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Methoden der Datenübertragung

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Im Folgenden werden Methoden der Datenübertragung kurz vorgestellt. Dabei kann unterschieden werden, ob die Datenübertragung wechselseitig stattfindet oder nur in eine Richtung erfolgt. Bei der Funkdatenübertragung ist das Konzept in beiden Fällen jedoch dasselbe.

Wechselseitige Datenübertragung
Bei dieser Methode fließen Informationen sowohl in die Richtung Gerät A → Gerät B als auch in die Richtung Gerät B → Gerät A.

Halbduplex (Semiduplex)
Die Übermittlung von Informationen erfolgt sowohl in Richtung Gerät A → Gerät B als auch in Richtung Gerät B → Gerät A. Bei dieser Übertragungsmethode werden Daten jedoch abwechselnd und nicht gleichzeitig übertragen.

Vollduplex
Bei dieser Methode kann die Übertragung von Informationen in der Richtung Gerät A → Gerät B und in der Richtung Gerät B → Gerät A gleichzeitig durchgeführt werden.

Einweg-Datenübertragung
Bei dieser Methode der Datenübertragung fließen Informationen ausschließlich von Gerät A zu Gerät B. Es fließen keine Information von B nach A. Wenn neben den Daten Steuersignale und Ähnliches gesendet werden, geschieht auch dies nur einseitig.

Fernsteuerung und Telemetrie erfolgen entweder als Einweg-Datenübertragung oder im Halbduplexbetrieb. Beim Halbduplexbetrieb werden Daten übertragen, indem der Benutzer bei einem Transceiver zwischen Senden und Empfangen wechselt. In WLANs und ähnlichen Anwendungen erfolgt die Datenübertragung in scheinbarem Vollduplexbetrieb.


* Methode der Datenübertragung zwischen drahtlosen lokalen Netzwerken (WLAN)
Im folgenden Beispiel geht es um die Übermittlung von NetMeeting-Videodaten (standardmäßige Windows-Kommunikationssoftware) über ein drahtloses lokales Netzwerk. Die Bilder von der Kamera und der Ton vom Mikrofon werden scheinbar gleichzeitig wiedergegeben. Aus der Sicht des Benutzers scheint handelt es sich um eine Vollduplex-Datenübertragung.
Bei gewöhnlicher Funkdatenübertragung wird ein Frequenzkanal (Frequenzband) verwendet, daher kann das Funkgerät auf der Funkstrecke Funkwelle nur mit Halbduplexbetrieb arbeiten. Die Datenübertragung zwischen Benutzer und Funkanlage kann jedoch so modifiziert werden, dass die Kommunikation insgesamt im Vollduplexbetrieb abzulaufen scheint.

Kontrollverfahren für die Datenübertragung

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Auf dem Übertragungsweg bestehen verschiedene mögliche Fehlerquellen, und für die korrekte Datenübertragung ist eine Verbindungssteuerung zwischen Sende- und Empfangsgerät erforderlich, um die zeitliche Synchronisation und die Fehlerbehandlung zu gewährleisten.
Für die normale Datenübertragung existieren Steuerungsverfahren wie die nichtprozedurale Steuerung, einfache Steuerung und HDLC (High Level Data Link Control), die auch auf die wechselseitige Datenübertragung per Funk angewendet werden können.
Der Betriebsmodus der Funkgeräte ist 1:1, 1:N oder N:N, und bei der wechselseitigen Datenübertragung wird der Datenverbindungssteuerung ein spezielles Funkprotokoll hinzugefügt.

Nichtprozedural
Die Übermittlung erfolgt, wenn der Steuercode für die Übertragung von Sende- und Empfangsstation vereinbart worden ist. Die Übertragungssteuerung, also Fehlerkontrolle usw., wird vom Benutzer der Anlage durchgeführt.

Einfaches Steuerungsverfahren
Hierbei handelt es sich um ein zeichenbasiertes synchrones System, bei dem während der Datenübertragung die seriellen Antworten von Sende- und Empfangsstation mit Steuercodes überprüft werden. Die Übertragungssteuerung wird automatisch durchgeführt. Die Daten werden in Blöcken übermittelt, und wenn ein Fehler auftritt, wird nur der betroffene Block erneut gesendet.
Das Verfahren kann im einfachen oder erweiterten Modus angewendet werden. Im einfachen Modus werden nur Textdateien übertragen, und zur Übermittlung transparenter Daten (Binärdaten) wird der erweiterte Modus verwendet. 

HDLC-Protokoll (High Level Data Link Control Protocol)
Gegenüber dem einfachen Steuerverfahren mit zeichenbasierter Übermittlung wird die Übertragung mit HDLC bitorientiert durchgeführt, wobei die Daten für Adressen, Steuercodes, Informationen, Frameprüfcodes usw. den framebasierten Übertragungen hinzugefügt werden. Es handelt sich um ein System synchroner Flags, bei dem jeweils Anfang und Ende der übermittelten Frames mit Flags gekennzeichnet werden (7E Hex). Die Übertragungssteuerung erfolgt automatisch, wobei Frameprüfsequenzen (FCS, Frame Check Sequence) zur Fehlererkennung verwendet werden. Auf diese Weise werden die Übertragungen sehr zuverlässig. Die Daten können mit voller Transparenz übertragen werden. FCS verwendet ein zyklisches Blockprüfungssystem (CRC, Cyclic Redundancy Check). 

Flag
01111110
Adresse Steuerung Informationen FCS Flag
01111110

Datenübertragungsmethode
Zu den Datenübertragungssystemen zwischen Sende- und Empfangsgeräten gehören u. a. Konkurrenz-, Aufruf-, Ansteuerungssysteme.

Konkurrenzsystem
Ein System zum Herstellen einer Datenübertragung über eine Mehrpunktverbindung. Dabei handelt es sich um eine Verbindung zwischen einer Leitstation und Unterstationen.  

Aufrufsysteme (Polling/Selecting)
A system for establishing a data link with a multi-point method of connection. This is a linkage between a control station and subsidiary station.

Sendeaufruf (Polling)
Die Leitstation sendet periodisch Aufforderungen an die Unterstationen im Netz, Daten an die Leitstation zu senden.

Empfangsaufruf (Selecting)  
Wenn die Leitstation Daten an eine bestimmte Unterstation zu senden hat, fragt sie an, ob diese empfangsbereit ist, bevor die Daten gesendet werden.

Fehler bei der drahtlosen Übertragung

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Bei der Datenübertragung, egal ob über Draht oder drahtlos, muss eine Fehlerüberwachung implementiert werden. Die Fehleranfälligkeit der drahtlosen Datenübertragung über Funkwellen lässt sich nicht mit derjenigen der kabelgebundenen Datenübertragung vergleichen, daher müssen Maßnahmen gegen Fehler getroffen werden, die durch Rauschen, Interferenzen und Fading entstehen können. Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, doch ist es stets ein Problem, die Verarbeitungsqualität gegen Faktoren wie Anwendung, Kosten, Zeit und Konstruktion des zu entwickelnden Systems abzuwägen.
Normalerweise stört es nicht, wenn bei Mobiltelefonen leichtes Rauschen oder Unterbrechungen auftreten, und ein leichtes Flackern des Fernsehbilds ist akzeptabel.
Für die Tonerzeugung bei Mobiltelefonen wird eine Fehlerbehandlung auf hoher Ebene durchgeführt, doch dürften Fehler unvermeidlich sein. Bei Datenübertragungen wie E-Mail sind Fehler ein größeres Problem.
Bei funkgesteuerten Industrieanlagen und vorrichtungen könnten durch Übertragungsfehler verursachte Fehlfunktionen zu schweren und lebensgefährlichen Unfällen führen und den Verlust wichtiger Daten nach sich ziehen. Entwickler von Funkgeräten müssen sehr genau darauf achten, dass solche Ereignisse auch beim Auftreten von Fehlern nicht vorkommen können. Die erforderliche Integration eines Konzepts für die Ausfallsicherheit bei der Entwicklung wird weiter unten genauer ausgeführt.

Mögliche Fehler

Zufällige Fehler (Random Errors)
Fehler, die zufällig ohne eine zeitliche Beziehung zu anderen Fehlern auftreten.
Fehlerpakete (Burst Errors)
Fehler, die plötzlich und in Folge auftreten. 

Fehlerbehandlungsmethoden

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Verarbeitungsfehler bei der Funkdatenübertragung müssen sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene behandelt werden, doch bei einer angemessenen Vorgehensweise kann eine Qualität der Datenübertragung erreicht werden, die derjenigen kabelgebundener Datenübertragung nicht nachsteht.

Fehlerbehandlung bei Einweg-Datenübertragung
Bei Einweg-Datenübertragung wie den Befehlen für Telesteuerung oder Ton und Bilder sind folgende Fehlerbehandlungsmethoden möglich:

Es wird keine Fehlerbehandlung durchgeführt. Das System ist unbrauchbar.
Entscheidung anhand von Fehlererkennungscodes Die Resultate einiger Vorgänge können mit den menschlichen Sinnen überprüft werden, und bei relativ unwichtigen Daten wie bei der Sammlung von Temperaturdaten, bei der kontinuierlich die gleichen Daten gesendet werden (oder es sich um analoge Daten handelt), kann der Code für die Fehlererkennung zusammen mit den Daten in die Framestruktur aufgenommen werden, so dass am Empfänger anhand dieses Codes entschieden werden kann, ob Fehler auftreten, wobei die Daten in diesem Fall verworfen werden. Zu den Methoden der Berechnung von Fehlererkennungscodes gehören die Prüfsummenmethode, CRC-Prüfungen usw.
FEC Verwenden Sie eine Methode wie die Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction) für Anwendungen, bei denen möglichst wenig Fehler auftreten sollen.
Bei diesem System wird vom Sender Code hinzugefügt, mit dem der Empfänger eine Fehlerkorrektur durchführen kann. Durch diesen Code wird die Menge der übertragenen Daten größer als die reine Datenmenge (Datenredundanz), doch können mit diesem Ansatz annähernd fehlerfreie Übertragungen erzielt werden. Reed-Solomon-Code und Trelliscode sind wichtige Vertreter dieser Art von Code, die auch in einigen anderen Codearten enthalten sind.
Zusätzlich werden Interleaving-Verfahren für die Behandlung von Fehlerpaketen bei der Funkdatenübertragung angewendet.

Fehlerbehandlung bei wechselseitiger Datenübertragung
Abgesehen von FEC für wechselseitige Datenübertragung stehen Methoden zur Verfügung, die eine automatische Wiederholungsanforderung (ARQ, Automatic Repeat Request) verwenden.
Bei einem ARQ-System werden Daten als Paket in einem Frameformat gesendet, und bei Auftreten eines Fehlers sendet der Empfänger eine Aufforderung zum erneuten Senden, so dass eine fehlerfreie Datenübertragung erreicht wird.
Dieses System wird in den meisten WLANs und anderen drahtlosen Systemen verwendet.

Um Fehler zu vermeiden, müssen Protokolle für Datenübertragung in der drahtlosen Zone verwendet werden. Bei der Paketdatenübertragung werden Adressinformationen, eine Paketnummer, Paketgröße, Status/Steuerung, Frameprüfung und Ähnliches an das Ende jedes Pakets angehängt. Von der Empfangsstation wird eine Fehlererkennung durchgeführt und gegebenenfalls eine Aufforderung zum erneuten Senden ausgegeben, so dass eine fehlerfreie Datenübertragung erreicht wird. Bei der Funkübertragung mit Paketen wird dem ersten Paket eine Präambel und ein Startcode hinzugefügt. In einigen Fällen ist eine Präambel erforderlich, um die Funkgeräte zu synchronisieren. 

Präambel Startcode Empfängeradresse Senderadresse Paketnummer Status/Steuerung Benutzerdaten Frameprüfung

Frameprüfsysteme (Fehlerüberwachungssysteme)

Um Datenfehler im Paketframe entdecken zu können, wird an der Sendestation beim Erstellen des Pakets ein Frameprüfcode an das Ende des Pakets angefügt. An der Empfangsstation wird dann auf Grundlage dieses Codes entschieden, ob Fehler vorliegen. Wenn ein Datenfehler entdeckt wird, erfolgt eine Aufforderung zum erneuten Senden der Daten an die Sendestation, so dass eine fehlerfreie Datenübertragung erreicht wird.
Zu diesem System gehören die Prüfsummenmethode, zyklische Redundanzprüfung (CRC, Cyclic Redundancy Check), Paritätsprüfung usw. Im Vergleich zur Prüfsummenmethode und anderen Methoden eignet sich CRC besser zur Fehlerentdeckung und wird daher in den meisten Datenübertragungsprotokollen verwendet, z. B. für WLANs, Festplattencontroller usw.
CRC-Systeme können 5- oder 12-Bit-Systeme sein; die gegenwärtig am häufigsten verwendeten Systeme sind jedoch 16- oder 32-Bit-Systeme, und besonders CRC-CCITT usw. werden häufig verwendet.

CRC-CCITT
Bei CRC-CCITT wird das Datenframe berechnet, indem durch Konstanten geteilt wird, und die 16 Bit (2 Byte) des Ergebnisses werden zur Übertragung an die Daten angehängt. An der Empfangsstation wird ähnlich vorgegangen, und ein korrektes Ergebnis bestätigt, dass kein Fehler bei der Datenübertragung aufgetreten ist. Andernfalls wird ein Fehler erkannt und die Aufforderung für erneutes Senden gesendet.
Im Detail funktioniert das folgendermaßen: Bei der zyklischen Redundanzprüfung an der Sendestation wird der Bitstring der Framedaten als numerischer Wert behandelt (dieser wird als Nachrichtenpolynom bezeichnet). Das Nachrichtenpolynom wird durch ein Generatorpolynom (Konstante) X16 + X12 + X5 + 1 geteilt, und der Rest (CRC-Code: 2 Byte) wird zur Übertragung an die Daten angehängt. Das Übrige funktioniert entsprechend.
Dieser Vorgang kann von der Prozessorsoftware ausgeführt werden; wenn jedoch Hochgeschwindigkeitsverarbeitung erforderlich ist, wird er von der Hardware ausgeführt. Einige Prozessoren enthalten Hardware für diese CRC-Funktion, während bei anderen Paketdatenframes gebildet werden (HDLC-Funktion). Wenn es die Situation erlaubt, können auch FPGAs oder Gate-Arrays, z. B. in Peripheriegeräten, verwendet werden.

Übertragungscode

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Auf dem Übertragungsweg kann es bei drahtloser Datenübertragung zu Rauschen und Interferenzen kommen, durch die Verluste und Verzerrungen des Zeichenschritts entstehen, so dass eine Unterscheidung der Daten schwierig wird.
Am Empfangsgerät ist ein Taktsignal für die Synchronisation erforderlich, um die Daten zu decodieren, doch muss dieses aus dem Strom der empfangenen Daten herausgelöst werden. Das Basisbandsignal verwendet normalerweise NRZ-Code, doch wenn dieser an der Sendestation direkt als Basisbandsignal mit Daten, die aus einer Folge von Nullen und Einsen bestehen, an einen Modulator geleitet wird, kann der Empfänger den Synchronisierungstakt nicht aus dem Signal duplizieren (Taktrückgewinnung).
Zur Umgehung dieses Problems stehen Mittel wie der Manchester-Code zur Verfügung.
Wie im Diagramm unten dargestellt, wird beim Manchester-Code in der Mitte des Codes stets die Polarität umgekehrt, um ununterbrochene Ketten von Nullen oder Einsen zu vermeiden. Die Taktrückgewinnung wird für den Empfänger auf diese Weise vereinfacht. Im Vergleich zum NRZ-Code wird bei Verwendung des Manchester-Codes jedoch das belegte Frequenzband breiter. Bei diesem Code wird das Signal von 0 zu 10 konvertiert und von 1 zu 01.

Transmission code

Das Konzept der Ausfallsicherheit

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Ausfallsicherheit bedeutet, dass auch bei einem Ausfall oder einer Störung die Software oder Hardware eine ausreichende Steuerung besitzt, um ein gewisses Maß an Sicherheit zu gewährleisten. Mit diesem Sicherheitskonzept wird eine Beschränkung möglicher Schäden auf das Minimum angestrebt. Es wird in allen Entwicklungsbereichen umgesetzt, einschließlich Konstruktion, Elektrizität usw.
Im Vergleich zu anderen Technologien ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Fehler bei Produkten auftreten, die Funkwellen nutzen. Wie sehr wir uns auch immer bemühen, eine perfekte Fehlerbehandlung zu erreichen, können wir dennoch nicht garantieren, dass überhaupt keine Fehler auftreten. Denken Sie daran, dass Ausfallsicherheit auch in Bezug auf das gesamte System angestrebt werden muss.

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