Tech – KOLLISIONEN VERMEIDEN

MEINEM NETZWERK DETERMINISMUS HINZUFÜGEN

13.12.2018

Authoren
Xavier Bush

Jesper Lindström
Dr. Mathias Bohge
Prof. James Gross

Im vorigen Blogbeitrag haben wir uns mit den Auswirkungen der drahtlosen Ausbreitung befasst, wie sie eine zuverlässige Kommunikation in Frage stellen und wie EchoRing™ mit ihnen umgeht. Wir erfuhren, dass die elektromagnetischen Wellen abgeschwächt werden und unter Abschattung und Fading leiden, was zu großen Schwierigkeiten am Empfangsknoten führt. In gewisser Weise könnten wir sagen, dass diese Effekte von der Natur verursacht werden, und ihre Erklärung liegt in der Physik. Die Tatsache, dass sich mehrere elektronische Geräte im selben drahtlosen Netzwerk befinden, stellt jedoch eine zusätzliche Herausforderung dar: die Kollisionsverwaltung. In diesem Blogbeitrag erläutern wir, wie sich Kollisionen auf die drahtlose Kommunikation auswirken und wie sie am effektivsten überwunden werden können, während gleichzeitig die erforderliche Leistung für zeitkritische Automatisierungsanwendungen bereitgestellt wird.

Der Mensch (Sender), der Roboter (Empfänger) und der Gabelstapler (kollidierende Station)

KOLLISIONEN, DIE AUSWIRKUNGEN VON GLEICHZEITIG SENDENDEN STATIONEN

Der einfachste Weg, Kollisionen zu verstehen, ist eine Analogie zu den Unterbrechungen während eines Gesprächs zu ziehen: Wenn mehrere Personen gleichzeitig sprechen, hat der Zuhörer Schwierigkeiten, das Gesagte zu verstehen. In der drahtlosen Kommunikation gilt dasselbe Prinzip: Immer dann, wenn zwei Knoten im Netz gleichzeitig senden, kann es zu einer Kollision kommen. Damit es zu einer Kollision kommen kann, müssen die beiden Knoten natürlich auch im gleichen Frequenzband senden, was immer der Fall ist, da sich die beiden Knoten im gleichen Netz befinden. In einem solchen Fall erfährt auch die Empfangsantenne ein völlig anderes Signal, nämlich eine Kombination der beiden zu sendenden Signale.

Der RX-Knoten empfängt ein kombiniertes Signal vom Tx-Knoten und dem kollidierenden Knoten

An diesem Punkt hätte der Leser vielleicht an ein anderes entscheidendes Wort in der drahtlosen Kommunikation gedacht: Interferenz. Tatsächlich ist der Effekt, den die Empfangsantenne bei einer Kollision erfährt, derselbe wie bei einer Interferenz. Aus diesem Grund könnten Kollisionen als Selbstinterferenz interpretiert werden. Wir erklären beide Phänomene jedoch aus zwei Gründen in verschiedenen Blogbeiträgen. Erstens, weil Kollisionen von Knoten innerhalb desselben Netzes und Interferenzen von Knoten in anderen Netzen (oder sogar von anderen Technologien, die dasselbe Frequenzband verwenden) verursacht werden. Zweitens, weil auch die Techniken zur Bewältigung dieser Herausforderungen unterschiedlich sind.

AUSWIRKUNGEN VON KOLLISIONEN

Aus dem vorhergehenden Blogbeitrag wissen wir, dass ein Signal, das 100 Mal stärker als das Rauschen ist, für einen zuverlässigen Empfang ausreicht. Im weiteren Sinne können wir uns Kollisionen als eine zweite Rauschquelle vorstellen. Die zentrale Frage ist, wie viel zusätzliche Leistung diese Kollision mit sich bringt. Die Auswirkung von Kollisionen hängt also entscheidend von der Position der kollidierenden Quelle relativ zur Empfängerposition ab. Wenn die Quelle nicht zu weit vom Empfänger entfernt ist, wird ihr Signal wahrscheinlich viel stärker empfangen als der Grundrauschpegel. Dies führt unmittelbar zu einer neuen Situation in Bezug auf die Leistungslücke zwischen dem ankommenden Nutzsignal und der Leistung des „neuen Rauschens“. Die Folge ist eine plötzliche, viel schlechtere Empfangssituation, die zu einem Paketverlust führt. Je nach Dauer der Störung könnte ein typischer kollidierender Wi-Fi-Knoten tatsächlich nur versuchen, ein sehr kurzes Paket zu übertragen, so dass sich die unglückliche Übertragungssituation nach einer Millisekunde oder sogar noch schneller ändert. Dennoch ist klar, dass Kollisionen im Allgemeinen auch zufällige Effekte sind, insbesondere in nicht koordinierten Systemen wie Wi-Fi-Netzen (mehr dazu weiter unten). Wir können uns daher nicht auf Vorhersagen verlassen, um diese Störungen zu überwinden, wie dies auch bei Fading und Abschattung der Fall ist.

STANDARDLÖSUNGEN ZUR ÜBERWINDUNG VON KOLLISIONEN UND WARUM SIE IN EINER INDUSTRIELLEN UMGEBUNG NICHT FUNKTIONIEREN

Um Kollisionen zu vermeiden, muss jedes drahtlose Netzwerk Regeln dafür aufstellen, wie sich die Knoten des Netzwerks den drahtlosen Kanal teilen. Natürlich besteht eine einfache Lösung darin, eine Übertragungssequenz zu definieren, aber die Festlegung und Aufrechterhaltung einer solchen Sequenz ist nicht immer praktikabel oder einfach. Das hat zu alternativen Übertragungsregeln geführt, bei denen die Knoten einfach zuerst zuhören, wenn der drahtlose Kanal derzeit nicht benutzt wird, und wenn dies der Fall ist, direkt senden. Diese Übertragungstechnik ist als Listen-Before-Talk bekannt, z.B. Carrier Sense Multiple Access (CSMA), das von Wi-Fi verwendet wird. Der klare Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sie wenig Koordination erfordert, was sie sehr flexibel macht. Der Haken an der Sache ist natürlich, dass zwei Knoten gleichzeitig (oder leicht zueinander verschoben) zuhören, erkennen, dass der drahtlose Kanal frei ist, und somit gleichzeitig senden können. Auch wenn jeder Knoten die Übertragungsregel perfekt befolgt hat, ist das Ergebnis eine Kollision. Die offensichtliche Folge von Kollisionen während der Übertragungen sind verlorene Pakete, und wenn zu viele Pakete verloren gehen, verwandelt sich das System in ein unzuverlässiges Netz. Darüber hinaus muss immer dann, wenn ein Paket verloren geht, eine andere Technik zum Einsatz kommen, um mit diesem Verlust fertig zu werden – im vorhergehenden Blogbeitrag haben wir gelernt, dass ARQ-Systeme die Nachricht erneut übertragen, was die Wartezeit bei der Übertragung verlängert. In einem solchen Fall ist das System auch nicht echtzeitfähig.

KOORDINATION: HINZUFÜGEN VON DETERMINISMUS ZUR BEWÄLTIGUNG VON KOLLISIONEN

Wie oben diskutiert, handelt es sich bei Kollisionen im Wesentlichen um Übertragungsversuche mehrerer Knoten, die zur gleichen Zeit stattfinden. Es ist also klar, dass durch eine geeignete Übertragungssequenz diese Quelle der Unzuverlässigkeit vermieden werden kann. Die Koordination der Übertragungssequenz von Knoten erfordert jedoch ein engagierteres Verwaltungsschema des Systems. So müssen beispielsweise die Uhren jedes Knotens regelmäßig synchronisiert und auf der Grundlage der Annahme synchronisierter Uhren Zeitschlitze definiert werden, die ausschließlich für jeden Knoten reserviert sind. Wenn der Zeitschlitz eines Knotens sich nähert, aber zufällig keine Daten zu übertragen sind, ist es recht schwierig, den entsprechenden Zeitschlitz neu zuzuweisen, so dass in den meisten Fällen diese Übertragungsmöglichkeit verloren geht. Wenn man andererseits den Knoten erlaubt, Daten zu senden, wann immer sie einen Rückstand haben, befreit man das Systemdesign lediglich von diesen Aspekten. Der Preis dafür sind jedoch, wie im vorigen Abschnitt erläutert, Kollisionen, die von Zeit zu Zeit auftreten.

Die Einführung von Übertragungssequenzen kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Ein erstes Schema wurde oben vorgestellt, das synchronisierte Uhren und Übertragungszeitpläne verwendet, die allen Knoten im System, d.h. TDMA-Systemen, angekündigt werden müssen. Eine zweite Möglichkeit ist durch Polling gegeben. Eine Master-Station im System sendet periodisch einen Abfragebefehl an jeden Knoten im System, wobei sie Nutzlast überträgt, aber auch dem empfangenden Knoten erlaubt, eventuelle Nutzlast zurückzusenden. Beide oben genannten Lösungen (Zeitpläne und Polling) erfordern in der Regel die Einführung eines bestimmten Knotens, der das System verwaltet. Daher bricht der Systembetrieb zusammen, wenn dieser Single Point of Failure ausfällt.

Eine dritte Möglichkeit zur Realisierung einer dedizierten Übertragungssequenz – die keinen Single Point of Failure einführt – ist durch Token-Passing gegeben, genau die Technik, die von EchoRing™ verwendet wird.

ECHORING™, DETERMINISMUS DURCH TOKEN-PASSING

Beim Token-Passing wird ein spezielles Kontrollpaket (das Token) von Knoten zu Knoten weitergegeben. Ein Knoten, der das Token empfängt, darf nun Nutzlast übertragen. Daher kann das Token als ein Übertragungsrecht angesehen werden, das von Knoten zu Knoten weitergegeben wird. Auf diese Weise hat nur eine Station das Übertragungsrecht, und es kommt zu keiner Kollision.

Um den Echtzeitbetrieb des Systems zu gewährleisten, führt man lediglich einen Timer pro Knoten ein, der jedesmal aktiviert wird, wenn das Token an diesem Knoten empfangen wird. Indem man den Knoten zwingt, das Token weiterzugeben, sobald eine maximale Token-Haltezeit erreicht ist, kann garantiert werden, dass jeder Knoten Daten innerhalb einer bestimmten Worst-Case-Latenzzeit übertragen kann (was natürlich auch in geplanten oder abgefragten Systemen leicht zu erreichen ist). Dennoch wird dies auf verteilte Weise realisiert, d.h. wenn einer der Knoten ausfällt, verfügt die Token-Weiterleitungssequenz über ein eigenes Wiederherstellungssystem, das es dem Netzwerk ermöglicht, sich an die neue Topologie/den neuen Status des Netzwerks anzupassen. Mit anderen Worten: Das System weiß, welche Station ausgefallen ist, und übernimmt die Sequenz von einem anderen Knoten. Das Netzwerk ist nicht nur in der Lage, einen größeren Ausfall zu vermeiden, sondern es erholt sich auch schnell genug, so dass der Echtzeitbetrieb aller anderen Stationen nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz das Roaming verschiedener Geräte von Netz zu Netz oder in der Sprache von R3 Communications von EchoRing™ zu EchoRing™. Beim Roaming wird eine Station in der Regel aus Gründen der Konnektivität mit einem neuen Netzwerk verbunden.

Beide Netzwerke müssen sich jedoch an die neue Situation anpassen (ein Netzwerk hat jetzt weniger Knoten, ein anderes hat mehr Knoten). Die rasche Durchführung dieser Anpassung basiert auf dem gleichen Mechanismus, der auch beim Ausfall eines Knotens zum Tragen kommt.

 

EchoRing™ Token-Passing-Technik

Mit diesem deterministischen Ansatz erreicht EchoRing™ zwei wesentliche Ziele: alle Kollisionen zu vermeiden und eine gewisse Latenzzeit zu garantieren. Gemäß letzterem sind Latenzen von bis zu 2 ms für EchoRing™ erreichbar, eine Leistung, die es der Industrieautomation ermöglicht, drahtlos zu arbeiten.

Im nächsten Blogeintrag, Blog Post III „Interferenz: Other Wireless Networks Affect Mine“ werden wir erklären, wie EchoRing™ mit anderen Netzwerken koexistiert, die im gleichen Frequenzband arbeiten.

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