KOLLISIONEN VERMEIDEN: HINZUFÜGEN VON DETERMINISMUS ZU EINEM NETZWERK

Authoren
Xavier Bush
Jesper Lindström
Prof. James Gross
Dr. Mathias Bohge

In unserem vorherigen Beitrag beschäftigten wir uns mit drahtlosen Ausbreitungseffekten wie Abschattung und Ausbleichen, der Herausforderung, die sie für industrielle drahtlose Netzwerke darstellen, und wie EchoRing eine effektive Lösung bietet. Es bleibt jedoch noch eine weitere Herausforderung, die sich aus der Tatsache ergibt, dass zahlreiche Geräte in einem einzigen drahtlosen Netzwerk vorhanden sind: Kollisionen. In diesem Beitrag erläutern wir, was Kollisionen sind, wie sie sich auf die drahtlose Kommunikation auswirken und stellen schließlich eine wirksame Gegenmaßnahme vor, die die drahtlose Echtzeitleistung bewahrt.

Ein Arbeiter (Sender), ein Montageroboter (Empfänger) und ein vorbeifahrender autonomer Gabelstapler (Collider)

Kollisionen - Die Wirkung von Simultanübertragungen

Die einfachste Analogie, um Kollisionen zu verstehen, ist, sich eine Unterbrechung während eines Gesprächs vorzustellen. Wenn mehr als eine Person gleichzeitig spricht, hat der Zuhörer oft Schwierigkeiten, das Gesagte zu verstehen. In der drahtlosen Kommunikation gilt dasselbe Prinzip; immer dann, wenn zwei Knoten in einem Netzwerk gleichzeitig senden, kommt es häufig zu Kollisionen (d.h. zu Signalen auf derselben Frequenz, die sich gegenseitig unterbrechen). In diesen Fällen erfährt die Empfangsantenne ein völlig anderes Signal als beabsichtigt - ein Mashup der zwei oder mehr gesendeten Signale.

Der empfangende Knoten erfährt ein gemischtes Signal vom sendenden Knoten und vom kollidierenden Knoten.

By this point another important term in wireless communications may have come to mind: interference. The effect a receiving node experiences during a collision is identical in function to interference, therefore collisions can be defined as type of self-interference. However, interference is distinct enough that it will be covered on its own in a later post. This is because a) unlike collisions, interference is caused by nodes in other networks, or even by non-wireless technologies on the same frequency band, and b) different techniques employed to counter interference.

Koordination: Hinzufügen von Determinismus zur Vermeidung von Kollisionen

Wie oben diskutiert, entstehen Kollisionen, wenn mehrere Knoten gleichzeitig Sendeanforderungen senden. Die Lösung ist daher eine koordinierte Übertragungssequenz, die ein detailliertes und umfassendes Netzmanagementsystem erfordert. Die Zeitgeber der einzelnen Knoten müssen in regelmäßigen Abständen synchronisiert werden. Darüber hinaus muss jedem Knoten ein exklusiver Übertragungszeitschlitz zugewiesen werden. Das heißt, wenn sich der Zeitschlitz eines Knotens nähert, während er nichts zu übertragen hat, ist es für die Sequenz recht schwierig, diesen Zeitschlitz einem Knoten neu zuzuweisen. Er erledigt dies so, dass in den meisten Fällen die Übertragungsmöglichkeit verloren geht. Die Standardalternative zu Zeitschlitzen besteht darin, den Knoten zu erlauben, Daten zu senden, wann immer sie einen Rückstand haben, wodurch das Netzwerkdesign von diesen Stolpersteinen befreit wird. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass es häufig zu Kollisionen kommt.

Übertragungssequenzen können einem Netzwerk durch eine Reihe von Techniken hinzugefügt werden:

1. TDMA (Time Division Multiple Access): synchronisierte Zeitgeber und Sendepläne werden in regelmäßigen Abständen an alle Knoten in einem Netz gesendet. 
2. 2. Polling: eine Master-Station sendet einen "Polling"-Befehl in Folge an jeden Knoten im Netzwerk. Der Abfragebefehl enthält sowohl ein Datenpaket als auch die Erlaubnis für den empfangenden Knoten, mit allen in seinem Besitz befindlichen Daten zu antworten. 

Der Nachteil dieser beiden Methoden besteht darin, dass sie einen bestimmten Befehlsknoten zur Verwaltung des Netzwerks erfordern, so dass das gesamte System beeinträchtigt wird, wenn dieser einzelne Fehlerpunkt ausfällt. Glücklicherweise gibt es ein drittes Übertragungssequenzverfahren, das keinen einzigen Fehlerpunkt erfordert - das Token-Passing. Es ist auch genau die Technik, die von EchoRing eingesetzt wird.

EchoRing: Netzwerk-Determinismus durch Token-Passing

Beim Token-Passing wird ein spezielles Steuerpaket (das Token) in einer Sequenz von Knoten zu Knoten weitergereicht. Ein Knoten darf eine Datennutzlast nur so lange übertragen, wie er das Token hält. Alle anderen Knoten "warten währenddessen", bis sie an der Reihe sind. Dadurch werden Kollisionen vermieden.

Zur näheren Erläuterung: Die Token-Passing-Methode verfügt in jedem Knoten über einen Zeitgeber, der immer dann aktiviert wird, wenn das Token empfangen wird. Der Knoten muss dann das Token weitergeben, sobald seine eingestellte Haltezeit erreicht ist, sodass eine maximale eingestellte Latenzzeit im Prozess gewährleistet ist. Diese Methode ist zwar auch in geplanten oder abgefragten Systemen leicht zu erreichen, aber das Token-Passing verfügt auch über ein eingebautes Wiederherstellungssystem, das sich an den sich schnell ändernden Netzwerkstatus und die Topologie anpasst. Immer wenn eine Knotenverbindung ausfällt, wird das gesamte Netzwerk alarmiert und die Übertragungssequenz wird automatisch über einen alternativen Knoten zum Empfänger umgeleitet (insbesondere über das Buddy-System, das in unserem vorherigen Beitrag behandelt wurde). Das Netzwerk ist daher in der Lage, größere Ausfälle zu vermeiden und sich schnell genug zu erholen, um einen Echtzeitbetrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz, dass sich bewegende Knoten frei zwischen den Netzwerken roamen können, oft als Reaktion auf Konnektivitätsprobleme. Die Anpassungen, die für dieses Netzwerk-Roaming erforderlich sind (d.h. ein Netzwerk hat mehr Knoten, während das andere weniger hat), folgen dem gleichen Umleitungsprozess wie oben beschrieben.

Die Token-Passing-Technik von EchoRing

Durch den deterministischen Ansatz von Token-Passing erreicht EchoRing zwei Voraussetzungen für die drahtlose Echtzeit-Konnektivität: die Vermeidung von Kollisionen und die Gewährleistung einer festgelegten Latenz. Im Hinblick auf letzteres ermöglicht EchoRing Latenzen von nur 2 ms, eine Leistung, die weit innerhalb der Schwelle für drahtlose Industrieautomation liegt.