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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommunikation in einem Ad-Hoc-Netzwerk, bei dem ein lokal orthogonales bzw. adaptives Frequenzmultiplex- oder Frequenzsprungverfahren eingesetzt wird.
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Bei der Kommunikation in mehrkanaligen drahtlosen Netzen ohne feste Infrastruktur (Ad-Hoc-Netze) können neben externen Störeinflüssen auch interne Störungen die Kommunikation beeinflussen. Eine wesentliche Einschränkung der Anzahl von gleichzeitig aktiven Nutzern und damit der Leistungsfähigkeit ergibt sich in Ad-Hoc-Netzen durch Selbstinterferenz, d. h. durch gleichzeitige Übertragung mehrerer Nutzer im gleichen Frequenzkanal. Solche gleichzeitige Übertragung von Daten an verschiedene Nutzer im gleichen Frequenzkanal verursacht störende Interferenz, die insbesondere an benachbarten Nutzern zu einem vollständigen Kommunikationsausfall führen kann.
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Stand der Technik
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Zur Vermeidung externer Interferenzen werden häufig Frequenzsprungverfahren eingesetzt, wie beispielsweise beim Bluetooth-Standard gemäß IEEE 802.15.1. Ein lokal orthogonales Frequenzsprungverfahren alleine verspricht jedoch keine großen Gewinne bei einer sehr großen Anzahl an Nutzern. Aufgrund von ungünstigen Netz-Topologien kann es vorkommen, dass die Anzahl an Kanälen für eine komplette Orthogonalisierung im Netz nicht ausreicht. Dadurch entstehen benachteiligte Nutzer, die einer hohen Interferenz (Hotspot) ausgesetzt sind.
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Eine Trennung mehrerer Nutzer über Codes zur Reduzierung der Selbstinterferenz wird im UMTS UTRA-FDD Standard für zelluläre Funknetzwerke eingesetzt. In Ad-Hoc-Netzen mit großer Nutzeranzahl ist jedoch eine Trennung in Coderichtung ebenfalls nicht ausreichend, um einen störungsfreien Betrieb zu ermöglichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Kommunikation in drahtlosen Ad-Hoc-Netzen anzugeben, das die Gefahr der Selbstinterferenz auch bei einer sehr hohen Anzahl an Nutzern gegenüber den bestehenden Lösungen deutlich verringert.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Beim vorliegenden Verfahren zur Kommunikation in einem Ad-Hoc-Netzwerk wird für die Kommunikation ein lokal orthogonales Frequenzmultiplex- oder Frequenzsprungverfahren mit M Kanälen eingesetzt, das bei Bedarf unterschiedliche Ebenen mit voneinander unabhängigen Frequenzzuordnungen oder Frequenzsprungsequenzen nutzt. Die unterschiedlichen Ebenen werden durch vorzugsweise pseudozufälliges Scrambling voneinander getrennt. Bei lokaler Beteiligung von N > M Knoten werden in Abhängigkeit von der Anzahl der Knoten zwei oder mehr dieser Ebenen gebildet.
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Das vorgeschlagene Verfahren nutzt zwei Komponenten, eine adaptive Frequenzplanung sowie ein Mehrebenen-Sprungverfahren. Durch adaptive Frequenzplanung wählen benachbarte Nutzer unterschiedliche Sende- bzw. Empfangskanäle, um so gegenseitige Interferenz zu vermeiden. Dies hat den Effekt, dass die resultierende gesamte Selbstinterferenz in der Fläche reduziert wird. Dabei sieht die adaptive Frequenzplanung folgende zwei Möglichkeiten für eine Kanalzuweisung vor: Zuweisung von orthogonalen Kanälen oder Zuweisung von orthogonalen Frequenzsprungsequenzen. Die Zuweisung von orthogonalen Frequenzsprungsequenzen ermöglicht es, einen zusätzlichen Frequenzdiversitätsgewinn zu erzielen, während benachbarte Nutzer immer noch unterschiedliche Kanäle nutzen. Die Zuweisung erfolgt adaptiv, vorzugsweise unter Berücksichtigung der Kanalqualitäten, um dynamisch auf veränderte Netzzustände reagieren zu können. Überschreitet die Anzahl benachbarter Nutzer die Anzahl an Kanälen oder ist ein Nutzer aufgrund seiner Lage im Netz erhöhter Interferenz ausgesetzt, kommt das Mehrebenen-Sprungverfahren zum Tragen. Der betreffende Netzknoten wählt einen Sende- bzw. Empfangskanal in einer anderen Sprungebene. Die Sprungebenen sind untereinander durch Scrambling getrennt, innerhalb einer Sprungebene sind die Übertragungen allerdings orthogonal zueinander. Auf diese Art und Weise stören sich unterschiedliche Ebenen nur minimal untereinander. Zur Trennung der Sprungebenen können pseudozufällige Scrambling-Codes wie beispielsweise Gold-Codes genutzt werden. Die Koordination erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise über einen Broadcast-Kanal.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann auch bei sehr hoher Anzahl an Nutzern durch eine entsprechende Anzahl paralleler Sprungebenen eine Kommunikation mit geringer Gefahr von Selbstinterferenz erreicht werden. Die Frequenzsprungkomponente erhöht zudem auch die Störresistenz gegenüber externer Interferenz.
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Das Verfahren lässt sich ohne Hardware-Änderungen direkt in ein Kommunikationsprotokoll integrieren. Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet in einer Ausgestaltung mit einer Empfangskanalorthogonalisierung, bei der die Empfänger zwischen den Frequenzen und Ebenen springen und dadurch den Sendekanal festlegen. In einer anderen Ausgestaltung erfolgt eine Empfangs- und Sendekanalorthogonalisierung, bei der die Kanalwahl vor der Übertragung durch eine Absprache zwischen Sender und Empfänger über eine Signalisierung erfolgt.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich im Bereich der robusten Kommunikationstechnik für militärische und zivile Kommunikations- und Sensornetze einsetzen. Es ermöglicht eine robuste Funkkommunikation in industrieller Störumgebung, beispielsweise in Produktionshallen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Darstellung mehrerer Knoten zur Veranschaulichung des lokal orthogonalen Frequenzsprungverfahrens;
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2 eine Darstellung mehrerer Knoten zur Veranschaulichung des Mehrebenen-Frequenzsprungverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Simulationsergebnis für die Anzahl von Kommunikationsausfällen in Abhängigkeit von der Anzahl an Knoten in einem Netz im Vergleich für das vorgeschlagene Verfahren und ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Netzwerkmodells näher erläutert, das in einer Ebene verteilte Knoten Xi aufweist. Für die Funkübertragung zwischen den Knoten steht eine Bandbreite B zur Verfügung, die in M orthogonale Kanäle unterteilt ist. Kann aufgrund der räumlichen Anordnung der Knoten Interferenz zwischen zwei Knoten Xi und Xj auftreten, so werden diese Knoten als benachbart bezeichnet, wobei gilt: Xi ∊ Nj und X3 ∊ Ni. Ni und Nj bezeichnen dabei jeweils für jeden Knoten die Menge der Nachbarknoten.
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Bei Anwendung eines lokal orthogonalen Frequenzsprungverfahrens, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wählen alle Knoten Xi einen Kanal mi, wobei mi = 1, ... M, so dass keine Interferenz mit den jeweiligen Nachbarknoten auftritt. 1 zeigt hierzu ein Beispiel mit fünf Knoten 1–5, deren Nachbarschaftsbereiche jeweils mit den umgebenden Kreisen angedeutet sind. So befinden sich beispielsweise die Knoten 2 und 4 in Nachbarschaft zu Knoten 3, so dass diesen drei Knoten für einen störungsfreien Betrieb unterschiedliche Kanäle zugeordnet sein müssen. Dies ist im unteren Teil der Figur durch die unterschiedlichen Frequenzen angedeutet, die mit der Zeit entsprechend dem Frequenzsprungverfahren wechseln. Hierbei wird auch ein Broadcast-Kanal B eingesetzt, über den die Koordination erfolgt. In diesem Beispiel stehen insgesamt jeweils drei freie Kanäle für die Knoten zur Verfügung, wobei hier maximal drei Knoten lokal in Interferenz treten können. Steigt jedoch die Zahl der Knoten lokal in diesem Beispiel an (|Nn| > M), so müssen sich zwei oder mehr Knoten den gleichen Kanal teilen und es kann zu Interferenzen kommen.
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2 zeigt ein Beispiel mit elf Knoten, bei dem zusätzlich zu den Knoten 1–5 der 1 noch sechs weitere Knoten (23, 24, 26, 32, 33, 37) dazu kommen. Die Figur zeigt die Kanalzuordnung jeweils in der Nachbarschaft der Knoten 3, 4 und 5, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren mit dem Mehrebenen-Frequenzsprungverfahren erfolgt. In jeder der hier gezeigten drei Sprungebenen erfolgt eine adaptive orthogonale Zuordnung der Frequenzsprungsequenzen in gleicher Weise wie bei bekannten Verfahren des Standes der Technik, d. h. wie in 1. Aufgrund der höheren Anzahl an Knoten innerhalb der jeweiligen Nachbarschaften werden hier jedoch mehrere Sprungebenen eingesetzt, die jeweils lokal orthogonale Frequenzsprungsequenzen für die einzelnen Knoten aufweisen. Die einzelnen Ebenen sind durch Scrambling voneinander getrennt, so dass eine Störung weiß gegenüber den anderen Ebenen erscheint.
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In einem Ad-Hoc-Netz muss die Entscheidung über die Kanalzuordnung lokal getroffen werden, da jeder Knoten nur eine begrenzte Sicht auf das gesamte Netz hat. Das Kanalzuweisungsproblem kann in bekannter Weise als Färbungsproblem eines ungerichteten Graphen angesehen werden. Zwei Knoten sind durch Kanten des Graphen G miteinander verbunden, wenn sie sich in Nachbarschaft befinden. Die Farben der Knoten geben die jeweils zugeordneten Kanäle an. Für die Lösung des Färbungsproblems eines ungerichteten Graphen sind bereits zahlreiche Algorithmen bekannt. Der hier eingesetzte Algorithmus sollte in einer Lösung konvergieren, die den nicht notwendigerweise färbbaren Graphen G in eine minimale Anzahl von färbbaren Teilgraphen G1 ... GL einteilt, die den Sprungebenen beim vorliegenden Verfahren entsprechen.
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Für die Erzeugung des Interferenzgraphen bestehen zwei Möglichkeiten, die Empfangskanal-Ablaufplanung sowie die Sende- und Empfangskanal-Ablaufplanung. Bei der Empfangskanal-Ablaufplanung für unkoordinierten Medienzugang werden die Empfangskanäle so zugeordnet, dass sie lokal orthogonal sind. Die Knoten wählen dann die Sendekanäle entsprechend dem Empfangskanal des Zielempfängers. Dies ist im rechten oberen Teil der 2 angedeutet.
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Die Sende- und Empfangskanal-Ablaufplanung kann eingesetzt werden, falls das Kommunikationsprotokoll eine Koordination des Medienzugangs ermöglicht. In diesem Fall können dann Konflikte sowohl bei den Empfängern als auch bei den Sendern berücksichtigt werden. Im Gegensatz zur Empfangskanal-Ablaufplanung ist dieser Ansatz dynamisch, da er Kurzzeitzuweisungen. auf Basis der Kenntnis momentaner Übertragungsabläufe vorsieht. Bei diesem Ansatz ist ein Sender Xi tx in Konflikt mit allen unbeabsichtigten Empfängern in seiner Nachbarschaft Xi tx und ein Empfänger Xi rx kann mit allen unbeabsichtigten Sendern in seiner Nachbarschaft Xi rx in Konflikt stehen. Xi rx bezeichnet hierbei die Anzahl an Sendern in der Nachbarschaft des Empfängers Xi rx. Der Interferenzgraph setzt sich dann aus den jeweiligen Tupeln {(Xi tx, Xi rx)} zusammen, zwischen denen im Interferenzfall die Kanten des Graphen gezogen werden. Dies ist im rechten unteren Teil der 2 angedeutet.
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Die Sende- und Empfangs-Ablaufplanung führt zwangsläufig zu einer besseren Vermeidung von Interferenzen als die Empfangskanal-Ablaufplanung, da die tatsächlichen physikalischen Konflikte betrachtet werden. Sie erfordert jedoch eine netzwerkweite oder zumindest lokale Absprachephase vor jeder Übertragungsphase. Empfangskanal-Ablaufplanung hat den Vorteil, dass kein neues Aushandeln von Kanälen erforderlich ist, selbst wenn der Kommunikationspartner wechselt. Empfangskanal-Ablaufplanung erzeugt damit auch einen geringeren Overhead im Kommunikationsprotokoll.
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Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren anhand der Empfangskanal-Ablaufplanung erläutert, wobei der grundsätzliche Ansatz auch bei Sende- und Empfangskanal-Ablaufplanung einsetzbar ist. Ein Teilgraph Gi einer Ebene ist sicher färbbar, wenn jeder Knoten in dieser Ebene nicht mehr als M – 1 Konflikte aufweist (Greedy-Färbung). Im Folgenden wird ein Beispiel für eine Kanalzuordnung beim vorgeschlagenen Verfahren erläutert.
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Jeder Knoten wählt einen Kanal m in einer Ebene 1 gemäß einer Wahrscheinlichkeitsverteilung pn(t), die jeder Knoten speichert. Jeder Knoten verfügt auch über einen Kollisionszähler kn(t) und einen Zähler k n(t) für kollisionsfreie Zeitabschnitte. Beim Eintritt in das Netzwerk startet ein Knoten mit einer Suchsprungsequenz, die zu allen Ebenen unkorreliert ist. Auf diese Weise kann die Qualität aller Kanäle und der Nachbarschaft erfasst werden. Sobald die Nachbarschaft bekannt ist, beginnt der Knoten in der ersten Ebene und initialisiert pn(t) zu einer diskreten Gleichverteilung. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung entwickelt sich gemäß der in Gleichung (1) angegebenen Update-Regel. Jedes Mal wenn ein Knoten einen Konflikt feststellt, wird kn(t) erhöht und k n(t) auf Null gesetzt. Hat ein Knoten keinen Konflikt, wird k n(t) erhöht und kn(t) auf Null gesetzt. Überschreitet der Kollisionszähler eines Knotens einen Schwellwert ζ, kn(t) > ζ, springt der Knoten eine Sprungebene höher und setzt pn(t) auf eine diskrete Gleichverteilung. Überschreitet der Zähler für kollisionsfreie Zeitabschnitte eines Knotens einen Schwellwert ε, k n(t) > ε, und der Knoten befindet sich nicht in der ersten Sprungebene, so wird die Sprungebene darunter geprüft. Befinden sich weniger als M Knoten in der Nachbarschaft der darunter liegenden Sprungebene, springt der Knoten wiederum eine Ebene tiefer und setzt pn(t) auf eine diskrete Gleichverteilung. Wenn die Paket-Fehlerrate einen Schwellwert τ > 0 überschreitet, wählt der Knoten eine zu allen Ebenen unkorrelierte Sprungsequenz.
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Die Update-Regel für die Kanalwahl ist
wobei δ
cn(t) einen Vektor der Länge M mit einer Eins an der Position c
n(t) und mit einer Null ansonsten bezeichnet;
δ cn(t) einen Vektor der Länge M mit einer Null an der Position c
n(t) und einer Eins ansonsten bezeichnet.
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Der Algorithmus wird parametrisiert durch den Widerstand γ ∊ (0,1) einen Kanal zu wechseln, wenn ein Konflikt auf derselben Ebene auftritt, dem Widerstand ζ eine Ebene höher zu springen, dem Widerstand ε eine Ebene tiefer zu springen und einem Rettungs-Schwellwert τ.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann in einem Kommunikationsprotokoll erweitert werden, indem die Kanalqualität, die beispielsweise durch Messung der Paketfehlerrate pro Kanal und durch Bestimmung von Position und Aktivität anderer Knoten ermittelt werden kann, bei der Wahl von Kanal und Sprungebene einbezogen wird. Das Protokoll sollte sehr aktive und nahe benachbarte Knoten vorzugsweise in derselben Ebene anordnen. Auch externe Interferenz kann verringert werden, indem zumindest zeitweise einzelne Kanäle lokal aus der Sprungsequenz genommen werden. Bei Verringerung der Störung auf diesen Kanälen unter einen Schwellwert können diese der Sprungsequenz dann auch wieder hinzugefügt werden.
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3 zeigt ein Beispiel für die Wirkung des vorgeschlagenen Verfahrens anhand einer Simulation, bei der die Ausfallwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Anzahl der Knoten für verschiedene Aktivitätsniveaus (act) sowohl für das bekannte Frequenzsprungverfahren des Standes der Technik (FH-CDMA) als auch für das hier vorgeschlagene Verfahren (MLLO-FH-CDMA: multi-level locally orthogonal frequency hopping code division multiple access) dargestellt ist. Bei dieser Simulation wurde eine zufällige Verteilung von 150 Knoten auf Kreisschreibe angenommen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren bei einer höheren Anzahl an Knoten deutlich geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten erreicht werden als mit dem Verfahren des Standes der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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