WO2011089134A1 - Verfahren zur zuordnung von zeitschlitzen zu einem übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten netz - Google Patents

Verfahren zur zuordnung von zeitschlitzen zu einem übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten netz Download PDF

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WO2011089134A1
WO2011089134A1 PCT/EP2011/050643 EP2011050643W WO2011089134A1 WO 2011089134 A1 WO2011089134 A1 WO 2011089134A1 EP 2011050643 W EP2011050643 W EP 2011050643W WO 2011089134 A1 WO2011089134 A1 WO 2011089134A1
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transmission path
network
link
time slots
sequence
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PCT/EP2011/050643
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Andreas Heinrich
Matthias Scheffel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the invention relates to a method for assigning time slots to a transmission path in a wireless mesh network of a plurality of network nodes and to a method for transmitting data using the method for allocating time slots. Furthermore, the invention relates to a network management unit and a wireless network.
  • Wireless mesh networks are based on the principle that data is communicated from one network node to another via a plurality of interconnected network nodes having wireless communication functionality via so-called hops (ie, communications via other nodes) , These networks are configured such that a plurality of walls ⁇ re nodes are within range of a network node, can be sent to the data.
  • a data transmission in such a network between a source node and a destination node is described by a transmission path from corresponding wireless links between neighboring network nodes.
  • Scheduling methods are used by which time slots are pointed to ⁇ the links of a transmission path. Within a time slot, only in the link to which the time slot is assigned can data be transmitted in a corresponding radio channel.
  • time slots are allocated to a transmission path in a wireless mesh network of a plurality of network nodes, the transmission path extending between a source node and a destination node in the network and comprising a plurality of consecutive links between adjacent network nodes.
  • data in the network is to be transmitted time-slot-based by means of the allocation of time slots to be used for data transmission to the links of the transmission path.
  • a quality measure can be determined for a respective link within an allocation sequence of time slots, which describes an end-to-end data transmission from the source node to the destination node along the transmission path.
  • This quality measure results from the number of time slots allocated to the link within the assignment sequence and a predefined quality measure , wherein the predetermined quality measure describes the reliability of the data transmission on the respective link for a single time slot assigned to the respective link, and wherein Assignment sequence a total quality measure in dependence on the quality measures of the links ⁇ resident is determined.
  • the assignment sequence is determined as follows:
  • step i) is performed and otherwise the intermediate to ⁇ regulatory sequence as the allocation sequence determined is defined:
  • step i) The overall quality measure determined in step i) is thus repeatedly checked to see whether it is greater than or equal to a predetermined minimum quality measure. If this is not the case, step i) is repeated.
  • the method according to the invention has the advantage that on the one hand it guarantees a predetermined minimum quality of the data transmission along the transmission path and on the other hand ensures energy-efficient utilization of the corresponding time slots by the network nodes. The inventors were able to demonstrate in the context of simulations that the method leads to lower energy consumption of the network nodes compared to other assignment strategies with the same transmission quality.
  • the one link assigned another time slot in the above step i) a plurality of links, the according to the transmission path closest to the destination node. This takes into account that unsuccessful data transmission at the end of the transmission path leads to a poorer energy balance than if the data transmission was already unsuccessful at the beginning of the transmission path.
  • the predetermined quality measure of a respective link for a single time slot can be defined differently. It merely has to be ensured that the quality measure represents a measure which suitably represents the reliability of the data transmission on the respective link in a single timeslot.
  • the quality measure may represent a measure representing the stability of the data transmission on the respective link.
  • the predetermined quality measure for each link is represented by a probability measure which is derived from the Diffe ⁇ ence between 100% probability and a predetermined probability of an unsuccessful data transmission on the respective link in a single time slot.
  • Link corresponds within the allocation sequence allocated time slots. This difference then represents the quality measure for a respective link within an assignment sequence.
  • the overall quality measure for an assignment sequence as a product of the respective Links determined quality measures and in particular as a product of the above defined, determined for the respective links differences formed.
  • the method is characterized by an energy-efficient operation of the network. Accordingly, the method is preferably carried out in a meshed network in the form of a wireless sensor network in which the network nodes are at least partially self-powered sensors, such as battery powered sensors.
  • the method can also be used in sensor networks in which the sensors are not subject to energy restrictions.
  • the invention contemplates also a resulting procedural ⁇ ren to the time-slot-based data transmission in a wireless mesh network having a plurality of network nodes th.
  • time slots are at a Transmission path ge ⁇ according to the inventive method described above, wherein data is transmitted based on this assignment between the source node and the destination node on a radio channel.
  • This method can be combined with known data transmission methods, such as with the known from the prior art standard WirelessHART or IEEE 805.15.4 or ISA 100. Ha
  • the assignment of time slots to network nodes for example, in a network management unit must be realized.
  • the invention further relates to a network management unit for a wireless mesh network from a plurality of wire ⁇ los communicating network nodes, wherein the network management unit is configured such that it slots time assigns to a transmission path based on the above be ⁇ signed inventive allocation method.
  • the invention further relates to a wireless ver ⁇ maschtes network of a variety of wirelessly with each other communicating network node with such a network management unit.
  • the network nodes and the network management unit are designed such that they can transmit data based on the transmission method described above.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a transmission ⁇ path whose links time slots are assigned based on ei ⁇ ner variant of the method according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation which compares the inven tion ⁇ proper allocation of time slots to the transmission path of Fig. 1 with other variants of an assignment of time slots.
  • the inventive method relates to a novel assignment of time slots to corresponding wireless links of a given transmission path between a source node and a destination node, in addition to the most reliable data transmission as energy efficient as possible ⁇ tion of network nodes is guaranteed.
  • the method is particularly suitable for use in sensor networks in which at least part of the network nodes are sensors which usually have a self-sufficient energy supply (eg batteries).
  • the aim of the embodiment described below is now to achieve a predetermined minimum reliability of the data Transmission along a transmission path while ensuring the lowest possible total energy consumption of the network nodes to ensure.
  • the energy consumption of the individual network nodes is the lower, the less frequently time slots have to be used for data transmission. This is due to the fact that with the use of a time slot always a power consumption is connected at least by listening to the network node in the radio channel.
  • an embodiment of the invention will ba ⁇ sierend explained on the example shown in FIG. 1, transmission path P 1 from the source node toward the destination node 4 via the node 2 and 3.
  • the transmission path in this case comprises a wire ⁇ loose link LI between the nodes 1 and 2, a wireless link L2 between the nodes 2 and 3, and a wireless link L3 between the nodes 3 and 4.
  • the link LI has a packet error probability for a single time slot at the data transfer from 0.1 to. Accordingly, the link L2 has an error probability of also 0.1 and the link L3 an error probability of 0.4.
  • the About ⁇ tragungspfad is part of a directed graph structure which repre ⁇ advantage, a wireless mesh multi-hop network.
  • Each link LI to L3 are associated with predetermined data transmission confining reliabilities which are known in advance and describe the reliability of data transmission at the volcanici ⁇ gene using a time slot. The reliability results from the above-defined error probabilities.
  • stepwise determines an allocation sequence of time slots to the links of the transmission path.
  • This mapping sequence can then be used for end-to-end data transmission along the transmission path.
  • a predetermined minimum overall reliability for end-to-end data transmission ⁇ accordance with the assignment sequence is observed.
  • the consecutive links of a transmission path from h hops are generally referred to as (Ii, 1 2 , 1 h ).
  • FER ner is the above-mentioned minimum reliability for a time slot assignment along the transmission path given by p m i n .
  • time slot assignment is based on the fact that time slots are assigned to the individual links of the transmission path in an energy-efficient manner, while at the same time maintaining the above-described reliability p m i n . This is achieved by the following strategy:
  • step d) Finally, taking into account the new transmission reliability of the link Ii, the overall reliability of the data transmission along the transmission path is determined. If it is still less than the minimum reliability, becomes the above step b) ⁇ back gone, that it will go on the link with the lowest reliability, this link may be now a different link than the link previously determined. Subsequently, according to step c), this link is assigned a further time slot. Finally, it is again checked whether the overall reliability is now less than the minimum reliability. The above strategy is continued until the transmission reliability along the transmission path is greater than or equal to the minimum reliability p m i n .
  • the predefined reliability for a data transmission in a single time slot is represented by the difference between 100% probability and the corresponding error probability. That is, the predetermined Verläss ⁇ friendliness for the link LI and L2 is 0.9 and for the link L3 0.6. Be in an assignment sequence links for data transmission used several times, the ent ⁇ speaking reliability of a link more than once used resulting therefrom by the difference between 100% probability and the potency of the predetermined reliability of the links entspre ⁇ accordingly the number assigned to the link time slots.
  • the overall reliability along the transmission path can be calculated by the product of the reliability of each link.
  • Fig. 2 S7 to the left of the Kochtra ⁇ supply path P of Fig. 1 shows, in the diagrams Dl to D3 three Zu glovessse- sequences of time slots SO, Sl, for a transmission in a channel CO.
  • the notation "l->2" thereby assigns a corresponding time slot to the link LI, through the notation »2 ⁇ 3 » denotes the assignment of a corresponding time slot to the link L2 and the notation »3 ⁇ 4 « designates the assignment of a corresponding time slot to the link L3.
  • the slide ⁇ program D3 shows a time slot assignment sequence based on the novel process.
  • the diagram Dl shows a time slot assignment based on a one-time repetition of each time slot by assigning two time ⁇ slots first the link LI, then two time slots the link L2 and finally two time slots the link L3.
  • the diagram D2 relates to a time slot assignment, in which the data transmission along the entire transmission path is repeated once, ie first time slots are sequentially assigned to the links LI, L2 and L3 and this assignment is then repeated once.
  • Dl to D3 have different overall reliability and energy consumption.
  • the inventors have compared the time slot assignment according to the diagram D3 with the time slot assignments according to the diagrams Dl and D2.
  • the assignments were repeated several times consecutively. It was demonstrated thereby that the total ⁇ energy consumption is lower for the same overall reliability of the network nodes of a data transmission according to the invention according to time slot assignment diagram D3 than for a data transmission in accordance with the allocations of the diagrams Dl and D2.
  • a time slot-based data transmission can be achieved with the method according to the invention, on the one hand ensuring a minimum quality of the data transmission and on the other hand the energy consumption of the network nodes involved in the data transmission is as low as possible.
  • the method is thus particularly suitable for networks in which low energy consumption of the individual network nodes is of great importance.
  • a preferred application is therefore the use of the method in sensor networks whose network nodes partly sensors with self-sufficient energy supply, such as battery-powered sensors include.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuordnung von Zeitschlitzen zu einem Übertragungspfad (P) in einem drahtlosen vermaschten Netz aus einer Vielzahl von Netzknoten (1, 2, 3, 4). Der Übertragungspfad (P) erstreckt sich dabei zwischen einem Quellknoten (1) und einem Zielknoten (4) und umfasst eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Links (L1, L2, L3) zwischen benachbarten Netzknoten. Dabei sind Daten in dem Netz zeitschlitz-basiert mittels der Zuordnung von zur Datenübertragung zu nutzenden Zeitschlitzen (S0, S1,..., S7) zu den Links (L1, L2, L3) des Übertragungspfads zu übertragen. In dem Verfahren ist für einen jeweiligen Link (L1, L2, L3) innerhalb einer Zuordnungssequenz von Zeitschlitzen (S0, S1,..., S7), welche eine Ende-zu-Ende-Datenübertragung vom Quellknoten (1) zum Zielknoten (4) entlang des Übertragungspfads (P) beschreibt, ein Qualitätsmaß ermittelbar, das die Verläss- lichkeit der Datenübertragung repräsentiert. Ferner kann ein Gesamtqualitätsmaß für die Zuordnungssequenz in Abhängigkeit von den Qualitätsmaßen der jeweiligen Links (L1, L2, L3) bestimmt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden schrittweise dem Link in der Zuordnungssequenz mit dem geringsten Qualitätsmaß weitere Zeitschlitze solange hinzugefügt, bis das Gesamtqualitätsmaß der Zuordnungssequenz ein Mindestqualitätsmaß erreicht hat. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Datenübertragung mit geringem Energie- verbrauch der Netzknoten erreicht werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Zuordnung von Zeitschlitzen zu einem Übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten Netz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuordnung von Zeitschlitzen zu einem Übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten Netz aus einer Vielzahl von Netzknoten sowie ein Verfahren zur Übertragung von Daten unter Verwendung des Ver- fahrens zur Zuordnung von Zeitschlitzen. Ferner betrifft die Erfindung eine Netzverwaltungseinheit und ein drahtloses ver- maschtes Netz.
Drahtlose vermaschte Netze, welche häufig auch als Mesh-Netze bezeichnet werden, beruhen auf dem Prinzip, dass Daten über eine Vielzahl von miteinander kommunizierenden Netzknoten mit drahtloser Kommunikationsfunktionalität von einem Netzknoten zu einem anderen über sog. Hops (d.h. Weiterleitungen über andere Knoten) übermittelt werden. Diese Netze sind derart aufgebaut, dass in Reichweite eines Netzknotens mehrere ande¬ re Netzknoten liegen, an welche Daten gesendet werden können. Eine Datenübertragung in einem solchen Netz zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten wird durch einen Übertragungspfad aus entsprechenden drahtlosen Links zwischen be- nachbarten Netzknoten beschrieben. Um eine kollisionsfreie Datenübertragung entlang eines solchen Übertragungspfads zu gewährleisten, werden sog. Scheduling-Verfahren eingesetzt, mit denen den Links eines Übertragungspfads Zeitschlitze zu¬ gewiesen werden. Innerhalb eines Zeitschlitzes können nur auf demjenigen Link, dem der Zeitschlitz zugewiesen ist, Daten in einem entsprechenden Funkkanal übertragen werden.
Herkömmliche Scheduling-Verfahren sind auf eine möglichst verlässliche Datenübertragung entlang eines Übertragungspfads optimiert, ohne jedoch weitere Kriterien und insbesondere ei¬ nen möglichst geringen Energieverbrauch der einzelnen Netzknoten bei der Datenübertragung zu berücksichtigen. Eine solche energieeffiziente Datenübertragung ist jedoch für be- stimmte Arten von vermaschten Netzen, wie z.B. Sensornetze, welche häufig Sensornetzknoten mit autarker Energieversorgung umfassen, von großer Bedeutung. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Zuordnung von Zeit¬ schlitzen zu einem Übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten Netz derart auszugestalten, dass im Rahmen der Datenübertragung ein energieeffizienter Betrieb der Netzknoten mit weiterhin guter Verlässlichkeit der Datenübertragung ge- währleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche ge¬ löst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Zeitschlitze zu einem Übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten Netz aus einer Vielzahl von Netzknoten zugeordnet, wobei sich der Übertragungspfad zwischen einem Quellknoten und einem Ziel- knoten in dem Netz erstreckt und eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Links zwischen benachbarten Netzknoten umfasst. Dabei sind Daten in dem Netz zeitschlitz-basiert mittels der Zuordnung von zur Datenübertragung zu nutzenden Zeitschlitzen zu den Links des Übertragungspfads zu übertragen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für einen jeweiligen Link innerhalb einer Zuordnungssequenz von Zeitschlitzen, welche eine Ende-zu-Ende-Datenübertragung vom Quellknoten zum Zielknoten entlang des Übertragungspfads be- schreibt, ein Qualitätsmaß ermittelbar. Dieses Qualitätsmaß ergibt sich aus der Anzahl der dem Link zugeordneten Zeitschlitze innerhalb der Zuordnungssequenz und einem vorgegebe¬ nen Qualitätsmaß, wobei das vorgegebene Qualitätsmaß die Ver¬ lässlichkeit der Datenübertragung auf dem jeweiligen Link für einen einzelnen, dem jeweiligen Link zugeordneten Zeitschlitz beschreibt und wobei für die Zuordnungssequenz ein Gesamtqua- litätsmaß in Abhängigkeit von den Qualitätsmaßen der jeweili¬ gen Links ermittelbar ist. Erfindungsgemäß wird die Zuordnungssequenz wie folgt be¬ stimmt :
den Links des Übertragungspfads wird zunächst aufeinan- der folgend jeweils ein Zeitschlitz zugeordnet und für die sich hieraus ergebende intermediäre Zuordnungsse¬ quenz wird das Gesamtqualitätsmaß ermittelt;
solange das Gesamtqualitätsmaß geringer als ein vorgege¬ benes Mindestqualitätsmaß ist, wird der folgende Schritt i) durchgeführt und ansonsten wird die intermediäre Zu¬ ordnungssequenz als die ermittelte Zuordnungssequenz festgelegt :
i) dem Link, der innerhalb der intermediären Zuordnungssequenz das geringste Qualitätsmaß aufweist, wird ein weiterer Zeitschlitz unmittelbar nach dem oder den Zeitschlitzen zugeordnet, die dem Link bereits zugeordnet sind, und anschließend wird für die sich hieraus ergebende neue intermediäre Zuord¬ nungssequenz das Gesamtqualitätsmaß ermittelt.
Das in Schritt i) ermittelte Gesamtqualitätsmaß wird somit immer wieder daraufhin überprüft, ob es größer oder genauso groß wie ein vorgegebenes Mindestqualitätsmaß ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird der Schritt i) wiederholt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass es zum einen eine vorgegebene Mindestqualität der Datenübertragung entlang des Übertragungspfads garantiert und zum anderen eine energieeffiziente Nutzung der entsprechenden Zeitschlitze durch die Netzknoten gewährleistet. Die Erfinder konnten im Rahmen von Simulationen nachweisen, dass das Verfahren gegenüber anderen Zuordnungsstrategien bei gleicher Übertragungsqualität zu einem geringeren Energieverbrauch der Netzknoten führt . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle, dass im obigen Schritt i) mehrere Links das gleiche geringste Qualitätsmaß aufwei¬ sen, demjenigen Link ein weiterer Zeitschlitz zugeordnet, der gemäß dem Übertragungspfad am nächsten zu dem Zielknoten ist. Hierdurch wird berücksichtigt, dass eine nicht erfolgreiche Datenübertragung am Ende des Übertragungspfads zu einer schlechteren Energiebilanz führt, als wenn die Datenübertra- gung bereits am Anfang des Übertragungspfads erfolglos war.
Das vorgegebene Qualitätsmaß eines jeweiligen Links für einen einzelnen Zeitschlitz kann verschieden definiert sein. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass das Qualitätsmaß ein Maß repräsentiert, das in geeigneter Weise die Verlässlich- keit der Datenübertragung auf dem jeweiligen Link in einem einzelnen Zeitschlitz repräsentiert. Beispielsweise kann das Qualitätsmaß ein Maß darstellen, welches die Stabilität der Datenübertragung auf dem jeweiligen Link repräsentiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das vorgegebene Qualitätsmaß für einen jeweiligen Link durch ein Wahrscheinlichkeitsmaß repräsentiert, welches sich aus der Diffe¬ renz zwischen 100% Wahrscheinlichkeit und einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit einer erfolglosen Datenübertragung auf dem jeweiligen Link in einem einzelnen Zeitschlitz ergibt.
Wird im erfindungsgemäßen Verfahren die oben beschriebene vorgegebene Wahrscheinlichkeit einer erfolglosen Datenüber¬ tragung berücksichtigt, so wird in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform ein Qualitätsmaß für einen jeweiligen Link innerhalb einer Zuordnungssequenz derart bestimmt, dass die Diffe¬ renz zwischen 100% Wahrscheinlichkeit und einem Wahrschein- lichkeitsterm ermittelt wird, welcher die vorgegebene Wahr¬ scheinlichkeit einer erfolglosen Datenübertragung auf dem je- weiligen Link potenziert mit der Anzahl der dem jeweiligen
Link innerhalb der Zuordnungssequenz zugeordneten Zeitschlitze entspricht. Diese Differenz stellt dann das Qualitätsmaß für einen jeweiligen Link innerhalb einer Zuordnungssequenz dar .
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gesamtqualitätsmaß für eine Zuordnungssequenz als Produkt der für die jeweiligen Links ermittelten Qualitätsmaße und insbesondere als Produkt der oben definierten, für die jeweiligen Links ermittelten Differenzen gebildet. Wie bereits oben erwähnt, zeichnet sich das Verfahren durch einen energieeffizienten Betrieb des Netzes aus. Demzufolge wird das Verfahren vorzugsweise in einem vermaschten Netz in der Form eines drahtlosen Sensornetzes ausgeführt, in dem die Netzknoten zumindest teilweise Sensoren mit autarker Energie- Versorgung, wie z.B. batteriebetriebene Sensoren, sind.
Nichtsdestoweniger kann das Verfahren auch in Sensornetzen eingesetzt werden, in denen die Sensoren keinen Energiebeschränkungen unterliegen. Neben einem Verfahren zur Zuordnung von Zeitschlitzen zu einem Übertragungspfad in einem drahtlosen vermaschten Netz um- fasst die Erfindung ferner ein daraus resultierendes Verfah¬ ren zur zeitschlitz-basierten Datenübertragung in einem drahtlosen vermaschten Netz mit einer Vielzahl von Netzkno- ten. Dabei werden Zeitschlitze zu einem Übertragungspfad ge¬ mäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zugeordnet, wobei Daten basierend auf dieser Zuordnung zwischen dem Quellknoten und dem Zielknoten auf einem Funkkanal übertragen werden. Dieses Verfahren kann mit an sich bekannten Datenübertragungsverfahren kombiniert werden, wie z.B. mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Standard WirelessHART oder IEEE 805.15.4 oder ISA 100. H.a. Dabei muss lediglich die Zuordnung der Zeitschlitze zu Netzknoten z.B. in einer Netzverwaltungseinheit realisiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Netzverwaltungseinheit für ein drahtloses vermaschtes Netz aus einer Vielzahl von draht¬ los miteinander kommunizierenden Netzknoten, wobei die Netzverwaltungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie Zeit- schlitze zu einem Übertragungspfad basierend auf dem oben be¬ schriebenen erfindungsgemäßen Zuordnungsverfahren zuordnet. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein drahtloses ver¬ maschtes Netz aus einer Vielzahl von drahtlos miteinander kommunizierenden Netzknoten mit einer solchen Netzverwaltungseinheit. Die Netzknoten und die Netzverwaltungseinheit sind dabei derart ausgestaltet, dass sie Daten basierend auf dem oben beschriebenen Übertragungsverfahren übertragen kön- nen .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Übertragungs¬ pfads, dessen Links Zeitschlitze basierend auf ei¬ ner Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zuge- ordnet werden;
Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche die erfin¬ dungsgemäße Zuordnung von Zeitschlitzen zu dem Übertragungspfad der Fig. 1 mit anderen Varianten einer Zuordnung von Zeitschlitzen vergleicht.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein Multi-Hop-Mesh-Netz beschrieben, in dem Datenpakete zeitschlitz-basiert mit einem geeigneten Stan- dard, wie z.B. WirelessHART, übermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft dabei eine neuartige Zuordnung von Zeitschlitzen zu entsprechenden drahtlosen Links eines vorgegebenen Übertragungspfads zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten, wobei neben einer möglichst zuverlässigen Datenübertragung auch eine möglichst energieeffiziente Nut¬ zung der Netzknoten gewährleistet wird. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz in Sensornetzen, in denen zumindest ein Teil der Netzknoten Sensoren sind, welche in der Regel über eine autarke Energieversorgung (z.B. Batterien) verfügen.
Ziel der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform ist es nunmehr, eine vorgegebene Mindestverlässlichkeit der Daten- Übertragung entlang eines Übertragungspfads bei gleichzeitig möglichst geringem Gesamtenergieverbrauch der Netzknoten zu gewährleisten. Der Energieverbrauch der einzelnen Netzknoten ist dabei umso geringer, je weniger häufig Zeitschlitze zu einer Datenübertragung genutzt werden müssen. Dies liegt daran, dass mit der Nutzung eines Zeitschlitzes immer ein Energieverbrauch zumindest durch das Hören der Netzknoten in den Funkkanal verbunden ist. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ba¬ sierend auf dem in Fig. 1 gezeigten Übertragungspfad P von dem Quellknoten 1 hin zum Zielknoten 4 über die Knoten 2 und 3 erläutert. Der Übertragungspfad umfasst dabei einen draht¬ losen Link LI zwischen den Knoten 1 und 2, einen drahtlosen Link L2 zwischen den Knoten 2 und 3 und einen drahtlosen Link L3 zwischen den Knoten 3 und 4. Der Link LI weist für einen einzelnen Zeitschlitz eine Paketfehlerwahrscheinlichkeit bei der Datenübertragung von 0,1 auf. Entsprechend weist der Link L2 eine Fehlerwahrscheinlichkeit von ebenfalls 0,1 und der Link L3 eine Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,4 auf. Der Über¬ tragungspfad ist dabei Teil einer gerichteten Graphstruktur, welche ein drahtloses vermaschtes Multi-Hop-Netz repräsen¬ tiert . Den einzelnen Links LI bis L3 sind vorgegebene Datenübertra- gungs-Verlässlichkeiten zugeordnet, welche vorab bekannt sind und die Verlässlichkeit der Datenübertragung bei der einmali¬ gen Verwendung eines Zeitschlitzes beschreiben. Die Verläss- lichkeiten ergeben sich dabei aus den oben definierten Feh- lerwahrscheinlichkeiten . Im Rahmen der Erfindung wird
schrittweise eine Zuordnungssequenz von Zeitschlitzen zu den Links des Übertragungspfads bestimmt. Diese Zuordnungssequenz kann dann für eine Ende-zu-Ende-Datenübertragung entlang des Übertragungspfads genutzt werden. Dabei ist eine vorgegebene Mindestgesamtverlässlichkeit für die Ende-zu-Ende-Datenüber¬ tragung gemäß der Zuordnungssequenz einzuhalten. Im Folgenden werden allgemein die aufeinander folgenden Links eines Übertragungspfads aus h Hops mit (Ii, 12, lh) bezeichnet. Fer- ner ist die oben erwähnte Mindestverlässlichkeit für eine Zeitschlitz-Zuordnung entlang des Übertragungspfads gegeben durch pmin . Das Prinzip der erfindungsgemäßen Zeitschlitz-Zuordnung beruht darauf, dass den einzelnen Links des Übertragungspfads Zeitschlitze auf energieeffiziente Weise zugewiesen werden, wobei gleichzeitig die oben beschriebene Verlässlichkeit pmin eingehalten wird. Dies wird durch folgende Strategie er- reicht:
a) Zunächst wird jedem Link des Übertragungspfads aufeinan¬ der folgend einmal ein Zeitschlitz zugewiesen, wobei anschließend die Verlässlichkeit für diese Zuordnungsse¬ quenz ermittelt wird. Die Berechnung dieser Verlässlich- keit wird weiter unten näher beschrieben.
b) Falls die ermittelte Verlässlichkeit geringer als die Mindestverlässlichkeit pmin ist, wird nach dem Link Ii gesucht, der die geringste Verlässlichkeit aufweist. c) Anschließend wird diesem Link Ii ein zusätzlicher Zeit- schlitz unmittelbar nach dem bereits zugeordneten Zeitschlitz zugewiesen. Hierdurch ergibt sich für den Link Ii eine neue Verlässlichkeit, welche höher ist, da nun¬ mehr zwei Zeitschlitze zur Datenübertragung verwendet werden. Die Berechnung dieser neuen Verlässlichkeit wird weiter unten näher beschrieben.
d) Schließlich wird unter Berücksichtigung der neuen Über- tragungsverlässlichkeit des Links Ii die Gesamtverläss- lichkeit der Datenübertragung entlang des Übertragungspfads ermittelt. Ist diese immer noch geringer als die Mindestverlässlichkeit, wird zum obigen Schritt b) zu¬ rückgegangen, d.h. es wird wieder nach dem Link mit der geringsten Verlässlichkeit gesucht, wobei dieser Link nunmehr ein anderer Link als der zuvor ermittelte Link sein kann. Anschließend wird gemäß Schritt c) diesem Link ein weiterer Zeitschlitz zugeordnet. Schließlich wird wiederum überprüft, ob die Gesamtverlässlichkeit nunmehr geringer als die Mindestverlässlichkeit ist. Die obige Strategie wird solange fortgesetzt, bis die Über- tragungsverlässlichkeit entlang des Übertragungspfads größer bzw. genauso groß wie die Mindestverlässlichkeit pmin ist. Falls im obigen Verfahren bei der Suche nach Links mehrere Links mit geringster Übertragungsverlässlichkeit auftreten, wird demjenigen Link ein weiterer Zeitschlitz zugeordnet, der im Übertragungspfad am nächsten zum Zielknoten liegt. Hierdurch wird berücksichtigt, dass es aus energetischen Ge¬ sichtspunkten günstiger ist, Links am Ende des Übertragungs- pfads verlässlicher auszugestalten als am Anfang des Übertragungspfads, da bei einer Übertragung über einen Link am Ende des Übertragungspfads bereits eine größere Menge an Energie durch die vorhergehenden Netzknoten verbraucht wurde, als dies am Anfang des Übertragungspfads der Fall ist.
Nachfolgend wird eine konkrete Realisierung der obigen Stra¬ tegie basierend auf dem Übertragungspfad P der Fig. 1 mit den entsprechenden Paketfehlerraten erläutert. Dabei wird die vorgegebene Verlässlichkeit für eine Datenübertragung in ei- nem einzelnen Zeitschlitz repräsentiert durch die Differenz zwischen 100% Wahrscheinlichkeit und der entsprechenden Fehlerwahrscheinlichkeit. Das heißt, die vorgegebene Verläss¬ lichkeit für die Link LI und L2 beträgt 0,9 und für den Link L3 0,6. Werden in einer Zuordnungssequenz Links zur Daten- Übertragung mehrmals genutzt, ergibt sich hieraus die ent¬ sprechende Verlässlichkeit eines mehrmals genutzten Links durch die Differenz zwischen 100% Wahrscheinlichkeit und der Potenz der vorgegebenen Verlässlichkeit des Links entspre¬ chend der Anzahl der dem Link zugeordneten Zeitschlitzen. Die Gesamtverlässlichkeit entlang des Übertragungspfads kann durch das Produkt der Verlässlichkeiten der einzelnen Links berechnet werden.
Fig. 2 zeigt in den Diagrammen Dl bis D3 drei Zuordnungsse- quenzen von Zeitschlitzen SO, Sl, S7 zu Links des Übertra¬ gungspfads P der Fig. 1 für eine Übertragung in einem Kanal CO . Durch die Notation »l->2« wird dabei die Zuordnung eines entsprechenden Zeitschlitzes zum Link LI, durch die Notation »2^3« die Zuordnung eines entsprechenden Zeitschlitzes zum Link L2 und durch die Notation »3^4« die Zuordnung eines entsprechenden Zeitschlitzes zum Link L3 bezeichnet. Das Dia¬ gramm D3 zeigt eine Zeitschlitz-Zuordnungssequenz basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren. Demgegenüber zeigt das Diagramm Dl eine Zeitschlitz-Zuordnung basierend auf einer einmaligen Wiederholung jedes Zeitschlitzes, indem zwei Zeit¬ schlitze zunächst dem Link LI, anschließend zwei Zeitschlitze dem Link L2 und schließlich zwei Zeitschlitze dem Link L3 zu- geordnet werden. Im Unterschied hierzu betrifft das Diagramm D2 eine Zeitschlitz-Zuordnung, bei der die Datenübertragung entlang des gesamten Übertragungspfads einmal wiederholt wird, d.h. zunächst werden Zeitschlitze aufeinander folgend den Links LI, L2 und L3 zugewiesen und diese Zuweisung wird anschließend einmal wiederholt. Abhängig von der Zuwei- sungsstragie ergeben sich für Dl bis D3 unterschiedliche Ge- samtverlässlichkeiten und Energieverbräuche.
Im Folgenden wird Dl mit D3 verglichen. Für die Zuordnung ge- mäß dem Diagramm Dl berechnet sich die Gesamtverlässlichkeit wie folgt:
(1-0, l2 ) · (1-0, l2 ) · (1-0, 42 ) = 0,823. Diese Gesamtverlässlichkeit wurde als Mindestverlässlichkeit für das erfindungsgemäße Verfahren festgelegt. Basierend auf dieser Mindestverlässlichkeit wurde dann mit den oben be¬ schriebenen Verfahrensschritten die Zeitschlitz-Zuordnung gemäß dem Diagramm D3 berechnet. Zur Ermittlung dieser Zeit- schlitz-Zuordnung wurde zunächst jedem der Links LI bis L3 ein Zeitschlitz zugeordnet. Für diese Zuordnung ergibt sich ein Verlässlichkeitswert von (1-0, 1) · (1-0, 1) · (1-0, 4) = 0, 486. Dieser Wert ist geringer als pmin = 0, 823. Deshalb wird dem Link L3, der die geringste Verlässlichkeit von 0,6 aufweist, ein weiterer Zeitschlitz zugeordnet. Hieraus ergibt sich die neue Verlässlichkeit von ( 1-0 , 1 ) · ( 1-0 , 1 ) · ( 1-0 , 4 · 0 , 4 ) = 0,68. Der Link mit der geringsten Verlässlichkeit ist trotz der zweimaligen Zuordnung von Zeitschlitzen weiterhin der Link L3 mit einer Verlässlichkeit von 0,84. Deshalb wird diesem Link ein weiterer Zeitschlitz zugeordnet. Hieraus ergibt sich eine neue Gesamtverlässlichkeit von (1-0,1) · (1-0,1) · (1-0, 43) = 0,758. Diese Gesamtverlässlichkeit ist immer noch geringer als Pmin · Nunmehr weisen jedoch die Links LI und L2 eine ge¬ ringere Verlässlichkeit als der Link L3 auf. Da der Link L2 näher am Zielknoten 4 ist, wird diesem Link nunmehr ein wei- terer Zeitschlitz zugewiesen. Hieraus ergibt sich eine Gesamtverlässlichkeit von (1-0,1) · (1-0, l2) · (1-0, 43 ) = 0, 834. Diese Gesamtverlässlichkeit ist nunmehr größer als pmin, so dass die Zeitschlitz-Zuordnung abgeschlossen ist. Diese Zeitschlitz-Zuordnung ist auch in dem Diagramm D3 gezeigt.
Im Rahmen von Simulationen haben die Erfinder die Zeitschlitz-Zuordnung gemäß dem Diagramm D3 mit den Zeitschlitz- Zuordnungen gemäß den Diagrammen Dl und D2 verglichen. Dabei wurden die Zuordnungen mehrmals aufeinander folgend wieder- holt. Es konnte dabei nachgewiesen werden, dass der Gesamt¬ energieverbrauch bei gleicher Gesamtverlässlichkeit der Netzknoten für eine Datenübertragung gemäß der erfindungsgemäßen Zeitschlitz-Zuordnung nach Diagramm D3 geringer ist als für eine Datenübertragung gemäß den Zuordnungen der Diagramme Dl und D2.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine zeitschlitz-basierte Datenübertragung erreicht werden, bei der zum einen eine Mindest- qualität der Datenübertragung gewährleistet wird und zum an¬ deren der Energieverbrauch der an der Datenübertragung beteiligten Netzknoten möglichst gering ist. Das Verfahren eignet sich somit insbesondere für Netze, bei denen ein geringer Energieverbrauch der einzelnen Netzknoten von hoher Bedeutung ist. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist deshalb der Einsatz des Verfahrens in Sensornetzen, deren Netzknoten zum Teil Sensoren mit autarker Energieversorgung, wie z.B. batteriebetriebene Sensoren, umfassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Zuordnung von Zeitschlitzen zu einem Übertragungspfad (P) in einem drahtlosen vermaschten Netz aus ei- ner Vielzahl von Netzknoten (1, 2, 3, 4), wobei sich der
Übertragungspfad (P) zwischen einem Quellknoten (1) und einem Zielknoten (4) in dem Netz erstreckt und eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Links (LI, L2, L3) zwischen benachbarten Netzknoten umfasst, wobei Daten in dem Netz zeitschlitz- basiert mittels der Zuordnung von zur Datenübertragung zu nutzenden Zeitschlitzen (SO, Sl, S7) zu den Links (LI, L2) des Übertragungspfads (P) zu übertragen sind, bei dem:
für einen jeweiligen Link (LI, L2, L3) innerhalb einer Zuordnungssequenz von Zeitschlitzen (SO, Sl, S7), welche eine Ende-zu-Ende-Datenübertragung vom Quellknoten (1) zum Zielknoten (4) entlang des Übertragungspfads (P) beschreibt, ein Qualitätsmaß ermittelbar ist, welches sich aus der Anzahl der dem jeweiligen Link (LI, L2, L3) zugeordneten Zeitschlitzen (SO, Sl, S7) innerhalb der Zuordnungssequenz und einem vorgegeben Qualitätsmaß ergibt, wobei das vorgegebene Quali¬ tätsmaß die Verlässlichkeit der Datenübertragung auf dem je¬ weiligen Link für einen einzelnen zugeordneten Zeitschlitz (SO, Sl, S7) beschreibt und wobei für die Zuordnungsse¬ quenz ein Gesamtqualitätsmaß in Abhängigkeit von den Quali- tätsmaßen der jeweiligen Links (LI, L2, L3) ermittelbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuordnungssequenz wie folgt ermittelt wird:
den Links (LI, L2, L3) des Übertragungspfads wird zunächst aufeinander folgend jeweils ein Zeitschlitz (SO, Sl,
S7) zugeordnet und für die sich hieraus ergebende interme¬ diäre Zuordnungssequenz wird das Gesamtqualitätsmaß ermit¬ telt;
solange das Gesamtqualitätsmaß geringer als ein vorgegebe¬ nes Mindestqualitätsmaß ist, wird der folgende Schritt i) durchgeführt und ansonsten wird die intermediäre Zuord¬ nungssequenz als die ermittelte Zuordnungssequenz festgelegt : i) dem Link (LI, L2, L3) , der innerhalb der intermediären Zuordnungssequenz das geringste Qualitätsmaß aufweist, wird ein weiterer Zeitschlitz (SO, Sl, S7) unmittel¬ bar nach dem oder den Zeitschlitzen (SO, Sl, S7) zu- geordnet, die dem Link (LI, L2, L3) bereits zugeordnet sind, und anschließend wird für die sich hieraus erge¬ bende neue intermediäre Zuordnungssequenz das Gesamt¬ qualitätsmaß ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass in Schritt i) mehrere Links (LI, L2, L3) das ge¬ ringste Qualitätsmaß aufweisen, demjenigen Link (LI, L2, L3) ein weiterer Zeitschlitz (SO, Sl, S7) zugeordnet wird, der gemäß dem Übertragungspfad (P) am nächsten zu dem Zielknoten (4) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das vorgegebene Qualitätsmaß für einen jeweiligen Link (LI, L2, L3) durch ein Wahrscheinlichkeitsmaß repräsentiert wird, welches sich aus der Differenz zwischen 100% Wahrscheinlichkeit und einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit einer erfolglosen Datenübertra¬ gung auf dem jeweiligen Link (LI, L2, L3) in einem einzelnen Zeitschlitz (SO, Sl, S7) ergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Qualitätsmaß für einen jeweiligen Link (LI, L2, L3) innerhalb einer Zuordnungssequenz derart bestimmt wird, dass die Differenz zwi¬ schen 100% Wahrscheinlichkeit und einem Wahrscheinlichkeits- term ermittelt wird, welcher die vorgegebene Wahrscheinlich- keit einer erfolglosen Datenübertragung auf dem jeweiligen
Link (LI, L2, L3) potenziert mit der Anzahl der dem jeweiligen Link (LI, L2, L3) innerhalb der Zuordnungssequenz zugeordneten Zeitschlitze (SO, Sl, S7) entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gesamtqualitätsmaß für eine Zuordnungssequenz als Produkt der für die jeweiligen Links (LI, L2, L3) ermittelten Qualitätsmaße bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren in einem vermaschten Netz in der Form eines drahtlosen Sensornetzes ausgeführt wird, in dem die Netzkno- ten (1, 2, 3, 4) zumindest teilweise Sensoren und insbesonde¬ re Sensoren mit autarker Energieversorgung darstellen.
7. Verfahren zur zeitschlitz-basierten Datenübertragung in einem drahtlosen vermaschten Netz mit einer Vielzahl von Netzknoten (1, 2, 3, 4), wobei Zeitschlitze (SO, Sl, S7) zu einem Übertragungspfad (P) gemäß einem Verfahren nach ei¬ nem der vorhergehenden Ansprüche zugeordnet werden und Daten basierend auf dieser Zuordnung zwischen dem Quellknoten (1) und dem Zielknoten (4) auf einem Kanal übertragen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Verfahren auf einer Datenübertragung gemäß dem Standard WirelessHART oder IEEE 802.15.4e oder ISA 100.11a basiert.
9. Netzverwaltungseinheit für ein drahtloses vermaschtes Netz aus einer Vielzahl von drahtlos miteinander kommunizierenden Netzknoten (1, 2, 3, 4), wobei die Netzverwaltungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie Zeitschlitze (SO, Sl, S7) zu einem Übertragungspfad (P) basierend auf einem Verfah- ren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zuordnen kann.
10. Drahtloses vermaschtes Netz aus einer Vielzahl von draht¬ los miteinander kommunizierenden Netzknoten (1, 2, 3, 4) mit einer Netzverwaltungseinheit nach Anspruch 9, wobei die Netz- knoten (1, 2, 3, 4) und die Netzverwaltungseinheit derart ausgestaltet sind, dass sie Daten basierend auf dem Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 übertragen können.
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