DE102018131038B3 - Management of a meshed radio network in the vicinity of a restricted area - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Integration eines neuen Funkknotens in ein vermaschtes Netz, das im Bereich eines Sperrgebiets liegt. Der neue Funkknoten sendet zunächst nicht selbständig Signale aus, sondern versucht alle andere Funkknoten zu empfangen, basierend auf welchen er die relative Richtung des Senders eines Signals bestimmen kann. Der Funkknoten kann dann die Registrierungsnachricht in die ermittelte relative Richtung des Senders so gerichtet aussenden, dass beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener „gesperrter“ Bereich ausgespart wird. Der Sendeknoten, der die Registrierungsnachricht empfängt, kann ebenfalls anhand der Funksignale die relative Richtung des neuen Funkknotens ermitteln und die Bestätigung der Integration in das vermaschten Netz ebenfalls gerichtet in diese relative Richtung aussenden.The invention relates to the integration of a new radio node in a meshed network, which is in the area of a restricted area. The new radio node does not initially send out signals independently, but tries to receive all other radio nodes on the basis of which it can determine the relative direction of the transmitter of a signal. The radio node can then send the registration message in the determined relative direction of the transmitter so that a predetermined “blocked” area is left out when the radio signals are sent. The transmitting node, which receives the registration message, can also determine the relative direction of the new radio node on the basis of the radio signals and can also send the confirmation of the integration into the meshed network in this relative direction.
Description
TECHNISCHER GEBIETTECHNICAL AREA
Erfindung betrifft unter anderem ein Verfahren zur Integration eines neuen Funkknotens in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt. Ferner betrifft die Erfindung die Ausgestaltung entsprechender Funkknoten zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt. 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.The invention relates, inter alia, to a method for integrating a new radio node in a meshed network which is in the region of at least one restricted area. The invention further relates to the design of corresponding radio nodes for use in a meshed network which is in the area of at least one restricted area. Individual functions of the radio nodes can be implemented using software (e.g. computer program) that is stored on one or more computer-readable storage media. The meshed network can be, for example, a sensor network.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
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.Sensor networks were originally conceived as a military early warning system for monitoring pipelines and national borders. Today, sensor networks can be used in a wide variety of areas (for example, in logistics / goods management (e.g. in warehouses), for monitoring and / or controlling production facilities, power plants, etc., for monitoring nature reserves (e.g. for pollutants, forest fires and animal migration), etc. ) are used - their application is as diverse as the available sensors.
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.A distributed sensor network consists of a large number of distributed sensor nodes that communicate with one another. Sensor networks usually refer to networks in which data is recorded by sensors and transmitted (wirelessly). The various data recorded by sensors, e.g. physical quantities, for data acquisition or for controlling the actuators, which can also form part of the sensor network. The main difference between a sensor network and local area networks (LAN), WLANs and mobile radio networks is that the sensor and actuator data are typically relatively small amounts of data. This data can be transmitted wired or wireless. The transport and routing protocols are usually optimized for small amounts of data and / or energy-saving operation, since the sensor nodes are often operated with batteries and should be operated for as long (often several years) as possible without changing the batteries. Wireless sensor networks are also known as wireless sensor networks (WSN).
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.Sensor networks are often self-organized networks (SON), maintenance-free, interference-resistant, battery-operated and are characterized by extremely low power consumption. In order to meet these requirements, classic techniques for setting up and operating ad hoc networks are often not sufficient. For this reason, specialized protocols are often used that take into account the special properties of wireless sensor networks.
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.The individual sensor nodes of a sensor network usually consist of a processor and a data memory (e.g. a flash memory). There are also one or more sensors and a module for radio communication (transceiver). All components of the sensor node are usually powered by a battery. In principle, however, it is also conceivable to connect the sensor nodes to a power grid or to supply them with power via a bus system. The components of the sensor node can be accommodated on a single computer chip (System on Chip, SoC), which considerably reduces the size compared to assembled individual components.
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.As already mentioned, sensor networks generally form meshed ad hoc networks. Modern ad hoc networks configure themselves automatically and work autonomously (i.e. without a central authority for network management). The company uses special network protocols for the respective network type and uses gateways to other networks (e.g. Internet, (W) LAN, cellular network, etc.). Data can be forwarded from network nodes (sensor nodes) to network nodes via several stations until they have reached their recipient.
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.The use of sensor networks can be problematic, for example, in industrial and / or production plants (e.g. in petrochemical production plants), since there is a risk of explosion in certain areas of the industrial and / or production plant and therefore prevent the introduction of radio signals into these areas for safety reasons is. In particular, pulsed radio signals with a high energy density are often problematic here, and industry standards (e.g. ISO / IEC standard series 60079 and ISO / IEC standard series 80079) place general requirements on the design, testing and labeling of devices and components in potentially explosive or explosive environments firmly. Also, sensitive (measuring) electronics are often used in industrial and / or production plants, which must be protected against excessive entry of electromagnetic energy by radio waves.
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.Radio antennas generally radiate their power omnidirectionally in all directions. Even in the case of directionally emitted radio signals, reflection can result in an undesired input of power in areas of an industrial and / or production system which is explosive or must be protected against excessive radio power input for other reasons. Through manual configuration The radiation profiles of the antennas or the selection of appropriate antennas for the individual sensor nodes in the network can circumvent such problems, but require that the sensor network be configured manually. Accordingly, new network nodes are added manually.
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.The operation of an autonomous ad-hoc network (meshed network), on the other hand, is problematic in such a case, since new network nodes generally do not know in which areas radio power should not be brought in, if possible. In many protocols for the management of ad-hoc networks, the new network nodes automatically “report” after they are switched on (e.g. by sending signals) to make other network nodes aware of their presence. There is a risk that new network nodes will transmit radio signals with undesirably high performance even in areas to be protected.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Von diesem Hintergrund ausgehend stellt sich die technische Aufgabe, eine Methode vorzuschlagen, die es neuen Knoten erlaubt, sich selbständig (möglichst ohne manuelle Konfiguration) in ein bestehendes vermaschtes Netz zu integrieren, ohne jedoch 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.Based on this background, the technical task arises to propose a method that allows new nodes to integrate themselves into an existing meshed network independently (if possible without manual configuration), but without sending radio signals into a “blocked” area. This area is also referred to below as the "restricted area" or "restricted zone". Such a “blocked” area can be, for example, an area in which radio signals may only be transmitted with an energy density less than a predetermined threshold value. The maximum energy density that may be introduced into such an area can be specified, for example, by a norm or standard, or it can also be determined on an application-specific basis. Alternatively, such a "blocked" area can also be defined as such for other reasons.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sendet ein neuer Funkknoten, der in ein vermaschtes Netz (auch als „Mesh-Netz“ bezeichnet, z.B. eine autonomes Ad-Hoc-Netz) integriert werden soll, zunächst nicht selbständig Signale aus. Der neue Funkknoten versucht zunächst Signale von anderen Netzknoten, die bereits im Netz integriert sind, zu empfangen. Die Signale, die von den anderen im Netz bereits integrierten Funkknoten ausgesendet werden, zeigen die Verfügbarkeit des Mesh-Netzes an und sind dergestalt, dass sie den neuen Funkknoten in die Lage versetzen, die relative Richtung des Senders zu bestimmen. Diese Signale werden im Folgenden auch als Funkbaken-Signale bezeichnet. Der neue 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 beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener „gesperrter“ Bereich ausgespart wird. Da der neue Funkknoten aus der ermittelten Richtung zuvor ein Funkbaken-Signal empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass entlang dieser Ausstrahlrichtung kein „gesperrter“ Bereich liegen kann.According to one aspect of the invention, a new radio node that is to be integrated into a meshed network (also referred to as a “mesh network”, for example an autonomous ad hoc network) does not initially send out signals independently. The new radio node first tries to receive signals from other network nodes that are already integrated in the network. The signals transmitted by the other radio nodes already integrated in the network indicate the availability of the mesh network and are such that they enable the new radio node to determine the relative direction of the transmitter. These signals are also referred to below as radio beacon signals. The new radio node, which receives such a beacon signal, can use the signal to determine the relative direction from which the signal was received and can use this information to align its radio signals in this direction. In this way it can be ensured that a predetermined “blocked” area is left out when the radio signals are transmitted. Since the new radio node previously received a beacon signal from the determined direction, it can assume that there can be no “blocked” area along this direction of transmission.
Das vom neuen Funkknoten ausgesendete Signal hat eine Registrierungsfunktion. Der im Netz integrierte Funkknoten, der ein solches Registrierungssignal vom neuen Funkknoten empfängt, kann den Funkknoten in das Netz integrieren und beispielsweise eine Bestätigung der Registrierung im Netz, sowie optionale weitere Konfigurationsinformationen zusenden. Sofern der neue Netzknoten mehrere Funkbaken-Signale von anderen Funkknoten empfängt, kann der neue Netzknoten einen Funkknoten, an den er antwortet auswählen. Die Funkknoten können mittels Beamforming (auch: spatial filtering) die eigenen Funksignale in eine bestimmte Richtung ausrichten, um so ein oder mehrere „gesperrte“ Bereiche auszusparen. Beamforming erlaubt es durch Signalverarbeitung die Sendeleistung eines von einem Antennenarray ausgesehenen Funksignale in eine bestimmte Richtung zu lenken.The signal transmitted by the new radio node has a registration function. The radio node integrated in the network, which receives such a registration signal from the new radio node, can integrate the radio node into the network and, for example, send confirmation of registration in the network and optional further configuration information. If the new network node receives several beacon signals from other radio nodes, the new network node can select a radio node to which it answers. The radio nodes can use beamforming (also: spatial filtering) to align their own radio signals in a certain direction in order to avoid one or more "blocked" areas. Beamforming allows the transmission power of a radio signal viewed by an antenna array to be directed in a certain direction by signal processing.
Eine Ausführungsform gemäß diesem Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration eines neuen Funkknotens in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die - beispielsweise - Funksignale nur mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Gemäß diesem Verfahren senden mehrere im vermaschten Netz bereits integrierten Funkknoten Funkbaken-Signale aus. Jeder der integrierten Funkknoten sendet das jeweilige Funkbaken-Signals relativ zu seiner Position in alle Richtungen aus, spart dabei aber den Bereich des mindestens einen Sperrgebiets aus. Bevor der neue Funkknoten erstmals sendet, empfängt er mindestens ein Funkbaken-Signal der von den integrierten Funkknoten ausgesendeten Funkbaken-Signale. Für jedes von den integrierten Funkknoten ausgesendete und vom neuen Funkknoten empfangene Funkbaken-Signal, ermittelt der neue Funknoten basierend auf dem jeweiligen empfangenen Funkbaken-Signal die relative Richtung des das empfangene Funkbaken-Signal aussendenden und im vermaschten Netz bereits integrierten Funkknotens, um anschließend eine Registrierungs-Nachricht an einen im vermaschten Netz bereits integrierten Funkknoten, von dem ein Funkbaken-Signal empfangen wurde, gerichtet zu senden. Der neue Funkknoten strahlt dabei das die Registrierungs-Nachricht enthaltene Funksignal mittels Strahlformung so gerichtet in die ermittelte relative Richtung des bereits integrierten Funkknotens ab (z.B. mittels Beamforming des von einem Antennenarray des neuen Funkknoten abgestrahlten Funksignals), dass das Funksignal nicht oder nur mit einer Energiedichte kleiner dem vorgegebenen Schwellenwerts in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird. Der eine integrierte Funkknoten empfängt die Registrierungs-Nachricht und bestätigt die Integration des neuen Funkknoten in das vermaschte Netz.An embodiment according to this aspect of the invention relates to a method for integrating a new radio node in a meshed network, which is in the area of at least one restricted area, into which radio signals, for example, may only be transmitted with an energy density less than a predetermined threshold. According to this method, several radio nodes already integrated in the meshed network transmit radio beacon signals. Each of the integrated The radio beacon sends the respective beacon signal relative to its position in all directions, but saves the area of the at least one restricted area. Before the new radio node transmits for the first time, it receives at least one radio beacon signal from the radio beacon signals transmitted by the integrated radio node. For each radio beacon signal transmitted by the integrated radio node and received by the new radio node, the new radio node determines, based on the respective radio beacon signal received, the relative direction of the radio beacon signal emitting the received radio beacon signal and already integrated in the meshed network, in order to subsequently register -Send a message to a radio node that is already integrated in the meshed network and from which a radio beacon signal has been received. The new radio node emits the radio signal containing the registration message by means of beam shaping in the determined relative direction of the already integrated radio node (for example by beamforming the radio signal emitted by an antenna array of the new radio node) that the radio signal does not or only with an energy density smaller than the predetermined threshold is emitted into the at least one restricted area. One integrated radio node receives the registration message and confirms the integration of the new radio node into the meshed network.
In einer weiteren Ausführungsform kann der neue Funkknoten einen integrierten Funkknotens, an den die Registrierungs-Nachricht gesendet wird, aus den integrierten Funkknoten, von denen ein Funkbaken-Signal empfangen wurde, auswählen. Der neue Funkknoten kann so beispielsweise, sofern er mehrere Funkbaken-Signale unterschiedlicher Knoten empfangen hat, einen bevorzugten Funkknoten, bei dem er sich registrieren will, auswählen. Dabei kann er beispielsweise den Funkknoten auswählen, von dem das Funkbaken-Signal mit der stärksten Signalleistung empfangen wird.In a further embodiment, the new radio node can select an integrated radio node to which the registration message is sent from the integrated radio nodes from which a beacon signal was received. The new radio node can, for example, if it has received several radio beacon signals from different nodes, select a preferred radio node with which it wants to register. For example, he can select the radio node from which the radio beacon signal with the strongest signal power is received.
Der neue Funkknoten muss nach seiner Aktivierung nicht sofort auf das erste Funkbaken-Signal, das er empfängt reagieren. In einer Ausführungsform wird der neue Funkknoten nach seiner Aktivierung zunächst für eine vorbestimmte Zeitspanne in einem Zuhör-Modus betrieben, in dem der neue Funkknoten nicht selbst sendet und versucht, Funkbaken-Signale von im vermaschten Netz integrierter Funkknoten zu empfangen, um die jeweilige relative Richtung der im vermaschten Netz integrierter Funkknoten basierend auf dem jeweiligen empfangenen Funkbaken-Signal zu bestimmen. Beispielsweise kann nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne der neue Funkknoten einen integrierten Funkknoten auswählen, an den die Registrierungsnachricht gesendet wird. Alternativ kann aber der neue Funkknoten die Registrierungsnachricht auch an denjenigen Funkknoten senden, von dem er zuerst ein Funkbaken-Signal empfängt.The new radio node does not have to react immediately to the first radio beacon signal that it receives after it has been activated. In one embodiment, after its activation, the new radio node is initially operated in a listening mode for a predetermined period of time, in which the new radio node does not transmit itself and attempts to receive beacon signals from radio nodes integrated in the meshed network, in the respective relative direction determine the radio node integrated in the meshed network based on the respective radio beacon signal received. For example, after the predetermined period of time has elapsed, the new radio node can select an integrated radio node to which the registration message is sent. Alternatively, however, the new radio node can also send the registration message to the radio node from which it first receives a radio beacon signal.
Sofern der neue Funkknoten mehrere Funkbaken-Signale empfangen hat, kann der neue Funkknoten in einer Ausführungsform der Erfindung auch seine relative Position bezüglich der anderen Funkknoten basierend auf den empfangen Funkbaken-Signalen und/oder anderen Funksignalen, die von den bereits im vermaschten Netz integrierten Funkknoten empfangen wurden, durch Triangulation bestimmen. Dazu sollte der neue Funkknoten möglichst von vier bereits im Netz integrierten Funkknoten Funkbaken-Signale empfangen. Die vier Funkknoten sollten dabei mit dem neuen Funkknoten hinsichtlich der Signalrichtung nicht auf einer Linie liegen (also einen konvexen Raum aufspannen).If the new radio node has received several radio beacon signals, the new radio node in one embodiment of the invention can also determine its relative position with respect to the other radio nodes based on the received radio beacon signals and / or other radio signals from the radio nodes already integrated in the meshed network received by triangulation. For this purpose, the new radio node should receive radio beacon signals from four radio nodes that are already integrated in the network, if possible. The four radio nodes should not be in line with the new radio node with regard to the signal direction (i.e. span a convex space).
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das vermaschte Netz initial mindestens vier integrierte Funkknoten, die einen nicht konvexen Raum aufspannen. Es ist also sichergestellt, dass der neue Funkknoten (d.h. bezüglich der Empfangsrichtung der Signale durch den neuen Funkknoten) und die bereits im Netz integrierten Funkknoten nicht auf einer Linie liegen. Die vier Funkknoten, die das initiale vermaschten Netz bilden, können mit Konfigurationsinformationen manuell konfiguriert werden. Dies kann beispielsweise über eine im Funkknoten integrierte Schnittstelle, die drahtgebunden oder drahtlos sein kann geschehen. Die Konfigurationsinformationen umfassen dabei mindestens die folgende Informationen: Positionsinformationen, die die absolute Position des jeweiligen Funkknotens in einem Bezugskoordinatensystem festlegen; Sperrgebietsinformationen, die das mindestens eine Sperrgebiet in dem Bezugskoordinatensystem definieren; und optional, Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens oder des Netzes.In one embodiment of the invention, the meshed network initially comprises at least four integrated radio nodes that span a non-convex space. It is thus ensured that the new radio node (i.e. with regard to the direction of reception of the signals by the new radio node) and the radio nodes already integrated in the network are not in line. The four radio nodes that form the initial meshed network can be configured manually with configuration information. This can be done, for example, via an interface integrated in the radio node, which can be wired or wireless. The configuration information in this case comprises at least the following information: position information which defines the absolute position of the respective radio node in a reference coordinate system; Restricted area information defining the at least one restricted area in the reference coordinate system; and optionally, map information of a topological map of the environment of the radio node or the network.
In einer Ausführungsform der Erfindung sendet jeder im Netz bereits integrierte Funkknoten sein Funkbaken-Signal gerastert aus, wobei das mindestens eine Sperrgebiet ausgespart wird. Dabei senden die Funkknoten jeweils Funkbaken-Signale in mehreren Schritten in einem Abstrahl-Sektor aus (d.h. in mehrere Untersektoren unterteilt mit möglichst kleinen Öffnungswinkel der Untersektors), so dass die Funkbaken-Signale den Abstrahl-Sektor des jeweiligen Funkknotens überstreichen.In one embodiment of the invention, each radio node already integrated in the network transmits its radio beacon signal in a rasterized manner, the at least one restricted area being left out. The radio nodes each send out beacon signals in several steps in a radiation sector (i.e. divided into several sub-sectors with the smallest possible opening angle of the sub-sector), so that the radio beacon signals sweep over the radiation sector of the respective radio node.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein integrierter Funkknoten basierend auf einem vom neuen Funkknoten empfangenen Funksignal, das die Registrierungs-Nachricht enthält, die relative Richtung des neuen Funkknotens ermitteln. Der integrierte Funkknoten kann ein Funksignal mittels Strahlformung gerichtet in die ermittelte relative Richtung des neuen Funkknotens abstahlen. Dieses Funksignal kann eine Bestätigung der Integration des neuen Funkknoten in das vermaschte Netz enthalten. Das Funksignal wird so nicht oder nur mit einer Energiedichte kleiner dem vorgegebenen Schwellenwerts in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird.In a further embodiment, an integrated radio node can determine the relative direction of the new radio node based on a radio signal which contains the registration message and which is received by the new radio node. The integrated radio node can radiate a radio signal by beam shaping in the determined relative direction of the new radio node. This radio signal can be a confirmation of the integration of the new Radio nodes included in the meshed network. The radio signal is thus not radiated into the at least one restricted area or only with an energy density less than the predetermined threshold value.
Das Bestätigen der Integration des neuen Funkknotens im vermaschten Netz durch den einen integrierten Funkknoten umfasst beispielsweise das Senden von Positionsinformationen, die die absolute Position des einen integrierten Funkknoten in einem Bezugskoordinatensystem identifizieren, und das Senden von Sperrgebietsinformationen, die das mindestens eine Sperrgebiet in dem Bezugskoordinatensystem identifizieren. Die Positionsinformationen können optional zusätzlich die absolute Position anderer bereits im vermaschten Netz integrierten Funkknoten in dem Bezugskoordinatensystem identifizieren, die dem integrierten Funkknoten, der die Registrierungsnachricht erhalten hat, bekannt sind. Der neue Funkknoten kann seine eigene absolute Position im Bezugskoordinatensystem basierend auf einer durch Triangulation ermittelten eigenen relativen Position und den Positionsinformationen anderer integrierter Funkknoten im Bezugskoordinatensystem bestimmen. Die so ermittelte absolute Position des neuen Funkknotens im Bezugskoordinatensystem kann der neue Funkknoten anschließend zumindest dem einen integrierten Funkknoten mittels einer weiteren Nachricht mitteilen. Das die ermittelte absolute Position des neuen Funkknotens enthaltende Funksignal wird vom neuen Funkknoten ebenfalls mittels Strahlformung (Beamforming) gerichtet in die ermittelte relative Richtung des integrierten Funkknotens abstrahlt, so dass das Funksignal nicht oder nur mit einer Energiedichte kleiner dem vorgegebenen Schwellenwerts in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird.Confirming the integration of the new radio node in the meshed network by the one integrated radio node includes, for example, sending position information that identifies the absolute position of the one integrated radio node in a reference coordinate system and sending blocked area information that identifies the at least one blocked area in the reference coordinate system , The position information can optionally additionally identify the absolute position of other radio nodes already integrated in the meshed network in the reference coordinate system, which are known to the integrated radio node that received the registration message. The new radio node can determine its own absolute position in the reference coordinate system based on its own relative position determined by triangulation and the position information of other integrated radio nodes in the reference coordinate system. The new radio node can then communicate the absolute position of the new radio node in the reference coordinate system determined in this way to at least one integrated radio node by means of a further message. The radio signal containing the determined absolute position of the new radio node is also directed by the new radio node by means of beam shaping (beamforming) in the determined relative direction of the integrated radio node, so that the radio signal does not or only with an energy density lower than the predetermined threshold value in the at least one restricted area is emitted.
In einer anderen Ausführungsform wählt der neue Funkknoten einen anderen im vermaschten Netz bereits integrierten Funkknoten aus, von dem ein Funkbaken-Signal empfangen wurde, wenn der neue Funkknoten innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Aussenden der Registrierungs-Nachricht keine Bestätigung seiner Integration in das vermaschte Netz durch den einen integrierten Funkknoten empfängt, und sendet eine weitere (zweite) Registrierungs-Nachricht an den anderen integrierten Funkknoten gerichtet aus. Das zweite Registrierungs-Nachricht enthaltene Funksignal wird mittels Strahlformung gerichtet in eine ermittelte relative Richtung des anderen ausgewählten integrierten Funkknotens abstrahlt, so dass das Funksignal möglichst nicht in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird.In another embodiment, the new radio node selects another radio node that is already integrated in the meshed network and from which a radio beacon signal was received if the new radio node did not confirm its integration into the meshed network within a predetermined period of time after the registration message was sent receives through the one integrated radio node, and sends another (second) registration message directed to the other integrated radio node. The radio signal contained in the second registration message is directed by means of beam shaping in a determined relative direction of the other selected integrated radio node, so that the radio signal is preferably not radiated into the at least one restricted area.
Eine weitere Ausführungsform gemäß 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 einen Sende-Empfänger zum Empfangen von Funkbaken-Signalen von mehreren im vermaschten Netz bereits integrierten anderen Funkknoten, wobei der Sende-Empfänger angepasst ist, nicht selbst zu senden bevor ein Funkbaken-Signal empfangen wurde; und eine Prozessoreinheit, um für jedes vom Sende-Empfänger empfangene Funkbaken-Signal basierend auf dem jeweiligen empfangenen Funkbaken-Signal eine relative Richtung des das jeweilige empfangene Funkbaken-Signal aussendenden anderen Funkknotens bezüglich des Funkknotens zu ermitteln. Der Sende-Empfänger ist ferner zum gerichteten Senden einer Registrierungs-Nachricht an einen im vermaschten Netz bereits integrierten anderen Funkknoten, von dem ein Funkbaken-Signal empfangen wurde, eingerichtet. Ferner ist der Sende-Empfänger so eingerichtet, dass er das die Registrierungs-Nachricht enthaltene Funksignal mittels Strahlformung gerichtet in die ermittelte relative Richtung des einen im vermaschten Netz bereits integrierten anderen Funkknotens abstrahlt, so dass das Funksignal nicht oder nur mit einer Energiedichte kleiner dem vorgegebenen Schwellenwerts in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird. Der Sende-Empfänger ist ferner zum Empfangen einer Bestätigungsnachricht von dem einen im vermaschten Netz bereits integrierten anderen Funkknoten eingerichtet ist, wobei die Bestätigungsnachricht die Integration des neuen Funkknoten in das vermaschte Netz durch den einen integrierten Funkknoten bestätigt.A further embodiment according to the invention relates to a radio node for use in a meshed network, which lies in the area of at least one restricted area, into which only radio signals with an energy density less than a predetermined threshold value may be sent. The radio node comprises a transceiver for receiving beacon signals from several other radio nodes already integrated in the meshed network, the transceiver being adapted not to transmit itself before a beacon signal has been received; and a processor unit for determining, for each radio beacon signal received by the transceiver, based on the respective received radio beacon signal, a relative direction of the other radio node which emits the respective received radio beacon signal with respect to the radio node. The transceiver is also set up for the directed transmission of a registration message to another radio node that is already integrated in the meshed network and from which a radio beacon signal has been received. Furthermore, the transceiver is set up in such a way that it radiates the radio signal containing the registration message by means of beam shaping in the determined relative direction of the other radio node already integrated in the meshed network, so that the radio signal does not or only with an energy density lower than the predetermined one Threshold value in which at least one restricted area is emitted. The transceiver is also set up to receive a confirmation message from one of the other radio nodes already integrated in the meshed network, the confirmation message confirming the integration of the new radio node into the meshed network by the one integrated radio node.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Prozessoreinheit zum Auswählen des einen integrierten anderen Funkknotens, an den die Registrierungs-Nachricht gesendet wird, aus den integrierten Funkknoten, von denen ein Funkbaken-Signal empfangen wurde, eingerichtet.In a further embodiment, the processor unit is set up to select the one other integrated radio node to which the registration message is sent from the integrated radio nodes from which a beacon signal was received.
Der Funkknoten wird in einer weiteren Ausführunsgform der Erfindung nach seiner Aktivierung zunächst für eine vorbestimmte Zeitspanne in einem Zuhör-Modus betrieben, in dem der Sende-Empfänger eingerichtet ist, nicht selbst zu senden und versucht, Funkbaken-Signale von im vermaschten Netz integrierter anderen Funkknoten zu empfangen und die relative Richtung der im vermaschten Netz integrierter anderen Funkknoten basierend auf dem jeweiligen empfangenen Funkbaken-Signal zu bestimmen. Der Sende-Empfänger kann beispielsweise nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne den einen integrierten anderen Funkknoten auswählen, an den die Registrierungsnachricht gesendet wird. Alternativ ist der Sende-Empfänger eingerichtet, die Registrierungsnachricht an den bereits im vermaschten Netz integrierten anderen Funkknoten senden, von dem er zuerst ein Funkbaken-Signal empfängt.In a further embodiment of the invention, the radio node is initially operated in a listening mode in which the transceiver is set up after it has been activated, in which the transceiver is set up not to transmit itself and attempts to send beacon signals from other radio nodes integrated in the meshed network to receive and to determine the relative direction of the other radio nodes integrated in the meshed network based on the respective received radio beacon signal. After the predetermined period of time has elapsed, for example, the transceiver can select the other integrated radio node to which the registration message is sent. Alternatively, the transceiver is set up to send the registration message to the other radio node already integrated in the meshed network, from which it first receives a radio beacon signal.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Prozessoreinheit zum Bestimmen der relativen Position des Funkknotens durch Triangulation basierend auf mehreren empfangen Funkbaken-Signalen und/oder anderen Funksignalen, die von den bereits im vermaschten Netz integrierten anderen Funkknoten empfangen wurden, eingerichtet. In a further embodiment, the processor unit is set up to determine the relative position of the radio node by triangulation based on a plurality of received radio beacon signals and / or other radio signals which have been received by the other radio nodes already integrated in the meshed network.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sende-Empfänger eingerichtet zum: Empfangen von Positionsinformationen, die die absolute Position des einen integrierten andere Funkknoten in einem Bezugskoordinatensystem identifizieren; und Empfangen von Sperrgebietsinformationen, die das mindestens eine Sperrgebiet in dem Bezugskoordinatensystem identifizieren. Die Positionsinformationen können optional ferner die jeweilige absolute Position anderer bereits im vermaschten Netz integrierter Funkknoten in dem Bezugskoordinatensystem identifiziert, die dem einen integrierten anderen Funkknoten bekannt sind.According to a further embodiment, the transceiver is set up to: receive position information which identifies the absolute position of the one other integrated radio node in a reference coordinate system; and receiving restricted area information identifying the at least one restricted area in the reference coordinate system. The position information can optionally also identify the respective absolute position of other radio nodes already integrated in the meshed network in the reference coordinate system, which are known to the one integrated other radio node.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Prozessoreinheit eingerichtet, die eigene absolute Position des Funkknoten im Bezugskoordinatensystem basierend auf einer durch Triangulation ermittelten eigenen relativen Position und den Positionsinformationen von mindestens dem einen integrierten Funkknoten im Bezugskoordinatensystem zu ermitteln, und eine Mitteilung der ermittelten absoluten Position des Funkknotens im Bezugskoordinatensystem zumindest dem einen integrierten anderen Funkknoten mittels einer Nachricht zu veranlassen. Der Sende-Empfänger ist ferner eingerichtet, das die Nachricht enthaltende Funksignal mittels Strahlformung gerichtet in die ermittelte relative Richtung des einen integrierten Funkknotens abzustrahlen, so dass das Funksignal nicht oder nur mit einer Energiedichte kleiner dem vorgegebenen Schwellenwerts in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird. Der Sende-Empfänger kann ferner eingerichtet sein, die ermittelte absolute Position des neuen Funkknotens im Bezugskoordinatensystem dem einen integrierten Funkknoten mittels der Registrierungsnachricht zu senden.In a further embodiment, the processor unit is set up to determine the own absolute position of the radio node in the reference coordinate system based on an own relative position determined by triangulation and the position information of at least one integrated radio node in the reference coordinate system, and a notification of the determined absolute position of the radio node in the To cause the reference coordinate system at least the one other integrated radio node by means of a message. The transceiver is also set up to emit the radio signal containing the message by means of beam shaping in the determined relative direction of the one integrated radio node, so that the radio signal is not emitted into the at least one restricted area or only with an energy density smaller than the predetermined threshold value. The transceiver can also be set up to send the determined absolute position of the new radio node in the reference coordinate system to the one integrated radio node by means of the registration message.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Prozessoreinheit des Funkknotens ferner eingerichtet, einen anderen im vermaschten Netz bereits integrierten Funkknoten, von dem ein Funkbaken-Signal empfangen wurde auszuwählen, wenn der Funkknoten innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Aussenden der Registrierungs-Nachricht keine Bestätigung seiner Integration in das vermaschte Netz durch den einen integrierten Funkknoten empfängt. Der Sende-Empfänger kann ferner eingerichtet sein, eine zweite Registrierungs-Nachricht an den anderen integrierten Funkknoten gerichtet zu senden, und das die zweite Registrierungs-Nachricht enthaltene Funksignal mittels Strahlformung gerichtet in eine ermittelte relative Richtung des anderen ausgewählten integrierten Funkknotens abzustrahlen, so dass das Funksignal nicht in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird.According to a further embodiment, the processor unit of the radio node is also set up to select another radio node which is already integrated in the meshed network and from which a radio beacon signal has been received if the radio node does not confirm its integration into a predetermined period after the registration message has been sent the meshed network receives an integrated radio node. The transceiver can also be set up to send a second registration message directed to the other integrated radio node, and to radiate the radio signal containing the second registration message in a determined relative direction of the other selected integrated radio node by means of beam shaping, so that this Radio signal is not radiated into the at least one restricted area.
Eine andere Ausführungsform 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. Es wird angenommen, dass der Funkknoten bereits im vermaschten Netz integriert ist und der Funkknoten umfasst einen Sende-Empfänger zum Senden eines Funkbaken-Signals, wobei der Sende-Empfänger eingerichtet ist, das Funkbaken-Signal gerastert auszusenden, wobei das mindestens eine Sperrgebiet ausgespart wird; wobei der Sende-Empfänger ferner zum Empfangen einer Funksignals, das eine Registrierungs-Nachricht von einem anderen nicht im vermaschten Netz integrierten Funkknoten enthält. Der Funkknoten umfasst auch eine Prozessoreinheit zum Ermitteln der relativen Richtung des anderen Funkknotens basierend auf dem vom anderen Funkknoten empfangenen Funksignals. Der Sende-Empfänger kann ferner zum Senden einer Bestätigungsnachricht an den anderen Funkknoten eingerichtet sein, wobei die Bestätigungsnachricht die Integration des neuen Funkknoten in das vermaschte Netz durch den einen integrierten Funkknoten bestätigt. Ferner kann der Sende-Empfänger das die Bestätigungsnachricht enthaltende Funksignal mittels Strahlformung gerichtet in die ermittelte relative Richtung des anderen Funkknotens abstrahlen so dass das Funksignal nicht oder nur mit einer Energiedichte kleiner dem vorgegebenen Schwellenwerts in das mindestens eine Sperrgebiet abgestrahlt wird.Another embodiment relates to a radio node for use in a meshed network, which lies in the area of at least one restricted area, into which only radio signals with an energy density less than a predetermined threshold value may be sent. It is assumed that the radio node is already integrated in the meshed network and the radio node comprises a transceiver for transmitting a radio beacon signal, the transceiver being set up to transmit the radio beacon signal in a rasterized manner, the at least one restricted area being left out ; the transceiver further receiving a radio signal containing a registration message from another radio node not integrated in the meshed network. The radio node also includes a processor unit for determining the relative direction of the other radio node based on the radio signal received by the other radio node. The transceiver can also be set up to send a confirmation message to the other radio node, the confirmation message confirming the integration of the new radio node into the meshed network by the one integrated radio node. Furthermore, the transceiver can use beam shaping to radiate the radio signal containing the confirmation message in the determined relative direction of the other radio node, so that the radio signal is not radiated into the at least one restricted area, or only with an energy density lower than the predetermined threshold value.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt ein beispielhaftes Sensornetz, das aus vier bereits in das Netz integrierten KnotenA ,B ,C , undD steht, und in das ein neuer NetzknotenX integriert werden soll, wobei im Bereich des Sensornetzes ein Sperrgebiet liegt, -
2 zeigtdas Sensornetz aus 1 , nachdem der KnotenX im Sensornetz integriert wurde, -
3 zeigt die Berücksichtigung von topologischen Gegebenheiten, zum Beispiel GebäudenG1 , Bestimmung der Abstrahlung-Sektoren, in denen der NetzknotenX 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 NetzknotenX , und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel KnotenA , 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 NetzknotenX , und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel KnotenA , die ausgeführt werden, um den neuen Netzknoten im Netz zu integrieren -
6 zeigt ein Beispiel, wie der NetzknotenX basierend auf Informationen zu den Abstrahl-Sektoren der anderen im Netz integrierten NetzknotenA ,B ,C undD , die Lage des SperrgebietsS1 bestimmen kann, -
7 illustriert beispielhaft die Definition eines dreidimensionalen Sperrgebiets, -
8 zeigt einen Funkknoten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und -
9 zeigt ein Beispiel von Routen zwischen den einzelnen Funkknoten des vermaschten Netzes, wie sie auf der Ebene des Routingprotokolls gebildet werden.
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1 shows an exemplary sensor network consisting of four nodes already integrated in the networkA .B .C , andD stands, and in that a new network nodeX to be integrated, with a restricted area in the area of the sensor network, -
2 shows thesensor network 1 after the knotX was integrated in the sensor network, -
3 shows the consideration of topological conditions, for example buildingsG1 , Determination of the radiation sectors in which the network nodeX transmits its radio signals to prevent radio signals from being emitted into the restricted area, -
4 FIG. 4 shows a flow diagram according to an embodiment of the invention that the individual operations of the new network node, for example network nodesX , and a node that is already integrated in the network, for example nodesA that are executed in order to integrate the new network node into the network, -
5 shows a flow diagram according to a further embodiment of the invention that the individual operations of the new network node, for example network nodesX , and a node that is already integrated in the network, for example nodesA that are executed in order to integrate the new network node in the network -
6 shows an example of how the network nodeX based on information on the radiation sectors of the other network nodes integrated in the networkA .B .C andD , the location of the restricted areaS1 can determine -
7 exemplifies the definition of a three-dimensional restricted area, -
8th shows a radio node according to an embodiment of the invention, and -
9 shows an example of routes between the individual radio nodes of the meshed network, as they are formed at the level of the routing protocol.
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.In the following description of the embodiments of the invention, elements having the same effect are provided with the same reference symbols in the figures, so that their description is interchangeable in the different exemplary embodiments.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
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, durch einen zu hohen Eintrag von Leistung durch die Funksignale gestört, beschädigt oder gar zum Explodieren gebracht werden könnten. Den unterschiedlichen Sperrgebieten können dabei unterschiedliche Schwellenwerte zugewiesen werden. 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.In general, the invention relates to the operation of a meshed network comprising a plurality of radio nodes, which can be operated autonomously and without a central authority for network management, starting from an initially existing network that can be configured manually. The meshed network can be, for example, a sensor network that contains sensors and optionally also actuators. However, the invention is not limited to sensor networks. According to one aspect of the invention, the protocols for integrating new radio nodes in the network itself are designed in such a way that it can be ensured that “blocked” areas are left out by the individual radio nodes when radio signals are transmitted. As a result, the power density of the radio signals introduced into a restricted area can be kept below a predetermined threshold value, so that devices can also be operated in the restricted area, which could be disturbed, damaged or even caused to explode by an excessive input of power by the radio signals. Different threshold values can be assigned to the different restricted areas. The meshed network can, for example, be an ad hoc network that is operated in an industrial or production plant. However, the invention is not so limited. The invention can also be used in other sensor networks which, for example, record parameters in households (e.g. energy consumption, gas consumption, district heating consumption, etc.) and transmit them to a central unit, the households being in an area which is also a restricted area in the sense of these Invention includes. Another exemplary application of a meshed network according to the invention is industrial and / or production plants or laboratories that use sensitive measurement technology that could be disturbed by the input of electromagnetic radio waves. The invention can also be used to address safety-critical aspects: For example, in prisons, inmates must not have radio reception. Another example and also safety-critical systems in which signals may only be detectable within the system.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sendet ein neuer Funkknoten, der in das vermaschte Netz integriert werden soll, zunächst nicht selbständig Signale aus. Vielmehr versucht der Funkknoten zunächst Signale von anderen Netzknoten, die bereits im Netz integriert sind, zu empfangen. Da die Netzknoten ihre Funksignale gerichtet innerhalb eines Abstrahl-Sektors (oder mehrere Abstrahl-Sektoren) ausstrahlen und so sicherstellen, dass das eine oder die mehreren Sperrgebiete ausgespart werden, kann der neue Funkknoten anhand der empfangenen Signale ermitteln, in welche Richtung relativ zu seiner Position kein Sperrgebiet liegt. Die Signale, die von den anderen im Netz bereits integrierten Funkknoten ausgesendet werden, zeigen die Verfügbarkeit des Mesh-Netzes an und versetzen den neuen Funkknoten in die Lage, die relative Richtung des Senders zu bestimmen. Diese Signale werden als Funkbaken-Signale bezeichnet. Der neue Funkknoten, der ein solches Funkbaken-Signal empfängt, kann anhand des Signals die relative Richtung bestimmen, aus der das Funkbaken-Signal empfangen wurde und kann diese Information dazu nutzen, seine Funksignale in diese Richtung auszurichten, um sicherzustellen, dass beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener Sperrbereich ausgespart wird, ohne dass der neue Funkknoten vorab die Existenz oder Position des Sperrbereichs kennen muss. Durch die Verwendung von Abstrahl-Sektoren, die die „zulässigen“ Bereiche definieren, in denen ein jeweiliger Funkknoten seine Funkleistung abstrahlen darf, wird die Nachbarschaftserkennung der Netzwerkmanagement-Protokolle des Mesh-Netzes beeinflusst (z.B. Neighbour Discovery (NDP)), da durch Limitierung der Ausstrahlrichtungen der Funksignale nicht alle möglichen Funknoten als Nachbarknoten im Netz erkannt werden und das Routing entsprechend angepasst wird.According to one aspect of the invention, a new radio node that is to be integrated into the meshed network does not initially send out signals independently. Rather, the radio node first tries to receive signals from other network nodes that are already integrated in the network. Since the network nodes radiate their radio signals within a radiation sector (or several radiation sectors) and thus ensure that the one or more restricted areas are left out, the new radio node can use the received signals to determine in which direction relative to its position there is no restricted area. The signals transmitted by the other radio nodes already integrated in the network indicate the availability of the mesh network and enable the new radio node to determine the relative direction of the transmitter. These signals are referred to as radio beacon signals. The new radio node that receives such a beacon signal can use the signal to determine the relative direction from which the beacon signal was received and can use this information to align its radio signals in this direction to ensure that when the Radio signals a predetermined restricted area is left out without the new radio node having to know in advance the existence or position of the restricted area. The use of radiation sectors that define the “permissible” areas in which a respective radio node can transmit its radio power influences the neighborhood detection of the network management protocols of the mesh network (eg Neighbor Discovery (NDP)), as it is limited the directions of transmission of the radio signals are not all possible radio nodes are recognized as neighboring nodes in the network and the routing is adapted accordingly.
Da der neue Funkknoten aus der ermittelten Richtung zuvor ein Funkbaken-Signal empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass entlang dieser Ausstrahlrichtung kein „gesperrter“ Bereich liegt. Ferner kann der neue Funkknoten davon ausgehen, dass ein in die relative Richtung ausgestrahltes Funksignal mit hoher Wahrscheinlichkeit von einem anderen im Netz integrierten Funknoten empfangen werden kann. Das vom neuen Funkknoten ausgesendete Signal hat eine Registrierungsfunktion. Der im Netz integrierte Funkknoten, der ein solches Registrierungssignal vom neuen Funkknoten empfängt, kann den neuen Funkknoten und dem das Registrierungssignal empfangen wurde in das Netz integrieren. Ferner kann er eine Bestätigung der Registrierung im Netz, sowie optionale weitere Konfigurationsinformationen an den neuen Funkknoten senden, mit deren Hilfe der neue Funkknoten zum Beispiel seine absolute Position in einem Bezugskoordinatensystem bestimmen kann, über die Lage der einen oder mehreren Sperrgebiete im Bereich des vermaschten Netzes, und/oder über andere Funkknoten und optional deren Position im Bezugskoordinatensystem informiert wird. Sofern der neue Netzknoten mehrere Funkbaken-Signale von anderen Funkknoten empfängt, kann der neue Netzknoten in Funkknoten bei dem er sich registriert auswählen. Die Funkknoten können mittels Beamforming die eigenen Funksignale in eine bestimmte Richtung ausrichten, um so ein oder mehrere „gesperrte“ Bereiche auszusparen. Ferner erlaubt es das Beamforming die Sendeleistung möglichst umfassend in die Richtung zu senden.Since the new radio node previously received a beacon signal from the determined direction, it can assume that there is no “blocked” area along this direction of transmission. Furthermore, the new radio node can assume that a radio signal emitted in the relative direction can be received with high probability by another radio node integrated in the network. The signal transmitted by the new radio node has a registration function. The radio node integrated in the network, which receives such a registration signal from the new radio node, can integrate the new radio node and to which the registration signal was received into the network. Furthermore, he can send a confirmation of the registration in the network, as well as optional further configuration information to the new radio node, with the help of which the new radio node can determine, for example, its absolute position in a reference coordinate system, about the location of the one or more restricted areas in the area of the meshed network , and / or about other radio nodes and optionally their position in the reference coordinate system. If the new network node receives several beacon signals from other radio nodes, the new network node can select radio nodes with which it is registered. The radio nodes can use beamforming to align their own radio signals in a certain direction in order to avoid one or more "blocked" areas. Beamforming also allows the transmission power to be sent as extensively as possible in the direction.
Die grundsätzliche Funktionsweise dieses Registrierungsverfahrens zur Integration eines neuen Funkknotens in das vermaschten Netz wird im Folgenden näher mit Bezug auf
Wie in
Der neue Funkknoten
Der Funkknoten
Ferner kann der Funkknoten, der die Registrierungsnachricht von Funkknoten
Die Konfigurationsinformationen, die der Funkknoten
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
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 am Funkknoten vorgenommen werden.Alternatively, it is also possible for the radio node to receive at least part of the configuration data, for example the topological map and / or its absolute position in the map, via another interface. For this purpose, the radio node can identify a wired or (further) wireless interface, such as a USB interface or a Bluetooth interface. This makes it possible to transmit larger amounts of data to the radio node. This can happen, for example, before or during the initial start-up of the radio node or also during its operation (also as an update), for example in the maintenance operation of the radio node. Optionally, the interface can also be used to update the firmware or other settings on the radio node.
Bei den Informationen zur Umgebung des Funkknotens (z.B. Geoinformationen der topologischen Karte oder zusätzliche Metainformationen topographischer, geographischer oder thematischer Karten) 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.The information about the environment of the radio node (for example geographic information of the topological map or additional meta information of topographic, geographical or thematic maps) can be, for example, information about buildings or other radio obstacles in the area of the radio node. This building information could be very detailed: For example, this is a model or blueprint of the building in which the radio node is located. This could optionally be supplemented with information on the nature / material of walls and / or ceilings. The building information could also contain corresponding information about neighboring buildings that are in the vicinity or radio area of the radio node. Such information could be used by the radio node to take into account reflections of the radio signal by the building in which the radio node is located and / or by surrounding buildings or other obstacles in the area of the radio node when determining its one or more radiation sectors , Additionally or alternatively, this information could also be used by the radio node to determine the transmission power for the individual radio signals and / or their attenuation. Based on the data relating to reflection and / or attenuation, and optionally also the transmission power, the radio node could also determine the transmission direction of the radio signals, in particular the “permitted range” (radiation sector (s)) into which it is allowed to transmit the radio signals.
In
Funkknoten
Nach erfolgter Registrierung
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
Nach erfolgter Registrierung des neuen Funkknotens
Grundsätzlich ist es möglich, dass der neue Funkknoten
Ein alternativer Registrierungsprozess für einen Funkknoten wird nachfolgend in Bezug auf die
Sobald der Funkknoten
Solange der Timer nicht abgelaufen ist
Nachdem der Timer abgelaufen ist
Nach Ablauf des Timers wählt
Funkknoten
Nach erfolgter Registrierung
In einigen der vorgenannten Ausführungsformen wird im neuen, im Netz integrierten Funkknoten
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
Die Recheneinheit
Der Sende-Empfänger
In einer Ausführungsform kann der Sende-Empfänger
Der Sende-Empfänger
Beamforming wird von einer Vielzahl von Funktechnologien unterstützt, insbesondere auch von Mobilfunkstandards. Sofern der Sende-Empfänger
Die Protokollschichten oberhalb des vom Sende-Empfängers
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
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
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.Management protocols can, for example, be self-configuration protocols, such as the well-known Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) or IPv6 Stateless address autoconfiguration (SLAAC). The latter can advantageously be used together with the Neighbor Discovery Protocol (NDP) - see IETF RFC 4861. Alternatively, protocols specially adapted for use in mesh networks, such as the Ad Hoc Configuration Protocol (AHCP), the Proactive Autoconfiguration Protocol, or the Dynamic WMN Configuration Protocol (DWCP) could be used for network management.
Die in der Recheneinheit
Ferner kann das Netzwerkmanagementprotokoll eingerichtet sein, den Sende-Empfänger
Die Recheneinheit
Die Funktionalität der Funkknoten
Die Schnittstelle
Die Konfigurationsdaten können in einem Speicher
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
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