DE102011088884A1

DE102011088884A1 - Verfahren zur Übertragung von Daten in einem Kommunikationsnetz

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Publication number: DE102011088884A1
Application number: DE102011088884A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Sollacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20
Also published as: AU2012350881A1; CA2859291A1; US20180124206A1; AU2012350881B2; EP2774445A1; US20140355575A1; WO2013087432A1; US10171625B2; RU2609137C2; RU2014129010A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten in einem Kommunikationsnetz aus einer Vielzahl von Knoten (S1, S2, ..., S7). Dabei wird durch die Übertragung geeigneter Konfigurationsdaten zwischen einem Knoten (S1, S2, ..., S7) und seinem Nachbarknoten sichergestellt, dass die zur Datenübertragung genutzten Zeitschlitze (t2) nur von einem Knoten benutzt werden und es somit nicht zu Kollisionen kommt. Das Verfahren wird dabei vorzugsweise in drahtlosen Sensornetzen eingesetzt, in dem die einzelnen Sensorknoten untereinander Daten austauschen. Durch das Verfahren wird eine zuverlässige Datenübertragung mit geringem Energieverbrauch der einzelnen Sensorknoten gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer dezentralen Mustererkennung kombiniert werden, wobei hierfür in geeigneter Weise Mittelwerte dezentral in den einzelnen Knoten (S1, S2, ..., S7) mit an sich bekannten Protokollen, insbesondere mit einem Konsensus-Protokoll bzw. einem Baumaggregations-Protokoll, bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere in einem Kommunikationsnetz für eine Automatisierungsanlage oder ein Stromnetz oder ein Verkehrsnetz eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten in einem Kommunikationsnetz aus einer Vielzahl von Knoten sowie ein entsprechendes Kommunikationsnetz.
In Kommunikationsnetzen aus einer Vielzahl von Knoten, wie z.B. in drahtlosen Sensornetzen, besteht oftmals das Bedürfnis, dass die von den einzelnen Knoten erfassten Daten zuverlässig an Nachbarknoten in Kommunikationsreichweite des jeweiligen Knotens übermittelt werden. Da jeder Knoten nur einen Teil der Knoten des Netzwerks kennt, kann es dabei zu Konflikten dahingehend kommen, dass zwei Knoten, welche nicht in Kommunikationsreichweite zueinander sind, Daten zum gleichen Zeitpunkt an denselben Knoten übertragen, was zu Kollisionen und zum Verlust dieser Daten führt.
In Kommunikationsnetzen wird häufig eine zentrale Instanz in der Form von einem Gateway bzw. einer zentralen Steuerung verwendet, in der die Daten von allen Knoten gesammelt werden. Dabei ist es jedoch nachteilhaft, dass die Datenübermittlung beim Ausfall der zentralen Instanz zusammenbricht und ferner die Kommunikationslast der einzelnen Knoten hin zu der zentralen Instanz zunimmt, so dass Knoten in räumlicher bzw. topologischer Nähe zur zentralen Instanz die Lebenszeit und die Performanz des Netzwerks beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit dem einfach und zuverlässig Daten in einem Kommunikationsnetz zwischen Knoten übermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Kommunikationsnetz gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren sind bzw. werden basierend auf einer für alle Knoten des Kommunikationsnetzes synchronisierten Zeit ein oder mehrere aufeinander folgende Intervalle festgelegt, welche jeweils eine Gruppe von ersten Zeitschlitzen und eine Gruppe von zweiten Zeitschlitzen umfassen, wobei die ersten Zeitschlitze von jedem Knoten zur Datenübertragung nutzbar sind und die zweiten Zeitschlitze durch jeweilige Knoten reservierbar sind, um durch den jeweiligen Knoten zur Datenübertragung genutzt zu werden. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den ersten Zeitschlitzen um an sich bekannte CSMA-Zeitschlitze (CSMA = Carrier Sense Multiple Access), welche von eine beliebigen Knoten genutzt werden können, sofern der Zeitschlitz noch nicht durch einen anderen Knoten belegt ist. Demgegenüber sind die zweiten Zeitschlitze vorzugsweise an sich bekannte TDMA-Zeitschlitze (TDMA = Time Division Multiple Access), welche ausschließlich für bestimmte Knoten bzw. Datenübertragungen geeignet reserviert sind.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt ein jeweiliger Knoten im Kommunikationsnetz, ob und/oder welche Nachbarknoten in seiner Kommunikationsreichweite zweite Zeitschlitze reserviert haben. Aus dieser Information generiert der jeweilige Knoten Koordinationsdaten (z.B. Koordinationspakete), gemäß denen ein zweiter Zeitschlitz durch den jeweiligen Knoten reserviert wird, der nicht durch Nachbarknoten reserviert ist. Ferner enthalten die Koordinationsdaten die Information, ob und/oder welche zweiten Zeitschlitze durch Nachbarknoten mehrfach reserviert sind. Diese Mehrfachbelegung kann dann auftreten, wenn zwei Nachbarknoten zwar in Kommunikationsreichweite zu dem gerade betrachteten Knoten, jedoch nicht untereinander in Kommunikationsreichweite sind.
Erfindungsgemäß sendet ein jeweiliger Knoten die von ihm generierten Koordinationsdaten innerhalb eines ersten Zeitschlitzes an seine Nachbarknoten, wobei die jeweiligen Nachbarknoten, welche denselben zweiten Zeitschlitz gemäß den Koordinationsdaten reserviert haben, einen neuen zweiten Zeitschlitz reservieren, von dem ihnen keine Reservierung durch einen anderen Knoten bekannt ist. Anschließend werden innerhalb der zweiten Zeitschlitze durch die jeweiligen Knoten, welche die entsprechenden zweiten Zeitschlitze reserviert haben, Daten ausgesendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise mittels einer Selbstorganisation der Knoten eine dezentrale Zeitschlitzallokation ohne Kollisionen, so dass zuverlässig Daten zwischen einem Knoten und seinem Nachbarknoten übermittelt werden können. Das Verfahren kann dabei in beliebigen Kommunikationsnetzen und insbesondere in drahtlosen Kommunikationsnetzen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Verfahren in drahtlosen Sensornetzen verwendet, in denen zumindest ein Teil der Knoten Sensoren umfassen, welche drahtlos untereinander kommunizieren, um hierüber z.B. sensierte Messwerte auszutauschen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beliebigen technischen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Als Beispiel kann das Verfahren in einem Kommunikationsnetz für eine Automatisierungsanlage, z.B. zur Fertigungsautomatisierung bzw. Prozessautomatisierung, und/oder für ein Stromnetz und/oder für ein Verkehrsnetz verwendet werden. In solchen Anwendungsgebieten ist es oftmals erforderlich, über eine dezentrale Organisation des Netzwerks Daten zwischen den Knoten auszutauschen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führen die Knoten eine dezentrale Zeitsynchronisierung zur Bestimmung der synchronisierten Zeit durch, basierend auf der die Zeitschlitze festgelegt werden. Dabei können an sich bekannte Verfahren zur dezentralen Zeitsynchronisation verwendet werden, wie z.B. das in der deutschen Patentanmeldung 10 2010 042 256.8 beschriebene Verfahren. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird gemäß den durch einen jeweiligen Knoten generierten Koordinationsdaten ein zweiter Zeitschlitz für eine Broadcast-Übertragung durch den jeweiligen Knoten reserviert.
In bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere bei einer Datenübermittlung gemäß einem Konsensus-Protokoll, sollte die Datenübertragung zwischen einem Knoten und einem Nachbarknoten symmetrisch sein, d.h. wenn ein Knoten an einen Nachbarknoten Daten sendet, sollten diese Nachbarknoten auch an den Knoten Daten zurücksenden. Ist dies nicht der Fall, sollten die entsprechenden Daten nicht weiterverarbeitet werden. Um dies zu erreichen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß den durch einen jeweiligen Knoten generierten Koordinationsdaten ein zweiter Zeitschlitz für einen vorbestimmten Link zwischen dem jeweiligen Knoten und einem vorbestimmten Nachbarknoten reserviert, wobei innerhalb dieses zweiten Zeitschlitzes sowohl erste Daten von dem jeweiligen Knoten an den vorbestimmten Nachbarknoten als auch zweite Daten von dem vorbestimmten Nachbarknoten an den jeweiligen Knoten übertragen werden, wobei im Falle, dass die Übertragung der ersten und/oder zweiten Daten nicht erfolgreich ist, die ersten und zweiten Daten verworfen werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird weitestgehend sichergestellt, dass auf den entsprechenden Links immer symmetrisch Daten zwischen Knoten und Nachbarknoten übertragen werden. Die Feststellung, ob die Datenübertragungen erfolgreich waren, kann z.B. über eine entsprechende Bestätigung erreicht werden, welche in Antwort auf den Empfang der ersten bzw. zweiten Daten durch den jeweiligen Knoten ausgesendet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in den jeweiligen Knoten zumindest ein Parameterwert ermittelt, der für den jeweiligen Knoten spezifisch ist. Ein solcher Parameterwert kann z.B. ein Messwert sein oder auf einem Messwert basieren, der durch den Knoten bzw. einen Sensor im Knoten erfasst wird. Im Rahmen der Datenübertragung zwischen den Knoten können diese Parameterwerte bzw. auf diesen Parameterwerten basierende Daten übertragen werden. Dabei werden insbesondere bei jedem neuen Intervall aktualisierte Parameterwerte ermittelt bzw. übertragen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die in den zweiten Zeitschlitzen übertragenen Daten basierend auf einem Protokoll derart bestimmt und verarbeitet, dass in jedem Knoten der Mittelwert der Parameterwerte aller Knoten geschätzt wird. Solche Protokolle sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und ermöglichen eine Mittelwertschätzung in jedem Knoten, ohne dass in den jeweiligen Knoten die Parameterwerte aller anderen Knoten bekannt sein müssen. Vielmehr ist es ausreichend, dass der jeweilige Knoten nur mit einem Teil der Knoten des Netzes direkt Daten austauschen kann. In einer Variante der Erfindung wird als Protokoll zur Mittelwertbildung der Parameterwerte ein an sich bekanntes Konsensus-Protokoll bzw. gegebenenfalls auch ein Baumaggregations-Protokoll verwendet, das ebenfalls vorbekannt ist.
In einer weiteren Variante wird das erfindungsgemäße Datenübertragungsverfahren dazu genutzt, dass dezentral basierend auf Zustandswerten, welche jeweils in einem Knoten lokal vorliegen und vorzugsweise in den jeweiligen Knoten erfasst werden, ein durch alle Zustandswerte der Knoten repräsentiertes Muster aus einer Mehrzahl von Mustern in jedem Knoten basierend auf dem Mittelwert der Parameterwerte, der mit einem geeigneten Protokoll bekannt gemacht wird, erkannt wird. Diese dezentrale Mustererkennung wird vorzugsweise derart realisiert, dass in jedem Knoten die Vielzahl von Mustern mit jeweils einer Wahrscheinlichkeit hinterlegt ist, welche angibt, wie wahrscheinlich eine im jeweiligen Knoten lokal vorliegende Zustandsgröße in Abhängigkeit von dem jeweiligen Muster ist. Insbesondere werden dabei als Parameterwerte in dem jeweiligen Knoten die Logarithmen der Wahrscheinlichkeiten für die im jeweiligen Knoten lokal vorliegende Zustandsgröße bei Vorhandensein der jeweiligen Muster ermittelt. Über den Mittelwert der Logarithmen für ein jeweiliges Muster wird dabei in jedem Knoten die Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit der jedes Muster durch die in allen Knoten lokal vorliegenden Zustandsgrößen repräsentiert wird. Das Muster mit der höchsten Wahrscheinlichkeit stellt dann das erkannte Muster dar.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Kommunikationsnetz mit einer Vielzahl von Knoten, welche derart ausgestaltet sind, dass im Betrieb des Kommunikationsnetzes das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine oder mehrere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationsnetzes in der Form eines drahtlosen Sensornetzes, in dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird;
2 die Darstellung eines Intervalls aus ersten und zweiten Zeitschlitzen, in denen Daten basierend auf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen werden; und
3 ein Diagramm, welches die Genauigkeit einer Mittelwertschätzung basierend auf einer Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht.
Nachfolgend wird die Erfindung basierend auf einer Kommunikation in einem drahtlosen Sensornetzwerk beschrieben, wobei 1 beispielhaft ein solches Sensornetzwerk zeigt. Das Sensornetzwerk umfasst sieben Sensorknoten S1, S2, ..., S7, welche über ein geeignetes drahtloses Protokoll untereinander Daten austauschen können. Dabei kennt ein jeweiliger Sensorknoten nur eine bestimmte Anzahl von Nachbarknoten in seiner Umgebung aufgrund der begrenzten Kommunikationsreichweite der drahtlosen Übertragung. In dem Szenario der 1 erkennt der Knoten S1 z.B. nur die Knoten S2 und S3 und nicht die restlichen Knoten. Ebenso erkennen bestimmte andere Knoten zwar bestimmte Knoten in ihrer Nachbarschaft, jedoch nicht den Knoten S1. Das drahtlose Sensornetzwerk arbeitet vollkommen dezentral, d.h. es existiert keine zentrale Instanz, an die entsprechende Daten, die durch die einzelnen Sensorknoten erfasst werden, übermittelt werden können. Ziel der hier beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nunmehr, in jedem einzelnen Knoten ein Muster eines Systemzustands des gesamten Netzwerks zu erkennen, obwohl ein jeweiliger Knoten nur einen Teil seiner Nachbarknoten kennt. Um dies zu erreichen, wird ein Konsensus-Protokoll eingesetzt, welches weiter unten beschrieben ist. Dabei ist jedoch sicherzustellen, dass jeder einzelne Sensorknoten seine Daten zuverlässig an seine Nachbarknoten überträgt.
Im Szenario der 1 erfasst jeder Sensorknoten in regelmäßigen Zeitabständen einen Messwert, z.B. einen Temperaturwert oder einen Helligkeitswert, wobei diese Messwerte für die einzelnen Sensorknoten mit z1, z2, ..., z6 bezeichnet sind. In der hier beschriebenen Ausführungsform stellt der Messwert einen Helligkeitswert dar, der in die Klasse „hell“ bzw. in die Klasse „dunkel“ eingeteilt werden kann. Durch alle Sensormesswerte wird somit ein Muster in der Form der entsprechenden Zustände „hell“ bzw. „dunkel“ der einzelnen Sensoren repräsentiert. Dieses Muster stellt den oben erwähnten Systemzustand dar, der in 1 zur Verdeutlichung mit m bezeichnet ist. Es existiert dabei eine Vielzahl von Mustern für jede mögliche Kombination aus Hell- bzw. Dunkel-Werten der einzelnen Sensoren. Für jedes Muster ist dabei in den jeweiligen Knoten ein Wert p1, p2, ..., p7 hinterlegt, welcher in Abhängigkeit von dem jeweiligen Muster m die Wahrscheinlichkeit angibt, mit der ein entsprechender Helligkeitswert z1, z2, ..., z6 in den jeweiligen Sensorknoten S1, S2, ..., S6 gemessen wird. Wie weiter unten beschrieben wird, werden über ein Konsensus-Protokoll Schätzungen für die Wahrscheinlichkeit eines Musters m in Abhängigkeit von den gemessenen Helligkeitswerten aller Knoten berechnet. Dasjenige Muster mit dem höchsten Wahrscheinlichkeitswert stellt dann das dezentral erkannte Muster dar.
Um eine zuverlässige Übermittlung von Daten zwischen benachbarten Sensorknoten zu gewährleisten, wird in der hier beschriebenen Ausführungsform das in 2 dargestellte Zeitschema verwendet. 2 zeigt dabei ein Zeitintervall I, welches im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufeinanderfolgend durchlaufen wird, wobei in jedem Zeitintervall aktualisierte Daten der jeweiligen Knoten ausgesendet werden. Das Zeitintervall umfasst erste Zeitschlitze t1, welche in 2 die ersten fünf Schlitze von 0 bis 4 sind. Ferner umfasst das Intervall I zweite Zeitschlitze t2, welche in 2 die Schlitze 5 bis 24 sind. In einer Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben die Zeitschlitze eine Länge von jeweils 20 ms. Die Zeitschlitze t1 sind dabei sog. CSMA-Zeitschlitze (CSMA = Carrier Sense Multiple Access), gemäß denen jeder Knoten in die Funkkanäle hören kann und über einen freien Funkkanal Daten senden kann. Demgegenüber sind die Zeitschlitze t2 TDMA-Zeitschlitze (TDMA = Time Division Multiple Access), welche in geeigneter Weise von den jeweiligen Knoten zur Datenübertragung reserviert werden. In einer bevorzugten Variante erfolgt dabei die Datenübertragung auf der physikalischen Schicht basierend auf dem an sich bekannten Standard IEEE 802.15.4.
Um die Datenübertragung gemäß den Intervallen I zu realisieren, sind die Zeiten der einzelnen Sensorknoten synchronisiert, wobei zur Synchronisation ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren verwendet werden kann, wie z.B. das in der deutschen Patentannmeldung 10 2010 042 256.8 beschriebene Verfahren. Im Rahmen dieses Verfahrens wird ein Protokoll verwendet, mit dem die geschätzte globale Netzwerkzeit in Paket-Headern ausgetauscht wird. Das Protokoll reduziert die Anpassungsrate der Sensorknoten, welche bereits mit ihren Nachbarn synchronisiert sind, wodurch die Effekte von Fehlern von neu hinzukommenden Sensorknoten vermindert werden. Ferner werden Drifts in den Uhren der Sensoren kompensiert. Der Synchronisationsfehler für das verwendete Protokoll liegt bei Verwendung einer Timers mit 32 kHz Taktfrequenz in einem Bereich von etwa 30 µs und ist wesentlich kleiner als die Länge eines Zeitschlitzes in den Intervallen I. Basierend auf der synchronisierten Zeit werden die Startzeitpunkte und die Sequenznummern für die Zeitschlitze festgelegt.
Um Zeitschlitze für das weiter unten beschriebene Konsensus-Protokoll zu allokieren, übertragen die einzelnen Sensorknoten innerhalb der ersten fünf Zeitschlitze t1 des Intervalls I spezielle Koordinationsdaten in der Form von Koordinationspaketen. Mit diesen Paketen beanspruchen die Knoten einen nicht durch andere Knoten reservierten zweiten Zeitschlitz und übermitteln dabei gleichzeitig eine Liste von denjenigen zweiten Zeitschlitzen, welche von mehr als einem Nachbarknoten in ihrer Umgebung belegt sind. Solche Mehrfachbelegungen können dann auftreten, wenn ein Sensorknoten zu dem Sensornetzwerk hinzukommt, der zwei Nachbarknoten in seiner Umgebung sieht, die nicht in Reichweite zueinander sind. Basierend auf den innerhalb der ersten Zeitschlitze übermittelten Koordinationspaketen können die entsprechenden Nachbarknoten bei Mehrfachbelegungen Zeitschlitze auswählen, welche nicht durch direkte Nachbarn reserviert sind und für welche kein Allokationskonflikt bekannt ist. Zur Einsparung von Energie schalten die einzelnen Sensorknoten in einen Energiesparmodus in allen Zeitschlitzen außer den ersten fünf Zeitschlitzen des Intervalls I und denjenigen Zeitschlitzen, in denen sie Daten per Broadcast aussenden bzw. von ihren Nachbarn empfangen.
Um eine zuverlässige Schätzung des Systemzustands basierend auf dem weiter unten beschriebenen Konsensus-Protokoll zu erreichen, sollte sichergestellt sein, dass jeder Sensorknoten, der Daten an einen Nachbarknoten sendet, auch von diesem Nachbarknoten Daten empfängt. Das heißt, die Links zwischen den Sensorknoten sollten symmetrisch sein. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Daten zwischen den Sensorknoten deshalb nicht über einen Broadcast übermittelt, sondern es wird ein Unicast mit einer 3-Wege-Kommunikation verwendet. Dabei sendet ein Sensorknoten in einem entsprechenden zweiten Zeitschlitz eine Anfrage an einen vorbestimmten Nachbarknoten, in der er neben einer Spezifikation des Intervalls I seinen im Rahmen des Konsensus-Protokolls bestimmten Schätzwert mitteilt. Wenn der Nachbarknoten diese Anfrage empfängt, antwortet er analog mit dem von ihm bestimmten Schätzwert. Wird diese Antwort vom ursprünglichen Knoten empfangen, antwortet dieser mit einer Bestätigung. Wird diese Bestätigung dann vom Nachbarknoten empfangen, ist der Link symmetrisch. Falls der Nachbarknoten die Anfrage nicht empfängt, sendet er auch keine Rückantwort, so dass der Link symmetrisch bleibt. Falls der Nachbarknoten die Anfrage empfängt, aber seine Antwort verloren geht, dann bekommt der Nachbarknoten auch keine Bestätigung vom ursprünglichen Knoten mit der Konsequenz, dass er die Anfrage des ursprünglichen Knotens verwirft. Nur wenn im Rahmen der 3-Wege-Kommunikation die Bestätigung nicht vom Nachbarknoten empfangen wird, kann der Link asymmetrisch sein, da in diesem Fall nur der Nachbarknoten die an ihn übermittelten Daten verwirft. Der entsprechende Knoten wiederholt die soeben beschriebene Prozedur im aktuellen Zeitschlitz mit allen seinen Nachbarknoten außer denen, die die 3-Wege-Kommunikation bereits vorher im aktuellen Intervall I erfolgreich absolviert haben.
Im Folgenden wird nunmehr das bereits oben erwähnte Konsensus-Protokoll beschrieben. Mit diesem Protokoll wird über den lokalen Datenaustausch eines Knotens mit seinem Nachbarknoten eine Mittelwertschätzung durchgeführt und hierüber ein Muster m dezentral erkannt. Es wird davon ausgegangen, dass jeder Sensorknoten n, der in 1 einem der Knoten S1 bis S7 entspricht, einen Wert ẑ_n misst, der den entsprechenden Parametern z1, z2 usw. der 1 entspricht. Im Rahmen einer Klassifikation wird jedem Messwert der binäre Wert 1 mit einer Wahrscheinlichkeit σ(ẑ_n|w) und der binäre Wert 0 mit einer komplementären Wahrscheinlichkeit 1 – σ(ẑ_n|w) zugewiesen. In dem oben erwähnten Szenario von Helligkeitswerten, entspricht dabei der binäre Wert 1 z.B. dem Zustand „hell“ und der binäre Wert 0 z.B. dem Zustand „dunkel“. Durch einen Parametervektor w = (w₁, w₂) wird die entsprechende Wahrscheinlichkeits
funktion festgelegt, die in jedem der Knoten hinterlegt ist und in 1 mit p1, p2 usw. bezeichnet ist. Beispielsweise kann diese Wahrscheinlichkeitsfunktion für den Sensorknoten n durch die logistische Funktion σ(ẑ_n|w) = 1/(1 + exp(–(ẑ_n – w₁)/w₂)) gegeben sein.
Über eine Mustererkennung soll nunmehr die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Bitmuster m (z.B. 1101 bei vier Sensoren) unter der Annahme der Sensorwerte ẑ_n bestimmt werden. Diese Wahrscheinlichkeit ist durch folgende Gleichung gegeben (siehe auch Druckschrift [1]):
Hierbei wird implizit angenommen, dass die Messungen der unterschiedlichen Sensoren statistisch unabhängig für das gegebene Muster sind. N bezeichnet die Gesamtanzahl aller Sensoren im Netzwerk. p_m' entspricht einer gegebenenfalls vorlie
genden A-priori-Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Muster m'. Ohne Vorwissen wird diese Wahrscheinlichkeit in der Regel auf 1/M gesetzt, wobei M die Gesamtanzahl der möglichen Muster repräsentiert.
Das Produkt in der obigen Gleichung (1) kann durch die Bildung der Logarithmen der Wahrscheinlichkeiten wie folgt modifiziert werden:
Dieser Mittelwert im Exponenten kann nunmehr basierend auf dem Konsensus-Protokoll bestimmt werden, welches nur den lokalen Informationsaustausch mit benachbarten Sensorknoten benötigt. Geht man davon aus, dass jeder Sensorknoten eine Anzahl von Nachbarknoten K im Netzwerk kennt und ferner die möglichen Muster in jedem Knoten bekannt sind, so kann jeder Sensorknoten die Wahrscheinlichkeit für jedes Muster bestimmen, ohne dass die sensierten Messwerte ẑ_i im gesamten Netz
werk verteilt werden müssen oder eine zentrale Berechnung durchgeführt werden muss. Als Ergebnis wird schließlich in jedem Knoten dasjenige Muster erkannt, welches die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist.
In der hier beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein typisches, aus dem Stand der Technik bekanntes Konsensus-Protokoll zur Datenübermittlung und lokalen Mittelwertschätzung der Logarithmen verwendet. Gemäß diesem Protokoll wird eine lokale Schätzung des Mittelwerts in jedem Knoten mit einer lokalen Berechnung basierend auf dem gemessenen Sensorwert initialisiert, d.h. mit dem Logarithmus der Wahrscheinlichkeiten p_i(ẑ_i|m) der jeweiligen Muster. Die lokalen Schätzungen werden iterativ mit den Nachbarknoten ausgetauscht, bis ein Konvergenzkriterium erreicht ist. Die hierfür verwendete algorithmische Implementierung basiert auf folgender Gleichung:
Dabei bezeichnet x_i(t) die Schätzung des Mittelwerts des Sensorknotens i. Die Kopplungen α_ik(t) können zeitabhängige Gewichte für jeden existierenden Link zu einem Nachbarn sein. Eine geeignete Festlegung der Kopplungen ist dabei in der Druckschrift [2] beschrieben. Gegebenenfalls können auch andere Konsensus-Protokolle zur Mittelwertbildung eingesetzt werden, z.B. das in der Druckschrift [3] beschriebene Protokoll.
Anstatt eines Konsensus-Protokolls kann gegebenenfalls auch ein Baumaggregations-Protokoll zur dezentralen Bestimmung der Mittelwerte eingesetzt werden. Dabei fungiert ein Knoten in dem Netzwerk als Root-Knoten, bei dem die Daten aller anderen Knoten, die in aggregierter Form letztlich ankommen, summiert werden und dann der Mittelwert gebildet wird. Dabei wird mit an sich bekannten Verfahren eine Baumstruktur mit dem Root-Knoten als Wurzel und entsprechenden Eltern- und Kindknoten festgelegt. Alle anderen Knoten außer dem Root-Knoten sammeln im Rahmen des Baumaggregations-Protokolls die aggregierten Messwertsummen und Messwertmengen von ihren Kindknoten auf, addieren diese Messwertsummen und ihren Messwert bzw. die Messwertmengen und Eins und schicken die neuen Werte an ihre jeweiligen Elternknoten weiter. Auf diese Weise ergibt sich in dem Root-Knoten dann der Mittelwert der Messwerte, der anschließend in umgekehrter Richtung wieder an die Knoten im Baum verteilt werden kann. Die Datenübertragung erfolgt dabei analog wie im obigen Konsensus-Verfahren basierend auf den TDMA-Zeitschlitzen t2, welche innerhalb der CSMA-Zeitschlitze durch die Knoten geeignet allokiert werden.
Bei der Initialisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen zunächst Konfigurationsdaten, insbesondere die Vielzahl der oben beschriebenen Muster m, an alle Knoten im Netz verteilt werden. Dies wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem an sich bekannten Disseminationsprotokoll erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde basierend auf einem Netzwerk aus vier Sensorknoten getestet. Dafür wurden Daten aus 129 Mustererkennungen betrachtet. Basierend auf diesen Daten wurden die korrekten Wahrscheinlichkeiten für drei vorbestimmte Muster basierend auf der obigen Gleichung (1) bestimmt. Diese Wahrscheinlichkeiten wurden mit Wahrscheinlichkeiten verglichen, welche mit einer Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die vier Sensorknoten geschätzt wurden. In 3 sind die Fehlerstatistiken für diese Wahrscheinlichkeiten gezeigt. Dabei ist entlang der Abszisse die entsprechende Anzahl NT der bereits durchlaufenen Intervalle I wiedergegeben. Entlang der Ordinate ist die Differenz Δp zwischen der erfindungsgemäß geschätzten Wahrscheinlichkeit und der tatsächlichen Wahrscheinlichkeit mit entsprechender Standardabweichung dargestellt. Man erkennt, dass das verwendete Protokoll sehr schnell nach Durchlauf von wenigen Intervallen I zu einem sehr geringen mittleren Fehler (in etwa –7,3 × 10^–6) konvergiert. Die Standardabweichung konvergiert zu 7,3 × 10^–3.
Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die dezentrale Zeitschlitzallokation ermöglicht, dass das entsprechende Kommunikationsnetz den Medienzugriff ohne Verwendung einer zentralen Instanz selbst organisieren kann. Über die Verwendung eines Konsensus- bzw. Baumaggregations-Protokolls wird eine dezentrale Bestimmung von Mittelwerten erreicht, wobei hierfür ein Knoten nur die Knoten in seiner Nachbarschaft kennen muss. Basierend auf einer dezentralen Mittelwertbildung kann dabei eine Mustererkennung durchgeführt werden. Der Kommunikationsaufwand verteilt sich auf alle Netzknoten relativ gleichmäßig. Bei der Verwendung von batteriebetriebenen Sensorknoten sinken somit die Anforderungen an die Energiespeicherung in den einzelnen Knoten.
Literaturverzeichnis

[1] R. Olfati-Saber, E. Franco, E. Frazzoli und J.S. Shamma: Belief Consensus and Distributed Hypothesis Testing in Sensor Networks, In: Networked Embedded Sensing And Control: Workshop NESC’05, University of Notre Dame, USA, October 2005 Proceedings, Springer-Verlag New York Inc, 2006.
[2] Lin Xiao: Decomposition and fast distributed iterations for optimization of networked systems, Stanford University, Dissertation, 2004.
[3] S. Barbarossa, G. Scutari: Decentralized Maximum Likelihood Estimation for Sensor Networks Composed of Nonlinearly Coupled Dynamical Systems, In: IEEE Transactions on Signal Processing 55 (2007), July, Nr. 7, Part 1, 3456–3470, http://dx.doi.org/10.1109/TSP.2007.893921. – DOI 10.1109/TSP.2007.893921.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042256 [0010, 0025]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard IEEE 802.15.4 [0024]

Claims

Verfahren zur Übertragung von Daten in einem Kommunikationsnetz aus einer Vielzahl von Knoten (S1, S2, ..., S7), bei dem: – basierend auf einer für alle Knoten (S1, S2, ..., S7) synchronisierten Zeit ein oder mehrere aufeinander folgende Intervalle (I) festgelegt sind, welche jeweils eine Gruppe von ersten Zeitschlitzen (t1) und eine Gruppe von zweiten Zeitschlitzen (t2) umfassen, wobei die ersten Zeitschlitze (t1) von jedem Knoten (S1, S2, ..., S7) zur Datenübertragung nutzbar sind und die zweiten Zeitschlitze (t2) durch jeweilige Knoten (S1, S2, ..., S7) reservierbar sind, um durch den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) zur Datenübertragung genutzt zu werden; – ein jeweiliger Knoten (S1, S2, ..., S7) ermittelt, ob und/oder welche Nachbarknoten in seiner Kommunikationsreichweite zweite Zeitschlitze (t2) reserviert haben, und hieraus Koordinationsdaten generiert, gemäß denen ein zweiter Zeitschlitz (t2) durch den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) reserviert wird, der nicht durch Nachbarknoten reserviert ist, und welche ferner die Information enthalten, ob und/oder welche zweiten Zeitschlitze (t2) durch Nachbarknoten mehrfach reserviert sind; – ein jeweiliger Knoten (S1, S2, ..., S7) die von ihm generierten Koordinationsdaten innerhalb eines ersten Zeitschlitzes (t1) an seine Nachbarknoten aussendet, wobei jeder Nachbarknoten mit mehrfach reservierten zweiten Zeitschlitzen (t2) gemäß den Koordinationsdaten einen neuen zweiten Zeitschlitz (t2) reserviert, von dem ihm keine Reservierung durch einen anderen Knoten (S1, S2, ..., S7) bekannt ist; – innerhalb der zweiten Zeitschlitze (t2) durch die jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7), welche die entsprechenden zweiten Zeitschlitze (t2) reserviert haben, Daten ausgesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Knoten (S1, S2, ..., S7) eine dezentrale Zeitsynchronisierung zur Bestimmung der synchronisierten Zeit durchführen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem gemäß den durch einen jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) generierten Koordinationsdaten ein zweiter Zeitschlitz (t2) für eine Broadcast-Übertragung durch den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) reserviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem gemäß den durch einen jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) generierten Koordinationsdaten ein zweiter Zeitschlitz (t2) für einen vorbestimmten Link zwischen dem jeweilige Knoten (S1, S2, ..., S7) und einem vorbestimmten Nachbarknoten reserviert wird, wobei innerhalb dieses zweiten Zeitschlitzes (t2) erste Daten von dem jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) an den vorbestimmten Nachbarknoten übertragen werden und zweite Daten von dem vorbestimmten Nachbarknoten an den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) übertragen werden, wobei im Falle, dass die Übertragung der ersten und/oder zweiten Daten nicht erfolgreich ist, die ersten und zweiten Daten verworfen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) zumindest ein Parameterwert (p1, p2, ..., p7) ermittelt wird, der für den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) spezifisch ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die in den zweiten Zeitschlitzen (t2) übertragenen Daten basierend auf einem Protokoll derart bestimmt und verarbeitet werden, dass in jedem Knoten (S1, S2, ..., S7) der Mittelwert der Parameterwerte (p1, p2, ..., p7) aller Knoten (S1, S2, ..., S7) geschätzt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Protokoll ein Konsensus-Protokoll und/oder ein Baumaggregations-Protokoll ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem dezentral basierend auf Zustandswerten (z1, z2, ..., z7), welche in den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) lokal vorliegen und vorzugsweise in den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) erfasst werden, ein durch alle Zustandswerte (z1, z2, ..., z7) der Knoten (S1, S2, ..., S7) repräsentiertes Muster (m) aus einer Mehrzahl von Mustern in jedem Knoten (S1, S2, ..., S7) basierend auf dem Mittelwert der Parameterwerte (p1, p2, ..., p7) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem in jedem Knoten (S1, S2, ..., S7) die Vielzahl von Mustern mit jeweils einer Wahrscheinlichkeit hinterlegt ist, welche angibt, wie wahrscheinlich eine im jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) lokal vorliegende Zustandsgröße (z1, z2, ..., z7) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Muster ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Parameterwerte (p1, p2, ..., p7) in dem jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) die Logarithmen der Wahrscheinlichkeiten für die im jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) lokal vorliegende Zustandsgröße (z1, z2, ..., z7) bei Vorhandensein der jeweiligen Muster (m) ermittelt werden und über den Mittelwert der Logarithmen für ein jeweiliges Muster (m) in jedem Knoten die Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, mit der jedes Muster (m) durch die in allen Knoten (S1, S2, ..., S7) lokal vorliegenden Zustandsgrößen (z1, z2, ..., z7) repräsentiert wird, wobei das Muster (m) mit der höchsten Wahrscheinlichkeit das erkannte Muster darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten Zeitschlitze (t1) CSMA-Zeitschlitze und die zweiten Zeitschlitze (t2) TDMA-Zeitschlitze sind
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dass Kommunikationsnetz ein drahtloses Kommunikationsnetz und insbesondere ein drahtloses Sensornetz ist, in dem die Knoten (S1, S2, ..., S7) zumindest teilweise Sensoren umfassen, welche drahtlos untereinander kommunizieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren in einem Kommunikationsnetz für eine Automatisierungsanlage und/oder für ein Stromnetz und/oder für ein Verkehrsnetz eingesetzt wird.
Kommunikationsnetz aus einer Vielzahl von Knoten (S1, S2, ..., S7), wobei die Knoten (S1, S2, ..., S7) derart ausgestaltet sind, dass im Betrieb des Kommunikationsnetzes: – basierend auf einer für alle Knoten (S1, S2, ..., S7) synchronisierten Zeit ein oder mehrere aufeinander folgende Intervalle (I) festgelegt sind, welche jeweils eine Gruppe von ersten Zeitschlitzen (t1) und eine Gruppe von zweiten Zeitschlitzen (t2) umfassen, wobei die ersten Zeitschlitze (t1) von jedem Knoten (S1, S2, ..., S7) zur Datenübertragung nutzbar sind und die zweiten Zeitschlitze (t2) durch jeweilige Knoten (S1, S2, ..., S7) reservierbar sind, um durch den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) zur Datenübertragung genutzt zu werden; – ein jeweiliger Knoten (S1, S2, ..., S7) ermittelt, ob und/oder welche Nachbarknoten in seiner Kommunikationsreichweite zweite Zeitschlitze (t2) reserviert haben, und hieraus Koordinationsdaten generiert, gemäß denen ein zweiter Zeitschlitz (t2) durch den jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7) reserviert wird, der nicht durch Nachbarknoten reserviert ist, und welche ferner die Information enthalten, ob und/oder welche zweiten Zeitschlitze (t2) durch Nachbarknoten mehrfach reserviert sind; – ein jeweiliger Knoten (S1, S2, ..., S7) die von ihm generierten Koordinationsdaten innerhalb eines ersten Zeitschlitzes (t1) an seine Nachbarknoten aussendet, wobei jeder Nachbarknoten mit mehrfach reservierten zweiten Zeitschlitzen (t2) gemäß den Koordinationsdaten einen neuen zweiten Zeitschlitz (t2) reserviert, von dem ihm keine Reservierung durch einen anderen Knoten (S1, S2, ..., S7) bekannt ist; – innerhalb der zweiten Zeitschlitze (t2) durch die jeweiligen Knoten (S1, S2, ..., S7), welche die entsprechenden zweiten Zeitschlitze (t2) reserviert haben, Daten ausgesendet werden.
Kommunikationsnetz nach Anspruch 14, welches derart ausgestaltet ist, dass mit dem Kommunikationsnetz ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13 durchführbar ist.