TRIGGERED NETZWERKEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen fehlertoleranten Synchronisation von Uhren von Knotenrechner in einem verteilten Echtzeitsystem, welches verteilte Echtzeitsystem eine Anzahl von Arenen umfasst, wobei in jeder Arena eine Vielzahl von Knotenrechnern und ein oder mehrere Basisstationen angeordnet sind, und wobei die Knotenrechner mittels zeitgesteuerter drahtloser Datennachrichten mit der Basisstation oder den Basisstationen kommunizieren.

Weiters betrifft die Erfindung einen Knotenrechner zur drahtlosen Übertragung von zeitgesteuerten Nachrichten in einem verteilten Echtzeitsystem, wobei das verteilte Echtzeitsystem eine Vielzahl von Knotenrechnern und ein oder mehrere Basisstationen, welche in einer Arena oder in mehreren Arenen angeordnet sind, und einen oder mehrere Global Navigation System Signal Generatoren (GNSSGs) umfasst.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Basisstation zur drahtlosen Übertragung von zeitgesteuerten Nachrichten in einem verteilten Echtzeitsystem, wobei das verteilte Echtzeitsystem eine Vielzahl von Knotenrechnern und ein oder mehrere Basisstationen, welche in einer Arena oder in mehreren Arenen angeordnet sind, und einen oder mehrere Global Navigation System Signal Generatoren (GNSSGs) umfasst.

Schließlich betrifft die Erfindung noch ein verteiltes Echtzeitsystem umfassend eine Vielzahl von Knotenrechnern und ein oder mehrere Basisstationen, welche in einer Arena oder in mehreren Arenen angeordnet sind, und wobei das Echtzeitsystem einen oder mehrere Global Navigation System Signal Generatoren (GNSSGs) umfasst.

Die zeitgesteuerte Übertragung von Daten erfordert den Aufbau einer präzisen globalen Zeit, die in allen beteiligten Basisstationen und allen Knotenrechnern verfügbar sein muss. Vom Fortschreiten dieser globalen Zeit wird ein Trigger-Signal abgeleitet, das das Senden einer zeitgesteuerten Nachricht auslöst. Die bestehenden Protokolle zur drahtlosen Datenübertragung, wie z.B. das weit verbreitete WiFi Protokoll [6], verwenden ein Frequenzband, das lizenzfrei von vielen Geräten gleichzeitig benutzt werden darf. Um die wechselseitige Beeinflussung der Geräte zu minimieren, wird entsprechend dem WIFI Protokoll von einem Gerät mit dem Senden einer Nachricht erst begonnen, wenn ein Sendekanal nicht belegt ist. Dadurch ergeben sich nicht vorhersehbare Verzögerungen des Nachrichtentransports. Diese nicht vorhersehbaren Verzögerungen der Nachrichten erschweren den Aufbau einer präzisen globalen Zeit.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen.

Diese Aufgabe wird mit einem eingangs erwähnten Verfahren dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß in jeder Arena mindestens ein Global Navigation System Signal Generator (GNSSG) vorhanden ist, wobei alle GNSSGs über ein drahtgebundenes zeitgesteuertes Kommunikationssystem (ZKS) mittels zeitgesteuerter Nachrichten miteinander kommunizieren, und wobei jeder GNSSG exakt zu Beginn jeder vollen und halben Minute der von dem zeitgesteuerten Kommunikationssystem zur Verfügung gestellten globalen ZKS Zeit mindestens eine GNS Nachricht sendet, und wobei ein Knotenrechner den Oszillator seiner Uhr mit mindestens einer empfangenen GNS Nachricht diszipliniert und so an der globalen ZKS Zeit teilnimmt, und wobei entsprechend einem für jeden Knotenrechner und jede Basisstation a priori individuell erstellten Zeitplan Trigger-Signale für das Senden von zeitgesteuerten Datennachrichten zwischen den Knotenrechnern und den Basisstationen auf ein oder vorzugsweise mehreren drahtlosen bidirektionalen Datenkanälen vom Fortschreiten der globalen ZKS Zeit abgeleitet werden.

Weiters wird diese Aufgabe mit einem oben genannten Knotenrechner gelöst, wobei erfindungsgemäß der Knotenrechner die Hardware, z.B. Chipsets, zur Realisierung von mindestens zwei unterschiedlichen drahtlosen Übertragungssysteme enthält, wobei das erste Übertragungssystem ein unidirektionales drahtloses Übertragungssystem zur Übertragung von Synchronisationsnachrichten von dem einen oder den mehreren GNSSGs zu den Knotenrechnern zum Aufbau einer globalen Zeit ist, und zumindest ein weiteres Übertragungssystem ein bidirektionales Übertragungssystem zur Übertragung von Datennachrichten zwischen den Basisstationen und den Knotenrechnern ist. Außerdem wird diese Aufgabe mit einer oben genannten Basisstation gelöst, wobei erfindungsgemäß die Basisstation die Hardware, z.B. Chipsets zur Realisierung von mindestens zwei unterschiedlichen drahtlosen Übertragungssysteme enthält, wobei das erste Übertra- gungssystem ein unidirektionales drahtloses Übertragungssystem zur Übertragung von Synchronisationsnachrichten von dem einen oder den mehreren GNSSGs zu den Knotenrechnern zum Aufbau einer globalen Zeit ist, und zumindest ein weiteres Übertragungssystem ein bidirektionales Übertragungssystem zur Übertragung von Datennachrichten zwischen den Basisstationen und den Knotenrechnern ist.

Schlussendlich wird die Aufgabe noch mit einem verteilten Echtzeitsystem gelöst, welches eine Vielzahl von oben genannten Knotenrechnern und ein oder mehrere Basisstationen umfasst, welche in einer Arena oder in mehreren Arenen angeordnet sind, und wobei das Echtzeitsystem einen oder mehrere Global Navigation System Signal Generatoren (GNSSGs) umfasst.

Die vorliegende Erfindung beschreibt unter anderem ein neues Verfahren zur drahtlosen fehlertoleranten Uhrensynchronisation der Knotenrechner in einem verteilten Echtzeitsystem, in dem zeitgesteuerte Nachrichten zwischen einer Vielzahl von mobilen oder stationären Knotenrechnern und mehrerer stationären Basisstationen ausgetauscht werden.

Es werden mindestens zwei unterschiedliche drahtlose Kommunikationssysteme (auch als Übertragungssystem bezeichnet) eingesetzt, die in unterschiedlichen Frequenzbändern operieren. Ein unidirektionales Kommunikationssystem dient zur Übertragung von Synchronisationsnachrichten zum Aufbau der globalen Zeit und das andere bidirektionale Übertragungssystem dient zur Übertragung von Datennachrichten.

Die Basisstationen kommunizieren über ein zeitgesteuertes leitungsgebundenes Kommunikationssystem, z.B. TT Ethernet [9]. Ein solches zeitgesteuertes Kommunikationssystem (ZKS) baut eine globale Zeit, die ZKS Zeit, aller Basisstationen auf, wie z. B. in [9] beschrieben. Erfindungsgemäß wird die ZKS Zeit mittels zeitgesteuerter Synchronisationsnachrichten über ein drahtloses unidirektionales Kommunikationssystem (erstes Kommunikationssystem) an die Knotenrechner verteilt. Vorzugsweise ist die Frequenz und die Struktur der Synchronisationsnachrichten identisch mit den Nachrichten eines Globalen Navigationssystem (GNS), wie z.B. das Global Positioning System GPS, GALILEO oder GLONASS, um die Hardware der in großer Stückzahl produzierten kostengünstigen GNS Empfänger in den Knotenrechnern einsetzen zu können. Die Präzision [7, p.55], [11] dieser globalen Zeit liegt im Bereich von besser als 100 nsec. Unter Verwendung der globalen Zeit werden zeitgesteuerte Datennachrichten erfindungsgemäß über einen oder mehrere bidirektionale drahtlose Kommunikationskanäle (des zweiten drahtlosen Kommunikationssystems), die entsprechend einem oder mehreren der standardisierten drahtlosen Übertragungsverfahren funktionieren [6], übertragen.

Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Erfindung unter anderem ein neues Verfahren zur drahtlosen fehlertoleranten Uhrensynchronisation der Knotenrechner in einem verteilten Echtzeitsystem in dem zeitgesteuerten Nachrichten zwischen einer Vielzahl von mobilen oder stationären Knotenrechnern und mehrerer stationären Basisstationen ausgetauscht werden. Die Basisstationen kommunizieren über ein leitungsgebundenes zeitgesteuertes Kommunikationssystem (ZKS) und bauen eine fehlertolerante globale Zeit, die ZKS Zeit auf. Zwischen den Basisstationen und den Knotenrechnern gibt es zwei unterschiedliche drahtlose Kommunikationssysteme, eines zur unidirektionalen Übertragung von Synchronisationsnachrichten der ZKS Zeit und ein weiteres zur bidirektionalen zeitgesteuerten Übertragung der Datennachrichten.

In keinem der zitierten Patente oder Patentanmeldungen [1-5] wird das vorgeschlagene Verfahren vorweggenommen.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Knotenrechners, der erfindungsgemäßen Basisstation und des erfindungsgemäßen Echtzeitsystems, welche für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander realisiert sein können, sind im Folgenden beschrieben:

• die globale ZKS Zeit ist fehlertolerant;

• eine Monitorkomponente überwacht die von einer GNSSG ausgehende Synchronisationsnachricht und stört bei Erkennung eines Fehlers die Synchronisationsnachricht durch ein Störsignal vorzugsweise innerhalb einer Bit-Zelle; • jene Slots, in denen die Knotenrechner oder die Basisstationen eine Datennachricht senden, überlappen sich nicht;

• die eine oder die mehreren Basisstationen sind in einer Arena so angeordnet, dass es keinen Funkschatten zu den Knotenrechnern gibt;

• eine Datennachricht enthält einen Zeitstempel des globalen Zeitpunkts des Sendens der Datennachricht;

• eine von einem Knotenrechner gesendete eingehende Datennachricht wird von allen die Datennachricht empfangenden Basisstationen übernommen;

• die Struktur der zeitgesteuerten Datennachrichten entspricht dem TT-Ethernet Standard;

• ein drahtloser Datenkanal wird entsprechend dem IEEE Standard 802.11 (Wi-Fi) realisiert;

• ein drahtloser Datenkanal wird entsprechend dem IEEE Standard 802.15.1 (Bluetooth) realisiert;

• ein drahtloser Datenkanal wird entsprechend dem IEEE Standard 802.15.3 (UWB) realisiert;

• ein drahtloser Datenkanal wird entsprechend dem IEEE Standard 802.15.4 (Zigbee) realisiert;

• vorzugsweise ist in dem Knotenrechner Hardware, insbesondere ein Chipset zum Empfang von GNS Signalen enthalten;

• weiters ist es günstig, wenn in dem Knotenrechner Hardware, insbesondere ein oder mehrere Chipsets zur Unterstützung eines oder mehrerer der folgenden Kommunikationsprotokolle enthalten sind:

> IEEE Standard 802.11 (Wi-Fi); > IEEE Standard 802.15.1 (Bluetooth);

> IEEE Standard 802.15.3 (UWB);

> IEEE Standard 802.15.4 (Zigbee).

• weiters ist es von Vorteil, wenn in der Basisstation Hardware, insbesondere ein oder mehrere Chipsets zur Unterstützung eines oder mehrerer der folgenden Kommunikationsprotokolle enthalten sind:

> IEEE Standard 802.11 (Wi-Fi);

> IEEE Standard 802.15.1 (Bluetooth);

> IEEE Standard 802.15.3 (UWB);

> IEEE Standard 802.15.4 (Zigbee).

• ein verteiltes Echtzeitsystem enthält eine Vielzahl von oben beschriebenen Knotenrechnern;

• vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Basisstationen wie oben beschrieben ausgebildet sind, bei welchen ein GNSSG jeweils in eine Basisstation eingebaut ist;

• es kann auch vorgesehen sein, dass ein oder mehrere GNSSG jeweils mit einer Basisstation verbunden, insbesondere drahtgebunden verbunden sind.

Begriffserklärungen

Im folgenden Abschnitt werden jene Begriffe erklärt, die in der detaillierten Beschreibung der Erfindung zur Anwendung gelangen und über die Standardbegriffe in der Echtzeitverarbeitung, wie sie z.B. im Lehrbuch [7] behandelt werden, hinausgehen.

Ein Raum, z.B. eine Produktionshalle, in dem sich die vielen verteilten Knotenrechner befinden, die über eine drahtlose Verbindung Daten mit den Basisstationen austauschen, wird als Arena bezeichnet. Eine große Produktionsanlage wird im Allgemeinen mehrere Produktionshallen, d.h. Arenen umfassen. In jeder Arena befinden sich eine Vielzahl von Knotenrechnern und eine oder mehrere Basisstationen. Ein Kommunikationssystem kann gleichzeitig auf mehrere Kanälen Nachrichten senden, die sich durch die Frequenz oder Kodierung unterscheiden. Die Regeln, die bei der Übertragung von Nachrichten zu befolgen sind, bezeichnet man als Protokoll.

Eine Nachricht, die anwendungsspezifische Payload Daten enthält, wird als Datennachricht bezeichnet. Eine Nachricht die zum Aufbau einer globalen Zeit in den Knotenrechnern und den Basisstationen dient, wird als Synchronisationsnachricht bezeichnet. Die Anpassung des Stands und des Gangs des Oszillators an eine empfangene Synchronisationsnachricht bezeichnet man als Disziplinierung des Oszillators. Ein zeitgesteuertes Kommunikationssystem (ZKS) ist ein Kommunikationssystem, in dem Daten mittels zeitgesteuerter Nachrichten ausgetauscht werden. Alle Teilnehmer eines ZKS müssen über eine globale Zeit, die als ZKS Zeit bezeichnet wird, verfügen [7, S. 183].

Das Zeitintervall, das für das Senden einer Datennachricht vorgesehen, wird als Slot bezeichnet. Ein Zeitplan, der die Zeitpunkte des Sendens der zeitgesteuerten Nachrichten vorgibt, bestimmt die Lage der Slots auf der Zeitachse. Vom Fortschreiten der Zeit werden entsprechend dem Zeitplan Trigger-Signale abgeleitet, die das Senden der zeitgesteuerten Datennachrichten auslösen.

Eine Datennachricht, die von der Basisstation zu den Knotenrechnern gesendet wird, wird als ausgehende Datennachricht bezeichnet. Eine Datennachricht, die von einem Knotenrechner zu den Basisstationen gesendet wird, wird als eingehende Datennachricht bezeichnet.

Ein globales Navigationssystem (GNS) ist ein System von Satelliten, das periodisch präzise Synchronisationsnachrichten zur Erde sendet. Ein Beispiel für GNS ist das amerikanische GPS, das europäische GALILEO oder das russische GLANOSS. Ein Global Navigation System Signal Generator (GNSSG) ist ein Gerät, das die Synchronisationsnachrichten eines oder mehrere GNS Kanäle nachbildet und in eine Arena sendet.

Die Synchronisationsnachrichten des GPS Systems sind 1500 Bit lang und werden exakt zu Beginn jeder halben Minute mit einer Datenrate von 50 Bit/ Sekunde ausgestrahlt.

Die Logik vieler gängiger Kommunikationsprotokolle ist in hochintegrierten Halbleiterbauelementen realisiert, die als Chipsets bezeichnet werden. Im Folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erörtert. In dieser zeigt Fig. 1 den Aufbau von zwei Arenen, und

Fig. 2 die Überwachung einer Synchronisationsnachricht durch eine Monitorkomponente.

In Fig. 1 ist eine erste Arena durch den Quader 110 und eine zweite Arena durch den Quader 120 dargestellt. In der Arena 110 befinden sich zwei Basisstationen 111 und 112 und in der Arena 120 befinden sich zwei Basisstationen 121 und 122. Um den Ausfall von Basisstationen zu beherrschen, können in einer Arena auch mehr als zwei Basisstationen angeordnet sein.

In der ersten Arena 110 befinden sich drei Knotenrechner 115, 116 und 117. In der zweiten Arena 120 befinden sich drei Knotenrechner 125, 126 und 127.

Die vier Basisstationen 111, 112, 121, und 122 sind durch einen redundanten leitungsgebundenen Kommunikationskanal 130 verbunden. Durch den Austausch von leitungsgebundenen Synchronisationsnachrichten über den redundanten Kommunikationskanal 130 wird eine fehlertolerante globale Zeit, die ZKS Zeit, von den vier Basisstationen 111, 112, 121, und 122 aufgebaut.

Jede Basisstation sendet drahtlose Nachrichten auf zwei unterschiedlichen drahtlosen Kommunikationssystemen zu den Knotenrechnern, und zwar senden die Basisstationen 111 und 112 in der Arena 110 an die drei Knotenrechner 115, 116 und 117 und die Basisstationen 121 und 122 in der Arena 120 an die drei Knotenrechner 125, 126 und 127. Die ein, zwei oder mehr Basisstationen in einer Arena sind vorzugsweise so angeordnet, dass kein Knotenrechner im Funkschatten aller Basisstationen liegt. Vorzugsweise empfängt jeder Knotenrechner die Nachrichten von mehreren Basisstationen, so dass der Ausfall einer Basisstation toleriert werden kann.

Auf dem ersten drahtlosen, unidirektionalen Kommunikationssystem werden Synchronisationsnachrichten der ZKS Zeit an die Knotenrechner gesendet. Die Struktur dieser Synchronisationsnachrichten entspricht dem Standard eines Globalen Satellitennavigationssystems (GNS). Erfindungsgemäß werden die Synchronisationsnachrichten nicht von einem Satelli- ten, sondern von einem Global Navigation System Signal Generator (GNSSG), der bei der gezeigten Ausführungsform in eine Basisstation der Arena integriert ist, gesendet. Ein, zwei, mehrere oder alle der GNSSG können auch außerhalb der zugeordneten Basisstation angeordnet sein, und sind mit dieser dann jeweils drahtgebunden verbunden. Die Feldstärke des GNSSG Signals in der Arena ist so zu wählen, dass die Feldstärke der Satellitensignale überlagert wird. Ein GNSSG kann auch gleichzeitig mehrere Synchronisationsnachrichten der ZKS Zeit, die sich durch ihre Kodierung unterscheiden, an die Knotenrechner senden. Sobald ein Knotenrechner eine Synchronisationsnachricht erhält, diszipliniert er seinen lokalen Oszillator, um ihn mit der globalen Zeit zu synchronisieren. Bei Ausfall von einer oder mehrerer Synchronisationsnachrichten nimmt der Knotenrechner die globale ZKS-Zeit von seinem disziplinierten lokalen Oszillator.

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann der Zeitpunkt des Sendens der von einem GNSSG 201 ausgehenden Synchronisationsnachrichten von einer Monitorkomponente 203, die über eine Drahtverbindung 202 mit dem GNSSG verbunden ist, überprüft werden. Wenn die Monitorkomponente 203 unter Bezugnahme auf ihre lokale Uhr feststellt, dass die Synchronisationsnachricht von dem GNSSG 201 zu einem falschen Zeitpunkt gesendet wird, so stört die Monitorkomponente 203 die ausgehende Nachricht vorzugsweise innerhalb einer Bit-Zelle, so dass jeder empfangende Knotenrechner den Fehler erkennen kann und die Nachricht verwirft.

Auf dem zweiten, drahtlosen bidirektionalen Kommunikationssystem werden zeitgesteuerte Datennachrichten zwischen den Basisstationen und den Knotenrechnern ausgetauscht. Vorzugsweise entspricht die Struktur jeder Datennachricht dem TTEthernet Standard und enthält einen Zeitstempel der ZKS Zeit, so dass Kopien von Datennachrichten erkannt werden können. Vorzugsweise entspricht das Protokoll zum Senden der Datennachrichten einem oder mehreren der folgenden IEEE Standards: dem IEEE Standard 802.11 (Wi-Fi), dem IEEE Standard 802.15.1 (Bluetooth), dem IEEE Standard 802.15.3 (UWB), oder dem IEEE Standard 802.15.4 (Zigbee) [6].

Eine zeitgesteuerte Datennachricht wird gesendet, sobald die globale ZKS-Zeit beim Sender (d.i. eine Basisstation oder ein Knotenrechner) den Sendezeitpunkt der Nachricht, der in einem a priori erstellten Zeitplan enthalten ist, erreicht. Jede Datennachricht wird von jeder Basisstation der Arena gesendet. Die Slots, auf denen Datennachrichten gesendet werde, dürfen sich nicht überlappen. Eine von einem Knotenrechner gesendete Datennachricht wird von allen Basisstationen, die die Nachricht empfangen, übernommen.

Die Verwendung von standardisierten Protokollen ermöglicht es, kostengünstige Chipsets beim Aufbau der Knotenrechner und der Basisstationen einzusetzen.

Durch die präzise zeitgesteuerte Übertragung von Datennachrichten können die verfügbaren Kommunikationskanäle besser ausgelastet werden. Die vorliegende Erfindung ist daher von großer wirtschaftlicher Bedeutung.

Zitierte Dokumente:

[1] US Patent No. 7,120,092. del Prado Pavon , et al. System and methodfor performing dock synchronization ofnodes connected via a wireless local area network. Granted on October 10, 2006

[2] US Patent No. 7,499,444. Bennett. Methodfor clock synchronization of wireless 1394 busesfor nodes connected via IEEE 802.11 a/b WLAN. Granted on March 3, 2009.

[3] US Patent No. 8,145,247. Fullam. Clock synchronization for a wireless Communications System. Granted on March 27, 2012.

[4] US Patent 8,427,987. Stocks. System and methodfor time synchronized beacon enabled wireless personal area network communication. Granted on April 23, 2013.

[5] US Patent Application 20110068973, Humphreys et al.. Assimilating GNSS Signals to Improve Accuracy, Robustness and Resistance to Signal Interference. Published March 24, 2011.

[6] Lee et al. A Comparative Study of Wireless Protocols: Bluetooth, UWB, ZigBEE, and Wi-Fi. Proc. of the 3 ^rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Taipeh. Pp.46- 51. IEEE Press. 2007.

[7] Kopetz, H. Real-Time Systems, Design Principles for Distributed Embedded Applications. Springer Verlag. 2011. [8] Hiertz, G.R.. The IEEE 8092.11 Universe. IEEE Communication Magazine. Jan 2010. pp. 62-70. IEEE Press. 2001 , M., Ed. System of Systems Engineering - Innovations for the 21st Centur., J. Wiley & Sons.2009.

[9] SAE Standard AS6802 von TT Ethernet. URL: http://standards.sae.org/as6802

[10] RT-WiFi: Wei et al. Real-Time High-Speed Communication Protocol for Wireless Cyber- Physical Control Applications. Proc. of RTSS 2013. Pp. 140-149. Vancouver. IEEE Press

[11] Lombardi, G., The Use of GPS Disciplined Oscülators as Primary Frequency Standards for Calibration and Metrology Laboratories. Measure. Vol. 3, No. 3, Pp. 56-65. September 2008.