WO2010092172A1 - Methods for configuring and operating radio nodes of a radio network - Google Patents
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- H04L5/0073—Allocation arrangements that take into account other cell interferences
Definitions
- the present invention relates to methods for configuring and operating radio nodes of a radio network. Furthermore, the present invention relates to a radio node, a radio network and an automation network.
- Radio technologies have become increasingly important in recent years, especially in the industrial environment. This trend towards wireless technologies as a replacement for wired technologies will continue, especially for cost reasons. Because wireless networks can be installed at lower cost in almost any environment than wired networks. However, wireless networks can also be used to extend existing wired networks.
- a radio network is usually constructed by a wired infrastructure with radio network access points.
- a wireless network access point is an access point, gateway, hot spot, coordinator, etc.
- the access points are interconnected via the wired infrastructure and each access point generates a corresponding radio cell, the radio cells forming the radio network.
- Wireless terminals within the wireless network can exchange data with the wired infrastructure through appropriate access points.
- a wireless terminal for example, a wireless field device to understand how eg a sensor or an actuator, which is part of the automation network.
- Sensors and actuators are essential components of conventional automation solutions and are wirelessly coupled to distributed peripherals (e.g., gateway as a wireless network access point) which is wired to a fieldbus (e.g., Profinet / Profibus).
- a fieldbus e.g., Profinet / Profibus.
- radio cells e.g., a WSAN
- Potential conflicts in the use of the same frequencies are minimized by professional measurement of the environment and by consistent radio field planning and management of the radio frequencies.
- interference still occurs in a communication between a wireless field device and a corresponding radio network access point, these are most often due to interference with one or more nearby wireless field devices operating in the same frequency range.
- Common wireless field devices of an automation network which act as radio transmitters when exchanging data with the wireline network, usually use the same frequency resources, such as the license-free ISM band between 2.400 GHz and 2.483 GHz.
- the same frequency resources such as the license-free ISM band between 2.400 GHz and 2.483 GHz.
- this can lead to a significant delay in the transmission time at high radio density, which in turn leads to a high latency.
- a wireless network in the industry compared to home and office applications meet much higher requirements, such as have particularly low latency.
- a first known solution is used, for example, in the IEEE 802.15.4 standard, which defines the low layers of network access (link layer, also known as MAC layer, and physical layer, also known as physical layer).
- link layer also known as MAC layer
- physical layer also known as physical layer
- ACL access control list
- the checking of an incoming packet is realized by the hardware of the radio chip access point radio chip based on the ACL.
- the disadvantage of this solution lies in the fact that the security function must be switched on for the communication. In cases where very low latencies are required, such as in the manufacturing industry, turning on the security function to secure communication results in high latency and is therefore unacceptable.
- the problem of interferences is solved applicatively in the respective radio node, for example by means of a security application.
- this solution leads to long and thus unacceptable latencies for certain applications. Because according to this solution, false packets must first pass through the entire protocol stack in order to call the security application, which then detects the wrong packets not belonging to this radio cell.
- the invention is therefore based on the object to ensure a trouble-free operation of adjacent radio cells of a radio network, with very short latencies are met.
- the present invention provides a method for configuring radio nodes of a radio network having at least one radio cell.
- a data frame is implemented according to a radio standard, which is provided with a preamble.
- this preamble is parameterized by means of a radio-cell-specific value.
- a data frame which can also be referred to as a data telegram or data frame, for example, has a specific structure depending on the radio standard used.
- the radio standard used determines the communication process between radio nodes in a radio cell of the radio network.
- the data frame may include, for example, delimiters for marking the start and end of the frame, destination and source addresses, control information, payload data and checksums.
- the preamble is dependent on the radio Standard either part of or preceded by the data frame. Conventionally, the preamble must contain prescribed values depending on the standard used, so that data packets can be detected at a receiving radio node using the same radio standard as a transmitting radio node.
- a receiving radio node also listens to data packets that are not intended for him.
- these data packets are conventionally discarded only after a security mechanism has recognized, after a processing time that is too long for many applications, that received data packets are invalid.
- radio-cell-specific means that the value differs in the individual radio cells of a radio network.
- each radio node is assigned to a radio cell and the radio cell-specific value for radio nodes of a radio cell is identical.
- the radio cells can be generated by cloning a single radio cell.
- the radio cells are basically identical cells, which differ only in the preamble of the data frames implemented in the radio nodes.
- the radio nodes can unambiguously allocate data packets, even if the cloned radio cells operate on the same channel.
- the present invention provides a method for operating radio nodes of a radio network having at least one radio cell, wherein a data frame corresponding to a radio standard is implemented in the radio nodes.
- a preamble to be sent data packets is adjusted according to a preamble of the data frame, which is parameterized by means of a radio cell-specific value.
- the thus adapted data packets are sent from a transmitting radio node to a receiving radio node.
- a validity of the data packets in the receiving radio node is evaluated based on at least a part of the radio cell specific value of the preamble, which is also included in the preamble of data packets sent due to the adaptation to the preamble of the data frame. As validated data packets are received in the receiving radio node, whereas the receiving radio node blocks as invalidated data packets.
- the implemented data frame ensures that data packets to be sent have a preamble with a radio cell-specific value, which is given to them by the transmitting, preconfigured radio node.
- the receiving radio node can already carry out the evaluation on a leading part of the data packet since, in principle, it first receives the preamble.
- a comparison between a preamble of the data frame implemented in the receiving radio node and a preamble of the received data packet is performed.
- a data packet is therefore evaluated as valid if it is received by a radio node which belongs to the same radio cell as the transmitting radio node. Because in this case, the radio cell-specific values of the respective preambles match.
- blocking of data packets means that reception of a data packet is stopped immediately as soon as the receiving radio node has recognized from the radio cell-specific preamble of the data packet that the data packet is not intended for it. This means that the receipt of a data packet can already be aborted before the entire data packet is received at all, since the preamble already indicates whether it is a valid or invalid data packet. Thus, further contents of a data packet do not have to be considered at all, so that the effort and the time for an evaluation of the validity are significantly reduced.
- all information received (usually only a few bits or bytes) until it detects an invalidity of a data packet is discarded immediately.
- the present invention thus ensures that invalid data packets are detected in the fastest possible way at the receiving radio node, whereby a latency compared to conventional solutions is significantly reduced or minimized.
- the solution according to the invention is also suitable for fields of application in which particularly short latencies are prescribed (for example between 5 and 50 ms). Furthermore, a trouble-free operation of adjacent radio cells is ensured, which on the same or adjacent
- Frequencies are sparking.
- a monitoring of data packets described at the beginning which is not intended for the receiving radio node is prevented.
- both adjacent and remote radio cells are destroyed, which spark on the same frequency and between which, for example, another radio cell can be provided which radiates on a different frequency.
- the data frame has a frame structure in which protocol and data information is mapped.
- the preamble is then the first data field which has a radio cell deviating from the radio standard used. has specific value.
- the preamble of the data frame continues to consist of a 1-0 bit combination, which among other things serves to enable the receiver to synchronize to the transmitter.
- the data frame is a data frame of a physical layer when describing tasks of communication in a layer model.
- the data of the physical layer which is also known to the person skilled in the art as a physical layer
- the layer model forms a functional subdivision of the communication tasks.
- One layer's job is to provide services for the next higher layer, using the services of the underlying layer.
- a layer N on a device A for example a first radio node
- a layer N on a device A for example a first radio node
- the layer model corresponds to the OSI reference model of the ISO, which is known to the person skilled in the art and will therefore not be described further here.
- the data frame is implemented in a radio chip of the radio node.
- the radio chip must have a certain flexibility, so that the preamble of the data frame can be manipulated accordingly. That is, the radio chip must allow access to the corresponding register in order to replace a preamble that complies with the respective standard with a radio-cell-specific preamble or to adapt a value of the standard-compliant preamble to a radio-cell-specific value.
- only one radio chip can be used in the radio node, which allows to violate the respective standard.
- An example of a radio chip that possesses such flexibility is the ChipCon chip CC2420 with which the solution according to the invention has already been verified.
- the present invention relates to a radio node which is set up for communication with at least one further radio node.
- the radio node comprises a radio chip in which a data frame is implemented in accordance with a radio standard which comprises a preamble which is parameterized by means of a radio-cell-specific value.
- a radio node corresponds to a radio node as described in relation to the methods according to the invention.
- the radio node may be a radio network access point or a wireless field device of a radio network and part of an automation network.
- the present invention relates to a radio network, comprising at least one radio cell with at least two of the radio nodes described above.
- the at least two radio nodes of a radio cell are set up for communication with one another.
- the present invention relates to an automation network comprising at least one wireless network as described above.
- FIG. 1 shows a radio network with three radio cells and a plurality of radio nodes.
- FIG. 2 shows a physical layer and a security layer according to the IEEE 802.15.4 standard.
- FIG. 3 shows a method according to an exemplary embodiment of the present invention.
- the radio network 1 of FIG. 1 shows a radio network 1 with three radio cells 2, 3, 4 and a plurality of radio nodes 5, 6, 7, 8, 9, 10.
- the radio network 1 of FIG. 1 is based on the IEEE 802.15.4 standard , This standard describes a Wireless Sensor and Actor Networks (WSAN) transmission protocol, which defines the physical layer (PHY layer) and the link layer (MAC layer) of the ISO / OSI reference model.
- WSAN Wireless Sensor and Actor Networks
- PHY layer physical layer
- MAC layer link layer
- the ISM bands 868/915 MHz and 2.45 GHz are available, whereby mainly the 2.45 GHz band is used.
- the plurality of radio nodes 5-10 form a radio network.
- Three of the illustrated radio nodes are radio network access points 8, 9, 10 and the other radio nodes are wireless field devices 5, 6, 7
- the radio network access point 8 and the wireless field devices 5 are assigned to the first radio cell 2, the radio network access point 9 to the second radio cell 3 and the wireless network access point 10 and the wireless field devices 7 to the third radio cell 4.
- the wireless field devices of a radio cell communicate with the corresponding radio network access point and vice versa.
- the radio network of Figure 1 is part of a wired automation network (not shown), and the radio network access points are as a distributed peripheral to a
- the radio network access points provide interfaces between the wired and wireless networks.
- the radio network access points 8, 9, 10 are wireless gateways, for example, PNIO (Profinet Input Output) gateways according to the IEEE 802.15.4 standard.
- the wireless field devices 5, 6, 7 are sensors or actuators, for example PNIO sensors / actuators according to the IEEE 802.15.4 standard.
- the IEEE 802.15.4 standard for radio nodes provides two levels of complexity, FFD (Füll Function Device) and RFD (Reduced Function Device).
- An FFD offers special functions so that a device can act as a coordinator, for example. Furthermore, different FFDs can communicate directly with each other.
- the radio network access points 8, 9, 10 of Figure 1 should be considered FFDs if they are PNIO gateways according to the IEEE 802.15.4 standard.
- An RFD can only communicate directly with a FFD because it has limited functionalities.
- the wireless field devices 5, 6, 7 of FIG. 1 are to be regarded as RFDs if they are PNIO sensors / actuators according to the IEEE 802.15.4 standard.
- the radio cells of a radio network partially overlap, so that in principle there is a risk that a radio network access point of a radio cell listens to data packets that are not intended for him.
- a radio network access point of a radio cell listens to data packets that are not intended for him.
- the radio network access point 8 of the first radio cell 2 hears data packets from a wireless field device 7 that are actually intended for the radio network access point 10 of the third radio cell 4. This danger exists especially if in the first and the third
- Radio cell 2, 4 is sparked with the same frequency. Furthermore, there is the risk that the radio network access point 8 of the first radio cell 2 listens to data packets provided for the radio network access point 9 of the second radio cell 3, even if in the first and the second radio cell 2, 3 with different but consecutive frequencies (adjacent channels ) is sparked. Likewise, in the case illustrated in FIG. 1, there is a risk that the radio network Access point 9 of the second radio cell 3 monitors data packets that are intended for the radio network access point 8 of the first radio cell 2, since a wireless field device 5 of the first radio cell 2 is arranged at a cell edge of the second radio cell 3.
- FIG. 2 shows a physical layer (PHY layer) and a data link layer (MAC layer) according to the IEEE 802.15.4 standard.
- PHY layer physical layer
- MAC layer data link layer
- FIG. 2 shows a physical layer (PHY layer) and a data link layer (MAC layer) according to the IEEE 802.15.4 standard.
- PHY layer physical layer
- MAC layer data link layer
- FIG. 2 shows a check of the validity of data packets at the earliest in the MAC level.
- the present invention proposes to perform this check already in the PHY plane of a radio node, for example to solve the problems described with reference to FIG.
- the preamble in the PHY level is parameterized with a radio-cell-specific value.
- the preamble of the PHY level in accordance with the IEEE 802.15.4 standard contains 4 bytes with the value 0. According to the invention, these 4 bytes are given the value 0 per radio cell with a different value.
- a register interface accesses a preamble holding register of a radio chip of the radio node in which the data frame shown in FIG. 2 is implemented and writes the corresponding radio cell-specific value into the register.
- a synchronization header in the PHY plane in addition to the preamble, also includes a start of frame delimiter, which, however, can not be manipulated. Otherwise there would be a risk that the radio chip is no longer working properly.
- the Start of Frame Delimiter signals the beginning of a frame to a receiver. According to the IEEE 802.15.4 standard, the Start of Frame Delimiter has the value 0xa7. However, the start of frame delimiter and the others, in Figure 2 displayed data fields of the PHY level and the MAC level has no effect on the present invention. Since those skilled in the art also their functions are known, they will not be further described here.
- FIG. 3 shows a method according to an exemplary embodiment of the present invention.
- radio nodes of a radio network are configured with at least one radio cell.
- the radio nodes shown in FIG. 1 which are designed as radio network access points and wireless field devices and are arranged in different radio cells, can be configured in this way. This can influence a later communication of these radio nodes.
- a data frame according to a radio standard is implemented in the radio nodes S1, for example the data frame of FIG. 2 according to the IEEE 802.15.4 standard.
- This data frame is provided with a preamble S2, which is parameterized by means of a radio-cell-specific value S3.
- a radio-cell-specific value S3 By way of example, referring to FIG.
- the same data frame is implemented in all radio nodes 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the radio network 1.
- the preamble of the data frames of the radio nodes in the respective radio cells 2, 3, 4 is parameterized differently. That is, the preambles of the radio nodes 5, 8 of the radio cell 2, the radio node 6, 9 of the radio cell 3 and the radio nodes 7, 10 of the radio cell 4 are each assigned a specific value. As a result, in the radio cells 2, 3, 4 of FIG. 1, the same frequency can be transmitted, even if the radio cells partially overlap, without them interfering with each other in the communication.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Small-Scale Networks (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
Description
Beschreibungdescription
Verfahren zum Konfigurieren und Betreiben von Funkknoten eines FunknetzesMethod for configuring and operating radio nodes of a radio network
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Konfigurieren und Betreiben von Funkknoten eines Funknetzes. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Funkknoten, ein Funknetzwerk und ein Automatisierungsnetzwerk.The present invention relates to methods for configuring and operating radio nodes of a radio network. Furthermore, the present invention relates to a radio node, a radio network and an automation network.
Funktechnologien haben in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen, gerade auch im industriellen Umfeld. Dieser Trend hin zu Funktechnologien als Ersatz für drahtgebundene Technologien wird insbesondere aus Kostengründen anhal- ten. Denn drahtlose Netzwerke können ohne größeren Aufwand in fast jeder Umgebung kostengünstiger installiert werden als drahtgebundene Netzwerke. Allerdings können drahtlose Netzwerke auch dazu eingesetzt werden, um bestehende drahtgebundene Netzwerke zu erweitern. Ein Funknetz ist üblicherweise durch eine drahtgebundene Infrastruktur mit Funknetzzugangspunkten aufgebaut. Unter einem Funknetzzugangspunkt ist beispielsweise ein Access Point, Gateway, Hot Spot, Coordinator, etc. zu verstehen. Die Zugangspunkte sind über die drahtgebundene Infrastruktur miteinander verbunden und jeder Zu- gangspunkt erzeugt eine entsprechende Funkzelle, wobei die Funkzellen das Funknetz bilden.Radio technologies have become increasingly important in recent years, especially in the industrial environment. This trend towards wireless technologies as a replacement for wired technologies will continue, especially for cost reasons. Because wireless networks can be installed at lower cost in almost any environment than wired networks. However, wireless networks can also be used to extend existing wired networks. A radio network is usually constructed by a wired infrastructure with radio network access points. For example, a wireless network access point is an access point, gateway, hot spot, coordinator, etc. The access points are interconnected via the wired infrastructure and each access point generates a corresponding radio cell, the radio cells forming the radio network.
Auch in der Automatisierungstechnik werden nicht mehr nur drahtgebundene Bussysteme für die Datenkommunikation zwischen Geräten eingesetzt. So werden immer häufiger auch drahtloseEven in automation technology, it is no longer only wired bus systems that are used for data communication between devices. So are becoming increasingly common wireless
Netzwerke als Teil eines Automatisierungsnetzwerks aufgebaut, welche dem Fachmann beispielsweise unter der Bezeichnung "Wireless Sensor Actor Networks (WSAN)" bekannt sind. Drahtlose Endgeräte innerhalb des Funknetzes können über entspre- chende Zugangspunkte Daten mit der drahtgebundenen Infrastruktur austauschen. Unter einem drahtlosen Endgerät ist beispielsweise ein drahtloses Feldgerät zu verstehen, wie z.B. ein Sensor oder ein Aktor, welches Bestandteil des Automatisierungsnetzwerks ist.Networks constructed as part of an automation network, which are known in the art, for example, under the name "Wireless Sensor Actor Networks (WSAN)". Wireless terminals within the wireless network can exchange data with the wired infrastructure through appropriate access points. Under a wireless terminal, for example, a wireless field device to understand how eg a sensor or an actuator, which is part of the automation network.
Sensoren und Aktoren sind wesentliche Bestandteile herkömmli- eher Automatisierungslösungen und sind drahtlos an dezentrale Peripherie (z.B. Gateway als Funknetzzugangspunkt) angekoppelt, welche drahtgebunden an einen Feldbus (z.B. Profinet/ Profibus) angeschlossen ist. Im Unterschied zu drahtgebundenen Sensoren und Aktoren müssen sich Funkzellen (z.B. eines WSAN) , in welchen sich die drahtlosen Sensoren und Aktoren befinden, existierende Frequenzen teilen. Potentielle Konflikte bei der Verwendung gleicher Frequenzen werden durch professionelle Messung der Umgebung und durch konsequente Funkfeldplanung und Management der Funkfrequenzen minimiert. Wenn bei einer Kommunikation zwischen einem drahtlosen Feldgerät und einem entsprechenden Funknetzzugangspunkt trotzdem Störungen auftreten, so sind diese meistens auf Interferenzen mit einem oder mehreren drahtlosen Feldgeräten in unmittelbarer Nähe zurückzuführen, welche im gleichen Frequenzbereich arbeiten. Ferner kann es passieren, wenn zwei weit auseinander liegende Funkzellen auf dem gleichen Kanal senden, dass immer wieder Pakete der jeweils anderen Zelle mitgehört werden, wodurch die mithörende Funkzelle aus dem Takt gerät. Probleme entstehen jedoch nicht nur dann, wenn benachbarte Funkzellen des Funknetzes auf gleichen Frequenzen arbeiten, sondern auch dann, wenn die jeweiligen Frequenzen nahe aufeinander folgen. Beispielsweise kann es passieren, dass ein Funknetzzugangspunkt einer ersten Funkzelle Pakete eines drahtlosen Feldgeräts als gültige Pakete empfängt, welches eigentlich einer zweiten Funkzelle zugeordnet ist, wenn die Frequenzen der Funkzellen nahe aufeinander folgen.Sensors and actuators are essential components of conventional automation solutions and are wirelessly coupled to distributed peripherals (e.g., gateway as a wireless network access point) which is wired to a fieldbus (e.g., Profinet / Profibus). Unlike wired sensors and actuators, radio cells (e.g., a WSAN) in which the wireless sensors and actuators reside must share existing frequencies. Potential conflicts in the use of the same frequencies are minimized by professional measurement of the environment and by consistent radio field planning and management of the radio frequencies. However, if interference still occurs in a communication between a wireless field device and a corresponding radio network access point, these are most often due to interference with one or more nearby wireless field devices operating in the same frequency range. Furthermore, it can happen when two radio cells that are far apart transmit on the same channel that packets from the respective other cell are monitored over and over again, which causes the listening radio cell to become out of tune. However, problems do not arise only when adjacent radio cells of the radio network operate on the same frequencies, but also when the respective frequencies are close to each other. For example, it may happen that a radio network access point of a first radio cell receives packets of a wireless field device as valid packets, which is actually assigned to a second radio cell, when the frequencies of the radio cells close to each other.
Gängige drahtlose Feldgeräte eines Automatisierungsnetzwerks, welche als Funksender wirken, wenn sie Daten mit dem drahtge- bundenen Netzwerk austauschen, nutzen meist dieselben Frequenzressourcen, wie z.B. das lizenzfreie ISM-Band zwischen 2,400 GHz und 2,483 GHz. Dadurch besteht wie oben beschrieben die Gefahr, dass es leicht zu Störungen bei einer Datenüber- tragung kommt. Dies kann in der Praxis bei hoher Funkdichte zu einer deutlichen Verzögerung der Übertragungszeit führen, was wiederum zu einer hohen Latenzzeit führt. Jedoch muss gerade ein Funknetz in der Industrie im Vergleich zu Heim- und Büroanwendungen wesentlich höheren Anforderungen gerecht werden, wie z.B. besonders niedrige Latenzzeiten aufweisen.Common wireless field devices of an automation network, which act as radio transmitters when exchanging data with the wireline network, usually use the same frequency resources, such as the license-free ISM band between 2.400 GHz and 2.483 GHz. As a result, there is the danger, as described above, that interference with a data transmission can easily occur. comes. In practice, this can lead to a significant delay in the transmission time at high radio density, which in turn leads to a high latency. However, especially a wireless network in the industry compared to home and office applications meet much higher requirements, such as have particularly low latency.
Die gegenseitige Störung von Funkzellen, die auf der gleichen Frequenz oder benachbarten Frequenzen arbeiten, lässt sich jedoch manchmal auch bei genauer Vermessung und Funkfeldplanung nicht lösen, da sich Funkwellen sehr unterschiedlich und sehr dynamisch verbreiten. Nachfolgend werden bekannte Ansätze beschrieben, welche sich mit dem Problem der gegenseitigen Störung von Funkzellen beschäftigen.The mutual interference of radio cells operating at the same frequency or adjacent frequencies, however, sometimes can not be solved even with accurate surveying and radio field planning, as radio waves propagate very differently and very dynamically. Hereinafter, known approaches will be described which deal with the problem of mutual interference of radio cells.
Eine erste bekannte Lösung wird beispielsweise im IEEE 802.15.4 Standard angewendet, der die niedrigen Schichten des Netzwerkzugriffs definiert (Sicherungsschicht, auch als MAC- Layer bekannt, und Bitübertragungsschicht, auch als Physical Layer bekannt) . Dazu definiert der Standard geeignete Sicherheitsmechanismen, um die Kommunikation zwischen zwei Funkknoten abzusichern. Die Grundidee dabei ist eine Access Control Liste (ACL), die zu jedem Funkknoten (z.B. Sensor, Aktor, Zugangspunkt, etc.) eines Funknetzes einen Schlüssel und die entsprechende MAC-Adresse abspeichert. Die Überprüfung eines eingehenden Pakets wird durch die Hardware des Funkchips des Funknetzzugangspunkts anhand der ACL realisiert. Der Nachteil dieser Lösung liegt jedoch darin, dass für die Kommunikation die Sicherheitsfunktion eingeschaltet sein muss. In Fällen, in denen besonders niedrige Latenzzeiten erforderlich sind, wie beispielsweise in der Fertigungsindustrie, führt das Einschalten der Sicherheitsfunktion zur Absicherung der Kommunikation zu hohen Latenzzeiten und ist daher nicht akzeptabel.A first known solution is used, for example, in the IEEE 802.15.4 standard, which defines the low layers of network access (link layer, also known as MAC layer, and physical layer, also known as physical layer). For this purpose, the standard defines suitable security mechanisms to secure the communication between two radio nodes. The basic idea here is an access control list (ACL) which stores a key and the corresponding MAC address for each radio node (for example sensor, actor, access point, etc.) of a radio network. The checking of an incoming packet is realized by the hardware of the radio chip access point radio chip based on the ACL. The disadvantage of this solution, however, lies in the fact that the security function must be switched on for the communication. In cases where very low latencies are required, such as in the manufacturing industry, turning on the security function to secure communication results in high latency and is therefore unacceptable.
Gemäß einer zweiten bekannten Lösung wird das Problem von Interferenzen applikativ im jeweiligen Funkknoten gelöst, beispielsweise mittels einer Sicherheitsanwendung. Jedoch führt diese Lösung zu langen und somit inakzeptablen Latenzzeiten für bestimmte Einsatzgebiete. Denn gemäß dieser Lösung müssen auch falsche Pakete erst den gesamten Protokollstapel durchlaufen, um die Sicherheitsanwendung aufzurufen, welche dann die falschen, nicht zu dieser Funkzelle gehörenden Pakete er- kennt .According to a second known solution, the problem of interferences is solved applicatively in the respective radio node, for example by means of a security application. However, this solution leads to long and thus unacceptable latencies for certain applications. Because according to this solution, false packets must first pass through the entire protocol stack in order to call the security application, which then detects the wrong packets not belonging to this radio cell.
Ein wesentlicher Nachteil der obigen Lösungen besteht in der Performance. Denn der Zeitaufwand, um ein Paket vollständig zu lesen und die vorkonfigurierten Sicherheitsmechanismen an- zuwenden, kann nur in Automatisierungsanlagen akzeptiert werden, bei denen die Latenzzeit zwischen dem Eintritt und der Bearbeitung eines Alarms relativ lang sein kann. Allerdings sind beispielsweise in der Fertigungsindustrie zulässige Latenzzeiten sehr kurz (zwischen 5 und 50 ms), die mit den be- kannten Sicherheitsmechanismen nicht einzuhalten sind.A major disadvantage of the above solutions is performance. The time required to read a packet completely and apply the preconfigured security mechanisms can only be accepted in automation systems where the latency between the occurrence and processing of an alarm can be relatively long. However, for example, in the manufacturing industry, permissible latencies are very short (between 5 and 50 ms), which can not be met with the known safety mechanisms.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen störungsfreien Betrieb benachbarter Funkzellen eines Funknetzes sicherzustellen, wobei sehr kurze Latenzzeiten eingehalten werden.The invention is therefore based on the object to ensure a trouble-free operation of adjacent radio cells of a radio network, with very short latencies are met.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Konfigurieren von Funkknoten eines Funknetzes mit mindestens einer Funkzelle bereitgestellt. In den Funkknoten wird ein Daten- rahmen entsprechend einem Funkstandard implementiert, welcher mit einer Präambel versehen wird. Erfindungsgemäß wird diese Präambel mittels eines funkzellenspezifischen Werts paramet- riert .The present invention provides a method for configuring radio nodes of a radio network having at least one radio cell. In the radio nodes, a data frame is implemented according to a radio standard, which is provided with a preamble. According to the invention, this preamble is parameterized by means of a radio-cell-specific value.
Ein Datenrahmen, welcher beispielsweise auch als Datentelegramm oder Datenframe bezeichnet werden kann, hat je nach eingesetztem Funkstandard einen spezifischen Aufbau. Dabei legt der eingesetzte Funkstandard unter anderem den Kommunikationsablauf zwischen Funkknoten in einer Funkzelle des Funknetzes fest. Der Datenrahmen kann beispielsweise Trennzeichen zur Markierung von Beginn und Ende des Rahmens, Ziel- und Quelladressen, Steuerinformationen, Nutzdaten und Prüfsummen umfassen. Ferner ist die Präambel abhängig vom Funk- Standard entweder Teil des Datenrahmens oder diesem vorangestellt. Herkömmlich muss die Präambel abhängig vom eingesetzten Standard vorgeschriebene Werte enthalten, so dass Datenpakete an einem empfangenden Funkknoten, der denselben Funk- Standard wie ein sendender Funkknoten nutzt, überhaupt erkannt werden können. Wie eingangs beschrieben ist es daher möglich, dass ein empfangender Funkknoten auch Datenpakete mithört, die gar nicht für ihn bestimmt sind. Diese Datenpakete werden herkömmlich jedoch erst verworfen, nachdem ein Sicherheitsmechanismus nach einer für viele Einsatzgebiete zu langen Bearbeitungszeit erkannt hat, dass empfangene Datenpakete ungültig sind.A data frame, which can also be referred to as a data telegram or data frame, for example, has a specific structure depending on the radio standard used. Among other things, the radio standard used determines the communication process between radio nodes in a radio cell of the radio network. The data frame may include, for example, delimiters for marking the start and end of the frame, destination and source addresses, control information, payload data and checksums. Furthermore, the preamble is dependent on the radio Standard either part of or preceded by the data frame. Conventionally, the preamble must contain prescribed values depending on the standard used, so that data packets can be detected at a receiving radio node using the same radio standard as a transmitting radio node. As described above, it is therefore possible that a receiving radio node also listens to data packets that are not intended for him. However, these data packets are conventionally discarded only after a security mechanism has recognized, after a processing time that is too long for many applications, that received data packets are invalid.
Um die Bearbeitungszeit und die damit zusammenhängende La- tenzzeit deutlich zu verkürzen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Präambel mittels eines funkzellenspezifischen Werts zu parametrieren . Dabei bedeutet funkzellenspezifisch, dass sich der Wert in den einzelnen Funkzellen eines Funknetzes unterscheidet. Mit anderen Worten ist jeder Funkknoten einer Funkzelle zugeordnet und ist der funkzellenspezifische Wert für Funkknoten einer Funkzelle identisch. Somit ist die gemäß der Erfindung parametrierte Präambel zwar nicht standardkonform, jedoch verhindert sie, dass Funkknoten ungewollt Pakete mithören, die nicht für sie bestimmt sind.In order to shorten the processing time and the associated latency significantly, it is proposed according to the invention to parameterize the preamble by means of a radio-cell-specific value. In this case, radio-cell-specific means that the value differs in the individual radio cells of a radio network. In other words, each radio node is assigned to a radio cell and the radio cell-specific value for radio nodes of a radio cell is identical. Thus, although the preamble parameterized according to the invention is not standard compliant, it prevents radio nodes from unintentionally listening to packets which are not intended for them.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, wenn ein Funknetz eine Mehrzahl von Funkzellen umfasst, können die Funkzellen durch Klonen einer einzelnen Funkzelle erzeugt werden. Dazu müssen nach dem Klonen lediglich die Präambeln von Datenrahmen in Funkknoten der jeweiligen Funkzellen mit einem funkzellenspezifischen Wert parametriert werden. Das heißt, bei den Funkzellen handelt es im Grunde um identische Zellen, welche sich lediglich durch die Präambel der Datenrahmen unterscheiden, die in den Funkknoten implementiert sind. Dadurch können die Funkknoten Datenpakete eindeutig zuordnen, auch wenn die geklonten Funkzellen auf demselben Kanal arbeiten. Durch das Klonen einer einzigen Funkzelle kann das Einrichten eines Funknetzes erheblich vereinfacht und beschleunigt werden.According to a particularly preferred embodiment, if a radio network comprises a plurality of radio cells, the radio cells can be generated by cloning a single radio cell. For this purpose, only the preambles of data frames in radio nodes of the respective radio cells with a radio cell-specific value must be parameterized after cloning. That is, the radio cells are basically identical cells, which differ only in the preamble of the data frames implemented in the radio nodes. As a result, the radio nodes can unambiguously allocate data packets, even if the cloned radio cells operate on the same channel. By cloning a single radio cell can Setting up a wireless network is greatly simplified and accelerated.
Ferner wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben von Funkknoten eines Funknetzes mit mindestens einer Funkzelle bereitgestellt, wobei in den Funkknoten ein Datenrahmen entsprechend einem Funkstandard implementiert ist. Eine Präambel zu versendender Datenpakete wird entsprechend einer Präambel des Datenrahmens angepasst, welche mittels ei- nes funkzellenspezifischen Werts parametriert wird. Die so angepassten Datenpakete werden von einem sendenden Funkknoten zu einem empfangenden Funkknoten gesendet. Dann wird eine Gültigkeit der Datenpakete in dem empfangenden Funkknoten anhand mindestens eines Teils des funkzellenspezifischen Werts der Präambel bewertet, der aufgrund der Anpassung an die Präambel des Datenrahmens auch in der Präambel versendeter Datenpakete enthalten ist. Als gültig bewertete Datenpakete werden in dem empfangenden Funkknoten empfangen, wohingegen der empfangende Funkknoten als ungültig bewertete Datenpakete abblockt.Furthermore, the present invention provides a method for operating radio nodes of a radio network having at least one radio cell, wherein a data frame corresponding to a radio standard is implemented in the radio nodes. A preamble to be sent data packets is adjusted according to a preamble of the data frame, which is parameterized by means of a radio cell-specific value. The thus adapted data packets are sent from a transmitting radio node to a receiving radio node. Then, a validity of the data packets in the receiving radio node is evaluated based on at least a part of the radio cell specific value of the preamble, which is also included in the preamble of data packets sent due to the adaptation to the preamble of the data frame. As validated data packets are received in the receiving radio node, whereas the receiving radio node blocks as invalidated data packets.
Gemäß dem Verfahren zum Betreiben von Funkknoten sorgt der implementierte Datenrahmen dafür, dass zu versendende Datenpakete eine Präambel mit einem funkzellenspezifischen Wert haben, welcher ihnen von dem sendenden, vorkonfigurierten Funkknoten vorgegeben wird. Dadurch kann der empfangende Funkknoten die Bewertung bereits an einem führenden Teil des Datenpakets durchführen, da er grundsätzlich zuerst die Präambel empfängt. Mit anderen Worten wird ein Vergleich zwi- sehen einer Präambel des im empfangenden Funkknoten implementierten Datenrahmens und einer Präambel des empfangenen Datenpakets durchgeführt. Ein Datenpaket wird demnach dann als gültig bewertet, wenn es von einem Funkknoten empfangen wird, der zur gleichen Funkzelle wie der sendende Funkknoten ge- hört. Denn in diesem Fall stimmen die funkzellenspezifischen Werte der jeweiligen Präambeln überein. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet ein Abblocken von Datenpaketen, dass ein Empfang eines Datenpakets umgehend gestoppt wird, sobald der empfangende Funkknoten anhand der funkzellenspezifischen Präambel des Datenpa- kets erkannt hat, dass das Datenpaket nicht für ihn bestimmt ist. Das heißt, der Empfang eines Datenpakets kann bereits abgebrochen werden, bevor überhaupt das ganze Datenpaket empfangen wird, da bereits die Präambel erkennen lässt, ob es sich um ein gültiges oder ungültiges Datenpaket handelt. Wei- tere Inhalte eines Datenpakets müssen somit erst gar nicht betrachtet werden, wodurch der Aufwand und die Zeit für eine Bewertung der Gültigkeit deutlich reduziert werden. Vorzugsweise werden alle bis zum Erkennen einer Ungültigkeit eines Datenpakets empfangenen Informationen (üblicherweise nur we- nige Bits oder Bytes) sofort verworfen.According to the method for operating radio nodes, the implemented data frame ensures that data packets to be sent have a preamble with a radio cell-specific value, which is given to them by the transmitting, preconfigured radio node. As a result, the receiving radio node can already carry out the evaluation on a leading part of the data packet since, in principle, it first receives the preamble. In other words, a comparison between a preamble of the data frame implemented in the receiving radio node and a preamble of the received data packet is performed. A data packet is therefore evaluated as valid if it is received by a radio node which belongs to the same radio cell as the transmitting radio node. Because in this case, the radio cell-specific values of the respective preambles match. In the context of the present invention, blocking of data packets means that reception of a data packet is stopped immediately as soon as the receiving radio node has recognized from the radio cell-specific preamble of the data packet that the data packet is not intended for it. This means that the receipt of a data packet can already be aborted before the entire data packet is received at all, since the preamble already indicates whether it is a valid or invalid data packet. Thus, further contents of a data packet do not have to be considered at all, so that the effort and the time for an evaluation of the validity are significantly reduced. Preferably, all information received (usually only a few bits or bytes) until it detects an invalidity of a data packet is discarded immediately.
Die vorliegende Erfindung stellt somit sicher, dass ungültige Datenpakete auf dem schnellst möglichen Weg am empfangenden Funkknoten erkannt werden, wodurch eine Latenzzeit gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich reduziert beziehungsweise minimiert wird. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Lösung auch für Anwendungsgebiete, in denen besonders kurze Latenzzeiten vorgeschrieben sind (z.B. zwischen 5 und 50 ms) . Ferner wird ein störungsfreier Betrieb benachbarter Funkzellen sichergestellt, welche auf der gleichen oder benachbartenThe present invention thus ensures that invalid data packets are detected in the fastest possible way at the receiving radio node, whereby a latency compared to conventional solutions is significantly reduced or minimized. As a result, the solution according to the invention is also suitable for fields of application in which particularly short latencies are prescribed (for example between 5 and 50 ms). Furthermore, a trouble-free operation of adjacent radio cells is ensured, which on the same or adjacent
Frequenzen funken. Insbesondere wird ein eingangs beschriebenes Mithören von Datenpaketen verhindert, die nicht für den empfangenden Funkknoten bestimmt sind. Dadurch werden sowohl benachbarte als auch voneinander entfernte Funkzellen ent- stört, die auf der gleichen Frequenz funken und zwischen denen beispielsweise eine weitere Funkzelle vorgesehen sein kann, die auf einer anderen Frequenz funkt.Frequencies are sparking. In particular, a monitoring of data packets described at the beginning which is not intended for the receiving radio node is prevented. As a result, both adjacent and remote radio cells are destroyed, which spark on the same frequency and between which, for example, another radio cell can be provided which radiates on a different frequency.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be- sitzt der Datenrahmen eine Rahmenstruktur, in welcher Protokoll- und Dateninformationen abgebildet werden. In dieser Rahmenstruktur ist die Präambel dann das erste Datenfeld, das einen vom eingesetzten Funkstandard abweichenden, funkzellen- spezifischen Wert hat. Allerdings besteht die Präambel des Datenrahmens auch weiterhin aus einer 1-0-Bitkombination, welche unter anderem dazu dient, dass sich der Empfänger auf den Sender synchronisieren kann. Ferner kann mittels der Rah- menstruktur sichergestellt werden, dass die Datenrahmen in allen Funkknoten eines Funknetzwerks gleich aufgebaut sind. Dies ist wichtig, da Instanzen auf Sender- und Empfängerseite nach festgelegten Regeln arbeiten müssen. Die Festlegung solcher Regeln wird üblicherweise in der Protokollinformation beschrieben, die in der Rahmenstruktur abgebildet wird.According to one embodiment of the present invention, the data frame has a frame structure in which protocol and data information is mapped. In this frame structure, the preamble is then the first data field which has a radio cell deviating from the radio standard used. has specific value. However, the preamble of the data frame continues to consist of a 1-0 bit combination, which among other things serves to enable the receiver to synchronize to the transmitter. Furthermore, it can be ensured by means of the frame structure that the data frames are constructed identically in all radio nodes of a radio network. This is important because instances on the sender and receiver side must operate according to established rules. The definition of such rules is usually described in the protocol information mapped in the frame structure.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Datenrahmen ein Datenrahmen einer physikalischen Schicht, wenn Aufgaben einer Kommunikation in einem Schicht- modell beschrieben werden. Somit werden die Daten der physikalischen Schicht, welche dem Fachmann auch als Bitübertragungsschicht bekannt ist, mit der funkzellenspezifischen Präambel versehen. Das Schichtenmodell bildet eine funktionale Unterteilung der Kommunikationsaufgaben. Aufgabe einer Schicht ist es, Dienste für die nächst höhere Schicht bereitzustellen, wobei sie sich der Dienste der darunter liegenden Schicht bedient. Allgemein gilt für ein Schichtenmodell, dass eine Schicht N auf einem Gerät A, beispielsweise einem ersten Funkknoten, nur mit der entsprechenden Schicht N auf einem Gerät B, beispielsweise einem zweiten Funkknoten, kommuniziert. Dabei sind die Regeln für die Kommunikation in den Protokollen für die jeweilige Schicht festgelegt, wobei die Protokolle strukturelle und prozedurale Zusatzinformationen umfassen. In einer bevorzugten Ausbildung entspricht das Schichtenmodell dem OSI-Referenzmodell der ISO, welches dem Fachmann bekannt ist und daher hier nicht weiter beschrieben wird.According to another embodiment of the present invention, the data frame is a data frame of a physical layer when describing tasks of communication in a layer model. Thus, the data of the physical layer, which is also known to the person skilled in the art as a physical layer, is provided with the radio-cell-specific preamble. The layer model forms a functional subdivision of the communication tasks. One layer's job is to provide services for the next higher layer, using the services of the underlying layer. In general, for a layered model, a layer N on a device A, for example a first radio node, only communicates with the corresponding layer N on a device B, for example a second radio node. It sets the rules for communication in the protocols for each layer, with the protocols including additional structural and procedural information. In a preferred embodiment, the layer model corresponds to the OSI reference model of the ISO, which is known to the person skilled in the art and will therefore not be described further here.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Datenrahmen in einen Funkchip des Funkknotens implementiert. Dazu muss der Funkchip eine gewisse Flexibilität besitzen, so dass die Präambel des Datenrahmens entsprechend manipuliert werden kann. Das heißt, der Funkchip muss einen Zugang zu dem entsprechenden Register zulassen, um eine dem jeweiligen Standard konforme Präambel durch eine funkzellenspezifische Präambel zu ersetzen beziehungsweise einen Wert der Standard konformen Präambel an einen funkzel- lenspezifischen Wert anzupassen. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung nur ein Funkchip in den Funkknoten verwendet werden, welcher erlaubt, den jeweiligen Standard zu verletzen. Ein Beispiel für einen Funkchip, der eine solche Flexibilität besitzt, ist der ChipCon Chip CC2420, mit dem die er- findungsgemäße Lösung bereits verifiziert wurde.According to yet another embodiment of the present invention, the data frame is implemented in a radio chip of the radio node. For this purpose, the radio chip must have a certain flexibility, so that the preamble of the data frame can be manipulated accordingly. That is, the radio chip must allow access to the corresponding register in order to replace a preamble that complies with the respective standard with a radio-cell-specific preamble or to adapt a value of the standard-compliant preamble to a radio-cell-specific value. Thus, according to the present invention, only one radio chip can be used in the radio node, which allows to violate the respective standard. An example of a radio chip that possesses such flexibility is the ChipCon chip CC2420 with which the solution according to the invention has already been verified.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Funkknoten, welcher zur Kommunikation mit mindestens einem weiteren Funkknoten eingerichtet ist. Der Funkkno- ten umfasst einen Funkchip, in dem ein Datenrahmen entsprechend einem Funkstandard implementiert ist, welcher eine Präambel umfasst, die mittels eines funkzellenspezifischen Werts parametriert ist. Mit anderen Worten entspricht ein solcher Funkknoten einem Funkknoten, wie er in Bezug auf die erfin- dungsgemäßen Verfahren beschrieben wurde. Beispielsweise kann der Funkknoten ein Funknetzzugangspunkt oder ein drahtloses Feldgerät eines Funknetzwerks und Bestandteil eines Automatisierungsnetzwerks sein.According to a further aspect, the present invention relates to a radio node which is set up for communication with at least one further radio node. The radio node comprises a radio chip in which a data frame is implemented in accordance with a radio standard which comprises a preamble which is parameterized by means of a radio-cell-specific value. In other words, such a radio node corresponds to a radio node as described in relation to the methods according to the invention. For example, the radio node may be a radio network access point or a wireless field device of a radio network and part of an automation network.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Funknetzwerk, umfassend mindestens eine Funkzelle mit mindestens zwei der oben beschriebenen Funkknoten. Dabei sind die mindestens zwei Funkknoten einer Funkzelle zur Kommunikation miteinander eingerichtet.According to a further aspect, the present invention relates to a radio network, comprising at least one radio cell with at least two of the radio nodes described above. In this case, the at least two radio nodes of a radio cell are set up for communication with one another.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Automatisierungsnetzwerk, umfassend mindestens ein oben beschriebenes Funknetzwerk.In yet another aspect, the present invention relates to an automation network comprising at least one wireless network as described above.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Funknetz mit drei Funkzellen und einer Mehrzahl von Funkknoten.Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a radio network with three radio cells and a plurality of radio nodes.
Figur 2 zeigt eine Bitübertragungsschicht und eine Siche- rungsschicht gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard.FIG. 2 shows a physical layer and a security layer according to the IEEE 802.15.4 standard.
Figur 3 zeigt ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.FIG. 3 shows a method according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figur 1 zeigt ein Funknetz 1 mit drei Funkzellen 2, 3, 4 und einer Mehrzahl von Funkknoten 5, 6, 7, 8, 9, 10. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel basiert das Funknetz 1 der Figur 1 auf dem IEEE 802.15.4 Standard. Dieser Standard beschreibt ein Übertragungsprotokoll für drahtlose Sensor- und Aktornetzwerke (WSAN, engl. Wireless Sensor and Actor Networks) und definiert hierfür die Bitübertragungsschicht (PHY-Layer) und die Sicherungsschicht (MAC-Layer) des ISO/OSI-Referenzmodells . Für die Funkübertragung stehen die ISM-Bänder 868/915 MHz und 2,45 GHz zur Verfügung, wobei hauptsächlich das 2,45 GHz Band eingesetzt wird.1 shows a radio network 1 with three radio cells 2, 3, 4 and a plurality of radio nodes 5, 6, 7, 8, 9, 10. According to the embodiment described here, the radio network 1 of FIG. 1 is based on the IEEE 802.15.4 standard , This standard describes a Wireless Sensor and Actor Networks (WSAN) transmission protocol, which defines the physical layer (PHY layer) and the link layer (MAC layer) of the ISO / OSI reference model. For radio transmission, the ISM bands 868/915 MHz and 2.45 GHz are available, whereby mainly the 2.45 GHz band is used.
In dem Funknetz 1 der Figur 1 bilden die mehreren Funkknoten 5-10 ein Funknetzwerk. Drei der dargestellten Funkknoten sind Funknetzzugangspunkte 8, 9, 10 und die weiteren Funkknoten sind drahtlose Feldgeräte 5, 6, 7. Gemäß dem dargestelltenIn the radio network 1 of Figure 1, the plurality of radio nodes 5-10 form a radio network. Three of the illustrated radio nodes are radio network access points 8, 9, 10 and the other radio nodes are wireless field devices 5, 6, 7
Ausführungsbeispiel sind der ersten Funkzelle 2 der Funknetzzugangspunkt 8 und die drahtlosen Feldgeräte 5, der zweiten Funkzelle 3 der Funknetzzugangspunkt 9 und die drahtlosen Feldgeräte 6 und der dritten Funkzelle 4 der Funknetzzugangs- punkt 10 und die drahtlosen Feldgeräte 7 zugeordnet. Dabei kommunizieren die drahtlosen Feldgeräte einer Funkzelle mit dem entsprechenden Funknetzzugangspunkt und umgekehrt. Das Funknetzwerk der Figur 1 ist Bestandteil eines drahtgebundenen Automatisierungsnetzwerks (nicht gezeigt) , und die Funk- netzzugangspunkte sind als dezentrale Peripherie an einenIn the exemplary embodiment, the radio network access point 8 and the wireless field devices 5 are assigned to the first radio cell 2, the radio network access point 9 to the second radio cell 3 and the wireless network access point 10 and the wireless field devices 7 to the third radio cell 4. The wireless field devices of a radio cell communicate with the corresponding radio network access point and vice versa. The radio network of Figure 1 is part of a wired automation network (not shown), and the radio network access points are as a distributed peripheral to a
Feldbus (nicht gezeigt) angekoppelt. Somit bilden die Funknetzzugangspunkte Schnittstellen zwischen dem drahtgebundenen und dem drahtlosen Netzwerk. Als Bestandteil des Automatisierungsnetzwerks sind die Funknetzzugangspunkte 8, 9, 10 Wireless Gateways, beispielsweise PNIO (engl. Profinet Input Output) Gateways gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard. Die drahtlosen Feldgeräte 5, 6, 7 sind Sensoren oder Aktoren, beispielsweise PNIO Sensoren/Aktoren gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard. Allgemeinen sieht der IEEE 802.15.4 Standard für Funkknoten zwei Komplexitätsstufen vor, FFD (Füll Function Device) und RFD (Reduced Function Device) . Ein FFD bietet spezielle Funktionen, damit ein Gerät beispielsweise als Coordinator agieren kann. Ferner können unterschiedliche FFDs direkt miteinander kommunizieren. Aus diesem Grund sind die Funknetzzugangspunkte 8, 9, 10 der Figur 1 als FFDs zu betrachten, wenn sie PNIO Gateways gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard sind. Ein RFD kann dagegen nur mit einem FFD direkt kommunizieren, da es über begrenzte Funktionalitäten verfügt. Aus diesem Grund sind die drahtlosen Feldgeräte 5, 6, 7 der Figur 1 als RFDs zu betrachten, wenn sie PNIO Sensoren/Aktoren gemäß dem IEEE 802.15.4 Stan- dard sind.Fieldbus (not shown) coupled. Thus, the radio network access points provide interfaces between the wired and wireless networks. As part of the automation network, the radio network access points 8, 9, 10 are wireless gateways, for example, PNIO (Profinet Input Output) gateways according to the IEEE 802.15.4 standard. The wireless field devices 5, 6, 7 are sensors or actuators, for example PNIO sensors / actuators according to the IEEE 802.15.4 standard. In general, the IEEE 802.15.4 standard for radio nodes provides two levels of complexity, FFD (Füll Function Device) and RFD (Reduced Function Device). An FFD offers special functions so that a device can act as a coordinator, for example. Furthermore, different FFDs can communicate directly with each other. For this reason, the radio network access points 8, 9, 10 of Figure 1 should be considered FFDs if they are PNIO gateways according to the IEEE 802.15.4 standard. An RFD, on the other hand, can only communicate directly with a FFD because it has limited functionalities. For this reason, the wireless field devices 5, 6, 7 of FIG. 1 are to be regarded as RFDs if they are PNIO sensors / actuators according to the IEEE 802.15.4 standard.
Üblicherweise überlappen sich die Funkzellen eines Funknetzes teilweise, so dass grundsätzlich die Gefahr besteht, dass ein Funknetzzugangspunkt einer Funkzelle Datenpakete mithört, die nicht für ihn vorgesehen sind. So kann es in dem in Figur 1 dargestellten Fall passieren, dass der Funknetzzugangspunkt 8 der ersten Funkzelle 2 Datenpakete von einem drahtlosen Feldgerät 7 mithört, die eigentlich für den Funknetzzugangspunkt 10 der dritten Funkzelle 4 bestimmt sind. Diese Gefahr be- steht insbesondere dann, wenn in der ersten und der drittenUsually, the radio cells of a radio network partially overlap, so that in principle there is a risk that a radio network access point of a radio cell listens to data packets that are not intended for him. Thus, it may happen in the case illustrated in FIG. 1 that the radio network access point 8 of the first radio cell 2 hears data packets from a wireless field device 7 that are actually intended for the radio network access point 10 of the third radio cell 4. This danger exists especially if in the first and the third
Funkzelle 2, 4 mit der gleichen Frequenz gefunkt wird. Ferner besteht die Gefahr, dass der Funknetzzugangspunkt 8 der ersten Funkzelle 2 Datenpakete mithört, die für den Funknetzzugangspunkt 9 der zweiten Funkzelle 3 vorgesehen sind, auch wenn in der ersten und der zweiten Funkzelle 2, 3 mit unterschiedlichen, jedoch aufeinander folgenden Frequenzen (benachbarte Kanäle) gefunkt wird. Gleichermaßen besteht in dem in Figur 1 dargestellten Fall die Gefahr, dass der Funknetz- Zugangspunkt 9 der zweiten Funkzelle 3 Datenpakete mithört, die für den Funknetzzugangspunkt 8 der ersten Funkzelle 2 bestimmt sind, da ein drahtloses Feldgerät 5 der ersten Funkzelle 2 an einem Zellenrand der zweiten Funkzelle 3 angeord- net ist.Radio cell 2, 4 is sparked with the same frequency. Furthermore, there is the risk that the radio network access point 8 of the first radio cell 2 listens to data packets provided for the radio network access point 9 of the second radio cell 3, even if in the first and the second radio cell 2, 3 with different but consecutive frequencies (adjacent channels ) is sparked. Likewise, in the case illustrated in FIG. 1, there is a risk that the radio network Access point 9 of the second radio cell 3 monitors data packets that are intended for the radio network access point 8 of the first radio cell 2, since a wireless field device 5 of the first radio cell 2 is arranged at a cell edge of the second radio cell 3.
Figur 2 zeigt eine Bitübertragungsschicht (PHY-Layer) und eine Sicherungsschicht (MAC-Layer) gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard. Wie eingangs beschrieben wird in bekannten Lösungen eine Überprüfung der Gültigkeit von Datenpaketen frühestens in der MAC-Ebene durchgeführt. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, diese Überprüfung bereits in der PHY-Ebene eines Funkknotens durchzuführen, um beispielsweise die in Bezug auf die Figur 1 beschriebenen Probleme zu lösen. Dazu wird die Präambel in der PHY-Ebene mit einem funkzellenspezifischen Wert parametriert . Wie in Figur 2 dargestellt enthält die Präambel der PHY-Ebene gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard 4 Bytes mit dem Wert 0. Erfindungsgemäß werden diese 4 Bytes mit dem Wert 0 pro Funkzelle mit einem anderen Wert versehen. Um die Präambel der PHY-Ebene zu manipulieren wird über eine Registerschnittstelle auf ein die Präambel haltendes Register eines Funkchips des Funkknotens, in dem der in Figur 2 dargestellte Datenrahmen implementiert ist, zugegriffen und der entsprechende funkzellenspezifische Wert in das Register ge- schrieben. Durch diese Manipulation der Präambel der Bitübertragungsschicht wird ein Perfomancegewinn erreicht, welcher sich hauptsächlich durch die Hardware-Unterstützung in der PHY-Ebene erklärt.FIG. 2 shows a physical layer (PHY layer) and a data link layer (MAC layer) according to the IEEE 802.15.4 standard. As described above, in known solutions, a check of the validity of data packets is performed at the earliest in the MAC level. The present invention proposes to perform this check already in the PHY plane of a radio node, for example to solve the problems described with reference to FIG. For this purpose, the preamble in the PHY level is parameterized with a radio-cell-specific value. As shown in Figure 2, the preamble of the PHY level in accordance with the IEEE 802.15.4 standard contains 4 bytes with the value 0. According to the invention, these 4 bytes are given the value 0 per radio cell with a different value. In order to manipulate the preamble of the PHY level, a register interface accesses a preamble holding register of a radio chip of the radio node in which the data frame shown in FIG. 2 is implemented and writes the corresponding radio cell-specific value into the register. Through this manipulation of the preamble of the physical layer a performance gain is achieved, which is explained mainly by the hardware support in the PHY plane.
Der Figur 2 ist ferner zu entnehmen, dass ein Synchronisations-Header in der PHY-Ebene neben der Präambel auch einen Start of Frame Delimiter umfasst, der allerdings nicht manipuliert werden kann. Ansonsten würde die Gefahr bestehen, dass der Funkchip nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Der Start of Frame Delimiter signalisiert einem Empfänger den Beginn eines Frames. Gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard besitzt der Start of Frame Delimiter den Wert 0xa7. Allerdings haben der Start of Frame Delimiter und die weiteren, in Figur 2 dargestellten Datenfelder der PHY-Ebene und der MAC-Ebene keinen Einfluss auf die vorliegende Erfindung. Da dem Fachmann außerdem deren Funktionen bekannt sind, werden sie hier nicht weiter beschrieben.It can also be seen from FIG. 2 that a synchronization header in the PHY plane, in addition to the preamble, also includes a start of frame delimiter, which, however, can not be manipulated. Otherwise there would be a risk that the radio chip is no longer working properly. The Start of Frame Delimiter signals the beginning of a frame to a receiver. According to the IEEE 802.15.4 standard, the Start of Frame Delimiter has the value 0xa7. However, the start of frame delimiter and the others, in Figure 2 displayed data fields of the PHY level and the MAC level has no effect on the present invention. Since those skilled in the art also their functions are known, they will not be further described here.
Figur 3 zeigt ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Verfahren werden Funkknoten eines Funknetzes mit mindestens einer Funkzelle konfiguriert. Beispielsweise lassen sich so die in Figur 1 gezeigten Funkknoten, welche als Funknetzzugangspunkte und drahtlose Feldgeräte ausgebildet und in unterschiedlichen Funkzellen angeordnet sind, konfigurieren. Dadurch lässt sich eine spätere Kommunikation dieser Funkknoten beeinflussen. Bei der Konfiguration wird ein Datenrahmen entsprechend einem Funkstandard in den Funkknoten implementiert Sl, beispielsweise der Datenrahmen der Figur 2 gemäß dem IEEE 802.15.4 Standard. Dieser Datenrahmen wird mit einer Präambel versehen S2, welche mittels eines funkzellenspezifischen Werts para- metriert S3 wird. Beispielhaft Bezug nehmend auf die Figur 1 bedeutet dies, dass in allen Funkknoten 5, 6, 7, 8, 9, 10 des Funknetzes 1 derselbe Datenrahmen implementiert wird. Allerdings wird die Präambel der Datenrahmen der Funkknoten in den jeweiligen Funkzellen 2, 3, 4 unterschiedlich parametriert . Das heißt, den Präambeln der Funkknoten 5, 8 der Funkzelle 2, der Funkknoten 6, 9 der Funkzelle 3 und der Funkknoten 7, 10 der Funkzelle 4 wird jeweils ein spezifischer Wert zugewiesen. Dadurch kann in den Funkzellen 2, 3, 4 der Figur 1 auf der gleichen Frequenz gefunkt werden, auch wenn sich die Funkzellen teilweise überlappen, ohne dass sie sich gegensei- tig bei der Kommunikation stören. FIG. 3 shows a method according to an exemplary embodiment of the present invention. According to this method, radio nodes of a radio network are configured with at least one radio cell. For example, the radio nodes shown in FIG. 1, which are designed as radio network access points and wireless field devices and are arranged in different radio cells, can be configured in this way. This can influence a later communication of these radio nodes. In the configuration, a data frame according to a radio standard is implemented in the radio nodes S1, for example the data frame of FIG. 2 according to the IEEE 802.15.4 standard. This data frame is provided with a preamble S2, which is parameterized by means of a radio-cell-specific value S3. By way of example, referring to FIG. 1, this means that the same data frame is implemented in all radio nodes 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the radio network 1. However, the preamble of the data frames of the radio nodes in the respective radio cells 2, 3, 4 is parameterized differently. That is, the preambles of the radio nodes 5, 8 of the radio cell 2, the radio node 6, 9 of the radio cell 3 and the radio nodes 7, 10 of the radio cell 4 are each assigned a specific value. As a result, in the radio cells 2, 3, 4 of FIG. 1, the same frequency can be transmitted, even if the radio cells partially overlap, without them interfering with each other in the communication.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (1)
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- 2010-02-15 WO PCT/EP2010/051849 patent/WO2010092172A1/en not_active Ceased
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