DE102009039431B4

DE102009039431B4 - Collision reduction method and use thereof

Info

Publication number: DE102009039431B4
Application number: DE200910039431
Authority: DE
Inventors: Alexander Klein; Jirka Klaue; Josef Schalk
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: DE102009039431A1

Abstract

Kollisionsverringerungsverfahren zur Verringerung von Kollisionen in Datennetzwerken, mit den Schritten Senden eines Reservierungssignals mit zufällig ausgewählter Länge zur Reservierung eines Datenübertragungsmediums, Senden von Daten, wenn nach dem Senden des Reservierungssignals das Datenübertragungsmedium verfügbar ist, wobei derjenige Netzwerkknoten Zugriff auf das Datenübertragungsmedium erhält, der das längste Reservierungssignal sendet.A collision mitigation method for reducing collisions in data networks, comprising the steps of transmitting a reservation signal of randomly selected length for reservation of a data transmission medium, transmitting data if the data transmission medium is available after the reservation signal is transmitted, the one having the longest access to the data transmission medium Reservation signal sends.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kollisionsverringerungsverfahren zur Verringerung von Kollisionen in Datennetzwerken mit den Schritten Senden eines Reservierungssignals mit zufällig ausgewählter Länge zur Reservierung eines Datenübertragungsmediums und Senden von Daten, wenn nach dem Senden des Reservierungssignals das Datenübertragungsmedium verfügbar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduzierung der Kollisionswahrscheinlichkeit in drahtlosen Sensornetzen. Weiter betrifft die Erfindung ein Sensornetzwerk, das ein Datenübertragungsnetzwerk bildet, welches zum Durchführen eines solchen Verfahrens eingerichtet ist, und einen Netzwerkknoten für ein Datenübertragungsnetzwerk, der zur Anwendung des Kollisionsvermeidungsverfahrens ausgebildet ist. Schließlich betrifft die Erfindung eine Strukturüberwachungsvorrichtung zur Strukturüberwachung von Fahrzeugen, wie insbesondere Luftfahrzeugen, mit Sensoren, die über ein solches Datenübertragungsnetzwerk und/oder über solche Netzwerkknoten kommunizieren. Weiter betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, mit einer solchen Strukturüberwachungsvorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung ein Strukturüberwachungsverfahren zur Überwachung der Struktur eines Luftfahrzeuges unter Verwendung eines Datenübertragungsnetzwerkes, welches das Kollisionsverringerungsverfahren anwendet.The invention relates to a collision mitigation method for reducing collisions in data networks, comprising the steps of transmitting a reservation signal of randomly selected length for reserving a data transmission medium and transmitting data if the data transmission medium is available after the reservation signal has been transmitted. In particular, the invention relates to a method for reducing the probability of collision in wireless sensor networks. Furthermore, the invention relates to a sensor network, which forms a data transmission network, which is set up to carry out such a method, and a network node for a data transmission network, which is designed for the application of the collision avoidance method. Finally, the invention relates to a structure monitoring device for monitoring the structure of vehicles, in particular aircraft, with sensors that communicate via such a data transmission network and / or via such network nodes. Furthermore, the invention relates to an aircraft, in particular aircraft, with such a structure monitoring device. Finally, the invention relates to a structure monitoring method for monitoring the structure of an aircraft using a data transmission network employing the collision mitigation method.

Bei der Konstruktion von Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen, wird unter Umweltgesichtsaspekten, aber auch zur Leistungssteigerung eine Gewichtsreduzierung immer wichtiger. Daher geht der Trend von bisher weit verbreiteten Metallmaterialien, wie Stahlmaterialen oder Aluminiummaterialien, zu leichtgewichtigeren Werkstoffen. Hierzu zählen insbesondere faserverstärkte Verwerkstoffe, wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK oder GFK). Ein Problem bei solchen Materialien kann sein, dass man ihnen Materialermüdungen wie insbesondere Brüche von Verstärkungsfasern, von außen nicht ansehen kann.In the construction of vehicles, especially aircraft, a weight reduction is increasingly important from the environmental aspects, but also to increase performance. Therefore, the trend of previously common metal materials, such as steel materials or aluminum materials, is turning to lighter weight materials. These include in particular fiber-reinforced materials, such as carbon fiber reinforced or glass fiber reinforced plastics (CFRP or GFRP). One problem with such materials may be that they can not be viewed from the outside by material fatigue such as, in particular, breaks in reinforcing fibers.

Unter anderem aus diesem Grunde wird es im Fahrzeugbau und insbesondere im Luftfahrzeugbau immer wichtiger, die Struktur des Fahrzeuges auf Materialermüdungen oder sonstige Beschädigungen zu überwachen. Es gibt daher im Stand der Technik bereits mehrere Ansätze für Strukturüberwachungsvorrichtungen von Fahrzeugen wie insbesondere Luftfahrzeuge.For this reason, among other things, it is becoming increasingly important in vehicle construction, and in particular in aircraft construction, to monitor the structure of the vehicle for material fatigue or other damage. There are therefore already several approaches in the prior art for structure monitoring devices of vehicles, in particular aircraft.

Beispielsweise ist in der DE 10 2007 055 090 A1 eine solche Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Außenhaut eines Luftfahrzeuges beschrieben. Die Außenhaut wird mit mehreren Sensoren überwacht. Um Gewicht – insbesondere im Luftfahrzeugbau – einzusparen, sollte der Verdrahtungsaufwand solcher Sensoren möglichst gering gehalten werden. Daher werden die Sensoren mit einer autonomen Energieversorgung versehen und sind drahtlos abfragbar. Dem gemäß weist ein Sensormodul eine Sende-Empfangseinrichtung zur bidirektionalen Datenkommunikation auf.For example, in the DE 10 2007 055 090 A1 Such a monitoring device for monitoring the outer skin of an aircraft described. The outer skin is monitored with several sensors. To save weight - especially in aircraft construction - the wiring complexity of such sensors should be kept as low as possible. Therefore, the sensors are provided with an autonomous power supply and can be interrogated wirelessly. Accordingly, a sensor module has a transceiver for bidirectional data communication.

Eine weitere Strukturüberwachungsvorrichtung, die insbesondere zur Überwachung von Aufprallvorgängen auf ein Luftfahrzeug ausgebildet ist, ist in der DE 10 2008 003 498 A1 beschrieben. Auch hier nutzt ein Sensormodul am Sensor selbst auftretende Energie, nämlich hier die Aufprallenergie, zur Stromversorgung. Es ist eine Datenübertragungseinrichtung vorgesehen, mittels der eine drahtlose Datenübertragung der Sensordaten mittels Funkkommunikation ermöglicht ist. Die Datenübertragungseinrichtung ist als drahtloses Sensornetzwerk mit drahtlosen Sensorknoten ausgebildet.Another structure monitoring device, which is designed in particular for monitoring impact processes on an aircraft, is in DE 10 2008 003 498 A1 described. Here, too, a sensor module on the sensor itself uses energy, namely the impact energy, for power supply. A data transmission device is provided, by means of which wireless data transmission of the sensor data by means of radio communication is made possible. The data transmission device is designed as a wireless sensor network with wireless sensor nodes.

Ein Aufbau eines solchen Sensornetzwerkes, das insbesondere zur Strukturüberwachung von Luftfahrzeugen einsetzbar ist, ist genauer in der DE 10 2007 058 102 A1 beschrieben.A structure of such a sensor network, which is used in particular for structural monitoring of aircraft, is more precisely in the DE 10 2007 058 102 A1 described.

Wie sich aus dem Inhalt der genannten Druckschriften DE 10 2007 055 090 A1 , DE 10 2008 003 498 A1 sowie der DE 10 2007 058 102 A1 ergibt, können an einem Fahrzeug eine recht große Anzahl von Sensoren zur Strukturüberwachung vorhanden sein. Da die Sensoren dazu dienen, die Struktur des Fahrzeuges zu überwachen, ist eine sichere Datenübertragung wichtig. Z. B. könnten eine Reihe von Sensoren Daten übertragen, die einen höchst kritischen Überlastungszustand der Struktur des Fahrzeuges anzeigen. Dies kann sicherheitsrelevant sein, da womöglich ein sofortiger Handlungsbedarf notwendig ist, um ernsthafte Schäden oder Unfälle zu vermeiden.As can be seen from the content of the cited documents DE 10 2007 055 090 A1 . DE 10 2008 003 498 A1 as well as the DE 10 2007 058 102 A1 As a result, a fairly large number of structural monitoring sensors may be present on a vehicle. Since the sensors serve to monitor the structure of the vehicle, secure data transmission is important. For example, a number of sensors could transmit data indicating a highly critical congestion condition of the structure of the vehicle. This can be safety-relevant, as it may require immediate action to prevent serious damage or accidents.

Bisher werden als Datenübertragungseinrichtungen für solche Sensormodule zum Übertragen der Sensordaten auf dem Markt erhältliche Funkchips für Sensoren eingesetzt. Beispielsweise wird als Funkchip ein Chip von der Firma „Texas Instruments” mit der Bezeichnung CC2420 verwendet.So far available as data transmission devices for such sensor modules for transmitting the sensor data available on the market radio chips for sensors. For example, a chip from the company "Texas Instruments" with the designation CC2420 is used as a radio chip.

Nun können in einem Datenübertragungsnetzwerk wie z. B. Ethernet oder dem hier in Rede stehenden Sensornetzwerken jederzeit Kollisionen statt finden, die die übertragenden Signale unbrauchbar machen. Vergleichen kann man das Ganze mit einer menschlichen Konversation. So redet im Normalfall nur eine Person, während die andere nur eine Zuhörerrolle einnimmt. Ist der Sprecher mit seinem Part fertig, wird der Zuhörer aktiv und verwandelt sich zum Sprecher, während der vorangegangene Sprecher nun zuhört. Jetzt kann es aber jederzeit passieren, dass beide im selben Moment zu sprechen anfangen, und so wichtige Informationen im allgemeinen Kommunikations-Chaos untergehen. Sollte dies passieren, einigen sich beide, wer den Vortritt hat, und die Konversation kann ihren gewöhnlichen Lauf nehmen.Now, in a data transmission network such. As Ethernet or the sensor networks in question here at any time find collisions that make the transmitted signals unusable. You can compare the whole thing with a human conversation. So usually only one person speaks, while the other only takes on a listener role. When the speaker finishes with his part, the listener becomes active and becomes the speaker while the previous speaker listens. Now it can be anytime happen that both start talking at the same moment, and so get rid of important information in the general communication mess. If this happens, both agree on who has the lead and the conversation can take its usual course.

Aus der US 6 404 756 B1 ist ein Datenübertragungsnetzwerk mit mehreren Datenkanälen und einem separaten Reservierungskanal bekannt. Jeder an dieses Datenübertragungsnetzwerk angeschlossene Netzwerkknoten benötigt einen zweiten Empfänger, mit dem er den Reservierungskanal kontinuierlich überwacht. Möchte ein Netzwerkknoten einen Datenkanal reservieren, so setzt er in den Reservierungskanal eine Reservierungsanforderung ab, die von der gewünschten Gegenstelle beantwortet wird. Da alle Netzwerkknoten den Reservierungskanal kontinuierlich überwachen, ist ihnen bekannt, welche Datenkanäle zu welcher Zeit belegt sind.From the US Pat. No. 6,404,756 B1 For example, a data transmission network with multiple data channels and a separate reservation channel is known. Each network node connected to this data transmission network requires a second receiver with which it continuously monitors the reservation channel. If a network node wants to reserve a data channel, it places a reservation request in the reservation channel, which is answered by the desired remote station. Since all network nodes continuously monitor the reservation channel, they know which data channels are occupied at what time.

Zur Erkennung und Vermeidung von Kollisionen auf einem gemeinsam genutzten, insbesondere einem seriellen Bus, schlägt die US 6 735 635 B1 einen Netzwerkknoten vor, der zur Kanalbelegung eine Serie von Zeichen sendet, die von unterschiedlicher Dauer sein können. Zwischen den Zeichen werden Pausen unterschiedlicher Länge eingefügt. Der Netzwerkknoten überwacht gleichzeitig das verwendete Datenübertragungsmedium und vergleicht die empfangenen Zeichen mit den gesendeten Zeichen. Stimmen die empfangenen Zeichen nicht mit den gesendeten Zeichen überein oder werden Zeichen empfangen, während selbst keine Zeichen gesendet werden, so geht der Netzwerkknoten von einer Kollision aus und bricht seinen Vorgang ab.To detect and avoid collisions on a shared, especially a serial bus, the US Pat. No. 6,735,635 B1 a network node, which sends a series of characters for the channel assignment, which can be of different duration. Pauses of different lengths are inserted between the characters. The network node simultaneously monitors the data transmission medium used and compares the received characters with the transmitted characters. If the received characters do not agree with the sent characters or receive characters while no characters are being sent, the network node assumes a collision and aborts its operation.

Die US 5 854 900 A schlägt zur Vermeidung des sogenannten Capture-Effekts und zur Erhöhung des Datendurchsatzes in einem Datenübertragungsnetzwerk vor, dass ein Netzwerkknoten, der ein Datenpaket in das Datenübertragungsnetzwerk gesendet hat, vor dem Senden eines weiteren Datenpakets eine über die vorgesehene Zwischenpaketlücke hinausgehende Pause einlegt. Dadurch erhalten andere Netzwerkknoten die Möglichkeit, auf das Datenübertragungsnetzwerk zuzugreifen.The US 5,854,900 proposes, in order to avoid the so-called capture effect and to increase the data throughput in a data transmission network, that a network node that has sent a data packet into the data transmission network inserts a pause beyond the intended intermediate packet gap before sending another data packet. This gives other network nodes the ability to access the communications network.

Es gibt im Stand der Technik bereits eine Reihe von Netzwerkprotokollen, die eine solche Datenübertragungskommunikation über derartige Netzwerke regeln. Die aktuell erhältlichen Funkchips nutzen beispielsweise das sogenannte Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Protokoll. Carrier Sense Multiple Access bedeutet übersetzt soviel wie Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung.There are already a number of network protocols in the art that govern such data communications over such networks. The currently available radio chips use, for example, the so-called Carrier Sense Multiple Access (CSMA) protocol. Carrier Sense Multiple Access translates into as much as multiple access with carrier verification.

Die Funkchips überprüfen demnach zunächst, ob der Träger, d. h. ein Datenübertragungsmedium, über welches Daten gesendet werden sollen, also beispielsweise ein Funk-Datenübertragungskanal, frei ist. Ein vergleichbares Medienzugriffsverfahren wird beispielsweise bei Ethernet-Netzen verwendet und ist unter dem Standard IEE802.3 standardisiert.The radio chips therefore first check whether the carrier, i. H. a data transmission medium over which data is to be sent, that is, for example, a radio data transmission channel, is free. A similar media access method is used, for example, in Ethernet networks and is standardized under the standard IEE802.3.

Zur Trägerüberprüfung nutzen die aktuellen Funkchips eine sogenannte Clear Channel Assessment (CCA) Funktion, was eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt.For carrier verification, the current radio chips use a so-called Clear Channel Assessment (CCA) function, which takes a certain amount of time.

Nun benötigen aktuelle Funkchips für Sensoren, wie z. B. der genannte CC2420 von „Texas Instruments”, eine lange Zeit (128 μs), um eine laufende Übertragung zu detektieren. Diese Einschränkung reduziert die Zuverlässigkeit der Übertragung erheblich, zumal entsprechende Funkchips lediglich das Carrier Sense Multiple Access (CSMA) verwenden und dadurch auf die Clear Channel Assessment (CCA) Funktion des Chips angewiesen sind. Aufgrund der verzögernden Detektierung der Kanalbelegung kommt es vermehrt zu Kollisionen, welche die Zuverlässigkeit und/oder Qualität der Datenübertragung reduzieren.Now need current radio chips for sensors, such. For example, the named "Texas Instruments" CC2420 lasts for a long time (128 μs) to detect an ongoing transmission. This limitation significantly reduces the reliability of the transmission, especially since corresponding radio chips only use Carrier Sense Multiple Access (CSMA) and thus depend on the chip's Clear Channel Assessment (CCA) function. Due to the delaying detection of the channel occupancy, collisions increasingly occur which reduce the reliability and / or quality of the data transmission.

Es gibt bereits einige Lösungsansätze zur Verringerung von Kollisionen in Netzwerken. Ein solches Verfahren ist aus dem Industriestandard IEEE802.16 bekannt. IEEE802.16 bezeichnet eine Reihe von Drahtlos-Breitband-Standards, die durch die Organisation IEEE aufgestellt worden sind.There are already some solutions to reduce collisions in networks. Such a method is known from the industry standard IEEE802.16. IEEE802.16 refers to a set of wireless broadband standards established by the IEEE organization.

Die aktuelle Version ist die Version IEEE802.16-2009. Produkte, die diesem Standard IEEE802.16 genügen, werden unter dem Namen „WiMAX” vertrieben. Zur Kollisionsverringerung wird gemäß diesem Standard ein sogenannter Truncated Binary Exponential Backoff (TBEBA) Algorithmus angewandt, der aber in dem oben genannten Fall den Datenverkehr lediglich verteilen kann. Dies führt zu einer leichten Verminderung der Kollisionswahrscheinlichkeit. TBEBA stellt allerdings nicht immer eine akzeptable Lösung dar, da die Kollisionswahrscheinlichkeit für viele Anwendungen, wie z. B. der hier besonders interessierenden Strukturüberwachung in der Luftfahrtechnik, noch viel zu hoch ist.The current version is the version IEEE802.16-2009. Products that comply with this IEEE802.16 standard are distributed under the name "WiMAX". For collision reduction, a so-called Truncated Binary Exponential Backoff (TBEBA) algorithm is used according to this standard, but in the case mentioned above it can only distribute the data traffic. This leads to a slight reduction in the probability of collision. However, TBEBA is not always an acceptable solution because the probability of collision is high for many applications, such as: As the particularly interesting structural monitoring in aeronautical engineering, is still too high.

Der TBEBA-Algorithmus funktioniert folgendermaßen:
Wird eine Kollision auf dem Datenübertragungsmedium detektiert, wird eine Datenübertragung vermieden. Würden dann alle Netzwerkknoten, die auf eine Freiheit des Datenübertragungsmediums warten, unmittelbar nach Freiwerden gleichzeitig senden, würde es sofort wieder zu einer Kollision kommen. Damit dies nicht passiert, kommt der sogenannte Backoff-Algorithmus zum Zuge. Ein Sonderbeispiel für einen solchen Algorithmus ist der vorgenannte Truncated Binary Exponential Backoff.The TBEBA algorithm works as follows:
If a collision is detected on the data transmission medium, data transmission is avoided. If all network nodes waiting for a freedom of the data transmission medium then send simultaneously immediately after being released, a collision would immediately occur again. To prevent this from happening, the so-called back-off algorithm comes into play. A special example of such an algorithm is the aforementioned Truncated Binary Exponential Backoff.

Bei einem ersten Wiederholungsversuch entscheidet ein Netzwerkknoten zufällig, ob er 0 μs oder 51,2 μs wartet. Demnach gibt es 2¹ Möglichkeiten für diesen Netzwerkknoten. Man teilt also das Datenübertragungsmedium in feste Zeitschlitze ein. Bei dem TBEBA-Algorithmus hat man hierzu eine Datenübertragungszeit von 512 Bits angesetzt, was bei üblichen Übertragungsraten 51,2 μs entsprach. Durch die feste Zeiteinteilung kann man erreichen, dass auch in größeren Netzen eine Kollision von allen Stationen erkannt wird. Die Zeitdauer dieser Zeitschlitze – im Folgenden Zeittakte genannt – wird auch „backoff delay” genannt. In a first retry, a network node randomly decides whether to wait 0 μs or 51.2 μs. So there are 2 ¹ possibilities for this network node. One divides the data transmission medium into fixed time slots. For the TBEBA algorithm, a data transfer time of 512 bits was used for this purpose, which corresponded to 51.2 μs at usual transfer rates. Due to the fixed time division, one can achieve that even in larger networks a collision is detected by all stations. The duration of these time slots - hereafter called clocks - is also called "backoff delay".

Falls bei dem nächsten Versuch wieder eine Kollision auftritt, verdoppelt sich die maximale Wartezeit; es gibt nun 2² Möglichkeiten. Der Netzwerkknoten wartet dann wieder zufällig 0 μs, 51,2 μs, 102,4 μs oder 153,6 μs. Sollte anschließend wieder eine Kollision stattfinden, erhöhen sich wieder die Möglichkeiten auf 8, dann auf 16 bis maximal 10²⁴ Möglichkeiten.If a collision occurs again at the next attempt, the maximum waiting time is doubled; There are now 2 ² possibilities. The network node then waits randomly for 0 μs, 51.2 μs, 102.4 μs or 153.6 μs. Should a collision occur again, the possibilities increase again to 8, then to 16 to a maximum of 10 ²⁴ possibilities.

Allgemein senden die Netzwerkknoten, um die Anzahl der Kollisionen möglichst gering zu halten, erst wieder nach einer bestimmten Zeit, welche durch den Backoff-Algorithmus berechnet wird.Generally, in order to keep the number of collisions as low as possible, the network nodes only resend after a certain time, which is calculated by the back-off algorithm.

Nach einer Kollision wählt jeder Netzwerkknoten (oder jede Station) aus einer Menge möglicher Slotseiten eine zufällige Wartezeit, nachdem sie erneut versucht, ihre Daten zu senden. Allgemein wählt somit ein Backoff-Algorithmus eine Zeitdauer t = n × T aus, wobei T eine vorbestimmte Zeitdauer eines Zeittaktes ist und n eine natürliche Zahl ist, die zufällig aus einem Intervall [0, n_max] ausgewählt wird, wobei n_max eine vorbestimmte natürliche Zahl > oder = 1 ist.After a collision, each network node (or station) randomly selects from a set of possible slot pages after trying again to send their data. Generally, therefore, a backoff algorithm selects a time duration t = n × T, where T is a predetermined time period of a clock and n is a natural number randomly selected from an interval [0, n _max ], where n _{max is} a predetermined one natural number> or = 1.

Dieser vorgenannte Algorithmus wird im Folgenden Backoff-Algorithmus genannt.This algorithm is called backoff algorithm in the following.

Bei bestimmten Ausführungsformen von Backoff-Algorithmen wird n_max bei einem ersten Versuch auf 1 eingestellt und bei jedem weiteren Versuch nach einem erfolglosen Zugriff auf das Datenübertragungsmedium um 1 erhöht.In certain embodiments of back-off algorithms, n _{max is} set to 1 in a first attempt and incremented by 1 on each subsequent attempt after unsuccessful access to the data transfer medium.

Durch die zufällige Auswahl der Wartezeit ist es höchstwahrscheinlich, das die Sensorknoten dann zu unterschiedlichen Slotseiten (Taktseiten) einen erneuten Zugriff probieren.Due to the random selection of the waiting time, it is highly probable that the sensor nodes then try a different access to different slot sides (clock sides).

Dieses bekannte Verfahren hat insbesondere den Nachteil, dass bei vielen beteiligten Stationen es für eine einzelne Station – Netzwerkknoten – relativ lange dauern kann, bis ihre Sendung fehlerfrei übertragen wurde. Mit der Anzahl der Kollisionen vergrößert sich auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Station mehrere Slotseiten – Taktseiten – wartet. Durch die Kollisionen ist es nicht möglich, die theoretische Übertragungskapazität eines Mediums voll auszuschöpfen. Wird ein Netz nicht voll beansprucht, kann man bei Netzwerken, die die zuvor erwähnten Protokolle verwenden, von einer Leistung von etwa 70% der Nominalleistung ausgehen. Steigt dann der Verkehr auf dem Datenübertragungsmedium und somit die Netzauslastung, kann es durchaus auch vorkommen, dass lediglich 30% der Nominalleistung abgerufen werden kann. Der Grund dafür liegt auf der Hand. Umso mehr Datenverkehr, desto größer ist die Gefahr von Kollisionen. Je mehr Kollisionen vorhanden sind, desto größer werden jeweils die Wartezeiten für die einzelnen Netzwerkknoten. Dadurch kann eine Datenübertragung über solche Datennetzwerke recht lange dauern. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines Datennetzwerkes zur Übertragung von Sensordaten für sicherheitsrelevante Systeme nachteilig. Insbesondere ist dies bei der Strukturüberwachung von Fahrzeugen nachteilig.In particular, this known method has the disadvantage that in the case of many stations involved, it can take a relatively long time for a single station-network node-until its transmission was transmitted without errors. The number of collisions also increases the likelihood that the station will wait several slots - clock pages. Due to the collisions, it is not possible to fully exploit the theoretical transmission capacity of a medium. If a network is underutilized, networks using the aforementioned protocols may run at about 70% of the nominal power. If then the traffic on the data transmission medium and thus the network load increases, it can happen that only 30% of the nominal power can be called up. The reason for this is obvious. The more data traffic, the greater the risk of collisions. The more collisions there are, the greater the waiting times for the individual network nodes. As a result, data transmission over such data networks can take a long time. This is disadvantageous in particular when using a data network for transmitting sensor data for security-relevant systems. In particular, this is disadvantageous in the structure monitoring of vehicles.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein insbesondere – aber nicht ausschließlich – für drahtlose Sensornetzwerke geeignetes Verfahren zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Kollisionen zu schaffen, mit dem Kollisionen besser als bisher im Stand der Technik vermieden oder verringert werden können.The object of the invention is to provide a method, in particular-but not exclusively-suitable for wireless sensor networks for reducing the probability of collisions, with which collisions can be avoided or reduced better than hitherto in the prior art.

Diese Aufgabe wird durch ein Kollisionsverringerungsverfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a collision reduction method according to claim 1.

Ein Sensornetzwerk mit Mitteln zum Durchführen eines solchen Verfahrens, ein Netzwerkknoten für ein solches Sensornetzwerk, eine Strukturüberwachungsvorrichtung, die ein solches Kollisionsverringerungsverfahren bei der Übertragung von Sensordaten anwendet, ein Luftfahrzeug mit einer solchen Strukturüberwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung der Struktur eines Luftfahrzeuges unter Verwendung des Kollisionsverringerungsverfahrens sind Gegenstand der Nebenansprüche.A sensor network having means for performing such a method, a network node for such a sensor network, a structure monitoring device applying such a collision reduction method in transmitting sensor data, an aircraft having such a structure monitoring device, and a method of monitoring the structure of an aircraft using the collision mitigation method are the subject of the subsidiary claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schafft Kollisionsverringerungsverfahren zur Verringerung von Kollisionen in Datennetzwerken, gekennzeichnet durch Senden eines Reservierungssignals mit zufällig ausgewählter Länge zur Reservierung eines Datenmediums, Senden von Daten, wenn nach dem Senden des Reservierungssignals das Datenmedium verfügbar ist.The invention provides collision mitigation techniques for reducing collisions in data networks, characterized by transmitting a reservation signal of randomly selected length for reserving a data medium, transmitting data if the data medium is available after the reservation signal is transmitted.

Vorzugsweise wird die Länge des Reservierungssignals zufällig aus einem Intervall zwischen größer 0 und einer vorbestimmten maximalen Menge ausgewählt.Preferably, the length of the reservation signal is randomly selected from an interval between greater than 0 and a predetermined maximum amount.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird die Länge des Reservierungssignals mittels eines Backoff-Algorithmus bestimmt. In a particularly preferred embodiment, the length of the reservation signal is determined by means of a back-off algorithm.

Backoff-Algorithmen wurden bisher nur passiv verwendet, um Datenverkehr zu verteilen. Die Backoff-Algorithmen bestimmten die Wartezeit der einzelnen Stationen – Netzwerkknoten – in dem Datenübertragungsnetzwerk. Der hier gemäß der besonders bevorzugten Ausgestaltung vorgestellte Ansatz verwendet einen Backoff-Algorithmus zur Bestimmung der Dauer eines Reservierungssignals.Backoff algorithms have been used only passively to distribute traffic. The back-off algorithms determined the latency of the individual stations - network nodes - in the data transmission network. The approach presented here according to the particularly preferred embodiment uses a back-off algorithm for determining the duration of a reservation signal.

Allgemeiner wird – vorzugsweise durch einen datensendenrollenden Netzwerkknoten zunächst ein Reservierungssignal gesendet, um das Datenübertragungsmedium für diesen Netzwerkknoten zu reservieren. Dadurch, dass die Länge dieses Reservierungssignals zufällig ausgewählt wird, besteht wie bei dem Backoff-Algorithmus im Stand der Technik die Wahrscheinlichkeit, dass unterschiedlich lange Reservierungssignale gesendet werden. Nach Senden des Reservierungssignals wird die Verfügbarkeit des Datenübertragungsmediums erneut überprüft und bei Verfügbarkeit die Daten gesendet.More generally, a reservation signal is sent, preferably by a data-sending-rolling network node, to reserve the data-transmission medium for that network node. By randomly selecting the length of this reservation signal, as in the prior art back-off algorithm, there is a likelihood that reservation signals of different lengths will be sent. After sending the reservation signal, the availability of the data transfer medium is checked again and, if available, the data is sent.

Bei den bisher bekannten Backoff-Algorithmen wurde die maximale Wartedauer, bis zu der die Wartezeit ausgewählt worden ist, nach jedem Fehlversuch immer länger. Daher hatte der entsprechende Sensorknoten immer längere Wartezeiten. Es besteht die große Wahrscheinlichkeit, dass ein Sensorknoten, der bereits viele Fehlversuche hat, immer länger warten muss.In the previously known back-off algorithms, the maximum waiting time until which the waiting time has been selected becomes longer and longer after each failed attempt. Therefore, the corresponding sensor node always had longer waiting times. There is a high probability that a sensor node, which already has many failed attempts, will have to wait longer and longer.

Bei dem hier dargestellten Verfahren wird jedoch ein Reservierungssignal und nicht die Wartezeit entsprechend eingestellt. Verwendet man einen Backoff-Algorithmus, dann wird die maximale Länge des Reservierungssignals erhöht. Da bei einem solchen Verfahren der Sensorknoten mit dem längsten Reservierungssignal am längsten den Datenübertragungskanal blockt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass dieser Sensorknoten dann auch Zugriff auf das Datenübertragungsmedium erhält. Somit werden die Netzwerkknoten mit der höchsten Anzahl von Fehlversuchen gegenüber denjenigen mit geringer Anzahl von Fehlversuchen bevorteilt.In the method shown here, however, a reservation signal and not the waiting time is set accordingly. Using a backoff algorithm, the maximum length of the reservation signal is increased. Since, in such a method, the sensor node with the longest reservation signal blocks the data transmission channel the longest, the probability is then that this sensor node will also gain access to the data transmission medium. Thus, the nodes with the highest number of failed attempts are favored over those with a small number of failed attempts.

Insgesamt lassen sich somit für die einzelnen Netzwerkknoten schnellere Zugriffe erreichen.Overall, faster accesses can thus be achieved for the individual network nodes.

Erfindungsgemäß wird ein Reservierungssignal gesendet, um den Datenübertragungskanal zu reservieren. Die Netzwerkknoten erfassen eine Blockierung des Datenübertragungsmediums durch das Reservierungssignal und beginnen nicht mit der Datenübertragung, so dass die Gefahr von Kollisionen weitaus geringer ist.According to the invention, a reservation signal is sent to reserve the data transmission channel. The network nodes detect a blocking of the data transmission medium by the reservation signal and do not start with the data transmission, so that the risk of collisions is much lower.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kollisionsverringerungsverfahrens wird demnach vor dem Senden durch einen Netzwerkknoten eine Trägerprüfung zum Testen der Verfügbarkeit eines Datenübertragungsmediums durchgeführt. Entsprechende Schritte werden vorzugsweise durch einen Netzwerkknoten selbst, also beispielsweise implementiert in einem entsprechenden Funkchip, durchgeführt. Will ein Netzwerkknoten senden, führt er demnach zunächst eine Trägerprüfung durch. Weiter wird bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bei Verfügbarkeit das Reservierungssignal für den Netzwerkknoten mit einer Zeitdauer T_R gesendet. Nach dem Senden des Reservierungssignals wird zunächst erneut die Verfügbarkeit getestet. Ist das Datenübertragungsmedium dann verfügbar, wird mit der Datenübertragung auf dem Datenübertragungsmedium begonnen. Die Zeitdauer T_R wird vorzugsweise zufällig zwischen größer 0 und einem maximalen Wert bestimmt.Thus, in a particularly preferred embodiment of the collision mitigation method, a bearer test for testing the availability of a data transmission medium is performed prior to transmission by a network node. Corresponding steps are preferably carried out by a network node itself, that is, for example implemented in a corresponding radio chip. If he wants to send a network node, he first performs a carrier check. Further, in the preferred embodiment of the invention, if available, the reservation signal for the network node is sent with a time T _R. After sending the reservation signal, the availability is tested again first. If the data transfer medium is then available, data transfer on the data transfer medium begins. The time period T _R is preferably determined randomly between greater than 0 and a maximum value.

Demnach testet der Netzwerkknoten, welcher senden will, zunächst, ob das Datenübertragungsmedium zur Verfügung steht. Wird auf diesem Datenübertragungsmedium bereits ein Reservierungssignal gesendet, so wird die Sendung geblockt, und es erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt erneut eine Abfrage. So kann durch Senden des Reservierungssignals vermieden werden, dass weitere Netzwerkknoten versuchen, eine Sendung zu platzieren. Durch die zufällige Auswahl der Zeitdauer des Reservierungssignals sind in der Regel die Reservierungssignale unterschiedlicher Netzwerkknoten unterschiedlich lang, so dass die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass zwei Netzwerkknoten zur gleichen Zeit das Aussenden des Reservierungssignals beenden.Accordingly, the network node that wants to send first tests whether the data transmission medium is available. If a reservation signal is already sent on this data transmission medium, then the transmission is blocked, and a query is made again at a later time. Thus, by sending the reservation signal it can be avoided that further network nodes attempt to place a transmission. As a result of the random selection of the duration of the reservation signal, the reservation signals of different network nodes are usually of different lengths, so that the probability is low that two network nodes will terminate the transmission of the reservation signal at the same time.

Derjenige Netzwerkknoten, der nach Beendigung seines Reservierungssignals die Verfügbarkeit des Trägers feststellt, erhält Zugriff auf den Träger.The one network node, which determines the availability of the carrier after completion of its reservation signal, gets access to the carrier.

Vorzugsweise erfolgt die Festlegung der Zeitdauer des Reservierungssignals nach für die bisher zur Festlegung der unterschiedlichen Wartezeiten verwendeten Methoden eines Backoff-Algorithmus.Preferably, the determination of the duration of the reservation signal is carried out for the methods of a back-off algorithm hitherto used to determine the different waiting times.

Insbesondere ist durch ein Einteilen der Reservierungssignaldauer in ein ganzzahliges Vielfaches einer Zeit, welche einen Netzwerkknoten zur Kanalbelegungsdetektion benötigt, möglich, die Kollisionswahrscheinlichkeit signifikant zu reduzieren.In particular, by dividing the reservation signal duration into an integer multiple of a time required by a network node for channel occupation detection, it is possible to significantly reduce the collision probability.

In vielen Fällen ist das entwickelte Verfahren den handelsüblichen Verfahren nicht nur hinsichtlich einer erhöhten Zuverlässigkeit überlegen, sondern erzielt in der Regel darüber hinaus eine niedrigere Ende-Zu-Ende-Verzögerung.In many cases, the developed method is not only superior to the commercial methods in terms of increased reliability, but generally achieves a lower end-to-end delay as well.

In einer Ausführungsform kann das vorgestellte Kollisionsverringerungsverfahren sequenziell angewendet werden, um die Zuverlässigkeit noch weiter zu erhöhen. In one embodiment, the presented collision mitigation method may be applied sequentially to further increase reliability.

In dem Kollisionsverringerungsverfahren können gemäß bevorzugter Ausgestaltungen zur Ermittlung der Länge des Reservierungssignals diejenigen Schritte durchgeführt werden, wie sie auch bei unterschiedlichen Ausführungen von Backoff-Algorithmen bekannt sind. Z. B. kann durchgeführt werden: eine Zunahme einer maximalen Länge des Reservierungssignals bei Fehlversuchen; eine Zeiteinteilung des Datenübertragungskanals in Zeittakte – auch Zeitslots genannt – die derart bemessen sind, dass innerhalb eines Zeitslots sicher eine Trägerüberprüfung stattfinden kann, andererseits bevorzugt auch möglichst kurz bemessen sind; eine uniforme zufällige Auswahl von Vielfachen solcher Zeittakte als Länge; usw.In the collision reduction method, according to preferred embodiments for determining the length of the reservation signal, those steps can be carried out which are also known in different embodiments of back-off algorithms. For example, an increase of a maximum length of the reservation signal for failed attempts may be performed; a time division of the data transmission channel in time clocks - also called time slots - which are dimensioned such that within a timeslot secure carrier verification can take place, on the other hand are preferably also as short as possible; a uniform random selection of multiples of such clocks as length; etc.

Vorzugsweise wird mit einer Aussendung eines Reservierungssignals erst dann begonnen, wenn das Datenübertragungsmedium für mindestens drei Zeittakte frei ist. Dadurch lässt sich die Anzahl der das Reservierungssingnal gleichzeitig aussendenden Netzwerkknoten verringern.Preferably, a transmission of a reservation signal is only started when the data transmission medium is free for at least three clock cycles. This reduces the number of network nodes transmitting the reservation signal simultaneously.

Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt auch ein drahtloses Sensornetzwerk, das ein Datenübertragungsnetzwerk bildet, mit einer Mehrzahl von Netzwerkknoten, die über ein oder mehrere Datenübertragungsmedien kommunizieren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es zum Durchführen des erfindungsgemäßen Kollisionsverringerungsverfahrens eingerichtet ist.According to a further aspect, the invention also relates to a wireless sensor network which forms a data transmission network with a plurality of network nodes which communicate via one or more data transmission media, which is characterized in that it is set up to carry out the collision reduction method according to the invention.

Solche Mittel können insbesondere eine Reservierungseinrichtung zur Sendung eines Reservierungssignals und eine Trägerprüfungseinrichtung zum Überprüfen der Verfügbarkeit eines Datenübertragungsmediums umfassen.Such means may in particular comprise a reservation device for the transmission of a reservation signal and a carrier test device for checking the availability of a data transmission medium.

In der Trägerprüfungseinrichtung sind durch Hardware oder Software sämtliche Einrichtungen zur Überprüfung der Verfügbarkeit eines Datenübertragungsmediums implementiert. Insbesondere wird nur dann eine Verfügbarkeit festgestellt, wenn auch kein Reservierungssignal auf dem Datenübertragungsmedium gesendet wird.In the carrier testing device, all devices for checking the availability of a data transmission medium are implemented by hardware or software. In particular, availability is determined only if no reservation signal is sent on the data transmission medium.

Die Reservierungseinrichtung ist vorzugsweise zur Ermittlung der zufällig ausgewählten Länge des Reservierungssignals ausgebildet.The reservation device is preferably designed to determine the randomly selected length of the reservation signal.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist hierzu ein Backoff-Algorithmus zur Bestimmung der Länge des Reservierungssignals in der Reservierungseinrichtung implementiert.In a particularly preferred embodiment, a back-off algorithm for determining the length of the reservation signal in the reservation device is implemented for this purpose.

Vorzugsweise sind alle, oder zumindest ein Teil der Netzwerkknoten des Datenübertragungsnetzwerkes mit derartigen Mitteln zum Durchführen des Kollisionsverringerungsverfahrens vorgesehen.Preferably, all or at least part of the network nodes of the data transmission network are provided with such means for performing the collision reduction method.

Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt auch einen einzelnen Netzwerkknoten für ein solches Datenübertragungsnetzwerk.According to another aspect, the invention also relates to a single network node for such a data transmission network.

Der Netzwerkknoten ist beispielsweise als Sensormodul oder als Sendeeinrichtung zum Senden von Sensordaten ausgebildet und mit einem Sensor versehen oder verbunden.The network node is designed, for example, as a sensor module or as a transmitting device for transmitting sensor data and provided or connected to a sensor.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Strukturüberwachungsvorrichtung zur Strukturüberwachung von Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen, mit Sensoren zur Strukturüberwachung und einem drahtlosen Sensornetzwerk zur Übertragung der Sensordaten vorgesehen, wobei das Sensornetzwerk und/oder dessen Netzwerkknoten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kollisionsverringerungsverfahren ausgebildet sind.According to a further aspect of the invention, a structure monitoring device is provided for monitoring the structure of vehicles, in particular aircraft, with sensors for structure monitoring and a wireless sensor network for transmitting the sensor data, wherein the sensor network and / or its network node are designed to carry out the inventive collision reduction method.

Die Erfindung betrifft gemäß noch eines weiteren Aspektes auch ein mit einer solchen Strukturüberwachungsvorrichtung versehenes Luftfahrzeug sowie ein Strukturüberwachungsverfahren zu Überwachung der Struktur eines Luftfahrzeuges unter Verwendung des erfindungsgemäßen Kollisionsverringerungsverfahrens.In yet another aspect, the invention also relates to an aircraft provided with such a structure monitoring device and to a structure monitoring method for monitoring the structure of an aircraft using the collision mitigation method of the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

Darin zeigt:It shows:

1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens eines Zugriffs eines Netzwerkknotens eines Datenübertragungsnetzwerkes auf ein Datenübertragungsmedium; 1 a flowchart for explaining a method of access of a network node of a data transmission network to a data transmission medium;

2 ein Diagramm als Beispiel eines erfolgreichen Medienzugriffes; und 2 a diagram as an example of a successful media access; and

3 ein weiteres Diagramm mit einem Beispiel einer Paketkollision. three another diagram with an example of a packet collision.

Im Folgenden wird ein Kollisionsverringerungsverfahren zur Reduzierung der Kollisionswahrscheinlichkeit in drahtlosen Sensornetzwerken näher erläutert.In the following, a collision reduction method for reducing the collision probability in wireless sensor networks is explained in more detail.

Ausführungsbeispiele für drahtlose Sensornetze, in denen dieses Verfahren zum Einsatz kommt, sind in der DE 10 2007 055 090 A1 der DE 10 2008 003 498 A1 , sowie der DE 10 2007 058 102 A1 näher erläutert. Diese Druckschriften beschreiben Strukturüberwachungsvorrichtungen für Fahrzeuge nämlich insbesondere Luftfahrzeuge mit Sensoren, deren Sensordaten über ein drahtloses Sensornetzwerk als Beispiel für ein Datenübertragungsnetzwerk übertragen werden. Weiter sind in diesen Druckschriften der genauere Aufbau einer Strukturüberwachungsvorrichtung, die ein solches Sensornetzwerk implementiert, sowie der Aufbau der einzelnen Sensorknoten – als Beispiele für Netzwerkknoten – näher erläutert. Es wird für weitere Einzelheiten zu allen diesen Hardwareaufbauten auf die vorerwähnten Druckschriften DE 10 2007 055 09 A1 , DE 10 2008 003 498 A1 sowie DE 10 2007 058 102 A1 verwiesen.Exemplary embodiments of wireless sensor networks in which this method is used are disclosed in US Pat DE 10 2007 055 090 A1 of the DE 10 2008 003 498 A1 , as well as the DE 10 2007 058 102 A1 explained in more detail. These documents describe Namely, structure monitoring devices for vehicles, namely aircraft with sensors whose sensor data are transmitted via a wireless sensor network as an example of a data transmission network. Furthermore, the detailed structure of a structure monitoring device that implements such a sensor network and the structure of the individual sensor nodes-as examples of network nodes-are explained in more detail in these publications. It will be further details of all of these hardware structures to the aforementioned publications DE 10 2007 055 09 A1 . DE 10 2008 003 498 A1 such as DE 10 2007 058 102 A1 directed.

Gemäß diesen Druckschriften werden mittels Sensoren Belastungen in der Struktur eines Flugzeuges überwacht. Die entsprechenden Sensordaten werden über bidirektionale Datenkommunikationsverbindungen, die Netzwerkknoten des Datenübertragungsnetzwerkes bilden, eingeleitet und beispielsweise in eine zentrale Auswerte- und Empfangseinheit geleitet, wo sie z. B. zur späteren Abfrage gespeichert werden oder unmittelbar dem Bedienpersonal angezeigt werden.According to these documents, stresses in the structure of an aircraft are monitored by means of sensors. The corresponding sensor data are introduced via bidirectional data communication links, which form network nodes of the data transmission network and directed, for example, in a central evaluation and receiving unit, where they z. B. stored for later query or displayed directly to the operator.

Die Datenübertragung erfolgt per Funk mittels Funkchips, die einen Mikroprozessor aufweisen. Darin sind durch Software Netzwerkprotokolle implementiert, die einen Zugriff auf das Datenübertragungsnetzwerk regeln.The data transmission takes place by radio by means of radio chips, which have a microprocessor. Software implements network protocols that regulate access to the data transmission network.

Für eine Trägerprüfung wird hierbei wie im Stand der Technik eine Clear Channel Assessment(CCA)-Funktion des Funkchips verwendet.As in the prior art, for a carrier test, a Clear Channel Assessment (CCA) function of the radio chip is used.

Um einen belegten Kanal erkennen zu können, sollte ein Sensorknoten mindestens für eine Dauer, welcher der CCA-Verzögerung entspricht, die Signalstärke auf dem entsprechenden Kanal messen. Aus diesem Grund wird die Zeit in Zeittakte – Intervalle oder Zeitslots – eingeteilt, deren Zeitdauer T der CCA-Verzögerung entsprechen.To detect a busy channel, a sensor node should measure the signal strength on the corresponding channel at least for a duration equal to the CCA delay. For this reason, the time is divided into clocks - intervals or time slots - whose duration T corresponds to the CCA delay.

Entsprechendes ist auch bei bekannten Backoff-Algorithmen nach den einleitend genannten Standards bekannt und wird hier nicht näher erläutert.The same is also known in known back-off algorithms according to the standards mentioned in the introduction and will not be explained in detail here.

Gemäß dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel ist der Zugriff durch einen Netzwerkknoten auf einem Kanal derart geregelt, dass der Kanal für mindestens drei dieser Zeittakte frei sein muss, bevor mit der Übertragung eines Reservierungssignals begonnen werden darf.According to the exemplary embodiment presented here, the access is regulated by a network node on a channel in such a way that the channel must be free for at least three of these clock cycles before it is allowed to start the transmission of a reservation signal.

Eine Länge eines Reservierungssignals wird mittels eines Backoff-Algorithmuses berechnet. Hierzu wird die Länge des Reservierungssignals als ganzzahliges Vielfaches n der Zeittaktlänge T gewählt. Die Länge des Reservierungssignals T_R ist somit T_R = n × T.A length of a reservation signal is calculated by means of a back-off algorithm. For this purpose, the length of the reservation signal is selected as an integer multiple n of the clock time length T. The length of the reservation signal T _R is thus T _R = n × T.

Durch den Backoff-Algorithmus wird n in einer Uniform-Verteilung (gleichmäßige zufällige Verteilung) zufällig aus einem Intervall ausgewählt welches 1 und eine maximale Reservierungssignallänge – gemessen in Anzahl von Zeittakten – n_max enthält.The backoff algorithm randomly selects n in a uniform distribution (random random distribution) from an interval containing 1 and a maximum reservation signal length - measured in number of time clocks - n _max .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird n_max als Anfangswert auf 3 gesetzt. Demnach wählt der Netzwerkknoten als Länge für sein Reservierungssignal zufällig einen der Werte T, 2T oder 3T. Nach Absenden des Reservierungssignals wird erneut eine Trägerprüfung durchgeführt. Diese Trägerprüfung dauert gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel genau einen Zeittakt.According to a preferred embodiment, n _{max is} set to 3 as the initial value. Accordingly, the network node randomly selects one of the values T, 2T or 3T as the length for its reservation signal. After sending the reservation signal again a carrier test is performed. This carrier test takes exactly one time cycle according to the exemplary embodiment shown here.

Ergibt diese erneute Trägerprüfung eine erneute Verfügbarkeit des Datenübertragungsmediums, wird mit der Datensendung begonnen.If this renewed carrier test results in a renewed availability of the data transmission medium, the data transmission is started.

Ist dieses Zugriffsverfahren jedoch nicht erfolgreich, wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens in einem nächsten Schritt die maximale Länge n_max um einen Inkrementalwert, hier beispielsweise 1, erhöht. Der Netzwerkknoten sendet dann ein Reservierungssignal, dessen Länge zufällig zwischen T und 4T jeweils ganzzahlige Vielfache) ausgewählt ist.However, if this access method is unsuccessful, in one embodiment of the method, in a next step, the maximum length n _{max is} increased by an incremental value, here for example 1. The network node then transmits a reservation signal whose length is randomly selected between T and 4T (integer multiples).

Dadurch wird die mögliche Länge des Reservierungssignals mit der Anzahl der Fehlversuchen immer größer.This increases the possible length of the reservation signal with the number of failed attempts.

Demnach erhält derjenige Sensorknoten Zugriff auf das Übertragungsmedium – beispielsweise einen Übertragungskanal – der das längste Reservierungssignal sendet.Accordingly, the sensor node gets access to the transmission medium - for example a transmission channel - which transmits the longest reservation signal.

Die Dauer des Reservierungssignals wird dabei entsprechend einer Uniformverteilung zwischen T und einer zu Beginn festgelegten maximalen Anzahl n_max von Zeitintervallen oder Zeittakten festgelegt. Dadurch reduziert sich die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen.The duration of the reservation signal is determined in accordance with a uniform distribution between T and a maximum number n _max of time intervals or clock cycles defined at the beginning. This reduces the probability of collisions.

Kollisionen treten nur noch dann auf, wenn zwei oder mehrere Netzwerkknoten innerhalb eines Zeittakts – beispielsweise eines CCA-Intervalls – auf das Datenübertragungsmedium zugreifen und zusätzlich noch eine gleichlange Dauer des Reservierungssignals auswählen.Collisions occur only when two or more network nodes within a time clock - for example, a CCA interval - access the data transmission medium and additionally select an equivalent length of the reservation signal.

Bei einer einfacheren Version ist die maximale Anzahl von Zeittakten für das Reservierungssignal eine feste Größe. Wenn aber wie bei der zuvor erläuteten Ausführungsform ausgeführt, ein Netzwerkknoten die maximale Länge des Reservierungssignals nach einem fehlgeschlagenen Zugriff erhöht, lässt sich eine Reduzierung der maximalen Verzögerung erreichen.In a simpler version, the maximum number of clocks for the reservation signal is a fixed amount. However, as stated in the previously discussed embodiment, if a network node increases the maximum length of the reservation signal after a failed access, a reduction in the maximum delay can be achieved.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren für den Zugriff auf ein Datenübertragungsmedium ist als Flussdiagramm in 1 näher dargestellt. A concrete embodiment of a method for accessing a data transmission medium is shown as a flow chart in FIG 1 shown in more detail.

S1 bezeichnet den Start des Zugriffverfahrens. Im darauffolgenden Schritt S2 wird ein Wiederversuchszähler auf 0 gesetzt (Retry Counter = 0). Im darauffolgenden Schritt S3 wird ein Zähler auf 0 gesetzt (Counter = 0). Dann erfolgt im Schritt S4 eine Trägerüberprüfung; es wird abgefragt, ob das Datenübertragungsmedium frei ist. Ist dies nicht der Fall, wie dies durch den Zweig N angegeben ist, erfolgt die übliche Wartezeit nach den bisher bekannten Backoff-Algorithmen.S1 denotes the start of the access procedure. In the following step S2, a retry counter is set to 0 (Retry Counter = 0). In the following step S3, a counter is set to 0 (counter = 0). Then, in step S4, a carrier check is performed; it is queried whether the data transmission medium is free. If this is not the case, as indicated by the branch N, the usual waiting time follows the previously known back-off algorithms.

Demnach folgt in dem Schritt S5 für eine Zeitdauer, die zwischen 0 und einer maximalen Anzahl von Zeittakten zufällig ausgewählt ist, ein Abwarten, bevor erneut in Schritt S3 eingetreten wird. Der Schritt S5 kann man somit mit „Wartezeit zwischen 0 und End-Backoff-Zeitfenstern”, wobei „End-Backoff die maximale Wartezeit in Einheiten von Zeittakten (als ganzzahlige Zahl) anzusehen ist.Thus, in the step S5, for a period of time which is randomly selected between 0 and a maximum number of clock cycles, a wait-before-step is entered again in step S3. The step S5 can thus be regarded as "wait time between 0 and end backoff time windows", where "end backoff is the maximum wait time in units of time clocks (as an integer number).

Wird aber im Schritt S4 bei der Trägerüberprüfung eine Verfügbarkeit des Übertragungsmediums festgestellt, wie dies durch den Zweig Y im Anschluss an den Schritt S4 angegeben ist, dann wird in eine Schleife eingetreten, die einer Zeitverzögerung von drei Zeittakten mit Abfrage in jedem Zeitpunkt entspricht. Diese Schleife, bezeichnet durch WS in 1, umfasst die Schritte S5 Abwarten eines Zeittaktes (Abwarten einer Backoff-Slotzeit); S6 – Abfrage ob der Zähler = 2 ist (Counter = 2?) und, falls nein (Zweig N_W), den Schritt S7 – Erhöhen des Zählers um 1, um dann erneut in den Schritt S4 der Trägerüberprüfung einzusteigen. Damit wird innerhalb von drei Takten abgefragt, ob das Datenübertragungsmedium frei ist. Erst dann, wenn das Datenübertragungsmedium drei Zeittakte frei ist, wird – Zweig Y_W bei Schritt S6 – zu dem Schritt S8 weitergeleitet.If, however, an availability of the transmission medium is determined during the carrier check in step S4, as indicated by branch Y following step S4, then a loop is entered which corresponds to a time delay of three clock cycles with interrogation at each time. This loop, denoted by WS in 1 Step S5 includes waiting for a clock (waiting for a backoff slot time); S6 - query whether the counter = 2 (Counter = 2?) And, if no (branch N _W ), the step S7 - increment the counter by 1, and then again enter the step S4 of the carrier verification. This queries within three clocks whether the data transmission medium is free. Only then, when the data transmission medium is free three clocks, - branch Y _W in step S6 - forwarded to step S8.

Der Schritt S8 umfasst die Berechnung der Länge des Reservierungssignals. Diese Berechnung erfolgt – wie zuvor bei der Berechnung der Wartezeit – in einem Backoff-Algorithmus. Das Reservierungssignal kann man auch als „Präambel”, also als eine Art Vorsignal vor einer Datenübertragung bezeichnen. In dem darauffolgenden Schritt S9 wird das Reservierungssignal in der in Schritt S8 berechneten Länge gesendet. In dem Schritt S10 wird genau ein Zeittakt gewartet (S10 = eine Backoff-Slotzeit lang Warten).Step S8 includes the calculation of the length of the reservation signal. This calculation is done - as before when calculating the waiting time - in a back-off algorithm. The reservation signal can also be referred to as a "preamble", that is to say as a kind of pre-signal before a data transmission. In the subsequent step S9, the reservation signal is transmitted in the length calculated in step S8. In step S10, exactly one time clock is waited (S10 = wait for a backoff slot time).

Daraufhin erfolgt in dem Schritt S11 analog zum Schritt S4 erneut eine Trägerüberprüfung. Es erfolgt somit eine Abfrage, ob das Datenübertragungsmedium frei ist. Ist dies nicht der Fall, wie dies durch den Zweig N₁₁ dargestellt ist, wird in einem Schritt S12 eingetreten, indem der Wiederversuchszähler (Retry Counter) um 1 erhöht wird. Anschließend wird erneut bei Schritt S3 in das Verfahren eingestiegen.Subsequently, in step S11, analogously to step S4, a carrier check is carried out again. There is thus a query as to whether the data transmission medium is free. If this is not the case, as represented by branch N ₁₁ , step S ₁₂ is entered by increasing the retry counter by 1. Subsequently, the procedure is entered again at step S3.

Ergibt aber die Trägerüberprüfung in dem Schritt S11, dass das Datenübertragungsmedium weiterhin verfügbar ist, wie dies durch den Zweig Y₁₁ angegeben ist, so wird in dem Schritt S13 die Datensendung gestartet. Somit war der Medienzugriff erfolgreich.However, if the bearer check in step S11 indicates that the data transmission medium is still available, as indicated by the branch Y ₁₁ , the data transmission is started in step S13. Thus the media access was successful.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für ein Datenübertragungsnetzwerk enthält jeder oder zumindest eine Mehrzahl der Netzwerkknoten durch Software implementierte Einrichtungen, die die einzelnen Schritte S1 bis S13 implementieren und bei Durchführung der Software die genannten Schritte S1 bis S13 gemäß der Darstellung von 1 durchführen.In the preferred embodiment for a data transmission network, each or at least a plurality of the network nodes comprise software implemented devices implementing the individual steps S1 to S13 and, when the software is implemented, the said steps S1 to S13 as shown in FIG 1 carry out.

In den 2 und 3 sind Diagramme für die Zugriffsversuche bei Netzwerkknoten K1, K2 und K3 dargestellt, die alle nach dem Verfahren gemäß 1 arbeiten. 2 zeigt dabei ein Beispiel für einen erfolgreichen Zugriff auf das Datenübertragungsmedium durch den zweiten Netzwerkknoten K2. 3 zeigt ein Beispiel für eine (seltene) Paketkollision.In the 2 and three diagrams are shown for the access attempts at network nodes K1, K2 and K3, all according to the method according to 1 work. 2 shows an example of a successful access to the data transmission medium by the second network node K2. three shows an example of a (rare) packet collision.

Wie dargestellt, sind die Zeiten in Zeittakte T eingestellt, die auch als Backoff-Slotzeiten bezeichnet werden können. Diese Zeittakte T sind so bemessen, dass darin eine Trägerüberprüfung stattfinden kann. Das Durchführen einer Trägerüberprüfung ist in den Diagrammen gemäß 2 und 3 durch den Buchstaben S dargestellt.As shown, the times are set in clocks T, which may also be referred to as backoff slot times. These clocks T are sized so that a carrier check can take place therein. Carrying out a vehicle check is in the diagrams according to 2 and three represented by the letter S.

Demnach wird bei S eine Trägerüberprüfung gemäß den Schritten S4 oder S11 des Diagramms von 1 durchgeführt. Die gepunkteten Kästchen deuten die Aussendung des Reservierungssignals gemäß Schritt S8 des Diagramms von 1 an. Die Dauer des Reservierungssignals T_R wird durch ein ganzzahliges Vielfaches n₁ _, n₂ oder n₃ des Zeittaktes T ermittelt.Thus, at S, a carrier check according to steps S4 or S11 of the diagram of FIG 1 carried out. The dotted boxes indicate the transmission of the reservation signal according to step S8 of the diagram of FIG 1 at. The duration of the reservation signal T _R is determined by an integer multiple n ₁ _, n ₂ or n _{3 of} the clock T clock.

In dem Beispiel von 2 sendet der Netzwerkknoten K1 das Reservierungssignal mit einer Länge T_R1 = n₁ × T aus, wobei n₁ = 3 ist. Der Knoten K2 sendet ein Reservierungssignal T_R2 = n₂ × T mit n₂ = 8 aus. Der dritte Netzwerkknoten K₃ sendet ein Reservierungssignal mit einer Länge T_R3 = n₃ × T mit n₃ = 7 aus.In the example of 2 The network node K1 transmits the reservation signal with a length T _R1 = n ₁ × T, where n ₁ = 3. The node K2 transmits a reservation signal T _R2 = n ₂ × T with n ₂ = 8. The third network node K ₃ sends out a reservation signal with a length T _R3 = n ₃ × T with n ₃ = 7.

Die Kästchen mit dem Buchstaben R bezeichnen die Zeit t, die die Netzwerkknoten zum Umschalten vom Senden (T_x) zum Empfangen (R_x) benötigen. Die Kästchen mit dem Buchstaben T' bezeichnen die Zeit, die die Netzwerkknoten zum Umschalten vom Empfangszustand (R_x) bis zum Sendezustand (T_x) benötigen. Die Dauer dieser Zeiten R und T' werden jeweils auf genau einen Zeittakt T gesetzt.The boxes with the letter R indicate the time t that the network nodes require to switch from transmission (T _x ) to reception (R _x ). The boxes with the letter T 'indicate the time required for the network nodes to switch from the reception state (R _x ) to the transmission state (T _x ). The duration of these times R and T 'are set to exactly one time T each time.

Die mit B bezeichneten Kästchen geben die Erfassung einer Kanalbelegung (Belegung des Datenübertragungsmediums) an, wie dies in dem Flussdiagramm von 1 bei den Zweigen N und N11 angedeutet ist.The boxes labeled B indicate the detection of a channel occupancy (occupancy of the data transfer medium), as shown in the flow chart of FIG 1 is indicated at the branches N and N11.

Wie in 2 zu sehen, ist die Zeit t₁ des ersten Netzwerkknotens K1 nach der Umschaltung von dem Senden zu dem Empfangen unmittelbar nach Absendung des Reservierungssignals T_R1 kürzer als die entsprechende Zeit T₃ des dritten Netzwerkknotens K₃, während die entsprechende Zeit t₂ des zweiten Netzwerkknotens K2 noch länger ist.As in 2 the time t _{1 of} the first network node K1 after switching from transmission to reception immediately after sending the reservation signal T _{R1 is} shorter than the corresponding time T _{3 of} the third network node K ₃ , while the corresponding time t _{2 of} the second network node K2 is even longer.

Demnach erfassen sowohl der erste Netzwerkknoten K1 als auch der dritte Netzwerkknoten K₃ in dem Schritt S11 eine Belegung des Datenübertragungsmediums, während der zweite Netzwerkknoten K2 mit dem längsten Reservierungssignal T_R2 Zugriff auf das Datenübertragungsmedium erhält.Accordingly, both the first network node K1 and the third network node K ₃ detect an occupancy of the data transmission medium in step S11, while the second network node K2 with the longest reservation signal T _R2 receives access to the data transmission medium.

Die Situation in 3 ist fast die gleiche wie bei der Situation von 2, jedoch mit dem Unterschied, dass sowohl der zweite Netzwerkknoten K2 als auch der dritte Netzwerkknoten K3 zufällig in dem Schritt S8 die gleiche Anzahl von Zeittakten als Länge für das Reservierungssignal ausgewählt haben. Bei beiden ist diese Anzahl 8 (n₂ = 8 und n₃ = 8). Nur in einem solchen Fall tritt eine Kollision einer Datensendung auf.The situation in three is almost the same as in the situation of 2 , but with the difference that both the second network node K2 and the third network node K3 have randomly selected in step S8 the same number of clocks as the length for the reservation signal. For both, this number is 8 (n ₂ = 8 and n ₃ = 8). Only in such a case does a collision of a data transmission occur.

Claims

Collision reduction method for reducing collisions in data networks, comprising the steps Transmitting a reservation signal of random length for reservation of a data transmission medium, Sending data if the data transmission medium is available after sending the reservation signal, wherein the one network node receives access to the data transmission medium sending the longest reservation signal.

A collision reduction method according to claim 1, characterized in that the length of the reservation signal is selected at random from an interval between greater than zero and a predetermined maximum length.

Collision reduction method according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the reservation signal is determined by means of a back-off algorithm.

A collision mitigation method according to any one of the preceding claims, characterized in that prior to transmission by a network node, a carrier check is performed to test the availability of a data transmission medium, if available, the reservation signal for the network node is sent with a time T _R , and availability is tested again after transmission of the reservation signal is then to begin with the data transmission on the data transmission medium, wherein the time period T _{R of} the reservation signal is determined randomly between greater than zero and a maximum value.

Collision reduction method according to any one of the preceding claims, characterized in that, in particular by the back-off algorithm, the duration T _{R of} the reservation signal is set to T _R = n × T, where T _{R is} the duration of the reservation signal, n one randomly within a predetermined one Interval is a specific natural number and T is a predetermined period of time equal to or greater than the time required for the carrier test.

Collision reduction method according to claim 5, characterized in that n is selected from the interval [1, n _max ], where n _{max is} a predetermined natural number greater than or equal to 1.

Collision reduction method according to claim 6, characterized in that in a first attempt n _{max is set} to an initial value and is increased by an incremental value after each failure of the data medium access.

Collision reduction method according to claim 7, characterized in that the initial value is 1, 2 or, preferably, 3 and the incremental value is 1.

Collision reduction method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is performed in clock cycles with a time duration T which is at least equal to or greater than the time required for the carrier test.

Collision reduction method according to claim 9, characterized in that a transmission of a reservation signal by a network node is started only when the data transmission medium is free for at least three clock cycles.

Collision reduction method according to one of Claims 9 or 10, characterized that a data transmission by a network node is started only when the data transmission medium is free for exactly one time interval after the transmission of the reservation signal.

Collision reduction method according to one of the preceding claims, characterized in that the duration of the reservation signal is set according to a uniform distribution between greater than zero and an initially set maximum number of clocks T with a duration greater than or equal to the time required for a carrier test.

Collision mitigation method according to one of the preceding claims, characterized in that a network node increases a maximum length of the reservation signal after a failed access to the data transmission medium.

Collision reduction method according to one of the preceding claims, characterized in that it is carried out in a sensor network and / or a wireless network for access control by the network nodes.

A sensor network having a plurality of network nodes communicating over one or more communication media, the sensor network forming a communications network adapted to perform the collision mitigation method of any one of the preceding claims.

Network node for a communications network, marked by a carrier checking device for checking the availability of a data transmission medium and a reservation device for sending a reservation signal in order to reserve the data transmission medium for a data transmission by the network node, wherein the carrier check means is arranged to detect availability only if no reservation signal is transmitted on the data transmission medium after a transmission of the reservation signal, wherein the reservation means is arranged to determine a time duration for the reservation signal such that the time duration is a multiple of a time clock which is greater than or equal to a time required by the carrier verify means for carrier checking, the number of time clocks being randomly selected from a range of natural numbers is selected from one to a predetermined maximum number.

Network node according to claim 16, characterized in that it is designed as a transmitting device for transmitting sensor data via a data network and connected to a sensor.

Structure monitoring device for structural monitoring of vehicles, with sensors for structure monitoring and a wireless sensor network for transmitting the sensor data, characterized in that the sensor network is designed according to claim 15.

Structure monitoring device for structural monitoring of vehicles, with sensors for structure monitoring and a wireless sensor network for transmitting the sensor data, characterized in that the sensors are connected to network nodes according to one of claims 16 or 17.

Aircraft, characterized by a structure monitoring device according to claim 18 and / or claim 19.

Structure monitoring method for monitoring the structure of an aircraft by means of sensors and data transmission of the sensor data by means of a data transmission network, characterized by performing a collision reduction method according to one of claims 1 to 14 for controlling the communication of the sensor data via the data transmission network.