Anordnung und Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten in Zweidraht-Kommunikations-Netzwerken

Die Erfindung betrifft ein Kommunikations-Netzwerk mit zwei oder mehr Netzwerk-Knoten, einen Netzwerk-Knoten in einem Kommunikations-Netzwerk mit mindestens zwei Netzwerk-Knoten und Zweidrahtverbindungen und ein Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten in einem Zweidraht- Kommunikations-Netzwerk mit zwei oder mehr Netzwerk-Knoten.

Kommunikations-Netzwerke mit Zweidrahtverbindungen (Twisted- Pair-Kabel) sind weit verbreitet und werden u.a. auch in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt, z.B. zur Verbindung von Aktoren und Sensoren in einem Gebäude. Beim standardisierten Bussystem KNX Twisted Pair (KNX TP) z.B. werden über eine

Busleitung die Busteilnehmer mit Daten und auch mit der erforderlichen Betriebsspannung versorgt. Kommunikations- Netzwerke mit Zweidrahtverbindungen werden z.B. auf Feldebene in Automations-, Steuer- und Regel-, Auslese-, Mess- oder Be- dien- und Informationssystemen eingesetzt.

In verschiedenen Anwendungsgebieten werden auf der Feldebene kostengünstige Kommunikations-Netzwerke (Feldbusse) mit komp ^¬ lexen Baumstrukturen und grosser Ausdehnung benötigt, an wel- chen viele Netzwerk-Knoten (z.B. Feldgeräte) angeschlossen werden können. Für die Verkabelung werden üblicherweise einfache kostengünstige Zweidrahtleitungen verwendet, welche an den Abzweigungen keine aktiven Komponenten erfordern. Der Frequenzgang solcher Zweidrahtleitungen zeigt eine deutliche Zunahme der Dämpfung in Abhängigkeit der Leitungslängen und der Frequenz. Durch die Dämpfung erfolgt eine Minderung des Signalpegels und damit der Übertragungsqualität im Kommunika ^¬ tions-Netzwerk. Deshalb können bekannte Feldbusse (z.B. KNX TP (Twisted-Pair) ) nur mit geringen Datenraten (typisch 10kBit/s bei einer Netzwerk-Ausdehnung im Bereich von 1000m) betrieben werden.

Ein manuelles Setzen von Abschluss-Impedanzen zur Reduzierung der Dämpfung und Reflexionen für die Netzwerk-Knoten erfordert einen hohen Planungs- bzw. Inbetriebnahmeaufwand und ist fehleranfällig .

Aus der japanischen Patentanmeldung JP2006074431A ist ein Verfahren zur Regulierung von Abschluss-Schaltungen, z.B. Impedanzen, in einem Netzwerk bekannt, welches aber eine aufwändige Transceiver Technologie zum Senden bzw. Empfangen benötigt . Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kostengünstige Anordnungen und Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten in Zweidraht-Kommunikations- Netzwerken bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kommunikations-Netzwerk mit zwei oder mehr Netzwerk-Knoten,

wobei ein Netzwerk-Knoten umfasst:

- eine Empfangsvorrichtung, geeignet zum Empfangen von Signalen unterschiedlicher Datenraten, wobei die Emp- fangsvorrichtung ausgebildet ist, die Signalqualität von emp ^¬ fangenen Signalen festzustellen;

- eine Sendevorrichtung, geeignet zum Senden von Signalen auf unterschiedlichen Datenraten;

- eine steuerbare Abschluss-Impedanz ;

wobei ein Netzwerk-Knoten dazu ausgebildet, ist die festgestellte Signalqualität einem oder mehreren Netzwerk- Knoten zu übermitteln;

wobei mindestens ein Netzwerk-Knoten im Kommunikations- Netzwerk dazu ausgebildet ist, die festgestellten Signalqua- litäten und die Werte der Abschluss-Impedanzen der jeweiligen Netzwerk-Knoten zu erfassen;

wobei mindestens ein Netzwerk-Knoten den weiteren im Kommunikations-Netzwerk befindlichen Netzwerk-Knoten vorgibt, welchen jeweiligen Wert als Abschluss-Impedanz diese einzustellen haben; und

wobei mindestens ein Netzwerk-Knoten Mittel umfasst, zur Bestimmung welche Abschluss-Impedanzen die Netzwerk-Knoten jeweils einstellen sollen, um die Datenrate zwischen den Netzwerk-Knoten und die Signalqualität an den Empfangsvorrichtungen der Netzwerk-Knoten zu optimieren. Derartige Kommunikations-Netzwerke bieten eine hohe Datenübertragungsrate und sind insbesondere für die neuen Internetprotokolle (z.B. IPv6) geeignet, ohne dass zusätzliche Repeater oder Verstär- ker eingesetzt werden müssen. Weiterhin erlaubt das Kommunikations-Netzwerk eine Durchgängigkeit z.B. von der Steuerungsebene (z.B. Bedienen und Beobachten) bis hinunter zur Feldebene (z.B. zur Sensorik) .

Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Bestimmung der Signalqualität durch die Auswertung der Mehrfachabtastung des (digitalen) Empfangssignals erfolgt. Weiterhin könnte die Signalqualität z.B. über den Störabstand bestimmt werden. Mit Vorteil ist die steuerbare Abschluss-Impedanz ausgestal ^¬ tet, um das Leitungsende mit einer geeigneten Impedanz abzu- schliessen oder auch offen zu lassen.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Netzwerk-Knoten in einem Kommunikations-Netzwerk mit mindestens zwei Netzwerk-Knoten und Zweidrahtverbindungen,

wobei der Netzwerk-Knoten umfasst:

- eine Empfangsvorrichtung, geeignet zum Empfangen von Signalen unterschiedlicher Datenraten, wobei die Empfangsvorrichtung ausgebildet ist, die Signalqualität von emp ^¬ fangenen Signalen festzustellen;

- eine Sendevorrichtung, geeignet zum Senden von Signa- len auf unterschiedlichen Datenraten;

- eine steuerbare Abschluss-Impedanz ;

- eine Messeinheit (Mikrochip) zum Feststellen der Signalqualität, welche an der Empfangsvorrichtung messbar ist;

- einen Speicher zum Erfassen der Werte der Abschluss- Impedanzen und der einem jeweiligen Wert zuordbaren Empfangsqualität für die Netzwerk-Knoten im Kommunikations-Netzwerk;

- eine Steuereinheit zur Vorgabe eines Einstellwertes für die Abschluss-Impedanzen der Netzwerk-Knoten;

- eine Auswerte- und Berechnungseinheit zur Vorgabe von jeweiligen Einstellwerten für die Abschluss-Impedanzen der

Netzwerk-Knoten zur Erzielung einer optimalen Datenrate im Kommunikations-Netzwerk, wobei die Auswertung und Berechnung basierend auf verschiedenen Datenraten erfolgt. In der Gebäudeautomatisierung repräsentieren die Netzwerk-Knoten z.B. Controller, Aktoren oder Sensoren. So fällt z.B. bei Firmware-Updates im Kommunikations-Netzwerk ein sehr hoher Datenverkehr an. Kommunikations-Netzwerke mit den erfindungsgemäs- sen Netzwerk-Knoten ermöglichen insbesondere einen hohen Datenverkehr im Netz, ohne Einbussen bei der Latenzzeit hinneh- men zu müssen. Vorzugsweise werden die Werte der Abschluss- Impedanzen aller Netzwerkknoten erfasst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Kommunikations-Netzwerk eine freie Topologie auf- weist. Es kann flexibel für das Kommunikations-Netzwerk eine beliebige Topologie gewählt werden (Bus, Baum, etc.) . Auch können mehrere Kommunikations-Netzwerke, die beliebige

Topologien aufweisen, über Router verbunden sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass im Kommunikations-Netzwerk die Datenübertragung mittels Basisband-Modulation erfolgt. Datenübertragung mittels Basisband-Modulation ist insbesondere bei digitalen Übertragungs- Systemen weit verbreitet, wobei im Signal die gesamte Breite des Übertragungskanals ausnutzbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass im Kommunikations-Netzwerk die Daten-Codierung mittels Manchester-Codierung erfolgt. Der Manchester-Code ist selbst ^¬ synchronisierend, unabhängig vom Gleichspannungspegel und auf Empfängerseite kann ein Taktsignal präzise regeneriert wer ^¬ den, d.h. aus dem Code selbst ist das Taktsignal ableitbar. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Abschluss-Impedanzen der Netzwerk-Knoten abhängig von der Topologie des Kommunikations-Netzwerks und/oder des Übertragungsverfahrens und/oder der Kabellänge und/oder der Wellenimpedanz gewählt werden. Mit Vorteil erfolgt die Wahl der Abschluss-Impedanzen automatisch, basierend auf einem Algorithmus. Die Werte der Abschluss-Impedanzen der Netzwerk- Knoten werden somit dediziert bezüglich der zugrundeliegenden Infrastruktur des Kommunikations-Netzwerks festgelegt. Mit Vorteil wird der Wert der Abschluss-Impedanz aus der Wellen- Impedanz des Kabels abgeleitet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Netzwerk-Knoten über das Kommunikations-Netzwerk mit Energie versorgbar sind. Dadurch wird insbesondere der Verka- belungsaufwand reduziert, da für die Stromversorgung der

Teilnehmer (d.h. der Netzwerk-Knoten) keine separate Leitungen verlegt werden müssen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass ein Netzwerk-Knoten ausgebildet ist, einen oder mehrere andere Netzwerk-Knoten im Kommunikations-Netzwerk mit Energie zu versorgen. Dadurch kann das Kommunikations-Netzwerk leicht um weitere Teilnehmer erweitert werden, ohne Verkabelungsauf ^¬ wand für die Stromversorgung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass mindestens ein Netzwerk-Knoten ausgebildet ist, um auf- grund der Empfangsqualität der Netzwerk-Knoten die maximal mögliche Datenübertragungsrate im Kommunikations-Netzwerk zu ermitteln. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten in einem Kommunikations- Netzwerk kann somit mit der sowieso schon im Netzwerk vorhan- denen Infrastruktur durchgeführt werden, ohne ein zusätzliches Gerät oder ohne zusätzlich erzeugte Messsignale.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass mindestens ein Netzwerk-Knoten ausgebildet ist, um eine Verbindung zu einem oder mehreren weiteren Kommunikations- Netzwerken herzustellen. Dadurch, dass ein Netzwerk-Knoten Router-Eigenschaften aufweist, kann das erfindungsgemässe Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten über mehrere verbundene Kommunikations-Netzwerke durchgeführt werden.

Die Aufgabe wird ausserdem gelöst durch ein Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten in einem Zweidraht-Kommunikations-Netzwerk, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

Schritt 1: Analyse des Kommunikations-Netzwerkes, beste ^¬ hend aus Netzwerk-Knoten mit jeweils einer zu- oder abschalt ^¬ baren Abschluss-Impedanz und Zweidrahtleitungen zur Verbindung der Netzwerk-Knoten, wobei für die Netzwerk-Knoten die Empfangsqualität bestimmt wird unter Beaufschlagung einer initialen Datenrate für jeden Netzwerk-Knoten, bei Verwendung eines definierten Setups (Ausgangskonfiguration) für die Ab- schluss- Impedanzen;

Schritt 2 : unter Verwendung der initialen Datenrate für jeden Netzwerk-Knoten bestimmen, ob zur Erhöhung der jeweiligen Empfangsqualität eines Netzwerk-Knotens die jeweilige Ab- schluss-Impedanz zu- oder abgeschaltet werden muss;

Schritt 3: Analyse des Kommunikations-Netzwerkes, wobei für die Netzwerk-Knoten die Empfangsqualität bestimmt wird unter Beaufschlagung einer zweiten Datenrate für jeden Netzwerk-Knoten;

Schritt 4 : unter Verwendung der zweiten Datenrate für jeden Netzwerk-Knoten bestimmen, ob zur Erhöhung der Emp- fangsqualität die jeweilige Abschluss-Impedanz zu- oder ab ^¬ geschaltet werden muss;

Wiederholung von Schritt 3 und 4 solange, bis keine Ver ^¬ besserung der Empfangsqualität messbar ist. Die Erfinder gehen dabei von der Idee aus, dass wenn sich ein Knoten ohne Abschluss-Impedanzen durch Reflexionen unerwünscht bemerkbar macht, d.h. insbesondere sich die Datenrate von diesem Knoten zu anderen Knoten merkbar reduziert, durch das gezielte Set ^¬ zen von Abschlusswiderständen im Kommunikations-Netzwerk die Datenrate verbessert. Wobei zugeschaltete Abschlussimpedanzen die Signaldämpfung erhöhen und entfernt werden, wenn die Abschlussimpedanz eines benachbarten Knotens die Reflexionen ausreichend eliminiert.

Mit Vorteil wird pro Netzwerkknoten die Empfangsqualität der empfangenen Signale von allen anderen Netzwerkknoten ausge- wertet.

Mit Vorteil ist die steuerbare Abschluss-Impedanz ausgestal ^¬ tet, um das Leitungsende mit einer geeigneten Impedanz abzu- schliessen oder auch offen zu lassen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass im Betrieb erkannt wird, ob im Kommunikations-Netzwerk ein neuer Netzwerk-Knoten zugeschaltet wird oder ein vorhan- dener Netzwerk-Knoten abgeschaltet wird oder ob eine neue

Verbindung angeschlossen wird oder ob eine vorhandene Verbindung entfernt wird. Dadurch kann auf Veränderungen im Kommunikations-Netzwerk schnell und flexibel reagiert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass nach dem Erkennen einer Veränderung das Kommunikations- Netzwerk erneut bezüglich der Empfangsqualität und/oder der Datenrate optimiert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer Änderung im Kommunikations-Netzwerk anschliessend wieder eine optimale Datenübertragung im Kommunikations- Netzwerk erreicht wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass in den Schritten 3 und 4 die zweite Datenrate ausgehend von der initialen Datenrate durch eine schrittweise Erhöhung der Datenrate bestimmt wird. Dadurch wird iterativ in inkre- mentellen Schritten eine optimale Datenrate im Kommunikati ^¬ ons-Netzwerk erreicht. Inkrementelle schrittweise Erhöhungen der Datenrate sind leicht realisierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass als initiale Datenrate 50kBit/s verwendet wird. Mit ei ^¬ ner initialen Datenrate von 50kBit/s als Startpunkt für schrittweise inkrementelle Erhöhungen der Datenrate wird schnell eine optimale Datenrate im Kommunikations-Netzwerk erreicht. Mit Vorteil wird durch einen vorhergehenden Test das initiale Setup (d.h. die Anfangskonfiguration) der Ab- schluss-Impedanzen ermittelt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass in den Schritten 3 und 4 die zweite Datenrate ausgehend von der initialen Datenrate durch eine schrittweise Reduzie ^¬ rung der Datenrate bestimmt wird. Auch dekrementeile schritt- weise Verminderungen der Datenrate sind leicht realisierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass als initiale Datenrate 1 MBit/s verwendet wird. Ausge ^¬ hend von einer initialen Datenrate 1 MBit/s als Startpunkt für eine schrittweise dekrementeile Verminderung der Datenra ^¬ te schnell eine optimale Datenrate im Kommunikations-Netzwerk erreicht .

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass in Schritt 1 alle Abschluss-Impedanzen entweder weggeschaltet oder zugeschaltet sind. Dadurch kann für die Netz ^¬ werk-Knoten sehr einfach und schnell eine erste Empfangsqua ^¬ lität als Referenzqualität bestimmt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Wert der Abschluss-Impedanz an die Wellen-Impedanz des Netzwerkes angepasst ist. Somit kann dediziert und effi ^¬ zient für jede jeweils vorliegende Netzwerk-Topologie die je ^¬ weils optimale Datenübertragungsrate erreicht werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Wert der Abschluss-Impedanz im Bereich von 100 Ohm liegt. Ein Wert von 100 Ohm bzw. im Bereich um 100 Ohm (± 10%) als Abschluss-Impedanz hat sich insbesondere für

Twisted-Pair-Leitungen als vorteilhaft erwiesen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin dass der Wert der Abschluss-Impedanz variabel ist. Dadurch kann der Wert der Abschluss-Impedanz dediziert auf jeweilige die Infrastruktur und Topologie des Kommunikations-Netzwerks abgestellt werden, um eine jeweils optimale Datenrate zu er ^¬ reichen . Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Bestimmung, welche Abschluss-Impedanzen zur Erhöhung der Empfangsqualität zu- bzw. weggeschaltet werden müssen, durch ein mathematisches Optimierungsverfahren (z.B. lineare Optimierung) erfolgt. Durch Verwendung eines mathematischen Optimierungsverfahrens zur Entscheidung, welche Abschluss ^¬ impedanzen zur Erhöhung der Empfangsqualität zu- bzw. weggeschaltet werden müssen, wird insbesondere die Effizienz des Verfahrens erhöht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren auf jeden Netzwerk-Knoten angewendet wird. Dadurch wird eine optimale Datenübertragungsrate für das ge ^¬ samte Kommunikations-Netzwerk erreicht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren basierend auf einer von der Topologie des Kommunikations-Netzwerkes abhängigen empirischen Zuschaltung bzw. Wegschaltung von Abschluss-Impedanzen für bestimmte Netzwerk-Knoten startet. Auf diese Weise lässt sich bei einem bekannten Verdrahtungsplan für das Kommunikations-Netzwerk ein Setting finden welches vorteilhaft die kleinste Dämpfung sowie reduzierte Reflexionen für die gewünschte maximale Da ^¬ tenrate aufweist. Ausgehend von diesem Setting wird von dem Verfahren sehr effizient eine optimale Datenübertragungsrate für das Kommunikations-Netzwerk erreicht. Vorteilhaft ist es z.B. Stichleitungen ab einer gewissen Länge abzuschliessen . Stichleitungen sind Leitungen, welche von einem Signalpfad abzweigen . Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren das Verfahren parallel zum Datenbetrieb abläuft. Dadurch ist während der Optimierung ein Betrieb des Kommunikationssystems möglich.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden am Beispiel der nachfolgenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1 ein erstes beispielhaftes Kommunikations-Netzwerk für eine Gebäudeautomation,

FIG 2 den Frequenzgang eines beispielhaften Kanals im

Kommunikations-Netzwerk von FIG 1,

FIG 3 ein zweites beispielhaftes Kommunikations-Netzwerk für eine Gebäudeautomation,

FIG 4 zwei beispielhafte Kommunikations-Netzwerke die

über einen Router miteinander gekoppelt sind,

FIG 5 ein Blockdiagramm eines ersten beispielhaften Netzwerk-Knotens,

FIG 6 ein Blockdiagramm eines zweiten beispielhaften

Netzwerk-Knotens,

FIG 7 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung der vorliegenden Erfindung,

FIG 8 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für einen Weg- schalt-Algorithmus von Abschluss-Impedanzen, FIG 9 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für einen

chalt-Algorithmus von Abschluss-Impeda

FIG 10 beispielhafte Messtabelle mit Abschlusswider ständen, und

FIG 11 ein Blockdiagramm für einen dritten beispielhaften

Netzwerk-Knoten .

In der Gebäudeautomation sind Netzwerke als komplexe baumför- mige Gebilde mit mehreren Knoten, vielen Endgeräten und ungleich langen Leitungsstrecken im Einsatz. Die verwendeten Kabel sind selten vom Typ der echten Twisted Pair mit entsprechend geringer Dämpfung pro Meter, sondern oftmals nur konventionelle Sternviererkabel mit einer minimalen Verdre ^¬ hung der Adern. Der Frequenzgang dieser Kabel zeigt eine deutliche und hohe Zunahme der Dämpfung pro Meter mit der Frequenz. Weiterhin können längenabhängige Verzerrungen auftreten. Dadurch wird die maximale Datenrate begrenzt. Signale (häufig DC-freie Leitungscodierungen wie z.B. Manchester Codierung) welche, je nach Bitfolge spektrale Anteile mit

Schwerpunkt bei der Datenrate und wesentlichen Anteilen bis zur doppelten Datenrate besitzen, erleiden dadurch im zeitlichen Verlauf starke Amplitudenschwankungen.

Figur 1 zeigt ein erstes beispielhaftes Kommunikations- Netzwerk KNW1 für eine Gebäudeautomation. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind im Kommunikations-Netzwerk KNW1 nur einige Netzknoten mit Bezugszeichen NK1 - NK3 versehen.

In Figur 1 werden durch die Zahlen 1 bis 15 Anschluss-, Abzweig- und Endpunkte im Kommunikationsnetz KNW1 beispielshaft bestimmt. An jedem der Anschluss-, Abzweig- bzw. Endpunkte können ein oder mehrere Netzwerkknoten NK1 bis NK3 angeschlossen sein.

Im baumförmigen Kommunikations-Netzwerk KNWl gemäss Figur 1 werden die Signale eines Senders an jedem Endpunkt reflek ^¬ tiert, sofern die Leitung am Ende nicht mit einer passenden Abschluss-Impedanz versehen ist (typ. Wert 100 Ohm) . Dies ist aus der Leitungstheorie bestens bekannt. Der Frequenzgang, insbesondere von Zweidrahtleitungen, zeigt eine deutliche Zunahme der Dämpfung in Abhängigkeit der Lei ^¬ tungslängen und der Frequenz. Werden die einzelnen Enden der Abzweigungen nicht mit der Wellenimpedanz der Leitung abgeschlossen entstehen Reflexionen, welche zu allen anderen Netzwerknoten wandern und das Signal so durch Addition verzerren. Werden alle Enden abgeschlossen, so nimmt die Dämpfung weiter zu, da der Sender (jeder Knoten letztlich) immer mehr belastet wird. Durch die Dämpfung und die Verzerrungen erfolgt eine Minderung des Signalpegels und damit der Über- tragungsqualität im Kommunikations-Netzwerk.

Nehmen im Unterschied zu den in der Nachrichtentechnik meist gebräuchlichen Punkt-Punkt Verbindungen (z.B. Ethernet, TV- Koaxialkabel) viele Endgeräte in einem solchen Kommunikati- ons-Netzwerk KNWl teil, so führt der Anschluss einer Ab ^¬ schluss-Impedanz an jedem Endpunkt zu einer sehr tiefen Gesamtimpedanz des Kommunikations-Netzwerks KNWl und damit zu einer enorm hohen Dämpfung der Signale. Der Sender müsste eine sehr hohe Leistung in das niederohmige Netz KNWl einspei- sen.

Es treten also bei derartigen Kommunikations-Netzwerken KNWl KNWl am Empfänger jedes Endgerätes Signale mit Verzerrungen und zusätzlich eine Vielzahl von, an anderen Netzwerkenden reflektierten, verzögerten Signalkopien auf. Dies wird besonders dann gravierend, wenn ein reflektiertes Signal mit Fre ^¬ quenzinhalt bei der Datenrate verzögert mit dem eigentlich zu empfangenden Signalanteil mit Frequenzen bei der doppelten Datenrate überlagert. Weil das erstere Signal bei tiefer Fre ^¬ quenz weniger gedämpft wird, maskiert es gewissermassen das eigentliche zweite Signal. Je grösser die Verzögerung, d.h. je länger die einzelnen Äste des Kommunikations-Netzwerks KNWl sind, desto kritischer wird die Situation. Dies ist aus der Theorie als Intersymbolinterferenz bekannt und wirkt hier je nach Bitfolge verschärft. Damit ist bei einfachen Empfän ^¬ gerarchitekturen eine obere Datenrate durch das Netzwerk KNWl gegeben. Diese Grenze liegt heute bei ca. 10 kBit/s für Netz ^¬ werke mit Längen bis 1000 m.

Figur 2 zeigt den Frequenzgang eines beispielhaften Kanals im Kommunikations-Netzwerk von Figur 1, mit dem Sender bei Anschluss 4 (NK2) und dem Empfänger bei Anschluss 12 (NK3) . Im Diagramm von Figur 2 ist auf der Abszissenachse die Fre- quenz in MHz aufgetragen und auf der Ordinatenachse die je ^¬ weilige Amplitude bzw. der Pegel (in dB) dazu.

Die Intersymbolinterferenz (ISI bzw. Symbolübersprechen) beschreibt bei der digitalen Datenübertragung Störungen zwi- sehen zeitlich aufeinander folgend gesendeten Symbolen. Dies lässt sich auch im Frequenzbereich bzw. Frequenzgang zeigen. Neben der bereits erwähnten mit der Frequenz zunehmenden Dämpfung ergibt sich durch das verzögerte Signal addiert zum direkten Signal eine Nullstelle im Frequenzgang abhängig von den Längen der Stichleitungen, welche das Netzwerk KNWl aufweist. Die Nullstelle liegt etwa bei der Frequenz f = c/4L mit c der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Kabel und L der Länge der verantwortlichen Stichleitung zum verursachenden Anschluss. In der Darstellung gemäss Figur 2 kann der Ein- bruch bei 700 kHz wahrscheinlich dem reflektierten Signal der Stichleitung zu Anschluss 10 in Figur 1 zugeordnet werden. Stichleitungen sind Leitungen, welche von einem Signalpfad abzweigen. Der Signalpfad kann dabei die Verbindung zwischen zwei beliebigen Knoten (z.B. NK2 und NK3) im Netzwerk KNW1 sein .

Insbesondere die neuen Internetprotokolle (z.B. IPv6) und Techniken lassen den Wunsch nach direkter Durchgängigkeit der Kommunikations-Netzwerke bis zum Sensor oder Aktor auch in der Gebäudeautomation aufkommen. Dazu wäre die Erhöhung der Datenrate um den Faktor 10 aber äusserst nützlich, da diese Protokolle wesentlich mehr Overhead mitbringen und neue Anwendungen (z.B. Firmware-Download) mehr Datendurchsatz ver- langen. Zudem sollen auch die Netzwerklängen nicht kürzer und die Anzahl Endgeräte (z.B. Sensoren) nicht kleiner werden, sodass aus Kostengründen keine zusätzlichen Repeater oder Verstärker eingesetzt werden müssen. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Optimierung der Übertra ^¬ gung von digitalen Daten in einem Zweidraht-Kommunikations- Netzwerk ist für unterschiedliche Topologien von Netzwerken und für Netzwerke mit unterschiedlichen Typen von Netzknoten (z.B. Controller, Sensoren, Aktoren, Brandmelder, Beleuch- tung) verwendbar.

Figur 3 zeigt ein zweites beispielhaftes Kommunikations- Netzwerk KNW2 als Standalone Zweidraht-Netzwerk (z.B. Twisted Pair) für eine Gebäudeautomation. In der Darstellung gemäss Figur 3 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei Netz ^¬ knoten (NK4 - NK6) dargestellt. Beim beispielhaften Kommunikations-Netzwerk KNW2 kann es sich z.B. um ein KNX System handeln . Figur 4 zeigt zwei beispielhafte Kommunikations-Netzwerke KNW3 und KNW4, die über einen Router NK8 miteinander gekoppelt sind. In Figur 4 ist ein beispielhaftes Zweidraht- Netzwerk KNW3 über einen Router NK8 mit dem Backbone-Netz KNW4 gekoppelt. Auch in der Darstellung gemäss Figur 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei Netzknoten (NK7 - NK9) dargestellt.

Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm eines ersten beispielhaften Netzwerk-Knotens NK10. Der Netzwerk-Knoten NK10 ist über eine geeignete Schnittstelle SSI (Netzwerkanschluss ) mit einem Kommunikations-Netzwerk, das Zweidrahtverbindungen (mit Vorteil Twisted Pair-Verbindungskabel ) , verbunden.

Der beispielhafte Netzwerk-Knoten NK10 umfasst:

- eine Empfangsvorrichtung EV, geeignet zum Empfangen

von Signalen unterschiedlicher Datenraten, wobei die Empfangsvorrichtung EV ausgebildet ist, die Signalqualität von über die Schnittstelle SSI empfangenen Signalen festzustel ^¬ len;

- eine Sendevorrichtung SV, geeignet zum Senden von Signalen auf unterschiedlichen Datenraten über die Schnittstelle SSI;

- eine steuerbare Abschluss-Impedanz AI;

- eine Messeinheit oder ein Messmittel MM zum Feststellen der Signalqualität, welche an der Empfangsvorrichtung EV messbar ist;

- einen Speicher M zum Erfassen der Werte der Abschlussimpedanzen und der einem jeweiligen Wert zuordbaren Empfangsqualität für die Netzwerk-Knoten im Kommunikations-Netzwerk;

- eine Steuereinheit SM zur Vorgabe eines Einstellwertes für die Abschluss-Impedanzen der Netzwerk-Knoten;

- eine Auswerte- und Berechnungseinheit AM zur Vorgabe von jeweiligen Einstellwerten für die Abschluss-Impedanzen der Netzwerk-Knoten zur Erzielung einer optimalen Datenrate im Kommunikations-Netzwerk, wobei die Auswertung und Berechnung basierend auf verschiedenen Datenraten erfolgt. Die Ein- bzw. Auskopplung von Spannung erfolgt durch ein geeignetes Koppelelement Kl, die Ein- bzw. Auskopplung von Daten erfolgt durch ein geeignetes Koppelelement K2.

Mit Vorteil sind die Steuereinheit SM, die Messeinheit MM, die Auswerte- und Berechnungseinheit AM, und die Speichermit ^¬ tel M in einer Verarbeitungseinheit MP (z.B. ein Mikro ^¬ prozessor) integriert und mit geeigneten Hardware- bzw. Soft- waremittel realisiert.

Die zu- und abschaltbare Abschluss-Impedanz AI kann durch den Mikroprozessor MP direkt angesteuert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die zu- und abschaltbare Abschluss-Impedanz AI auch im Koppelelement K2 integriert sein .

Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten beispielhaften Netzwerk-Knotens NK11. Beim beispielhaften Netzwerk-Knoten NK11 handelt es sich um einen Router, geeignet zur Kopplung zweier Kommunikations-Netzwerke, die unterschiedliche

Topologien, Protokolle und/oder Übertragungsverfahren aufweisen können. Die zu koppelnden Kommunikations-Netzwerke sind über entsprechende Netzwerkanschlüsse SS2 bzw. SS3 an den Router ankoppelbar. Der beispielhafte Netzwerk-Knoten NK11 kann dabei nur Router-Funktionalität aufweisen, oder der Netzwerk-Knoten NK11 kann als normaler Teilnehmer (z.B. Sensor, Aktor) ausgebildet sein und dabei zusätzlich Router- Funktionalität umfassen.

Figur 7 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Optimie ^¬ rung der Übertragung von digitalen Daten in einem Zweidraht- Kommunikations-Netzwerk . Mit Vorteil werden nach der Installation aber vor dem Nutzbetrieb des Kommunikations-Netzwerkes, gesteuert durch einen als Master ausgezeichneten Netzwerk-Knoten, Testdaten von jedem Netzwerk-Knoten ausgesendet und von jeweils jedem der üb- rigen Netzwerk-Knoten empfangen und auf Übertragungsfehler geprüft. Dieser Vorgang kann nun für verschiedene Kombinatio ^¬ nen (prinzipiell auch für alle) von angeschlossenen Ab- schluss-Impedanzen durchgeführt werden. Die Abschluss ^¬ impedanzen sind durch ein Kommando vom Master individuell ad- ressiert elektronisch zu- und wegschaltbar . Dieser Vorgang wird zudem bei einem initialen Setting der Abschlussimpedanzen für jede Datenrate durchgeführt. Der Master kann dadurch die maximale Datenrate für das Gesamtnetz wie auch zwischen den einzelnen Knoten sowie die zu setzenden Ab- schluss-Impedanzen ermitteln. Nach diesem Vorgang bleiben die Verhältnisse im Kommunikations-Netzwerk solange konstant, bis eine Änderung am Kommunikations-Netzwerk durchgeführt wird, wie z.B. Zufügen von Knoten, Entfernen von Knoten, Veränderung der Verkabelung. Nur in diesem Fall muss der Prozess wiederholt werden.

Für den Startpunkt dieses Auto Setting Prozesses gibt es 3 Möglichkeiten : 1) Alle Abschlüsse sind weggeschaltet. Es ist immer der

Quellenwiderstand in jedem Sender vorhanden.

2) Alle Abschlüsse sind zugeschaltet. Es ist immer der

Quellenwiderstand im Sender vorhanden.

3) Die mit der empirisch theoretischen Methode gefundenen Abschlüsse sind gesetzt. Es ist immer der Quellenwider ^¬ stand im Sender vorhanden.

Mit der ersten und zweiten Möglichkeit ist nicht sicherge ^¬ stellt, dass alle Knoten erreichbar sind (zuviel Reflexion bzw. zuviel Dämpfung) . Mit der dritten Möglichkeit ist die Erreichbarkeit gegeben, zumindest für tiefe Datenraten, mög ^¬ licherweise gibt es aber weitere Verbesserungen (siehe Ab ^¬ schnitt Weitere Optionen) .

Am einfachsten würde man nun alle Kombinationen von Ab- schluss-Settings ausprobieren. Dies ergäbe 2 ^N Tests (dabei ist N die Anzahl der Knoten), was bei ca. 10 s Testzeit pro Test schnell unermesslich gross wird. Deshalb wurden Algo- rithmen gesucht, welche eine nur linear mit N anwachsende Testzeit haben.

Die Erfinder gehen dabei von der folgenden Idee aus, dass wenn sich ein Knoten ohne Abschluss-Impedanz durch Reflexio- nen unerwünscht bemerkbar macht, d.h. die Datenrate zu ande ^¬ ren Knoten merkbar reduziert, dies nicht besser geheilt wer ^¬ den kann als mit dem Setzen der Abschluss-Impedanz für diesen Knoten . Aus dieser Idee heraus wurden zwei Vorgehen (Algorithmen) entwickelt und ihre Wirksamkeit durch Tests nachgewiesen. Es sind dies der „Remove RLoad" Algorithmus, der zuerst alle Ab ^¬ schlüsse setzt und dann mit Wegschalten beginnt und der „Add RLoad" Algorithmus, der ausser dem Quellenwiderstand keine Abschlüsse aufweist und mit Zuschalten beginnt.

Der „Remove Rload" Algorithmus (Wegschalt-Algorithmus , siehe Figur 8) ist schneller und geht von einer gutmütigeren Anfangskonfiguration aus, da er von Anfang an die Stichleitun- gen abgeschlossen hat. Jedoch kann bei vielen angeschlossenen Knoten die Dämpfung sehr gross werden, womit gewisse Knoten unerreichbar werden könnten. Der „Add Rload" Algorithmus ( Zuschalt-Algorithmus , siehe Fi ^¬ gur 9) hat in der Anfangskonfiguration keine aktiven Ab- schluss-Impedanzen, was zu einer tendenziell ungünstigeren Anfangskonfiguration führt. Durch die Frequenzeinbrüche kann es sein, dass einzelne Knoten nicht erreicht werden können. Durch das Aktivieren der Abschluss-Impedanzen werden jedoch immer mehr Knoten erreichbar.

Wenn keine manuelle Anfangskonfiguration im Kommunikations- Netzwerk vorgegeben ist, kann mit Vorteil ein automatisiertes „Channel Setup" verwendet werden, wie in Figur 7 beispielhaft dargestellt .

Dabei wird zuerst ein Inventory bzw. eine Inventar-Erfassung (Erfassen der erreichbaren Knoten) durchgeführt um zu sehen, welche Knoten im Netzwerk vorhanden sind. Danach werden alle Abschluss-Impedanzen aktiviert und nochmals ein Inventory durchgeführt. Wenn immer noch alle Knoten erreichbar sind, kann mit dem „Remove Rload" Algorithmus (Wegschalt- Algorithmus) gearbeitet werden. Ansonsten ist der „Add Rload" Algorithmus (Zuschalt-Algorithmus) besser geeignet, da weni ^¬ ger Dämpfung auf den Übertragungskanälen vorhanden ist. Vorteilhaft ist die Anzahl Knoten dem Master bekannt, damit er weiss wann er mit alle Knoten kommunizieren kann, dies ist aber nicht zwingend.

Figur 8 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für einen Wegschalt-Algorithmus („Remove Rload") von Abschluss- Impedanzen. Um den Wegschalt-Algorithmus („Remove Rload") zu starten müssen vorgängig die Abschlusswiderstände aller Kno ^¬ ten aktiviert sein. Im Algorithmus wird dann eine Abschluss ^¬ impedanz nach der anderen deaktiviert und jeweils ein Speed Test (Geschwindigkeitstest) durchgeführt (z.B. über alle Netzwerkknoten) . Wenn durch das Deaktivieren der Abschluss- Impedanz eine Stichleitung nicht mehr abgeschlossen ist und diese das Netzwerk negativ beeinflusst, werden einige Knoten nicht mehr auf der gleich hohen Datenrate kommunizieren können. Somit wird das Netzwerk gesamthaft schlechter und die Abschluss-Impedanz wird wieder aktiviert. Ist keine Verschlechterung feststellbar bleibt die Abschluss-Impedanz deaktiviert. Dies wird so lange gemacht, bis alle Abschluss ^¬ impedanzen überprüft wurden oder nur noch eine Abschluss- Impedanz aktiviert ist. Die Konfiguration wird auch beendet, wenn alle Knoten mit allen auf der maximalen Datenrate kommu ^¬ nizieren können d.h. eine ausreichende Anzahl der Abschlussimpedanzen ist aktiviert.

Mit jeder Iteration wird ein Inventory (Inventar) durchge- führt. Damit können Knoten erkannt werden, die aufgrund der geringeren Dämpfung durch das Deaktivieren einer Abschluss- Impedanz erreichbar werden. Bei den neu erkannten Knoten muss die Abschluss-Impedanz aktiviert werden, damit der Algorithmus prüfen kann ob bei diesen Knoten die Abschluss-Impedanz gesetzt sein muss oder nicht. Unter Umständen kann die Abschluss-Impedanz des neuen Knotens eine zuvor nicht entfernte Abschluss-Impedanz überflüssig machen. Darum sollten die zuvor überprüften Abschluss-Impedanzen nochmals überprüft werden, falls die Abschluss-Impedanz beim neu gefundenen Knoten gesetzt sein muss.

Mit diesem Algorithmus werden normalerweise N+2 Iterationen benötigt, womit ein Channel Setup (Kanal-Konfiguration) für 64 Knoten ca. 10min dauern würde, da ein Speed Test ca. 10s dauert. Der Speed Test (Geschwindigkeitstest) ist das Element einer Iteration das am meisten Zeit benötigt. (N ist dabei die Anzahl der Netzknoten) Stichleitungen sind Leitungen, welche von einem Signalpfad abzweigen. Der Signalpfad kann dabei die Verbindung zwischen zwei beliebigen Knoten (z.B. A und B) in einem Netzwerk sein. Figur 9 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für einen Zuschalt-Algorithmus („Add Rload") von Abschluss-Impedanzen in einem Kommunikations-Netzwerk. Bevor der Zuschalt- Algorithmus („Add Rload") gestartet wird, wird das initiale Setup bestimmt. Dabei kann eine bestehende (z.B. manuelle oder durch empirische Regeln vorbestimmte) Konfiguration übernommen werden oder allenfalls die Abschluss-Impedanz bei einem Master (automatisch) gesetzt werden. Ein Master kann dabei seine eigene Abschluss-Impedanz selbst intelligent steuern. Wenn es mehrere potentielle Master im Netzwerk gibt, können diese Netzwerkknoten den Master aushandeln oder aufteilen .

Danach wird eine Abschluss-Impedanz nach der anderen aktiviert und jeweils ein Speed Test (Geschwindigkeitstest) durchgeführt. Wenn durch das Aktivieren der Abschluss- Impedanz das Kommunikations-Netzwerk gesamthaft schlechter wird, wird die Abschluss-Impedanz wieder deaktiviert. Dies wird solange gemacht bis alle Abschluss-Impedanzen überprüft wurden. Da je nach Topologie des Netzes mehrere Abschluss- Impedanzen nötig sind um eine Verbesserung zu erreichen, werden Abschluss-Impedanzen aktiv gehalten solange sie keine Verschlechterung des Netzwerkes bringen.

Die Konfiguration wird auch beendet, wenn alle Knoten mit al- len auf der maximalen Datenrate kommunizieren können. Zudem wird mit jeder Iteration auch ein Inventory (Inventar) (Erfassen der erreichbaren Knoten) durchgeführt um Knoten die neu erreichbar sind zu erkennen. Neu erkannte Knoten müssen die Abschluss-Impedanz deaktivieren. Der Algorithmus prüft auch bei diesen Knoten ob die Abschluss-Impedanz gesetzt sein muss oder nicht. Ein Neuanfang des Algorithmus ist sinnlos, da diese Knoten in der Startkonfiguration wiederum nicht erreichbar wären.

Wenn alle Abschluss-Impedanzen überprüft wurden, wird der Wegschalt-Algorithmus („Remove Rload") (siehe Figur 8) ver ^¬ wendet um zu überprüfen, ob alle hinzugefügten Abschlussimpedanzen notwendig sind. Dies ist nötig, um überflüssige Abschluss-Impedanzen zu entfernen und somit weniger Dämpfung auf dem Kanal zu haben.

Überflüssige Abschluss-Impedanzen können entstehen, wenn eine Abschluss-Impedanz aktiviert wird und dies zu einer Verbesse- rung des Netzwerkes führt, jedoch eine andere Abschluss- Impedanz, die später überprüft wird diese Verbesserung besser bewerkstelligt. Dies ist z.B. auf einer Bustopologie der Fall, wenn die Abschluss-Impedanz am Ende der Busleitung nicht zuerst überprüft wird.

Mit diesem Algorithmus werden maximal 2*N+2 Iterationen benötigt, womit ein Channel Setup für 64 Knoten ca. 20min dauern würde, da ein Speed Test ca. 10s dauert. Der Speed Test ist das Element einer Iteration das am meisten Zeit benötigt. N ist dabei die Anzahl der Netzknoten.

Damit müssen nicht alle möglichen Konfigurationen (2 ^A N) getestet werden, sondern es muss nur jede Abschluss-Impedanz für sich ein- bzw. ausgeschaltet werden. N ist dabei die Anzahl Knoten im Netzwerk (inklusive Master) . Bei dem „Remove Rload" Algorithmus sind höchstens N Iterationen nötig, da jede Impe ^¬ danz einmal deaktiviert wird. Für den „Add Rload" Algorithmus könnten bis zu 2*N Iterationen möglich sein, da eine Abschluss-Impedanz zuerst aktiviert wird und falls er als nütz- lieh erachtet wird, nochmals deaktiviert wird. Somit steigt der Aufwand linear mit der Anzahl Knoten.

Pro Iteration sind ein Inventory (Inventar), ein Speed Test und eine Konfiguration des Netzwerkes nötig. Alle diese Ele ^¬ mente nehmen auch linear mit der Anzahl Knoten zu. Dies gilt insbesondere für den Speed Test, da mit einer Messung N Mess ^¬ resultate erzeugt werden. Dies wird erreicht, indem alle Kno ^¬ ten gleichzeitig das Messpaket des sendenden Knoten auswer- ten.

Es ist auch möglich den Nutzbetrieb vor Abschliessen des Channel Setups (Kanal-Konfiguration) aufzunehmen, sobald alle Knoten zu allen auf der tiefsten Datenrate kommunizieren kön- nen. Danach kann während dem Nutzbetrieb das Channel Setup beendet werden. Dazu werden z.B. abwechslungsweise Nutzdaten übermittelt und Geschwindigkeitstests durchgeführt. Dies ver ^¬ langsamt beide Prozesse bzw. Vorgehen, ermöglicht es jedoch das System, d.h. das Kommunikations-Netzwerk früher in Be- trieb zu nehmen.

Reihenfolge der zu testenden Knoten

Die Reihenfolge in der die Abschluss-Impedanzen getestet wer- den hat einen nicht zu vernachlässigen Einfluss auf die End ^¬ konfiguration. Tests haben gezeigt, dass mit jeder Reihenfol ^¬ ge eine gute Konfiguration gefunden werden kann. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass mit einer intelligenten Reihenfolge die Konfiguration schneller und zuverlässiger verbessert wer- den kann.

Zum Beginn eines Channel Setups wird immer ein Speed Test mit der initialen Konfiguration durchgeführt. Mit dem Speed Test (Geschwindigkeitstest) lässt sich auch die Empfangsqualität der einzelnen Netzwerk-Knoten beurteilen. Je besser andere Knoten empfangen werden, sprich je höher die Datenraten sind auf denen die Testpakete empfangen werden, desto besser ist die Empfangsqualität. Während dem Channel Setup wird mit je- der Iteration ein neuer Speed Test durchgeführt, womit auch die Empfangsqualität nach jeder Iteration neu beurteilt wird.

Beim Zuschalt-Algorithmus („Add Rload", siehe Figur 9), bei dem in der Initialen Konfiguration keine Abschluss-Impedanzen aktiviert sind, sind die Knoten mit der besten Empfangsquali ^¬ tät tendenziell nicht von Stichleitungen betroffen, sprich sie sind tendenziell selbst die Verursacher von Frequenzse ^¬ lektiven Einbrüchen. Wenn diese Knoten nun zuerst überprüft werden, wird das Netzwerk schneller und zuverlässiger verbes- sert.

Beim Wegschalt-Algorithmus („Remove Rload", siehe Figur 8), bei dem in der Initialen Konfiguration alle Abschlussimpedanzen aktiviert sind, sind die Knoten mit der besten Empfangsqualität tendenziell Knoten die in der Mitte des Netzwerkes sind. Dies sind die Knoten bei denen die Ab- schluss-Impedanz tendenziell nicht benötigt wird, da sie nicht an einer langen Stichleitung sind. Aufgrund der Dämpfung ist die Empfangsqualität bei Knoten die an langen Stich- leitungen angeschlossen sind schlechter. Somit müssen auch in diesem Fall zuerst die Knoten mit der besten Empfangsqualität überprüft werden.

Zudem können Knoten die örtlich sehr nahe zusammen sind durch Korrelation der Empfangsqualität der einzelnen Kommunikati ^¬ onsstrecken erkannt werden. Wenn also zwei Knoten zu denselben Knoten auf derselben maximalen Datenrate kommunizieren können, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass diese Knoten örtlich nahe zusammen liegen. Damit kann in einer ersten Run- de bei benachbarten Knoten nur einer überprüft werden, was tendenziell dazu führt, dass bei Knoten, die an derselben Stichleitung angeschlossen sind, nur einer überprüft wird und danach schneller eine weitere Stichleitung überprüft wird.

Kombination mit empirisch theoretischen Verfahren

Insbesondere bei einem bekannten Verdrahtungsplan für das Kommunikations-Netzwerk kann mit Vorteil eine Kombination mit empirisch theoretischen Verfahren erfolgen.

Da die Einbrüche im Frequenzgang bei einer Frequenz liegen, welche umgekehrt proportional zur Leitungslänge ist und der Frequenzbereich durch die Datenrate < 1 MHz gegeben ist lassen sich empirisch Regeln aufstellen, wo Abschlüsse angebracht werden sollten.

Mit folgenden Regeln können in einem Netzwerk frequenzselektive Einbrüche von <lMHz vermieden werden:

- Pro Netzwerk muss mindestens 1 Abschluss-Impedanz vorhanden sein, dies kann auch der Quellenwiderstand des Senders sein.

Jede Stichleitung >40m muss abgeschlossen sein.

An Verzweigungen darf keine Abschluss-Impedanz eingefügt werden.

Bei einem Bus oder Ast als Stichleitung muss nur der längste Signalpfad abgeschlossen werden, sofern dessen Gesamtlänge 40m überschreitet.

Damit Stichleitungen keine Einbrüche im Frequenzbereich <1 MHz (bis 500 kbit/s Manchester-codierte Datenrate) verursa ^¬ chen, müssen alle Punkte, die mehr als 40 m von der nächsten Verzweigung entfernt sind, abgeschlossen werden. Dadurch können keine Reflexionen entstehen, welche Einbrüche von <1 MHz zur Folge hätten. Für 1 Mbit/s müssten entsprechend Leitungen von mehr als 20 m abgeschlossen werden. Wenn die Stichleitung aus einem Bus oder Ast (Stichleitung mit mehreren Verzweigungen von >40m) bestehen, genügt es, den längsten Pfad abzu- schliessen. Auch bei kleinen Netzwerken muss mindestens eine Abschluss-Impedanz vorhanden sein, damit es nicht zu Mehrfachreflexionen kommt, welche wiederum zu frequenzselektiven Einbrüchen führen. Der Quellenwiderstand (Seriewiderstand) des Senders kann unter Umständen auch als Abschluss-Impedanz dienen. Eine Verzweigung erscheint von sich aus schon

niederohmig, womit das Einfügen eines zusätzlichen Abschlusswiderstandes an der Verzweigungsstelle zu einer noch kleine ^¬ ren Impedanz, d.h. zu einer schlechteren Anpassung führt und deshalb unterlassen werden sollte.

Ablauf Speed Test (Geschwindigkeitstest)

Der Speed Test wird immer vom Master aus gestartet und hat folgenden Ablauf:

Kommando Aktion der Knoten Reaktion der Knoten vom Master

Start Speed Initialisiere interne Messtabelle, - Test sende Acknowledge zum Master

Send Test PaSende Testpaket mit 50 kbps Speichere Empfangsqualität ket 50 kbps der empfangenen Testpakete

Send Test PaSende Testpaket mit 100 kbps Speichere Empfangsqualität ket 100 kbps der empfangenen Testpakete

Send Test PaSende Testpaket mit 250 kbps Speichere Empfangsqualität ket 250 kbps der empfangenen Testpakete

Send Test PaSende Testpaket mit 500 kbps Speichere Empfangsqualität ket 500 kbps der empfangenen Testpakete

Send Test PaSende Testpaket mit 1000 kbps Speichere Empfangsqualität ket 1000 kbps der empfangenen Testpakete

End Speed Test Sende Messtabelle zum Master - Mit dem „Start Speedtest"-Kommando initialisiert jeder Knoten seine jeweilige interne Messtabelle. Mit jedem „Send Test Pa ^¬ ket" Kommando sendet jeder Knoten ein Testpaket auf der ent ^¬ sprechenden Datenrate und die anderen Knoten speichern die Empfangsqualität des Empfangenen Testpaketes in ihrer Messta ^¬ belle ab. Mit dem „End Speedtest" Kommando wird der Speed Test beendet und die Messtabellen zum Master gesendet.

Die Messtabelle, die jeder Knoten führt, beinhaltet bei- spielshaft N*S Felder von jeweils wenigen Byte. Dabei ist N die Anzahl Knoten im Netzwerk und S die Anzahl Speed Tests die durchgeführt werden. In jedem Feld wird die Empfangsqua ^¬ lität, auch LQI (Link Quality Indication) genannt, des jewei ^¬ ligen Knotens bei der jeweiligen Datenrate abgespeichert.

Der Ablauf des Speedtest kann vom Master auch geändert wer ^¬ den, um nur einzelne oder auch andere Datenraten zu überprüfen . Mit Vorteil wird für den Speed Test (Geschwindigkeitstest) ein Zeitschlitzverfahren (z.B. TDMA) verwendet.

Mit Vorteil wird das Verfahren durch einen als Master bezeichneten Knoten gesteuert. Als Master kann jeder Netz- Knoten verwendet werden, der entsprechende Verarbeitungs- (z.B. ein Mikroprozessor mit entsprechender Software) und Speichermittel (z.B. Flashspeicher) umfasst. Mit Vorteil wird die Ausgangslage der Abschlusswiderstände bzw. Abschluss ^¬ impedanzen nach der Installation der Knoten entsprechend dem gewählten Algorithmus wie folgt gewählt:

1) Alle Abschlüsse sind weggeschaltet. Es ist immer der

Quellenwiderstand beim Sender vorhanden. 2) Alle Abschlüsse sind zugeschaltet. Es ist immer der Quellenwiderstand beim Sender vorhanden.

3) Die mit der empirisch theoretischen Methode gefundenen Abschlüsse sind gesetzt. Es ist immer der Quellenwider- stand beim Sender vorhanden.

Entsprechend wie in Figur 7 beschrieben führt der Master zuerst ein Inventory (Inventar; Erfassen der erreichbaren Knoten im Kommunikations-Netz) auf der tiefsten Datenrate durch um von möglichst vielen Knoten Antwort zu bekommen. Danach kommandiert der Master diesen Knoten ihre Abschluss-Impedanz zuzuschalten. Ein erneutes Inventory (Inventar) sollte nun alle Knoten sichtbar machen. Der Master führt nun einen der beiden Algorithmen aus, Add RLOAD (Zuschaltalgorithmus, siehe Figur 9) bzw. Remove RLOAD (Wegschaltalgorithmus, siehe Figur 8) , wobei der Master den Knoten übermittelt, ob sie ihre Ab ^¬ schluss-Impedanz zu- oder abschalten müssen.

Für jede Stellungsvariante wird ein Speed Test (Geschwindig- keitstest) mit stufenweise höheren Datenraten durchgeführt.

Dazu werden kurze Datenpakete mit Synchronisationsinformation und Parameter wie zum Beispiel ein zu verwendender TDMA Zeitschlitz und Datenrate an jeden Knoten gesendet. Jeder Knoten sendet darauf in seinem Zeitschlitz einen Datenblock mit ei- ner Pseudo-Noise Sequenz. Jeder nicht sendende Knoten kann diesen Datenblock empfangen und auf seine Korrektheit und Empfangsqualität überprüfen. Jeder Knoten füllt darauf hin eine Tabelle aus mit den Ergebnissen aller empfangenen Datenblöcke die er von anderen Knoten erhalten hat. Sobald alle Datenraten überprüft wurden sammelt der Master alle diese Ta ^¬ bellen ein und fügt das Ganze zu einer Matrix zusammen (siehe Figur 10, oberer Abschnitt) . Je nachdem ob die Geschwindig ^¬ keit im Netzwerk höher ausfällt als beim vorhergehenden

Schritt, wird die zuletzt geschaltete Abschluss-Impedanz in seiner Position belassen oder nicht und die erreichte Geschwindigkeit nachgetragen oder nicht. Pro Iteration sind ein Inventory (Inventar), ein Geschwindigkeitstest und eine Kon ^¬ figuration des Netzwerkes nötig.

Dies wird für jede Stellungsvariante der Abschluss-Impedanzen RLOAD wiederholt. Sind alle Iterationsschritte entsprechend den Verfahren gemäss Figur 8 bzw. Figur 9 abgearbeitet, so entscheidet zum Schluss der Master über die zu verwendende Datenrate. Diese kann entweder der kleinsten gemeinsamen Rate entsprechen, welche noch fehlerfrei für alle Knoten möglich war oder die Knoten dürfen individuell je nach ihrem Adressaten für ein zu übermittelndes Paket die für diese Verbindung ermittelte Geschwindigkeit einsetzen.

Mit Vorteil werden nur so viele Abschluss-Impadanzen gesetzt wie notwendig sind um eine Kommunikation zwischen allen Knoten im Netzwerk zu gewährleisten. Das Verfahren versucht dabei immer das Optimum zu finden.

Figur 10 zeigt eine beispielhafte Messtabelle mit Abschluss ^¬ impedanzen. Die Messtabelle wird im Speicher von mindestens einem Netzwerk-Knoten, mit Vorteil im jeweiligen Master, gespeichert und verwaltet. Bei der Messtabelle gemäss Figur 10 handelt es sich beispielhaft um eine globale Messtabelle, die mit Vorteil alle Netzwerkknoten umfasst.

Figur 11 zeigt ein Blockdiagramm des Ausschnittes von einem dritten beispielhaften Netzwerk-Knoten NK12 welcher zum Zus- ehalten bzw. Wegschalten der optimalen Abschluss-Impedanz dient mit den oben beschriebenen Verfahren. Struktur des beispielhaften Netzwerk-Knoten NK12

Ein zu- und wegschaltbarer Widerstand 3 schliesst die zum Knoten führende Übertragungsleitung ab, welche an den Klemmen 5a, 5b angeschlossen ist. Beispielhaft wird in Figur 11 als Impedanz ein ohmscher Widerstand verwendet.

Der Mikroprozessor 1 im Knoten NK12 kann programmgesteuert das Zu- und Abschalten durch ein Logiksignal kommandieren. Dieses Logiksignal steuert ein potentialfreies Solid State Relais 2 bestehend aus LED und zwei NMOS FET mit licht ^¬ empfindlichen Gate. Im eingeschalteten Zustand ist der Widerstand 3 durch das Relais 2 zwischen den Leitungsadern zugeschaltet, die Leitung ist damit abgeschlossen mit dem Wert von Widerstand 2. Bei 100 Ohm Leitungsimpedanz beträgt der Wert von Widerstand 3 100 Ohm. In der Praxis haben die FET des Schalters 2 im eingeschalteten Zustand einen von Null verschiedenen Durchlasswiderstand, so dass der Wert von

Widerstand 3 um diesen Anteil reduziert ausgeführt wird. Die Kondensatoren 4a, 4b, 4c, 4d dienen zur Abtrennung der

Gleichspannungsanteile an den Klemmen 5a, 5b zur symmetrischen Übertragungsleitung und an dem Klemmen 6a, 6b zum Empfänger.

Verfahren zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten in einem Zweidraht-Kommunikations-Netzwerk. Anordnungen, ins- besondere Kommunikations-Netzwerk und Netzwerk-Knoten, zur Optimierung der Übertragung von digitalen Daten.

Bezugs zeichen

KNW1 - KNW4 Kommunikations-Netzwerk

NK1 - NK12 Netzwerk-Knoten

1, MP Mikroprozessor

2 Relais

3 Widerstand

4a - 4d Kondensator

5a, 5b Klemmen

6a, 6b Klemmen

SSI - SS3 Schnittstelle

M Speicher

AM Auswertemittel

MM Messmittel

SM Steuermittel

V SpannungsVersorgung

SV SendeVorrichtung

EV EmpfangsVorrichtung

Kl, K2 Koppelelemente

AI Abschluss- Impedanz