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Die Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur zeitlichen Synchronisation einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung, die über ein Kommunikationsnetz verbunden sind und die erste und die zweite Vorrichtung jeweils ein Umgebungsfunksignal von mindestens einem gemeinsamen Sender empfangen.
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In vielfältigen Anwendungen, wie beispielsweise einer Weitbereichsüberwachung von Energienetzen, Nachverfolgungssystemen, Mobilfunksystemen, Rundfunk- oder Fernsehsendestationen oder auch Rechenzentren, wird eine genaue, synchrone und zuverlässige Uhrzeitinformation benötigt. Oft reicht es auch aus ein von einem ersten Gerät gesendetes Signal in Bezug auf ein Signal oder Ereignis in einem empfangenden zweiten Gerät zeitlich exakt einordnen zu können.
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Zur Zeitsynchronisation zwischen Computersystemen gibt es Netzwerkprotokolle, wie beispielsweise das Netzwerk-Zeit-Protokoll (NTP), das allgemein in IP-basierten Netzen verwendet wird. Das NTP-Protokoll ist jedoch relativ ungenau, insbesondere bei Netzwerkverbindungen mit schwankender Verzögerung. Daher ist es für hohe Anforderungen an die zeitliche Synchronität nicht geeignet. Ein PTP (Precision Time Protocol) gemäß IEEE1588 erlaubt eine genaue Synchronisation mit einer Genauigkeit von einigen µs bei einer Software-basierten Realisierung und deutlich darunter bei einer Hardwarebasierten Realisierung. Es ist jedoch nur in lokalen Netzen anwendbar. Auch wird eine stabile und in beiden Übertragungsrichtungen äquivalente Netzwerkverbindung benötigt, um diese hohe Genauigkeit zu erreichen.
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Für eine über große Gebiete synchrone Zeitinformation werden Satellitennavigationsempfänger für Systeme, wie beispielsweise GPS (Global Positioning System), Galileo oder Glonass verwendet, die aus einem Satellitensignal eine genaue Zeitinformation ermitteln. Solche Empfänger sind jedoch relativ aufwendig und können im Allgemeinen nur im Außenbereich eingesetzt werden. Zur Verwendung der Satellitensignale kann des Weiteren ein Entschlüsselungscode für ein kryptographisch geschütztes Signal notwendig sein. Auch sind die Satellitensignale Störungen, wie beispielsweise durch GPS-Jammer, ausgesetzt.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstig realisierbare exakte zeitliche Zuordnung von Signalen oder Ereignissen bzw. eine entsprechende Zeitsynchronisation über weite Distanzen zwischen miteinander kommunizierenden Vorrichtungen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.
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Ein erfindungsgemäßes System mit zeitlicher Synchronisation umfasst eine erste Vorrichtung und eine zweite Vorrichtung, die über ein Kommunikationsnetz verbunden sind. Die erste und die zweite Vorrichtung empfangen jeweils ein Umgebungs-Funksignal von mindestens einem gemeinsamen Sender, wobei die erste Vorrichtung derart eingerichtet ist einen ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt eines ersten Umgebungs-Funksignals zu ermitteln, die zweite Vorrichtung derart eingerichtet ist mindestens einen zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt eines zweiten Umgebungs-Funksignals zu ermitteln, und an eine Korrelationseinheit senden. Die Korrelationseinheit ist derart ausgebildet, den ersten und den mindestens einen zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt zu empfangen und den ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt mit mindestens einem zweiten Ausschnitt zu korrelieren, und aus der zeitlichen Position eines Korrelationspeaks gegenüber dem zweiten Ausschnitt einen zeitlichen Versatz des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts gegenüber dem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt zu ermitteln.
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Durch die Korrelation des ersten und zweiten Ausschnittes kann in einfacher Weise beispielsweise eine mit dem ersten Ausschnitt versendete Nachricht einem Ereignis das zeitgleich mit dem zweiten Ausschnitt in der zweiten Vorrichtung aufgetreten ist zugeordnet werden. Dazu sind keine absolute Zeitangabe der ersten bzw. zweiten Vorrichtung und somit auch keine synchron laufenden Uhren der ersten der zweiten Vorrichtung notwendig.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Vorrichtung derart eingerichtet, zusätzlich einen ersten Startzeitpunkt des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts zu ermitteln und an die Korrelationseinheit zu übertragen, die zweite Vorrichtung derart eingerichtet ist, zusätzlich einen zweiten Startzeitpunkt des zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts zu ermitteln und an die Korrelationseinheit zu übertragen, und wobei die Korrelationseinheit derart eingerichtet ist, aus der zeitlichen Position des Korrelationspeaks und des ersten Startzeitpunkts jeweils bezogen auf den zweiten Startzeitpunkt einen Zeitversatz zwischen einer Uhr der ersten Vorrichtung und einer Uhr der zweiten Vorrichtung zu ermitteln.
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Durch den so ermittelten Zeitversatz der lokalen Uhren der ersten und der zweiten Vorrichtung kann eine Uhrzeitsynchronisation dieser beiden lokalen Uhren erfolgen. So kann die langsamere Uhr beispielsweise schneller gestellt werden, um das Zurückliegen auszugleichen. Alternativ kann die Information verwendet werden, um eine geforderte Synchronität der beiden Uhren zu überprüfen. Der Startzeitpunkt der ersten und der zweiten Ausschnitte sind dabei vorteilhafterweise in Absolutzeit angegeben. Somit kann eine exakte Zeitsynchronisation zwischen einer ersten Vorrichtung, beispielsweise einer Überwachungseinheit in einem Energienetz, und anderen zweiten Vorrichtungen, beispielsweise anderen Überwachungsvorrichtungen bzw. einer zentralen Überwachungseinrichtung des Energienetzes erreicht werden, ohne dass diese Kenntnis von beispielsweise Verschlüsselungscodes wie M-Code-Dienste für GPS-Signale oder öffentlich regulierte Dienst(PRS)-Codes für Galileo-Signale benötigen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Korrelationseinheit in der zweiten Vorrichtung oder in einer eigenständigen Einheit ausgebildet.
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Bei der ersten Alternative kann eine Synchronisation zwischen jeder ersten und jeder zweiten Vorrichtung erfolgen. Bei der zweiten Alternative wird eine Synchronisation bezüglich einer eigenständigen Einheit, beispielsweise einem Zeitserver, durchgeführt. Bei einer Synchronisation gegenüber einem zentralen Zeitserver verringert sich der Synchronisationsaufwand in der zweiten Vorrichtung und erlaubt somit eine Zeitsynchronisation auch bei Einsatz von wenig komplexen zweiten Vorrichtungen.
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In einem Ausführungsbeispiel validiert die Korrelationseinheit den ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt vor einer Korrelation mit einem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt.
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Dadurch kann sichergestellt werden, dass der erste zeitlich begrenzte Ausschnitt hinreichend aussagekräftig ist. So können beispielsweise bei nicht verbundener oder defekter Antenne einer ersten Vorrichtung nur ein Grundrauschen bzw. ein stark abgeschwächtes Umgebungs-Funksignal empfangen werden, das keine charakteristische Modulation aufweist und ein zeitlich begrenzter Ausschnitt davon bei einer Korrelation mit einem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt keinen Korrelationspeak ergeben würde.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt zur Validierung eine Korrelation des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts mit einem Testausschnitt und die Validierung ist erfolgreich, wenn kein signifikanter Korrelationspeak ermittelt wird. Ein solcher Testausschnitt kann beispielsweise weißes Rauschen enthalten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste oder zweite Vorrichtung derart ausgebildet, den ersten und/oder zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt kryptographisch geschützt an die Korrelationseinheit zu übertragen.
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Somit wird sichergestellt, dass der erste bzw. zweite zeitlich begrenzte Ausschnitt unverändert und nicht manipuliert übertragen wurde und somit der ermittelte Zeitversatz den tatsächlichen zeitlichen Versatz der Absolutzeit bzw. Uhr in der ersten bzw. zweiten Vorrichtung angibt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der erste und/oder der zweite zeitlich begrenzte Ausschnitt durch die Bildung eines Nachrichtenauthentifizierungscodes, auch Message Authentication Code MAC genannt, oder durch eine digitale Signatur der ersten bzw. der zweiten Vorrichtung kryptographisch geschützt. Beide Verfahren sind mit geringem Rechenaufwand durchführbar und erfordern somit keine komplexen ersten bzw. zweiten Vorrichtungen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Vorrichtung derart eingerichtet, dass Parameter wie eine Dauer, ein erfasstes Spektrum, eine zeitliche Auflösung, eine Messgenauigkeit des ersten bzw. des zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts fest vorgebbar und/oder konfigurierbar und/oder adaptiv auswählbar sind.
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So können entweder automatisch zu vorgegebenen Zeiten geeignete Funksignale detektiert werden und somit eine kontinuierliche Synchronisation durchgeführt werden. Andererseits ist es aber auch möglich, erste und auch zweite zeitlich begrenzte Ausschnitte abhängig von bestimmten Ereignissen zu ermitteln und somit z.B. die Synchronisationslast in der ersten und zweiten Vorrichtung bzw. der Korrelationseinheit zu senken. Dies erfordert aber gleichzeitig eine etwas höhere Komplexität der ersten bzw. zweiten Vorrichtung und beispielsweise eine Übertragung eines Auslösesignals für die Ermittlung eines ersten und/zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Vorrichtung derart eingerichtet, einen oder mehrere der genannten Parameter mit dem ersten und/oder zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt an die Korrelationseinheit zu übermitteln.
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Dies erlaubt eine genauere Auswertung des Zeitversatzes. Die Korrelationseinheit kann daraus auch eine Aussage über die Verlässlichkeit oder die Genauigkeit der Zeitsynchronisation ermitteln, die bspw. bei einer Auswertung einfließen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Vorrichtung derart ausgebildet, ein Umgebungs-Funksignal zu empfangen, das Funksignale von mindestens einem gemeinsamen Langwellen- und/oder einem Mittelwellen- und/oder einem Kurzwellensender und/oder einem VHF-, UHF-, SHF-Sender und/oder einem Sender eines Mobilfunknetzes und/oder eines WLANs und/oder eines satellitengestützten Senders umfasst. Auch ist es möglich, ein Funksignal eines Himmelskörpers zu empfangen, z.B. von Sonneneruptionen.
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Es wird des Weiteren eine erste Vorrichtung beansprucht, die die Merkmale der ersten Vorrichtung in oben genanntem System aufweist.
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Es wird des Weiteren eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung beansprucht, die die Merkmale der zweiten Vorrichtung in oben genanntem System aufweist.
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Es wird des Weiteren eine Korrelationseinheit beansprucht, die die Merkmale der Korrelationseinheit in oben genanntem System aufweist.
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Das erfindungsgemäßes Verfahren zur zeitlichen Synchronisation einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung, die über ein Kommunikationsnetz verbunden sind, und die erste und die zweite Vorrichtung jeweils ein Umgebungs-Funksignal von mindestens einem gemeinsamen Sender empfangen, umfasst die Schritte:
- – Ermitteln eines ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts eines ersten Umgebungs-Funksignals in der ersten Vorrichtung,
- – Ermitteln mindestens eines zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts eines zweiten Umgebungs-Funksignals in der zweiten Vorrichtung, und
- – Empfangen des ersten und des mindestens einen zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts und Korrelieren des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts mit mindestens einem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt in der Korrelationseinheit, und Ermitteln eines ersten zeitlichen Versatzes des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts gegenüber dem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt aus der zeitlichen Position eines Korrelationspeaks gegenüber dem zweiten Ausschnitt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zusätzlich ein erster Startzeitpunkt des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts in der ersten Vorrichtung ermittelt und an die Korrelationseinheit übertragen wird und zusätzlich ein zweiter Startzeitpunkt des zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts in der zweiten Vorrichtung ermittelt und an die Korrelationseinheit übertragen wird. Aus der zeitlichen Position des Korrelationspeaks und des ersten Startzeitpunkts jeweils bezogen auf den zweiten Startzeitpunkt wird ein Zeitversatz zwischen einer Uhr der ersten Vorrichtung und einer Uhr der zweiten Vorrichtung in der Korrelationseinheit ermittelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise in einfach strukturierten ersten und zweiten Vorrichtungen eingesetzt werden, die beispielsweise verschlüsselte Satellitenfunksignale zur Zeitsynchronisation verwendet können, ohne die Verschlüsselungscodes, wie beispielsweise Galileo PRS Codes oder GPS M-Codes zu kennen. Autokorrelationsfunktionen sind allgemein bekannte und in der Signalverarbeitung übliche Funktionen und ohne speziellen Entwicklungsaufwand verfügbar.
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Somit ist eine vielseitige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste zeitlich begrenzte Ausschnitt vor einer Korrelation mit einem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt validiert, indem eine Korrelation des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts mit einem Testausschnitt erfolgt und die Validierung erfolgreich ist, wenn kein signifikanter Korrelationspeak ermittelt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden der erste und/oder der zweite zeitlich begrenzte Ausschnitt kryptographisch geschützt an die Korrelationseinheit übertragen.
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Insbesondere werden in einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der erste und/oder der zweite zeitlich begrenzte Ausschnitt durch die Bildung eines Nachrichtenauthentifizierungs-Codes oder durch eine digitale Signatur der ersten bzw. der zweiten Vorrichtung kryptographisch geschützt.
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In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird eine Dauer, ein erfasstes Spektrum, eine zeitliche Auflösung, eine Messgenauigkeit des ersten bzw. des zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts fest vorgegeben und/oder konfiguriert und/oder adaptiv ausgewählt und an die Korrelationseinheit übermittelt.
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Bei einem erfassten Spektrum kann beispielsweise eine untere und obere Frequenz, bei der zeitlichen Auflösung kann die Anzahl der Samples pro Sekunde und bei der Messgenauigkeit kann beispielsweise angegeben werden, ob die Signalwerte mit 8 Bit, 12 Bit oder 16 Bit codiert wurden.
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Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beansprucht.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems in schematischer Darstellung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen ersten Vorrichtung in Blockdarstellung;
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4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweiten Vorrichtung mit integrierter Korrelationseinheit in Blockdarstellung;
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5 eine beispielhaftes Umgebungs-Funksignal mit einem möglichen zeitlich begrenzten Ausschnitt;
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6 ein aus dem Umgebungs-Spektrum aus 5 extrahierter Ausschnitt;
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7 mehrere aus dem Umgebungs-Spektrum aus 5 extrahierte Ausschnitte; und
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8 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein System mit einer ersten Vorrichtung 10 und einer zweiten Vorrichtung 11, die über ein Kommunikationsnetz 12 miteinander verbunden sind. Das Kommunikationsnetz kann beispielsweise ein Mobilfunknetz oder das Internet sein. Durch Verzögerungen und Schwankungen ist eine Zeitsynchronisation zwischen der ersten Vorrichtung 10 und der zweiten Vorrichtung 11 über das Kommunikationsnetz 12 beispielsweise durch ein Netzwerkzeitprotokoll, auch Network Time Protocol NTP genannt, nur mit begrenzter Genauigkeit möglich.
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Eine bekannte Möglichkeit zur Synchronisierung von einer ersten 10 und einer zweiten Vorrichtung 11 ist beispielsweise durch ein Satellitennavigationssystem wie beispielsweise GPS oder Galileo möglich. Die Satelliten 20, 21 senden ein Funksignal aus, das von der ersten 10 bzw. der zweiten Vorrichtung 11 empfangen wird. Anhand eines aufmodulierten Pseudo Random Noise Codes (PRN-Codes) kann die erste 10 bzw. die zweite Vorrichtung 11 eine Laufzeit des Signals 25, 26 und damit eine Entfernungsinformation oder aber auch nur einen Sendezeitpunkt des Signals 25, 26 ermitteln. Dazu muss jedoch die erste 10 bzw. die zweite Vorrichtung 11 den verwendeten PRN-Code kennen. Die erste 10 bzw. die zweite Vorrichtung 11 kann daraus eine Zeit ermitteln und somit die gleiche Zeit in der ersten Vorrichtung 10 und in der zweiten Vorrichtung 11 vorgeben, als die erste 10 und die zweite Vorrichtung 11 synchronisieren. Um dies durchführen zu können, benötigen die erste 10 und die zweite Vorrichtung 11 jedoch einen relativ aufwendigen Empfänger sowie Kenntnis der Pseudo Random Noise(PRN)-Codes. Außerdem kann eine solche Zeitsynchronisation im Allgemeinen nur im Außenbereich oder mit einer Außenantenne eingesetzt werden.
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In einem erfindungsgemäßen System erfassen die erste Vorrichtung 10 und die zweite Vorrichtung 11 ein sie umgebendes Funksignal 25 und 26. Dieses Funksignal 25, 26 kann z.B. von den Satelliten 20, 21, einem Rundfunksender 24, einer Mobilfunkbasisstation 22 oder auch einem WLAN Sender 23 bzw. eine Überlagerung von einem oder mehreren der genannten Signale sein. Auch kann das Funksignal von Störungen stammen wie z.B. einer Sonneneruption oder von parasitären Abstrahlungen eines Netzteils oder eines Rechners. Aus diesem kontinuierlichen Umgebungs-Funksignal 25 extrahiert die erste Vorrichtung 10 einen ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS1 sowie einen Startzeitpunkt T1 des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1 gemessen in bspw. Echtzeit der ersten Vorrichtung 10.
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Den ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS1 übermittelt die erste Vorrichtung 10 an die zweite Vorrichtung 11. Die zweite Vorrichtung 11 ermittelt ihrerseits beispielsweise fortlaufend oder in vorgegebenen regelmäßigen oder unterschiedlichen Abständen oder auch basierend auf ein bestimmtes Ereignisse mindestens einen zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS2 aus dem die zweite Vorrichtung 11 umgebenden Umgebungs-Funksignal 26.
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Dieses Umgebungs-Funksignal 26 kann dabei aus Funksignalen von Sendern zusammengesetzt sein, die sich von denen des Umgebungs-Funksignals 25 unterscheiden. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass in beiden Umgebungs-Funksignalen 25, 26 mindestens ein Funksignal eines gemeinsamen Senders enthalten ist. Bei großen Entfernungen kann dies beispielsweise ein Kurzwellenradiosender oder auch ein satellitengestützter Sender sein. Bei geringeren Entfernungen kann das gemeinsame Signal auch ein Fernsehsignal, bspw. ein VHF-, UHF- oder SHF-Signal sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Umgebungs-Funksignale 25, 26 aus Signalen von mehreren unterschiedlichen Sendern sich zusammengesetzt ist, da dadurch eine Manipulation des Umgebungs-Funksignals erschwert wird.
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Unter der ersten Vorrichtung 10 und der zweiten Vorrichtung 11 sind jeweils beispielhaft ein erster und ein zweiter zeitlich begrenzter Ausschnitt RS1, RS2 als Funksignal S über die Zeit aufgetragen. Der von der zweiten Vorrichtung 11 ermittelte zeitlich begrenzte Ausschnitt RS2 kann, wie dargestellt, eine längere Zeitdauer als der erste Ausschnitt RS1 umfassen.
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Durch eine Korrelationseinheit 36, die hier integriert in der zweiten Vorrichtung 11 ausgebildet ist, wird nun der erste zeitlich begrenzte Ausschnitt RS1 mit dem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS2 korreliert. Dabei ergibt sich ein Korrelationspeak P bei einem Zeitpunkt T2‘, bei dem die größte Übereinstimmung zwischen dem Funksignal des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1 mit dem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS2 festgestellt wird. Zur Ermittlung eines Korrelationspeaks P wird beispielsweise der erste Ausschnitt RS1 in kleinen Zeitschritten über den zweiten Ausschnitt RS2 geschoben und nach jedem Zeitschritt eine Korrelation der beiden Ausschnitte RS1, RS2 berechnet.
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Durch die Korrelation des ersten und zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1, RS2 ist es beispielsweise möglich, Messdaten von der ersten Vorrichtung 10 und Messdaten von der zweiten Vorrichtung 11, 13 einander zeitlich synchron zuzuordnen. So können z.B. Messungen beispielsweise von Phasenmesseinheiten eines Weitbereichsüberwachungssystems einander zeitlich zugeordnet und verarbeitet werden. Dies ist möglich, ohne dass die erste Vorrichtung 10 und die zweite Vorrichtung 11, 13 selbst über eine synchrone Zeitinformation verfügen. So kann beispielsweise die erste Vorrichtung 10 neben den Messdaten einen ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt zur gleichen Startzeit wie die Messdaten ermitteln und an die Korrelationseinheit senden. Messdaten von einer zweiten Vorrichtung, und ein zum gleichen Startzeitpunkt ermittelter zweiter zeitlich begrenzter Ausschnitt RS2 werden ebenfalls an die Korrelationseinheit übermittelt. In der Korrelationseinheit bzw. zweiten Vorrichtung können die Messdaten in einen zeitlichen Bezug zueinander gesetzt werden, da durch die Korrelation des ersten und zweiten Ausschnittes RS1, RS2 der zeitliche Versatz D der beiden Messungen ermittelt wird. Dazu ist es lediglich notwendig, dass der erste und der zweite Ausschnitt zeitlich überlappen. Es kann aber auch beispielsweise von der Korrelationseinheit selbst ein Umgebungs-Funksignal kontinuierlich ermittelt werden, zu dem der erste und der zweite Ausschnitt korreliert werden.
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2 zeigt eine Variante, bei der die erste Vorrichtung 10 und die zweite Vorrichtung 13 jeweils einen ersten bzw. zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS1, RS2 des empfangenen Umgebungs-Funksignals 25, 26 sowie einen jeweils dazugehörigen Startzeitpunkt T1 und T2 erfassen und diese an eine eigenständige Einheit 14, beispielsweise einem Zeitserver, über das Netzwerk 12 übertragen wird. In dem Zeitserver ist die Korrelationseinheit 36 ausgebildet, die nun eine Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS1, RS2 durchführt und wie in 1 beschrieben, einen Korrelationspeak P und dessen zeitliche Lage T2‘ ermittelt. Durch Bezugnahme auf den mitgelieferten zweiten Startzeitpunkt T2 kann die zeitlichen Position T2‘ eines Korrelationspeaks P, der hier dem Startzeitpunkt des ersten Ausschnitts RS1 entspricht gemäß der Absolutzeit einer Uhr der zweiten Vorrichtung 11 ermittelt werden. Aus einem Zeitversatz der zeitlichen Position eines Korrelationspeaks T2‘ und dem Startzeitpunkt T1, gemessen in Absolutzeit der ersten Vorrichtung 10, kann ein Zeitversatz d zwischen einer Uhr der ersten Vorrichtung 10 und einer Uhr der zweiten Vorrichtung 11 ermittelt werden. Sind die Uhren der ersten und der zweiten Vorrichtung synchron, so ist der ermittelte Startzeitpunkt T2‘ identisch zu der vom ersten Knoten 10 bereitgestellten Zeitinformation T1. Sind die Uhren nicht synchron, ergibt sich ein von Null verschiedener Zeitversatz d zwischen dem Startzeitpunkt T1 der ersten Vorrichtung 10 und der zeitlichen Position eines Korrelationspeaks T2‘.
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Bei der Verwendung eines Zeitservers 14, der die Korrelationseinheit 36 umfasst, kann die Korrelationseinheit 36 in der zweiten Vorrichtung 13 entfallen, da die Korrelation im Zeitserver 14 durchgeführt wird. Somit kann im Zeitserver beispielsweise eine Zeitsynchronisation der ersten bzw. zweiten Vorrichtung 10, 13 veranlasst werden und eine entsprechende Zeitkorrektur-Nachricht beispielsweise an die erste Vorrichtung 10 bzw. an die zweite Vorrichtung 13 gesendet werden, die dort dann umgesetzt werden muss.
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Der Zeitversatzes d kann in gleicher Weise auch in einem System ermittelt werden, in dem die Korrelationseinheit 36 in der zweiten Vorrichtung 11 integriert ist. Dabei ermittelt die erste Vorrichtung 10 zusätzlich zur ersten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS1 dessen Startzeitpunkt T1 und sendet beides an die zweite Vorrichtung 11. Die Korrelation und die Bestimmung des Zeitversatzes d laufen in der integrierten Korrelationseinheit 36 in gleicher Weise wie in einer eigenständigen Einheit 14 ab. In dieser Ausführungsform ist es insbesondere vorteilhaft die Uhr der zweiten Vorrichtung 11 gemäß dem Zeitversatz d anzupassen.
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3 zeigt nun eine erste Vorrichtung 10, die ein Umgebungs-Funksignal, beispielsweise das in 2 dargestellte Umgebungs-Funksignal 25, empfängt. In der anschließenden Signalverarbeitungseinheit 31 wird das Funksignal üblicherweise in einer Hochfrequenzbaugruppe gefiltert, verstärkt, mit Hilfe eines lokalen Oszillators auf ein Basisband gebracht und in einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert. Das resultierende digitalisierte Signal, beispielsweise als Basisbandsignal oder alternativ als Zwischenfrequenzsignal, wird nun einer Funk-Ausschnitts-Erfassungseinheit 32 zugeführt. Diese ermittelt aus dem Signal einen zeitlich begrenzten Ausschnitt RS1 des digitalisierten Umgebungssignals. Die Länge sowie der Startzeitpunkt des Ausschnitts können automatisch festgelegt sein oder von einer Steuereinheit 35 vorgegeben werden. Zusätzlich können Parameter, wie die Dauer des Ausschnitts, dessen zeitliche Auflösung, dessen Messgenauigkeit, die Bandbreite bzw. die höchste und niedrigste enthaltene Frequenz und evtl. weitere Angaben von der Steuereinheit 35 bereitgestellt und zusammen mit dem Ausschnitt RS1 über eine Kommunikationseinheit 33 an eine zweite Vorrichtung 11 oder an eine eigenständige Einheit 14, wie beispielsweise einen Zeitserver, über das Kommunikationsnetz übermittelt werden.
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Das Umgebungs-Funksignal kann optional beispielsweise über eine Fourier-Transformationseinheit in einen Frequenzraum überführt werden und in dieser Form als Ausschnitt übertragen werden.
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Optional kann von einer Uhr 34.0, beispielsweise einer Echtzeituhr, der erste Startzeitpunkt T1 des ersten Ausschnitts ermittelt und an die Kommunikationseinheit 33 übergeben werden, nicht dargestellt.
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In 4 ist nun eine zweite Vorrichtung 11 dargestellt, die zur Ermittlung eines zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS2 ebenfalls eine Antenne 30, eine Signalverarbeitungseinheit 31, eine Funk-Ausschnitts-Erfassungseinheit 32, eine Kommunikationseinheit 33, eine Uhr 34.1 und eine Steuereinheit 35 umfasst. Zusätzlich weist die zweite Vorrichtung 11 eine Korrelationseinheit 36 auf. In dieser Korrelationseinheit 36 wird nun ein von der zweiten Vorrichtung 11 erfasster zweiter Ausschnitt RS2 ermittelt und über die Uhr 34.1 ein Startzeitpunkt T2 zugewiesen. Empfängt die zweite Vorrichtung 11 über die Kommunikationseinheit 33 einen ersten Ausschnitt RS1 sowie den zugeordneten ersten Startzeitpunkt T1 wird dieser ebenfalls an die Korrelationseinheit 36 weitergegeben.
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In der Korrelationseinheit 36 wird nun eine Korrelation des ersten und des zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1, RS2 korreliert und somit ein zeitlicher Versatz D des ersten und des zweiten Ausschnittes RS1, RS2 zueinander oder der Zeitversatz d der Uhren 34.0 und 34.1 ermittelt. Mittels dieses Zeitversatzes d kann nun in der zweiten Vorrichtung 11 die Uhr 34.1 so korrigiert werden, dass sie mit der Echtzeituhr 34.0 der ersten Vorrichtung 10 synchron ist.
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Eine Vorrichtung kann auch derart ausgebildet sein, als erste sowie als zweite Vorrichtung zu arbeiten.
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5 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf 27 eines Umgebungs-Funksignals 25, 26. Das Signal 27 liegt im Empfänger beispielsweise der ersten oder zweiten Vorrichtung 10, 11, 13 in digitalisierter Form vor, d.h. codiert als zeitdiskrete Folge von wertdiskreten Signalwerten. Es erfolgt nun, nicht wie allgemein üblich, eine kontinuierliche Signalverarbeitung der Signalfolge 27, sondern es wird ein endlicher Zeitabschnitt des Signals 27 als Ausschnitt bzw. Snippet RS3 erfasst und gespeichert. Ein solcher Ausschnitt RS3 stellt also lediglich einen zeitlichen Ausschnitt des Signals, wie in 6 dargestellt, dar.
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Ein zeitlich begrenzter Ausschnitt RS3 kann beispielsweise das Signal 27 über eine Zeitdauer von 1 µs, 100 µs, 1 ms, 10 ms darstellen. Entsprechend der Zeitdauer des Ausschnitts RS3 und der Messgenauigkeit, die sich in der Größe eines Messwerts als 8 bit, 12 bit oder 16 bit Wert niederschlägt, ergibt sich eine Datenstruktur einer bestimmten Größe, beispielsweise 1 KByte oder 100 KByte. Diese Datenstruktur wird von einer ersten bzw. zweiten Vorrichtung 10, 11, 13 über ein Kommunikationsnetz 12 übermittelt und in einer Korrelationseinheit 36 mit einem zweiten Ausschnitt korreliert. Es erfolgt also keine Bearbeitung des Gesamtempfangssignals 27 sondern es werden nur einzelne Teilabschnitte des Umgebungssignals, die genannten zeitlich begrenzten Ausschnitte RS3 bzw. Snippets, bearbeitet.
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zeigt ein Beispiel, bei dem vier zeitlich begrenzte Ausschnitte RSi, RSi+1, RSi+2, RSi+3 erfasst werden. Die verschiedenen Ausschnitte können unterschiedlich lang sein, siehe RSi+2 und RSi+3. Sie können in zeitlich regelmäßigen Abständen oder wie hier dargestellt, in zeitlich unregelmäßigen Abständen erfasst werden und somit unregelmäßige Startzeitpunkte Ti, Ti+1, Ti+2, Ti+3, aufweisen. Ein Ausschnitt RSi, RSi+1, RSi+2, RSi+3 kann beispielsweise jede Millisekunde, jede Sekunde oder jede Minute erfasst werden. Im Allgemeinen sind Ausschnitte zeitlich nicht überlappend. Es ist jedoch auch möglich, dass einzelne Ausschnitte zeitlich überlappen.
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8 zeigt nun ein entsprechendes Verfahren zur Zeitsynchronisation einer ersten Vorrichtung 10 und einer zweiten Vorrichtung 11, 13, die über ein Kommunikationsnetz 12 verbunden sind, und die erste und die zweite Vorrichtung 10, 11, 13 jeweils ein Umgebungs-Funksignal 25, 26 von mindestens einem gemeinsamen Sender empfangen. Je breitbandiger und je frequenzaufgelöster ein Signal bzw. ein Ausschnitt RS daraus erfasst wird, umso schwerer ist es, dieses Signal unbemerkt zu verfälschen.
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Um eine Manipulation des ersten bzw. des zweiten Ausschnitts RS1, RS2 bei der Übertragung sicherzustellen, kann deren Übertragung kryptographisch beispielsweise durch die Bildung eines Nachrichtenauthentisierungscodes, auch Message Authentication Code MAC genannt, oder durch eine digitale Signatur der Nachricht geschützt werden.
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Um sicherzustellen, dass ein Ausschnitt ein aussagekräftiges Signal enthält, kann der von der ersten Vorrichtung gesendete Ausschnitt und/oder der von der zweiten Vorrichtung gesendete zweite Ausschnitt in der Korrelationseinheit 36 durch Korrelation mit einem Testausschnitt validiert werden. Als Testausschnitt kann beispielsweise ein weißes Rauschsignal verwendet werden. Bei einer Korrelation mit einem solchen Testausschnitt ergibt sich kein Korrelationspeak, wenn sich der untersuchte erste oder zweite Ausschnitt von einem weißen Rauschen unterscheidet.
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Das Verfahren startet, siehe Schritt 40, beispielsweise aufgrund eines bestimmten Ereignisses oder aber entsprechend einer vorgegebenen Regel. Im Verfahrensschritt 41 wird ein erster zeitlich begrenzter Ausschnitt RS1 eines ersten Umgebungs-Funksignals 25 und optional ein Startzeitpunkt T1 des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1 in der ersten Vorrichtung ermittelt. Im Verfahrensschritt 42 wird mindestens ein zweiter zeitlich begrenzter Ausschnitt RS2 eines zweiten Umgebungssignals 26 und optional jeweils der dazugehörige zweite Startzeitpunkt T2 einer zweiten Vorrichtung 11, 13 ermittelt. Zusätzlich zum ersten Ausschnitt RS1 bzw. zweiten Ausschnitt RS2 können Parameter, wie eine Dauer, einer erfasstes Spektrum, eine zeitliche Auflösung, eine Messgenauigkeit, etc. des ersten bzw. des zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1, RS2 ermittelt werden. Der erste sowie der mindestens eine zweite zeitlich begrenzte Ausschnitt RS1, RS2 werden über das Kommunikationsnetz übertragen und im Verfahrensschritt 43 in der Korrelationseinheit 36 empfangen und korreliert. Im Schritt 44 wird nun aus der zeitlichen Position eines Korrelationspeaks bezogen auf den zweiten Ausschnitt wird nun ein zeitlicher Versatz D des ersten zeitlich begrenzten Ausschnitts RS1 gegenüber dem zweiten zeitlich begrenzten Ausschnitt RS2 ermittelt. Aus der zeitlichen Lage des Korrelationspeaks kann auch das zeitliche Auftreten bzw. der Messzeitpunkt eines mit dem Ausschnitt übermittelten Signals bezogen auf die Uhr 34.1 einer zweiten Vorrichtung 11, 13 ermittelt werden.
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Optional kann aus der zeitlichen Position T2‘ des Korrelationspeaks P und des ersten Startzeitpunkts T1 jeweils bezogen auf den zweiten Startzeitpunkt T2 ein Zeitversatz d zwischen einer Uhr 34.0 der ersten Vorrichtung 10 und einer Uhr 34.1 der zweiten Vorrichtung 11, 13 ermittelt werden. Dieser zeitliche Versatz d kann beispielsweise zur ersten Vorrichtung 10 oder auch zur zweiten Vorrichtung 13 übermittelt werden und dort zur Synchronisation der Uhr 34.0 bzw. 34.1 verwendet werden. Damit ist das Verfahren beendet, siehe Schritt 45.
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Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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