Simplex, Duplex und Kommunikationsprotokoll

Einführung

Wenn ein Anwender sein kabelgebundenes System durch ein drahtloses System ersetzen möchte, muss er wissen, dass die Wireless-Technologie ebenso wie das kabelgebundene System ihre eigenen Zwänge und Einschränkungen mit sich bringt.

Bei einem kabelgebundenen System wird jeder Sender und Empfänger mit einem eigenen Kabel angeschlossen. Es gibt keine Möglichkeit des Übersprechens zwischen den einzelnen Signalleitungen, und die Signale sind weitgehend immun gegen Störungen aus der Umgebung.

Bei einem Wireless-System hingegen können sie sich mehrere Sender und Empfänger vorstellen, die mit einer einzigen Signalleitung verbunden sind. Das Medium ist Luft statt eines Kabels, so dass die Signale anfällig für Störungen aus der Umgebung sind.

Dieser Artikel stellt Übertragungsprotokolle und Regeln für Ingenieure vor. Wenn Sie diese Regeln befolgen, können Sie damit rechnen, dass Ihr Funksystem zuverlässig und störungsfrei arbeitet.

Übertragungsverfahren

Wenn 2 Funkgeräte auf einer gemeinsamen Frequenz kommunizieren, können sie nicht beide gleichzeitig senden, da es sonst zu einer Signalkollision kommt. Es gibt daher Simplex-, Halbduplex- und Vollduplex-Systeme.

Simplex

Beim Simplexverfahren sendet immer nur ein Funkgerät und das andere empfängt nur. Die Kommunikation erfolgt ausschließlich in eine Richtung (unidirektional).

Fernseh- und Rundfunksendungen sind Beispiele für Simplex-Systeme. Weitere Beispiele sind die Beleuchtungssteuerung und TV-Fernbedienungen. Dabei kann der Nutzer nur sehen oder hören, was er empfängt.

Duplex

Bei Duplex-Systemen ist die bidirektionale Kommunikation möglich.

Halbduplex

Bei Halbduplex-Systemen können beide Funkgeräte senden, allerdings nicht gleichzeitig. Da die bidirektionale Kommunikation zulässig ist, muss das Gerät zwischen Sende- und Empfangsmodus umschalten. Das kann wie bei Walkie-Talkies über eine einfache Sendetaste erfolgen oder über ein Sende-/Empfangs-Einstellterminal (z.B. TX/RX) am Funkmodul. Es muss eine Verständigung darüber erfolgen, wann eine Partei die Übertragung beendet hat und die andere Partei senden darf (z. B. durch die Ansage “over”). Wenn das nicht geschieht, kann es zu einer Signalkollision kommen.

Beispiele für Halbduplex-Systeme sind bidirektionale Funksprechgeräte mit Sendetaste. Bei Funkgeräten kann die Umschaltung zwischen Senden und Empfangen über einen Anschluss am Modul erfolgen.

Vollduplex

Bei Vollduplex-Systemen können beide Funkgeräte gleichzeitig senden. Dies wird erreicht, indem für jede Richtung eine andere Frequenz verwendet wird. Wenn die Frequenzen in ausreichendem Abstand zueinander liegen, treten keine Störungen auf, und in den Vorschriften, die Vollduplexsysteme zulassen, werden in der Regel zwei Frequenzbänder für diesen Zweck zugewiesen. Die Funkgeräte müssen über getrennte Sende- und Empfangsschaltungen verfügen, und es ist keine Umschaltung zwischen ihnen erforderlich.

Anders als bei Halbduplex besteht keine Möglichkeit einer Signalkollision und beide Seiten können Informationen schneller senden. Allerdings ist durch die Nutzung von 2 Frequenzen eine größere Bandbreite erforderlich.

Ein Beispiel für Vollduplex-Kommunikation ist das herkömmliche Telefon (Festnetz). Sie können sprechen und gleichzeitig die andere Person hören.

Bluetooth und LAN

Bluetooth und LAN scheinen Vollduplex zu sein, kommunizieren aber tatsächlich in Halbduplex. Der Eindruck von Vollduplex entsteht durch die schnelle TX/RX-Umschaltgeschwindigkeit, die höher ist als die Kommunikationsgeschwindigkeit.

Überwachung der Übertragung

Bei einem drahtgebundenen System müssen für eine erfolgreiche Kommunikation zwischen Sender und Empfänger Parameter wie die Datenrate, die Erkennung des Beginns/Endes des Datenpakets usw. vereinbart werden.

Bei drahtlosen Systemen hat der Empfänger keine Kenntnis über den Sender und muss in der Lage sein, Daten von Rauschen zu unterscheiden. Verfahren wie Präambel und Synchronisationswörter ermöglichen es dem Empfänger zu erkennen, wann Daten ankommen, und die übertragenen Daten entsprechend auszugeben. Zweitens werden Funksignale im Gegensatz zu drahtgebundenen Systemen durch Rauschen und Störungen beeinträchtigt, was zu Datenfehlern führt. In diesem Fall muss der Empfänger entsprechend reagieren. Der Empfänger kann zum Beispiel eine erneute Übertragung anfordern oder eine Zeitüberschreitung, um das nächste Paket zu empfangen. Hochentwickelte Empfänger können eine Fehlerkorrektur verwenden, um trotz Störungen zu empfangen.

Sende- und Empfangsumschaltung

Bei Verwendung einer einzigen Frequenz ist es wichtig, eine Umschaltung zwischen Senden und Empfangen vorzusehen, da es sonst zu Signalkollisionen kommt. Im Folgenden sind einige Beispiele aufgeführt.

Unidirektionale Kommunikation

Dies ist die einfachste Methode, aber es gibt keine Bestätigung des Empfängers, so dass der Sender nicht feststellen kann, ob die Daten empfangen wurden. Um die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Empfangs zu erhöhen, kann der Sender die Daten einfach mehrfach senden. Dies mag zwar bei zyklischer Datenübertragung funktionieren, ist aber für einmalige Übertragungen nicht wirklich geeignet.

Polling-Methode

Stellen Sie sich eine Master-Station vor, die versucht, mit vielen Slave-Stationen zu kommunizieren.

Der Master kann eine einzelne Nachricht an alle Slaves gleichzeitig senden. Ein Problem entsteht, wenn der Master von jedem Slave eine Bestätigung (ACK) benötigt, dass die Nachricht empfangen wurde. Die Slaves müssen abwechselnd antworten, so dass der Master alle Bestätigungen verarbeiten kann. Damit nicht alle Slaves gleichzeitig antworten, kann der Master jeden Slave einzeln anfragen.

Der Nachteil dieser Methode ist, dass der Master die Slaves nacheinander anfragen muss und die Slaves die Bestätigung so lange zurückhalten müssen, bis der richtige Zeitpunkt für ihre Antwort gekommen ist. Dies alles verlängert die Kommunikationsdauer.

Zeitteilungsmethode

Wir haben im obigen Beispiel gesehen, wie ein Teil der Kommunikationszeit verschwendet wird, wenn der Master jeden Slave nacheinander abfragen muss. Stattdessen ist es möglich, dass die Slaves die Quittung selbst senden. Um dies zu erreichen, können die Slaves nach einem Zeitplan mit einem Zeitschlitz für jede Quittung arbeiten. Theoretisch würde dies funktionieren, aber um Signalkollisionen zu vermeiden, sind ständige Anpassungen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Slaves nur in dem ihnen zugewiesenen Zeitschlitz senden.

Hinweis

Bei Funkanlagen mit kleiner Leistung können auch andere Geräte dieselbe Frequenz verwenden, so dass hier Vorsicht geboten ist.

Synchronisierung

Um Sender und Empfänger zu synchronisieren, gibt es 2 Hauptmethoden:

Justierung des Timings

Wie beim Zeitrasterverfahren beschrieben, ist es wichtig, die Zeitabstände zwischen den Geräten kontinuierlich einzuhalten, um das Risiko von Signalkollisionen zu vermeiden.

Justierung der Referenzsignalabweichung (Kommunikation)

Damit der Empfänger die binären Werte korrekt extrahieren kann,  muss er sich auf das eingehende Datensignal einstellen. Werden die Nutzdaten ohne Zeitinformation übertragen, kennt der Empfänger weder die Datenrate noch weiß er, wie er die Bitwerte aus dem Signal extrahieren kann. Wenn die Zeitinformation nicht abgeleitet werden kann, muss der Sender diese Information separat bereitstellen. Dieses erste Signal vor den Nutzdaten nennt man Präambel (z.B. 11001100.., 101010..).

Verschlüsselung

Um zu verhindern, dass Übertragungen von anderen Geräten abgehört werden, können die Signale verschlüsselt werden. Das bedeutet, dass selbst wenn andere Geräte auf der gleichen Frequenz das Signal korrekt empfangen können, die daraus resultierenden Daten ohne einen Entschlüsselungscode nicht gelesen werden können.

Fehlerkorrektur

Wenn während der Übertragung Fehler (durch Störungen, Rauschen) auftreten, kann der Empfänger die beschädigten Bits korrigieren und die Daten wiederherstellen.

Neuübertragung

Wenn der Signalempfang nicht funktioniert, kann der Empfänger dem Sender eine Aufforderung schicken, die Daten erneut zu senden.

Failsafe-Mechanismus

Failsafe ist ein wichtiger Aspekt bei Wireless-Systemen

Es ist zu erwarten, dass die Funkverbindung gelegentlich durch unvorhergesehene Störungen unterbrochen wird. Für solche Fälle müssen Funksysteme so entwickelt werden, dass sie sicher weiterfunktionieren und keine Gefahr für die Öffentlichkeit darstellen.

Wie sollte der Empfänger, der die Maschine steuert, reagieren, wenn der Benutzer beispielsweise die Taste gedrückt hält und das Signal ausfällt? Sollte er die Maschine stoppen oder weiterarbeiten lassen? Falls die Maschine angehalten werden muss, sollte dies so geschehen, dass es nicht zu Verletzungen kommt. Wenn die Maschine eine Last transportiert, kann sie bei einem plötzlichen Stopp zusammenbrechen. Daher sollte der Empfänger dafür sorgen, dass sie Maschine langsam zum Stehen kommt. Maschinen können außerdem mit Sensoren ausgestattet werden, so dass sie bei einem Signalverlust erkennen können, ob sie in einem unsicheren Zustand sind, und entsprechend handeln.

Anders als bei kabelgebundenen Systemen schwanken die Funkbedingungen ständig. Die Ingenieure sollten ihre Funksysteme so konzipieren, dass sie auch dann funktionieren, wenn die Kommunikationsbedingungen nicht optimal sind.