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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum kooperativen Senden von Daten
innerhalb von Funknetzen mit einer Mehrzahl unabhängiger
Knoten.
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Ein
solches Verfahren ist etwa bereits aus der amerikanischen Offenlegungsschrift
US 2005/0113084 A1 vorbekannt.
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Überlagerte
Funksignale werden in der Literatur bereits seit einiger Zeit diskutiert.
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In
der neueren Literatur tauchen überlagerte Funksignale als
eine Thematik aus der Forschung über kooperatives Senden
auf. Diese Bezeichnung wird allerdings in verschiedenen, unterschiedlichen Kontexten
eingesetzt. Als "cooperative transmission" (kooperatives Senden)
wird meistens die Grundidee verstanden, dass Relaisstationen gesendete
Pakete weiterleiten um die Detektion im Empfänger zu verbessern.
In solchen Systemen wird vor allem ausgenutzt, dass durch verschiedene,
unabhängige Kommunikationspfade zum Empfänger
durch Vergleich mehrfach empfangener Signale die Empfangsqualität
im Empfänger verbessert werden kann.
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Dabei
werden herkömmlich die verschiedenen Kommunikationspfade
zwischen Quelle und Senke lediglich dafür genutzt, eine
größere Redundanz zu erreichen.
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Vorliegend
wird der Begriff der „cooperative transmission" in einer
anderen Art und Weise verstanden. Die Idee ist, dass Sensorknoten
gleichzeitig Signale versenden um mit dieser kooperativen Überlagerung
einen Mehrwert zu erzeugen.
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So
liegt der oben genannten
US 2005/0113084 A1 das so genannte „Sensor-Reach-Back-Problem"
zugrunde, nach dem ein Sensor zwar Daten liefern kann, aber aufgrund
der Umgebungsparameter und zu geringer Sendeleistung den Adressaten
seiner Signale nicht direkt erreichen kann. Dieses Problem wird
dahingehend gelöst, dass eine große Anzahl von
Endgeräten gemeinsam eine Erhöhung ihrer Sendeleistung
bewirken können, auch wenn das einzelne Endgerät
keine große Leistungsfähigkeit hat.
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Zur
Erläuterung sei das folgende Beispiel angeführt.
Ein Sensornetzwerk ist in einem Wald ausgebracht, um dort z. B.
als Frühwarnsystem für Waldbrände zu
dienen. Die Sensorknoten sind also im Wald verstreut und überwachen
z. B. die Temperatur, um Feuer zu entdecken. Ein Beobachtungsflugzeug fliegt über
den Wald, um die Sensorwerte des Sensornetzes einzusammeln. Die
Sensorknoten sind auf dem Waldboden nur wenige Meter voneinander
entfernt und so ist es durch Multihop-Kommunikation, also Weiterleitung
des Signals von Knoten zu Knoten, möglich, dass sie untereinander
Daten austauschen. Die Entfernung zum Flugzeug ist allerdings vergleichsweise
hoch, so dass die Sendeleistung eines einzelnen Knotens nicht ausreicht,
um seine Messwerte an das Flugzeug zu kommunizieren. Das Flugzeug
seinerseits ist jedoch in der Lage, die Sendeleistung aufzubringen,
um Nachrichten an die Sensorknoten zu verschicken.
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Für
die Lösung könnte man hier z. B. eine Basisstation
im Wald einrichten, die einfachen Kontakt zu dem Sensornetzwerk
halten kann und über genügend hohe Sendeleistung
verfügt. Eine solche Lösung ist in vielen Szenarien
nicht sinnvoll, nachdem so die gesamte Kommunikation zum Sensornetzwerk über
diese einzelne Basisstation führen würde. Dies
würde ein nennenswertes Ausfallrisiko erzeugen.
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Es
wird stattdessen in der
US 2005/0113084 A1 gelehrt, die Sendeleistungen
der Sensorknoten zu akkumulieren, um so eine gemeinsame, höhere Sendeleistung
zu erreichen. Dafür einigen sich die Sensorknoten auf eine
Nachricht, die sie dann gemeinsam und zur gleichen Zeit verschicken,
um so die Sendeleistung – und damit die Reichweite – zu
erhöhen.
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Hierfür
wird im Stand der Technik jedoch erfordert, dass ein Funkkontakt
(„line of sight") zwischen den Knoten besteht und die Knoten
zur Verarbeitung komplexwertiger Signale ertüchtigt sind.
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Eine
Funkverbindung legt nahe, dass zwischen Sendern und Empfänger
eine bidirektionale Verbindung besteht, also alle Quellen und das
Ziel in direkter, individueller Funkverbindung stehen. In den meisten
Fällen werden auf diesen Funkverbindungen feste Träger
verschickt, damit die Phasen- und Frequenzversätze oder
-verschiebungen der Funksignale der Kommunikationspartner erfasst
werden können. Diese direkte Verbindung zwischen Quellen
und Ziel ist also eine Vorraussetzung um Phasen- und Frequenzsynchronisationen,
wie erfordert, zu bewerkstelligen.
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Ohne
direkten Funkkontakt ist jedoch in den bekannten Verfahren eine
Phasen- und Frequenzsynchronisierung nicht möglich.
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Überlagerte
Funksignale sollen jedoch in Szenarien, in denen ein Funkkontakt
nicht möglich ist, ohne diese doppelte Synchronisation
auskommen. Dies impliziert, dass keine Kohärenz (also eine Phasen-,
Zeit- und Frequenzsynchronität) erzeugt werden kann. Die
Zeitsynchronisation muss dabei im Bereich von wenigen Millisekunden
liegen, wenn man überlagerte Funksignale ermöglichen
will. Dies soll trotzdem mithilfe einfacher Mittel, also kleiner, Energie
sparender und kostengünstiger Knoten, umsetzbar sein.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt vor diesem Hintergrund nunmehr die
Aufgabe zugrunde, mit minimalen Systemvoraussetzungen und nur einer
Zeitsynchronisation überlagerte Funksignale zur Signalisierung
einzusetzen.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zum kooperativen Senden
von Daten gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Es
liegt der Erfindung also ein Funknetzwerk zugrunde, welches eine
Mehrzahl unabhängiger Knoten aufweist. Tritt darin eine
Ausnahmesituation auf, so wird der betroffene Sendeknoten ein Alarmsignal
zu einem Empfangsknoten absetzen wollen, welches in möglichst
kurzer Zeit den Empfangsknoten erreichen soll. Sobald ein Knoten
in Reichweite ein solches Alarmsignal empfängt, wird sich
der Knoten in Reichweite anhand des Alarmsignals synchronisieren
und das Alarmsignal nach dem Empfang identisch wiederholen. Soweit
mehrere Knoten sich in Reichweite befinden, wird das Signal somit
auch von mehreren Knoten empfangen und infolge des gleichen Ablaufs
in allen Knoten gleichzeitig völlig identisch von diesen
erneut gesendet. Die Signale der gleichzeitig sendenden Knoten überlagern
sich im Zeit- und Frequenzbereich aufgrund der Synchronisation und
der identischen Wiederholung exakt, so dass eine Verstärkung
des Alarmsignals hinsichtlich der Sendeleistung erfolgt. Eine chaotische Überlagerung
von Signalen kann durch diese exakte Wiederholung nicht erfolgen,
da alle Knoten identische Signale senden. Aufgrund dessen kann ein
Alarmsignal von einer Mehrzahl von Knoten durch die Verstärkung
der Sendeleistung direkt zu einem Empfangsknoten gesendet werden,
selbst wenn dieser außerhalb der Reichweite des Sendeknotens
liegt, also zwischen dem Sendeknoten und dem Empfangsknoten kein
Funkkontakt besteht. Auf die Topologie des Funknetzwerks kommt es
dabei insbesondere nicht an; den Knoten ist mithin sogar unbekannt,
welche weiteren Knoten sich um sie herum in Reichweite befinden.
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Eine
solche Signalisierung kann zudem von einer sehr einfachen, mit einer
geringen Leistung ausgestatteten Signalquelle erfolgen, welche aufgrund
der geringen Leistungsaufnahme weitgehend autonom zu betreiben ist.
Gegebenenfalls werden die oben genannten Schritte wiederholt, so
dass durch Hinzunahme weiterer Knoten in Reichweite das Signal noch
weiter verstärkt werden kann.
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Vorzugsweise
wird der Sendeknoten das Alarmsignal in kurzen Abständen,
also in so genannten „Bursts" im Millisekundenbereich,
wiederholen, so dass sichergestellt ist, dass das Signal von mehreren
Knoten in Reichweite empfangen und wiederholt wird. Diese Bursts
werden in vorgebbaren Intervallen wiederholt, wobei in einer besonders
bevorzugten Ausführung diese Intervalle 5 Sekunden dauern.
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Es
ist dabei für den Sendeknoten unerheblich und im übrigen
auch unbekannt, an welcher Stelle im Funknetzwerk sich der Empfangsknoten
befindet. Das Alarmsignal wird nicht notwendig adressiert, sondern
als Broadcast versendet. Änderungen im Netzwerk bleiben
daher ohne Einfluss, müssen in die einzelnen Knoten auch
nicht eingepflegt werden.
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Eine
Synchronisierung der Knoten in Reichweite wird mit Vorteil ausschließlich
anhand des Alarmsignals durchgeführt, ohne dass eine aufwändige
Phasen- und Frequenzsynchronisierung durchgeführt wird.
Die Knoten in Reichweite werden also zunächst das Alarmsignal
empfangen und es als solches erkennen. Dieses enthält mit
Vorteil ein Zeitsignal, an welchem die Knoten in Reichweite die
erforderlichen Zeitinformationen zur Synchronisierung erhalten.
Nach dem vollständigen Empfang wiederholen sie ihrerseits
das vollständige Alarmsignal.
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Nach
dem Wiederholen des Signals fallen die einzelnen Knoten mit Vorteil
wieder in einen Ruhemodus zurück, indem sie den Signalempfang
beenden. Auf diese Weise können die Knoten Energie einsparen,
welche diesen insbesondere im Fall eines verteilten Funknetzwerks
meist nur in geringem Maße zur Verfügung steht.
In regelmäßigen Abständen werden die
Knoten jedoch wieder aus dem Ruhemodus erwachen, um zu prüfen,
ob ein Funksignal von Interesse für sie vorliegt. Dieser
Aspekt des Energiesparens kann dadurch verstärkt werden,
dass Knoten im Falle des Empfangs eines Signals zunächst
lediglich die Präambel empfangen und diese auswerten, bevor
sie sich entscheiden, ob auch der Nutzdatenteil noch empfangen werden
soll. Im Fall, dass die empfangene Nachricht für den Knoten
nicht relevant ist, kann der Empfang nach der Präambel und
deren Auswertung beendet werden. Ein Alarmsignal ist mit besonderem
Vorteil stets als relevantes Signal zu behandeln.
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Bei
dem Empfangsknoten kann es sich insbesondere um eine spezielle Empfangsstation
handeln, an welche sämtliche Informationen des Netzwerks
geleitet werden. Es kann dieser Empfangsknoten beispielsweise eine
Zentralstelle sein oder auch ein Sammelknoten, an dem die Informationen
beispielsweise über ein drahtgebundenes Netzwerk weiterverarbeitet
und weitergeleitet werden. In diesem Fall ist es besonders sinnvoll,
wenn die entsprechende Empfangsstation stets im Empfangsmodus ist,
nachdem bei einem drahtgebundenen Netzwerk im Allgemeinen keine
besonderen Probleme der Energieversorgung bestehen.
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Diese
Empfangsstation wird mit Vorteil die eingehenden Signale der Knoten
im Empfangsfall quittieren, wobei die Knoten umgekehrt ihrerseits
ihre Signale beziehungsweise Alarmsignale so lange wiederholen,
bis eine Quittierung seitens der Empfangsstation erfolgt ist.
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Die
vorstehend beschriebene Erfindung wird im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 Ein
Funknetzwerk mit einer Mehrzahl von Knoten in einer schematischen
Darstellung,
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2 das
Netzwerk gemäß 1 in einem Alarmfall,
nachdem ein Sendeknoten ein Alarmsignal abgesetzt hat in einer schematischen
Darstellung,
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3 das
Netzwerk aus 1 nach dem Empfang des Alarmsignals
durch die Knoten in Reichweite, nachdem die Knoten in Reichweite
das Alarmsignal wiederholt haben in einer schematischen Darstellung,
sowie
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4 ein
Alarmsignal, bestehend aus einer Präambel und einem Nutzdatenteil
in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt
ein Funknetzwerk, welches aus einer Mehrzahl von Knoten aufgebaut
ist. Innerhalb des Funknetzwerks existiert ein Empfangsknoten 1, welcher
als eine zentrale Empfangsstation zum Empfangen von Signalen der
einzelnen Knoten vorgesehen ist. Ebenfalls befindet sich unter den
Knoten ein Sendeknoten 2, welcher im vorliegend vorgetragenen
Beispiel ein Alarmsignal 4, 4' aussenden wird. Zwischen
zwei Knoten des Netzwerks, welche in direktem Kommunikati onskontakt
stehen, sind gestrichelte Verbindungslinien gezogen, welche die Übertragungspfade
der Signale darstellen. Zwischen Knoten, welche nicht durch gestrichelte
Linien miteinander verbunden sind, ist eine direkte Kommunikation nicht
möglich. Insofern existieren bezüglich des Sendeknoten 2 insgesamt
zwei Knoten in Reichweite 3, 3', welche ihrerseits
eine direkte Verbindung mit dem Empfangsknoten 1 aufbauen
können. Eine Übertragung eines Signals von dem
Sendeknoten 2 zu dem Empfangsknoten 1 muss somit
notwendig über die Knoten in Reichweite 3, 3' erfolgen.
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2 zeigt
das Funknetzwerk gemäß 1 nach dem
Eintritt eines Alarmfalls bei dem Sendeknoten 2. Unabhängig
davon, ob der Sendeknoten 2 sich in dem Zeitfenster befindet,
kann er im Alarmfall ein Alarmsignal 4,4' absetzen,
welches jedoch, der dem Sendeknoten 2 unbekannten Netzwerktopologie folgend,
den Empfangsknoten 1 nicht unmittelbar erreichen kann.
Das Signal wird von den ruhenden Knoten in Reichweite 3, 3' empfangen.
Die Knoten in Reichweite 3, 3' befinden sich im
Normalfall in einem Ruhezustand, wodurch sie, ihnen nur in geringem Umfang
zur Verfügung stehende, Energie einsparen. Lediglich in
vorgebbaren Abständen wechseln die Knoten in einen aktiven
Modus, in dem sie in der Lage sind, Signale zu empfangen. Im vorliegenden Falle
empfangen die Knoten in Reichweite 3, 3' ein Alarmsignal 4, 4'.
Anhand des Alarmsignals 4, 4' werden die Knoten
in Reichweite 3, 3' sich synchronisieren und nach
dem Empfang des vollständigen Alarmsignals 4, 4' dieses
vollständig und exakt identisch wiederholen. Dadurch, dass
es sich hierbei um mehrere Knoten in Reichweite 3, 3' handelt,
erfolgt eine Verstärkung des von beiden Knoten in Reichweite 3, 3' kollisionsfrei
gesendeten identischen Signals zu einem einzigen, verstärkten
Signal, welches den Empfangsknoten 1 somit aufgrund seiner
größeren Signalenergie sicher erreichen wird.
Die Topologie des Funknetzwerks spielt dabei keine Rolle, da eine
Verstärkung in jedem Fall zu einer vergrößerten
Reichweite des Signals führt.
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3 zeigt
das Funknetzwerk gemäß 1, nachdem
die beiden Knoten in Reichweite 5,5' alarmiert
wurden. Die alarmierten Knoten in Reichweite 5,5' senden
ihrerseits ein synchronisiertes Alarmsignal 6, 6',
wie zuvor beschrieben, an den Empfangsknoten 1 weiter.
Der Empfangsknoten 1 kann nachfolgend das empfangene synchronisierte
Alarmsignal 6, 6' bestätigen und wird
eine Quittierung an die alarmierten Knoten in Reichweite 5, 5' senden,
welche diese Quittierung dem ursprünglichen Sendeknoten 2 zuleiten.
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4 zeigt
ein Alarmsignal 4, welches aus einer Präambel 7 sowie
einem Nutzdatenteil 8 besteht. Die Präambel 7 dient
zunächst dazu, das Alarmsignal 4 als solches gegenüber
eventuell ansonsten im Funknetzwerk versendeten Signalen kenntlich
zu machen, so dass dieses Signal empfangende Knoten dessen Relevanz
sofort erfassen und in den Alarmzustand wechseln. Im Nutzdatenteil 8 sind
diejenigen Daten enthalten, die der Empfangsknoten 1 benötigt,
um das Alarmsignal 4 auszuwerten. Gleichzeitig mit der
Auswertung des Alarmsignals 4 werden die Knoten das Alarmsignal 4 bzw.
die Präambel 7 dazu benutzen, eine Synchronisation durchzuführen.
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Vorstehend
ist somit ein Verfahren zum kooperativen Senden von Daten innerhalb
von Funknetzen beschrieben, welches ohne die Vorgabe einer Funkverbindung
und ohne Kenntnis der jeweiligen Topologie des Netzes eine zuverlässige Übertragung von
Signalen, insbesondere im Alarmfall, ermöglicht und gleichzeitig
eine Verwendung weitgehend autonomer Knoten in Energie sparender
Weise gewährleistet.
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- 1
- Empfangsknoten
- 2
- Sendeknoten
- 3,
3'
- Knoten
in Reichweite
- 4,
4'
- Alarmsignal
- 5,
5'
- Alarmierte
Knoten in Reichweite
- 6,
6'
- Synchronisiertes
Alarmsignal
- 7
- Präambel
- 8
- Nutzdatenteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0113084
A1 [0002, 0007, 0010]