DE102018131030A1

DE102018131030A1 - Funkknoten zum Betrieb in einem Funknetz in Umgebung eines Sperrgebiets

Info

Publication number: DE102018131030A1
Application number: DE102018131030.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Steckenreiter; Nicola Kleppmann
Original assignee: Kt Elektronik GmbH
Current assignee: Kt Elektronik GmbH
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-06-10
Also published as: EP3891900A1; WO2020114665A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Funkknoten, der zur Verwendung in einem vermaschten Netz ausgelegt ist, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Der Funkknoten sendet Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz und verwendet dabei Beamforming um die Funksignale gerichtet auszusenden und zwar dergestalt, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem vorgegebenen Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann basierend auf unterschiedlichen Kriterien gewählt sein.

Description

TECHNISCHER GEBIET
Erfindung betrifft unter anderem einen Funkknoten, der zur Verwendung in einem vermaschten Netz ausgelegt ist, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Einzelne Funktionen der Funkknoten können dabei mittels Software (z.B. Computerprogramm) realisiert werden, die auf einem oder mehreren Computer-lesbaren Speichermedien gespeichert sind. Bei dem vermaschten Netz kann es sich beispielsweise um ein Sensornetz handeln.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Sensornetze wurden ursprünglich als militärisches Frühwarnsystem zur Überwachung von Pipelines und Landesgrenzen konzipiert. Heute können Sensornetze in unterschiedlichsten Bereichen (zum Beispiels, in der Logistik/Warenverwaltung (z.B. in Lagerhäusern), zur Überwachung und/oder Steuerung von Produktionsanlagen, Kraftwerken, etc., zur Überwachung Naturschutzgebieten (z.B. auf Schadstoffe, Waldbrände und Tiermigrationen), etc.) eingesetzt werden - ihr Anwendungsgebiert ist ebenso vielfältig, wie die verfügbaren Sensoren.
Ein verteiltes Sensornetz besteht aus einer Vielzahl verteilte Sensorknoten, die miteinander kommunizieren. Sensornetze bezeichnen für gewöhnlich Netzwerke, in denen Daten von Sensoren erfasst und (drahtlos) übertragen werden. Über Sensornetze können die verschiedenen, von Sensoren erfassten Daten, z.B. physikalischen Größen, zur Datenerfassung oder zur Steuerung der Aktoren übertragen, die ebenfalls Teil des Sensornetzes bilden können. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Sensornetz und lokalen Netzen (LAN), WLANs und Mobilfunknetzen besteht darin, dass es sich bei den Sensor- und Aktordaten typischerweise um relativ geringe Datenmengen handelt. Diese Daten können drahtgebunden oder drahtlos übertragen werden. Die Transport- und Routingprotokolle sind in der Regel für geringe Datenmengen und/oder energiesparenden Betrieb optimiert, da die Sensorknoten oftmals mit Batterien betrieben werden und möglichst lange (oft mehrere Jahre) ohne Batteriewechsel betrieben werden sollen. Drahtlose Sensornetzen werden auch als Wireless Sensor Networks (WSN) bezeichnet.
Sensornetze sind oftmals Self Organized Networks (SON), wartungsfrei, störstrahlungsfest, batteriebetrieben und zeichnen sich durch einen äußerst geringen Stromverbrauch aus. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind klassische Techniken für den Aufbau und Betrieb von Ad-hoc-Netzn oftmals nicht ausreichend. Daher werden oftmals spezialisierte Protokolle eingesetzt, die die besonderen Eigenschaften drahtloser Sensornetze beachten.
Die einzelnen Sensorknoten eines Sensornetzes bestehen in der Regel aus einem Prozessor und einem Datenspeicher (z.B. ein Flash-Speicher). Dazu kommen ein oder mehrere Sensoren und ein Modul zur Funkkommunikation (Transceiver). Alle Bauteile des Sensorknoten werden in der Regel über eine Batterie mit Energie versorgt. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, die Sensorknoten an ein Stromnetz anzuschließen oder über ein Bussystem mit Strom zu versorgen. Die Bauteile des Sensorknotens können auf einem einzigen Computerchip untergebracht sein (System on Chip, SoC), was die Größe gegenüber zusammengesetzten Einzelkomponenten erheblich reduziert.
Wie bereits erwähnt bilden Sensornetze in der Regel vermaschte Ad-hoc-Netze. Moderne Ad-hoc-Netze konfigurieren sich selbsttätig und arbeiten autonom (d.h. ohne eine zentrale Instanz für das Netzwerkmanagement). Der Betrieb verwendet für den jeweiligen Netzwerktyp spezielle Netzwerkprotokolle und benutzt Gateways zu anderen Netzwerken (z.B. Internet, (W)LAN, Mobilfunknetz, etc.). Daten können über mehrere Stationen von Netzknoten (Sensorknoten) zu Netzknoten weitergereicht werden, bis sie ihren Empfänger erreicht haben.
Die Verwendung von Sensornetzen kann zum Beispiel in Industrie- und/oder Produktionsanlagen (z.B. in petrochemischen Produktionsanlagen) problematisch sein, da in bestimmten Bereichen der Industrie- und/oder Produktionsanlage Explosionsgefahr herrscht und daher das Einbringen von Funksignalen in diese Bereiche aus Sicherheitsgründen möglichst zu unterbinden ist. Insbesondere gepulste Funksignale mit hoher Energiedichte sind hier oftmals problematisch, und Industriebnormen (z.B. ISO/IEC Standard-Reihe 60079 und ISO/IEC Standard-Reihe 80079) legen allgemeine Anforderungen an die Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung von Geräten und Komponenten in explosionsgefährdeten oder explosiven Umgebungen fest. Auch wird häufig in Industrie- und/oder Produktionsanlagen empfindliche (Meß-)Elektronik eingesetzt, die vor übermäßigem Eintrag elektromagnetischer Energie durch Funkwellen geschützt werden muss.
Funkantennen strahlen ihre Leistung in der Regel omnidirektional in alle Richtungen ab. Auch bei direktional abgestrahlten Funksignalen kann durch Reflexion ein unerwünschter Leistungseintrag in Bereiche einer Industrie- und/oder Produktionsanlage erfolgen, die explosionsgefährlich oder aus anderen Gründen vor einem übermäßigen Funk-Leistungseintrag zu schützen ist. Durch manuelle Konfiguration der Abstrahlprofile der Antennen bzw. die Wahl entsprechender Antennen für die einzelnen Sensorknoten im Netz können solche Probleme umgangen werden, erfordern aber, dass das Sensornetz manuell konfiguriert wird. Das Hinzufügen neuer Netzknoten erfolgt entsprechend auch manuell.
Der Betrieb eines autonomen Ad-Hoc Netzes (vermaschten Netzes) ist hingegen in einem solchen Fall problematisch, da in der Regel neue Netzknoten nicht wissen, in welche Bereiche möglichst keine Funkleistung eingebracht werden darf. In vielen Protokollen für das Management von Ad-Hoc-Netzen „melden“ sich die neuen Netzknoten nach dem Einschalten automatisch (z.B. durch das Aussenden von Signalen), um anderen Netzknoten auf ihre Präsenz aufmerksam zu machen. Dabei besteht die Gefahr, dass neue Netzknoten auch in zu schützende Bereiche Funksignale mit unerwünscht hoher Leistung aussenden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von diesem Hintergrund stellt sich die technische Aufgabe, einen Funkknoten vorzuschlagen, der für den Betrieb in einem vermaschten Netz geeignet ist, ohne dabei Funksignale in einen „gesperrten“ Bereich zu senden. Dieser Bereich wird im Folgenden auch als „Sperrgebiet“ oder „Sperrzone“ bezeichnet. Ein solcher „gesperrter“ Bereich kann beispielsweise ein Bereich sein, in dem Funksignale nur mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Die maximale Energiedichte, die in einen solchen Bereich eingebracht werden darf kann beispielsweise durch eine Norm oder Standard vorgegeben sein, oder kann aber auch anwendungsspezifisch festgelegt werden. Alternativ kann ein solcher „gesperrter“ Bereich auch aus anderen Gründen als solcher definiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sendet ein neuer Funkknoten, der Teil eines vermaschten Netzes ist (auch als „Mesh-Netz“ bezeichnet, z.B. eine autonomes Ad-Hoc-Netz), Funksignale gerichtet so aus, dass die Energiedichte der Funksignale, die in mindestens ein Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner dem vorgegebenen Schwellenwert ist. Der Funkknoten bedient sich Beamforming (auch: spatial filtering), um die Funksignale in die gewünschte(n) Richtung(en) auszusenden („erlaubter Bereich“), während der Bereich des Sperrgebiets ausgespart wird. Beamforming erlaubt es, durch Signalverarbeitung die Sendeleistung eines von einem Antennenarray ausgesehenen Funksignale in eine bestimmte Richtung zu lenken. Der „erlaubte Bereich“, in die der Funknoten seine Funksignale aussenden darf, wird auch als Abstrahl-Sektor bezeichnet. Dabei kann es sich, je nach Anzahl und Lage der Sperrgebiete im Funkbereich des Funkknotens um einen Abstrahl-Sektor oder um mehrere Abstrahl-Sektoren handeln, die die „erlaubte Bereich“ für die Abstrahlung der Funksignale definieren.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Funkknoten zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Der Funkknoten umfasst eine Sende-Empfangseinheit, um Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz zu senden. Die Sende-Empfangseinheit ist so eingerichtet, dass sie ein Funksignal erzeugen und mittels Beamforming gerichtet so aussenden kann, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner dem vorgegebenen Schwellenwert ist.
Der Funkknoten kann ferner einen Speicher umfassen. Der Speicher kann beispielsweise Informationen zu den einen oder mehreren Abstrahl-Sektoren speichern, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf. Der eine oder die mehreren Abstrahl-Sektoren definieren eine „erlaubte Bereich“ für die Abstrahlung der Funksignale.
Alternativ kann der Speicher auch Karteninformationen speichern, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren. Beispielsweise kann eine Prozessoreinheit des Funkknotens, basierend auf den Karteninformationen den einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren bestimmen, in die die Sende-Empfangseinheit Daten mittels eines Funksignals gerichtet aussenden darf. Optional können die so ermittelten einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren ebenfalls im Speicher oder einem anderen (flüchtigen) Speicher des Funkknotens zur weiteren Verwendung bei der Steuerung der Abstrahlrichtung(en) der Funksignale des Funkknotens verwendet werden. Entsprechend kann die Sende-Empfangseinheit des Funkknotens weiter eingerichtet sein, ein Funkbaken-Signal mittels Beamforming gerichtet nur innerhalb des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren auszusenden, so dass das mindestens eine Sperrgebiets ausspart wird. Das Funkbaken-Signal zeigt zum Beispiel die Verfügbarkeit des vermaschten Netzes an und ermöglicht anderen Funkknoten, die relative Richtung zu bestimmen, aus der sie das Funkbaken-Signal empfangen haben. Ein Funkknoten, der ein solches Funkbaken-Signal empfängt, kann anhand des Signals die relative Richtung bestimmen, aus der das Signal empfangen wurde und diese Information dazu nutzen, seine Funksignale in diese Richtung auszurichten. So kann sichergestellt werden, dass selbst in dem Fall, dass der Funkknoten bei Inbetriebnahme keine Informationen zur Lage des einen oder der mehreren Sperrgebiete hat, beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener „gesperrter“ Bereich ausgespart wird. Da der Funkknoten aus der ermittelten Richtung zuvor ein Funkbaken-Signal empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass entlang dieser Ausstrahlrichtung kein „gesperrter“ Bereich liegen kann.
Alternativ oder zusätzlich zu den Karteninformationen, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren, kann der Speicher des Funkknotens auch Karteninformationen speichert, die die Position eines oder mehrerer anderer Funkknoten in einer digitalen Karte definieren. Basierend auf diesen Informationen kann die Sende-Empfangseinheit dazu veranlasst werden, ein Funksignal mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des anderen Funkknotens zu senden. Beispielsweise kann dazu die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet sein, die Position der anderen Funkknoten in der digitalen Karte von einem weiteren Funknoten zu empfangen oder basierend auf einem Funkbaken-Signal, das von einem anderen Funkknoten empfangen wurde, zu bestimmen. Ferner ist es möglich, dass die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Richtung des anderen Funkknotens bezüglich des Funkknotens selbst basierend auf der Position des anderen Funkknotens zu bestimmen.
Das Funksignal, das vom Funkknoten in die Richtung des anderen Funkknotens gesendet wird, kann beispielsweise eine Registrierungs-Nachricht sein, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren. Alternativ kann es sich bei dem Funksignal um ein Funksignal handeln, das Sensordaten eines Sensors enthält. Der Sensor kann im Funkknoten enthalten oder mit diesem verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Speicher des Funkknotens, alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Karteninformation, auch Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens speichern. Die Karteninformationen der topologischen Karte können beispielsweise von einem weiteren Funkknoten im vermaschten Netz, und/oder über eine im Funkknoten integrierte (zusätzliche) Schnittstelle empfangen werden. Bei dieser (zusätzlichen) Schnittstelle kann es sich um eine drahtgebundene Schnittstelle handeln, die beispielweise die Datenübertragung von einem Wechselspeichermedium ermöglicht. Das Wechselspeichermedium kann die Karteninformationen zur Verfügung stellen und diese können vom Speichermedium in einen vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher des Funkknotens geladen werden. Ebenso ist es möglich, dass es sich bei der (zusätzlichen) Schnittstelle um eine drahtlose Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik handelt. Karteninformationen können über diese drahtlose Schnittstelle dem Funkknoten zur Verfügung gestellt werden.
Die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eingerichtet sein, basierend auf der die Karteninformationen der topologischen Karte einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf zu bestimmen. Die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens kann eingerichtet sein, den einen oder die mehreren Abstrahl-Sektoren unter Berücksichtigung einer Reflexion/Reflexionen der vom der Sende-Empfangseinheit ausgesendeten Funksignale an topologischen Hindernissen, wie zum Beispiel Gebäude, Hügel, etc., in der topologischen Karte zu bestimmen. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet sein, basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte die Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die in das mindestens eine Sperrgebiet eingebrachte Energiedichte unter dem vorgegebenen Schwellwert gehalten wird. Ebenso ist es möglich, dass die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte die Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die abgestrahlte Sendeleistung des Funksignals in Richtung eines benachbarten Funkknotens maximiert wird, ohne dabei die im mindestens einen Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten. Die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens kann optional auch so eingerichtet sein, um bei der Berechnung der Sendeleistung für das Funksignal die Reflexion(en) des Funksignals an einem oder mehreren Hindernissen in der topologischen Karte zu berücksichtigen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet, die Position des Funkknotens in der digitalen Karte durch Triangulation basierend auf mehreren Funkbaken-Signalen und/oder anderen Funksignalen zu bestimmen, wobei die Funkbaken-Signale bzw. die anderen Funksignale von anderen Funkknoten im vermaschten Netz empfangen werden.
Der Funkknoten kann eine Prozessoreinheit umfassen, die den Funkknoten nach seiner Aktivierung zunächst in einem Zuhör-Modus betreibt, in dem das Senden von Funksignalen durch die Sende-Empfangseinheit des Funkknotens unterbunden wird. Der Funkknoten versucht im Zuhör-Modus Funkbaken-Signale von anderen im vermaschten Netz integrierten Funkknoten zu empfangen. Die Prozessoreinheit kann zum Beispiel nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne einen der anderen Funkknoten auswählen, und die Sende-Empfangseinheit veranlassen, eine Registrierungs-Nachricht an den gewählten Funkknoten zu senden, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren. Das die Registrierungs-Nachricht enthaltenden Funksignal kann beispielsweise von der Sende-Empfangseinheit mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des gewählten Funkknotens gesendet werden, so dass das mindestens eine Sperrgebiet ausgespart wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Sende-Empfangseinheit des Funkknotens eingerichtet, das Funksignal mittels Beamforming gerichtet so auszusenden, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem (niedrigeren) zweiten vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der zweite vorgegebene Schwellenwert eine Energiedichte für das mindestens eine Sperrgebiet so beachtet, dass ein Empfang von vom Funkknoten ausgesendeten Funksignalen im mindestens einen Sperrgebiet nicht möglich ist. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, Datenempfang im Sperrgebiet sicher auszuschließen. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn das Netz in der Nähe von Strafanstalten, Hochsicherheitsbereichen, medienfreien Bereichen im öffentlichen Raum, etc. betrieben werden soll. Es ist grundsätzlich auch möglich, für unterschiedliche Sperrgebiete (bzw. Sperrgebietstypen) unterschiedliche Schwellenwerte zu definieren/konfigurieren.
Der Funkknoten kann ferner auch eingerichtet sein, extern berechnete Funkrichtungen für seine Funksignale und entsprechend zugeordnete Sendeleistungen von einer externen Einheit zu empfangen. Diese externe Einheit kann ein anderer Funkknoten sein, eine zentrale Recheneinheit, ein Speichermedium, etc. Die Sende-Empfangseinheit kann entsprechend das Funksignal in eine der berechneten Funkrichtungen mit der zugeordneten Sendeleistung zu senden.
Umfangreiche Berechnungen, z.B. die Reflexion und Dämpfung von Funksignalen unter Berücksichtigung von Kartenmaterial (z.B. bei hohem Detailgrad) erfordern womöglich eine Rechenleistung, die von einem Funkknoten nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Daher wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, zumindest einen Teil solch rechenintensiver Aufgaben/Funktionen extern in einer zentralen Recheneinheit (die nicht Bestandteil des Funkknotens ist, z.B. ein Server) auszuführen. Die von der zentralen Recheneinheit so gewonnen Daten können wiederum an den Funkknoten zur Nutzung übermittelt werden (z.B. mittels Funksignalen oder über eine andere Schnittstelle) und der Funkknoten kann diese Daten intern, möglichst nicht-flüchtig, speichern. Zum Beispiel können bestimmte Parameter, wie die Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen, und/oder die Berechnungen von Signalreflexion und/oder -Dämpfung und/oder Bestimmung von Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens im Rahmen einer Simulation des Mesh-Funknetzes, die durch eine zentrale Recheneinheit ausgeführt wird, bestimmt werden. Diese Parameter können anschließend an den Funkknoten übertragen werden. Beispielsweise könnten die Parameter (z.B. optimalen Funkrichtungen und/oder Sendeleistungen und/oder Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens) extern berechnet und an den Funknetzknoten für die weitere Nutzung gesendet werden. Beispielsweise kann die zyklische externe Durchrechnung und Optimierung von Senderichtungen und Sendeleistungen und/oder die Berechnungen von Signalreflexion und/oder -Dämpfung und/oder Bestimmung von Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens für alle vermaschten Knoten des Funknetzes erfolgen.
Vor diesem Hintergrund betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für einen (solchen) Funkknoten durch eine zentrale Recheneinheit. Die zentrale Recheneinheit kann beispielsweise ein Server sein. Das Verfahren umfasst das Empfangen von Daten, die die Positionen der Funkknoten im vermaschten Netz angeben, an der zentralen Recheneinheit; ein Ermitteln von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für mindestens einen der Funkknoten unter Verwendung von topologischen Karteninformationen und optional weiteren Karteninformationen; und Übertragen der ermittelten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen an den mindestens einen Funkknoten. Dabei können für jeden Funkknoten des vermaschten Netzes optional auch Kenndaten der Übertragung, insbesondere Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder Datendurchsatz und/oder Latenz gesammelt werden, und diese Kenndaten zur iterativen Optimierung der an die Knoten zurückgelieferten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen verwendet werden. Die Optimierung kann vorzugsweise mittels selbstlernender Algorithmen erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten. Das Verfahren umfasst eine Berechnung von Reflexionen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte. Sendeleistungen und Senderichtungen, die in einem oder mehreren Sperrgebieten zu Energiedichten über einem vorgegebenen Schwellwert führen, werden für den Funkknoten ausgeschlossen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten, das umfasst eine Berechnung von Dämpfungen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte umfasst. Sendeleistungen und Senderichtungen zu benachbarten Funkknoten werden dabei so gewählt werden, dass die Sendeleistung maximiert wird, ohne eine in dem mindestens einem Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten. Das Verfahren umfasst ein Optimieren der Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder des Datendurchsatzes und/oder der Latenz für das gesamte vermaschte Netz basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte durch Festlegung von bevorzugten Senderichtungen und zugehörigen Sendeleistungen für die einzelnen Funkknoten. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten. Das Verfahren umfasst ein Berechnen von nicht auf einer Sichtlinie liegenden Senderichtungen, insbesondere indirekte Senderichtungen mit mindestens einer Reflexion, zu einem benachbarten Funkknoten basierend auf einer topologischen Karte unter Berücksichtigung von Reflexion und Dämpfung von zu sendenden Funksignalen. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten können (auch in den vorgenannten Verfahren), basierend auf einer topologischen Karte durch Hindernisse gesperrte Senderichtungen für den Funkknoten ausgeschlossen werden. Optional umfassen die Verfahren ferner die Bestimmung eines oder mehrerer Abstrahl-Sektoren für den Funkknoten. Die berechneten Daten können an den Funkknoten übertragen werden und von diesem, vorzugsweise nicht flüchtig, zur Steuerung der Funksignalübertragung abgespeichert werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

1 zeigt ein beispielhaftes Sensornetz, das aus vier bereits in das Netz integrierten Knoten A, B, C, und D steht, und in das ein neuer Netzknoten X integriert werden soll, wobei im Bereich des Sensornetzes ein Sperrgebiet liegt,
2 zeigt das Sensornetz aus 1, nachdem der Knoten X im Sensornetz integriert wurde,
3 zeigt die Berücksichtigung von topologischen Gegebenheiten, zum Beispiel Gebäuden G1, Bestimmung der Abstrahlung-Sektoren, in denen der Netzknoten X seine Funksignale aussendet, um zu verhindern, dass Funksignale in das Sperrgebiet abgestrahlt werden,
4 zeigt ein Flussdiagrammgemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dass die einzelnen Operationen des neuen Netzknoten, zum Beispiel Netzknoten X, und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel Knoten A, die ausgeführt werden, um den neuen Netzknoten im Netz zu integrieren,
5 zeigt ein Flussdiagrammgemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dass die einzelnen Operationen des neuen Netzknoten, zum Beispiel Netzknoten X, und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel Knoten A, die ausgeführt werden, um den neuen Netzknoten im Netz zu integrieren
6 zeigt ein Beispiel, wie der Netzknoten X basierend auf Informationen zu den Abstrahl-Sektoren der anderen im Netz integrierten Netzknoten A, B, C und D, die Lage des Sperrgebiets S1 bestimmen kann,
7 illustriert beispielhaft die Definition eines dreidimensionalen Sperrgebiets,
8 zeigt einen Funkknoten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.,
9 zeigt ein Beispiel von Routen zwischen den einzelnen Funkknoten des vermaschten Netzes, wie sie auf der Ebene des Routingprotokolls gebildet werden.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen betrifft die Erfindung den Betrieb eines vermaschten Netzes aus mehreren Funkknoten, das ausgehend von einem initial vorhandenen Netz, das manuell konfiguriert worden sein kann, autonom und ohne zentrale Instanz zum Netzwerkmanagement betrieben werden kann. Das vermaschte Netz kann beispielsweise ein Sensor-Netz sein, das Sensoren und optional auch Aktoren enthält. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Sensornetze beschränkt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Protokolle zur Integration neuer Funknoten im Netz selbst so ausgestaltet, dass sichergestellt werden kann, dass „gesperrte“ Gebiete beim Aussenden von Funksignalen durch die einzelnen Funkknoten ausgespart werden. Dadurch kann die in ein Sperrgebiet eingebrachte Leistungsdichte der Funksignale unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts gehalten werden, so dass in den Sperrgebiet auch Einrichtungen betrieben werden können, die durch einen zu hohen Eintrag von Leistung durch die Funksignale gestört, beschädigt oder gar zum Explodieren gebracht werden könnten. Bei dem vermaschten Netz kann es sich beispielhaft um Ad-hoc-Netz handeln, dass in einer Industrie- oder Produktionsanlage betrieben wird. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Erfindung lässt sich auch in anderen Sensornetzen nutzen, die beispielsweise Parameter in Haushalten erfassen (z.B. den Energieverbrauch, Gasverbrauch, Fernwärmeverbrauch, etc.) und an eine zentrale Einheit übertragen, wobei die Haushalte in einem Bereich liegen, der auch ein Sperrgebiet im Sinne dieser Erfindung umfasst. Ein weiteres beispielhaftes Einsatzgebiet eines erfindungsgemäßen vermaschten Netzes sind Industrie- und/oder Produktionsanlagen oder auch Labore, die empfindliche Messtechnik einsetzten, die durch den Leistungseintrag elektromagnetischer Funkwellen gestört werden könnte. Die Erfindung kann auch eingesetzt werden um sicherheitskritische Aspekte zu adressieren: Beispielsweise dürfen in Justizvollzugsanstalten die Insassen keinen Funkempfang haben. Ein weiteres Beispiel und auch sicherheitskritischen Anlagen, in denen Signale nur innerhalb der Anlage erfassbar sein dürfen.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Funkknoten, der zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Der Funkknoten sendet Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz und verwendet dabei Beamforming um die Funksignale gerichtet auszusenden. Die Funksignale werden dabei vom Funkknoten so gerichtet ausgesendet, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem vorgegebenen Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann basierend auf unterschiedlichen Kriterien gewählt sein. Der Schwellenwert kann so gewählt sein, dass die in ein Sperrgebiet eingebrachte Leistungsdichter der Funksignale einen Standard/eine Norm erfüllt, so dass sich der Funkknoten auch im Bereich eines Sperrgebiets betrieben werden kann, in dem durch einen zu hohen Eintrag von Leistung durch die Funksignale Elemente/Sensoren/Aktoren im Bereich des Sperrgebiets gestört, beschädigt oder gar zum Explodieren gebracht werden könnten. Der Schwellenwert kann auch so gewählt werden, dass der Empfang (insbesondere die Dekodierung der Daten) des Funksignals in einem Sperrgebiet (z.B. Justizvollzugsanstalt) nicht möglich ist. Den unterschiedlichen Sperrgebieten können dabei unterschiedliche Schwellenwerte zugewiesen werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist die Bestimmung des „erlaubten Bereichs“, in dem ein jeweiliger Funkknoten aussenden darf. Dieser „erlaubte Bereich“ kann zwei-dimensional ausgestaltet sein (z.B. im Sinne eines oder mehrerer Sektoren in einer (Bezugs-)Ebene), oder auch drei-dimensional (z.B. in unterschiedlichen (Bezugs-)Ebenen) definiert sein. Der Funkknoten kann beispielsweise Informationen zu den Abstrahl-Sektoren speichern, in die der Funkknoten seine Funksignale gerichtet aussenden darf. Der eine oder die mehreren Abstrahl-Sektoren definieren einen „erlaubte Bereich“ für die Abstrahlung der Funksignale.
Alternativ könnte die Karteninformationen, die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren. Der Funkknoten könnte mit Hilfe der Karteninformationen einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren bestimmen, in die Daten mittels eines Funksignals gerichtet aussendet werden dürfen. Optional können die so ermittelten einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren in einem (flüchtigen oder nicht-flüchtigen) Speicher des Funkknotens zur weiteren Verwendung/Widerverwendung bei der Steuerung der Abstrahlrichtung(en) der Funksignale des Funkknotens gespeichert werden.
Ein Beispiel für die Signale, die von einem Funknoten ausgesendet werden, sind Funkbaken-Signale, die mittels Beamforming gerichtet nur innerhalb des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren ausgesendet werden, so dass das/die Sperrgebiet(e) im Bereich des Funkknotens ausspart wird/werden. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, wird mittels der Funkbaken-Signale die Verfügbarkeit des vermaschten Netzes anzeigt. Die Funkbaken-Signale ermögliche anderen Funkknoten, die relative Richtung zu bestimmen, aus der sie das Funkbaken-Signal empfangen haben, so dass auch neue Knoten, die sich in das Netz integrieren wollen, wissen, in welche Richtung sie senden können, ohne dabei ihre Funksignale in ein Sperrgebiet zu senden. So kann sichergestellt werden, dass selbst in dem Fall, dass ein Funkknoten (z.B. bei seiner Inbetriebnahme) keine Informationen zur Lage des einen oder der mehreren Sperrgebiete hat, beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener „gesperrter“ Bereich ausgespart wird. Da der Funkknoten aus der ermittelten Richtung zuvor ein Funkbaken-Signal empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass entlang dieser Ausstrahlrichtung kein „gesperrter“ Bereich liegen kann.
Alternativ oder zusätzlich zu den Karteninformationen, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren, können die Karteninformationen auch Informationen enthalten, die die Position mindestens eines anderen Funkknotens in einer digitalen Karte definieren. Die Position des mindestens einen anderen Funkknotens in der digitalen Karte (und optional seine Kennung) kann von einem weiteren Funknoten empfangen werden, oder alternativ können die Karteninformationen auch über eine andere Schnittstelle an den Funkknoten übertragen werden. Der Funkknoten kann beispielsweise seine eigene Position durch Triangulation basierend auf mehreren Funkbaken-Signalen bestimmen. Sofern die Funkbaken-Signale auch die Kennung der jeweiligen aussendenden Funkknoten enthalten, kann der Funkknoten empfangen basierend auf dem Karteninformationen und der Position der anderen Funkknoten in der Karte seine absolute Position in der Karte bestimmen. Ferner ist es möglich, dass der Funkknoten, die Richtung der anderen Funkknoten bezüglich des Funkknotens selbst basierend auf den in der Karte definierten Positionen der anderen Funkknoten bestimmt.
Die zur Triangulation verwendeten Funksignale, könnten aber auch Signale anderer Funkknoten sein, die eine Registrierungs-Nachricht enthalten, oder die Sensordaten eines Sensors, der im sendenden Funkknoten enthalten oder mit diesem verbunden ist, aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Funkknoten, alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Karteninformation, auch Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens speichern. Bei den Informationen zur Umgebung des Funkknotens (z.B. Geoinformationen und/oder Geodaten) kann es sich beispielsweise um Informationen zu Gebäuden oder anderen Funk-Hindernissen im Bereich des Funkknotens handeln. Diese Gebäudeinformationen könnten sehr detailliert sein: Beispielsweise handelt es sich dabei um ein Modell oder Bauplan des Gebäudes, in dem sich der Funkknoten befindet. Dieses/Dieser könnten optional mit Informationen zur Beschaffenheit/Material von Wänden und/oder Decken ergänzt sein. Die Gebäudeinformationen könnten auch entsprechende Informationen über benachbarte Gebäude enthalten, die Umfeld bzw. Funkbereich des Funkknotens liegen. Solche Informationen könnten vom Funkknoten benutzt werden, um bei der Festlegung seines einen oder seiner mehreren Abstrahl-Sektoren auch Reflexionen des Funksignals durch das Gebäude, in dem sich der Funkknoten befindet, und/oder durch umliegende Gebäude oder andere Hindernisse im Bereich des Funkknotens zu berücksichtigen. Zusätzlich oder alternativ dazu könnten diese Informationen vom Funkknoten auch dazu genutzt werden, um die Sendeleistung für die einzelnen Funksignale und/oder deren Dämpfung zu bestimmen. Basierend auf den Daten bezüglich Reflexion und/oder Dämpfung, und optional zusätzlich der Sendeleistung, könnte der Funkknoten auch die Senderichtung der Funksignale, insbesondere den „erlaubten Bereich“ (Abstrahl-Sektor(en)) bestimmen, in die er die Funksignale aussenden darf.
Da bei der Berechnung von Signalreflexionen und Signal-Dämpfung unter Berücksichtigung von Kartenmaterial (z.B. bei hohem Detailgrad) eine Rechenleistung erforderlich sein kann, die von einem Funkknoten womöglich nicht zur Verfügung gestellt werden kann, wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zumindest einen Teil dieser rechenintensiven Berechnungen/Operationen, extern in einer zentralen Recheneinheit ausgeführt. Die dezentral berechneten Daten können anschließend im Funkknoten gespeichert werden. Zum Beispiel kann die Berechnung von bestimmten Parametern, wie die Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen, im Rahmen einer Simulation des Mesh-Funknetzes, die durch eine zentrale Recheneinheit ausgeführt wird, erfolgen. Die so bestimmten Parameter könnten anschließend an den Funkknoten übertragen werden. Beispielsweise kann die zyklische externe Durchrechnung und Optimierung von Senderichtungen und Sendeleistungen für alle vermaschten Knoten des Funknetzes erfolgen.
Entsprechend weiterer Ausführungsformen der Erfindung wird ein Verfahren zur Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für einen solchen Funkknoten durch eine zentrale Recheneinheit vorgeschlagen. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens umfasst beispielsweise das Empfangen von Daten, die die Positionen der Funkknoten im vermaschten Netz angeben, durch eine zentrale Recheneinheit. Bei der Position des Funkknotens kann es sich beispielweise um die absolute Position eines Funkknotens in einem Bezugskoordinatensystem handeln. Dieses Bezugskoordinatensystem kann einer digitalen/topologischen Karte zugrunde liegen, die von der zentralen Recheneinheit bei ihren Berechnungen berücksichtigt wird. Die zentrale Recheneinheit kann dabei Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für mindestens einen der Funkknoten unter Verwendung von topologischen Karteninformationen und optional weiteren Karteninformationen (z.B. Gebäudeinformationen, die für die Ausbreitung der Funkwellen relevant sind bzw. diese beeinflussen) ermitteln. Anschließend werden die ermittelten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen an den mindestens einen Funkknoten übertragen und dort in einem Speicher abgespeichert. Dabei können für jeden Funkknoten des vermaschten Netzes optional auch Kenndaten der Übertragung, insbesondere Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder Datendurchsatz und/oder Latenz gesammelt werden. Diese Kenndaten können zur iterativen Optimierung der an die Knoten zurückgelieferten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen verwendet. Die Optimierung kann vorzugsweise mittels selbstlernender Algorithmen implementiert sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel berechnet Reflexionen der Sendeleistung für horizontale und vertikale Senderichtungen der Funksignale des Funkknotens basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte. Sendeleistungen und Senderichtungen, die in einem oder mehreren Sperrgebieten zu Energiedichten über einem vorgegebenen Schwellwert führen, werden dabei für den Funkknoten ausgeschlossen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren, das eine Berechnung von Dämpfungen der Sendeleistung für horizontale und vertikale Senderichtungen basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte umfasst. Sendeleistungen und Senderichtungen zu benachbarten Funkknoten werden auch hier so gewählt werden, dass die Sendeleistung maximiert wird, ohne eine in dem mindestens einem Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ebenfalls die Senderichtung und/oder die Sendeleistung für die Funksignale eines Funkknotens in der zentralen Recheneinheit berechnet. Dabei kann auch eine Optimierung der Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder des Datendurchsatzes und/oder der Latenz für das gesamte vermaschte Netz basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte durch Festlegung von bevorzugten Senderichtungen und zugehörigen Sendeleistungen für die einzelnen Funkknoten erfolgen. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
Ein weiteres Verfahren berechnet die Senderichtung und/oder die Sendeleistung für einen Funkknoten, beispielsweise in einer zentralen Recheneinheit, wobei dabei ein Berechnen von nicht auf einer Sichtlinie liegenden Senderichtungen, insbesondere indirekte Senderichtungen mit mindestens einer Reflexion, zu einem benachbarten Funkknoten erfolgt, dass auf einer topologischen Karte beruht und wobei Reflexion und Dämpfung der zu sendenden Funksignale berücksichtigt wird. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten können (auch in den vorgenannten Verfahren), basierend auf einer topologischen Karte durch Hindernisse gesperrte Senderichtungen für den Funkknoten ausgeschlossen werden.
Da die Menge der Karteninformationen der topologischen Karte sehr umfangreich sein kann, können die Karteninformationen vom Funkknoten beispielsweise über eine im Funkknoten integrierte (zusätzliche) Schnittstelle empfangen werden. Auch dezentral berechnete Parameter könnten dem Funkknoten über diese Schnittstelle eingespielt werden. Bei dieser (zusätzlichen) Schnittstelle kann es sich um eine drahtgebundene Schnittstelle, beispielsweise für den Anschluss eines Wechselspeichermediums, das die Karteninformationen und/der Parameter zur Verfügung stellt, handeln. Es ist auch möglich, die (zusätzliche) Schnittstelle als drahtlose Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik auszugestalten und die Karteninformationen und/oder dezentral bestimmten Parameter über diese drahtlose Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden.
Die grundsätzliche Funktionsweise des Registrierungsverfahrens zur Integration eines neuen Funkknotens in das vermaschten Netz wird im Folgenden näher mit Bezug auf 1 erläutert. 1 zeigt ein beispielhaftes vermaschtes Netz, das aus vier bereits in das Netz integrierten Knoten A, B, C, und D besteht, und in das ein neuer Netzknoten X integriert werden soll. Die im Netz integrierten Knoten A, B, C und D spannen ein vermaschtes Netz auf, in dessen Gebiet auch das Sperrgebiet S1 liegt. In 1 wird beispielhaft angenommen, dass die einzelnen Knoten A, B, C und D das initiale oder minimale Netz bilden, von dem ausgehend weitere Knoten in das vermaschten Netz integriert werden können. In diesem Fall können die Knoten A, B, C und D manuell konfiguriert worden sein, d. h. sie verfügen über eine genaue Kenntnis ihrer absoluten Position (optional auch der absoluten Position der anderen drei Funkknoten) in einem Bezugskoordinatensystem, sowie optional über topologische Informationen der Umgebung im Bereich des vermaschten Netzes und die Lage von einem oder mehreren Sperrgebieten, wie Sperrgebiet S1, die im Bereich des vermaschten Netzes liegen, und in die nach Möglichkeit keine Funksignale (und wenn nur mit einer Leistungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts) eingebracht werden sollen. Die einzelnen Funkknoten A, B, C und D, die bereits in das Netz integriert sind, wissen daher, welchen Sektor sie auszusparen müssen, um sicherzustellen dass keine Funksignale in der Sperrgebiet S1 mit einer zu hohen Leistungsdichte eingebracht werden. In 1 werden die „zulässigen“ Abstrahl-Sektoren A1, B1, C1 und D1 gezeigt, in die die jeweiligen Funkknoten ihre Funksignale senden dürfen. Die Daten für diese initiale Konfiguration können beispielsweise über eine Schnittstelle der Funkknoten A, B, C und D eingelesen werden.
Wie in 1 ersichtlich, kann der Funkknoten B nicht direkt mit dem neuen Funkknoten X kommunizieren, da das Sperrgebiet S1 zwischen den beiden Knoten auf ihrer Sichtlinie liegt. Entsprechend kann der neue Funkknoten X nur die Funkbaken-Signale B_A1 , B_C1 und B_D1 der Funkknoten A, C und D empfangen, wie exemplarisch in 1 dargestellt wird. Die Funkbaken-Signale B_A1 , B_B1 , B_E1 und B_D1 werden von den Netzwerkknoten A, B, C und D mittels Beamforming so gerichtet ausgesendet, dass die von der jeweiligen Antenne der Funkknoten A, B, C und D ausgestrahlte Leistung im jeweiligen Abstrahl-Sektor A1, B1, C1 und D1 des jeweiligen Funkknotens ausgesendet wird. Dadurch stellen die Funkknoten sicher, dass der Leistungsantrag in der Sperrgebiet S1 unterhalb eines Schwellenwerts liegt. Der Schwellenwert kann beispielsweise anwendungsspezifisch festgelegt werden und/oder durch einen Standard vorgeschrieben sein. In einem Ausführungsbeispiel ist der Schwellenwert so gewählt, dass der Empfang (insbesondere die Dekodierung der Daten) des Funksignals in einem Sperrgebiet (z.B. Justizvollzugsanstalt) nicht möglich ist.
Der neue Funkknoten X, der in das vermaschte Netz integriert werden möchte, sendet zunächst selbst keine Funksignale aus, um so sicherzustellen, dass er nicht aus Versehen ein Funksignal in ein Sperrgebiet sendet. Der Funkknoten X überwacht stattdessen den Funkkanal auf dem die Funkknoten miteinander kommunizieren und bestimmt, ob er ein oder mehrere Funkbaken-Signale von anderen Funkknoten, hier Funkknoten A, C und D, empfängt. Basierend auf diesen Funkbaken-Signalen B_A1 , B_C1 und B_D1 der anderen Funkknoten A, C, D im vermaschten Netz kann der Funkknoten X die relative Richtung der Funkknoten A, C, D ermitteln, von denen er ein jeweiliges Funkbaken-Signal B_A1 , B_C1 und B_D1 empfangen hat. Basierend auf der Annahme, dass die anderen Funkknoten A, C und D selbst nicht in das Sperrgebiet S1 senden dürfen, weiß der Funkknoten X, dass der jeweiligen relativen Richtung aus der Funkbaken-Signale B_A1 , B_C1 und B_D1 empfangen werden nicht durch das Sperrgebiet hindurchführen können und somit der Funkknoten X in diese Richtung selbst senden kann.
Der Funkknoten X kann also in eine der relativen Richtungen, aus denen er ein Funkbaken-Signal empfangen hat, selbst ein Funksignal senden, das eine Registrierung für das vermaschte Netz enthält (und damit gleichsam einen bereits integrierten Funkknoten auswählen und eine Registrierungs-Nachricht an diesen senden). Nach Erhalt der Registrierungs-Nachricht durch einen der bereits im Netz integrierten Funkknoten A, C oder D kann dieser Funkknoten den neuen Funkknoten X im Netz integrieren. Dies geschieht beispielsweise dadurch dass der jeweilige Funkknoten, der bereits im Netz integriert ist, seine Routing-Tabelle entsprechend um den Funkknoten X ergänzt optional auch die anderen Funkknoten über den neuen Funkknoten X informiert. Dazu kann der Funkknoten ebenfalls die relative Richtung des Funkknoten X anhand des Funksignals, das die Registrierungs-Nachricht überträgt ermitteln und entsprechend speichern. Damit wird der Funkknoten in die Lage versetzt für eine Kommunikation mit den Funkknoten X das Funksignal ebenfalls die korrekte relative Richtung aussenden, ohne den Leistungseintrag durch das Funksignal in das Sperrgebiet S1 zu erhöhen.
Ferner kann der Funkknoten, der die Registrierungs-Nachricht von Funkknoten X erhalten hat, die Registrierung durch eine entsprechende Bestätigungsnachricht bestätigen. Diese Bestätigungsnachricht wird ebenfalls per Funksignal gerichtet in die ermittelte relative Richtung des Funkknotens X ausgesendet, so dass wiederum das Sperrgebiet S1 ausgespart werden kann. Mittels der Bestätigungsnachricht kann der jeweilige bereits im Netz integrierte Funkknoten dem Funkknoten X auch weitere Konfigurationsinformationen zukommen lassen. Die Konfigurationsinformationen umfassen beispielsweise die absolute Position der anderen Funkknoten im vermaschten Netz (soweit ihm bekannt), die absolute Lage und Ausdehnung des Sperrgebiets S1 im Bezugskoordinatensystem, etc. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Konfigurationsinformationen kann der Funkknoten X einen Abstrahl-Sektor X1 bestimmen, wie in 2 gezeigt, und/oder basierend auf den Konfigurationsinformationen und seiner bekannten relativen Position seine absolute Position relativ zu den anderen Funkknoten A, B, C und D bestimmen.
Die Konfigurationsinformationen, die der Funkknoten X von einem der anderen bereits im Netz integrierten Funkknoten empfängt, können auch Informationen hinsichtlich der Topologie in der Umgebung des Funkknotens X enthalten (z.B. 2D, 2.5D oder 3D-Kartenmaterial). Basierend auf diesen topologischen Informationen (z.B. Geoinformationen und/oder Geodaten), die von einem oder mehreren anderen Funkknoten erhalten werden, kann der Funkknoten X zusammen mit seiner absoluten Position im Bezugskoordinatensystem nicht nur die genaue relative Lage des Sperrgebiets S1 bezüglich der Position des Funkknotens X bestimmen, sondern auch topologische Eigenheiten der Umgebung ermitteln, die zum Beispiel eine Reflexion/Dämpfung der vom Funkknoten X ausgesendeten Funksignale in Richtung des Sperrgebiets S1 bewirken könnten. Diese zusätzlichen topologischen Informationen kann der Funkknoten X dazu benutzen, einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren so zu bestimmen, so dass sichergestellt werden kann, dass Funksignale die vom Funkknoten X innerhalb dieser Abstrahl-Sektoren gerichtet mittels Beamforming ausgesendet werden einen Leistungsantrag in der Sperrgebiet unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts haben.
Die topologischen Informationen können Geoinformationen und/oder Geodaten (2D, 3D oder 2.5D) einer topologischen Karte sein, die zumindest die Umgebung des Funkknotens beschreibt. Die Geoinformationen können dabei beispielweise ISO 19107 Geographie Information - Spatial Schema (Raumbezugsschema)-kompatibel definiert sein (siehe DIN EN ISO 19107:2017), dessen Nachfolge-Norm ISO FDIS 19107 momentan noch formell bestätigt werden muss. Auch wenn im Folgenden auf Geoinformationen und/oder Geodaten des topologischen Kartenmaterials Bezug genommen wird, ist es grundsätzlich auch denkbar, topographische, geographische oder thematische Karten zu verwenden, Geoinformationen und/oder Geodaten (2D, 3D oder 2.5D) enthalten oder um diese ergänzt wurden.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Funkknoten zumindest einen Teil der Konfigurationsdaten, beispielsweise die topologische Karte und/oder seine absolute Position in der Karte, über eine andere Schnittstelle erhält. Der Funkknoten kann dazu eine drahtgebundene oder (weitere) drahtlose Schnittstelle ausweisen, wie zum Beispiel eine USB-Schnittstelle oder eine Bluetooth Schnittstelle. Dadurch ist es möglich, auch größere Datenmengen an den Funkknoten zu übertragen. Dies kann beispielsweise vor oder während der ersten Inbetriebnahme des Funkknotens oder auch während seines Betriebs (auch als Aktualisierung) geschehen, zum Beispiel im Wartungsbetrieb des Funkknotens. Optional können über die Schnittstelle auch Aktualisierungen der Firmware oder anderer Einstellungen/funkrelevanter Parameter am Funkknoten vorgenommen werden.
In 3 ist exemplarisch dargestellt, wie topologische Gegebenheiten in der Umgebung des Funkknotens X berücksichtigt werden könnten. In 3 wird beispielhaft angenommen, dass ein Hochhaus G1 in direkter Umgebung des Funkknotens X existiert, wobei aufgrund der Ausrichtung des Gebäudes relativ zum Sperrgebiet S1 zu befürchten ist, dass ein in Richtung des Gebäudes G1 ausgesendetes Funksignal von diesem so reflektiert wird, dass ein entsprechend erhöhter Leistungseintrag in das Sperrgebiet S1 zustande kommt. Der Funkknoten X kann daher die Abstrahl-Sektoren X1-1 und X1-2 entsprechend angepasst bestimmen, so dass der Funkknoten X weder direkt in die Richtung des Sperrgebiets S1, noch in die Richtung des Gebäudes G1 gesendet.
4 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dass die einzelnen Funktionen des neuen Netzknoten, zum Beispiel Netzknoten X, und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel Knoten A, zeigen, um den neuen Netzknoten X im Netz zu integrieren. Der neue Netzknoten X fängt nicht an, von sich aus zu senden, sondern befindet sich nach seiner Aktivierung (oder der Aktivierung des sende-Empfängers) beispielsweise in einem Zuhör-Modus, in dem der Funkknoten X den Funkkanal auf den Empfang von Funkbaken-Signalen von anderen bereits im Netz integrierten Funkknoten, wie Funkknoten A, wartet 401. Sobald ein von einem der registrierten Funkknoten A, B, C oder D ausgesendetes 410 Funkbaken-Signal empfangen 402 wird, versucht der Funkknoten X die relative Richtung des das empfangene Funkbaken-Signal sendenden Funkknotens, d. h. des Funkknotens A, zu bestimmen 403. In der in 4 gezeigten Implementierung reagiert der Funkknoten X unmittelbar auf das Empfangen 402 des ersten Funkbaken-Signals und versucht sich unmittelbar darauf beim Funkknoten A, von dem er das Funkbaken-Signal in Schritt 402 erhalten hat zu registrieren, indem er eine Registrierungs-Nachricht in die ermittelte relative Richtung, aus der er das Funkbaken-Signal im Schritt 402 empfangen hat, sendet 404. Der Funkknoten X kann dabei, beispielsweise durch Beamforming, die Abstrahlrichtung seiner Antenne so beeinflussen, dass möglichst die gesamte Energie des Funksignals, das die Registrierungs-Nachricht enthält, in die ermittelte relative Richtung des Funkknotens A gesendet wird.
Funkknoten A empfängt die Registrierungs-Nachricht in Schritt 411. Basierend auf dem Funksignal, dass die Registrierungs-Nachricht transportiert, ermittelt 412 der Funkknoten A die relative Richtung des Funkknotens X. Der Funkknoten A registriert 413 den neuen Funkknoten X im vermaschten Netz. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Funkknoten A den Funkknoten X in die Routing-Tabelle aufnimmt, und optional die anderen Funkknoten B, C und D über die Erreichbarkeit des Funkknotens X über den Funkknoten A informiert. Alternativ könnten die Funkknoten B, C und D die Erreichbarkeit des Funkknotens X auch über die ausgetauschten Nachrichten im vermaschten Netzwerk lernen und ihre Routing-Tabellen entsprechend aktualisieren.
Nach erfolgter Registrierung 413 kann der Funkknoten A die erfolgreiche Registrierung des Funkknotens X bestätigen. Dazu sendet 414 er eine Bestätigungsnachricht in Richtung des Funkknotens X. Die Bestätigungsnachricht wird vom Funkknoten X empfangen 405 und schließt den Registrierungsprozess des Funkknotens X ab. Nach Empfang der Registrierungsbestätigung kann der Funkknoten X seine Daten in Richtung des Funkknotens A senden, der diese dann, je nach Adressat, an einen anderen Funkknoten (optional über andere Funkknoten) weiterleitet, bis der Adressat der Daten erreicht ist. Der Adressat der Daten kann auch in einem außerhalb des vermaschten Netzes liegenden anderen Netz, beispielsweise über das Internet, ein Firmennetz, etc. verbunden sein.
Optional kann die Bestätigungsnachricht neben der Bestätigung, dass die Registrierung im vermaschten Netz erfolgreich war, auch weitere Informationen enthalten. Diese zusätzlichen Informationen können sich beispielsweise auf die Erreichbarkeit und/oder Position anderer Knoten B, C und D im vermaschten Netz beziehen (Positionsinformationen), und/oder Informationen bezüglich der im Bereich des vermaschten Netzes liegenden Sperrgebiete (Sperrgebietsinformationen) und/oder zusätzliche topologische Karteninformationen enthalten, basierend auf denen der neue Funkknoten X bestimmen kann, in welche Richtung er Funksignale senden darf (d. h. die zur Bestimmung des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren des Funkknotens X dienen). Die optionalen weiteren Schritte des Funkknotens X unter Zuhilfenahme der Zusatzinformationen aus der Bestätigungsnachricht werden nachstehend noch näher in Bezug auf 5 erläutert.
Nach erfolgter Registrierung des neuen Funkknotens X im Netz kann dieser durch die anderen Funkknoten im vermaschten Netz erreicht werden, bzw. kann selbst mit anderen Funkknoten kommunizieren oder über einen oder mehrere der anderen Funkknoten auf ein externes Netz (zum Beispiel das Internet, ein Firmennetzwerk, etc.) zugreifen und mit diesem kommunizieren. Je nach Implementierung des vermaschten Netzes kann der neu im vermaschten Netz integrierte Funkknoten X seine Daten somit an eine zentrale Einheit übermitteln, oder beispielsweise an eine Steuereinheit die basierend auf den erfassten Sensordaten in einen Produktionsprozess oder anderen industriellen Prozess eingreift.
Grundsätzlich ist es möglich, dass der neue Funkknoten X nicht nur aus ein erstes Funkbaken-Signal reagiert, sondern in Reaktion auf den Empfang mehrerer Funkbaken-Signale eine oder mehrere Registrierungs-Nachrichten an einen oder mehrere bereits im vermaschten Netz integrierte Funkknoten sendet, und entsprechend auch eine Bestätigungsnachricht und die optionalen zusätzlichen Informationen, wie beschrieben, erhält. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, kann der Funkknoten X beim empfangen mehrerer Funkbaken-Signale seine relative Position mittels Triangulation selbst bestimmen und seine absolute Position im Bezugskoordinatensystem bestimmen, nachdem der Funkknoten X die absolute Position der die mehreren Funkbaken-Signale aussendeten Funkknoten im Bezugskoordinatensystem erhalten hat. Dadurch kann der Funkknoten X die exakte Position des Sperrgebiets oder mehrerer Sperrgebiete bestimmen und optional unter Zuhilfenahme der topologischen Zusatzinformationen bestimmen, in welche Richtungen er seine Funksignale zur Kommunikation aussenden darf, und in welche nicht, um sicherzustellen, dass die in das eine oder die mehreren Sperrgebiete eingebrachte Leistungsdichte unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts gehalten wird.
Ein alternativer Registrierungsprozess für einen Funkknoten wird nachfolgend in Bezug auf die 5 beschrieben. Ähnlich wie in 4 befindet sich der neue Funkknoten X, der sich in das vermaschten Netz integrieren möchte, zunächst in einem Zuhör-Modus und sendet selbst keine Funksignale aus. Entsprechend wartet 401 der neue Funkknoten X auf den Empfang von Funkbaken-Signalen von anderen, bereits im Netz registrierten Funkknoten, wie die Funkknoten A, C und D. In der Ausführungsform der 5 versucht der Funkknoten X zunächst mehrere Funkbaken-Signale von unterschiedlichen Funkknoten im vermaschten Netz zu empfangen, bevor er eine Registrierungs-Nachricht sendet. Entsprechend wird zunächst 501 ein Timer gestaltet, der dazu dient eine vorbestimmte Zeitspanne zu überwachen, in der der Funkknoten X zunächst Funkbaken-Signale empfängt und auswertet. Es wird angenommen, dass die bereits im Netz registrierten Funkknoten, A, B, C und D in regelmäßigen Abständen (periodisch), optional zeitlich synchronisiert miteinander, Funkbaken-Signale aussenden, wobei sie, wie in Bezug mit 1 beschrieben, jeweils vorhandene Sperrgebiete aussparen. Wie in 1 dargestellt, wird nachfolgend exemplarisch angenommen, dass der Funkknoten X lediglich die Funkbaken-Signale der Funkknoten A, C und B empfangen kann, da der Funkknoten X nicht im Abstrahl-Sektor B1 des Funkknotens B liegt und somit keine Signale von diesem Funkknoten empfängt.
Sobald der Funkknoten X innerhalb der mittels des Timers überwachten Zeitspanne ein Funkbaken-Signal empfängt 402, ermittelt der Funkknoten X basierend auf dem Funkbaken-Signal die relative Richtung aus der er das jeweilige Funkbaken-Signal, dass von einem der registrierten Funkknoten A, C oder D ausgesendet 410 wurde, empfangen hat. Beispielsweise kann das Funkbaken-Signal eine Kennung des aussenden Funkknotens enthalten und der Funkknoten X kann die ermittelte relative Richtung sowie die Kennung des Funkknotens, der das jeweilige Funkbaken-Signal ausgesendet hat temporär zwischen speichern. Das Funkbaken-Signal kann optional auch noch weitere Informationen/Parameter enthalten, die ein neuer Funkknoten benötigt, um sich selbst im Netz anmelden zu können. Diese Informationen/Parameter sind jedoch spezifisch für die eingesetzte Funktechnologie und werden hier nicht näher betrachtet.
Solange der Timer nicht abgelaufen ist 502, wertet der Funkknoten X die empfangenen Funkbaken-Signale entsprechend den Schritten 402 und 403 aus und speichert für jede neue Kennung eines Funkknotens die relative Richtung aus der er das zugehörige Funkbaken-Signal empfangen hat. Optional kann der Funkknoten X, wenn er von ein und denselben Funkknoten mehrmals ein Funkbaken-Signal erhält, die jeweils ermittelte relative Richtung des Funkknotens neu berechnen und unterschiedliche Ergebnisse miteinander kombinieren, um so die relative Richtung des jeweiligen Funkknotens genauer zu bestimmen.
Nachdem der Timer abgelaufen ist 502, kann der Funkknoten X, sofern er zumindest zwei, vorzugsweise mindestens drei (Funkbaken-)Signale von unterschiedlichen Funkknoten erhalten hat, eine relative Position relativ zu den Funkknoten A, C und D, von denen er (Funkbaken-)Signale erhalten hat, bestimmen 503. Für die Triangulation im dreidimensionalen Raum sind mindestens drei (Funkbaken-) Signale notwendig, während für eine zweidimensionale Positionsbestimmung bereits zwei (Funkbaken-)Signale von unterschiedlichen Funkknoten ausreichen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt unter anderem von der Anzahl der (Funkbaken-)Signale für die Triangulation ab, die von unterschiedlichen Funkknoten erhalten werden. Je mehr (Funkbaken-)Signale von unterschiedlichen Funkknoten erhalten werden, desto genauer kann die Position durch Triangulation bestimmt werden. Ein weiterer Faktor, der die Genauigkeit der Triangulation bestimmt, ist die Qualität des Beamforming. Je „schmaler“ die ausgesendeten Funksignale in eine bestimmte Richtung abgestrahlt werden, desto genauer lässt sich die Richtung des sendenden Funkknotens bestimmen, so dass auch bereits die genannte Mindestzahl von unterschiedlichen (Funkbaken-)Signale für eine hinreichend genaue Triangulation ausreichen kann.
Nach Ablauf des Timers wählt 504 der Funkknoten X einen der Funkknoten aus, beispielsweise Funkknoten A, von dem er ein Funkbaken-Signal erhalten hat, und sendet 404 eine Registrierungs-Nachricht an diesen Funkknoten. Der Funkknoten X kann dabei, beispielsweise durch Beamforming, die Abstrahlrichtung seiner Antenne so beeinflussen, dass möglichst die gesamte Energie des Funksignale, dass die Registrierungs-Nachricht enthält, in die ermittelte relative Richtung des Funkknotens A gesendet wird. Wie erwähnt, hat der Funkknoten X die notwendige relative Richtung bereits bestimmt und zwischengespeichert. Die Registrierungs-Nachricht kann beispielsweise neben der Erkennung des Funkknotens X auch weitere Informationen zum Funkknoten X enthalten. Beispielsweise kann die Registrierungs-Nachricht auch die Kennungen derjenigen Funkknoten, d. h. der anderen Funkknoten C und D, enthalten, von denen der Funkknoten X ebenfalls Funkbaken-Signale erhalten hat.
Funkknoten A empfängt die Registrierungs-Nachricht in Schritt 411. Basierend auf dem Funksignale, dass die Registrierungs-Nachricht transportiert, ermittelt 412 der Funkknoten A die relative Richtung des Funkknotens X. Der registrierte Funkknoten A registriert den neuen Funkknoten X im vermaschten Netz, indem er den Funkknoten X beispielsweise in die Routing-Tabelle aufnimmt. Optional informiert der Funkknoten A die anderen Funkknoten B, C und D über die Erreichbarkeit des Funkknotens X über den Funkknoten A informiert. Alternativ könnten die Funkknoten B, C und D die Erreichbarkeit des Funkknotens X auch über die ausgetauschten Nachrichten im vermaschten Netzwerk lernen und ihre Routing-Tabellen entsprechend aktualisieren. Die genaue Implementierung und Erfassung von Routen für das Routen von Netzwerknachrichten im vermaschten Netzwerk ist eine Implementierungsfrage des Routingprotokolls und wird hier nicht näher betrachtet. Wie bereits erwähnt greift die Steuerung/Kontrolle der Abstrahlrichtung der Funksignale durch Beamforming indirekt in den Nachbarschaftsalgorithmus des Netzmanagements ein, so dass eigentlich potentielle Nachbarn des Funkknotens X, wie zum Beispiel der Funkknoten B, dem Funkknoten X verborgen bleiben und eine mögliche direkte Route im vermaschten Netz erst gar nicht gebildet bzw. als solche erkannt wird. Dies wird nachstehend näher in Bezug auf 9 erläutert.
Nach erfolgter Registrierung 413 kann der Funkknoten A die erfolgreiche Registrierung des Funkknotens X bestätigen. Dazu sendet 414 er eine Bestätigungsnachricht an den Funkknoten X, die vom Funkknoten X empfangen 405 empfangen wird und den Registrierungsprozess des Funkknotens X abschließt. Nach Empfang der Registrierungsbestätigung kann der Funkknoten X seine Daten in Richtung des Funkknotens A senden, der diese dann, je nach Adressat, an einen anderen Funkknoten und optional über andere Funkknoten weiterleitet, bis der Adressat der Daten erreicht ist. Dieser kann auch in einem außerhalb des vermaschten Netzes liegenden anderen Netz, beispielsweise über das Internet, Firmennetz, etc. mit dem vermaschten Netz verbunden sein.
In einigen der vorgenannten Ausführungsformen wird im neuen, im Netz integrierten Funkknoten X zusammen mit der Bestätigung seiner Registrierung im Netz zusätzliche Information zugesendet, die es dem Funkknoten X erlauben die Position und Ausdehnung des Sperrgebiet S1 zumindest im zweidimensionalen, alternativ im dreidimensionalen Raum in Bezug auf ein Bezugskoordinatensystem zu ermitteln. Alternativ zur Definition des Sperrgebiet in absoluten Koordinaten relativ dem Bezugskoordinatensystem könnte der Funkknoten X die Lage des Sperrgebiet S1 auch basierend auf Informationen zu den absoluten Positionen der umliegenden Funkknoten A, B, C und D sowie deren Abstrahl-Sektoren A1, B1, C1 und D1 ermitteln, so wie dies exemplarisch in 6 dargestellt wird. Aufgrund der ausgesparten Sektoren, in denen die einzelnen Funkknoten A, B, C und D Funksignale senden, kann der Funkknoten X durch Bildung der Grenzlinien der Sektoren der einzelnen Funkknoten die Lage des Sperrgebiet S1_approx zu ermitteln. Um die Lage des Sperrgebiet S1_approx zu bestimmen, benötigte Funkknoten X mindestens die absolute Position von zwei Funkknoten im Bezugskoordinatensystem sowie die Abstrahl-Sektoren dieser beiden Funkknoten. Der Überlappungsbereich der jeweiligen Sektoren, in die die jeweiligen Funkknoten keine Funksignale senden (diese lassen sich aus den jeweiligen Abstrahl-Sektoren bestimmen) definiert einen Bereich, der als Sperrgebiet definiert werden kann. Je nach Lage dieser Sektoren, in die jeweiligen Funkknoten keine Funksignale senden im Bezugskoordinatensystem ist diese Abschätzung der Lage des Sperrgebiets basierend auf den Überlappungsbereich der Sektoren mehr oder weniger genau. Offensichtlich kann die Lage des Sperrgebiets genauer bestimmt werden, je mehr Informationen zu den umliegenden Funkknoten und deren Abstrahl-Sektoren den Funkknoten X zur Verfügung stehen.
Grundsätzlich kann sowohl das Sperrgebiet als auch die Abstrahl-Sektoren zweidimensional definiert sein, wobei diese zweidimensionalen Gebiete durch eine (geometrische) Extrusion den dreidimensionalen Raum des Bezugskoordinatensystems abgebildet werden können. Es ist jedoch auch möglich Sperrgebiet als auch die Abstrahl-Sektoren der einzelnen Funkknoten gleich im dreidimensionalen Raum zu definieren. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für einen Funkknoten zwei Abstrahl-Sektoren definiert werden, d. h. zwei Abstrahl-Sektoren bezüglich unterschiedlicher Ebenen im Bezugskoordinatensystem definiert werden. Die Definition des Sperrgebiets im dreidimensionalen Raum kann beispielsweise mittels gängiger Datenformate zur Definition von dreidimensionalen Strukturen in topologischen Daten realisiert werden. Die Karteninformationen, die dem neuen Funkknoten X beispielsweise zusammen mit der Bestätigung seiner Registrierung im Netz zugesendet werden, können aber alternativ oder zusätzlich auch in einem Rasterdaten-Format vorliegen.
7 zeigt exemplarisch die Definition eines Sperrgebiets S1 unter Verwendung von kartesischen Koordinaten im dreidimensionalen Raum (d.h. Geoinformationen bzw. Geodaten), wobei einzelne Eckpunkte des dreidimensionalen Sperrgebiets, die mit Linien verbunden werden durch entsprechende Koordinatenpaare (xs1_1, ys1_1, zs1_1), (xs1_2, ys1_2, zs1_2), (xs2_1, ys2_1, zs2_1), (xs2_2, ys2_2, zs2_2), (xs3_1, ys3_1, zs3_1), (xs3_2, ys3_2, zs3_2), (xs4_1, ys4_1, zs4_1), (xs4_2, ys4_2, zs4_2), (xs5_1, ys5_1, zs5_1), (xs5_2, ys5_2, zs5_2) definiert werden. Der dreidimensionale Sperr Bereich S1 wird durch lineare Verbindung der Koordinaten (xsi_1, ysi_1, zsi_1) und (xsi_2, ysi_2, zsi_2), (xsi_1, ysi_1, zsi_1) und (xs(i+1)_1, ys(i+1)_1, zs(i+1)_1) und), (xsi_2, ysi_2, zsi_2) und (xs(i+1)_2, ys(i+1)_2, zs(i+1)_2) gebildet, wobei der Index i die einzelnen Koordinatenpaare bezeichnet.
8 zeigt beispielhaft die Struktur eines Funkknotens, wie die Funkknoten A, B, C, D oder X in 1. Ein Funkknoten 800 umfasst eine Sensoreinheit 801, eine Recheneinheit 802, einen Transceiver 803 (auch als Sende-Empfänger oder Sende-Empfangseinheit bezeichnet) und optional weitere anwendungsspezifische Komponenten. Ferner kann der Funkknoten 800 auch eine Energiequelle 804, beispielsweise in Form einer Batterie umfassen. Die Batterie kann dabei entweder die alleinige Energiequelle des Funkknotens darstellen (reiner Batteriebetrieb) oder als Sicherung gegen Stromausfall verwendet werden. Alternativ könnte der Funkknoten anstelle einer Batterie auch an ein Stromnetz angeschlossen sein, über ein Bussystem oder über die Schnittstelle 806 mit Strom versorgt werden. Die Sensoreinheit 801 dazu einen oder mehrere verschiedene Parameter in der Umgebung der Funkknoten 800 zu messen. Die gemessenen Parameter können beispielsweise in regelmäßigen Abständen vom Funkknoten 800 an eine zentrale Einheit innerhalb oder außerhalb des vermaschten Netzes gesendet werden. Alternativ können die gemessenen Parameter auch zur Steuerung an Aktoren des Systems, die ebenfalls Bestandteil des vermaschten Netzes sein können oder sich außerhalb davon befinden, gesendet werden.
Die Recheneinheit 802 dient zur Steuerung des Funkknotens 800 und kann beispielsweise mittels eines Mikrocontroller realisiert werden. Typischerweise vereint die Recheneinheit 802 einen Prozessor/Mikroprozessor, sowie den zugehörigen Speicher (auch Cache) auf einem Chip. Alternativ kann die Recheneinheit 802 auch aus mehreren Chips als SoC implementiert sein. Um möglichst wenig Leistung zu verbrauchen, kann die Recheneinheit 802 in ihrer Funktionalität im Vergleich zu herkömmlichen Prozessoren, die beispielsweise in handelsüblichen Rechnern oder Mobiltelefonen eingesetzt werden, stark eingeschränkt sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Recheneinheit 802 Energiesparmodi unterstützt, so wie dies in modernen Prozessorarchitekturen der Fall ist. Hauptaufgabe der Recheneinheit 802 ist die Steuerung des Funkknotens 800, das Erfassen und gegebenenfalls Zwischenspeichern von Sensordaten aus der Sensoreinheit 801, sowie die Implementierung des Protokollstacks für die Organisation des vermaschten Netzes und die Datenübertragung über den Sende-Empfänger 803, sofern dafür nicht ein separater Chip vorgesehen ist.
Optional kann die Recheneinheit 802, z.B. auch in Zusammenarbeit mit dem Sende-Empfänger 803, den einen oder die mehreren Abstrahl-Sektoren des Funkknotens 800 bestimmen. Zusätzlich kann die Recheneinheit 802 auch die Sendeleistung der Funksignale bestimmen. In beiden Fällen kann dazu von der Recheneinheit 802 Karteninformationen einer topologischen Karte berücksichtigt werden. Dies kann auch die Berücksichtigung von Reflexionen/Dämpfung von Funksignalen aufgrund von Hindernissen im Umfeld des Funkknotens umfassen.
Der Sende-Empfänger 803 stellt die Funk-Kommunikation zwischen dem Funkknoten 800 und anderen Knoten des Netzes sicher. Vorteilhafterweise unterstützt auch der Sende-Empfänger 803 einen energiesparenden Betriebsmodus, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten, wenn keine Daten übertragen oder empfangen werden müssen.
In einer Ausführungsform kann der Sende-Empfänger 803 auf dem LoRa PHY Standard basierend, der um eine Beamforming-Funktion erweitert ist. Es kommen aber auch andere sogenannte Low Power Wide Area Network (LPWAN) Standards, die Beamforming unterstützen bzw. um eine entsprechende Funktionalität erweitert wurden, zur Kommunikation über die Funkschnittstelle infrage. Grundsätzlich könnte der Sende-Empfänger 803 auch Mobilfunkstandards unterstützen, die Beamforming unterstützen, wie beispielsweise 3GPP LTE, LTE Advanced, oder einen 5G Standard der 3GPP.
Der Sende-Empfänger 803 ist an ein(e) oder mehrere Antennen/Antennenarrays des Funkknotens 800 angeschlossen, über die der Sende-Empfänger 803 Funksignale empfängt und sendet. Der Sende-Empfänger 803 kann ein sogenanntes Beamforming implementieren, um die Abstrahl-Charakteristik der jeweiligen Antennen/Antennenarrays so zu steuern, dass ein Großteil der Sendeleistung in eine bestimmte Richtung, d. h. in Richtung eines anderen Funkknotens des vermaschten Netzes, ausgesendet wird, so dass die in ein Sperrgebiet eingebrachte Leistungsdichte minimiert werden kann und/oder unterhalb einem bestimmten Schwellenwert gehalten wird. Der Sende-Empfänger 803 kann beispielsweise ein sogenanntes Beamforming Network (BFN) umfassen, also eine Schaltung, die ein Strahlungsprofil eine(s) Antenne(narrays) einer gewünschten geometrischen Kontur anpasst. Das BFN führt das Sendesignal gewichtet (in Bezug auf Phasenlage und/oder Verstärkung) den unterschiedlichen Antennenelementen zu und beeinflusst dadurch die Abstrahlcharakteristik der Antenne. Dadurch kann das Strahlungsprofil der (des) Antenne(narrays) so angepasst werden, dass die Leistung des Funksignals in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird.
Beamforming wird von einer Vielzahl von Funktechnologien unterstützt, insbesondere auch von Mobilfunkstandards. Sofern der Sende-Empfänger 803 einen Chipsatzes realisiert wird, der einem bestimmten Funk- oder Mobilfunkstandard implementiert, sollte dieser vorteilhafterweise eine Schnittstelle aufweisen, mit der das Beamforming konfigurierbar ist. In einem solchen Fall kann die Prozessoreinheit 802 bzw. der Sende-Empfänger 803 über diese Schnittstelle das Beamforming so konfigurieren, dass die Funksignale des Funkknotens 800 nur in den einem oder den mehreren Abstrahl-Sektoren des Funkknotens 800 bzw. nur in eine bestimmte Richtung ausgestrahlt werden. Dazu kann Beamforming-Funktion des Sende-Empfängers 803 funktional mit dem Protokollstack der Recheneinheit 802 gekoppelt sein, die der Beamforming-Funktion die notwendigen Informationen zur Strahlformung für das gerichtete Senden der Funksignale zukommen lässt. Ferner kann der Sende-Empfänger 803 so eingerichtet sein, dass er - wie in Bezug auf die 4 und 5 beschrieben - basierend auf den Funkbaken-Signalen, die von dem Sende-Empfänger 803 empfangen werden, die relative Richtung des das jeweilige Funkbaken-Signal aussenden Funkknotens bestimmt. Der Sende-Empfänger 803 kann diese Information zusammen mit anderen aus dem Funkbaken-Signal extrahierten Informationen (zum Beispiel Signalstärke, Kennung des Funkknotens, etc.) über eine Schnittstelle an die Recheneinheit 802 weiterleiten, um diese dort weiter zu verarbeiten.
Die Protokollschichten oberhalb des vom Sende-Empfängers 803 implementierten Protokollstack können beispielsweise von der Recheneinheit 802 realisiert werden. Die Protokolle, d.h. ihre Funktonalität, kann beispielsweise Teil der Firmware/Software des Funkknotens 800 sein, die in einem nicht flüchtigen Speicher der Recheneinheit 802 oder eines anderen Speichermoduls des Funkknotens 800 gespeichert ist, und die durch den Prozessor der Recheneinheit 802 ausgeführt wird. Die Firmware/Software kann beispielsweise diejenigen Protokolle implementieren, die für den Aufbau und das Management des vermaschten Netzes und/oder das Routing notwendig sind, zum Beispiel die entsprechenden Routingprotokolle und Managementprotokolle für das vermaschten Netz. Diese Protokolle können, wie erwähnt, funktional mit dem Sende-Empfänger 803 über eine oder mehrere Schnittstellen gekoppelt sein, um Informationen auszutauschen.
Als Routingprotokoll können Protokolle eingesetzt werden, die beispielsweise auf dem Distanzvektoralgorithmus (auch bekannt als Distanzvektor-Routing) basieren, die optional für den Einsatz in Low Power Wide Area Networks (LPWAN) optimiert sind. Ein Beispiel ist das Routing Protocol for Low power and Lossy Networks (RPL) (deutsch: Routing-Protokoll für leistungsarme und verlustbehaftete Netzwerke), das im IETF Standard RFC 6550 spezifiziert ist. Dies erfordert die Verwendung non IPv6 Protokolls in der Netzwerk-Schicht (Layer 3). Das RPL Protokoll kann beispielsweise auch in einem IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network (6LoWPAN - deutsch: IPv6 für WPAN mit niedrigem Energieverbrauch) verwendet werden. Alternativ könnte auch Angle-based Dynamic Source Routing (ADSR)-basierte Routingprotokolle oder das Low-energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) Protokoll eingesetzt werden. Die Netzwerkschicht des Protokollstacks kann beispielsweise das IPv4 oder IPv6 Protokoll zur Adressierung der Netzknoten verwenden und ebenfalls von der Recheneinheit 802 implementiert werden.
Wie bereits erwähnt, wird durch das Beamforming die Nachbarschaftserkennung der einzelnen Funkknoten beeinflusst, so dass bestimmte Routen, die unter nicht-Berücksichtigung der Sperrgebiete möglich wären, aufgrund der geänderten Nachbarschaftserkennung nicht in das Routing übernommen werden und so beim Aussenden der Funksignale ausgespart bleiben. Im RPL-Begriffskontext formuliert bewirkt das Beamforming der Funksignale, dass alle „children“ nur diejenigen „parents“ sehen und adressieren können, die nicht „hinter“ Sperrzonen liegen. Die Verwendung von Destination Oriented Directed Acyclic Graph (DODAG) Information Objects (DIOs) und Destination Advertisement Objects (DAOs) bliebt unbeeinträchtigt. Der Empfang der von Neighbour Advertisement (NA) und Neighbour Solicitations (NS) Nachrichten, bzw. Router Advertisement (RA) und Router Solicitation (RS) Nachrichten und somit die Netzstruktur des vermaschten Netzes wird durch das Beamforming der Funksignale beeinflusst. Wie in 1 ersichtlich, erreichen den Funkknoten X aufgrund der Abstrahl-Sektoren A1, B1, C1, und D1 der anderen Funkknoten A, B, C und D, nur Funksignale der Funkknoten A, C und D. Aufgrund dieses Umstands kann der Nachbarschaftsalgorithmus auf der Ebene der Vermittlungsschicht (Network Layer - Schicht 3 des OSI Modells) nur diejenigen Funkknoten als Nachbarn erkennen, von denen er auch Funksignale erhalten hat. Entsprechend wird er Funkknoten B nicht als „Nachbar“ erkannt, auch wenn theoretische eine direkte Funkverbindung zwischen den Funkknoten X und B möglich wäre. Entsprechend werden in der Routingtabelle des Funkknotens, wie in 9 gezeigt, nur die Routen zu Funkknoten A (Route R_XA ), zu Funkknoten C (Route R_XC ) und zu Funkknoten D (R_XD ). Die Route R_XB würde somit erst gar nicht gebildet. Ferner könnte der Funkknoten X lernen, dass Funkknoten B wiederum über den Funkknoten A oder Funkknoten C erreichbar ist. Dies könnte ebenfalls in der Routingtabelle gespeichert werden, so dass das Routingprotokoll die Daten für den Funkknoten B entweder über die Route R_XA oder alternativ über die Route R_XC sendet. Die Knoten A und C würden dann entsprechend die Daten an den Knoten B über die Route R_AB bzw. Route R_CB weiterleiten.
Als Managementprotokolle können beispielsweise Protokolle zur Selbstkonfiguration zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel das bekannte Dynamic Host Configuration Protokoll (DHCP) oder IPv6 Stateless address autoconfiguration (SLAAC). Letzteres kann vorteilhaft zusammen mit dem Neighbor Discovery Protocol (NDP) - siehe IETF RFC 4861 - eingesetzt werden. Alternativ könnte aber auch speziell für die Verwendung in Mesh-Netzen angepasste Protokolle, wie Ad Hoc Configuration Protokoll (AHCP), das Proactive Autoconfiguration Protokoll, oder das Dynamic WMN Configuration Protokoll (DWCP) für das Netzmanagement eingesetzt werden.
Die von der Recheneinheit 802 implementierten Protokolle können beispielsweise eingerichtet sein, die einzelnen Schritte der Flussdiagramme nach 4 oder 5 zu realisieren, die vom Funkknoten X und/oder einen der anderen Funkknoten A, B, C oder D ausgeführt werden. Alternativ dazu können diese Schritte auch durch die Kombination von Funktionalität in der Recheneinheit 802 und dem Sende-Empfänger 803 realisiert werden. Beispielsweise kann das Netzwerkmanagementprotokoll, dass durch die Recheneinheit 802 implementiert wird, vom Sende-Empfänger 803 in Reaktion auf den Empfang 402, 404 eines Funkbaken-Signals oder einer Registrierungs-Nachricht die Kennung des Funkknotens, der das Funkbaken Signal bzw. die Registrierungs-Nachricht gesendet hat, sowie Informationen zu seiner relativen Richtung bezüglich des Funkknotens erhalten, die vom Netzwerkmanagementprotokoll dazu verwendet werden, die Routingtabelle entsprechend zu aktualisieren.
Ferner kann das Netzwerkmanagementprotokoll eingerichtet sein, den Sende-Empfänger 803 dazu zu veranlassen, die Funkbaken-Signale entsprechend des jeweiligen Abstrahl-Sektors unter Verwendung von Beamforming auszusenden, so dass das Sperrgebiet S1 ausgespart bleibt. Der Sende-Empfänger 803 kann dazu das Funkbaken-Signal in Abstrahl-Sektor des jeweiligen Funkknotens insgesamt abstrahlen, oder alternativ mehrere Funkbaken-Signale aussenden, mittels Beamforming in unterschiedliche Richtungen innerhalb des Abstrahl-Sektors des Funkknotens ausgesendet werden, umso den Abstrahl-Sektor „abzurastern“. Optional ist es auch möglich, dass die der Sende-Empfänger 803 ein Signal (z.B. ein Funkbaken-Signal) mehrmals hintereinander in einem Übertragungsburst sendet, um so dem den Signalburst empfangenden Funkknoten zu ermöglichen, die relative Richtung aus der das Signal empfangen wird, bzw. die relative Position des empfangenden Funkknoten genauer bestimmen zu können.
Die Recheneinheit 803 kann auch ferner angepasst sein, zusätzliche in einer Bestätigungsnachricht enthaltene Informationen zu verarbeiten und zumindest temporär im Funkknoten 800, z.B. im Speicher 805, zu speichern. Ferner kann die Recheneinheit 803 diese Informationen auch weiterverarbeiten, um beispielsweise die absolute Position des jeweiligen Funkknotens 800 im Bezugskoordinatensystem und/oder die Position des einen oder der mehreren Sperrgebiete S1 zu bestimmen und den/die Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens 800 entsprechend zu bestimmen, um das Beamforming durch den Sende-Empfänger 803 zu steuern.
Die Funktionalität der Funkknoten A, B, C, D, X und 800, wie in Bezug auf die 4, 5 und 8 beschrieben, kann sowohl in Software als auch in Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware implementiert werden. Die Einzelkomponenten der Funkknoten 800, die in Bezug auf 8 beschrieben wurde, kann beispielsweise als ein auf einem SoC implementiert werden. Alternativ ist es auch möglich einzelne Funktionalitäten und/oder Komponenten durch mehrere Chips zu realisieren. Beispielsweise könnte der Sende-Empfänger 803 auf einem eigenen Chip oder Chipset implementiert sein, während die Funktonalität der Prozessoreinheit 802 beispielsweise auf einem SoC implementiert ist oder ein eigenes Subsystem aus mehreren Chips bildet, dass mit dem Sende-Empfänger 803 gekoppelt ist. Entsprechend gilt auch für die Sensoreinheit 801, die beispielsweise mit der Prozessoreinheit 802 integriert in einem Subsystem implementiert werden könnte, oder auch separat davon ausgebildet sein kann.
Die Schnittstelle 806 ist optional und kann eine weitere Schnittstelle des Funkknotens 800 darstellen. Schnittstelle 806 kann als drahtgebundene Schnittstelle ausgeführt sein, zum Beispiel als USB Schnittstelle. Alternativ kann die Schnittstelle 806 auch eine drahtlose Schnittstelle sein, und insbesondere (aber nicht darauf beschränkt) eine Nahfeldkommunikation (NFC) oder die Übertragung von Funksignalen in näherer Umgebung (z.B. im Bereich von weniger als mehreren hundert Metern, beispielsweise unter 100 m) ermöglichen. In einer Ausführungsform ist die Schnittstelle 806 als Bluetooth-Schnittstelle oder als DECT-Schnittstelle ausgebildet. Die Schnittstelle kann beispielsweise zur Übertragung von Daten von einem externen Gerät oder Speichermedium 807, wie ein USB-Stick, an den Funkknoten 800 genutzt werden. Diese Daten können beispielweise Konfigurationsdaten für den Funkknoten erhalten, wie zum Beispiel die Einstellungen zur Nutzung des vermaschten Netzes, Netzwerkeinstellungen (zum Beispiel IP Adresse, Adressen von Gateways und/oder zentralen Servereinheiten, etc.), Daten einer topologischen Karte in der das vermaschte Netz betrieben wird, die absolute Position des Funkknotens im Bezugskoordinatensystem der topologischen Karte, und/oder Firmware.
Die Konfigurationsdaten können in einem Speicher 805 des Funkknotens 800 gespeichert werden. Dieser Speicher 805 kann auch von der Prozessoreinheit 802, der Sensoreinheit 801 und/oder dem Sende-Empfänger 803 zur Speicherung von Daten genutzt werden.
Andere Aspekte des Funkknotens können auch in Software realisiert sein. Beispielsweise ist es üblich, den Protokollstack (bzw. zumindest Teile davon) in Software zu realisieren, die dann von der Recheneinheit 802, bzw. einer entsprechenden Prozessorkomponente des Sende-Empfängers 803 realisiert wird. Die Einzelschritte der 4 und 5 können beispielweise mittels eines oder mehrerer Computerprogramme, die von einer Recheneinheit 802 ausgeführt wird/werden und auf einem oder mehreren Computer-lesbaren Speichermedien gespeichert sind, realisiert werden. Ein Funkknoten kann dabei angepasst sein, die in Bezug auf 4 oder 5 beschriebene Funktionalität des neuen Funkknotens X und der bereits im Netz integrierten Funkknoten A, B, C und D zu realisieren, denn sobald eine neue Funkknoten X im Netz integriert ist, ist es gemäß einer Ausführungsform möglich, dass der Funkknoten selbst andere Funkknoten ins Netz integriert, indem er die entsprechenden Schritte der bereits ins Netz integrierten Funkknoten ausführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 19107 [0054]
DIN EN ISO 19107:2017 [0054]

Claims

Funkknoten zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen, wobei der Funkknoten umfasst: eine Sende-Empfangseinheit, um Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz zu senden, wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das Funksignal zu erzeugen und mittels Beamforming gerichtet so auszusenden, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner dem vorgegebenen Schwellenwert ist.
Funkknoten nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Speicher der Informationen zu einem oder mehreren Abstrahl-Sektoren speichert, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf.
Funkknoten nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Speicher Karteninformationen speichert, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren.
Funkknoten nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Prozessoreinheit, die basierend auf den Karteninformationen einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren bestimmt, in die die Sende-Empfangseinheit Daten mittels eines Funksignals gerichtet aussenden darf.
Funknoten nach Anspruch 4, wobei die Sende-Empfangseinheit weiter eingerichtet ist, ein Funkbaken-Signal mittels Beamforming gerichtet nur innerhalb des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren auszusenden, so dass das mindestens eine Sperrgebiets ausspart wird, wobei das Funkbaken-Signal die Verfügbarkeit des vermaschten Netzes anzeigt und anderen Funkknoten ermöglicht, die relative Richtung zu bestimmen, aus der sie das Funkbaken-Signal empfangen haben.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Speicher der Karteninformationen speichert, die die Position eines anderen Funkknotens in einer digitalen Karte definieren; und wobei die Sende-Empfangseinheit ferner eingerichtet ist, ein Funksignal mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des anderen Funkknotens zu senden.
Funkknoten nach Anspruch 6, wobei die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Position des anderen Funkknotens in der digitalen Karte von einem weiteren Funknoten zu empfangen oder basierend auf einem Funkbaken-Signal, das von dem anderen Funkknoten empfangen wurde, zu bestimmen.
Funkknoten nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Richtung des anderen Funkknotens bezüglich des Funkknotens basierend auf der Position des anderen Funkknotens zu bestimmen.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Funksignal, dass in die Richtung an den anderen Funkknoten gesendet wird, eine Registrierungs-Nachricht ist, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Funksignal, dass in die Richtung des anderen Funkknotens gesendet wird, Sensordaten eines Sensors, der im Funkknoten enthalten oder mit diesem verbunden ist, enthält.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend einen Speicher, der Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens speichert.
Funkknoten nach Anspruch 11, wobei die Karteninformationen der topologischen Karte von einem weiteren Funkknoten im vermaschten Netz oder über eine im Funkknoten integrierte Schnittstelle empfangen werden.
Funkknoten nach Anspruch 12, wobei die Schnittstelle eine drahtgebundene Schnittstelle zu einem Wechselspeichermedium ist, und die Karteninformationen über das Wechselspeichermedium zur Verfügung gestellt wird.
Funkknoten nach Anspruch 12, wobei die Schnittstelle eine drahtlose Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik ist, und die Karteninformationen über diese drahtlose Schnittstelle zur Verfügung gestellt wird.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf, basierend auf der die Karteninformationen der topologischen Karte zu bestimmen.
Funkknoten nach Anspruch 15, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Abstrahl-Sektoren unter Berücksichtigung einer Reflexion der vom der Sende-Empfangseinheit ausgesendeten Funksignale an topologischen Hindernissen in der topologischen Karte zu bestimmen.
Funkknoten nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte die Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die in das mindestens eine Sperrgebiet eingebrachte Energiedichte unter dem vorgegebenen Schwellwert gehalten wird.
Funkknoten nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte die Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die abgestrahlte Sendeleistung des Funksignals in Richtung eines benachbarten Funkknotens maximiert wird, ohne dabei die im mindestens einen Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
Funkknoten nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, bei der Berechnung der Sendeleistung für das Funksignal die Reflexion des Funksignals an einem oder mehreren Hindernissen in der topologischen Karte zu berücksichtigen.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Position des Funkknotens in der digitalen Karte durch Triangulation basierend auf mehreren Funkbaken-Signalen und/oder anderen Funksignalen zu bestimmen, wobei die Funkbaken-Signale bzw. die anderen Funksignale von anderen Funkknoten im vermaschten Netz empfangen werden.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 20, ferner umfassend eine Prozessoreinheit, die den Funkknoten nach seiner Aktivierung zunächst für eine vorbestimmte Zeitspanne in einem Zuhör-Modus betreibt, in dem das Senden von Funksignalen durch die Sende-Empfangseinheit unterbunden wird und der Funkknoten versucht, Funkbaken-Signale von im vermaschten Netz integrierten anderen Funkknoten zu empfangen.
Funkknoten nach Anspruch 21, wobei die Prozessoreinheit nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne einen der anderen Funkknoten auswählt, und die Sende-Empfangseinheit veranlasst, eine Registrierungs-Nachricht an den gewählten Funkknoten zu senden, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren; wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das die Registrierungs-Nachricht enthaltenden Funksignal mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des gewählten Funkknotens zu senden, so dass das mindestens eine Sperrgebiet ausgespart wird.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das Funksignal mittels Beamforming gerichtet so auszusenden, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem niedrigeren zweiten vorgegebenen Schwellenwert liegt; wobei der niedrigere zweite vorgegebene Schwellenwert eine Energiedichte für das mindestens eine Sperrgebiet so beachtet, dass ein Empfang von vom Funkknoten ausgesendeten Funksignalen im mindestens einen Sperrgebiet nicht möglich ist.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, der eingerichtet ist, extern berechnete Funkrichtungen und zugeordnete Sendeleistungen zu empfangen, und wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das Funksignal in eine der berechneten Funkrichtungen mit der zugeordneten Sendeleistung zu senden.
Verfahren zur Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für einen Funkknoten nach Anspruch 24 durch eine zentrale Recheneinheit, umfassend: Empfangen von Daten, die die Positionen der Funkknoten im vermaschten Netz angeben, an der zentralen Recheneinheit Ermitteln von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für mindestens einen der Funkknoten unter Verwendung von topologischen Karteninformationen und optional weiteren Karteninformationen; und Übertragen der ermittelten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen an den mindestens einen Funkknoten.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei für jeden Funkknoten des vermaschten Netzes Kenndaten der Übertragung, insbesondere Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder Datendurchsatz und/oder Latenz gesammelt werden, und diese Kenndaten, vorzugsweise mittels selbstlernender Algorithmen, zur iterativen Optimierung der an die Knoten zurückgelieferten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen verwendet werden.
Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst: Berechnung von Reflexionen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte, wobei Sendeleistungen und Senderichtungen, die in einem oder mehreren Sperrgebieten zu Energiedichten über einem vorgegebenen Schwellwert führen, für den Funkknoten ausgeschlossen werden.
Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst: Berechnung von Dämpfungen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte, wobei Sendeleistungen und Senderichtungen zu benachbarten Funkknoten so gewählt werden, dass die Sendeleistung maximiert wird, ohne eine in dem mindestens einem Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst: Optimieren der Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder des Datendurchsatzes und/oder der Latenz für das gesamte vermaschte Netz basierend auf Geoinformationen und/oder Geodaten einer topologischen Karte durch Festlegung von bevorzugten Senderichtungen und zugehörigen Sendeleistungen für die einzelnen Funkknoten, wobei Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen von nicht auf einer Sichtlinie liegenden Senderichtungen, insbesondere indirekte Senderichtungen mit mindestens einer Reflexion, zu einem benachbarten Funkknoten basierend auf einer topologischen Karte unter Berücksichtigung von Reflexion und Dämpfung von zu sendenden Funksignalen, wobei Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, für den Knoten ausgeschlossen werden.
Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei basierend auf einer topologischen Karte durch Hindernisse gesperrte Senderichtungen für den Funkknoten ausgeschlossen werden.