Industrielle Funkkommunikation
Hochzuverlässig für Smart Factories
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Das EchoRing-Funksystem
EchoRing (Bild 3) basiert auf einem logischen Token-Ring-Verfahren. Der Token wird hier jedoch nicht nur als Sendeerlaubnis, sondern als Messdatenpaket zum Austauschen von Kanalzustandsinformationen genutzt.
Da der Token jeden Knoten des Netzwerks durchläuft, können alle Knoten in regelmäßigen, zeitlich kurzen Abständen den Funkkanal zum jeweiligen Sender des Token ermitteln. Zudem werden im Token die Kanalzustände aller möglichen Übertragungsstrecken des Netzwerkes transportiert. Jeder Knoten liest dazu die im Token enthaltenen Kanaldaten aus und schreibt seine aktuell gemessenen Daten vor dem Weiterversenden des Token hinein. Somit kennt jeder Knoten die für ihn am besten situierten Netzwerkknoten und kann unter ihnen einen Partner für anstehende Nutzdatenübertragungen wählen. Sollte der Token z.B. aufgrund von Kanalstörungen verlorengehen, sorgt eine optimierte ARQ State Machine für einen schnellen Ersatz – durch Einführung eines speziellen Recovery State (Bild 4). Dieser Mechanismus stabilisiert die Topologie des Netzwerkes, insbesondere im Vergleich zu leitungsgebundenen Token-basierten Verfahren wie z.B. Profibus, bei denen Stationen im Falle von fehlgeschlagenen Übertragungen direkt aus dem Netzwerk ausgeschlossen werden.
Partnerknoten nutzen durch Echo-Prinzip räumliche Diversität aus
Bei einer anstehenden Nutzdatenübertragung wird im Absender zusätzlich zum Empfänger der Kooperationsknoten vermerkt. Der Kooperationsknoten empfängt das per Funk gesendete Datenpaket ebenso wie der Empfänger und schickt es als „Echo“ erneut per Funk ab, falls eine Empfangsbestätigung seitens des Empfängerknotens ausbleibt. Der ursprüngliche Absender sendet das Datenpaket dagegen nicht erneut. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen, Latenz erzeugenden Protokollschritte für die Ausnutzung der räumlichen Selektivität notwendig und die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Echos ist bei der Wahl eines geeigneten Kooperationsknotens sehr hoch. Eine umfängliche Kanalkenntnis aller Knoten des Netzwerkes ist hierbei von entscheidender Bedeutung.
Schnittstellen zwischen OSI-Schichten erweitern Funktionsumfang
Zudem können durch die kontinuierliche Beobachtung aller Übertragungsstrecken im Netzwerk Kanalqualitätseinbrüche schnell erkannt und sogar prädiktiv vorausbestimmt werden. Das ist insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen von Bedeutung, da hierdurch rechtzeitig Maßnahmen, wie z.B. eine Totmannschaltung, vor einem möglichen kompletten Systemzusammenbruch über Schnittstellen zu höheren OSI-Schichten eingeleitet werden können.
Darüber hinaus können zwischen den Knoten über den Token auch Informationen zu den Zuständen benachbarter Frequenzbänder ausgetauscht werden. Hierdurch kann ein Umzug auf ein anderes Frequenzband vorbereitet werden, falls hohe Interferenzwerte auf dem genutzten Band einen solchen Umzug erzwingen. Dadurch, dass unterschiedliche Knoten des Netzwerkes regelmäßig verschiedene Frequenzbänder beobachten und anschließend die Informationen über den Token zusammenführen, ist ein solcher Umzug und somit die Koexistenz mit benachbarten Funksystemen mit sehr geringen Verzögerungen realisierbar: Da jeder Knoten über dieselbe Kenntnis über das Netzwerk verfügt, liefern lokale Algorithmen die gleichen Ergebnisse, die über definierte Schnittstellen an die PHY-Schicht übermittelt werden können (Bild 2). EchoRing ist als Datensicherungsschicht grundsätzlich unabhängig von der Bitübertragungsschicht. Das derzeitige EchoRing-Testsystem von R3Coms basiert auf einer Schicht 1 entsprechend IEEE 802.11g mit 20 MHz Bandbreite, auf dem EchoRing anstatt CSMA als Schicht 2 aufgesetzt wird. In den folgenden Betrachtungen wird darum EchoRing einerseits mit zwei Token-Ring-Alternativen, andererseits mit zwei CSMA-Varianten verglichen. Die in den Bildern 5 und 6 verwendeten Bezeichnungen unterscheiden
- BasicRing – einfacher, unmodifizierter logischer Token-Ring-Ansatz
- RecoverRing – BasicRing mit modifizierter ARQ State Machine (Bild 4)
- CSMA – Standard-Schicht 2 nach IEEE 802.11g mit Collision Avoidance (CSMA/CA)
- ShortCSMA – zugunsten der Latenz modifiziertes CSMA/CA mit kleinerem Zufallszahlenbereich und einer begrenzten Anzahl von ARQ-Wiederholungen.
- Hochzuverlässig für Smart Factories
- Echtzeitfähige Datensicherungsschichten
- Das EchoRing-Funksystem
- Das Echo-Prinzip trägt schon bei kleinen Netzwerken
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