DE102019005682A1

DE102019005682A1 - Verfahren zum Übertragen von Nutzdaten von einem Knoten an eine Basisstation

Info

Publication number: DE102019005682A1
Application number: DE102019005682.5A
Authority: DE
Inventors: Hristo Petkov; Thomas Lautenbacher; Thomas Kauppert; Raphael Mzyk
Original assignee: Diehl Metering Systems GmbH
Current assignee: Diehl Metering Systems GmbH
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-02-18
Also published as: WO2021028250A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Nutzdaten (40) innerhalb eines Zeitintervalls (T) von einem Knoten (10) über einen drahtlosen Kommunikationskanal an eine Basisstation (20) mit einer festgelegten Gesamtempfangsbandbreite (B), wobei aus den Nutzdaten (40) mindestens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (40-1, 40-n) erzeugt und innerhalb des Zeitintervalls (T) versendet wird bzw. werden, wobei ein Datenpaket (z. B. 40-1) einzeln oder die empfangenen Datenpakete (40-1, 40-n) oder zumindest eine Teilmenge der empfangenen Datenpakete (40-1, 40-n) insgesamt in der Basisstation (20) decodierbar sind, wobei ein Taktfrequenzgeber (9) des Knotens (10) eine Trägerfrequenz (TF) erzeugt, wobei der Taktfrequenzgeber (9) einen Frequenzoffset aufweist, wobei das Datenpaket (z. B. 40-1) oder die Datenpakete (40-1, 40-n) mit einer innerhalb der Grenzen (H1, H2) einer Sendebandbreite (SB, SB') des Knotens (10) liegenden Trägerfrequenz (TF) gesendet wird bzw. werden, und wobei die Trägerfrequenz (TR) innerhalb den Grenzen (G1, G2) der Empfangsbandbreite (EB) der Basisstation (20) liegt. Zur Erhöhung Anzahl der Knoten (10) pro Basisstation (20) ohne Erhöhung der Gestehungskosten des Knotens wird vorgeschlagen, die Trägerfrequenz (TF) im Knoten (10) auf Basis von Zufallsgrößen innerhalb der Sendebandbreite (SB, SB') zu generieren und die Grenzen (H1, H2; H1', H2') der Sendebandbreite (SB, SB') derart festzulegen, dass eine Wahrscheinlichkeit (N) besteht, dass eine im Bereich der Grenzen (H1, H2; H1', H2') auf Basis der Zufallsgrößen generierte Trägerfrequenz (TF) bedingt durch den Frequenzoffset des Taktfrequenzgebers (9) außerhalb der Grenzen (G1, G2; G1', G2') der Empfangsbandbreite (EB, EB') liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konzept zum drahtlosen Übertragen von Nutzdaten in Form mindestens eines vorzugsweise einer Mehrzahl kodierter Datenpakete, die nacheinander ausgesendet und empfangsseitig, angepasst an eine Übertragungsqualität, wieder kombiniert bzw. decodiert werden. Die Übertragung der Nutzdaten erfolgt hierbei zwischen einem Knoten, vorzugsweise einer Mehrzahl von Knoten, sowie einer Basisstation, die die Nutzdaten empfängt.
Technologischer Hintergrund
Bei der Übertragung von Nutzdaten von Knoten, wie z.B. Messgeräte, insbesondere Heizungs-, Strom- oder Wasserzählern, werden Nutzdaten (bzw. Sensordaten) mittels einer uni- oder bidirektionalen Übertragung jeweils von einem den betreffenden Knoten zugeordneten Sender zu einem Empfänger (Basisstation) übertragen. Die jeweilige Knoten und zuweilen auch die Basisstation werden mittels einer Batterie mit elektrischer Energie versorgt, welche jeweils die Betriebsdauer des Knotens bzw. der Basisstation festlegt. Insofern ist ein möglichst geringer Energieverbrauch der Knoten bzw. Basisstation während des Betriebs von besonderer Bedeutung. Zur Übertragung der Nutzdaten sendet der Knoten aus diesem Grund lediglich zyklisch zu bestimmten Sendezeitpunkten über ein bestimmtes Zeitintervall die Nutzdaten.
Zur Sensor- bzw. Nutzdatenübertragung wird üblicherweise eine Amplituden-(ASK) oder Frequenzmodulation (FSK) vorgenommen. Der Empfang ist dabei oft nicht kohärent und in den meisten Fällen kommt keine Kanalcodierung zum Einsatz. Demgegenüber werden bei komplexeren digitalen Drahtloskommunikationsverfahren Informationen bzw. Nutzdaten auf unterschiedliche, zeitlich und/oder räumlich versetzt ausgesendete Datenpakete verteilt mit unterschiedlichen die Redundanz betreffenden Informationen, d. h. unterschiedlich kanalcodiert, übertragen. Die codierten Datenpakete können bei guter Empfangsqualität, d. h. bei einem hohen SNR-Verhältnis (Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis) einzeln empfangen und decodiert werden. Reduziert sich das SNR-Verhältnis beim Empfang, lässt sich durch Kombination zweier oder mehrerer empfangener Datenpakete ein Codegewinn bzw. Codierungsgewinn realisieren. Der Codegewinn steht für die Differenz einer benötigten Bitenergie im Verhältnis zu einer spektralen Rauschleistungsdichte zwischen einer uncodierten und codierten Nachricht, um eine gleiche Bitfehlerrate zu erreichen. Die uncodierte Nachricht stellt die Referenz dar, mit der die mittels Kanalcodierung codierte Nachricht verglichen wird.
Druckschriftlicher Stand der Technik
Die DE 10 2010 031 411 A1 beschreibt ein Konzept zur drahtlosen Übertragung von Nutzdaten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Hierbei werden die Nutzdaten in eine Mehrzahl kanalkodierter Datenpakete aufgeteilt und innerhalb eines Zeitintervalls von einem Knoten über einen Drahtloskommunikationskanal zu einer Basisstation übertragen. In der Basisstation werden die Datenpakete dekodiert und wieder zu den Nutzdaten kombiniert.
Bei der Übertragung der Datenpakete innerhalb des Zeitintervalls musste bisher immer sichergestellt werden, dass die Sendebandbreite des Knotens so begrenzt wird, dass sich jedes vom Knoten gesendete Datenpaket unter Berücksichtigung aller Toleranzen innerhalb des Empfangsfrequenzbereichs des Filters der Basisstation befindet. Die Toleranzen sind durch die Taktfrequenzgeber (Schwingquarze) begründet, die in dem Knoten sowie auch in der Basisstation verwendet werden. Ausgehend von einer nominellen Frequenz ergibt sich für die Taktfrequenzgeber (Schwingquarze) der Sender in der Praxis jedoch eine tatsächliche Sendefrequenz, die von Sender zu Sender individuell verschieden ist. Der hierdurch begründete Frequenzversatz kann bis zu ±100 ppm (parts per million) betragen. Der Streubereich dieser senderspezifischen Sendefrequenzen ähnelt einem Streubereich einer Gauss'schen Glockenkurve. Der Grund der Abweichungen liegt vor allem in Fertigungstoleranzen, in einer Temperaturabhängigkeit des Schwingquarzes, in einer Alterung des Schwingquarzes sowie in einer unterschiedlichen Spannungsabhängigkeit des Schwingquarzes. Alle Knoten des Netzwerks teilen sich die gesamte Sendebandbreite für die Übertragung. Je höher die Bandbreite ist, desto geringer ist die gegenseitige Störung der Datenpakete und desto mehr Knoten können in der Funkzelle untergebracht werden. Daraus wiederum folgt, dass umso weniger Basisstationen installiert werden müssen. Da jedoch bisher die Toleranzen der Taktfrequenzgeber der Knoten sowie der Basisstationen berücksichtigt werden mussten, wurde durch die Begrenzung der Sendebandbreite im Vergleich zur Empfangsbandbreite sichergestellt, dass sämtliche Datenpakete sich lediglich innerhalb eines durch die Toleranzbereiche der Knoten sowie der Basisstation reduzierten Teilbereichs der Gesamtempfangsbandbreite befinden.
Um die Toleranzen zu reduzieren, könnte auch ein herkömmlicher Schwingquarz durch einen speziellen temperaturkompensierten Schwingquarzoszillator (TCXO) ersetzt werden. Hierdurch könnten zwar die Toleranzen reduziert werden, so dass daraus resultierend eine höhere Bandbreite zur Verfügung stehen würde. Jedoch würden hierdurch die Gestehungskosten eines jeden Knotens beträchtlich erhöht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zu schaffen, die Anzahl der Knoten pro Basisstation zu erhöhen, ohne die Gestehungskosten des Knotens zu verteuern.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Erfindungsgemäß wird die Trägerfrequenz im Knoten auf Basis von Zufallsgrößen innerhalb der Sendebandbreite generiert (gewürfelt), wobei die Grenzen der Sendebandbreite derart festgelegt werden, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine im Bereich der Grenzen der Sendebandbreite auf Basis der Zufallsgrößen generierten Trägerfrequenz bedingt durch den Frequenzoffset des Taktfrequenzgebers des Knotens und/oder bedingt durch die Summe des Frequenzoffsets sämtlicher mit der Basisstation kommunizierender Knoten außerhalb der Grenzen der Empfangsbandbreite liegt. Die Wahrscheinlichkeit außerhalb der Empfangsbandbreite einer gewürfelten Trägerfrequenz ist daher größer 0. Gemäß der Erfindung wird somit bewusst in Kauf genommen, dass im Grenzbereich der Empfangsbandbreite generierte Trägerfrequenzen mit einer kleineren Wahrscheinlichkeit als 1 aber größerer Wahrscheinlichkeit als 0 auch außerhalb der Empfangsbandbreite liegen können. Jedoch ermöglicht die Idee gleichzeitig, dass die Empfangsbandbreite der Basisstation hierdurch maßgeblich vergrößert und auf diese Weise die Anzahl der Knoten pro Basisstation wirksam erhöht werden kann, ohne dass durch den Einsatz teurer temperaturkompensierter Schwingquarzoszillatoren der Toleranzbereich reduziert werden muss. Aufgrund des Offsets befinden sich Trägerfrequenzen innerhalb eines gleichverteilten Streubereichs um einen Mittelwert der gewürfelten Trägerfrequenz. Der Grenzbereich der Sendebandbreite wird so gelegt, dass ein Teilbereich dieses Streubereichs außerhalb der Empfangsbandbreite der Basisstation liegt. Die Erfindung verursacht keine nennenswerte Kostensteigerung.
Insbesondere ist der Streubereich bedingt durch den jeweiligen Frequenzoffset des Knotens, insbesondere wiederum bedingt durch die Temperatur, Alterung und/oder der besonderen Toleranzen des jeweils konkreten Taktfrequenzgebers und/oder durch die Summe der jeweiligen Frequenzoffsets sämtlicher mit der Basisstation kommunizierender Knoten bzw. deren Taktfrequenzgeber. Dieser Streubereich verläuft um einen Mittelwert der gewürfelten Trägerfrequenz, wobei der Streubereich insbesondere nach Art einer Gauß-Verteilung ausgebildet ist.
Die Sendebandbreite ist vorzugsweise derart bemessen, dass der Mittelwert der gewürfelten Frequenz, bei der ein Teil des Streubereichs der Trägerfrequenzen außerhalb der Grenzen der Empfangsbandbreite der Basisstation liegt, auf oder innerhalb der Grenzen der Sendebandbreite liegt. Demzufolge sind stets mehr als 50% der generierten (gewürfelten) Trägerfrequenzen innerhalb der Sendebandbreite des Knotens.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass der Teil des Streubereichs der durch Zufallsgrößen generierten Trägerfrequenzen, der außerhalb der Grenzen der Empfangsbandbreite der Basisstation liegt, maximal 30%, vorzugsweise maximal 25%, besonders vorzugsweise maximal 20% der gesamten Streubreite des Streubereichs beträgt. Hierdurch kann bei reduzierter Wahrscheinlichkeit einer außerhalb liegenden Trägerfrequenz nichtsdestotrotz eine wirksame Vergrößerung der Sendebandbreite im Vergleich zum Stand der Technik geschaffen werden.
Die Trägerfrequenzen werden zweckmäßigerweise im Knoten anhand eines Zufallsgenerators generiert.
Dadurch, dass die Sendebandbreite in mehrere, jedoch mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei Bereiche aufgeteilt ist, in denen Datenpakete mit jeweils bereichsbezogener auf der Basis von Zufallsgrößen generierter Trägerfrequenz gesendet werden, kann die Wahrscheinlichkeit, dass Trägerfrequenzen außerhalb der Empfangsbandbreite der Basisstation liegen, weiter reduziert werden. Umgekehrt ist es möglich, entsprechend die Sendebandbreite des Knotens zu vergrößern.
Eine weitere Optimierung kann dadurch erreicht werden, dass die Datenpakete in ihrer Zuordnung vertauscht wiederholt in einem unterschiedlichen Bereich der Sendebandbreite gesendet werden. Die Wahrscheinlichkeit eines Verlusts eines Datenpakets wird hierdurch weiter verringert.
Ferner kann mindestens einer erste sowie zweite Sendebandbreite im Knoten vorgesehen sein.
Zudem kann vorgesehen sein, dass mindestens eine erste sowie zweite Empfangsbandbreite in der Basisstation eingerichtet sind, die Datenpakete von dem Knoten über mehrere Sendebandbreiten versendet werden und mindestens ein Datenpaket in einem unterschiedlichen Bereich der weiteren Sendebandbreite gesendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mindestens eine erste sowie zweite Empfangsbandbreite vorgesehen ist und die Datenpakete über mehrere Bereiche der ersten Sendebandbreite sowie der zweiten Sendebandbreite versendet und in einer einzigen Empfangsbandbreite oder in der zugehörigen Empfangsbandbreite empfangen werden. Auf diese Weise kann die Empfangsqualität weiter verbessert bzw. die Reichweite weiter erhöht werden.
Die Empfangsqualität kann insbesondere dadurch noch gesteigert werden, dass ein Teil der Datenpakete in dem zweiten Bereich der weiteren Sendebandbreite in ihrer Zuordnung im Vergleich zu dem ersten Bereich vertauscht gesendet werden. Hierdurch kann sogar sichergestellt werden, dass alle Datenpakete innerhalb einer der Empfangsbandbreiten der Basisstation empfangen werden.
Dadurch, dass der Knoten die auf Basis von Zufallsgrößen generierte Trägerfrequenz eines Datenpakets feststellt und in Abhängigkeit der festgestellten Trägerfrequenz des Datenpakets seine Sendefrequenzbandbreite, insbesondere einzelne Sendebereiche seiner Sendefrequenzbandbreite, anpasst, kann ebenfalls bei Erweiterung der Sendefrequenzbandbreite des Knotens eine erhöhte Empfangsqualität bzw. ausreichend sichere Empfangswahrscheinlichkeit erzielt werden. Bei dieser Verfahrensvariante genügt es, wenn im Knoten der einzuhaltende Frequenzabstand zwischen den Datenpaketen bekannt ist.
In weiterer Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariant kann die Sendefrequenzbandbreite in Abhängigkeit der geschätzten Trägerfrequenz der in der Basisstation geschätzten Trägerfrequenz derart angepasst werden, dass sich ein Abstand (Sicherheitsabstand) des Bereichs zum Bereich der geschätzten Trägerfrequenz einstellt. Auch hierdurch kann die vorgegebene Sendefrequenzbandbreite gleichmäßiger benutzt werden.
Vorzugsweise kann bei einer bidirektionalen Übertragung zwischen Knoten und Basisstation die Basisstation auf der Grundlage eines bekannten Offsets der Taktfrequenzgeber des Knotens und der Basisstation dem Knoten eine Information übermitteln, in welchem Bereich der Sendebandbreite die Trägerfrequenzen auf Basis von Zufallsgrößen generiert werden sollen.
Bei der vorbeschriebenen Ausgestaltung besteht zudem die Möglichkeit, für das Aussenden von Datenpaketen die gesamte Empfangsbandbreite der Basisstation zu nutzen. Vorzugsweise tastet die Basisstation hierbei einen Bereich der Empfangsbandbreite oder die gesamte Empfangsbandbreite nach einem Datenpaket ab, übermittelt die geschätzte Trägerfrequenz des Datenpakets, sodass der Knoten weiß, in welchem Bereich er Trägerfrequenzen auf der Basis von Zufallsgrößen generieren soll.
Zweckmäßigerweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Datenpakete vom Knoten mit einer Datenrate von weniger als 88 kbit/s und einem zeitlichen Abstand über den drahtlosen Kommunikationskanal an die Basisstation gesendet werden und/oder die Daten eine Datenmenge von weniger als 260 Byte und/oder die Nutzdaten mit einer Symbolrate von weniger als 110 kBaud/s und/oder einer Coderate von weniger als 0,8 versehen werden.
Die effektive durchschnittliche Datenrate der Übertragung der Daten vom Sensor zum Funkmodul des Knotens beträgt weniger als 512 Byte/s.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen funkfähigen Knoten zum Übertragen von Nutzdaten über einen drahtlosen Kommunikationskanal an eine Basisstation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 16, welcher insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-15 ausgestaltet ist, wobei der Knoten einen Zufallsgenerator aufweist, sodass der Frequenzgenerator zusammen mit dem Zufallsgenerator Trägerfrequenzen auf Basis von Zufallsgrößen generiert.
Figurenliste
Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Wiederkehrende Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber lediglich einmal in den Zeichnungsfiguren dargestellt. Es zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Anordnung mehrerer uni- oder bidirektional funkkommunikationsfähiger Knoten in einem eine Basisstation umfassenden Kommunikationsnetzwerk;
2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung der Aufteilung der vom jeweiligen Knoten an die Basisstation zu sendenden Nutzdaten in einzelne kanalkodierte Datenpakete, die innerhalb eines Zeitintervalls übertragen werden;
3 eine Darstellung einer herkömmlichen Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens gegenüber der Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß dem Stand der Technik;
4 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
5 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
6 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
7 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung;
8 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung;
9 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung;
10 die Festlegung der Sendebandbreite eines Knotens in Relation zur Empfangsbandbreite der Basisstation gemäß einer siebten Ausgestaltung der Erfindung; sowie
11 eine stark vereinfachte schematische Darstellung der Funktionsbestandteile eines Knotens gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt ein Beispiel einer Anordnung eines Kommunikationsnetzwerks, welches eine Mehrzahl uni- oder bidirektional funkkommunikationsfähiger Knoten 10 z. B. in Form von Sensor- und/oder Aktoreinrichtungen aufweist. Diese senden Nutzdaten 40 z. B. Verbrauchsdaten und/oder sonstige Betriebsdaten als Telegramme an eine Basisstation 20 bzw. an einen Datensammler, in der bzw. in dem die Daten 40 der einzelnen Knoten 10 aufbereitet und vorzugsweise über einen Wide Area Network (WAN) Kommunikationskanal 21 zur weiteren Auswertung an eine Datenzentrale 200 weitergeleitet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Übertragung der Nutzdaten 40 lediglich an einer Stelle in 1 dargestellt.
Die Nutzdaten 40 werden gewöhnlich jeweils innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls T von den sämtlichen Knoten 10 an die Basisstation 2 übertragen. Zu diesem Zweck werden in jedem Knoten 10 die dort vorhandenen Nutzdaten 40, siehe 2, in eine Mehrzahl einzelner kanalkodierter Datenpakete 40-1, 40-n aufgetrennt. Letztere werden von jedem Knoten 10 innerhalb des Zeitintervalls T über einen Drahtloskommunikationskanal an die Basisstation 20 übertragen. In der Basisstation 20 werden die einzelnen Datenpakete 40-1, 40-n wieder dekodiert und/oder rückkombiniert. Die jeweiligen kanalkodierten Datenpakete 40-1, 40-n sind aufgeteilt in einen Paketkerndatenbereich 140-1, 140-n sowie einen Datenfeldbereich für Nutzdaten 141-1, 141-n. Jedes kanalkodierte Datenpaket 40-1, 40-n kann eigenständig dekodiert werden. Ferner kann aus der Kombination mehrerer Datenpakete 40-1, 40-n durch Kombination ein erhöhter Codegewinn für eine Decodierung der Nutzdaten erzielt werden. Ein entsprechendes Übertragungsverfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2010 031 411 A1 bekannt, auf dessen Inhalt vollständig Bezug genommen wird.
Die Sendefrequenzen bzw. Trägerfrequenzen TF, mit denen die einzelnen Datenpakete 40-1, 40-n von den jeweiligen Knoten 10 übertragen werden, weichen zu einer vorgegebenen bzw. nominellen Sendefrequenz bzw. Trägerfrequenz von Knoten zu Knoten etwas ab. Dieser senderspezifische Frequenzversatz für die Trägerfrequenz liegt üblicherweise in einem Bereich von bis zu +/- 20-30 ppm (parts per million). Bei Berücksichtigung des Frequenzversatzes im Knoten 10 sowie der Basisstation 20 ergibt dies einen gesamten Frequenzversatz von bis zu +/- 40-60 ppm. Ein solcher Frequenzversatz kann beispielsweise durch Fertigungstoleranzen der Schwingquarze entstehen oder in der Alterung des Schwingquarzes begründet sein. Ein Frequenzversatz ergibt sich auch bei einer Temperaturänderung der elektronischen Schaltung. In gleicher Weise sind auch hinsichtlich des in der Basisstation 20 vorhandenen Schwingquarzes ein entsprechender Frequenzversatz und damit eine gewisse Toleranz zu berücksichtigen.
Die Datenpakete 40-1, 40-n werden vom Knoten 10 mit einer Datenrate von weniger als 110 kbit/s und einem zeitlichen Abstand über den drahtlosen Kommunikationskanal an die Basisstation 20 gesendet. Ferner können die Nutzdaten 40 eine Datenmenge von weniger als 3 kbit, vorzugsweise von weniger als 1 kbit aufweisen. Die Nutzdaten 40 können insbesondere mit einer Symbolrate von weniger als 10⁶ Symbole/s und/oder einer Coderate von weniger als 0,8 versehen sein.
Die vorstehenden Maßnahmen bzw. Dimensionierungen gewährleisten jeweils einzeln für sich aber auch und insbesondere in ihrer Kombination zum einen einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch bei einer ausreichenden Kapazität an Knoten 10 pro Basisstation 20 sowie einer zuverlässigen Übertragung der Nutzdaten 40 innerhalb des Zeitintervalls T.
In 3 ist die Empfangsbandbreite EB der Basisstation 20 mit ihren Grenzen G1, G2 sowie die Sendebandbreite SB des jeweiligen Knotens 10 mit ihren Grenzen H1, H2 einschließlich von Frequenzversatz-bedingter Toleranzen des Knotens 10 bzw. der Basisstation 20 dargestellt. Bei den herkömmlichen Verfahren wurde bisher stets sichergestellt, dass alle Datenpakte 40-1, 40-n im Uplink unter Berücksichtigung der Toleranzbereiche des Frequenzversatzes des jeweiligen Knotens (Offset Quarz Knoten) sowie des Frequenzversatzes der Basisstation (Offset Quarz Basis) sicher in der Empfangsbandbreite EB der Basisstation 20 liegen. Gesendet wurde somit von allen Knoten 10 des Netzwerks bisher lediglich mit Trägerfrequenzen TF, die sich ausschließlich innerhalb der in 3 dargestellten Sendebandbreite SB befinden. Hierdurch wurde sichergestellt, dass alle Datenpakete 40-1, 40-n aller Knoten 10 innerhalb der Empfangsbandbreite EB von der Basisstation 20 empfangen werden. TF-m bezeichnet die Mittelfrequenz der Sendebandbreite SB bzw. Empfangsbandbreite EB.
Werden beispielsweise in 3 als jeweiliger Toleranzbereich jeweils 25 kHz bei einer Empfangsbandbreite EB von 200 kHz festgelegt, führt dies zu einer Sendebandbreite SB von 100 kHz, d.h. zu einer Halbierung der Sendebandbreite SB im Vergleich zur Empfangsbandbreite EB. Bei der in 3 gezeigten herkömmlichen Verfahrensweise steht somit für alle Knoten 10 des Netzwerks lediglich eine Sendebandbreite SB von 100 kHz zur Verfügung, die der halben Empfangsbandbreite EB von 200 kHz entspricht.
4 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 zeigt den Frequenzoffset-bedingten Streubereich S, welcher insbesondere eine Glockenform oder eine Form nach Art einer Gauß-Verteilung aufweist. Dieser Streubereich S der Trägerfrequenz TF von einem Mittelwert der Würfelung TF-mW ist einerseits bedingt durch den jeweiligen Taktfrequenzgeber (Quarz), insbesondere aufgrund natürlicher Streueffekte, mit Toleranz durchgeführte Schnitte des Taktfrequenzgeber-Materials, Alterungseffekte, Temperatur, unterschiedliche Produktionschargen. Andererseits weichen auch die Taktfrequenzgeber (Quarze) der übrigen Knoten aufgrund der vorher genannten Streueffekte untereinander ab. Alle diese Taktfrequenzgeber-spezifischen Effekte ergeben in Summe den Streubereich S. Die Grundidee liegt darin, die Sendebandbreite SB der jeweiligen Knoten 10 gegenüber der Empfangsbandbreite EB der Basisstation 20 derart zu bemessen, dass eine Wahrscheinlichkeit N besteht, dass eine im Bereich der Grenzen H1, H2 der auf Basis der Zufallsgrößen generierten Trägerfrequenz TF bedingt durch den Frequenzoffset des jeweiligen Taktfrequenzgebers des Knotens 10 außerhalb der Grenzen G1, G2 der Empfangsbandbreite EB der Basisstation liegt. Dieser Bereich ist in 4 mit TF-out gekennzeichnet. Man lässt somit bewusst zu, dass in manchen Fällen eine Trägerfrequenz TF gewürfelt werden kann, die außerhalb der Empfangsbandbreite EB liegt. Man erhält allerdings im Gegenzug eine beträchtliche Erhöhung der Kapazität der Sendebandbreite SB. In dem in 4 gezeigten Beispiel beträgt diese Kapazitätserhöhung immerhin ca. 50%. Die Erhöhung der Sendebandbreite SB ermöglicht es wiederum, die Anzahl der Knoten 10 pro Basisstation 20 zu erhöhen, da aufgrund der größeren Sendebandbreite SB die Gefahr einer gegenseitigen Störung von Datenpaketen in dem Kommunikationskanal abnimmt.
Die Festlegung der Grenzen H1, H2 der Sendebandbreite SB und/oder die Breite des Streubereichs S der Trägerfrequenzen TF ist bzw. sind hierbei vorzugsweise derart festzulegen, dass der Teil TF-out des Streubereichs S der Trägerfrequenzen TF maximal 30%, vorzugsweise maximal 25%, besonders vorzugsweise maximal 20%, der gesamten Streubreite des Streubereichs S betrifft.
In 4 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich auf der linken Seite der Streubereich dargestellt, er befindet sich jedoch selbstverständlich ebenso gut auch auf der rechten Seite.
Eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die Sendebandbreite SB in mehrere, vorzugsweise in mindestens drei Kanäle bzw.
Bereiche SB-1, SB-2 sowie SB-3, aufzuteilen. Jedes Datenpaket 40-1, 40-2 sowie 40-3 ist jeweils einem Bereich davon zugeordnet. Trotz des Streubereichs S sind alle Trägerfrequenzen TF innerhalb des mittleren Bereichs SB-2 in 5 sicher im Empfangsbereich EB der Basisstation 20. Demgegenüber können Trägerfrequenzen TF in den Bereichen SB-1 sowie SB-3 unter Umständen auch außerhalb der Empfangsbandbreite EB liegen. Allerdings kann dies nicht gleichzeitig für beide Bereiche SB-1 sowie SB-3 gelten. Wenn aufgrund des Frequenzversatzes eines Knotens bzw. Senders, dessen Trägerfrequenz TF zu weit links, also im Bereich TF-out liegt, sodass das Datenpaket 40-2 in 5 verloren geht, ist als Folge davon der Bereich SB-3 in 5 ebenfalls nach links verschoben und somit das Datenpaket 40-3 sicher innerhalb der Empfangsbandbreite EB. Damit sind beispielsweise zwei von drei Datenpaketen sicher innerhalb der Empfangsbandbreite EB. Da somit mindestens zwei Datenpakete sicher empfangen werden, kann ein Recombining der Datenpakete sicher erfolgen. Die vergrößerte Sendebandbreite SB kann hierdurch noch effektiver genutzt werden.
Die Darstellung in 6 zeigt eine Verfahrensvariante gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der ebenfalls eine Aufteilung der Sendebandbreite SB in einzelne Kanäle bzw. Bereiche, z.B. in drei Bereiche SB-1, SB-2 sowie SB-3, erfolgt, wobei die Datenpakete 40-1, 40-2 sowie 40-3 aber wiederholt im Wechsel in unterschiedlichen Bereichen SB-1, SB-2 sowie SB-3 übertragen werden. Wird gemäß 6 das Datenpaket 40-2 erstmals im Bereich der linken Grenze H1 der Sendebandbreite SB gesendet, kann das Datenpaket 40-2 anschließend im Bereich der rechten Grenze H2 der Sendebandbreite SB erneut gesendet werden. Trotz des Streubereichs S der Generierung der Trägerfrequenzen TF der einzelnen Knoten 10 sind somit alle Datenpakete 40-1, 40-2 sowie 40-3 sicher innerhalb der Sendebandbreite SB. Die Änderung der Zuordnung der Datenpakete 40-1, 40-2 sowie 40-3 zu dem jeweiligen Bereich SB-1, SB-2 sowie SB-3 kann beispielsweise durch Rotieren der Datenpaketnummer bzw. Datenpaketidentifikation oder durch eine Drehung der Datenpakete als solche erfolgen.
Gemäß der Ausführungsform nach 7 kann eine Übertragung der einzelnen Datenpakete 40-1, 40-2 sowie 40-3, vorzugsweise simultan, auch über erste und zweite Sendebandbreiten SB sowie SB' und erste und zweite Empfangsbandbreiten EB sowie EB' erfolgen. In entsprechender Weise können die einzelnen Datenpakete 40-1, 40-2 sowie 40-3 hierbei ebenfalls in einer vertauschten Zuordnung zu dem jeweiligen Bereich SB-1, SB-2 sowie SB-3 bzw. SB-1', SB-2' sowie SB-3' übertragen werden. So wird beispielsweise das Datenpaket 40-2 im Bereich der Sendebandbreite SB in dem in 7 links befindlichen Kanal bzw. Bereich SB-1 übertragen, wohingegen sich dieses Datenpaket in der Sendebandbreite SB' in dem dortigen rechten Kanal bzw. Bereich SB-3' befindet. Auch hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich alle Datenpakete 40-1, 40-2, 40-3 innerhalb eines der beiden Empfangsbandbreiten EB bzw. EB' befindet. Das Rotieren bzw. die Drehung erfolgt in der gleichen Art, wie dies in Bezug auf 5 beschrieben ist.
Die vorstehenden Ausgestaltungen ermöglichen eine optimierte Festlegung der Sendebandbreite SB im Vergleich zur Empfangsbandbreite EB bei unidirektionaler Übertragung.
8 zeigt eine fünfte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Anwendung bei einem Übertragungsverfahren. Auch hier werden die Nutzdaten bzw. ein diesbezügliches Telegramm in drei Datenpakete 40-1, 40-2, 40-3 aufgeteilt. Der Knoten 10 merkt sich z. B. die Trägerfrequenz für das Datenpaket 40-1. Da er zusätzlich auch die Grenzen H1, H2 der Sendebandbreite SB kennt, kann er die Sendefrequenzbandbreite SB in ihrer Lage anpassen. Dies erfolgt durch entsprechendes Positionieren der beiden weiteren Bereiche SB-2 sowie SB-3 über den bekannten Frequenzunterschied ΔF21 sowie ΔF13. Die Sendefrequenzbandbreite SB kann somit vom Knoten 10 in einer optimalen Weise positioniert werden, sodass die in den Bereichen SB-1, SB-3 generierten Trägerfrequenzen nicht außerhalb der Empfangsbandbreite EB liegen.
In 9 ist eine sechste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welches im Wesentlichen der fünften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß 8 entspricht. Der Unterschied zur Ausgestaltung nach 8 besteht darin, dass zwischen der ermittelten Trägerfrequenz TF des Datenpakets 40-1 und dem Beginn des Bereichs ΔF21 des Datenpakets 40-2 bzw. des Bereichs ΔF13 des Datenpakets 40-3 ein Abstand A in Form eines Sicherheitsabstands vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung kann der gesamte Frequenzbereich der Sendebandbreite SB noch gleichmäßiger genutzt werden.
10 zeigt schließlich eine siebte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein noch größerer Bereich als Sendebandbreite SB der Knoten 10 zur Verfügung steht. Hierbei handelt es sich um ein bidirektionales Datenübertragungsverfahren. Konkret stellt die Basisstation 20 die Trägerfrequenzen TF der Datenpakete 40-1 bis 40-3 fest und übermittelte in Abhängigkeit davon an den Knoten 10 die Information, in welchem Bereich SB-1, SB-2 bzw. SB-3 die Trägerfrequenz für das jeweilige Datenpaket gewürfelt werden kann. Hierdurch wird eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite erreicht. Es kann auf diese Weise die volle Bandbreite der Empfangsbandbreite EB für die Festlegung der Sendebandbreite SB genutzt werden.
11 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Knotens 10 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Knoten 10 umfasst ein Gehäuse 3, welches eine Sensoreinrichtung 8 und/oder eine Aktoreinrichtung beherbergt. Des Weiteren umfasst der Knoten 10 einen Mikroprozessor 7 mit einem Speicher 6 sowie ein Funkmodul 1 mit Antenne 5. Darüber hinaus umfasst der Mikroprozessor 7 Mittel 12 zur Umwandlung der Nutzdaten 40 bzw. Betriebsdaten in einzelne, insbesondere kanalkodierte Datenpakete 40-1, 40-n, vgl. 2.
Zur Generierung der Trägerfrequenz TF der insbesondere kanalkodierten Datenpakete ist ein Frequenzgenerator 11 vorgesehen, welcher über einen herkömmlichen Schwingquarz 9 als taktgebende Einrichtung verfügt. Zudem ist der Frequenzgenerator 11 mit einem Zufallsgenerator 2 versehen, welcher dafür sorgt, dass die im Knoten 10 erzeugten Trägerfrequenzen TF auf Basis von Zufallsgrößen generiert werden.
Bei dem Zufallsgenerator 2 kann es sich um einen echten Zufallsgenerator handeln, der vorzugsweise binäre Ausgangssignale erzeugt, dessen Zustände statistisch verteilt sind. Die Ausgangswerte wechseln sich in zufälliger Folge ab, es ist keine Gesetzmäßigkeit zu erkennen.
Alternativ kann auch ein sogenannter Pseudozufallsgenerator als Input für den Frequenzgenerator 11 verwendet werden. Hierbei wiederholt sich eine Zufallsfolge nach einer bestimmten Periode. Insbesondere können hierzu Daten aus den Datenpaketen 40-1, 40-n, insbesondere aus den diesbezüglichen Datenfeldern 141-1, 141-n für Nutzdaten verwendet werden.
Durch Verwendung eines entsprechenden Zufallsgenerators ergeben sich Trägerfrequenzen TF innerhalb eines Streubereichs S, der einer Gauß'schen Verteilungskurve ähnelt.
Bezugszeichenliste

1: Funkmodul
2: Zufallsgenerator
3: Gehäuse
4: Batterie
5: Antenne
6: Speicher
7: Mikroprozessor
8: Sensoreinrichtung
9: Taktfrequenzgeber
10: Knoten
11: Frequenzgenerator
12: Mittel zur Erzeugung von Datenpaketen
20: Basisstation
21: Kommunikationskanal (WAN)
40: Nutzdaten
40-1, 40-n: Datenpaket
140-1, 140-n: Paketkerndaten
141-1, 141-n: Datenfeld für Nutzdaten
200: Head-End
T: Zeitintervall
A: Abstand
EB: Empfangsbandbreite Basisstation
EB': Empfangsbandbreite Basisstation
SB: Sendebandbreite Knoten
SB': Sendebandbreite Knoten
S: Staubereich
TF: Trägerfrequenz
N: Wahrscheinlichkeit
TF-soll: nominale Trägerfrequenz
TF-out: Trägerfrequenz außerhalb SB bzw. SB'
TF-m: Mittelwert von SB bzw. SB', EB bzw. EB'
TF-mW: Mittelwert der Freqenzwürfelung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010031411 A1 [0004, 0029]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Nutzdaten (40) innerhalb eines Zeitintervalls (T) von mindestens einem, vorzugsweise einer Mehrzahl von Knoten (10) über einen drahtlosen Kommunikationskanal an eine Basisstation (20) mit einer festgelegten Empfangsbandbreite (EB, EB'), wobei aus den Nutzdaten (40) mindestens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (40-1, 40-n) erzeugt und innerhalb des Zeitintervalls (T) versendet wird bzw. werden, wobei ein Datenpaket (z. B. 40-1) einzeln oder die empfangenen Datenpakete (40-1, 40-n) oder zumindest eine Teilmenge der empfangenen Datenpakete (40-1, 40-n) insgesamt in der Basisstation (20) decodierbar sind, wobei ein Taktfrequenzgeber (9) des Knotens (10) eine Trägerfrequenz (TF) erzeugt, wobei der Taktfrequenzgeber (9) einen Frequenzoffset aufweist, wobei das Datenpaket (z. B. 40-1) oder die Datenpakete (40-1, 40-n) mit einer innerhalb der Grenzen (H1, H2; H1', H2') einer Sendebandbreite (SB, SB') des Knotens (10) liegenden Trägerfrequenz (TF) gesendet wird bzw. werden, und wobei die Trägerfrequenz (TF) innerhalb den Grenzen (G1, G2; G1', G2') der Empfangsbandbreite (EB, EB') der Basisstation (20) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (TF) im Knoten (10) auf Basis von Zufallsgrößen innerhalb der Sendebandbreite (SB, SB') generiert wird, und die Grenzen (H1, H2; H1', H2') der Sendebandbreite (SB, SB') derart festgelegt werden, dass eine Wahrscheinlichkeit (N) besteht, dass eine im Bereich der Grenzen (H1, H2; H1', H2') auf Basis der Zufallsgrößen generierte Trägerfrequenz (TF) bedingt durch den Frequenzoffset des Taktfrequenzgebers (9) außerhalb der Grenzen (G1, G2; G1', G2') der Empfangsbandbreite (EB, EB') liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Frequenzoffset des Knotens (10) und/oder sämtlicher mit der Basisstation kommunizierender Knoten (10) einen Streubereich (S) um einen Mittelwert (TF-mW) der generierten Trägerfrequenz (TF) insbesondere nach Art einer Gauß-Verteilung bedingt, und die Sendebandbreite (SB, SB') des Knotens (10) gegenüber der Empfangsbandbreite (EB, EB') der Basisstation (20) derart bemessen ist, dass ein Teil des Streubereichs (S) der Trägerfrequenzen (TF) außerhalb der Grenzen (G1, G2, G1', G2') der Empfangsbandbreite (EB, EB') der Basisstation (20) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendebandbreite (SB, SB') derart bemessen ist, dass der Mittelwert (TF-mW), bei dem ein Teil (TF-out) des Streubereichs (5) der Trägerfrequenzen (TF) außerhalb der Grenzen (G1, G2; G1', G2') der Empfangsbandbreite (EB, EB') der Basisstation (20) liegt, an den oder innerhalb der Grenzen (H1, H2; H1', H2') der Sendebandbreite (SB, SB') liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (TF-out) des Streubereichs (S) der Trägerfrequenzen (TF), der außerhalb der Grenzen (G1, G2; G1', G2') der Empfangsbandbreite (EB, EB') der Basisstation (20) liegt, maximal 30%, vorzugsweise maximal 25%, besonders vorzugsweise maximal 20% der gesamtem Streubreite des Streubereichs (S) beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenzen (TF) im Knoten (10) mit einem Zufallsgenerator (2), insbesondere einem echten Zufallsgenerator oder einem Pseudozufallsgenerator generiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendebandbreite (SB, SB') in mehrere, jedoch mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, Bereiche (SB-1, SB-2, SB-3; SB-1', SB-2', SB-3') aufgeteilt ist, in denen Datenpakete (40-1, 40-2, 40-3) mit jeweils bereichsbezogen generierter Trägerfrequenz (TF-1, TF-2, TF-3) gesendet werden, wobei mindestens eine Trägerfrequenz auf der Basis von Zufallsgrößen beruht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Datenpakete (40-1, 40-2, 40-3) in ihrer Zuordnung vertauscht wiederholt in einem unterschiedlichen Bereich (SB-1, SB-2, SB-3; SB-1', SB-2', SB-3') der Sendebandbreite (SB, SB') gesendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste und zweite Empfangsbandbreite (EB, EB') vorgesehen ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste und zweite Sendebandbreite (SB, SB') vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Datenpakete (40-1, 40-2, 40-3) über mehrere Bereiche (SB-1, SB-2, SB-3 bzw. SB-1', SB-2', SB-3') der ersten Sendebandbreite (SB) sowie zweiten Sendebandbreite (SB') versendet, und die Datenpakete (40-1, 40-2, 40-3) in einer einzigen Empfangsbandbreite (EB) oder in einer zugehörigen Empfangsbandbreite (EB, EB') empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Datenpakete (40-1, 40-2, 40-3) in dem zweiten Bereich (SB-1', SB-2', SB-3') der zweiten Sendebandbreite (SB') in ihrer Zuordnung im Vergleich zu dem ersten Bereich (SB-1, SB-2, SB-3) vertauscht gesendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Knoten (10) die auf Basis von Zufallsgrößen generierte Trägerfrequenz (TF) eines Datenpakets (z. B. 40-1) feststellt und in Abhängigkeit der festgestellten Trägerfrequenz (TF) des Datenpakets (z. B. 40-1) seine Sendefrequenzbandbreite (SB, SB'), insbesondere einzelne Sendebereiche seiner Sendefrequenzbandbreite (SB, SB'), anpasst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenzbandbreite (SB) in Abhängigkeit der geschätzten Trägerfrequenz (TF) derart angepasst wird, dass sich ein Abstand (4) der festgestellten Trägerfrequenz (TF) des Datenpakets (z. B. 40-1) zu einem Sendebereich der Sendefrequenzbandbreite (SB) einstellt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer bidirektionalen Übertragung zwischen Knoten (10) und Basisstation (20) die Basisstation (20) auf Basis eines Offsets zwischen Knoten (10) und der Basisstation (20) dem Knoten (10) signalisiert, in welchem Bereich (SB-1, SB-2, SB-3; SB-1', SB-2', SB-3') die Trägerfrequenzen (TF) auf Basis von Zufallsgrößen für das Datenpaket (z. B. 40-1) oder die Datenpakete (40-1, 40-2, 40-3) generiert werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendebandbreite (SB, SB') des Knotens (10) der Empfangsbandbreite (EB, EB') der Basisstation (20) entspricht.
Funkfähiger Knoten (10) zum Übertragen von Nutzdaten (40) über einen drahtlosen Kommunikationskanal an eine Basisstation (20) umfassend Eine Sensoreinrichtung (8) und/oder Aktoreinrichtung (11), einen Mikroprozessor (7), einen Speicher (6), eine Batterie (4), ein Funkmodul (1) sowie einem Frequenzgenerator (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufallsgenerator (2) vorgesehen ist, sodass der Frequenzgenerator (3) zusammen mit dem Zufallsgenerator (2) Trägerfrequenzen (TF) auf Basis von Zufallsgrößen generiert.