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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration mindestens eines neuen
Netzwerkknotens in ein bestehendes drahtloses Sensor-Aktuator-Netzwerk
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine
Vorrichtung zur Integration mindestens eines neuen Netzwerkknotens
in ein bestehendes drahtloses Sensor-Aktuator-Netzwerk gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 10.
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In
verteilten drahtlosen Sensor-Aktuator-Netzwerken tritt typischerweise
das Problem auf, dass Teile des Netzwerks erweitert oder erneuert werden
müssen. Das ist z. B. immer dann der Fall, wenn defekte
Knoten durch neue Knoten ersetzt werden oder zusätzlich
neue Knoten in den Betrieb integriert werden, beispielsweise entweder
zur Verdichtung, Vergrößerung oder Erweiterung
der Funktionalität. Im Sinne eines industriellen Einsatzes
sollte davon ausgegangen werden, dass Netzwerkknoten im Lieferzustand
keinerlei spezifische Konfiguration oder Anwendungssoftware besitzen,
sondern lediglich generische Fähigkeiten, existierende
Netzwerke zu entdecken und sich auf Netzwerkebene mit ihnen zu verbinden.
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Ein
typisches Problem dabei ist, dass unterschiedliche Netzwerke vollständig
unterschiedliche Betriebsparmeter aufweisen, wie etwa Funkparameter,
Arbeitszyklen und dergleichen. Als Teil der Inbetriebnahme ist daher
ein so genanntes Prägen der neuen Sensorknoten auf die
allgemeinen Betriebsparameter des bereits installierten Netzwerkes
unumgänglich, d. h. die Funkparameter, wie etwa Frequenzkanal,
Sendehäufigkeit und dergleichen, und die auch als Duty-Cycles
bezeichneten Arbeitszyklen sind auf das bestehende Netz anzupassen.
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Muss
der Knoten die Betriebsparameter des Netzwerks autonom entdecken
bzw. ermitteln, entsteht das Problem, dass der neue Knoten für
einen unbestimmten Zeitraum in einem nicht betriebsbereiten Zustand
bleibt und/oder unablässig wertvolle Energie verbraucht,
was zu einer starken Verkürzung der Lebenszeit führen
kann. Ein weiteres Problem bei der Inbetriebnahme ist, dass ein
händisches Prägen eines neuen Knotens ein großes
Wissen über den Aufbau und Betrieb von Sensor-Aktuator-Netzwerken
benötigt und daher von speziell geschultem und qualifiziertem
Personal durchgeführt werden muss, was die Kosten für
Installationsarbeiten stark erhöht.
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Umgekehrt
kann das Problem auch in das Netzwerk verlagert werden, dazu ist
es allerdings notwendig, dass die Knoten im Netzwerk zusätzliche Arbeitszyklen
verwenden, um einen neuen Knoten auf einem bestimmten Kanal zu empfangen.
Da dies eine wesentliche Belastung der Energiereserven der Netzknoten
bedeutet, ist diese Methode nicht praktikabel. Im Sinne eines kosteneffizienten
Betriebs drahtloser Sensornetzwerke ist es daher unerlässlich,
den Aufwand von Inbetriebnahmen neuer Knoten, dem Prägen,
durch die Anwendung geeigneter Selbstkonfigurationsmechanismen zu
verringern bzw. minimieren.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft das Problem einer statischen Lokalisierung
von Knoten. Hierbei wird zwischen folgenden Lokalisierungsproblematiken
unterschieden:
- – Lokalisierung von
ausgebrachten neuen Knoten. Neu ausgebrachte Knoten sind typischerweise
einem bestimmten Ort zugeordnet. Dieser kann logischer Natur („Maschine
3", „Ort 17"), oder auch geographischer Natur (Längen-
und Breitengrad, Gebäude, Raum) sein.
- – Lokalisierung von Knoten in einem schon bestehenden
Netzwerk. In bestehenden Netzwerken müssen bestimmte Knoten
lokalisierbar sein, beispielsweise zum Auffinden eines Knotens der ausgefallen
und/oder nicht aktiv ist.
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Derzeitige
existierende Lösungen des Problems sind:
- a)
Eine einmalige statische Festlegung aller relevanten Betriebsparameter,
wie etwa Funkkanal, Arbeitszyklen, Aktuatorkonfigurationen, etc.,
bei der Fertigung des Knotens. Dies führt nachteiligerweise
zu einer stark eingeschränkten Flexibilität, da
alle Knoten identisch sind, und damit stark eingeschränkten
Einsetzbarkeit, da keine parallel installierten separaten Netzwerktopologien
möglich sind. Außerdem ergibt sich hierdurch ein
hoher Aufwand für die Fertigung der Knoten, da jeder Knoten
für einen jeweiligen Einsatzort und/oder eine jeweilige
Anwendung im schlimmsten Fall individuell produziert werden muss.
- b) Eine Vorkonfiguration durch speziell geschultes Personal.
Alle Betriebsparameter werden vor der Installation des Knotens in
ein spezielles Softwaremodul konfiguriert, das dann auf den Sensorknoten
individuell angepasst und installiert wird. Anschließend
kann der Sensorknoten in das Netzwerk eingebracht und aktiviert
werden. Diese Lösung erfordert ein besonderes, großes
Wissen über die internen Abläufe und Mechanismen
bestehender Sensor-Aktuator-Netzwerke. Der Einsatz von speziell
ausgebildetem Personal für diese Zwecke führt
dementsprechend auch zu höheren Kosten bei der Installation.
- c) Eine Selbstkonfiguration der Knoten. Standardknoten werden
in das Netzwerk eingebracht und bestimmen die Betriebsparameter
in Kooperation mit Nachbarknoten vollständig autonom. Aufgrund
des speziellen Anwendungsgebiets und der damit verbundenen speziellen
Anforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Energieeffizienz, führt
ein vollständig autonomes Verfahren zu einer starken Beanspruchung
des Energievorrates, beispielsweise der Batteriekapazität,
sowohl des neuen Knotens, als auch der an dem Verfahren beteiligten
Knoten des Netzwerks. Dies liegt insbesondere daran, dass der neue
Knoten alle verfügbaren Frequenzkanäle scannen
muss, um den Kanal, über den das Netzwerk kommuniziert,
zu identifizieren. Da das Netzwerk aus Gründen der Energieeffizienz
nur jeweils während eines kurzen Zeitintervalls über
den Kanal kommuniziert, ist es erforderlich, jeden Kanal über
eine geraume Zeit zu beobachten. Sobald der korrekte Kanal identifiziert
wurde ist es außerdem erforderlich, eine Zeitsynchronisation
durchzuführen. Damit ist diese Variante sowohl zeit- als
auch energieaufwändig.
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Durch
die
US 2006/0223569
A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren für
das Netzwerkmanagement in drahtlosen verteilten Systemen mittels einer
mobilen Vorrichtung bekannt. Mit dem Verfahren lassen sich die unter
b) geschilderten Schritte zur manuellen Konfiguration von Netzwerkknoten
vor Ort ausführen. Die Vorrichtung dient dabei vor allem
dem Testen der Funktionalität der Netzwerkknoten. Bei der
Ausbringung dient die Vorrichtung dazu, möglichst beste
Parameter für eine hohe Verfügbarkeit zu ermitteln.
Solche Parameter sind typischerweise die Signalstärken
der auch als Backbone-Nodes bezeichneten Basisnetzwerkknoten untereinander. Wenn
Knoten bereits ausgebracht und in das Netzwerk integriert sind,
kann ihre Identität mit der mobilen Vorrichtung ermittelt
werden.
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Es
fehlen jedoch folgende, für die Lösung der eingangs
geschilderten Probleme notwendige Funktionen:
- – Selbstkonfiguration.
Die Konfiguration von Netzwerkknoten muss bei dem bekannten Verfahren manuell
erfolgen.
- – Das Einbringen eines Knotens in das Netzwerk aus
einem embryonalen Zustand, in dem der Netzwerkknoten keinerlei Information über
Netzwerk- bzw. Anwendungsparameter hat.
- – Kommunikation mit Knoten und Netzwerk im Parallelbetrieb
während der Scanphase. Damit ist die Möglichkeit,
die Einbindung eines neuen Knotens in das Netzwerk aus Gründen
der Energieeffizienz über die mobile Vorrichtung abzuwickeln, nicht
gegeben.
- – Feststellung der exakten Position eines Knotens mit
Hilfe eines Lokalisierungsverfahrens, das durch die mobile Vorrichtung
abgewickelt wird, so dass das Netzwerk hierzu keine Ressourcen bereitstellen
muss.
- – Verwendung einer Identität des Knotens um
z. B. bestimmte Rollen automatisch zuzuordnen oder passende Anwendungen
zu laden. Weitere Informationen über den Knoten, wie etwa
vorhandene Hardware-Komponente, verfügbare Sensoren, werden
bei dem bekannten Verfahren weder erhoben, noch für weitere
Konfigurationszwecke verwendet.
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Insgesamt
nicht zufriedenstellend am Stand der Technik ist, dass insbesondere
die wichtige Frage einer besseren Energieeffizienz des Konfigurationsverfahrens
nicht gelöst wird.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein eine bessere Energieeffizienz
des Konfigurationsverfahrens ermöglichendes Verfahren zur
Integration mindestens eines neuen Netzwerkknotens in ein bestehendes
drahtloses Sensor-Aktuator-Netzwerk sowie eine Vorrichtung zur Integration
mindestens eines neuen Netzwerkknotens in ein bestehendes drahtloses
Sensor-Aktuator-Netzwerk zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1
bzw. des Anspruchs 10.
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Ein
erster Gegenstand der Erfindung umfasst demnach ein Verfahren zur
Integration mindestens eines neuen Netzwerkknotens in ein bestehendes
drahtloses Sensor-Aktuator-Netzwerk mit den Verfahrensschritten:
- – Einbringen einer Vorrichtung in
das Netzwerk.
- – Einbringen mindestens eines neuen Netzwerkknotens
in das Netzwerk.
- – Ermittlung bzw. Erfassung von Betriebsparametern
des Netzwerks mittels der Vorrichtung.
- – Automatisches Prägen des mindestens einen neuen
Netzwerkknotens durch Übermittlung der Betriebsparameter
von der Vorrichtung zu dem mindestens einen neuen Netzwerkknoten.
- – Aufnahme des Betriebs des mindestens einen neuen
Netzwerkknotens in dem Netzwerk.
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Eine
Grundidee der Erfindung besteht in einer Verwendung einer im Folgenden
auch als Imprint-Device (ID) bezeichneten Vorrichtung, welche als Übersetzer
und/oder Vermittler zwischen einem bestehenden, im Folgenden als
Netzwerk bezeichneten Sensor-Aktuator-Netzwerk und einer beliebigen Zahl
von neuen, im Folgenden auch als Knoten bezeichneten Netzwerkknoten
des Sensor-Aktuator-Netzwerks dient. Bei den Netzwerkknoten kann es
sich sowohl um Sensorknoten, als auch um Aktuatorknoten oder um
Basisnetzwerkknoten handeln.
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Das
ID ermöglicht es, für die beteiligten neuen Knoten
alle Betriebsparameter des bestehenden Netzes zu ermitteln und die
neuen Knoten entsprechend dieser Betriebsparameter zu prägen.
Das ID übernimmt dabei aufwändige Kommunikationsaufgaben,
etwa die des Entdeckens des Netzwerks durch Scannen verschiedener
Frequenzkanäle sowie das Aushandeln der Betriebsparameter.
So kann eine energie-betriebs- und kosteneffiziente Inbetriebnahme von
neuen Knoten in bestehende drahtlose Sensor-Aktuator-Netzwerke erreicht
werden. Das Netzwerk agiert dabei teilautonom, da nicht die Netzknoten
selbstautonom die Betriebsparameter ermitteln, sondern das ID.
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Vorzugsweise
erfolgt nach dem Einbringen des mindestens einen neuen Netzwerkknotens
in das Netzwerk eine Erstinbetriebnahme des mindestens einen neuen
Netzwerkknotens.
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Dabei
ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich der mindestens eine neue
Netzwerkknoten bei Erstinbetriebnahme in einem embryonalen Zustand befindet,
in welchem der Netzwerkknoten:
- – ein
Identifikationsmerkmal, welches nicht notwendigerweise global eindeutig
sein muss, aber im Zielnetzwerk lokal eindeutig sein sollte,
- – vorzugsweise ab Fabrikation einen Bootstrapping-Mechanismus,
mit Hilfe dessen der Netzwerkknoten in der Lage ist, selbstständig
umliegende Netzwerke zu entdecken, sowie
- – ein Knotenprofil, das Bauart und Funktionsmerkmale
des Netzwerkknotens beschreibt,
besitzt, wobei der Netzwerkknoten
frei von einer speziell aufgespielten Betriebs- bzw. Anwendungssoftware
ist. Daher muss er erst noch im Hinblick auf die zu bewältigende
Aufgabe konfiguriert werden. Das schließt unter Anderem
die Installation eines ausführbaren Programms ein.
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Vorzugsweise
verwendet der mindestens eine neue Netzwerkknoten zum selbstständigen
Entdecken umliegender Netzwerke einen bestimmten Funkkanal, einen
so genannten Pilotkanal.
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Gemäß einer
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass nach Einbringen der Vorrichtung
in das Netzwerk und nach dem Einbringen des mindestens eines neuen Netzwerkknotens
in das Netzwerk:
- – In einem ersten
Schritt eine Kontaktaufnahme der Vorrichtung mit dem mindestens
einen neuen Netzwerkknoten beispielsweise über einen vordefinierten
Pilotkanal und eine Ermittlung des Identifikationsmerkmals des Netzwerkknotens
sowie die im Knotenprofil enthaltenen Informationen erfolgt. Das
Identifikationsmerkmal eines Knotens beinhaltet alle Informationen,
die der Knoten bieten kann, um sich gegenüber dem Netzwerk
zu identifizieren und authentifizieren und bei erfolgreicher Durchführung
dieser Schritte als Ergebnis eine Autorisierung des Zugangs zu erhalten.
Am Ende dieses Schrittes ist das ID im Besitz aller vom Knoten verfügbaren
Informationen.
- – In einem zweiten Schritt eine Kontaktaufnahme der
Vorrichtung mit dem bestehenden Netzwerk erfolgt, vorzugsweise über
eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle, um die ihr zunächst
nicht bekannten Betriebsparameter des Netzwerks zu ermitteln. Im
Allgemeinen werden drahtlose Sensor-Aktuator-Netzwerke so betrieben,
dass die aktiven Betriebszyklen minimiert werden, d. h. das Netzwerk
ist im Wesentlichen inaktiv und wacht nur zu bestimmten intern ausgehandelten
Zeiten (regulärer Fall) oder bei Auftreten eines besonderen
Ereignisses (irregulärer Fall) auf. Für das allgemeine
Szenario einer multi-hop-Kommunikation ist aber nur der reguläre
Fall relevant. Da, wie schon er wähnt, die Funkparameter
des Netzwerks dem ID a priori nicht bekannt sind, muss es in diesem
Schritt über einen längeren Zeitraum hinweg alle
Funkkanäle bei voller Sende-Empfangsstärke überwachen
und bei Auffinden des richtigen Kanals mit dem Netzwerk alle Informationen
zum Arbeitszyklus und ggf. weitere Parameter (z. B. Zeitsynchronisation)
aushandeln. Dies geschieht unter Berücksichtigung der im
ersten Schritt gewonnenen Informationen über den neuen
Knoten. Am Ende des zweiten Schrittes besitzt das ID alle notwendigen
Informationen, die der neue Knoten braucht, um in das Netzwerk integrierbar
zu sein.
- – In einem dritten Schritt eine Aufprägung
der ermittelten bzw. gelernten Information über das Netzwerk über
die im ersten Schritt aufgebaute Kommunikationsverbindung auf den
mindestens einen vorzugsweise embryonalen neuen Netzwerkknoten erfolgt.
Am Ende des dritten Schrittes ist der neue Knoten auf Netzwerkebene
vollständig konfiguriert.
- – Als vierter Schritt die Aufnahme des Betriebs des
neuen Knotens im bestehenden Netzwerk basierend auf den ihm eingeprägten
Betriebsparametern erfolgt. Am Ende des vierten Schrittes ist der
neue Knoten vollständig in das Netzwerk integriert.
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Ein
zentraler Aspekt der Funktionsweise der Vorrichtung besteht dabei
darin, dass sie in der Lage ist, über geeignete Kommunikationsschnittstellen
mit dem bzw. den zu integrierenden neuen Knoten und dem Netzwerk
gleichzeitig zu kommunizieren. Der Vorrichtung stehen dabei bauartbedingt
genügend Ressourcen über einen hinreichend langen
Zeitraum zur Verfügung. Die Vorrichtung kann, muss aber nicht, über
eine Benutzerschnittstelle verfügen, über die
ein Benutzer bestimmte Parameter des Verfahrens beeinflussen kann.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass die Vorrichtung als vertrauenswürdige,
dem Netzwerk bekannte Zertifizierungs-Instanz verwendet wird, welche
die Identifikation und Authentifizierung des mindestens einen neuen
Netzwerkknotens gegenüber dem Netzwerk er möglicht,
ohne dass dieser über entsprechende Mechanismen verfügen
muss.
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Dabei
ist denkbar, dass die Vorrichtung zur Verwendung als vertrauenswürdige,
dem Netzwerk bekannte Zertifizierungs-Instanz:
- – im
zweiten Schritt (B) ein im ersten Schritt (A) erhaltenes, dem Netzwerk
unbekanntes und daher nicht vertrauenswürdiges Identifizierungsmerkmal verwendet,
wie beispielsweise eine Media-Access-Control (MAC) Adresse oder
dergleichen, um daraus unter Verwendung eines Zertifizierungsschlüssels
ein vertrauenswürdiges Authentifizierungsmerkmal zu erzeugen,
- – im dritten Schritt (C) dem mindestens einen neuen
Netzwerkknoten zusätzlich das erzeugte Authentifizierungsmerkmal
mitteilt, wobei
- – im vierten Schritt (D) das Authentifizierungsmerkmal
zusätzlich zu dem knoteneigenen Identifikationsmerkmal
als Teilidentifikationsmerkmal verwendet wird.
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Die
Aushandlung der Betriebsparameter mit dem Netzwerk erfordert vorzugsweise
vorab eine Authentifizierung des mindestens einen neuen Netzwerkknotens,
die von diesem selbst durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung
als Gateway dient, welches Nachrichten zwischen dem mindestens einen neuen
Netzwerkknoten und dem Netzwerk jeweils ohne Modifikation weiterleitet.
Dadurch wird eine energetisch aufwändige, vollautonome
zeitliche Synchronisation zwischen dem neuen Knoten und dem Netzwerk
vermieden. Das ID kann diese Synchronisation übernehmen,
da ein erhöhter Energieverbrauch bei dieser Vorrichtung
kein Problem darstellt.
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Vorzugsweise
unterstützt bzw. ermöglicht die Vorrichtung eine
statische Lokalisierung des mindestens einen neuen Netzwerkknotens.
Ziel dieser Variante ist die Zuordnung von Knoten zu definierten
geographischen Positionen, und zwar sowohl für den Fall,
dass der Knoten die Fähigkeit besitzt selbst Abstandsmessungen
zu anderen Knoten durchzuführen, als auch für den
Fall dass er diese Fähigkeit nicht besitzt. Dabei sind
folgende Varianten denkbar:
- – Der
Knoten kann selbst Abstandsmessungen durchführen. In diesem
Fall wird die ID in einer bestimmten Reihenfolge an einer hinreichenden
Anzahl vorgegebener Referenzpunkte platziert und simuliert so der
Reihe nach verschiedene Knoten mit bekannten Positionen. Die gewonnenen
Abstandsinformationen sowie die bekannten Positionen der Referenzpunkte
dienen nach Abschluss der Messphase zur Bestimmung der Position
des neuen Knotens. Die genaue Abfolge der einzelnen Schritte kann
je nach gewähltem Positionsbestimmungsverfahren variieren.
So ist es etwa denkbar, dass aus Gründen der Energieeffizienz die
zur Positionsbestimmung notwendigen aufwändigen Berechnungen
weitestgehend auf dem ID durchgeführt werden und so die
Batterie des neuen Knotens geschont wird.
- – Der Knoten kann selbst keine Abstandsmessungen durchführen
oder seine Position auf andere Weise bestimmen. In diesem Fall wird
die Positionsbestimmung vom ID eigenständig durchgeführt
und die gewonnene Position dann dem neuen Knoten eingeprägt.
Zur Positionsbestimmung durch die ID sind beliebige Verfahren, wie
etwa World Geodetic System 1984 (WGS-84) für den Outdoorbereich
oder Ultraschall für den Indoorbereich, denkbar. Die Energieeffizienz
des jeweiligen Verfahrens spielt hierbei keine Rolle, weil das ID
ausreichend Batteriekapazität besitzt. Im einfachsten Fall
ist die Position, an der der neue Knoten platziert werden soll,
fest vorgegeben und z. B. per Radio-Frequency-Identification (RFID) oder
Strichcode markiert. Das ID kann diese Positionsinformation auslesen
und dem neuen Knoten mitteilen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren löst die in der
Beschreibungseinleitung genannten Probleme vollständig
und adäquat.
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Ein
zweiter Gegenstand der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Integration
mindestens eines neuen Netzwerkknotens in ein bestehendes drahtloses
Sensor-Aktuator-Netzwerk welche, Vor richtung als ein Imprint-Device
(ID) bzw. Übersetzer und/oder Vermittler zwischen dem bestehenden Netzwerk
und dem mindestens einen neuen Netzwerkknoten dient. Die Vorrichtung
umfasst hierzu Mittel zur Ermittlung bzw. Erfassung von Betriebsparametern
eines bestehenden Netzwerkes, sowie Mittel zur Übermittlung
der Betriebsparameter zu dem mindestens einen neu in das Netzwerk
eingebrachten Netzwerkknoten.
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Ein
zentraler Aspekt der Funktionsweise der Vorrichtung besteht darin,
dass sie in der Lage ist, über die Mittel zur Ermittlung
bzw. Erfassung von Betriebsparametern eines bestehenden Netzwerkes, sowie
die Mittel zur Übermittlung der Betriebsparameter zu einem
neu in das Netzwerk eingebrachten Netzwerkknoten bildende, geeignete
Kommunikationsschnittstellen mit dem bzw. den zu integrierenden Knoten
und dem Netzwerk vorzugsweise gleichzeitig zu kommunizieren. Der
Vorrichtung stehen dabei bauartbedingt genügend Ressourcen über
einen hinreichend langen Zeitraum zur Verfügung. Die Vorrichtung
kann, muss aber nicht, über eine Benutzerschnittstelle
verfügen, über die ein Benutzer bestimmte Parameter
des Verfahrens beeinflussen kann.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung als Teil der Mittel zur Ermittlung bzw.
Erfassung von Betriebsparametern eines bestehenden Netzwerkes, sowie
als Teil der Mittel zur Übermittlung der Betriebsparameter
zu dem mindestens einen neu in das Netzwerk eingebrachten Netzwerkknoten:
- – eine Funkschnittstelle für
die Kommunikation mit einem bestehenden Sensor-Aktuator-Netzwerk und/oder
- – eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle
für die Kommunikation mit einem zu prägenden neuen
Netzwerkknoten, beispielsweise einem Sensorknoten, und/oder
- – eine allgemeine Kommunikationsschnittstelle für
die Konfiguration der Vorrichtung, welche in der Regel vor Beginn
des Installationsvorgangs erfolgt.
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Die
Vorrichtung kann außerdem als Teil der Mittel zur Ermittlung
bzw. Erfassung von Betriebsparametern eines bestehenden Netzwerkes,
sowie als Teil der Mittel zur Übermittlung der Betriebsparameter
zu dem mindestens einen neu in das Netzwerk eingebrachten Netzwerkknoten:
- – ein User-Interface, beispielsweise
in Form einer nicht notwendigerweise graphischen Benutzerschnittstelle,
zur Interaktion mit einem Benutzer und/oder
- – eine Configuration Unit zur Speicherung von für den
Installationsvorgang notwendigen Konfigurationsdaten und/oder
- – eine Positioning Unit zur Positionsbestimmung neuer
Netzwerkknoten und zur Auffindung bekannter Netzwerkknoten und/oder
- – eine Authentication Unit zur Erzeugung und Weiterleitung
authentifizierter Informationen, wie etwa von Identifikationsmerkmalen
für Netzwerkknoten, und/oder
- – einen Certrificate Store zur geschützten
Speicherung permanenter und generierter Zertifikate und/oder
- – eine Imprint Unit zur Beherbergung der für
die Prägung neuer Knoten benötigten Funktionalität
umfassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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2 Eine
schematische Darstellung des Ablaufs eines ersten erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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3 Eine
schematische Darstellung des Ablaufs eines zweiten erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Eine
als ID 01 bezeichnete, erfindungsgemäße
Vorrichtung 01 ist in 1 dargestellt.
Das ID 01 umfasst funktionale Blöcke 02 sowie
externe Schnittstellen 03. Das ID 01 verfügt
vorzugsweise über drei separate externe Schnittstellen:
- – Eine Funkschnittstelle 04 für
die Kommunikation mit einem bestehenden Sensor-Aktuator-Netzwerk 05.
- – Eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle 06 für
die Kommunikation mit einem zu prägenden neuen Netzwerkknoten 07,
beispielsweise einem Sensorknoten 07.
- – Eine allgemeine Kommunikationsschnittstelle 08 für
die Konfiguration des ID 01, welche in der Regel vor Beginn
des Installationsvorgangs erfolgt.
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Das
ID weist darüber hinaus folgende funktionale Blöcke 02 auf:
- – Ein User-Interface 09.
Dabei handelt es sich um eine nicht notwendigerweise graphische
Benutzerschnittstelle zur Interaktion mit dem Benutzer (z. B. GUI;
Graphical User Interface).
- – Eine Configuration Unit 10. Diese speichert
die für den Installationsvorgang notwendigen Konfigurationsdaten.
- Eine Positioning Unit 11. Diese dient der Positionsbestimmung,
basierend auf einem beliebigen Ortungsverfahren, für neue
Knoten und der Auffindung bekannter Netzwerkknoten.
- – Eine Authentication Unit 12. Diese dient
der Erzeugung und Weiterleitung authentifizierter Informationen,
wie etwa von Identifikationsmerkmalen für Knoten.
- – Ein Certrificate Store 13. Dieser dient
der geschützten Speicherung permanenter und generierter
Zertifikate.
- – Eine Imprint Unit 14. Diese beherbergt die
gesamte, für die Prägung neuer Knoten benötigte Funktionalität.
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2 sind
die Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens
entnehmbar. Eine Grundidee der Erfindung besteht in einer Verwendung
einer auch als ID 01 bezeichneten Vorrichtung 01,
welche als Übersetzer und/oder Vermittler zwischen einem
bestehenden, auch als Netzwerk 05 bezeichneten Sensor-Aktuator-Netzwerk 05 und
einer beliebigen Zahl von neuen, auch als Knoten 07 bezeichneten
Sensor- und/oder Aktuator-Knoten 07 dient.
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Das
ID 01 ermöglicht es, für die beteiligten neuen
Knoten 07 alle Betriebsparameter des bestehenden Netzwerks 05 zu
ermitteln und die neuen Knoten 07 entsprechend dieser Betriebsparameter zu
prägen. Das ID 01 übernimmt dabei aufwändige Kommunikationsaufgaben,
etwa die des Entdeckens des Netzwerks 05 durch Scannen
verschiedener Frequenzkanäle sowie das Aushandeln der Betriebsparameter.
So kann eine energie-betriebs- und kosteneffiziente Inbetriebnahme
von neuen Knoten 07 in bestehende drahtlose Sensor-Aktuator-Netzwerke 05 erreicht
werden. Das Netzwerk 05 agiert dabei teilautonom, da nicht
die Netzknoten 07 selbstautonom die Betriebsparameter ermitteln,
sondern das ID 01.
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Ein
wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass die beteiligten neuen Knoten 07 sich bei Erstinbetriebnahme
in einem embryonalen Zustand befinden. Die wesentlichen Merkmale
dieses Zustands sind:
- – Der Knoten 07 besitzt
ein Identifikationsmerkmal. Dieses muss nicht notwendigerweise global eindeutig
sein, sollte aber im Zielnetzwerk 05 lokal eindeutig sein.
- – Der Knoten 05 besitzt einen so genannten Bootstrapping-Mechanismus
ab Fabrikation. Mithilfe dieses Mechanismus ist der Knoten 07 in
der Lage, selbstständig umliegende Netzwerke 05 zu entdecken.
Dazu verwendet er einen bestimmten Funkkanal, einen so genannten
Pilotkanal.
- – Der Knoten 07 besitzt ein Knotenprofil,
das Bauart und Funktionsmerkmale des Knotens 07 beschreibt.
- – Der Knoten 07 hat keine spezielle Betriebs-
bzw. Anwendungssoftware aufgespielt. Daher muss er erst noch im
Hinblick auf die zu bewältigende Aufgabe konfiguriert werden.
Das schließt unter Anderem die Installation eines ausführbaren
Programms ein.
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Ein
zentraler Aspekt der Funktionsweise des ID 01 besteht darin,
dass es in der Lage ist, über geeignete Kommunikationsschnittstellen 04, 06 mit dem
bzw. den zu integrierenden Knoten 07 und dem Netzwerk 05 vorzugsweise
gleichzeitig zu kommunizieren. Dem ID 01 stehen dabei bauartbedingt
genügend Ressourcen über einen hinreichend langen Zeitraum
zur Verfügung um das erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen. Das ID 01 kann, muss aber nicht, über
eine Benutzerschnittstelle 09 verfügen, über
die ein Benutzer bestimmte Parameter des Verfahrens beeinflussen
kann.
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Die
Integration eines neuen Knotens 07 mit Hilfe des ID 01 geschieht
vorzugsweise in folgenden, in 2 dargestellten
Schritten:
- – In einem ersten Schritt
A nimmt das ID 01 über den vordefinierten Pilotkanal
Kontakt mit dem neuen Knoten 07 auf und ermittelt das Identifikationsmerkmal
des Knotens 07 sowie die im Knotenprofil enthaltenen Informationen.
Das Identifikationsmerkmal eines Knotens 07 beinhaltet
alle Informationen, die der Knoten 07 bieten kann, um sich
gegenüber dem Netzwerk 05 zu identifizieren und
authentifizieren und bei erfolgreicher Durchführung dieser
Schritte als Ergebnis eine Autorisierung des Zugangs zu erhalten.
Am Ende dieses ersten Schrittes A ist das ID 01 im Besitz
aller vom Knoten 07 verfügbaren Informationen.
- – In einem zweiten Schritt B nimmt das ID 01 über eine
drahtlose Kommunikationsschnittstelle 04 Kontakt mit dem
Netzwerk 05 auf, um die ihm zunächst nicht bekannten
Betriebsparameter des Netzwerks 05 zu ermitteln. Im Allgemeinen
werden drahtlose Sensor-Aktuator-Netzwerke 05 so betrieben,
dass die aktiven Betriebszyklen minimiert werden, d. h. das Netzwerk 05 ist
im Wesentlichen inaktiv und wacht nur zu bestimmten intern ausgehandelten
Zeiten (regulärer Fall) oder bei Auftreten eines besonderen
Ereignisses (irregulärer Fall) auf. Für das allgemeine
Szenario einer multi-hop-Kommunikation ist aber nur der reguläre
Fall relevant. Da, wie schon erwähnt, die Funkparameter
des Netzwerks 05 dem ID 01 a priori nicht bekannt
sind, muss das ID 01 in dem zweiten Schritt B über
einen längeren Zeitraum hinweg alle Funkkanäle
bei voller Sende- und/oder Empfangsstärke überwachen
und bei Auffinden des richtigen Kanals mit dem Netzwerk 05 alle
Informationen zum Arbeitszyklus und ggf. weitere Parameter (z. B.
Zeit synchronisation) aushandeln. Dies geschieht unter Berücksichtigung
der im ersten Schritt A gewonnenen Informationen über den
neuen Knoten 07. Am Ende des zweiten Schrittes B besitzt
das ID 01 alle notwendigen Informationen, die der neue
Knoten 07 braucht, um in das Netzwerk 05 integrierbar
zu sein.
- – In einem dritten Schritt C wird die ermittelte bzw. gelernte
Information über das Netzwerk 05 über die
schon bestehende Kommunikationsverbindung auf den vorzugsweise noch
embryonalen neuen Knoten 07 aufgeprägt. Am Ende
des dritten Schrittes C ist der neue Knoten 07 auf Netzwerkebene
vollständig konfiguriert.
- – In einem vierten und letzten Schritt D nimmt der neue
Knoten 07 basierend auf den ihm eingeprägten Betriebsparametern
den Betrieb im Netzwerk 05 auf. Am Ende des vierten Schrittes
D ist der neue Knoten 07 vollständig in das Netzwerk 05 integriert.
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3 ist
der detaillierte Ablauf einer ersten Variante des zuvor beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahrens entnehmbar. Die Auffindung
des Netzwerks 05 durch das ID 01 sowie die Ermittlung der
Betriebsparameter des Netzwerks 05 sind dabei nicht detailliert
dargestellt, da diese Schritte wie im in 2 dargestellten
Verfahren ablaufen. Der Fokus der Darstellung in 3 liegt
auf der Generierung eines Authentifizierungsmerkmals für
den neuen Knoten 07 durch das ID 01 sowie die
Verwendung dieses Authentifizierungsmerkmals im weiteren Verlauf
des Verfahrens.
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In
der ersten, in 3 dargestellten Variante des
oben geschilderten Verfahrens kann das ID 01 auch als vertrauenswürdige,
dem Netzwerk 05 bekannte Zertifizierungs-Instanz verwendet
werden, das die Identifikation und Authentifizierung des Knotens 07 gegenüber
dem Netzwerk 05 ermöglicht, ohne dass dieser über
entsprechende Mechanismen verfügen muss. Folgende Ergänzungen
an dem oben beschriebenen Vorgehen sind dafür notwendig:
- – Im zweiten Schritt B verwendet das
ID 01 ein im ersten Schritt A erhaltenes, dem Netzwerk 05 unbekanntes
und daher nicht vertrauenswürdiges Identifizierungsmerkmal,
wie beispielsweise eine Media-Access-Control (MAC) Adresse oder
dergleichen, um daraus unter Verwendung eines Zertifizierungsschlüssels
ein vertrauenswürdiges Authentifizierungsmerkmal zu generieren.
Im Zuge der Aushandlung der Betriebsparameter mit dem Netzwerk 05 wird
dieses Authentifizierungsmerkmal dem Netzwerk 05 mitgeteilt
und kann ab diesem Zeitpunkt der Autorisierung des Knotens 07 dienen.
- – Im dritten Schritt C wird zusätzlich das
von der ID 01 erzeugte Authentifizierungsmerkmal dem neuen
Knoten 07 mitgeteilt.
- – Im vierten Schritt D wird dieses Authentifizierungsmerkmal
zusätzlich zu dem knoteneigenen Identifikationsmerkmal
als Teilidentifikationsmerkmal verwendet.
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In
einer zweiten Variante des oben geschilderten Verfahrens kann das
ID die statische Lokalisierung des neuen Knotens unterstützen
bzw. ermöglichen. Ziel der Variante ist die Zuordnung von Knoten
zu definierten geographischen Positionen, und zwar sowohl für
den Fall, dass der Knoten die Fähigkeit besitzt selbst
Abstandsmessungen zu anderen Knoten durchzuführen, als
auch für den Fall dass er diese Fähigkeit nicht
besitzt. Dabei sind folgende Untervarianten denkbar:
- – Der Knoten kann selbst Abstandsmessungen durchführen.
In diesem Fall wird die ID in einer bestimmten Reihenfolge an einer
hinreichenden Anzahl vorgegebener Referenzpunkte platziert und simuliert
so der Reihe nach verschiedene Knoten mit bekannten Positionen.
Die gewonnenen Abstandsinformationen sowie die bekannten Positionen
der Referenzpunkte dienen nach Abschluss der Messphase zur Bestimmung
der Position des neuen Knotens. Die genaue Abfolge der einzelnen
Schritte kann je nach gewähltem Positionsbestimmungsverfahren
variieren. So ist es etwa denkbar, dass aus Gründen der
Energieeffizienz die zur Positionsbestimmung notwendigen aufwändigen
Berechnungen weitestgehend auf dem ID durchgeführt werden
und so die Batterie des neuen Knotens geschont wird.
- – Der Knoten kann selbst keine Abstandsmessungen durchführen
oder seine Position auf andere Weise bestimmen. In diesem Fall wird
die Positionsbestimmung vom ID eigenständig durchgeführt
und die gewonnene Position dann dem neuen Knoten eingeprägt.
Zur Positionsbestimmung durch die ID sind beliebige Verfahren, wie
etwa World Geodetic System 1984 (WGS-84) für den Outdoorbereich
oder Ultraschall für den Indoorbereich, denkbar. Die Energieeffizienz
des jeweiligen Verfahrens spielt hierbei keine Rolle, weil das ID
ausreichend Batteriekapazität besitzt. Im einfachsten Fall
ist die Position, an der der neue Knoten platziert werden soll,
fest vorgegeben und z. B. per Radio-Frequency-Identification (RFID) oder
Strichcode markiert. Das ID kann diese Positionsinformation auslesen
und dem neuen Knoten mitteilen.
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Einer
dritte Variante des oben geschilderten Verfahrens liegt die Annahme
zu Grunde, dass die Aushandlung der Betriebsparameter mit dem Netzwerk
vorab eine komplexe Authentifizierung des Knotens erfordert, die
nur von diesem selbst durchgeführt werden soll. In diesem
Fall dient das ID lediglich als Gateway, das Nachrichten zwischen
dem neuen Knoten und dem Netzwerk jeweils ohne Modifikation weiterleitet.
Dadurch wird eine energetisch aufwändige, vollautonome
zeitliche Synchronisation zwischen dem neuen Knoten und dem Netzwerk
vermeiden. Das ID kann diese Synchronisation übernehmen,
da ein erhöhter Energieverbrauch bei dieser Vorrichtung kein
Problem darstellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren löst die in der
Beschreibungseinleitung genannten Probleme vollständig
und adäquat.
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Wichtig
ist hervorzuheben, dass bei der Integration eines neuen Knotens
in ein bestehendes Sensor-Aktuator-Netzwerk anfallende Aufgaben
erfindungsgemäß an das ID übertragen
werden, welches diese Aufgaben in Kooperation mit dem Netzwerk vollständig
autonom, d. h. ohne die Notwendigkeit von Interaktionen des menschlichen
Benutzers durchführt. Das in diesem Sinne spezifizierte
erfindungsgemäße Verfahren schont insbesondere
die Energievorräte sowohl des zu integrierenden neuen Knotens,
als auch des schon ausgebrachten Sensor-Aktuator-Netzwerks so weitgehend
wie möglich. Das ist in um so stärkerem Maße
der Fall, je mehr Knoten zeitnah ausgebracht werden, da einmal gelernte
Betriebsparameter für die Prägung aller weiteren
Knoten verwendet werden können. Durch die Verwendung des
sehr einfach zu bedienenden, weitestgehend autonom operierenden
ID wird die Komplexität der Installation von neuen Sensorknoten stark
verringert, und dadurch die Fehlerhäufigkeit drastisch
gesenkt. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in der völlig
autonomen Durchführung der Konfiguration neuer Sensorknoten
und deren Integration in ein bestehendes Sensor-Aktuator-Netzwerk
mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung.
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Die
Verwirklichung des erfindungsgemäße Verfahrens
bietet folgende Vorteile:
- – Verringerung
des Installationsaufwandes und der erforderlichen Qualifikation
der ausführenden Personen.
- – Erhöhung der Lebensdauer des Netzwerks durch
Minimierung des netzwerkseitigen Konfigurationsaufwandes für
neue Knoten.
- – Keine netzwerkspezifische Konfiguration der auszubringenden
Knoten vorab erforderlich. Bei der Installation generisch ab Fabrikation
vorkonfigurierte Knoten verwendet werden.
- – Die Entdeckung der Betriebsparameter des Netzwerks
muss bei zeitnaher Installation mehrerer Knoten nur ein einziges
Mal durchgeführt werden. Im Rahmen eines vollständig
knotenbasierenden Verfahrens nach dem Stand der Technik muss dieser
Schritt von jedem einzelnen Knoten wiederholt werden.
- – Durch geeignete Ausstattung des ID kann die Sicherheit
gegen „fremde" oder nicht autorisierte Knoten erhöht
werden. Das ID kann als „vertrauenswürdige Instanz"
die neuen Kno ten am Netzwerk anmelden, ohne dass das zu einem besonderen
Mehraufwand führt.
- – Durch geeignete Ausstattung kann das ID für Knoten,
die nicht über eigene Mechanismen für eine Positionsbestimmung
verfügen, diese Aufgabe übernehmen. Dadurch kann
gerade in statischen Sensornetzen diese Funktion, die ohnehin nur
bei Ausbringung von Knoten benötigt wird, eingespart werden.
Außerdem wird der Energievorrat von Knoten und Netzwerk
geschont.
- – Das ID kann in ausgebrachten Netzwerken dazu dienen,
Knoten, deren Positionsinformation bekannt ist, z. B. für
Wartungszwecke, zu lokalisieren. In diesem Fall kann das ID eine
Zielführung für den Wartungstechniker anbieten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0223569
A1 [0008]