WO2008015177A1 - Network for the wireness transfer of data - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a network for wireless transmission of data, consisting of network nodes, one of which sets as a network coordinator and the rest of the work as network devices and the operation thereof having by a plurality of protocol layers protocol stack fixed, wherein the lower layer portion of the protocol ⁇ stack is defined by the IEEE 802.15.4 standard.
- IEEE 802.15.4 based wireless networks are very attractive because of their simplicity, energy efficiency and cost-effectiveness.
- Building on this standard is the ZigBee protocol of the ZigBee Alliance, a worldwide association of companies working together to develop reliable, cost-effective, wirelessly networked monitoring and control products based on an international and open standard.
- the invention thus starts from a network for data transmission with a protocol stack, the lower protocol ⁇ layers by the standard IEEE 802.15.4 and the overlying protocol layers otherwise, z. B. are defined according to the ZigBee standard.
- the IEEE 802.15.4 standard only provides one transmission channel for transmission of the data, which is specified by the network coordinator. All other network nodes, which are generally referred to herein as network subscribers, including network nodes with router function, find the network coordinator in a search process by sending in the transmission channels available under the IEEE 802.15.4 standard for regular network beacon transmission beacons search (passive scanning) or request such transmission signals (active scanning). Once the network coordinator is found, the transmission of the data is recorded on the relevant transmission channel.
- Frequency hopping is a known method used, for example, in the standard Bluetooth, to reduce susceptibility to narrowband interference.
- the transmission channel is constantly changed during data transmission. This mechanism is however, not allowed with the IEEE 802.15.4 standard. However, it is possible to change the transmission channel from the outside.
- the object of the invention is to increase the interference immunity of radio networks based on the IEEE 802.15.4 standard.
- the object is achieved in that, in the network of the type specified at the outset, the following mechanisms are integrated in the upper layer region of the protocol stack which is based on the lower layer region:
- the network nodes contain matching lists of at least two of the transmission channels available under the IEEE 802.15.4 standard,
- the network coordinator is designed to detect disturbances in the current transmission channel
- the network coordinator transmits a switching command in the broadcast when a fault is detected
- the radio interface of the IEEE 802.15.4 provides the total ⁇ bands 27 transmission channels in three different frequency, which in the 2.4 GHz band and 16 channels in the 915 MHz band, 10 channels are available and the 868 MHz band only a Channel provides.
- the inventive method is therefore applicable only to the frequency bands 2.4 GHz and 915 MHz.
- the network coordinator When the network coordinator detects faults in the current transmission channel, it sends a switching command to all network nodes, whereupon the respectively active network nodes of the current transmission channel switch, for example, to the next transmission channel in their list. The network coordinator also switches to the next transmission channel in its list, so that subsequently the Data transmission on the new transmission channel can be continued.
- the switching command sent by the network coordinator may contain an identifier (channel number or number in the list) for the transmission channel to be switched to.
- an identifier channel number or number in the list
- the lists in the network subscribers can also be kept non-specific because the decision as to which transmission channels is switched in which order is made solely by the network coordinator who has suitable list management for this purpose.
- the network subscribers switch from the list to the predefined new transmission channel when a fault is detected from the current transmission channel, the network subscribers send a status request to the network coordinator in the new transmission channel,
- the network coordinator receives and answers the Sta ⁇ tusabfrage in the new transmission channel. If a network subscriber does not receive a send acknowledgment when sending data in the current transmission channel, he sends a status request to the network coordinator on another transmission channel of his list and waits for a response from this. This procedure is particularly fast when the order is in the switch between the Studentstra ⁇ supply channels is determined by the list because of new transmission channel is then immediately found in the rule.
- Failure to respond to their status query allows network subscribers to switch to other transmission channels from the list and then send a status request until they receive a response. Alternatively, the network participants may fail to respond to their
- Switching the status query into a search mode by searching in succession in the various transmission channels for regular transmission signals (beacons) of the network coordinator or requesting such transmission signals.
- This search mode is already provided in the existing standard for restarting the network.
- the upper layers of the protocol stack area is preferential ⁇ as defined by the standard ZigBee.
- the lists with the alternative switching channels can then be realized, for example, by extending the management protocols in the ZigBee Device Object (ZDO). This extension allows optio ⁇ nal and constant updating of the list of alterna ⁇ tive Umschaltkanäle in all network participants.
- the identification of problems in the current transmission channel by the network coordinator also implies the detection of interference by individual network nodes or by specially provided for fault detection network subscribers or other subsystems that report the faults to the network ⁇ coordinator. So z. B. also disturbances of the transmission channel are detected, which in the immediate ge ⁇ Licher environment of the network coordinator not visible are. Likewise, the network coordinator can be made by administrative intervention from outside to perform a channel switchover. An example of this is the establishment of wireless networks in the area of the network according to the invention, which makes necessary a new definition of the Kochtra ⁇ supply channels for this.
- FIG. 1 shows an example of a ZigBee network according to the invention
- Figure 2 shows the protocol stack of the ZigBee network
- FIG. 3 shows, by way of example, the mechanisms integrated in the proto ⁇ stack according to the invention.
- the topology of the ZigBee network as shown in Figure 1 ge ⁇ as star network, but also as a tree or mesh be constructed.
- FFDs Full functionality
- RFDs Reduced Function Devices
- neh ⁇ the device 1 to 6 men a respective one of the following roles: network coordinator Alternatively coordinator, router, or terminal.
- Each role and the responsibilities of each underweight body ⁇ assigned role may contain.
- An RFD always needs an FFD as a communication partner and can therefore only ever take over the role of a terminal.
- FFDs and RFDs also differ in how they can be used in the different network topologies. In a mesh network only FFDs can be used. As already mentioned, RFDs always take the final position in the network topology one. RFDs are konzi ⁇ piert usually for a specific task and thus may be less expensive and more energy efficient than FFDs.
- an identifier is assigned to it by the network coordinator 1, via which the network subscriber is then addressed.
- the physical layer (Physical Layer) PHY describes the radio interface with a total of 27 Studentstra ⁇ supply channels in three different frequency bands.
- the 2.4 GHz band provides 16 transmission channels each at 250 kbit / s, the 915 MHz band 10 channels at 40 kbit / s each and the 868 MHz band only one channel at 20 kbit / s.
- the channel access layer (Medium Access Control Layer) MAC controls the addressing of the devices, the basic administrative ⁇ processing of small peer-to-peer or star networks, and channel access.
- the two lowest protocol layers PHY and MAC are defined in the standard IEEE 802.15.4, on which the following ZigBee protocol layers are based:
- the network layer (Network Layer) NWK provides mechanisms to allow the devices to joining and leaving the network and routes data received ⁇ packets to the addressee within the network on.
- the network layer NWK is also responsible for determining how paths are managed by the network.
- the application layer APL consists of the Application Support Sublayer APS, the ZigBee Device Object ZDO and the Application Framework AF.
- the Application Support Layer APS manages the bindings between the devices. In this context, binding is the process of assigning devices to each other within the network according to their tasks.
- the ZigBee Device Object ZDO determines the network role of a device such as coordinator or end device and is responsible for the discovery of new devices and the determination of communicategestel of them ⁇ lten functionalities.
- the Application Framework AF integrates the user-defined applications (Application Objects) AO.
- FIG. 3 illustrates the mechanisms according to the invention in the mechanisms integrated in the ZigBee protocol stack.
- All network nodes ie the network coordinator and the network participants, which can be active or passive at certain times, contain matching lists of available transmission channels.
- the network coordinator is configured to detect faults in the transmission channel and sends out a switchover command in the event of detection of a fault or due to an external administrative intervention (switchover event).
- the network coordinator and the active network participants respectively receiving the switching command subsequently switch from the current transmission channel to the respectively next transmission channel in the list (channel switching), so that the data transmission on the new transmission channel can be continued.
- the straight passive network station or those network operators who have not received the switching instruction sooner or later recognize a fault (x) in the transmission of data and change then independently from its current transmission channel to the next admirska ⁇ nal in the list. Then the network participants send in the new transmission channel a status query to the network ⁇ coordinator, which, when loading the same transmission channel uses the status query answered. Subsequently, the data transmission is recorded or continued on the new transmission channel.
- the network subscribers can switch to a search mode (scan), in which they search sequentially in the various transmission channels for regular transmission signals (beacons) of Netztechnikkoordina ⁇ gate or request such transmission signals.
- This search mode is already provided in the existing standard for restarting the network.
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Netzwerk zur drahtlosen Übertragung von DatenNetwork for the wireless transmission of data
Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zur drahtlosen Übertragung von Daten, das aus Netzwerkknoten besteht, von denen einer als Netzwerkkoordinator und die übrigen als Netzwerkteilnehmer arbeiten, und dessen Arbeitsweise durch einen mehrere Protokollschichten aufweisenden Protokollstapel festge- legt ist, wobei der untere Schichtenbereich des Protokoll¬ stapels durch den Standard IEEE 802.15.4 definiert ist.The invention relates to a network for wireless transmission of data, consisting of network nodes, one of which sets as a network coordinator and the rest of the work as network devices and the operation thereof having by a plurality of protocol layers protocol stack fixed, wherein the lower layer portion of the protocol ¬ stack is defined by the IEEE 802.15.4 standard.
Zur drahtlosen Übertragung von Daten in der industriellen Automatisierungstechnik, der Heim- und Gebäudeautomatisierung und in vielen anderen Anwendungen sind auf dem StandardFor wireless transmission of data in industrial automation, home and building automation and many other applications are on the standard
IEEE 802.15.4 basierende Funknetzwerke wegen ihrer Einfachheit, Energieeffizienz und Kostengünstigkeit sehr attraktiv. Auf diesem Standard baut auch das ZigBee-Protokoll der ZigBee Alliance auf, einer weltweiten Vereinigung von Firmen, die zusammenarbeiten um zuverlässige, kostengünstige und kabellos vernetzte Überwachungs- und Steuerungsprodukte zu entwickeln, die auf einem internationalen und offenen Standard basieren.IEEE 802.15.4 based wireless networks are very attractive because of their simplicity, energy efficiency and cost-effectiveness. Building on this standard is the ZigBee protocol of the ZigBee Alliance, a worldwide association of companies working together to develop reliable, cost-effective, wirelessly networked monitoring and control products based on an international and open standard.
Der IEEE 802.15.4/ZigBee-Standard ist in einer Vielzahl von Publikationen ausführlich beschrieben, weswegen die Details des Standards als bekannt vorausgesetzt und im Einzelnen hier nicht weiter erläutert werden. Beispielhaft sind folgende Publikationen genannt:The IEEE 802.15.4 / ZigBee standard is described extensively in a large number of publications, which is why the details of the standard are assumed to be known and will not be explained in detail here. By way of example, the following publications are mentioned:
Michael Bürge: "Standards drahtloser Übertragung: Von Blue¬ tooth zu IEEE 802.15.4/ZigBee" , ETH Zürich - Departement In¬ formatik, Seminar Verteilte Systeme zum Thema Smart Environments, SS 2004, am 14.07.2006 im Internet gefunden unter http: //www.vε . inf .ethz . ch/edu/SS20Ü4/DS/report s/ 09__zigbee__rep ort. pdf, Rudi Latuske: "ZigBee - Protokollsoftware und Entwicklungsum¬ gebung", September 2004, am 14.07.2006 im Internet gefunden unter http : / /www . ar82000. com/ZiqBee-Whi te-Paper .pdf , oderMichael guarantor "of wireless transmission standards: From Blue tooth ¬ IEEE 802.15.4 / ZigBee", ETH Zurich - Department of In ¬ informatics, Distributed Systems Seminar on Smart Environments, SS 2004, on 14/07/2006 found on the Internet at http: //www.vε. inf. eth. ch / edu / SS20Ü4 / DS / report s / 09__zigbee__rep place. pdf, Rudi Latuske "ZigBee - protocol software and Entwicklungsum ¬ gebung", September 2004, on 14/07/2006 found on the Internet at http: / / www. ar82000. com / ZiqBee-Whi te-Paper .pdf, or
Prof. Dr. Axel Sikora: "Short-Range Wireless Networking mit IEEE 802.15.4 und ZigBee: Möglichkeiten und Herausforderungen", Design & Elektronik Entwicklerforum, München 7.6.2004, am 14.07.2006 im Internet gefunden unter http : //www. st zedn . de/uploads/media/st z_zigbee_de_entWicklerfo rum_Q407Q6.pdf.Prof. Dr. Axel Sikora: "Short-Range Wireless Networking with IEEE 802.15.4 and ZigBee: Possibilities and Challenges", Design & Elektronik Entwicklerforum, Munich 7.6.2004, on 14.07.2006 found on the Internet at http: // www. st zedn. en / uploads / media / st z_zigbee_de_entWicklerfo rum_Q407Q6.pdf.
Die Erfindung geht also von einem Netzwerk zur Datenübertragung mit einem Protokollstapel aus, dessen untere Protokoll¬ schichten durch den Standard IEEE 802.15.4 und die darüber liegenden Protokollschichten anderweitig, z. B. entsprechend dem ZigBee-Standard definiert sind.The invention thus starts from a network for data transmission with a protocol stack, the lower protocol ¬ layers by the standard IEEE 802.15.4 and the overlying protocol layers otherwise, z. B. are defined according to the ZigBee standard.
Der Standard IEEE 802.15.4 sieht zur Übertragung der Daten nur einen Übertragungskanal vor, der von dem Netzwerkkoordi- nator festgelegt wird. Alle anderen Netzwerkknoten, die hier allgemein als Netzwerkteilnehmer bezeichnet werden, wobei Netzwerkknoten mit Router-Funktion eingeschlossen sind, finden in einem Suchprozess den Netzwerkkoordinator, indem sie in den im Rahmen des Standards IEEE 802.15.4 verfügbaren Übertragungskanälen nach regulären Sendesignalen (beacons) des Netzwerkkoordinators suchen (passive scanning) oder solche Sendesignalen anfordern (active scanning) . Ist der Netzwerkkoordinator gefunden, wird die Übertragung der Daten auf dem betreffenden Übertragungskanal aufgenommen.The IEEE 802.15.4 standard only provides one transmission channel for transmission of the data, which is specified by the network coordinator. All other network nodes, which are generally referred to herein as network subscribers, including network nodes with router function, find the network coordinator in a search process by sending in the transmission channels available under the IEEE 802.15.4 standard for regular network beacon transmission beacons search (passive scanning) or request such transmission signals (active scanning). Once the network coordinator is found, the transmission of the data is recorded on the relevant transmission channel.
Funknetzwerke in industriellen Anwendungen haben besondere Anforderungen bezüglich ihrer Robustheit gegenüber Störungen. Frequenzsprungverfahren (frequency hopping) ist eine bekannte, beispielsweise bei dem Standard Bluetooth verwendete, Methode, um die Anfälligkeit gegen schmalbandige Störungen zu verringern. Dabei wird während der Datenübertragung ständig der Übertragungskanal gewechselt. Dieser Mechanismus ist jedoch bei dem Standard IEEE 802.15.4 nicht erlaubt. Wohl ist es aber möglich, den Übertragungskanal von außen zu wechseln. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Störsicherheit von auf dem Standard IEEE 802.15.4 basierenden Funknetzwerken zu erhöhen.Wireless networks in industrial applications have special requirements regarding their robustness to interference. Frequency hopping is a known method used, for example, in the standard Bluetooth, to reduce susceptibility to narrowband interference. In this case, the transmission channel is constantly changed during data transmission. This mechanism is however, not allowed with the IEEE 802.15.4 standard. However, it is possible to change the transmission channel from the outside. The object of the invention is to increase the interference immunity of radio networks based on the IEEE 802.15.4 standard.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Netzwerk der eingangs angegebenen Art in dem auf dem unteren Schichtenbereich aufbauenden oberen Schichtenbereich des Protokollstapels folgende Mechanismen integriert sind:According to the invention, the object is achieved in that, in the network of the type specified at the outset, the following mechanisms are integrated in the upper layer region of the protocol stack which is based on the lower layer region:
- die Netzwerkknoten enthalten übereinstimmende Listen von mindestens zwei der im Rahmen des Standards IEEE 802.15.4 verfügbaren Übertragungskanäle,the network nodes contain matching lists of at least two of the transmission channels available under the IEEE 802.15.4 standard,
- der Netzwerkkoordinator ist dazu ausgebildet, Störungen im aktuellen Übertragungskanal zu erkennen,the network coordinator is designed to detect disturbances in the current transmission channel,
- der Netzwerkkoordinator sendet bei Erkennen einer Störung einen Umschaltbefehl im Broadcast aus,the network coordinator transmits a switching command in the broadcast when a fault is detected,
- der Netzwerkkoordinator und die den Umschaltbefehl jeweils empfangenden Netzwerkteilnehmer schalten von dem aktuellen Übertragungskanal auf einen vorgegebenen neuen Übertra¬ gungskanal aus der Liste um.- The network coordinator and the Umschaltbefehl respectively receiving network participants switch from the current transmission channel to a predetermined new Übertra ¬ channel from the list.
Die Funkschnittstelle des Standards IEEE 802.15.4 bietet ins¬ gesamt 27 Übertragungskanäle in drei verschiedenen Frequenz- bändern, wobei im 2,4 GHz-Band 16 Kanäle und im 915 MHz-Band 10 Kanäle zur Verfügung stehen und das 868 MHz-Band nur einen Kanal zur Verfügung stellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher nur für die Frequenzbänder 2,4 GHz und 915 MHz anwendbar .The radio interface of the IEEE 802.15.4 provides the total ¬ bands 27 transmission channels in three different frequency, which in the 2.4 GHz band and 16 channels in the 915 MHz band, 10 channels are available and the 868 MHz band only a Channel provides. The inventive method is therefore applicable only to the frequency bands 2.4 GHz and 915 MHz.
Wenn der Netzwerkkoordinator in dem aktuellen Übertragungskanal Störungen feststellt, sendet er an alle Netzwerkknoten einen Umschaltbefehl, woraufhin die jeweils aktiven Netzwerkknoten von dem aktuellen Übertragungskanal beispielsweise auf den nächsten Übertragungskanal in ihrer Liste umschalten. Der Netzwerkkoordinator schaltet ebenfalls auf den nächsten Übertragungskanal in seiner Liste um, so dass anschließend die Datenübertragung auf dem neuen Übertragungskanal fortgesetzt werden kann.When the network coordinator detects faults in the current transmission channel, it sends a switching command to all network nodes, whereupon the respectively active network nodes of the current transmission channel switch, for example, to the next transmission channel in their list. The network coordinator also switches to the next transmission channel in its list, so that subsequently the Data transmission on the new transmission channel can be continued.
Anstelle des jeweils nächsten Übertragungskanals aus der Lis- te kann der von dem Netzwerkkoordinator versendete Umschaltbefehl eine Kennung (Kanalnummer oder Nummer in der Liste) für den Übertragungskanal enthalten, auf den umgeschaltet werden soll. Dies ist dann von Vorteil, wenn nicht alle auf¬ gelisteten Übertragungskanäle für die Kanalumschaltung infra- ge kommen, beispielsweise, wenn der Netzwerkkoordinator feststellt, dass sich in der Vergangenheit bestimmte Übertra¬ gungskanäle als ungeeignet erwiesen haben, oder bekannt ist, dass bestimmte Übertragungskanäle schon durch andere Kommuni¬ kationsnetzwerke, etwa WLAN, belegt sind, oder die alternati- ven Übertragungskanäle ständig parallel im Hinblick auf Stö¬ rungen überwacht werden und jeweils der optimale Kanal ausge¬ wählt wird. Auch können die Listen in den Netzwerkteilnehmern unspezifisch gehalten werden, weil die Entscheidung, auf welche Übertragungskanäle in welcher Reihenfolge umgeschaltet wird, allein von dem Netzwerkkoordinator getroffen wird, der dazu eine geeignete Listenverwaltung enthält.Instead of the respective next transmission channel from the list, the switching command sent by the network coordinator may contain an identifier (channel number or number in the list) for the transmission channel to be switched to. This is advantageous, if not all coming ge on ¬ listed transmission channels for the channel switching infra, for example, when the network coordinator determines that certain Übertra ¬ supply channels have proved to be unsuitable in the past, or is known that certain transmission channels already are occupied by other communi cation ¬ networks, such as Wi-Fi, or alternatives transmission channels are continually monitored in parallel with regard to Stö ¬ stanchions and each of the optimal channel is selected out ¬. The lists in the network subscribers can also be kept non-specific because the decision as to which transmission channels is switched in which order is made solely by the network coordinator who has suitable list management for this purpose.
Um die erfindungsgemäße Kanalumschaltung auch für die zum Sendezeitpunkt des Umschaltbefehls jeweils passiven Netzwerk- teilnehmer zu ermöglichen bzw. auch dann zu ermöglichen wenn die Übertragung des Umschaltbefehls gestört ist, sind in dem auf dem unteren Schichtenbereich aufbauenden oberen Schichtenbereich in vorteilhafter Weise folgende weitere Mechanis¬ men integriert : - die Netzwerkteilnehmer sind dazu ausgebildet, Störungen der Übertragung zu erkennen,In order to allow the channel switch according to the invention also for the time of sending the changeover command each passive network subscriber or even to enable when the transmission of the changeover command is disturbed, are in the building on the lower layer region upper layer region in an advantageous manner, the following additional Mechanical- ¬ men integrated: the network subscribers are designed to detect disturbances of the transmission,
- die Netzwerkteilnehmer schalten bei Erkennen einer Störung von dem aktuellen Übertragungskanal auf den vorgegebenen neuen Übertragungskanal aus der Liste um, - die Netzwerkteilnehmer senden in dem neuen Übertragungskanal eine Statusabfrage an den Netzwerkkoordinator,the network subscribers switch from the list to the predefined new transmission channel when a fault is detected from the current transmission channel, the network subscribers send a status request to the network coordinator in the new transmission channel,
- der Netzwerkkoordinator empfängt und beantwortet die Sta¬ tusabfrage in dem neuen Übertragungskanal. Wenn ein Netzwerkteilnehmer beim Senden von Daten in dem aktuellen Übertragungskanal keine Sendebestätigung erhält, sendet er auf einem anderen Übertragungskanal seiner Liste eine Statusabfrage an den Netzwerkkoordinator und wartet auf eine Antwort von diesem. Diese Vorgehensweise ist besonders schnell, wenn die Reihenfolge, in der zwischen den Übertra¬ gungskanälen umgeschaltet wird durch die Liste vorgegeben ist, weil dann in der Regel sofort der neue Übertragungskanal gefunden wird.- The network coordinator receives and answers the Sta ¬ tusabfrage in the new transmission channel. If a network subscriber does not receive a send acknowledgment when sending data in the current transmission channel, he sends a status request to the network coordinator on another transmission channel of his list and waits for a response from this. This procedure is particularly fast when the order is in the switch between the Übertra ¬ supply channels is determined by the list because of new transmission channel is then immediately found in the rule.
Beim Ausbleiben einer Antwort auf ihre Statusabfrage können die Netzwerkteilnehmer solange auf weitere Übertragungskanäle aus der Liste umschalten und anschließend eine Statusabfrage senden, bis sie eine Antwort erhalten. Alternativ können die Netzwerkteilnehmer bei Ausbleiben einer Antwort auf ihreFailure to respond to their status query allows network subscribers to switch to other transmission channels from the list and then send a status request until they receive a response. Alternatively, the network participants may fail to respond to their
Statusabfrage in einen Suchmodus (Scan) wechseln, in dem sie nacheinander in den verschiedenen Übertragungskanälen nach regulären Sendesignalen (beacons) des Netzwerkkoordinators suchen oder solche Sendesignalen anfordern. Dieser Suchmodus ist bereits in dem bestehenden Standard für den Neustart des Netzwerks vorgesehen.Switching the status query into a search mode (scan) by searching in succession in the various transmission channels for regular transmission signals (beacons) of the network coordinator or requesting such transmission signals. This search mode is already provided in the existing standard for restarting the network.
Der obere Schichtenbereich des Protokollstapels ist vorzugs¬ weise durch den Standard ZigBee definiert. Die Listen mit den alternativen Umschaltkanälen können dann beispielsweise durch Erweiterung der Managementprotokolle im ZigBee Device Object (ZDO) realisiert werden. Diese Erweiterung ermöglicht optio¬ nal auch eine ständige Aktualisierung der Liste der alterna¬ tiven Umschaltkanäle in allen Netzwerkteilnehmern.The upper layers of the protocol stack area is preferential ¬ as defined by the standard ZigBee. The lists with the alternative switching channels can then be realized, for example, by extending the management protocols in the ZigBee Device Object (ZDO). This extension allows optio ¬ nal and constant updating of the list of alterna ¬ tive Umschaltkanäle in all network participants.
Die Erkennung von Störungen im aktuellen Übertragungskanal durch den Netzwerkkoordinator impliziert auch die Erfassung der Störungen durch einzelne Netzwerkteilnehmer oder durch eigens zur Störungserkennung vorgesehene Netzwerkteilnehmer oder sonstige Subsysteme, die die Störungen an den Netzwerk¬ koordinator melden. So können z. B. auch Störungen des Übertragungskanals erkannt werden, welche in unmittelbarer räum¬ licher Umgebung des Netzwerkkoordinators nicht erkennbar sind. Ebenso kann der Netzwerkkoordinator durch administrativen Eingriff von außen veranlasst werden, eine Kanalum- schaltung durchzuführen. Ein Beispiel hierfür ist die Etablierung eines WLANs in der Umgebung des erfindungsgemäßen Netzwerkes, was für dieses eine neue Festlegung der Übertra¬ gungskanäle nötig macht.The identification of problems in the current transmission channel by the network coordinator also implies the detection of interference by individual network nodes or by specially provided for fault detection network subscribers or other subsystems that report the faults to the network ¬ coordinator. So z. B. also disturbances of the transmission channel are detected, which in the immediate ge ¬ Licher environment of the network coordinator not visible are. Likewise, the network coordinator can be made by administrative intervention from outside to perform a channel switchover. An example of this is the establishment of wireless networks in the area of the network according to the invention, which makes necessary a new definition of the Übertra ¬ supply channels for this.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zei- gen:To further explain the invention, reference will be made below to the figures of the drawing; in detail show:
Figur 1 ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes ZigBee-Netz- werk,FIG. 1 shows an example of a ZigBee network according to the invention,
Figur 2 den Protokollstapel des ZigBee-Netzwerks undFigure 2 shows the protocol stack of the ZigBee network and
Figur 3 beispielhaft die gemäß der Erfindung in dem Proto¬ kollstapel integrierten Mechanismen.FIG. 3 shows, by way of example, the mechanisms integrated in the proto ¬ stack according to the invention.
Die Topologie des ZigBee-Netzwerks kann, wie in Figur 1 ge¬ zeigt, als Sternnetz, aber auch als Baum- oder Maschennetz aufgebaut sein. Die einzelnen Netzwerkknoten 1 bis 6 bestehen dabei aus Geräten 1, 2, 3, 5 mit voller Funktionalität (FuIl- Function-Devices = FFDs) und Geräten 4, 6 mit reduzierter Funktionalität (Reduced-Function-Devices = RFDs) . Dabei neh¬ men die Geräte 1 bis 6 jeweils eine der folgenden Rollen ein: Netzwerkkoordinator, Alternativ-Koordinator, Router oder Endgerät. Jede Rolle kann auch die Aufgaben der jeweils unterge¬ ordneten Rolle enthalten. Ein RFD benötigt immer ein FFD als Kommunikationspartner und kann daher immer nur die Rolle eines Endgerätes übernehmen. In jedem Netzwerk gibt es genau einen Koordinator 1 und keinen, einen oder mehrere Alterna- tiv-Koordinatoren, die im Falle eines Ausfalles des Koordi¬ nators dessen Aufgabe übernehmen. Die FFDs und RFDs unter- scheiden sich auch darin, wie sie in den verschiedenen Netz- werk-Topologien eingesetzt werden können. In einem Maschennetz können nur FFDs eingesetzt werden. RFDs nehmen, wie bereits erwähnt, immer Endposition in der Netzwerk-Topologie ein. RFDs sind in der Regel für eine spezielle Aufgabe konzi¬ piert und können somit kostengünstiger und energiesparender als FFDs sein.The topology of the ZigBee network, as shown in Figure 1 ge ¬ as star network, but also as a tree or mesh be constructed. The individual network nodes 1 to 6 consist of devices 1, 2, 3, 5 with full functionality (Function Function Devices = FFDs) and devices 4, 6 with reduced functionality (Reduced Function Devices = RFDs). In this case, neh ¬ the device 1 to 6 men a respective one of the following roles: network coordinator Alternatively coordinator, router, or terminal. Each role and the responsibilities of each underweight body ¬ assigned role may contain. An RFD always needs an FFD as a communication partner and can therefore only ever take over the role of a terminal. In every network there is exactly one coordinator and one no, one or more different remote coordinators who take over the task in the event of a failure of the coordi ¬ nators. The FFDs and RFDs also differ in how they can be used in the different network topologies. In a mesh network only FFDs can be used. As already mentioned, RFDs always take the final position in the network topology one. RFDs are konzi ¬ piert usually for a specific task and thus may be less expensive and more energy efficient than FFDs.
Bei der Anmeldung eines der hier auch als Netzwerkteilnehmer bezeichneten Geräte 2 bis 6 im Netzwerk wird ihm von dem Netzwerkkoordinator 1 ein Identifier zugewiesen, über den der Netzwerkteilnehmer dann angesprochen wird.When registering one of the devices 2 to 6 in the network, also referred to here as network subscribers, an identifier is assigned to it by the network coordinator 1, via which the network subscriber is then addressed.
Wie Figur 2 in schematischer Darstellung zeigt, besteht derAs Figure 2 shows in a schematic representation, there is the
Protokollstapel für IEEE 802.15.4/ZigBee aus folgenden Proto¬ kollschichten :Protocol stack for IEEE 802.15.4 / ZigBee following Proto ¬ kollschichten:
Die physikalische Übertragungsschicht (Physical Layer) PHY beschreibt die Funkschnittstelle mit insgesamt 27 Übertra¬ gungskanälen in drei verschiedenen Frequenzbändern. Das 2,4 GHz-Band stellt 16 Übertragungskanäle mit jeweils 250 kbit/s zur Verfügung, das 915 MHz-Band 10 Kanäle mit jeweils 40 kbit/s und das 868 MHz-Band nur einen Kanal mit 20 kbit/s.The physical layer (Physical Layer) PHY describes the radio interface with a total of 27 Übertra ¬ supply channels in three different frequency bands. The 2.4 GHz band provides 16 transmission channels each at 250 kbit / s, the 915 MHz band 10 channels at 40 kbit / s each and the 868 MHz band only one channel at 20 kbit / s.
Die Kanalzugriffsschicht (Medium Access Control Layer) MAC regelt die Adressierung der Geräte, die grundlegende Verwal¬ tung von kleinen Peer-to-Peer- oder Stern-Netzen sowie den Kanalzugriff.The channel access layer (Medium Access Control Layer) MAC controls the addressing of the devices, the basic administrative ¬ processing of small peer-to-peer or star networks, and channel access.
Die beiden untersten Protokollschichten PHY und MAC sind im Standard IEEE 802.15.4 definiert, auf dem die folgenden ZigBee-Protokollschichten aufbauen :The two lowest protocol layers PHY and MAC are defined in the standard IEEE 802.15.4, on which the following ZigBee protocol layers are based:
Die Netzwerkschicht (Network Layer) NWK stellt Mechanismen zur Verfügung, um den Geräten den Beitritt und das Verlassen des Netzwerks zu ermöglichen, und routet empfangene Daten¬ pakete an den Adressaten innerhalb des Netzwerks weiter. Die Netzwerkschicht NWK ist darüber hinaus für die Ermittlung von Verwaltung von Pfaden durch das Netzwerk verantwortlich. Die Anwendungsschicht (Application Layer) APL setzt sich aus dem Application Support Sublayer APS, dem ZigBee Device Ob- ject ZDO und dem Application Framework AF zusammen. Der Application Support Layer APS verwaltet die Bindungen zwischen den Geräten. Unter Bindung versteht man in diesem Zusammenhang den Vorgang, Geräte entsprechend ihrer Aufgaben einander innerhalb des Netzwerks zuzuordnen. Das ZigBee Device Object ZDO legt die Netzwerkrolle eines Geräts wie z.B. Koordinator oder Endgerät fest und ist verantwortlich für das Auffinden neuer Geräte und die Ermittlung der von ihnen bereitgestel¬ lten Funktionalitäten. Im Application Framework AF sind die benutzerdefinierten Anwendungen (Application Objects) AO integriert .The network layer (Network Layer) NWK provides mechanisms to allow the devices to joining and leaving the network and routes data received ¬ packets to the addressee within the network on. The network layer NWK is also responsible for determining how paths are managed by the network. The application layer APL consists of the Application Support Sublayer APS, the ZigBee Device Object ZDO and the Application Framework AF. The Application Support Layer APS manages the bindings between the devices. In this context, binding is the process of assigning devices to each other within the network according to their tasks. The ZigBee Device Object ZDO determines the network role of a device such as coordinator or end device and is responsible for the discovery of new devices and the determination of bereitgestel of them ¬ lten functionalities. The Application Framework AF integrates the user-defined applications (Application Objects) AO.
Figur 3 verdeutlicht die gemäß der Erfindung in dem in dem ZigBee-Protokollstapel integrierten Mechanismen. Alle Netzwerkknoten, also der Netzwerkkoordinator und die Netzwerkteilnehmer, welche zu bestimmten Zeiten aktiv oder passiv sein können, enthalten übereinstimmende Listen von verfüg- baren Übertragungskanälen. Der Netzwerkkoordinator ist dazu ausgebildet, Störungen im Übertragungskanal zu erkennen, und sendet bei Erkennen einer Störung oder aufgrund eines administrativen Eingriff von außen (Umschaltereignis) einen Umschaltbefehl im Broadcast aus. Der Netzwerkkoordinator und die den Umschaltbefehl jeweils empfangenden aktiven Netzwerkteilnehmer schalten anschließend von dem aktuellen Übertragungskanal auf den jeweils nächsten Übertragungskanal in der Liste um (Kanalumschaltung) , so dass die Datenübertragung auf dem neuen Übertragungskanal fortgesetzt werden kann.FIG. 3 illustrates the mechanisms according to the invention in the mechanisms integrated in the ZigBee protocol stack. All network nodes, ie the network coordinator and the network participants, which can be active or passive at certain times, contain matching lists of available transmission channels. The network coordinator is configured to detect faults in the transmission channel and sends out a switchover command in the event of detection of a fault or due to an external administrative intervention (switchover event). The network coordinator and the active network participants respectively receiving the switching command subsequently switch from the current transmission channel to the respectively next transmission channel in the list (channel switching), so that the data transmission on the new transmission channel can be continued.
Die gerade passiven Netzwerkteilnehmer oder solche Netzwerkteilnehmer, die den Umschaltbefehl nicht empfangen haben, erkennen früher oder später eine Störung (x) bei der Übertragung der Daten und wechseln daraufhin selbständig von ihrem aktuellen Übertragungskanal auf den nächsten Übertragungska¬ nal in der Liste. Dann senden die Netzwerkteilnehmer in dem neuen Übertragungskanal eine Statusabfrage an den Netzwerk¬ koordinator, der, wenn er denselben Übertragungskanal be- nutzt, die Statusabfrage beantwortet. Anschließend wird die Datenübertragung auf dem neuen Übertragungskanal aufgenommen bzw. fortgesetzt.The straight passive network station or those network operators who have not received the switching instruction, sooner or later recognize a fault (x) in the transmission of data and change then independently from its current transmission channel to the next Übertragungska ¬ nal in the list. Then the network participants send in the new transmission channel a status query to the network ¬ coordinator, which, when loading the same transmission channel uses the status query answered. Subsequently, the data transmission is recorded or continued on the new transmission channel.
Beim Ausbleiben einer Antwort auf ihre Statusabfrage können die Netzwerkteilnehmer in einen Suchmodus (Scan) wechseln, in dem sie nacheinander in den verschiedenen Übertragungskanälen nach regulären Sendesignalen (beacons) des Netzwerkkoordina¬ tors suchen oder solche Sendesignalen anfordern. Dieser Such- modus ist bereits in dem bestehenden Standard für den Neu¬ start des Netzwerks vorgesehen. In the absence of an answer to their status query, the network subscribers can switch to a search mode (scan), in which they search sequentially in the various transmission channels for regular transmission signals (beacons) of Netzwerkkoordina ¬ gate or request such transmission signals. This search mode is already provided in the existing standard for restarting the network.
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