DE102009060505B4

DE102009060505B4 - Schaltung, System und Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Knoten eines Funknetzes

Info

Publication number: DE102009060505B4
Application number: DE102009060505A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Sachse Eric; Dr. Ferchland Tilo; Dr.-Ing. Kluge Wolfram
Original assignee: Atmel Automotive GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: CN101771937A; US20140293814A1; DE102009060505A1; US8406144B2; US8755300B2; US9479952B2; CN101771937B; US20130155887A1; US20100165866A1

Abstract

Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Knoten (A, B) eines Funknetzes nach dem Standard IEEE 802.15.4, – bei dem vom ersten Knoten (A) ein Modus zur Entfernungsmessung zu einem zweiten Knoten (B) initiiert wird, – bei dem vom ersten Knoten (A) in dem Modus zur Entfernungsmessung ein Befehl (RRC) zur Entfernungsmessung mit der Adresse des zweiten Knotens (B) an den zweiten Knoten (B) übertragen wird, – bei dem der zweite Knoten (B) durch den Befehl (RRC) in den Modus zur Entfernungsmessung überführt wird, – bei dem im Modus zur Entfernungsmessung durch den Befehl (RRC) ein Ablauf (8) gesteuert wird, – bei dem durch den Befehl (RRC) gesteuert vom ersten Knoten (A) in einem Sendezeitfenster (8a.1) des Ablaufs (8) ein erstes Signal gesendet wird und vom zweiten Knoten (B) in einem zugehörigen Empfangszeitfensten und ein erster Phasenwert des ersten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung, ein System und ein Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Knoten eines Funknetzes nach dem Standard IEEE 802.15.4.
In einem Funknetz ist es wünschenswert die Knoten des Funknetzes zu orten oder zumindest eine Entfernung zwischen den Knoten zu bestimmen. Hierdurch kann beispielsweise ein defekter Knoten leicht gefunden werden. Auch können langsame Bewegungen eines Knotens – beispielsweise eines Transportmittels in einer Fabrik – verfolgt werden. Hierzu ist im Standard IEEE 802.15.4a bekannt die Entfernung über Sende- und Empfangszeitstempel zu ermitteln.
Aus der US 5,220,332 ist ein Entfernungsmessungssystem mit einer Abfrageeinrichtung und einem Transponder bekannt, das nicht-simultane Messungen zwischen zwei Objekten ermöglicht. Ein Trägersignal wird mit einem (niederfrequenten) Modulationssignal mit einer veränderbaren Modulationsfrequenz moduliert um mittels einer Phasenmessung oder alternativ einer Laufzeitmessung eine Entfernung zwischen der Abfrageeinrichtung und dem Transponder aus der Änderung des Modulationssignals zu bestimmen.
Aus der WO 02/01247 A2 ist ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen zwei Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bekannt. Es werden ein Abfragesignal einer Basisstation und ein Antwortsignal eines tragbaren Codegebers zweimal bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen ausgesendet. Die Trägerfrequenzen sind dabei korreliert, d. h., dass sie voneinander abhängig sind. Die Trägerfrequenzen werden aneinander angeglichen, so dass eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen gemessen werden kann. Aus dieser Phasenverschiebung wird der Abstand des Codegebers zur Basisstation berechnet. Das Abfragesignal und das Antwortsignal können bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen oder bei gleichen Trägerfrequenzen ausgesendet werden.
Ist ein Transceiver eines Knotens für ein Sensornetzwerk nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4 ausgelegt, so kann dieser nicht gleichzeitig senden und empfangen.
Aus der US 6,731,908 B2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Distanz zwischen zwei Objekten für die Bluetooth-Technologie bekannt. Dabei wird die Frequenz durch Frequenzsprünge geändert um einen Phasenoffset für mehrere unterschiedliche Frequenzen zu messen. Ein Objekt weist einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator in einer Phasenregelschleife (PLL – engl. Phase Locked Loop) auf, wobei die Phasenregelschleife während des Empfangs geschlossen und während des Sendens geöffnet wird, so dass Empfangssignal und Sendesignal eine gleiche Frequenz aufweisen. Die Phase des lokalen Oszillatorsignals des spannungsgesteuerten Quarzoszillators ist durch die Synchronisation mittels der PLL dabei kohärent zum empfangenen Signal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Knoten eines Funknetzes möglichst zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Knoten eines Funknetzes vorgesehen, das bevorzugt konform zum Industrie-Standard IEEE 802.15.4 ist.
In dem Verfahren wird von einem ersten Knoten des Funknetzes eine Entfernungsmessung initiiert. Die Entfernungsmessung kann beispielsweise bei einer Einrichtung des Funknetzes initiiert werden. Alternativ wird die Entfernungsmessung wiederholt durchgeführt um eine Bewegung eines Knotens zu ermitteln. Die Entfernungsmessung wird dabei von einem ersten Knoten initiiert. Es wird eine Phasenmessung zur Bestimmung der Entfernung durchgeführt. Um eine Mehrwegeausbreitung zu berücksichtigen wird die Phasenmessung vorzugsweise für mehrere Frequenzen durchgeführt.
In einem Verfahrensschritt wird im Modus zur Entfernungsmessung vom ersten Knoten ein Befehl (RRC – engl. Ranging Request Command) zur Entfernungsmessung mit der Adresse des zweiten Knotens an den zweiten Knoten übertragen. Der Befehl zur Entfernungsmessung wird bevorzugt in den Nutzdaten eines Rahmens vom ersten Knoten an den zweiten Knoten übertragen.
In einem Verfahrensschritt wird der zweite Knoten durch den Befehl zur Entfernungsmessung von einem Betriebsmodus, beispielsweise einem Normalmodus in einen Modus zur Entfernungsmessung überführt. Bevorzugt werden im Modus zur Entfernungsmessung vom zweiten Knoten entfernungsmessungsspezifische Funktionen ausgeführt, die im Normalmodus deaktiviert sind.
Im Modus zur Entfernungsmessung wird durch den Befehl ein Ablauf gesteuert. Der Ablauf sieht mehrere Zeitfenster vor, in denen Verfahrensschritte ablaufen. Durch den Befehl wird der Ablauf in beiden Knoten gesteuert.
Durch die Steuerung des Befehls wird vom ersten Knoten in einem Sendezeitfenster des Ablaufs ein erstes Signal gesendet. Vom zweiten Knoten wird in einem zum Sendezeitfenster zugehörigen Empfangszeitfenster des Ablaufs das erste Signal empfangen und ein erster Phasenwert des ersten Signals gemessen.
Durch die Steuerung des Befehls wird vom zweiten Knoten in einem Sendezeitfenster des Ablaufs ein zweites Signal gesendet. Vom ersten Knoten wird in einem zum Sendezeitfenster zugehörigen Empfangszeiffenster das zweite Signal empfangen und ein zweiter Phasenwert des zweiten Signals gemessen.
Durch die Steuerung des Befehls werden in einem den Sende- und Empfangszeitfenstern folgenden Zeitfenster des Ablaufs die erste Frequenz des ersten Signals um einen Frequenzunterschied und die zweite Frequenz des zweiten Signals um den Frequenzunterschied geändert. Die Änderung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz erfolgt dabei gleichsinnig. Dabei werden die erste Frequenz und die zweite Frequenz um den Frequenzunterschied erhöht oder die erste Frequenz und die zweite Frequenz werden um den Frequenzunterschied verringert.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde eine möglichst verbesserte Schaltung eines Knotens eines Funknetzes anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist eine Schaltung eines Knotens eines Funknetzes vorgesehen, die bevorzugt konform zum Industrie-Standard IEEE 802.15.4 ist. Vorzugsweise weist die Schaltung eine Sende-Empfangsschaltung (Transceiver) zum Senden und Empfangen von Nutzdaten innerhalb des Funknetzes auf. Bevorzugt ist die Schaltung auf einem Halbleiterchip monolithisch integriert.
Die Schaltung ist zum adresse-abhängigen Empfang eines Befehls zur Entfernungsmessung eingerichtet. Hierzu sind die zu dem Befehl korrespondierenden Hardwarefunktionen und Softwarefunktionen in der Schaltung implementiert. Die Schaltung weist vorzugsweise die Funktion einer Adressdekodierung auf, so dass nicht an die Schaltung adressierte Befehle zur Entfernungsmessung von der Schaltung verworfen werden.
Die Schaltung ist derart eingerichtet, dass die Schaltung durch den empfangenen Befehl in einen Modus zur Entfernungsmessung überführbar ist. Im Modus zur Entfernungsmessung sind vorzugsweise in der Schaltung implementierte Programmteile und Funktionen zur Entfernungsmessung aktiviert, die in einem Normalmodus deaktiviert sind.
Die Schaltung ist eingerichtet durch den Befehl einen Ablauf zu steuern. Der Ablauf sieht mehrere Zeitfenster vor, in denen Verfahrensschritte eines Programmablaufs der Schaltung ablaufen.
Die Schaltung ist eingerichtet durch den Befehl gesteuert ein erstes Signal in einem Sendezeitfenster des Ablaufs zu senden. Vorzugsweise ist das erste Signal ein unmoduliertes Trägersignal. Ein unmoduliertes Trägersignal ist beispielsweise ein hochfrequentes sinusförmiges Signal.
Die Schaltung ist eingerichtet durch den Befehl gesteuert ein zweites Signal in einem Empfangszeitfenster des Ablaufs zu empfangen. Weiterhin ist die Schaltung eingerichtet einen ersten Phasewert des zweiten Signals zu messen. Vorzugsweise ist das zweite Signal ein unmoduliertes Trägersignal.
Die Schaltung ist eingerichtet durch den Befehl gesteuert eine erste Frequenz des ersten Signals um einen Frequenzunterschied in einem dem Empfangszeitfenster nachfolgenden Zeitfenster des Ablaufs zu ändern.
Die Schaltung ist eingerichtet befehlsgesteuert die Empfangsfrequenz zu ändern. Die Änderung erfolgt dabei um den Betrag des Frequenzunterschieds. Die Empfangsfrequenz weist die geänderte Frequenz für den Empfang des zweiten Signals in einem weiteren folgenden Empfangszeitfensters des Ablaufs auf. Die Änderung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz erfolgt dabei gleichsinnig. Dabei werden die erste Frequenz und die zweite Frequenz um den Frequenzunterschied erhöht oder die erste Frequenz und die zweite Frequenz werden um den Frequenzunterschied verringert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System eines Funknetzes, insbesondere gemäß dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4. Das System weist einen ersten Knoten und zumindest einen zweiten Knoten auf. Vorzugsweise weist zumindest der zweite Knoten eine zuvor erläuterte Schaltung auf.
Der erste Knoten des Systems ist zur Initiierung eines Modus zur Messung einer Entfernung zu dem zweiten Knoten eingerichtet. Der erste Knoten ist zur Übertragung eines Befehls zur Entfernungsmessung mit der Adresse des zweiten Knotens an den zweiten Knoten eingerichtet. Der zweite Knoten ist durch den Befehl in den Modus zur Entfernungsmessung überführbar.
Im Modus zur Entfernungsmessung sind der erste Knoten und der zweite Knoten eingerichtet einen Ablauf in beiden Knoten durch den Befehl zu steuern. Der Ablauf sieht mehrere Zeitfenster vor, in denen Verfahrensschritte eines Programms der Schaltung ablaufen.
Durch die Steuerung mittels des Befehls ist der erste Knoten eingerichtet in einem Sendezeitfenster des Ablaufs ein erstes Signal zu senden, und der zweite Knoten ist eingerichtet in einem zugehörigen Empfangszeiffenster des Ablaufs das erste Signal zu empfangen und einen ersten Phasenwert des ersten Signals zu messen.
Durch die Steuerung mittels des Befehls ist der zweite Knoten eingerichtet in einem Sendezeitfenster des Ablaufs das zweite Signal zu senden, und der erste Knoten ist eingerichtet in einem zugehörigen Empfangszeiffenster des Ablaufs das zweite Signal zu empfangen und einen zweiten Phasenwert des zweiten Signals zu messen.
Der erste Knoten ist eingerichtet in einem Zeitfenster des Ablaufs die erste Frequenz des ersten Signals um einen Frequenzunterschied zu ändern. Der zweite Knoten ist eingerichtet die zweite Frequenz des zweiten Signals ebenfalls um den Frequenzunterschied zu ändern. Die Änderung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz erfolgt dabei gleichsinnig. Dabei werden die erste Frequenz und die zweite Frequenz um den Frequenzunterschied erhöht oder die erste Frequenz und die zweite Frequenz werden um den Frequenzunterschied verringert.
Die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Verfahren, als auch auf die Schaltung als auch auf das System. Funktionale Merkmale der Schaltung oder des Systems ergeben sich dabei aus Verfahrensmerkmalen. Verfahrensmerkmale können aus Funktionen der Schaltung oder des Systems abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sendezeitfenster und Empfangszeitfenster nach dem Zeitfenster zur Änderung der ersten Frequenz des ersten Signals und der zweiten Frequenz des zweiten Signals wiederholt werden. Mit der Wiederholung werden ein dritter Phasenwert des ersten Signals und ein vierter Phasenwert des zweiten Signals gemessen. Vorzugsweise wird die Entfernung aus dem ersten Phasenwert, dem zweiten Phasenwert, dem dritten Phasenwert, dem vierten Phasenwert und dem Frequenzunterschied berechnet. Vorzugsweise wird genau ein Entfernungswert aus dem ersten Phasenwert, dem zweiten Phasenwert, dem dritten Phasenwert, dem vierten Phasenwert und dem Frequenzunterschied berechnet.
Um insbesondere eine Mehrwegeausbreitung zu berücksichtigen ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Sendezeitfenster und Empfangszeitfenster und das Zeitfenster zur Änderung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz für eine Vielzahl unterschiedlicher erster Frequenzen und einer Vielzahl unterschiedlicher zweiter Frequenzen wiederholt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird mit dem Befehl zur Entfernungsmessung eine Sequenz der ersten und/oder zweiten Frequenz mit Frequenzwerten oder einer Liste der Kanäle oder dergleichen für die Entfernungsmessung an den zweiten Knoten übertragen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass vom zweiten Knoten ein Rahmen zur Synchronisation eines Startzeitpunkts der Entfernungsmessung an den ersten Knoten übertragen wird. Durch die Synchronisation werden ein erster Verfahrensablauf im ersten Knoten und ein zweiter Verfahrensablauf im zweiten Knoten aufeinander zeitlich abgestimmt. Bevorzugt erfolgt durch den Befehl gesteuert eine zeitliche Synchronisation der Sendezeitfenster und der Empfangszeitfenster des Ablaufs in dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten. Vorzugsweise bewirkt die zeitliche Synchronisation, dass ein Sendezeiffenster und ein zugehöriges Empfangszeitfenster mit einer vorbestimmten Genauigkeit von beispielsweise 1 us zeitgleich sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird vom ersten Knoten in Abhängigkeit von einem Empfangszeitpunkt des Rahmens zur Synchronisation ein erster Timer gestartet. Bevorzugt wird vom zweiten Knoten in Abhängigkeit von einem Sendezeitpunkt des Rahmens zur Synchronisation ein zweiter Timer gestartet. Der Empfangszeitpunkt und/oder der Sendezeitpunkt beziehen sich auf eine Position innerhalb des Rahmens, beispielsweise auf das Ende des Rahmens oder auf den Beginn der Nutzdaten oder auf einen Indikator innerhalb des Rahmens. Da die Länge des Rahmens dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten bekannt ist, kann die Position für den Empfangszeitpunkt oder die Position für den Sendezeitpunkt innerhalb des Rahmens vom ersten Knoten und vom zweiten Knoten vereinbart werden.
Vorzugsweise wird vom ersten Knoten mit Ablauf des ersten Timers und vom zweiten Knoten mit Ablauf des zweiten Timers der Ablauf in beiden Knoten synchronisiert gestartet. Schritte des Ablaufs im ersten Knoten korrespondieren dabei zeitlich zu Schritten des Ablaufs im zweiten Knoten. Beispielsweise werden mehrere unterschiedliche Frequenzen zur Entfernungsmessung nacheinander verwendet. Der Wechsel zwischen zwei Frequenzen erfolgt durch die Synchronisation im ersten Knoten und zweiten Knoten zeitlich aufeinander abgestimmt innerhalb eines beispielsweise vereinbarten oder fest vorgegebenen Zeitfensters.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sendet der zweite Knoten nach dem erfolgreichen Empfang des Befehls zur Entfernungsmessung eine Bestätigung (ACK – engl. acknowledgment) an den ersten Knoten zurück. Mit dem Empfang der Bestätigung ist der erste Knoten zur Entfernungsmessung bereit und schaltet bevorzugt seinen Empfänger um. Mit der Umschaltung ist der erste Knoten vorzugsweise zum Empfang eines Synchronisationsrahmens mit geändertem Indikator eingerichtet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vom ersten Knoten ein in einem Rahmen enthaltener Indikator (SFD – engl. Start of Frame Delimiter) zur Anzeige dem Indikator folgender zu dekodierender Nutzdaten (PSDU) eines Rahmens geändert. Bevorzugt wird der Indikator durch den Befehl (RRC) gesteuert auf einen der Entfernungsmessung zugeordneten Wert geändert. Der Wert ist dabei vorzugsweise nicht standardkonform. Ebenfalls ist es möglich den ersten Knoten sofort nach dem Senden des Befehls zur Entfernungsmessung auf den geänderten Indikator umzuschalten, so dass der zweiten Knoten keine Bestätigung senden müsste. Der erste Knoten würde in diesem Fall einen Zeitablaufzähler (engl. timeout) aufweisen um zu kontrollieren, ob der zweite Knoten zur Entfernungsmessung eingerichtet ist. Bei einem Ausbleiben eines Rahmens zur Synchronisation vom zweiten Knoten würde der erste Knoten den Modus zur Entfernungsmessung abbrechen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante wird vom zweiten Knoten im Modus zur Entfernungsmessung ein Rahmen, insbesondere der Rahmen zur Synchronisation, mit dem geänderten Wert des Indikators übertragen. Da der Wert des Indikators nicht standardkonform ist, werden höhere Schichten (engl. Lagern) nicht beteiligter Knoten nicht mit der Auswertung desselben beschäftigt. Bevorzugt wertet hingegen der erste Knoten im Modus zur Entfernungsmessung in höheren Schichten den Empfang des Rahmens zur Synchronisation aus. Vorteilhafterweise setzt der erste Knoten sofort nach dem Empfang des Rahmens zur Synchronisation den Indikator auf einen Standardwert zurück.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass vom zweiten Knoten Messergebnisse der Entfernungsmessung an den ersten Knoten übertragen werden. Die Übertragung der Messergebnisse erfolgt nach dem Ablauf der Entfernungsmessung vorzugsweise mittels Nutzdaten eines standardkonformen Rahmens. Vorzugsweise wird zur Übertragung der Indikator auf einen standardkonformen Wert zurückgesetzt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Befehl zur Entfernungsmessung geschützt, insbesondere verschlüsselt übertragen wird.
Mit dem Befehl zur Entfernungsmessung können vorteilhafterweise Parameter mit übertragen werden. Bevorzugt wird mit dem Befehl zur Entfernungsmessung der geänderte Wert des Indikators und/oder eine Sequenz von Frequenzen für die Entfernungsmessung und/oder eine Zeitdauer für einen oder mehrere Ablaufschritte der Entfernungsmessung an den zweiten Knoten übertragen. Die Übertragung erfolgt vorteilhafterweise mit Nutzdaten eines standardkonform übertragenen Rahmens.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine schematische Ansicht eines Funknetzes mit den Knoten A, B, C und D,
2 ein schematisches Diagramm zur Synchronisation, und
3 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Entfernungsmessung in einem Funknetz.
In 1 ist eine schematische Ansicht eines Funknetzes gemäß dem Industrie-Standard IEEE 820.15.4 mit den Knoten A, B, C und D dargestellt. Die Knoten A, B und C sind ausgebildet einen standardkonformen (MAC-)Befehl RRC aus dem Bereich reservierter IEEE 820.15.4 MAC-Command IDs für eine Entfernungsmessung zu verwenden. Hingegen weist der Knoten D keine Funktion einer Entfernungsmessung auf.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist Knoten A der Auslöser der Entfernungsmessung der Entfernung dAB zu Knoten B. Dem Knoten A ist die Zieladresse des Knotens B bekannt. Der Knoten A hat im Funknetz des Ausführungsbeispiels der 1 die Erlaubnis mit dem Knoten B direkt zu kommunizieren. Der Knoten A wird das Nachverarbeiten der Messdaten veranlassen. Das Nachverarbeiten umfasst dabei Messdaten des Knotens A als auch Messdaten M (SFD) vom Knoten B.
Der Knoten A sendet einen Befehl RRC zur Entfernungsmessung an den Knoten B. Für die eigentliche Entfernungsmessung ist eine Synchronisierung eines Ablaufs im Knoten A und eines Ablaufs im Knoten B vorteilhaft. Hierzu sendet der Knoten B einen Rahmen Fsync (SFD') zur Synchronisation an den Knoten A.
Ein schematisches Ablaufdiagramm zur Entfernungsmessung ist in 3 dargestellt. Im Schritt 1 beginnt der Knoten A eine Entfernungsmessung durch das Starten eines Ablaufs. Nach einer Standardprozedur CSMA-CA im Schritt 2.1 zur Bestimmung ob ein Kanal zur Übertragung belegbar ist, wird im Schritt 2.2 ein Befehl RCC zum Starten des Ablauf für die Entfernungsmessung mit der Zieladresse von dem Knoten A an den Knoten B übertragen. Dabei können als Nutzdaten eine Sequenz von Frequenzen/Kanälen oder ein Zielwert eines Indikators SFD an den Knoten B mit übertragen werden. Der Befehl RRC wird als MAC-Command Frame codiert, wobei die Befehlsidentifikation (engl. command-ID) konfigurierbar ist. Die Befehlsidentifikation ist aus dem Bereich der reservierten Werte 3'b100...3'b111.
Der Befehl RRC wird vorzugsweise geschützt übertragen. Hierzu kann beispielsweise eine Verschlüsselung verwendet werden. Mit dem Rahmen wird eine Frequenz-Sprungsequenz übertragen. Beispielsweise können hierzu die aufeinander folgenden Frequenzwerte oder ein Index auf in den Knoten A und B gespeicherten Sprungsequenzen übertragen werden. Durch die geschützte Übertragung ist möglichen Angreifern die Reihenfolge der Frequenzen – insbesondere eines unmodulierten Trägersignals – innerhalb der Messungen im Frequenzbereich unbekannt, was Störungen erschwert.
Im Schritt 3.1 stellt der Knoten B eine Übereinstimmung zwischen der Zieladresse und seiner Identifikation fest und extrahiert im Schritt 3.2 die in den Nutzdaten des empfangenen Rahmens enthaltenen Informationen für die Entfernungsmessung. Im Schritt 3.3 wird vom Knoten B der Befehl RRC und der Kopf mit Adresse des Rahmens überprüft und eine Bestätigung des Empfangs an den Knoten A zurückgesendet. Knoten A empfängt die Bestätigung und führt den Modus zur Entfernungsmessung mit dem Beginn eines Ablaufs zur Entfernungsmessung fort. Andernfalls bricht der Knoten A den Modus zur Entfernungsmessung bei ausbleibender Bestätigung ab oder initiiert ihn neu zu einem anderen Knoten. Mit dem Empfang der Bestätigung schaltet der Knoten A seinen Empfänger um, um einen Synchronisationsrahmen mit geändertem Indikator SFD empfangen zu können. Weiterhin sendet der Knoten B nach dem Senden der Bestätigung einen Synchronisations-Rahmen mit geändertem Indikator SFD', der demzufolge nur vom Knoten A empfangen werden kann. Hingegen verwerfen die Knoten C und D den Rahmen mit dem geändertem, nicht standardkonformen Indikator SFD'.
Durch diese Selektion ist die Selektion der Teilnehmer innerhalb des Funknetzes für die Entfernungsmessung, nämlich die Knoten A und B abgeschlossen. Der Knoten C kann im Schritt 3c die Zieladresse nicht seiner Identifikation zuordnen. Der Knoten D kennt im Schritt 3d den Befehl RRC zur Entfernungsmessung nicht und reagiert dementsprechend nicht.
Der Knoten B übernimmt die Sprungsequenz nach Entschlüsselung der Nutzdaten und bereitet sich für den Messablauf vor. Der Messablauf läuft beispielsweise in den Knoten A und B mit einem Fehler von +/– 1 us zeitsynchron ab.
Im Schritt 4 ändert der Knoten A seinen Indikator SFD auf einen nicht standardkonformen Wert, also ungleich 0x00 und ungleich 0xA7.
Nach einer Standardprozedur zur Kanalbelegung (CSMA-CA) im Schritt 5.1 sendet der Knoten B im Schritt 5.2 einen leeren Rahmen zur Synchronisation an den Knoten A mit dem geänderten Wert des Indikators. Mit dem modifizierten Wert des Indikators wird verhindert, dass andere Netzteilnehmer C und D diesen Rahmen empfangen und stören können. Entsprechend 2 startet der Knoten B den Messablauf in Schritt 8 nach Ablauf eines Timers mit der Timerzeit tB, wobei der Timer zum Sendezeitpunkt tFsync gestartet wird und zum Zeitpunkt tM, dem Startzeitpunkt des Messablaufs abläuft.
Im Schritt 6.1 der 3 wird der Rahmen zur Synchronisation vom Knoten A empfangen. Der Rahmen zur Synchronisation wird vom Knoten A auf PHY-Ebene (engl. Physical Lager) – im OSI-Schichtenmodell auch als Bitübertragungsschicht bezeichnet – als ein spezifisches Startsignal für den Messablauf in Schritt 8 verwendet. Entsprechend 2 startet der Knoten A den Messablauf in Schritt 8 nach Ablauf eines Timers mit der Ablaufzeit tA des Timers, wobei der Timer zum Empfangszeitpunkt tE gestartet wird und zum Zeitpunkt tM, dem Startzeitpunkt des Messablaufs abläuft. Im Ausführungsbeispiel der 2 wird der Timer mit dem Ende der Nutzdaten PSDU des empfangenen Rahmens gestartet. Zwei Alternativen sind in 2 ebenfalls eingezeichnet, wobei der Timer zum Zeitpunkt tE' nach dem Indikator oder zum Zeitpunkt tE'' nach der Präambel SHR gestartet werden könnte. In allen Fällen müsste der Timer ebenfalls zum Zeitpunkt tM ablaufen um eine zeitliche Synchronisation mit dem Knoten B zu erzielen. Die Genauigkeit der Synchronisation ist dabei insbesondere von den Genauigkeiten der beiden Timer und von der Übertragungsstrecke abhängig.
Zudem setzt der Knoten A im Schritt 6.1 den Indikator auf den standardkonformen Wert 0xA7 zurück. Der Knoten A sendet in Schritt 6.2 eine Bestätigung, die vom Knoten B im Schritt 7 empfangen und überprüft wird.
In Schritt 8 wird der Messablauf für Knoten A und für den Knoten B innerhalb der Zeitspanne N*tm durchgeführt. Der Messablauf 8 weist ein Sendezeitfenster 8a.1 des Knotens A auf, das auch als Sendephase bezeichnet werden kann. Hierzu synchron weist der Messablauf 8 ein zugehöriges Empfangszeitfenster 8b.1 des Knotens B auf, das auch als Empfangsphase bezeichnet werden kann. Der Messablauf 8 weist ein Sendezeitfenster 8b.2 des Knotens B auf. Hierzu synchron weist der Messablauf 8 ein zugehöriges Empfangszeitfenster 8a.2 des Knotens A auf. In dem Zeitfenster 8a.3 bzw. 8b.3 wird die Frequenz, beispielsweise die Trägerfrequenz eines unmodulierten Trägersignals, geändert und der Schritt 8 N mal wiederholt, bis für möglichst alle Frequenzen der Sequenz eine Messung eines Phasenwerts im jeweiligen Knoten durchgeführt ist.
Für die Messung werden wechselseitig kurze Bursts gesendet und Phasenlagen und/oder Amplitudenlagen sowohl im Knoten A als auch im Knoten B gemessen und abgespeichert.
Nach einer Standardprozedur zur Kanalbelegung im Schritt 9.1 werden im Schritt 9.2 die Messergebnisse des Knotens B an den Knoten A mit einem standardkonformen Rahmen rückübertragen. Die Nutzdaten sind für die Übertragung geschützt. Inhalt der Nutzdaten sind die Amplituden- und/oder Phasenwerte der Messung im Knoten B.
In den Schritten 10.1 und 10.2 empfängt der Knoten A die Messdaten vom Knoten B veranlasst eine Auswertung der Messdaten zur Errechnung der Entfernung dAB zwischen den Knoten A und B und sendet in Schritt 10.3 eine Bestätigung an den Knoten B zurück, die im Schritt 10.4 vom Knoten B empfangen und überprüft wird. Hingegen könnten die Knoten C und D in den Schritten 10c und 10d keine Übereinstimmung einer Zieladresse und ihrer Identifikation ermitteln. In den Schritten 11a und 11b wird das Verfahren zur Entfernungsmessung beendet und die Knoten A und B wechseln in einen Normalmodus.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 3 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich andere Timerstartzeitpunkte zu verwenden. Auch ist es möglich die Sequenz der Frequenzen zur Entfernungsmessung und/oder den geänderten Wert des Indikators fest vorzugeben. Ebenfalls ist es möglich die Entfernungsmessung auch in einem Funknetz eines anderen Industrie-Standards, z. B. WLAN vorzusehen.
Bezugszeichenliste

A, B, C, D

Knoten eines Funknetzes

dAB

Abstand

Fsync

Rahmen zur Synchronisation

M

Messdaten

SHR

Präambel

SFD

Indikator

PSDU

Nutzdaten

tE, tE', tE'', tM, tFsync

Zeitpunkt

tA, tB

Ablaufzeit eines Timers

t

Zeit

Claims

Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Knoten (A, B) eines Funknetzes nach dem Standard IEEE 802.15.4, – bei dem vom ersten Knoten (A) ein Modus zur Entfernungsmessung zu einem zweiten Knoten (B) initiiert wird, – bei dem vom ersten Knoten (A) in dem Modus zur Entfernungsmessung ein Befehl (RRC) zur Entfernungsmessung mit der Adresse des zweiten Knotens (B) an den zweiten Knoten (B) übertragen wird, – bei dem der zweite Knoten (B) durch den Befehl (RRC) in den Modus zur Entfernungsmessung überführt wird, – bei dem im Modus zur Entfernungsmessung durch den Befehl (RRC) ein Ablauf (8) gesteuert wird, – bei dem durch den Befehl (RRC) gesteuert vom ersten Knoten (A) in einem Sendezeitfenster (8a.1) des Ablaufs (8) ein erstes Signal gesendet wird und vom zweiten Knoten (B) in einem zugehörigen Empfangszeitfenster (8b.1) des Ablaufs (8) das erste Signal empfangen und ein erster Phasenwert des ersten Signals gemessen wird, – bei dem durch den Befehl (RRC) gesteuert vom zweiten Knoten (B) in einem Sendezeitfenster (8b.2) des Ablaufs (8) ein zweites Signal gesendet wird und vom ersten Knoten (A) in einem zugehörigen Empfangszeitfenster (8a.2) das zweite Signal empfangen und ein zweiter Phasenwert des zweiten Signals gemessen wird, und – bei dem durch den Befehl (RRC) gesteuert in einem folgenden Zeitfenster (8a.3, 8b.3) des Ablaufs (8) die erste Frequenz des ersten Signals um einen Frequenzunterschied und die zweite Frequenz des zweiten Signals um den Frequenzunterschied geändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem die Sendezeitfenster (8a.1, 8b.2) und Empfangszeitfenster (8b.1, 8a.2) nach dem Zeitfenster (8a.3, 8b.3) zur Änderung der ersten Frequenz des ersten Signals und der zweiten Frequenz des zweiten Signals wiederholt und ein dritter Phasenwert des ersten Signals und ein vierter Phasenwert des zweiten Signals gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Sendezeitfenster (8a.1, 8b.2) und Empfangszeitfenster (8b.1, 8a.2) und das Zeitfenster (8a.3, 8b.3) zur Änderung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz für eine Vielzahl unterschiedlicher erster Frequenzen und einer Vielzahl unterschiedlicher zweiter Frequenzen wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem mit dem Befehl (RRC) zur Entfernungsmessung eine Sequenz der ersten und/oder zweiten Frequenz für die Entfernungsmessung an den zweiten Knoten (B) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem durch den Befehl (RRC) gesteuert vom zweiten Knoten (B) ein Rahmen (Fsync) zur Synchronisation eines Startzeitpunkts des Ablaufs (8) mit den Sendezeitfenstern (8a.1, 8b.2) und Empfangszeitfenstern (8b.1, 8a.2) und dem Zeitfenster (8a.3, 8b.3) zur Änderung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz an den ersten Knoten (A) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem vom ersten Knoten (A) ein Indikator (SFD) zur Anzeige folgender zu dekodierender Nutzdaten (PSDU) eines Rahmens durch den Befehl (RRC) gesteuert auf einen der Entfernungsmessung zugeordneten Wert geändert wird, und – bei dem vom zweiten Knoten (B) im Modus zur Entfernungsmessung ein Rahmen, insbesondere der Rahmen (Fsync) zur Synchronisation, mit dem geänderten Wert des Indikators (SFD') an den ersten Knoten (A) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem durch den Befehl (RRC) gesteuert eine zeitliche Synchronisation der Sendezeitfenster (8a.1, 8b.2) und der Empfangszeitfenster (8b.1, 8a.2) des Ablaufs (8) in dem ersten Knoten (A) und dem Knoten (B) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem vom ersten Knoten (A) in Abhängigkeit von einem Empfangszeitpunkt (tE, tE', tE'') eines Rahmens (Fsync) zur Synchronisation ein erster Timer gestartet wird, – bei dem vom zweiten Knoten (B) in Abhängigkeit von einem Sendezeitpunkt (tFsync) des Rahmens (Fsync) zur Synchronisation ein zweiter Timer gestartet wird, – bei dem vom ersten Knoten (A) mit Ablauf des ersten Timers und vom zweiten Knoten (B) mit Ablauf des zweiten Timers der Ablauf (8) in beiden Knoten (A, B) synchronisiert gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem vom zweiten Knoten (B) Messergebnisse (M) der Entfernungsmessung an den ersten Knoten (A) – insbesondere mit einem zurückgesetzten Wert des Indikators (SFD) – übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, – bei dem mit dem Befehl (RRC) zur Entfernungsmessung der geänderte Wert des Indikators (SFD') an den zweiten Knoten (B) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem der Befehl (RRC) zur Entfernungsmessung geschützt, insbesondere verschlüsselt übertragen wird.
Schaltung eines Knotens eines Funknetzes nach dem Standard IEEE 802.15.4, – die zum adresse-abhängigen Empfang eines Befehls (RRC) zur Entfernungsmessung eingerichtet ist, und – die durch den Befehl (RRC) in einen Modus zur Entfernungsmessung überführbar ist, – wobei die Schaltung durch den Befehl (RRC) zur Steuerung eines Ablaufs (8) eingerichtet ist, – wobei die Schaltung zum Senden eines ersten Signals in einem Sendezeitfenster (8a.1) des Ablaufs (8) eingerichtet ist, – wobei die Schaltung zum Empfangen eines zweiten Signals in einem Empfangszeitfenster (8a.2) des Ablaufs (8) und zur Messung eines ersten Phasewertes des zweiten Signals eingerichtet ist, – wobei die Schaltung zur Änderung der ersten Frequenz des ersten Signals um einen Frequenzunterschied in einem dem Empfangszeitfenster (8a.2) nachfolgenden Zeitfenster (8a.3) des Ablaufs (8) eingerichtet ist, und – wobei die Schaltung zur Änderung einer Empfangsfrequenz für den Empfang des zweiten Signals mit geänderter zweiter Frequenz für ein folgendes Empfangszeitfensters des Ablaufs (8) eingerichtet ist.
System eines Funknetzes nach dem Standard IEEE 802.15.4, – mit einem ersten Knoten (A) und – mit einem zweiten Knoten (B), – bei dem der erste Knoten (A) zur Initiierung eines Modus zur Messung einer Entfernung (dAB) zu dem zweiten Knoten (B) eingerichtet ist, – bei dem der erste Knoten (A) zur Übertragung eines Befehls (RRC) zur Entfernungsmessung mit der Adresse des zweiten Knotens (B) an den zweiten Knoten (B) eingerichtet ist, und – bei dem der zweite Knoten (B) durch den Befehl (RRC) in den Modus zur Entfernungsmessung überführbar ist, – bei dem im Modus zur Entfernungsmessung der erste Knoten (A) und der zweite Knoten (B) eingerichtet sind einen Ablauf (8) durch den Befehl (RRC) zu steuern, – bei dem der erste Knoten (A) eingerichtet ist, gesteuert durch den Befehl (RRC) in einem Sendezeitfenster (8a.1) des Ablaufs (8) ein erstes Signal zu senden, und der zweite Knoten (B) eingerichtet ist, durch den Befehl (RRC) gesteuert in einem zugehörigen Empfangszeitfenster (8b.1) des Ablaufs (8) das erste Signal zu empfangen und einen ersten Phasenwert des ersten Signals zu messen, – bei dem der zweite Knoten (B) eingerichtet ist, durch den Befehl (RRC) gesteuert in einem Sendezeitfenster (8b.2) des Ablaufs (8) das zweite Signal zu senden, und der erste Knoten (A) eingerichtet ist, durch den Befehl (RRC) gesteuert in einem zugehörigen Empfangszeitfenster (8a.2) des Ablaufs (8) das zweite Signal zu empfangen und einen zweiten Phasenwert des zweiten Signals zu messen, – bei dem der erste Knoten (A) eingerichtet ist, in einem Zeitfenster (8a.3, 8b.3) des Ablaufs (8) die erste Frequenz des ersten Signals um einen Frequenzunterschied zu ändern und der zweite Knoten (b) eingerichtet ist, die zweite Frequenz des zweiten Signals um den Frequenzunterschied zu ändern.