Mikrocomputer, einen Drucker, einen Scanner und ein Modem, die jeweils mit geeigneten Schnittstellen ausgestattet sind, oder auch um eine Steuerung einer Heizungsanlage oder andere elektrische Geräte handeln.

Jeder Slave ist innerhalb des Netzwerks über eine sogenannte Active-Member-Adresse AM_ADDR oder MAC-Adresse ansprechbar, die in der Figur jeweils an jedem Slave in Klammern in Binär­ darstellung angegeben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem unter den Slaves 1, 2, 3 ein Nachfolger für den Master 0 ermittelt werden kann, wird anhand von Fig. 2 beschrieben. Die Figur umfaßt vier Zeilen, die mit 0 bis 3 bezeichnet sind und jeweils Sende- und Empfangsaktivität des Masters 0 beziehungsweise der Sla­ ves 1, 2, 3 darstellen.

In einer ersten Phase des Verfahrens, dargestellt als Spalte 10 in Fig. 2, sendet der Master 0 an den Slave 1 eine Auf­ forderung, die Funktion des Masters zeitweilig zu übernehmen. Diese Aufforderung wird von den übrigen Slaves 2, 3 ebenfalls empfangen.

In der darauffolgenden Phase 11 bestätigen alle Slaves den zeitweiligen Rollentausch. Die Reihenfolge, mit der die ein­ zelnen Slaves 1 bis 3 die Bestätigungen senden, kann zum Bei­ spiel anhand ihrer Netzwerkadresse festgelegt sein, wodurch sich die in Fig. 2 dargestellte Reihenfolge ergibt.

Die zeitweilige Übertragung der Masterfunktion an den ausge­ wählten Slave 1 bedeutet für die restlichen Slaves 2, 3, daß sie ein vorgegebenes Testdatenpaket auszusenden haben. Dies geschieht in Phase 12. Auch die Reihenfolge, in der das Test­ datenpaket ausgesendet wird, richtet sich nach den Adressen der Slaves.

Nachdem der ausgewählte Slave 1 (auf den Funkverbindungen 5) alle erwarteten Testdatenpakete empfangen hat, sendet er in Phase 13 eine Aufforderung an den Master 0, die Masterrolle wieder zu übernehmen. Auch diese Aufforderung wird von den restlichen Slaves 2, 3 empfangen.

In Phase 14 senden die Geräte 0, 2 und 3 Bestätigungen an das die Masterrolle abgebende Gerät 1, genauso wie zuvor in Phase 11, und das Gerät 0 übernimmt wieder seine für die Phase 12 und 13 zeitweilig abgegebene Rolle als Master.

Gleichzeitig wertet der ausgewählte Slave 1 die von den rest­ lichen Slaves 2, 3 empfangenen Testdatenpakete aus und über­ trägt in Phase 15 seine Bewertung der Übertragungsqualität an den Master 0. Die Kriterien, die für die Bewertung der Über­ tragungsqualität herangezogen werden, können je nach Anwen­ dungsumgebung und Ausstattung der Luftschnittstellen der dar­ in verwendeten Geräte variieren. So kann zum Beispiel direkt der Signalpegel des vom ausgewählten Slave empfangenen Test­ datenpakets gemessen und als Kriterium für die Qualität der Übertragung einer einzelnen Funkverbindung herangezogen wer­ den. Genauso ist es möglich, ein Testdatenpaket mit vorge­ gebenem Inhalt zu verwenden, wobei der ausgewählte Slave 1 dann anhand eines empfangenen Testdatenpakets mit dem vorge­ gebenen Inhalt die Übertragungsqualität zu beurteilen vermag. Zum Zwecke dieser Beurteilung können Fehlerkorrekturmechanis­ men, die für die normale Datenübertragung auf den Funkverbin­ dungen eingesetzt werden, abgeschaltet sein, um so eine emp­ findlichere Beurteilung der Übertragungsqualität zu ermögli­ chen. Die Übertragungsqualität der einzelnen Verbindungen 5 ist jedoch nur ein Teilaspekt bei der Beurteilung der Eignung eines Slaves als Nachfolger des Masters. So kann ein Slave zwar im Mittel gute Verbindungen zu anderen Slaves aufweisen, trotzdem aber ungeeignet sein, wenn er einen oder mehrere Slaves des Netzwerks nicht zu erreichen vermag oder die Über­ tragungsqualität zu einzelnen solchen Slaves so schlecht ist, daß eine Vielzahl von notwendigen Wiederholungen die effek­ tive Übertragungsrate des Netzwerks beeinträchtigt. Deswegen fließt in die Beurteilung der Übertragungsqualität des ausge­ wählten Slaves zweckmäßigerweise auch die Varianz der Über­ tragungsqualitäten seiner einzelnen Verbindungen ein, wobei die Übertragungsqualität des Slaves um so schlechter bewertet wird, je größer die Varianz ist. Wenn der ausgewählte Slave einzelne der restlichen Slaves nicht oder nur mit einer zu schlechten Verbindungsqualität zu erreichen vermag, beein­ trächtigt dies ebenfalls seine Bewertung.

Das in Fig. 2 für den Slave 1 dargestellte Verfahren wird für sämtliche anderen Slaves 2, 3 des Netzwerks in analoger Weise wiederholt. Dabei wird auch die Verbindung 6 zwischen den Slaves 2, 3 überprüft, die bei der Bewertung des Slaves 1 nicht benutzt worden ist. So verfügt der Master 0 am Ende der Wiederholungen über die Bewertungen der Übertragungsqualität sämtlicher Slaves und erteilt einen Befehl, die Masterfunkti­ on zu übernehmen, an denjenigen Slave, der die beste Bewer­ tung erhalten hat. Sobald dieser die Masterrolle übernommen hat, kann das Gerät 0, das nun eine Slave-Rolle innehat, ohne Störung des Datenverkehrs aus dem Netz genommen werden.

Das oben beschriebene Verfahren kann im Rahmen einer Prozedur zum Herunterfahren des Masters 0 ausgeführt werden, wenn ein Benutzer den Master ausschalten will. Es ist auch möglich, das Verfahren in einem voll arbeitenden Netzwerk turnusmäßig auszuführen, um so sicherzustellen, daß die Masterrolle stets von demjenigen Gerät des Netzwerks wahrgenommen wird, das über die beste Übertragungsqualität zu den anderen Geräten verfügt. In diesem Fall wären nicht nur die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Phasen 10 bis 15 für jeden einzelnen Sla­ ve des Netzwerks auszuführen, sondern auch der Master müßte eine Phase des Empfangens von Testdatenpaketen analog zu Pha­ se 12 und eine Bewertung ausführen, so daß für die Entschei­ dung, welches Gerät des Netzwerks die Masterrolle übernehmen soll, Bewertungen der Empfangsqualität nicht nur für die Sla­ ves, sondern auch für den Master selbst zur Verfügung stehen.

Claims (10)

1. Datenübertragungsnetzwerk mit schnurloser Übertragung zwi­ schen einer Mehrzahl von Knoten (0, 1, 2, 3), die eingerichtet sind, wahlweise als Master (0) oder Slave (1, 2, 3) zu arbei­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Knoten (0) des Netzwerks, der als Master arbeitet, in der Lage ist, einem Slave (1, 2, 3) einen Befehl zur Übernahme der Master­ funktion zu erteilen.

2. Datenübertragungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Bluetooth-Netzwerk ist.

3. Verfahren zum Verwalten eines Datenübertragungsnetzwerks nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewertung der Übertragungsqualität der Verbindungen (5, 6) der Slaves (1, 2, 3) untereinander vorgenommen wird, und daß der Master (0) unter mehreren Slaves (1, 2, 3) denjenigen zur Übernahme der Masterfunktion bestimmt, der die beste Übertragungsqualität zu den restlichen Slaves gewährleistet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Bewertung jeder Slave (1, 2, 3) der Reihe nach ausgewählt und die Übertragungsqualität zwischen dem ausgewählten (1) und den restlichen Slaves (2, 3) anhand der Übertragung eines Testdatenpakets (Phase 12) bewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Master eine Aufforderung zum Senden des Test­ datenpakets an die restlichen Slaves (2, 3) sendet (Phase 11), und daß die restlichen Slaves (2, 3) das Testdatenpaket an den ausgewählten Slave (1) senden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jedem der restlichen Slaves (2, 3) ein Zeitoffset zugeordnet ist, nach dem er mit dem Senden des Testdatenpa­ kets beginnt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Slave (1) für die Bewertung der Übertragungsqualität zeitweilig die Rolle des Masters übernimmt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertung am ausgewählten Slave (1) erfolgt und die Ergebnisse an den Master (0) übertragen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertung einer Verbindung zwi­ schen dem ausgewählten Slave (1) und einem der restlichen Slaves (2, 3) anhand der Signalstärke, mit der er das Datenpa­ ket vom ausgewählten Slave (1) empfangen wird, und/oder der Fehlerrate des Testdatenpakets erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertung der Übertragungsqua­ lität des ausgewählten Slaves (1) anhand der Varianz der Übertragungsqualität der einzelnen Verbindungen (5) zwischen dem ausgewählten Slave (1) und den restlichen Slaves (2, 3) und/oder anhand der Anzahl der restlichen Slaves (2, 3), deren Übertragungsqualität zum ausgewählten Slave (1) unzureichend ist, erfolgt.