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.
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.
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.
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.
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.
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.