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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die verteilte Organisation
von Sensornetzwerken, wie sie z. B. beim Katastrophenschutz, in
der Meteorologie oder bei der Beobachtung von Pflanzen an Tieren in
Biotopen zum Einsatz kommt.
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Sensornetzwerke
kommen heutzutage in vielen Bereichen zum Einsatz. Einsatzgebiete
sind beispielsweise zur Beobachtung von Klimaveränderungen, der Luftverschmutzung,
zur Erstellung von räumlich
und zeitlich aufgelösten
Temperatur oder Feuchtigkeitsprofilen, Vorhersage und Beobachtung des
Wetters, Beobachtung von Pflanzen und Tieren in Biotopen, Katastrophenschutz,
etc. Sensornetzwerke sind Rechnernetze, deren Aufgabe die Erfassung
von Messdaten ist und die sich im optimalen Fall selbständig bilden
und verwalten. Die Teilnehmer in einem solchen Netzwerk, sogenannte
Sensorknoten, sind batteriebetriebene Kleinstrechner, die über eine
Funkschnittstelle miteinander kommunizieren und Messwerte über eine
Vielzahl von Sensoren erhalten. Dabei werden die Messwerte nicht
von jedem Sensorknoten direkt an eine Basisstation (auch Auswertestation
genannt) gesendet, sondern von anderen Sensorknoten entgegengenommen,
bevor die Daten dann in Richtung Basisstation weitergeleitet werden.
Dieses Verfahren wird auch Multi-Hop-Verfahren genannt, da ein Signal über mehrere
Netzwerkknoten hinweg übertragen
wird, bevor es am Ziel, nämlich
der Basisstation, ankommt. Es dient dazu, Übertragungsstrecken zu überbrücken, die
aufgrund mangelnder Reichweite der verwendeten Funkschnittstellen
mit einer direkten Verbindung nicht genutzt werden könnten.
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Dabei
werden die Übertragungsstrecken,
auf dem die Sensorknoten die Daten in Richtung Basisstation senden,
im Be trieb des Netzwerkes neu berechnet und angepasst. Die Verwaltung
solcher Netzwerke, wie z.B. die Zuteilung von Adressen, Funkressourcen
und die Vorgabe von Übertragungsstrecken innerhalb
des Netzwerkes, wird dabei von einem zentralen Netzwerkknoten, der
Basisstation, übernommen.
Diese Netzwerke werden aufgrund ihrer einfachen Handhabung und ihrem
kostengünstigen
Betrieb als Alternative zu kabelgebundenen Lösungen betrachtet. Ein großer Vorteil
gegenüber
herkömmlichen
Lösungen
ist die einfachere Erweiterbarkeit bestehender Systeme. Durch Hinzufügen von
weiteren Sensorknoten wird nicht nur die räumliche Auflösung der
Messung gesteigert, sondern auch die Ausfallsicherheit des Netzwerkes
erhöht,
da Messwerte nun über
zusätzliche
Strecken zur Auswertung gelangen können. Sensornetzwerke werden
in vielen Bereichen erfolgreich eingesetzt, so auch in der Umwelttechnik.
Generell wird sich durch den vermehrten Einsatz von Sensornetzwerken
ein besseres wissenschaftliches Verständnis von Umweltvorgängen erhofft. Ökosysteme
können
detaillierter und länger
beobachtet werden, als es mit herkömmlichen Systemen möglich ist.
Größere Gebiete
können
dank Multi-Hop-Verfahren überwacht
und die Daten über
größere Distanzen
zu den Anwendern gesendet werden.
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Sensornetzwerke
können
in Gebieten eingesetzt werden, in denen das Auftreten von Erdbeben, Waldbränden, Überflutungen
oder Vulkanausbrüchen
wahrscheinlich ist. Bewegungs-, Rauch- oder Feuchtigkeitssensoren
können
entsprechend eingesetzt werden, um mögliche Gefahrensituationen
frühzeitig
erkennen zu können.
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Sensornetzwerke
sind auch für
alltägliche Aufgaben
gut geeignet. Ein mit Sensornetzwerken ausgestattetes Haus wäre in der
Lage, aufgrund der beobachteten Umweltbedingungen und Lichtverhältnisse
den eigenen Energieverbrauch zu optimieren. Elektrische Geräte und Lichtquellen
könnten
automatisch ausgeschaltet werden, sobald sich der Bewohner für längere Zeit
nicht in den entsprechenden Räumen
aufgehalten hat.
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Sensornetzwerke
werden, ebenso wie herkömmliche
Rechnernetze, durch die verwendeten Protokolle logisch unterteilt.
Aktuell einsetzbare Sensornetzwerke, wie beispielsweise das von
der „University
of California" in
Berkeley entwickelte TinyOS oder Sensornetzwerke, die nach dem ZigBee-Standard
der ZigBee-Allicance arbeiten, benötigen Sensorknoten, die eine
im Vorfeld programmierte Funktion zur Aufrechterhaltung des Sensornetzwerkes
ausüben.
Fällt ein
solcher Sensorknoten im Betrieb aus, gefährdet dies die fehlerfreie
Funktion des Netzwerkes. Ein Nachteil dieser Technik ist damit,
dass bei einem Ausfall eines solchen vorprogrammierten Sensorknotens,
auch alle an diesen Sensorknoten anknüpfenden Sensoren und gegebenenfalls
weitere vorprogrammierte Sensorknoten die Verbindung zur Basisstation
verlieren können
und damit der Ausfall ganzer Netzwerkzweige ausgelöst wird.
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Im
Besonderen gilt dies für
die Basisstation eines solchen Sensornetzwerkes. Man spricht im
Zusammenhang solcher Netzwerke von einer hierarchischen Netzwerkstruktur,
wie sie beispielsweise in 5 dargestellt
ist. 5 zeigt eine schematische hierarchische Netzwerkstruktur,
die sich aus einer Basisstation 500 (BS), mehreren Sensorknoten 510 (SK)
und vielen Sensoren 520 (S) zusammensetzt. In einem solchen
hierarchischen Netzwerk werden Verwaltungsaufgaben, z. B. die Adressverwaltung
der einzelnen Sensorknoten, von der Basisstation übernommen,
für die
einzelnen Sensoren hingegen von einem Sensorknoten. Fällt ein
einzelner Sensorknoten aus, so geht die Verbindung zu allen unter
diesen Sensorknoten befindlichen Sensoren und Sensorknoten verloren.
Fällt eine
Basisstation aus, so ist dies gleichbedeutend mit einem kompletten
Netzausfall. Man spricht in dem Fall der Basisstation von einem „Single
Point of Failure",
weil von der Funktion der Basisstation, die Funktion des gesamten
Netzwerkes abhängt.
Neben der Aufgabe die Messwerte aus dem Netzwerk einzusammeln und
dem Benutzer zur Verfügung
zu stellen, kontrolliert und reguliert die Basisstation den Aufbau
eines Sensornetzwerkes. Ein Ausfall der Basisstation ist gleichzusetzen
mit dem Ausfall des gesamten Netzwerkes.
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Die
WO 2004/049131 A2 lehrt ein Verfahren zur Organisation und zur Adresszuweisung
von Netzwerkknoten in Gruppen, wobei neue Gruppen gebildet werden
können
und ein Verfahren zum Routing von Nachrichten innerhalb der Gruppen
aufgezeigt wird. Die WO 2004/049131 A2 lehrt dabei, dass die Gruppen
hierarchisch in einem Baum organisiert werden, wobei Adressen von
einem zentralen Knoten ausgehend zugewiesen werden und wobei diese über einen
Routingmechanismus an die entsprechenden Knoten weitergeleitet werden.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt das Bilden einer hierarchischen
Netzwerkstruktur, ausgehend von einem zentralen Knoten, der direkt
die Adressen einzelner Gruppen verwaltet, wobei Adressen innerhalb
einer Gruppe von einem jeweiligen Gruppenkopf verwaltet werden.
Das in der WO 2004/049131 A2 beschriebene Verfahren weist den Nachteil
auf, dass eine Netzwerkbildung und Organisation ohne den zentralen Knoten
nicht möglich
ist.
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Die
WO 2005/071364 A1 schafft einen Sensorknoten, der periodisch eine
Messgröße erfasst, wobei
der Sensorknoten in der Lage ist, Änderungen einer Messgröße zu erfassen,
also differentiell zu messen, und Messdaten mit anderen Sensorknoten auszutauschen.
Benachbarte Sensorknoten können somit
kooperieren und die Frequenz oder Periode der Messung kann dabei
an die Änderung
der Messgröße angepasst
werden. Alternativ wird die Messgrößenerfassung und Weiterleitung
an die Auslastung einzelner Knoten angepasst.
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Ausgehend
vom Stand der Technik, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, ein verbessertes Konzept zum Betreiben von Netzwerken zu
schaffen, durch das eine höhere
Zuverlässigkeit
erzielt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
17 gelöst.
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Der
Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Netzwerk
aus einer Anzahl von Netzwerkknoten aufzubauen, die dahingehend gleichberechtigt
sind, dass theoretisch jeder als Gruppenkopf fungieren kann. Teilbereiche
des Netzwerkes werden zu Gruppen von Netzwerkknoten zusammengefasst,
und es gibt in jeder Gruppe von Netzwerkknoten einen Gruppenkopf,
dessen Funktionalität
von jedem beliebigen Netzwerkknoten der Gruppe übernommen werden kann. Eine
Basisstation, der nunmehr nur noch die Funktion der Datenakquisition
zukommt, kann dabei an einem beliebigen Netzwerkknoten des Netzwerkes
Zugang zu den gesamten Daten des Netzwerkes erhalten. Die Kommunikation
im erfindungsgemäßen Netzwerk
erfolgt zwischen den einzelnen Netzwerkknoten über eine Kommunikationsschnittstelle,
wie beispielsweise eine Funk- oder auch Infrarotschnittstelle. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, dass die Verwaltungsaufgaben in einem Netzwerk dezentralisiert werden,
so dass die zentrale Rolle eines Verwaltungsknotens aufgegeben werden
kann.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
eine Datenverarbeitungsvorrichtung erreicht, die in einem Netzwerk
einen Netzwerkknoten darstellt und das Netzwerk, mit Ausnahme einer
Basisstation, ausschließlich
aus erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufgebaut
ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt über eine
Kommunikationseinrichtung, die ausgebildet ist, um mit anderen Datenverarbeitungsvorrichtungen
zu kommunizieren. Die Kommunikation zwischen den Datenverarbeitungsvor richtungen bezieht
sich dabei sowohl auf die Organisation des Netzwerkes, als auch
auf das Einsammeln und Weiterleiten von Daten, die beispielsweise
von optionalen Messeinrichtungen erfasst werden. Die Datenverarbeitungsvorrichtung
verfügt
dazu über
eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um über die Kommunikationseinrichtung
zu versuchen, mit anderen Datenverarbeitungsvorrichtungen Kontakt
aufzunehmen, um im Falle von keiner Antwort oder einer Antwort,
die anzeigt, dass keine Möglichkeit
existiert, sich einer bestehenden Gruppe von Datenverarbeitungsvorrichtungen
anzuschließen,
selbst eine Gruppe als Gruppenkopf zu initiieren und diese Gruppe
zu verwalten. Im Falle einer Antwort, die anzeigt, dass eine Möglichkeit
existiert, sich einer bereits bestehenden Gruppe anzuschließen, ist
die Datenverarbeitungsvorrichtung ausgebildet, um sich der Gruppe als
Gruppenmitglied anzuschließen.
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Das
Netzwerk setzt sich zusammen aus Gruppen von Sensorknoten, die auch
als Cluster bezeichnet werden können.
Eine Gruppe von Sensorknoten zeichnet sich dadurch aus, dass es
einen Sensorknoten innerhalb der Gruppe gibt, den sogenannten Gruppenkopf
(der auch als Clusterhead bezeichnet werden kann), der die Verwaltung
der Gruppe übernimmt.
Die Verwaltung der Gruppe schließt z.B. ein, dass der Gruppenkopf
Identifikationsnummern aller Gruppenmitglieder speichert, sowie
die Identifikationsnummern aller benachbarten Gruppen. Jeder Sensorknoten
und jede Gruppe verfügt
dabei über
eine eindeutige Identifikation. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Sensornetzwerken sind bei der erfindungsgemäßen Lösung alle Sensorknoten dahingehend
gleich ausgebildet, dass jeder Sensorknoten die Rolle eines Gruppenkopfs übernehmen
kann. Einzelne Sensorknoten, die an dem Sensornetzwerk teilnehmen,
versuchen, sich an einem Gruppenkopf in ihrer Nachbarschaft anzumelden.
Dazu senden sie zunächst,
beispielsweise bei Inbetriebnahme, ein Anfragesignal aus und warten
auf eine Antwort. Gruppenmitglieder leiten empfangene Anfragesignale
an ihre Gruppenköpfe
weiter, die Gruppenköpfe
verarbeiten die erhaltenen Anfragesignale und antwor ten auf die
Anfragesignale, gegebenenfalls wiederum über ihre Gruppenmitglieder
(Multi-Hop-Verfahren), an den anfragenden Sensorknoten. So kann
der Gruppenkopf den Aufbau des Netzwerkes gezielt vorantreiben und
an die dafür
vorhandenen Ressourcen (Speicher, Rechenleistung, etc.) anpassen.
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Die
Gruppenköpfe
kommunizieren auch untereinander, sodass die eigentlichen Netzwerkstrukturen
in verteilter Form auf den Gruppenköpfen gespeichert sind. Sollte
ein Sensorknoten einer Gruppe nicht beitreten können, weil sein Anfragesignal
unbeantwortet bleibt oder er aber nur negative Antworten erhält, z.B.
weil ein Gruppenkopf mangels Übertragungsressourcen
keine neuen Gruppenmitglieder in seiner Gruppe mehr akzeptiert,
so bildet dieser Sensorknoten eine neue Gruppe, in der er dann selbst
als Gruppenkopf fungiert und eine Gruppenidentifikation für diese
Gruppe festlegt.
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Die
Basisstation hat somit ihre zentrale Rolle bei der Bildung und Verwaltung
eines Sensornetzwerkes verloren und wird nur noch für die Datenakquisition
benötigt.
Sie verhält
sich dann wie ein einfacher Sensorknoten und meldet sich an einer
Gruppe in ihrer Umgebung an. Mit dem Anmelden der Basisstation an
einer Gruppe initiiert der Gruppenkopf die Weitergabe der Daten
an die Basisstation. Ein Gruppenmitglied signalisiert dabei seinem
Gruppenkopf, dass sich eine Basisstation angemeldet hat und leitet die
Anfragen der Basisstation an den Gruppenkopf weiter, bzw. leitet
die Anfragen des Gruppenkopfes an die Basisstation weiter. Das Gruppenmitglied
fungiert dann als Vermittlungsstelle zwischen Basisstation und Gruppenkopf.
Diese Funktionalität
bezieht sich nicht nur auf Anfragen einer Basisstation, sondern
generell leiten die Gruppenmitglieder interne und externe Anfragen
an Gruppenköpfe
weiter (z.B. Anfragen von neuen Sensorknoten, Datenanfragen, Messdaten,
Routing-Informationen
usw.). Eine Möglichkeit
dies zu realisieren, ist, dass die Gruppenköpfe den einzelnen Gruppenmitgliedern
genaue Instruktionen geben hinsichtlich des Zeitrahmens und an welchen
Sensorknoten (Routing-Vorgabe) eine Anfrage wei terzuleiten ist (Multi-Hop-Verfahren). Eine
weitere Möglichkeit
wäre, dass
die Gruppenmitglieder eigene Routing-Tabellen erstellen, basierend auf Informationen
ihrer Nachbar-Datenverarbeitungsvorrichtungen oder auch basierend
auf Information die ein Gruppenkopf innerhalb einer Gruppe verteilt.
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Sowohl
die Daten der eigenen als auch die Daten der anderen Gruppen werden
nun an die Basisstation gesendet. Sollte nun die Basisstation ausfallen,
wird dies von dem zuständigen
Gruppenkopf festgestellt und den anderen beteiligten Sensorknoten
mitgeteilt. Der zuständige
Gruppenkopf, ist derjenige Gruppenkopf, an dem sich die Basisstation
direkt oder auch indirekt (über
ein Gruppenmitglied seiner Gruppe) angemeldet hat. Damit sind Applikationen,
bei denen das Sensornetzwerk über
einen längeren
Zeitraum ohne Basisstation betrieben werden muss (z. B. in der Logistik,
Warenverfolgung, etc.) realisierbar.
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Sollte
es zu einem Ausfall eines Gruppenkopfes kommen, so zerfällt die
verwaltete Gruppe in einzelne Sensorknoten, die dann versuchen,
sich an der nächstgelegenen
Gruppe anzumelden oder selbst eine neue Gruppe zu gründen.
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Ein
großer
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die hohe Robustheit gegenüber
dem Ausfall einer Basisstation. Während herkömmliche Verfahren zur Bildung
eines Netzwerkes eine Basisstation zur Verwaltung zwingend benötigten,
um eine Netzwerkstruktur erstellen zu können, wird sich ein erfindungsgemäßes Sensornetzwerk
selbst organisieren, ohne dass ein zentraler Verwaltungsknoten benötigt wird.
Die Verwaltungsaufgaben werden auf die im Sensornetzwerk vorhandenen
Sensorknoten bzw. Gruppenköpfe
verteilt. Sollte es im erfindungsgemäßen Netzwerk zu einem Ausfall
eines Gruppenkopfes kommen, so kann dessen Funktionalität von jedem
anderen Sensorknoten übernommen
werden. Eine Zentralisierung von Verwaltungsaufgaben (Single Point
of Failure) wird somit ausgeschlossen. Anwendungen von hochmo bilen
Sensornetzwerken werden somit vereinfacht bzw. erst ermöglicht.
Als Beispiel soll hier das Verfolgen von unterschiedlichen Waren
in der Logistik genannt werden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
prinzipielles Blockschaltbild mit Funktionsblöcken eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
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2 eine
schematische Darstellung einer Realisierung eines Netzwerkes vor
einer Gruppenbildung;
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3 eine
schematische Darstellung einer Realisierung eines Netzwerkes nach
der Gruppenbildung;
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4 eine
schematische Darstellung einer Realisierung eines Netzwerkes während der
Datenübertragung
an eine Basisstation; und
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5 eine
prinzipielle Darstellung einer hierarchischen Netzwerkstruktur gemäß dem Stand
der Technik
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Im
Nachfolgenden wird nun bezugnehmend auf die beiliegenden 1–4 das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
eines Netzwerkes, bestehend aus erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Dezentralisierung
der Netzwerkverwaltung, im Detail beschrieben. Zunächst wird
anhand der 1 beispielhaft der Aufbau einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung 100.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist eine
Kommunikationseinrichtung 110 und eine Steuereinrichtung 120 auf.
Die Kommunikationsein richtung 110 und die Steuereinrichtung 120 sind
ausgelegt, um Steuerdaten miteinander auszutauschen. Die Steuereinrichtung 120 versucht
dabei, über
die Kommunikationseinrichtung 110 mit anderen erfindungsgemäßen Vorrichtungen
Kontakt aufzunehmen. Sollte die Steuereinrichtung 120 über die
Kommunikationseinrichtung 110 keine Antwort anderer erfindungsgemäßer Vorrichtungen
in Reichweite erhalten oder aber eine Antwort, die anzeigt, dass
keine Möglichkeit
existiert, sich einer bereits bestehenden Gruppe von erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtungen
anzuschließen,
so übernimmt
die Datenverarbeitungsvorrichtung 100 die Rolle eines Gruppenkopfes.
Der Gruppenkopf ist dabei ausgelegt, eine Gruppe von Datenverarbeitungsvorrichtungen
zu verwalten, wobei der Gruppenkopf die eindeutigen Identifikationsnummern
jedes Gruppenmitglieds, direkt benachbarter Datenverarbeitungsvorrichtungen
und benachbarter Gruppen speichert, wobei direkt benachbarte Datenverarbeitungsvorrichtungen
solche sind, zu denen eine direkte Verbindung besteht. Zusätzliche
Verwaltungsaufgaben, die dem Gruppenkopf zufallen, könnten beispielsweise das
Erstellen von Routing-Tabellen sein, in denen der Gruppenkopf festhält, über welche
Gruppenmitglieder er mit anderen Gruppenköpfen kommunizieren kann oder
exemplarisch auch die Verwaltung der Gruppengröße, die von Parametern wie
der Verfügbarkeit
von Netzwerkressourcen (z.B. Bandbreite) abhängen kann. Sollte die Steuereinrichtung 120 über die
Kommunikationseinrichtung 110 eine Antwort erhalten, die
anzeigt, dass eine Möglichkeit
existiert, sich einer bereits bestehenden Gruppe anzuschließen, so
schließt
sich die erfindungsgemäße Datenverarbeitungsvorrichtung
einer Gruppe als Gruppenmitglied an. Das Gruppenmitglied ist dabei ausgebildet,
um die eindeutigen Identifikationsnummern direkt benachbarter Datenverarbeitungsvorrichtungen
und deren Gruppen zu speichern.
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Die
Verwaltung einer Gruppe kann weitere Funktionen beinhalten, z.B.
auch die Koordination bei Datenübertragungen
an eine Basisstation. Den Gruppenköpfen kommt in einem sol chen
Fall die Aufgabe zu, ihren einzelnen Gruppenmitgliedern Instruktionen
zum Übertragen
von Daten (z.B. Messdaten) koordiniert zu geben und an die Basisstation
zu leiten. Dabei können
beispielsweise vom Gruppenkopf ein Zeitrahmen und eine Route (Übertragungspfad im
Netzwerk) über
bestimmte Netzwerkknoten vorgegeben werden. Routen können z.B.
von Gruppenköpfen
schon im Vorfeld bestimmt und in Tabellen abgespeichert werden,
ebenso wäre
denkbar, dass die Gruppenmitglieder Routen zu anderen Gruppenköpfen in
Tabellen speichern, um eine schnellere Datenübertragung zu erreichen.
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Im
Folgenden wird nun, ausgehend von 2 und 3,
die Bildung eines Netzwerks mit zwei Gruppen erläutert. 2 zeigt
eine schematische Darstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1–9,
die fortan auch Sensorknoten oder Netzwerkknoten genannt werden,
in einem Netzwerk in der Ausgangslage.
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Sensorknoten
weisen neben einer Kommunikations- und einer Steuereinrichtung,
zusätzlich noch
eine Messeinrichtung auf, die Messdaten einer physikalischen Größe erfassen,
die in der Datenverarbeitungsvorrichtung gespeichert werden. Diese Messdaten
werden dann von einer Basisstation abgeholt, d.h. sie werden aus
dem gesamten Netz an die Basisstation übertragen. Die Sensorknoten
sind in einem erfindungsgemäßen Netzwerk
dahingehend identisch, dass sie die in 1 gezeigte
Struktur ausweisen. Darüber
hinaus können
sie weitere Merkmale aufweisen, die sich unterscheiden. Beispielsweise können sie
unterschiedliche Messeinrichtungen zur Erfassung von Messdaten unterschiedlicher
physikalischer Größen aufweisen.
Auch eine Basisstation weist zumindest die in 1 dargestellten
Strukturen auf, sodass sie mit einem beliebigen Gruppenmitglied
oder Gruppenkopf kommunizieren kann. Allerdings kommt der Basisstation
zusätzlich
die Funktion der Datenakquise zu, und sie ist deswegen zusätzlich ausgebildet,
um entsprechende Instruktionen an das Netzwerk zu geben und die
Daten zu empfangen.
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In 2 ist
jeder Sensorknoten 1–9 als
Kreis dargestellt und zur Identifikation nummeriert. Die Linien
stellen die physikalischen Verbindungsmöglichkeiten der einzelnen Sensorknoten
untereinander dar. Beispielsweise kann in 2 Sensorknoten 4 eine
direkte Verbindung zu den Sensorknoten 2, 3 und 8 aufbauen,
um eine Verbindung mit dem Sensorknoten 7 aufzubauen, müsste der
Sensorknoten 4 indirekt über einen der Sensorknoten 2 oder 3 kommunizieren.
Dies könnte
z.B. in einer Routing-Tabelle festgehalten sein.
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In
diesem schematischen Szenario bilden sich nun, wie in 3 dargestellt,
zwei Gruppen, z. B. werden die Sensorknoten 4 und 5 zu
jeweils einem Gruppenkopf 320. 3 zeigt
die gebildeten Gruppen in jeweils gestrichelt eingezeichneten Kreisen 300 und 310,
und die jeweiligen Gruppenköpfe 320 sind
durch dick umrandete Kreise gekennzeichnet. Die Gruppen 300 und 310 bilden
sich wie folgt:
- – Nach dem Einschalten prüft jeder
Sensorknoten 1–9,
ob sich in seiner Nachbarschaft andere Sensorknoten befinden. Dazu
sendet er ein Anfragesignal aus und wartet auf eine Beantwortung durch
bereits existierende Gruppen bzw. Gruppenköpfe.
- – Ist
dies nicht der Fall, erklärt
sich dieser Sensorknoten zum Gruppenkopf 320 und nimmt
von jetzt an Anfragen und Anmeldungen anderer Sensorknoten entgegen.
D.h. wenn er zukünftig
eine Anfrage eines Sensorknotens empfängt, wird er diesen in seine
Gruppe aufnehmen, sofern die Ressourcen des Gruppenkopfes dies zulassen.
- – Sollte
sich bereits in seiner Umgebung eine Gruppe gebildet haben, dann
versucht der Sensorknoten sich dieser als Gruppenmitglied anzuschließen. Nach
erfolgreichem Beitritt leitet er automatisch Anfragen und Anmeldungen
an seinen Gruppenkopf weiter. Wenn bei spielsweise das Anfragesignal
eines neuen Sensorknotens empfangen wird, so leitet das Gruppenmitglied
zum einen dieses and den Gruppenkopf weiter und zum anderen auch
die Antworten des Gruppenkopfes an den anfragenden Sensorknoten
(Multi-Hop-Verfahren).
- – Schlägt das Anmelden
an einer Gruppe fehl, weil z. B. der Gruppenkopf dieser Gruppe nur noch über unzureichende
Ressourcen verfügt, dann
bildet der Sensorknoten eine neue Gruppe und fungiert dort als Gruppenkopf.
Beispielsweise wäre
denkbar, dass der Gruppenkopf nur über eine endliche Anzahl von
Kommunikationskanälen
verfügt
und wenn diese hinreichend belegt sind, keine zusätzlichen
Gruppenmitglieder akzeptiert.
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Die
Entscheidung darüber,
ob ein Gruppenkopf die Anfrage eines Sensorknotens akzeptiert oder
nicht, kann von mehreren Faktoren abhängen. Beispielsweise könnte in
einer Realisierung eine maximale Gruppenstärke fest vorgegeben sein oder sich
aus Speicher- bzw. Rechenbegrenzungen oder auch anderen begrenzten
Ressourcen des Gruppenkopfes ergeben. Eine weitere erfindungsgemäße Realisierung
könnte
beispielsweise die maximale Gruppenstärke dynamisch von verwendeten
Ressourcen abhängig
machen, z.B. könnte
der räumliche
Abstand der Gruppenmitglieder sich auf die verfügbare Sendeleistung des Gruppenkopfes
auswirken und die maximale Gruppenstärke sich nach der noch verfügbaren Sendeleistung
des Gruppenkopfes richten.
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Das
Netzwerk bildet auf diese Art eine beliebige Anzahl von Gruppen.
Die Verwaltung und den Aufbau eines solchen Sensornetzwerkes übernehmen
nur noch die Gruppenköpfe.
Die Anmeldung einer Basisstation zur Datenübertragung an einer Gruppe,
löst eine
netzweite automatische Weiterleitung von Datenpaketen an die Basisstation
aus.
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In 4 ist
ein solches Szenario exemplarisch dargestellt. 4 zeigt
noch einmal das Netzwerk aus den 2 und 3,
wobei sich nun eine Basisstation 400 am Gruppenkopf 4 anmeldet,
um Messdaten aus dem Sensornetzwerk abzurufen. In 4 ist
insbesondere der Weg der Datenpakete vom Sensorknoten 1 zur
Basisstation dargestellt. Die eingezeichneten Pfeile 410 repräsentieren
dabei den Pfad der Datenpakete. Dieser Weg könnte z.B. in einer Routing-Tabelle
im Gruppenkopf 4 festgehalten sein. Dies würde bedeuten,
dass ein Gruppenkopf neben der Nachbargruppenidentifikation, auch
Information über
den Weg zum Gruppenkopf der Nachbargruppe speichert, um im Falle
einer Messdatenabfrage, gespeicherte Routen an seine Gruppenmitglieder
weiterzugeben und diese damit zu koordinieren. Darüber hinaus
könnte
ein Gruppenkopf auch mehrere Routen zu benachbarten Gruppenköpfen speichern,
um parallele Routen und damit höhere Übertragungsraten
zu realisieren. Prinzipiell sind viele Varianten der Routenbildung
möglich.
Eine einfache Variante wäre
beispielsweise, dass Sensorknoten auf der Suche nach einem bestimmten
Knoten, eine Suchmeldung an alle ihre Nachbarn weitergeben und so,
ein zu suchender Sensorknoten iterativ im ganzen Netz gesucht wird.
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In 4 ist
zu erkennen, dass die Datenpakete zunächst vom Sensorknoten 1 an
den Sensorknoten 9, von diesem über Sensorknoten 6 an
den Sensorknoten 8, und schließlich über den Gruppenkopf 4 an
die Basisstation weitergeleitet werden. Die Datenübertragung
wird von den Gruppenköpfen 4 und 5 koordiniert.
Gruppenkopf 4 leitet die Datenanfrage der Basisstation 400 zunächst an
die benachbarte Gruppe des Gruppenkopfes 5 weiter. Der
Gruppenkopf 5 veranlasst dann das Gruppenmitglied 1 die angeforderten
Daten in der beschriebenen Art und Weise an die Basisstation weiterzuleiten.
Dabei ist denkbar, dass die Route schon zuvor festgestanden hat
und im Gruppenkopf 5 gespeichert war und dieser die Route
nun an das Gruppenmitglied 1 weitergibt. Eine andere Variante
wäre, das
die Route bereits im Gruppenmitglied 1 gespeichert war,
oder dass beispielsweise das Gruppenmitglied die Daten einfach an
alle seine Nachbarn weitergibt, bis diese iterativ an der Basisstation
ankommen.
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Zusammenfassend
lässt sich
feststellen, dass die erfindungsgemäße Realisierung eines Sensorknotens
und eines Sensornetzwerks gegenüber herkömmlichen
Netzwerken entscheidende Vorteile bietet. Durch die Dezentralisierung
der Verwaltungsaufgaben, wie z. B. die Adressverwaltung und die Verwaltung
von Netzwerkressourcen, wird eine erheblich größere Robustheit im Vergleich
zu herkömmlichen
Netzwerken erzielt. Die zu verwaltenden Netzwerkressourcen hängen dabei
von der Kommunikationsschnittstelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ab. Beispielsweise spielen bei Infrarotschnittstellen die direkte
Sichtverbindung und der räumliche
Abstand eine wichtige Rolle, wohingegen bei Funkschnittstellen die
zu Verfügung
stehende Sendeleistung und die Anzahl der Sendekanäle wichtige
Rollen einnehmen.
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Durch
die Fähigkeit
der einzelnen Sensorknoten sowohl als Gruppenmitglied als auch als Gruppenkopf
zu fungieren, ist das Netzwerk äußerst aufwandsgünstig zu
erweitern. Eine Abhängigkeit von
einem zentralen Netzwerkknoten, wie in herkömmlichen Netzwerkstrukturen
beispielsweise die Basisstation, wird durch die vorliegende Erfindung konsequent
vermieden.
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Abhängig von
den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren in Hardware oder
in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem
digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit
elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem
programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende
Verfahren ausgeführt
wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit auf einem
maschinenlesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In
anderen Worten ausgedrückt
kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programm code zur
Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf
einem Computer abläuft.