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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenübertragung über
eine Kommunikationsverbindung mit einer Datenquelle, einer Datensenke
und mindestens einem, als Relaisstation wirkenden Netzwerkknoten,
bei welchem Daten von der Datenquelle zu dem mindestens einen Netzwerkknoten
und von dort zur Datensenke übertragen werden. Solche Netzwerkknoten
werden insbesondere verwendet, um die Reichweite und/oder die Signalqualität
eines drahtlosen Kommunikationsnetzes zu verbessern.
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Aus
der
WO 2005/083920
A1 ist bekannt, ein Kommunikationsnetz mit mindestens einer
Datenquelle, einer Datensenke und dazwischen liegenden, als Relaisstation
wirkenden Knoten-Einrichtungen aufzubauen. Gemäß dem
Stand der Technik werden die Nutzdaten mit zugehörigen
Signalisierungsdaten übertragen. Dabei werden die Nutzdaten
innerhalb der von der Datenquelle, der Datensenke und den Netzwerkknoten
gebildeten Kette jeweils über eine Luftschnittstelle übertragen.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass die Luftschnittstelle
jeweils dafür eingerichtet sein muss, den gesamten Datenstrom
aller Datenquellen aufzunehmen, welche das Kommunikationsnetz gleichzeitig
benutzen. Dies führt zu einer hohen Anforderung an die
Bandbreite der Luftschnittstelle, insbesondere zwischen dem letzten
Netzwerkknoten und der Datensenke, welche gegebenenfalls die Nutzdaten
von mehreren Nutzern gleichzeitig aufnehmen muss. Umgekehrt wird
beim Downlink zu mehreren Datensenken die Luftschnittstelle zwischen
dem ersten Netzwerkknoten und der Datenquelle mit einer hohen Datenrate
belastet. Daher müssen bei einem Ausbau des Mobilfunknetzes auf
eine höhere Nutzerzahl und/oder eine höhere Bandbreite
alle Netzwerkknoten, welche zwischen Datenquelle und Datensenke
angeordnet sind, ausgetauscht werden, ehe diese höhere
Bandbreite zuverlässig zur Verfügung steht.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenübertragung
anzugeben, bei welchem der flächendeckende Ausbau des Kommunikationsnetzes
mit geringem Aufwand und unter Benutzung bestehender Netzwerkknoten erfolgen
kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Datenübertragung über eine Kommunikationsverbindung
mit einer Datenquelle, einer Datensenke und mindestens einem, als
Relaisstation wirkendem Netzwerkknoten, bei welchem Daten von der
Datenquelle zu dem mindestens einen Netzwerkknoten und von dort
zur Datensenke übertragen werden, wobei die Daten zumindest
auf einer Teilstrecke der Kommunikationsverbindung auf mindestens
zwei parallel verlaufenden Verbindungspfaden übertragen
werden.
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Weiterhin
besteht die Lösung der Aufgabe in einem Netzwerkknoten,
welcher zur Übertragung von Daten von einer Datenquelle über
mindestens einen, als Relaisstation wirkenden Netzwerkknoten, an
eine Datensenke vorgesehen ist, wobei der Netzwerkknoten dafür
eingerichtet ist, Daten zumindest auf einer Teilstrecke der Kommunikationsverbindung
auf mindestens zwei parallel verlaufenden Verbindungspfaden zu übertragen.
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Die
erfindungsgemäß verwendete Datenquelle oder die
Datensenke kann beispielsweise aus einem Mobiltelefon, einem Funkmodem
oder einer Basisstation bestehen. In Abhängigkeit der Übertragungsrichtung,
entweder von der Basisstation zum Benutzer oder vom Benutzer zur
Basisstation, wechseln die genannten Geräte ihre jeweilige
Funktion als Datenquelle oder Datensenke. Zur Erhöhung
der Reichweite und zur Verbesserung der Signalqualität ist
vorgesehen, dass zwischen der Basisstation und dem Endgerät
eines Benutzers mindestens ein Netzwerkknoten als Relaisstation
vorhanden ist. Der Netzwerkknoten empfängt die Daten von
der Datenquelle und leitet sie in Richtung der Datensenke weiter.
Zur weiteren Erhöhung der Reichweite kann vorgesehen sein,
dass ein erster Netzwerkknoten die Daten an einen zweiten Netzwerkknoten
sendet, der zweite Netzwerkknoten die Daten empfängt und schließlich
an die Datensenke weiterleitet. Fallweise können auch mehr
als zwei Netzwerkknoten vorgesehen werden.
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Von
der Basisstation werden die Daten schließlich über
eine leitungsgebundene Schnittstelle, beispielsweise eine Drahtleitung
oder eine optische Leitung, in ein Festnetz eingespeist und von dort
an einen Datenserver oder einen Telefonbenutzer gesendet. Sofern
die Basisstation als Datenquelle arbeitet, werden die Daten leitungsgebunden
aus einem Festnetz an die Basisstation geliefert.
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Erfindungsgemäß wurde
nun erkannt, dass bereits vorhandene Standorte von Netzwerkknoten und
Basisstationen, welche bisher für die Mobilkommunikation
mit vergleichsweise geringer Bandbreite verwendet wurden, bei Erhöhung
der Bandbreite weiter verwendet werden können, wenn bei
der Anforderung größerer Bandbreite der entstehende
Datenstrom auf eine Mehrzahl von Kommunikationsverbindungen aufgeteilt
wird. Unter einem Kommunikationsnetz niedriger Bandbreite wird beispielsweise
ein GSM- oder UMTS-Netz verstanden. Ein Kommunikationsnetz höherer
Bandbreite ist beispielsweise ein LTE-Netz.
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Insbesondere
beim Aufbau eines solchen LTE-Netzes wird die Anzahl der Nutzer
in der Startphase relativ gering sein. Entsprechend niedrig ist das
von den Benutzern verursachte Datenaufkommen. Da jedoch ein entsprechendes
Endgerät einen größeren Datenstrom übertragen
kann, als dies die bisher verwendeten Endgeräte ermöglichen,
kann ein Netzwerkknoten bereits durch einen einzelnen Benutzer überfordert
werden. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen,
am Standort einer Basisstation mit einer Leitungsverbindung geringer
Bandbreite aus einem ehemaligen GSM- oder UMTS-Netz einen Netzwerkknoten
für ein LTE-Netz weiter zu betreiben. Dieser kann die vom
Benutzer drahtlos empfangenen Daten in mindestens zwei Daten ströme
aufteilen und diese über zwei verschiedene Verbindungen
an eine neuartige Basisstation des LTE-Netzes weiterleiten. Hierzu
steht dem Netzwerkknoten die Leitungsverbindung niederer Bandbreite
der ehemaligen Basisstation zur Verfügung, sowie eine Mehrzahl
von drahtlosen Verbindungen. Gerade in der Aufbauphase des neuartigen
Kommunikationsnetzes ist davon auszugehen, dass die leistungsfähigen,
auf eine Vielzahl von Benutzern ausgelegten Funkschnittstellen der
Netzwerkknoten durch die wenigen vorhandenen Benutzer nicht vollständig
ausgelastet sind. So ergeben sich freie Ressourcen, welche zur Datenübertragung
vom Netzwerkknoten zu einem weiteren Netzwerkknoten oder unmittelbar
an eine Basisstation als Datenquelle oder Datensenke genutzt werden
können.
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Der
Netzwerkknoten weist hierzu eine Einrichtung auf, um einen ankommenden
Datenstrom in Datenpakete aufzuteilen. Entsprechend einem Entscheidungskriterium
wird jedes Datenpaket zur Übertragung über eine
jeweils zur Verfügung stehende Verbindung vorgesehen. Die
Entscheidung basiert dabei auf der Anzahl, der Bandbreite und der Übertragungsqualität
der zur Verfügung stehenden Verbindungspfade, sowie dem
Datentyp, der Datenmenge und/oder einem Prioritätskriterium.
Beispielsweise können geringe Datenmengen, welche mit geringer Verzögerung übertragen
werden sollen, auf einem schmalbandigen, jedoch ungenutzten Verbindungspfad
gesendet werden. Große Datenmengen, welche eine geringere
Priorität aufweisen, können auf einen oder mehrere
Verbindungspfade aufgeteilt werden, welche eine größere
Bandbreite aufweisen, jedoch durch häufigere Kollisionen
von Datenpaketen eine größere Latenz besitzen.
Die ausgewählten Verbindungspfade können Luftschnittstellen
oder leitungsgebundene Verbindungspfade umfassen. Die Daten können
auf zwei oder mehr Verbindungspfade aufgeteilt werden. Je nach verfügbaren
Ressourcen im Netzwerk können Daten, welche von einem Netzwerkknoten
empfangen wurden, von diesem wieder zusammengesetzt und/oder für
die Weitervermittlung neu aufgeteilt werden. Fallweise ist es jedoch
auch möglich, die Daten über verschiedene Verbindungspfade
zu senden, welche eine unterschiedliche Anzahl von Netzwerkknoten
aufweisen. Fallweise kann ein Datenpaket dann in einem Netzwerkknoten
nochmals aufgeteilt werden.
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Um
die Zuordnung der Datenpakete in der Datensenke zu ermöglichen,
weist jedes Datenpaket Adressdaten auf, welche eine eindeutige Zuordnung zu
einer von mehreren möglichen Datensenken ermöglicht
und anhand derer die Datensenke die Datenpakete in eine Reihenfolge
bringen kann, um die Rekonstruktion zu ermöglichen. Fallweise
können weitere Daten vorhanden sein, beispielsweise zur Fehlerkorrektur
oder um den Empfang des Datenpakets per Handshake zu quittieren.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung werden die Daten von der Datenquelle
parallel zu mindestens zwei Netzwerkknoten und von dort zur Datensenke übertragen.
Auf diese Weise kann der Vorteil vergrößerter
Bandbreite über den gesamten Übertragungsweg genutzt
werden. Sofern der Datenverkehr von einer Basisstation bzw. einem
Endgerät auf zwei Netzwerkknoten aufgeteilt wird, so kann
das sendende Gerät durch entsprechende Adressierung der
Teilpakete die Aufteilung auf zwei Verbindungspfade steuern. Sofern
der Datenstrom von zwei Datenquellen über mindestens zwei
Netzwerkknoten zu einer Datensenke gesandt wird, übernimmt
ein Kontrollgerät, welches beispielsweise in einer der
Datenquellen angeordnet ist, die Kontrolle über die Datenaufteilung.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist ein Netzwerkknoten mindestens
eine Antenne auf, um Datenströme zu anderen Netzwerkknoten
oder Basisstationen zu senden. Daneben ist mindestens eine weitere
Antenne vorgesehen, um Datenströme an Endgeräte
zu senden. Durch diese Aufteilung ist es möglich, Interferenzen
zu vermeiden und damit die Qualität der Datenübertragung
zu verbessern. Um mobile Endgeräte zu versorgen, wird eine
hierzu vorgesehene Antenne geneigt, um bei einer Antennenanordnung
oberhalb des Erdbodens einen Flächenbereich auf der Erdoberfläche
bestmöglich zu versorgen. Im Gegensatz dazu wird ein Datenstrom, welcher
für eine Basisstation oder einen weiteren Netzwerkknoten
bestimmt ist, bevorzugt auf einer Richtfunkstrecke übertragen.
Die hierfür bevorzugte Antenne weist in Abhängigkeit
der Anordnungen des Empfängers keine oder nur eine geringe
Neigung auf und kann in Richtung auf die empfangende Netzinfrastruktureinrichtung
ausgerichtet sein. Dadurch wird die Wechselwirkung mit dem Datenverkehr
auf der Erdoberfläche verringert.
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Um
Interferenzen im noch höheren Maße zu vermeiden,
wird bevorzugt die Funkverbindung von einem Netzwerkknoten zu einer
Datensenke oder einer Datenquelle oder einem weiteren Netzwerkknoten
in Bezug auf die Übertragungszeit, die Frequenz und/oder
die Übertragungsrichtung synchronisiert. Beispielsweise
kann zwischen zwei Netzwerkknoten für die Funkverbindung
zumindest eine Frequenz verwendet werden, welche nicht für
eine Funkverbindung von einem Netzwerkknoten zu einem Endgerät oder
einer Basisstation verwendet wird. Im Falle einer Richtfunkstrecke
wird die Sendeenergie auf einen Raumwinkel beschränkt,
in welchem typischerweise kein mobiles Endgerät bereit
steht. Weiterhin kann die Datenübertragung sowohl zwischen
einer Datenquelle und einem Netzwerkknoten als auch zwischen einem
Netzwerkknoten und einer Datensenke gepulst betrieben werden, so
dass immer nur ein Datenstrom zeitgleich vom Netzwerkknoten gesendet
wird. Der synchron dazu gepulste Empfänger empfängt
dann nur Daten, welche auch für ihn bestimmt sind und wird
von anderen Datenpaketen nicht beeinflusst.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene Netzwerkknoten
kann entweder Daten über eine Leitungsverbindung empfangen
und diese über eine drahtlose Verbindung weiterleiten.
Alternativ kann der Netzwerkknoten auch vollständig über
drahtlose Verbindungspfade in das Kommunikationsnetz eingebunden
werden. In diesem Fall empfängt der Netzwerkknoten die
zur Weiterleitung bestimmten Daten als Funksignal und leitet diese
per Funk weiter. Weiterhin kann sowohl eine Funkverbindung als auch ein leitungsgebundener
Verbindungspfad vorgesehen werden. Somit kann der Netzwerkknoten
Daten auf beide Verbindungspfade aufteilen. Sofern der Leitungsgebundene
Verbindungspfad zu einer Datensenke führt, nimmt der Netzwerkknoten
auch Teilaufgaben der Basisstation war. Sofern der Netzwerkknoten
nur über eine leitungsgebundene Datenverbindung niedriger
Bandbreite verfügt, kann dieser auch nach der Inbetriebnahme
noch mit einem leitungsgebundenen Verbindungspfad hoher Bandbreite
ergänzt werden. Dadurch kann ein Netzwerkknoten auch zu
einem späteren Zeitpunkt zu einer vollständigen
Basisstation ausgebaut werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
näher erläutert werden.
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1 zeigt
die Verwendung einer bereits vorhandenen Basisstation eines Mobilfunknetzes
mit niedriger Bandbreite in einem neu aufzubauenden Mobilfunknetz
größerer Bandbreite.
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2 zeigt
die Übertragung eines Datenstroms an ein Mobilgerät über
zwei parallele Netzwerkknoten.
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1 zeigt
eine Basisstation 5 eines Mobilfunknetzes hoher Bandbreite,
beispielsweise eines LTE-Netzes. Die Basisstation 5 ist über
eine Netzwerkverbindung 4 mit einer Bandbreite von 1 GBit/s an
das Internet 7 angeschlossen. Am Internet 7 ist weiterhin
ein Gateway 1 angeschlossen, welches Daten für
ein mobiles Endgerät 9 bereitstellt. Bei den zu
sendenden oder zu empfangenden Daten kann es sich beispielsweise
um ein Telefongespräch, eine Textmitteilung oder um Multimedia-Inhalte
handeln.
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Zur
Erhöhung der Reichweite der Basisstation 5 ist
eine Relaisstation 3 vorgesehen. Die Relaisstation 3 befindet
sich an einem Standort, welcher bereits früher für
eine Basisstation eines Mobilfunknetzes mit kleinerer Bandbreite
verwendet wurde, beispielsweise ein GSM-Netz. Die Relaisstation 3 ist über
eine DSL-Verbindung 2 mit dem Internet 7 verbunden.
Die DSL-Verbindung 2 weist eine Bandbreite von 4 MBit/s
auf. Weiterhin kann die Relaisstation 3 eine Funkverbindung 6 mit
der Basisstation 5 aufbauen.
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Die
Relaisstation 3 weist zwei Antennen auf, welche kurzfristig
eine Spitzen-Datenrate von 50 MBit/s bereitstellen können.
Die Relaisstation soll in einer ersten Ausbaustufe eine mittlere
Datenrate von 8 MBit/s für wenige Endgeräte 9,
d. h. wenige Nutzer, bereitstellen. Selbst diese geringe Datenrate übersteigt
die Kapazität der DSL-Verbindung 2. Eine Anbindung
der Endgeräte 9 über die Funkverbindung 10 an
die Relaisstation 3 und weiter über die DSL-Verbindung 2 zu
Internet 7 ist somit nicht möglich.
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Alternativ
könnten die Daten vom Endgerät 9 über
Funkverbindung 10 zur Relaisstation 3 und weiter über
Funkverbindung 6 zur Basisstation 5 gesandt werden.
Die dort installierte Netzwerkverbindung 4 könnte
die geforderte Bandbreite bereitstellen. Die Funkverbindung 6 würde
jedoch auch im günstigsten Fall bereits die Hälfte
der Bandbreite beanspruchen, welche in der Relaisstation 3 zur
Verfügung steht.
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Die
Lösung dieses Problems besteht darin, die vorhandene DSL-Verbindung 2 für
einen Teil des Datenverkehrs 10 zu nutzen. Hierzu empfängt
die Relaisstation 3 die Daten des Endgeräts 9,
welche über Antenne 11 gesendet werden in Form
eines funkcodierten Datenstroms 10. Der Netzwerkknoten 3 teilt
die empfangenen Pakete auf und übermittelt diese teilweise über
die DSL-Verbindung 2 ins Internet 7. Ein anderer
Teil der Datenpakete wird über Funkverbindung 6 zur
Basisstation 5 geleitet. Die Basisstation 5 leitet
die Datenpakete über Netzwerkverbindung 4 ebenfalls
ins Internet 7. Von dort gelangen beide Datenpakete zum
Gateway 1 und von dort zum Ziel. In Gateway 1 oder
erst im Ziel werden die Datenpakete aus beiden Verbindungspfaden
wieder zum Datenstrom 10 zusammen gesetzt.
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Die
umgekehrte Datenübertragung von einer Datenquelle zum Endgerät 9 als
Datensenke funktioniert sinngemäß genauso. Die
Daten gelangen zum Gateway 1, werden dort aufgeteilt und
teilweise über Netzwerkverbindung 4, Basisstation 5 und
Funkverbindung 6 zur Relaisstation 3 geleitet.
Ein anderer Teil der Daten gelangt über die DSL-Verbindung 2 zur Relaisstation 3.
Dort werden die Daten über Funkverbindung 10 und
Antenne 11 zum Endgerät 9 gesandt.
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Durch
die Weiterverwendung der vorhandenen DSL-Verbindung kann eine Abdeckung
mit dem neuen, breitbandigen Kommunikationsnetz bereitgestellt werden,
ohne die Verbindungsleitung 2 zum Netzwerkknoten 3 auszutauschen.
Gleichzeitig kann die vom Netzwerkknoten 3 für
die Kommunikation zur Basisstation 5 genutzte Bandbreite
der Funkverbindung 6 etwa um einen Faktor 2 gesenkt
werden. Darüber hinaus wird die mittlere Verzögerung
der Datenübertragung verkleinert, da über DSL-Verbindung 2 eine
direkte Verbindung zu Internet 7 zur Verfügung steht,
welche sich durch eine geringere Verzögerung auszeichnet,
als die Verbindung über Funkverbindung 6, Basisstation 5 und
Netzwerkverbindung 4.
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2 zeigt
zwei Endgeräte 9a, 9b, welche jeweils
eine Empfangsantenne 11a, 11b aufweisen. Weiterhin
zeigt 2 eine Basisstation 5. Basisstation 5 weist
Antennen 15 auf, welche wahlweise zur Kommunikation mit
einem Endgerät 9 oder eines Netzwerkknotens 3 verwendet
werden können. Darüber hinaus weist die Basisstation 5 Richtfunkantennen 14 auf,
welche jeweils auf Richtfunkantennen 13 eines Netzwerkknotens 3 ausgerichtet
sind. Die Netzwerkknoten 3a, 3b weisen wiederum
Sendeantennen 12 auf, welche zusammen mit Antennen 11 der
Endgeräte 9 einen drahtlosen Verbindungspfad 10 bereitstellen.
Zwei Datenströme, welche jeweils für Endgerät 9a, 9b bestimmt
sind, werden der Basisstation 5 zugeführt. Die
Netzwerkverbindung, mit welcher diese Datenströme zur Basisstation 5 geleitet
werden, ist in 2 nicht dargestellt. Ein einzelner Datenstrom,
welcher für ein Endgerät 9 bestimmt ist, er fordert
bereits eine Bandbreite, welche von der Funkverbindung 10 zwischen
Netzwerkknoten 3 und Endgerät 9 nicht übertragen
werden kann. Daher wird jeder Datenstrom in der Basisstation 5 in
zwei unterschiedliche Datenströme aufgeteilt. Jeder Teildatenstrom
wird mittels einer Richtfunkantenne 14 zu je einem Netzwerkknoten 3a und 3b übertragen.
Die Netzwerkknoten 3 dienen dabei als Relaisstation zur Vergrößerung
der Reichweite der Basisstation 5. Weiterhin bewirken die
Relaisstationen 3 eine Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses.
Die Relaisstationen 3a und 3b übertragen
nun jeweils einen Teildatenstrom zum Endgerät 9a.
Nach Abschluss dieser Übertragung wird der zweite Datenstrom
in gleicher Weise zum Endgerät 9b übertragen.
Anhand von Header-Daten, welche den übertragenen Nutzdaten
vorangestellt sind, können die Endgeräte 9 als Datensenke
die Datenpakete wieder zu einem vollständigen Datenstrom
zusammen setzen und dem Nutzer verfügbar machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/083920
A1 [0002]