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In
einem drahtlosen Sensornetzwerk senden üblicherweise als Sensorknoten
bezeichnete Knoten Nachrichten in Form von Meldungen über einen
mittels Sensoren erfassten Umgebungszustand, beispielsweise eine
Temperatur. Auch ein so genanntes Car-to-Car-Netzwerk, bzw. Car-2-Car
(C2C) Netzwerk, bei dem Fahrzeuge drahtlos untereinander Informationen
austauschen, wie beispielsweise über Fahrzustände, relative
Positionen zueinander etc., kann als ein derartiges, drahtloses
Sensornetzwerk aufgefasst werden. Die einzelnen Sensorknoten möchten dabei
auf Grundlage der durch die eigenen Sensoren erfassten Daten sowie
auf Grundlage der empfangenen Meldungen bzw. Nachrichten eine genaue,
aktuelle Information über
die aktuelle Lage ermitteln.
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Bekannt
ist, Statusmeldungen in einem drahtlosen Sensornetzwerk als so genanten
Broadcast zu senden. Das Senden erfolgt dabei entweder periodisch
in festen Zeitabständen,
zum Beispiel alle 100 ms bei einer C2C-Kommunikation für die Kollisionserkennung
von Fahrzeugen, oder bei bestimmten Ereignissen, zum Beispiel bei Über oder
Unterschreiten eines Schwellenwerts.
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Bekannt
ist weiterhin, dass innerhalb eines Sensornetzwerks bereits eine
Datenbearbeitung stattfindet wie zum Beispiel das Ermitteln eines Durchschnittswerts,
und dass nur das Ergebnis an einen zentralen Knoten übermittelt
wird.
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Bei
Funkübertragungsverfahren
sind vielfältige
Kanalzugriffsverfahren bekannt, die eine gemeinsame Nutzung eines
Funkübertragungskanals
durch mehrere Stationen regeln. Bei vielen Kanalzugriffsverfahren
auf ein gemeinsam genutztes Funkmedium, wie etwa Wireless Local
Area Network (WLAN), spielt die so genannte Back-Off-Zeit eine wesentliche Rolle
zur Vermeidung von Kollisionen das heißt dem gleichzeitigen Senden
von zwei Stationen. Die Back-Off-Zeit BO ist die Zeitdauer, die
ein Knoten wartet und hört,
ob der Funkkanal belegt ist, bevor er selbst zu senden beginnt.
Dieser wird beim Senden einer Nachricht pseudozufällig auf
einem Wertebereich [BO-min...BO-max]
bestimmt. Der Wert für BO-max
wird dabei oft dynamisch festgelegt anhand ermittelter Kollisionen.
Die Back-Off-Zeit spielt beispielsweise bei der Distributed Coordination
Function (DCF), der grundlegenden Zugriffsmethode nach IEEE 802.11n,
und dem bei WLAN angewandten Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance (CSMA/CA) Verfahren zur Kollisionsvermeidung
eine wesentliche Rolle.
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Als
eine Aufgabe der Erfindung kann es angesehen werden, ein Verfahren
zum Betrieb eines drahtlosen Sensornetzwerks zu schaffen, mit dem Nachrichten
bzw. Meldungen, wie etwa Statusnachrichten in dem Sensornetzwerk
effizient übertragen werden
können.
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Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betrieb eines Sensorknoten umfassenden drahtlosen Sensornetzwerks,
bei dem Sensorknoten in Nachrichten enthaltene, selbst gewonnene
und/oder von anderen Sensorknoten erhaltene Informationen zur Gewinnung
eines Bildes über
eine aktuelle Lage durch drahtloses Senden und Empfangen von Nachrichten
austauschen, sieht demnach vor, dass ein Sensorknoten zunächst eine
relative Wichtigkeit einer selbst gewonnenen und/oder von einem
anderen Sensorknoten erhaltenen neuen Information in Abhängigkeit
von den in zurückliegenden
gesendeten und/oder empfangenen Nachrichten enthaltenen alten Informationen
bestimmt, um ein Maß dafür zu erhalten,
wie wichtig die neue Information für andere Sensorknoten relativ
zu einem Gesamtinformationsstand eingeschätzt wird, wobei ob und falls
ja wie eine die neue Information enthaltende Nachricht gesendet
wird, sich nach dieser Wichtigkeit richtet, so dass eine effiziente Übertragung von
Nachrichten in dem Sensornetzwerk geschaffen wird, da die Sensorknoten
so nicht unnötig
belastet werden, und ein verwendetes drahtloses Übertragungsmedium, beispielsweise
mindestens ein Funkkanal, effizient genutzt werden kann.
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Bei
der betrachteten Anwendung, nämlich der
Gewinnung eines Bildes über
eine aktuelle Lage, ist eine wesentliche Erkenntnis, dass die Zielsetzung ist,
eine aktuelle, korrekte Information über die aktuelle Lage bzw.
das Lagebild zu ermitteln. Dabei werden viele, insbesondere sich
räumlich
nahe Sensorknoten inhaltlich ähnliche
Messwerte ermitteln. Ganz im Gegensatz zu normaler Kommunikationstechnik ist
nicht wesentlich, ob alle oder möglichst
viele Nachrichten erfolgreich übertragen
werden. Es genügt
bereits, wenn wenige Nachrichten übertragen werden, die ein korrektes
Lagebild darstellen bzw. eine Ableitung eines korrekten Bildes der
aktuellen Lage erlauben.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Sensorknoten
zunächst
intern eine oder mehrere im Folgenden auch als Candidate Message
(CM) bezeichnete, Informationen enthaltende Nachrichten vorliegen
hat, die er senden könnte,
wobei die relative Wichtigkeit für
jede dieser CM-Nachrichten
ermittelt wird, abhängig
von den eigenen bereits gesendeten Nachrichten und den empfangenen
Nachrichten. Ein Senden der Nachrichten erfolgt vorzugsweise entsprechend
der relativen Wichtigkeit der in den CM-Nachrichten enthaltenen Informationen.
Bei einer CM-Nachricht kann es sich um eine durch den Sensorknoten
selbst generierte Nachricht oder um eine ursprünglich beispielsweise im Rahmen
einer so genannten Multi-Hop Kommunikation von einem anderen Sensorknoten
generierte weitergeleitete Nachricht handeln.
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Vorzugsweise
wird die relative Wichtigkeit abhängig vom Inhalt bereits gesendeter
Nachrichten bestimmt, und/oder davon, wie lange diese bereits zurückliegen,
und/oder von einer semantischen Übereinstimmung
mit dem Inhalt empfangener Nachrichten, und/oder von einer beispielsweise
durch Signalstärke und/oder
Bitfehlerrate vor einer Fehlerschutzdecodierung (Error Correction
Code; ECC) bestimmbaren Empfangsgüte empfangener Nachrichten.
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Bei
den empfangenen Nachrichten kann es sich um Broadcast-Nachrichten und/oder
um Multicast-Nachrichten und/oder um Unicast-Nachrichten handeln,
die an den Sendeknoten und/oder an einen anderen Sendeknoten adressiert
sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass falls ein
kleiner Wert für
die relative Wichtigkeit einer neuen Information oder einer die
neue Information enthaltenden CM-Nachricht vorliegt,
- – die
Information oder eine die Information enthaltende CM-Nachricht verworfen
wird, oder
- – die
Information oder eine die Information enthaltende CM-Nachricht beispielsweise
durch Warten zurückgestellt
wird, oder
- – ein
hoher Wert bzw. Wertebereich für
die Back-Off-Time für
den Kanalzugriff ausgewählt wird,
oder
- – eine
relative Priorität
mehrerer neuer Informationen oder mehrerer neue Informationen enthaltenden
CM-Nachrichten bestimmt
wird, wobei die wichtigste zuerst gesendet wird, und wobei die Informationen
oder CM-Nachrichten
in einer Sendewarteschlange entsprechend ihrer relativen Wichtigkeit
einsortiert werden.
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Beim
Zurückstellen
einer CM-Nachricht durch Warten wird, falls in einer gewissen zeitlichen Periode
keine „Superior-Nachricht" empfangen wurde,
das heißt
durch einen anderen Knoten eine Nachricht mit großer inhaltlicher Ähnlichkeit
gesendet wurde, die eigene Statusmeldung bzw. Information durch Senden
der zurückgestellten
CM-Nachricht gesendet. Es kann darüber hinaus noch eine weitere
Information ausgewertet werden. Insbesondere kann der Schwellwert
für die
relative Wichtigkeit, unter dem eine CM-Nachricht verworfen wird,
angepasst werden abhängig
von aktuellen Context-Parametern, wie etwa einem Batteriestatus
des Sensorknotens und/oder einer Funkkanalbelegung.
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Vorzugsweise
wird zur Bestimmung der relativen Wichtigkeit eine
- – inhaltliche Ähnlichkeit,
und/oder
- – zeitliche
Nähe, und/oder
- – räumliche
Nähe, und/oder
- – eine
Empfangsgüte
berücksichtigt.
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Bei
mehreren in einer Information enthaltenen Werten, wie beispielsweise
Ort, Zeit, Temperatur, umfassenden Nachrichten, werden vorzugsweise
zuerst als Teilergebnis relative Wichtigkeiten für die jeweiligen Werte berechnet,
wobei dann die größte relative
Wichtigkeit eines einzelnen Werts als relative Wichtigkeit für die gesamte
Nachricht weiterverwendet wird.
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Vorteile
der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik ergeben sich insbesondere dadurch, dass eine
effizientere Nutzung des drahtlosen Übertragungsmediums bzw. Funkmediums
erreicht wird, da zumindest weniger Nachrichten mit redundanter Information
gesendet werden. Darüber
hinaus ist speziell bei batteriegespeisten Sensorknoten vorteilhaft,
dass der Stromverbrauch reduziert wird, da zumindest weniger Nachrichten
mit redundanten Informationen gesendet werden. Es wird trotzdem
eine „semantische
Integrität" bezüglich des
ermittelten Umgebungszustands erreicht, das heißt die Werte sind aktuell und
genau.
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Es
kann dadurch evtl. auch eine bessere, genauere Information über die
Umgebung bzw. aktuelle Lage erreicht werden, da die begrenzte Übertragungskapazität nicht
bzw. verringert mit redundanter Information belastet wird. So kann
die Übertragungskapazität für Informationen
genutzt werden, die einen Mehrwert an Informationsgehalt bieten.
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In
einem drahtlosen Sensornetzwerk kann es vorkommen, dass unterschiedliche
Knoten uneinheitliche Messdaten ermitteln und senden. Ein Sensorknoten
eines erfindungsgemäßen Sensornetzwerks
bzw. eines ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführenden
Sensornetzwerks wird aus seiner Sicht abweichende Werte mit hoher
Wichtigkeit einstufen und dadurch schnell bzw. häufig senden. Empfangsknoten
erhalten so abweichende Information mehrerer Knoten und können entsprechend
darauf reagieren, beispielsweise durch eine erhöhte Unsicherheit bezüglich des
ermittelten Umgebungszustands, so dass ein Knoten nicht einfach
blind auf einen empfangenen Messwert vertrauen muss.
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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 ein
Systembild eines drahtlosen Sensornetzwerks in Form eines Car-2-Car
Netzwerks.
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2 eine
schematische Darstellung einer in dem Car-2-Car Netzwerk aus 1 ausgetauschten
Nachricht.
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3 ein
Systembild eines drahtlosen Sensornetzwerks in der Automatisierung.
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4 eine
schematische Darstellung einer in dem drahtlosen Sensornetzwerk
aus 3 ausgetauschten Nachricht.
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5 ein
Systembild eines drahtlosen Sensornetzwerks, bei dem zumindest ein
Sensorknoten als Broadcast sendet.
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6 eine
schematische Darstellung einer in dem drahtlosen Sensornetzwerks
aus 5 ausgetauschten Nachricht.
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7 eine
schematische Darstellung eines drahtlos sendenden Sensorknotens.
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In
einem in 1 dargestellten, zur Car-2-Car-Kommunikation
ausgeführten,
auch als Car-2-Car-Netzwerk 10 bezeichneten drahtlosen Sensornetzwerk 10 tauschen
Sensorknoten 11, hier Fahrzeuge 11, Nachrichten 12 aus.
Die Nachrichten 12 werden auch als C2X-Safety-Nachrichten 12 bezeichnet,
da sie dazu dienen, sicherheitsrelevante Informationen eines Fahrzeugs 11 (Car;
C) an (to; 2) beliebige Empfänger
(X) in der Umgebung zu übertragen.
Zusätzlich
könnten
auch von fest installierten Knoten, so genanten Road Side Units
(nicht dargestellt), Nachrichten 12 bzw. C2X-Safety-Nachrichten 12 gesendet
werden.
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Die
Nachrichten 12 bzw. C2X-Safety-Nachrichten 12 sind
vorzugsweise wie in 2 dargestellt aufgebaut. Eine
Nachricht 12 enthalt demnach vorzugsweise eine Identität 13 des
Sensorknotens 11, beispielsweise ein dem Sensorknoten 11 aktuell
zugeordnetes Pseudonym, den Sendezeitpunkt 14, Daten 15, 16, 17, 18 über den
Sender 11 bzw. Sensorknoten 11, wie beispielsweise
Ort 15, Geschwindigkeit 16, Richtung 17 und
Beschleunigung 18, sowie den eigentlichen Dateninhalt 19,
zum Beispiel Information über
einen Fahrbahnzustand. Der eigentlichen Dateninhalt 19 kann
auch leer sein, wenn lediglich Status über den aktuellen Aufenthaltsort 15 und Fahrdaten 16, 17, 18 gesendet
bzw. übertragen
werden.
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Die
Nachricht 12 ist durch eine digitale Signatur 21,
typischerweise eine kryptographische Prüfsumme 21, geschützt. Ein
zur Überprüfung der
Signatur 21 erforderliches Zertifikat 21 bzw.
eine Zertifikatskette 21 wird ebenfalls mitgeschickt.
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In 3 ist
ein drahtloses Sensornetzwerk 30 in der Automatisierung
dargestellt. Die auch als Field-Device (FD) 31 bezeichneten
Sensorknoten 31 senden in 4 beispielhaft
schematisch dargestellte Nachrichten 32 in Form von Status meldungen 32 drahtlos
an einen als Gateway-Knoten (GW) 33 bezeichneten Sensorknoten 33.
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Eine
Nachricht 32 enthalt beispielsweise einen Identifier 34 des
Sensorknotens 31, eine Angabe zum Zeitpunkt, eine gemessene
Temperatur 35 und gemessene CO2-Konzentration 36.
Die Nachricht 32 ist durch eine kryptographische Prüfsumme 37 geschützt.
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Bei
einem in 5 dargestellten drahtlosen Sensornetzwerk 50 sendet
ein Sensorknoten 51 Nachrichten 52 in Form von
Statusmeldungen 52 drahtlos als Broadcast, veranschaulicht
durch gestrichelte, konzentrische Kreise. Diese Nachrichten 52 werden
von anderen Sensorknoten 53 empfangen.
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Eine
solche Statusmeldung 52 kann wie in 6 dargestellt
aussehen bzw. aufgebaut sein. Die Nachricht 52 enthält Angaben über die
Identität 54 des
Sensorknoten 53, beispielsweise die Media-Access-Control-Adresse
(MAC-Adresse) des Sensorknoten 53, Messdaten 55,
beispielsweise Temperatur, Verkehrsstatus, Straßenzustand wie etwa Glatteis
oder Unfall, die auch Angaben über
den Ort und die Zeit beinhalten können, auf die sich die Messdaten 55 beziehen,
sowie eine digitale Signatur 56, vorzugsweise wiederum
in Form einer kryptographischen Prüfsumme bzw. eines so genannten
Message Authentication Codes.
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Ein
Beispiel für
einen Aufbau eines drahtlos sendenden Sensorknotens 70 ist
in 7 dargestellt. Der Sensorknoten 70 verfügt im Wesentlichen über einen
Steuerprozessor 71 (Central Processing Unit; CPU), einen
Programmspeicher 72 (Flash) und einen Arbeitsspeicher 73 (Random
Access Memory; RAM). Weiterhin ist eine Ein-Ausgabe-Einheit 74 (Input/Output-Device; I/O) vorgesehen,
an die beispielsweise zwei Sensoren 75, 76 angeschlossen
sind, einem ersten Sensor 75 und einem zweiten Sensor 76, beispielsweise
zum Erfassen von Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Erschütterungen
und/oder Beschleunigungen, Gaskonzentrationen. Mittels eines Funkmoduls 77,
das über
eine Antenne 78 verfügt, empfängt und
sendet der Sensorknoten 70 Nachrichten bzw. Statusmeldungen,
wie beispielsweise Nachrichten 12, 32, 52.
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Bei
den betrachteten Anwendungen ist eine wesentliche Erkenntnis, dass
die Zielsetzung ist, eine aktuelle, korrekte Information über die
aktuelle Lage bzw. das Lagebild zu ermitteln. Dabei werden viele, insbesondere
sich räumlich
nahe Sensorknoten inhaltlich ähnliche
Messwerte ermitteln. Ganz im Gegensatz zu normaler Kommunikationstechnik
ist nicht wesentlich, ob alle oder möglichst viele Nachrichten erfolgreich übertragen
werden. Es genügt
bereits, wenn wenige Nachrichten übertragen werden, die ein korrektes
Lagebild darstellen bzw. eine Ableitung eines korrekten Bildes der
aktuellen Lage erlauben.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, dass ein Sensorknoten zunächst intern eine oder mehrere
CM-Nachrichten vorliegen hat, die er senden könnte. Es wird nun eine relative
Wichtigkeit für diese
CM-Nachricht ermittelt, abhängig
von den eigenen bereits gesendeten Nachrichten, und den empfangenen
Nachrichten. Die Wichtigkeit ist beispielsweise abhängig vom
Inhalt bereits gesendeter Nachrichten und davon, wie lange diese
bereits zurückliegen
und/oder von einer semantischen Übereinstimmung
mit dem Inhalt empfangener Nachrichten, von der Empfangsgüte empfangener
Nachrichten, insbesondere Signalstärke und Bitfehlerrate vor einer
Fehlerschutzdecodierung beispielsweise mittels ECC (Error Correction
Code). Bei den empfangenen Nachrichten kann es sich gleichermaßen um Broadcast-Nachrichten
bzw. Multicast-Nachrichten handeln wie um Unicast-Nachrichten, die
an den betrachteten Knoten oder einen anderen Knoten adressiert
sind.
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Bei
einer CM-Nachricht kann es sich um eine selbst generierte Nachricht
handeln oder um eine weitergeleitete Nachricht, die ursprünglich von
einem anderen Knoten generiert wurde, zum Beispiel im Rahmen einer
so genannten Multi-Hop Kommunikation.
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Die
relative Wichtigkeit einer CM-Nachricht ist ein Maß dafür, wie wichtig
die Information der CM-Nachricht für andere Knoten eingeschätzt wird. Relativ
drückt
dabei aus, dass die Wichtigkeit nicht in der Nachricht selbst liegt,
sondern relativ zum Gesamtinformationsstand betrachtet wird, das
heißt dass
die von anderen Knoten gesendete Information dabei ebenfalls berücksichtigt
wird.
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Ob
und falls ja wie eine CM-Nachricht gesendet wird, richtet sich nach
dieser Wichtigkeit.
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Falls
ein kleiner Wert für
die relative Wichtigkeit vorliegt:
- – Verwerfen
der CM-Nachricht.
- – Zurückstellen
der CM-Nachricht durch Warten. Nur falls in einer gewissen zeitlichen
Periode keine „Superior-Nachricht" empfangen wurde,
das heißt
durch einen anderen Knoten eine Nachricht mit großer inhaltlicher Ähnlichkeit
gesendet wurde, so wird die eigene Statusmeldung durch Senden der
zurückgestellten
CM-Nachricht gesendet.
- – Auswahl
eines hohen Werts bzw. Wertebereichs für die Back-Off-Time für den Kanalzugriff
bei unwichtigen Nachrichten.
- – Bestimmung
der relativen Priorität
mehrerer CM-Nachrichten,
wobei die wichtigste zuerst gesendet wird, und wobei die CM-Nachrichten
in einer Sendewarteschlange entsprechend ihrer relativen Wichtigkeit
einsortiert werden.
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Es
kann darüber
hinaus noch eine weitere Information ausgewertet werden. Insbesondere
kann der Schwellwert für
die relative Wichtigkeit, unter dem eine CM-Nachricht verworfen
wird, angepasst werden abhängig
von aktuellen Context-Parametern, wie
etwa speziell einem Batteriestatus des Sensorknotens und/oder einer
Funkkanalbelegung.
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Die
relative Wichtigkeit einer CM-Nachricht kann beispielsweise durch
Betrachtung eines einzelnen folgenden Parameters oder aller oder
einer beliebigen Kombination mehrerer der folgenden Parameter bestimmt
werden:
- – Inhaltliche Ähnlichkeit
(kleines Delta oder sogar identisch; Identität kann insbesondere dann vorliegen,
wenn bei einem Multi-Hop-Netzwerk eine Nachricht eines Knotens von
anderen Knoten weitergeleitet wird, das heißt nach Empfang erneut ausgesendet
wird).
- – Zeitliche
Nähe (wie
lange zurückliegend).
- – Räumliche
Nähe (wie
weit entfernt, bezogen auf Ortsangabe in Nachricht, nicht notwendigerweise).
- – Empfangsgüte (noch
weiter entfernte Knoten haben eine CM-Nachricht mit schwacher Empfangsgüte evtl.
gar nicht empfangen können).
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Dies
kann numerisch folgendermaßen
erfasst werden:
Für
einen Wert gibt es dabei drei Großen:
- – Wown:
eigener Wert
- – Wrec:
empfangener Wert
- – Wbez:
Bezugswert
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Die
relative Wichtigkeit RW kann wie folgt berechnet werden: RW = ABS((Wown – Wrec)/Wbez)
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Das
heißt
es wird der Absolutwert ABS, das heißt ohne Vorzeichen, der relativen
Abweichung des eigenen und des empfangenen Wertes ermittelt bezogen
auf den Bezugswert. Der Bezugswert kann ein fester Wert sein. Alternativ
kann auch Wown oder Wrec als Bezugswertverwendet werden, das heißt es wird
die relative Abweichung berechnet. Ein großer Unterschied zwischen Wown
und Wrec bedingt eine hohe relative Wichtigkeit.
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Die
relative Wichtigkeit einer CM-Nachricht kann auch als deren Informationsgehalt
aufgefasst werden, das heißt
wie viel zusätzliche
Information diese Meldung enthält
gegenüber
der Information der bereits gesendeten Nachrichten, beispielswei se
sowohl eigener Nachrichten als auch solche anderer Knoten. So können auch
entsprechende Berechnungen aus der Informationstheorie bzw. von
Kompressionsverfahren eingesetzt werden, um ein Maß für die relative
Wichtigkeit einer CM-Nachricht zu bestimmen.
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Bei
mehreren Werten bzw. Wertearten, wie beispielsweise Ort, Zeit, Temperatur,
umfassenden Nachrichten können
zuerst als Teilergebnis relative Wichtigkeiten für die jeweiligen Werte berechnet
werden, wobei dann die größte relative
Wichtigkeit eines einzelnen Werts für die gesamte Nachricht weiterverwendet
wird.