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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen drahtlosen Datenswitch für eine isochrone Echtzeitkommunikation und ein Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben mindestens eines drahtlosen Datenswitches für eine isochrone Echtzeitkommunikation sowie eine Verwendung mindestens eines drahtlosen Datenswitches in einem Gebäude oder auf einem Fabrikgelände.
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Eine industrielle Datenkommunikation stellt im Gegensatz zu Verbraucheranwendungen zusätzlich die Anforderung an Zeitsynchronisation und Echtzeit. Ein wesentlicher Unterschied dabei ist die Sicherstellung einer deterministischen Übertragungszeit von einem Sender zu einem Empfänger, die auch unter hoher Netzwerkauslastung nicht beeinträchtigt werden darf. Das Versenden und Empfangen von zeitlich präzisen Steuer-, Aktor- und Sensordaten ist eine Grundlage für die zunehmende Automatisierung und der Maschinezu-Masch ine-Kom munikation.
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Die aktuell meistverwendeten Industrieprotokolle sind beispielsweise Profinet und EtherCat. Daneben gibt es noch eine Reihe weiterer Industriebussysteme, die für verschiedene Branchen genutzt werden. Allen gemein ist die Notwendigkeit die Echtzeitkommunikation über Kabel realisieren zu müssen. Da die Protokolle nicht miteinander kompatibel sind und jedes Industrieprotokoll die Basis für ein eigenes Ökosystem darstellt, müssen sich Maschinenhersteller für eines der Protokolle entscheiden. Es kann somit vorkommen, dass in einem Fabrikgebäude oder auf einem Fabrikgelände mehrere Bussysteme koexistieren und getrennt voneinander betrieben und gewartet werden müssen. Dies kann zu Mehrkosten bei der Wartung und Instandhaltung führen. Des Weiteren besteht der Wunsch, gleichzeitig dieselbe Infrastruktur für zeitunkritische Daten wie beispielsweise Kameradaten oder Messdaten zu nutzen.
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Beispielsweise ist Time-Sensitive Networking (TSN) eine neue Erweiterung für die Standard-Ethernet Kommunikation und löst proprietäre Protokolle zunehmend ab. TSN ermöglicht nicht nur die einheitliche Standardisierung der Industriekommunikation (deterministische Echtzeitkommunikation) und damit den Wegfall der Inkompatibilität zwischen verschiedenen, parallel existierenden Ökosystemen, sondern erlaubt zudem höhere Datenraten und eine einfachere Skalierung der Systeme hinsichtlich der Echtzeit-Anforderungen, so dass auch heterogene Echtzeitanforderungen in einem Netzwerk möglich sind. Es lassen sich damit nicht nur die proprietären Insellösungen bzw. Ökosysteme der Echtzeitkommunikationsinfrastrukturen aufbrechen und vereinheitlichen, was sowohl den Nutzern als auch den Herstellern von Maschinen und Netzwerkkomponenten entgegenkommt. Es ließe sich auch eine Interoperabilität über die firmenweite Netzwerklandschaft realisieren, da Industriekommunikation mittels TSN losgelöst von der klassischen Gebäude- und Büroinfrastruktur umgesetzt werden kann. Die Verfügbarkeit von kommerziellen TSN-Komponenten wird daher von der Industrie mit großem Interesse erwartet.
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Bisher bleibt TSN jedoch, genau wie die alten proprietären Bussysteme, auf eine starre, kabelgebundene Implementierung angewiesen. Aufgrund höherer Flexibilität ist eine kabellose Anbindung von Anwendern gewünscht. Denn mittels kabelloser Anbindung können Kosten für eine teure Neuverkabelungen vermieden und die Redundanz einfach erhöht werden.
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Bekannte Funksysteme wie Bluetooth, WLAN, WiGig oder sonstige Radio Frequency-(RF-)basierte Systeme erreichen aufgrund ihrer omnidirektionalen Ausbreitungscharakteristik und der dafür ausgelegten Übertragungsprotokolle hierbei nicht die verlangten Latenz- und Jitteranforderungen. Interferenzen vermaschter Netze oder unterschiedlicher Systeme und die Notwendigkeit der Sender- und Empfängeridentifikation für jedes Datenpaket machen aufwändige Kanalkodierungen und Link-Layer-Mechanismen notwendig. Zudem spielt ein Sicherheitsaspekt und eine Zuverlässigkeit im Industrieumfeld eine große Rolle, wodurch Funksysteme unbeliebt sind. Denn Funksysteme können durch Hackerangriffe extern beeinflusst werden.
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Die seit 2011 immer wieder in Diskussion stehende Datenkommunikation mit Licht (Li-Fi für Light Fidelity) kombiniert die Flexibilität kabelloser Datenverbindungen mit der Sicherheit und gerichteten Anbindung von Kabellösungen. Die Latenz-Anforderungen für die Echtzeitkommunikation wie TSN, Profinet oder EtherCat sind mit wenigen Mikrosekunden jedoch noch ungelöst. Hinzu kommt, dass die Zeitsynchronisation auf dem optischen Kanal aufgrund von Mehrwegeausbreitung, Reflexionen und unterschiedlichen Distanzen zwischen einem Sender und mehreren Empfängern sehr herausfordernd sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Lehre ist es, einen drahtlosen Datenswitch bereitzustellen, mit welchem eine isochrone Echtzeitkommunikation umsetzbar ist. Insbesondere ist eine Ausgabe der vorliegenden Lehre, einen drahtlosen Datenswitch bereitzustellen, welcher die Latenz- und Jitteranforderungen für die Echtzeitkommunikation erreicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem drahtlosen Datenswitch nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben eines drahtlosen Datenswitch nach Anspruch 12 sowie einer Verwendung eines drahtlosen Datenswitch in einem Gebäude oder auf einem Fabrikgelände nach Anspruch 19. Weitere Ausführungsformen des drahtlosen Datenswitches und des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der Verwendung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die beschriebene Lehre beschreibt einen drahtlosen Datenswitch, welcher eine Anzahl an Transceivern umfasst, wobei optische Signale zwischen den Transceivern des drahtlosen Datenswitches optisch übertragen werden, insbesondere innerhalb eines direkten oder indirekten Sichtfeldes der Transceiver. Die hierin offenbarte Lehre nutzt optische drahtlose Datenübertragung. Dadurch kann sowohl auf eine Draht- als auch auf eine Faserverbindung verzichtet werden.
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Bekannte optische drahtlose Datenübertragungen (optical wireless communications - owc) basieren auf direkten Sichtkontakt (line of sight - LoS). Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch nutzt neben einer Echtzeitkommunikation innerhalb eines direkten Sichtfeldes von Transceivern auch eine Echtzeitkommunikation innerhalb eines indirekten Sichtfeldes von Transceivern aus. Bei der Echtzeitkommunikation innerhalb eines indirekten Sichtfeldes wird der Effekt der Reflexion und Streuung von optischer Strahlung an Oberflächen ausgenutzt, um die Strahlen gezielt zu Transceivern zu leiten. Vorliegend wird der Begriff „optisches Signal“ synonym für „optische Strahlung“ verwendet und umgekehrt. Ferner wird vorliegend der Begriff „Signal“ synonym für eine „Datentpaket“ verwendet. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch kann mit bereits bestehenden Bus-Protokollen verwendet werden, so dass eine Implementierung des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches keiner weiteren Implementierung neuer Bus-Protokolle bedarf. Diese bedeutet, dass der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch mit bereits bestehenden Netzwerkteilnehmern verwendet werden kann. Mit dem vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitch können Signale mittels ultraviolettem, sichtbarem oder nahinfrarotes Licht übertragen werden.
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Vorschlagsgemäß umfasst der drahtlose Datenswitch für eine isochrone Echtzeitkommunikation eine Anzahl an Transceivern, wobei jeder Transceiver mindestens einen Sender zum Senden eines optischen Signals und mindestens einen Empfänger zum empfangen eines optischen Signals aufweist. Jeder Transceiver ist mit mindestens einem Netzwerkteilnehmer kommunikativ austauschbar verbindbar ist. In einem verbundenen Zustand übergibt der Netzwerkteilnehmer ein Signal zum Senden an den Transceiver, wobei der Transceiver das vom Netzwerkteilnehmer übergebene Signal als optisches Signal sendet und wobei die Anzahl an Transceivern eines drahtlosen Datenswitches derart zueinander angeordnet sind, dass bei einem Aussenden des optischen Signals durch einen ersten Transceiver eine Übertragung des optischen Signals von dem erstem Transceiver zu mindestens zwei Transceivern der Anzahl an Transceivern erfolgt. Insbesondere weist jeder Transceiver zwei Sender und zwei Empfänger auf. Ferner sind die hierin beschriebenen Transceiver dazu ausgebildet, die empfangenen Daten zu manipulieren, insbesondere zu dekodieren und zu kodieren. Eine solche Manipulation kann vor einem Senden des Signals bzw. der Daten durch den Transceiver erfolgen.
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Vorliegend ist der Begriff „kommunikativ austauschbar verbindbar“ so zu verstehen, dass ein Transceiver an einem Netzwerkteilnehmer vorrübergehend verbunden sein kann. Es ist denkbar, dass ein anderer Netzwerkteilnehmer an dem Transceiver angeordnet wird oder der Transceiver an einen anderen Netzwerkteilnehmer angeordnet wird. Die Verbindung zwischen Transceiver und einem Netzwerkteilnehmer kann hierbei mittels Kabel, oder mittels Funkverbindung oder auch optisch erfolgen. Die Signalübertragung zwischen einem Netzwerkteilnehmer und einem Transceiver erfolgt nicht zwingend optisch. Die Signalübertragung zwischen den Transceivern des drahtlosen Datenswitches untereinander hingegen erfolgt optisch basierend aus optischen Signalen. Unter dem Begriff Netzwerkteilnehmer kann beispielsweise jede elektronische Komponente verstanden werden, welche beispielsweise in einer Fabrik oder einem Fabrikgelände zur Herstellung oder Verarbeitung oder Bearbeitung eines Produktes verwendet wird oder zum Prozessablauf eines Verfahrens beiträgt. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch ist dazu ausgebildet optische Signale zwischen den Transceivern das drahtlosen Datenswitches innerhalb eines deterministischen Zeitfensters zu übertragen, wobei Latenzen oder Signalverzögerungen möglichst niedrig sind und der Jitter oder die Signalverzerrung eines digitalen Signals gering ist. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch kann eine Punkt-zu-Multipunkt Echtzeitkommunikation ermöglichen, wodurch eine Automatisierung bei der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation an geeigneten Stellen parallelisiert werden kann. Dies wiederum kann zu Zeitersparnissen und damit gegebenenfalls zu Kostenersparnissen führen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Transceiver eine interne Uhr auf und der drahtlose Datenswitch weist damit eine Anzahl interner Uhren auf, welcher der Anzahl an Transceivern proportional ist, insbesondere gleicht. Dadurch das bevorzugt jeder Transceiver ein interne Uhr aufweist, kann eine isochrone Echtzeitkommunikation in einfacherweise überprüft werden, indem beim Versenden eines optischen Signal durch einen ersten Transceiver zu einem oder mehreren weiteren zweiten Transceivern eine Zeitinformation durch den ersten Transceiver mitverschickt wird und gleichzeitig eine Zeitinformation an dem oder den zweiten Transceivern abgefragt wird. Es ist ebenfalls denkbar, nur eine Zeitinformation durch den ersten Transceiver zu versenden und gleichzeitig eine Zeitinformation von den beteiligten zweiten Transceivern abzufragen. Dadurch, dass die Transceiver jeweils zur Analyse hinsichtlich einer Zeitdifferenz ausgebildet sind, können die internen Uhren der bei der optischen Signalübertragung involvierten Transceiver bei Bedarf synchronisiert werden. Hierdurch kann eine isochrone Echtzeitkommunikation sichergestellt werden. Als interne Uhr kann beispielsweise ein Quarz dienen oder ein software-basierter Taktgeber.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl an Transceivern des drahtlosen Datenswitches derart zueinander angeordnet, dass in einem Sichtfeld des ersten Transceivers mindestens zwei Transceiver angeordnet sind, um eine Echtzeitkommunikation in einem direkten Sichtfeld zwischen dem ersten und den mindestens zwei Transceivern zu ermöglichen, und/oder dass die Echtzeitkommunikation zwischen dem ersten und mindestens einem der mindestens zweit Transceivern über einen diffusen Flächenabschnitt mittels einer indirekten Sichtverbindung erfolgt. In dem drahtlosen Datenswitch kann die Anzahl an Transceivern derart zu einander angeordnet sein, dass eine Unteranzahl an Transceivern in direkter Sichtverbindung miteinander optisch verbunden sind und eine weitere Unterzahl an Transceivern in indirekter Sichtverbindung miteinander optisch verbunden sind. Es versteht sich, dass eine direkte und eine indirekter Sichtverbindung zwischen der Anzahl an Transceiver nicht zwangsweise vorliegt. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Anzahl an Transceiver nur über eine direkte Sichtverbindung kommunizieren oder nur über eine indirekt Sichtverbindung kommunizieren. Ob eine direkte und/oder eine indirekte Sichtverbindung zwischen den Transceivern ausgebildet ist, kann beispielsweise von einer Umgebung des Einsatzortes des drahtlosen Datenswitches abhängen. Ferner kann eine Konfiguration des drahtlosen Datenswitches an einen Einsatzort des drahtlosen Datenswitches angepasst werden. Hierbei entstehen keine zusätzlichen Kosten. Bei einem direkten Sichtfeld eines Transceivers kann das direkte Sichtfeld beispielsweise vergrößert oder verkleinert werden, in dem der Lichtkegel eines Transceivers verändert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Linse oder durch eine Blende geschehen. Der drahtlose Datenswitch kann auf die Umgebung, in welchem der drahtlose Datenswitch zum Einsatz kommt, angepasst werden.
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Bevorzugt kann zur Erzeugung eines indirekten Sichtfeldes oder einer indirekten Sichtverbindung zwischen zwei Transceivern eine diffuse Fläche oder ein diffuser Flächenabschnitt verwendet werden. Der diffuse Flächenabschnitt ist dabei zum Umlenken, insbesondere zum Reflektieren oder zum diffusen Streuen, des optischen Signals geeignet. An dem diffusen Flächenabschnitt kann beispielsweise ein optisches Signal in unterschiedliche Richtungen umlenkt werden. Ferner kann der diffuse Flächenabschnitt als glatte Fläche, oder als Fläche, welche das Signal mittels Totalreflexion lenkt, oder als Fläche, welche als Strahlteiler wirkt, ausgebildet sein. Ist die Fläche bzw. der Flächenabschnitt beispielsweise als diffuse Fläche ausgebildet, so kann ein Signal bei Auftreffen auf diese Fläche in unterschiedliche Richtungen umgelenkt werden. Durch Umlenkung eines Signal in unterschiedliche Richtungen kann das umzulenkende Signal in Richtung mehrerer unterschiedlicher Transceiver gelenkt werden, oder ein Teil des Signals kann auch in Richtung einer weiteren Fläche gelenkt werden, wo dieser Teil des Signales nochmals umgelenkt werden kann. Auf diffusen Flächen können folglich parallel eingehende Eingangsstrahlen in unterschiedlicher Richtungen gestreut bzw. reflektiert werden. Durch einen diffusen Flächenabschnitt kann somit ein indirektes Sichtfeld oder eine indirekte Sichtverbindung zwischen Transceivern vergrößert werden, ohne dabei das Raumvolumens eines Lichtkegels eines direkten Sichtfeldes zu Verändern. Eine diffuse Fläche weist eine Rauigkeit auf. Der Grad der Streuung ist dabei von der Rauigkeit der Fläche abhängig. Der Rauheitsgrad stellt also einen Stellparameter dar, um den drahtlosen Datenswitch in Bezug zu seinen Transceivern räumlich auszurichten. Weist die Fläche eine glatte Fläche auf, werden die einfallenden Strahlen gemäß dem Reflexionsgesetz umgelenkt. Hierbei sind der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel gemessen zum Lot der glatten Oberfläche gleich. Unter Vernachlässigung von Absorptionsverlusten an der Fläche, kann dadurch das gesamte Signal in die gleiche Richtung gelenkt werden. Hierdurch kann das Signal hinsichtlich seiner Intensität vollständig in eine Richtung umgelenkt werden. Ist die Fläche beispielsweise als Strahlleiter in Form einer Wellenleiterstruktur ausgebildet, kann ein Signal in den Strahlleiter eingekoppelt werden und nahezu verlustfrei geleitet werden. Ein Strahlleiter kann genutzt werden, um größere Strecken oder um Hindernisse zu passieren. Der Strahlleiter kann in oder an einem Gehäuse eines Netzwerkteilnehmers integriert sein. Der Strahlleiter bzw. die Wellenleiterstruktur nutzt zum Leiten des Signals den Effekt der Totalreflexion aus. Der Strahlleiter kann eine Glasfaser sein. Die Glasfaser kann an dem Gehäuse oder innerhalb eines Gehäusevolumens eines Netzwerkteilnehmers angeordnet sein und an dem Gehäuse eines Netzwerkteilnehmers befestigt sein. Der Strahlleiter kann auch ein Prisma sein, oder eine andere Oberfläche, welche zum Strahlleiten ausgebildet ist. Ist die Fläche beispielsweise als Strahlteiler ausgebildet, so kann sie beispielsweise aus einem transparenten Plättchen bestehen bzw. ein transparentes Plättchen aufweisen, welches an seinen Oberflächen aufgrund von Fresnel-Reflexionen das Signal in einen transmittierten und einen reflektierten Anteil auftrennt. Vorliegend werden die Begriffe Strahlen und optisches Signal synonym verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens der erste Transceiver des drahtlosen Datenswitches dazu ausgebildet, ein erstes optisches Signal gleichzeitig an mehrere Transceiver der Anzahl an Transceivern zu senden. Unter Ausnutzung eines direkten Sichtfeldes des ersten Transceivers sind die mehreren Transceiver in dem Sichtfeld des ersten Transceiver angeordnet. Die Größe des direkten Sichtfeldes sowie die Größe der Transceiver können somit die Anzahl der Transceiver, welche in dem direkten Sichtfeld des ersten Transceivers angeordnet sein können, beschränken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein erstes optisches Signal einen Datencode für einen bestimmten Transceiver oder einen strukturiert additiv überlagerten Datencode für verschiedene zu adressierende Transceiver, wobei bei einem Empfangen eines strukturiert additiv überlagerten Datencodes die adressierten Transceiver ausgebildet sind, den empfangenen strukturiert additiven überlagerten Datencode in ein Signal zu vereinzeln, welches für einen dem jeweiligen Transceiver zugewiesenen verbindbaren Netzwerkteilnehmer vorgesehen ist. Bei Übersendung eines Datencodes gleichzeitig an mehrere Transceiver kann der Datencode am ersten Transceiver strukturiert und additiv überlagert werden. Mit anderen Worten, die einzelnen Datenpakete der vereinzelten optischen Signale werden in einer deterministischen Zeitabfolge zu einem optischen Signal konstruktiv überlagert. Der Datencode umfasst dazu einzelne Datenpakete, welche sukzessiv hintereinander geordnet von dem ersten Transceiver in Richtung der verschiedenen zu adressierenden Transceivern übertragen werden können. Jeder der adressierten Transceiver ist dabei ausgebildet, aus der Überlagerung der verschiedenen Datenpakete jene Datenpakete heraus zu separieren, die als Signal dem Netzwerkteilnehmer übergeben werden sollen und welches dem empfangenen Transceiver zugeordnet ist. Vorliegend ist der Begriff „vereinzeln“ synonym zu trennen oder separieren der Datenpakete des überlagerten Datencodes zu verstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Transceiver dazu ausgebildet, das zu übertragende optische Signal auf verschiedenen Frequenzen und/oder auf verschiedenen Wellenlängen und/oder in verschiedenen Phasen zueinander zu übertragen. Es ist denkbar, dass ein Transceiver dazu ausgebildet, auf verschiedenen optischen Wellenlängen, die den Signalen bestimmter Netzwerkteilnehmer zugeordnet sind, ein optisches Signal an einen weiteren Transceiver zu übersenden, oder dass ein Transceiver dazu ausgebildet ist, auf derselben Wellenlänge verschiedene optische Signale auf verschiedenen Frequenzen zu senden. Ein Transceiver kann hierdurch zeitgleich mehrere Signale senden und/oder empfangen und/oder auswerten. Es können beispielsweise mehrere Signale gleichzeitig von einem ersten Transceiver zu verschiedenen Transceivern oder auch nur zu einem Transceiver gesendet werden. Hierdurch kann eine Datenübertragungsrate effizient gesteigert werden. Zugleich kann die Datenübertragungsrate bei Ausnutzung des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches unter Echtzeitkommunikation zwischen den Transceivern erfolgen. Der Begriff Echtzeitkommunikation ist vorliegend derart zu verstehen, dass Latenzen möglichst niedrig sind und der Jitter der Signale gering ist. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch kann daher bei einer Umsetzung einer industriellen Echtzeitkommunikation von Maschine zu Maschine oder in einer automotiven Echtzeitkommunikation eingesetzt werden, bei welcher das Versenden und Empfangen von zeitlich präzisen Steuer-, Aktor- und/oder Sensordaten in Echtzeit zu erfolgen hat, insbesondere ohne Signalverzögerung oder Signalverzerrung. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch kann dabei im Plug-and-Play-Prinzip in Starren schon vorhandenen Strukturen, welche kabelgebunden sein können, implementiert werden. Mit automotiver Echtzeitkommunikation ist die Kommunikation der elektronischen Komponenten untereinander in einem Fahrzeug gemeint, oder auch die Kommunikation von verschiedenen Fahrzeugen untereinander.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Transceiver mehrere optische Sendekanäle aufweist, und/oder wobei jeder Sendekanal einem anderen Transceiver der Anzahl an Transceivern zugewiesen ist, und/oder wobei ein Transceiver einen über die Zeit räumlich veränderbaren Sendekanal aufweist. Hierdurch kann ein Transceiver mehrere Signale gleichzeitig senden, insbesondere mehrere Signale an denselben Transceiver oder an unterschiedliche Transceiver. Jeder der Anzahl an Transceivern ist ferner dazu ausgebildet, gleichzeitig mehrere Signale auf verschiedenen Empfangskanälen zu empfangen und/oder ein empfangenes Signal zu vereinzeln, wie bereits beschrieben. Bei einem über die Zeit räumlich veränderbaren Sendekanal kann es beispielsweise möglich sein, einen Lichtkegel von einem ersten Transceiver in zwei Richtungen, wie beispielsweise nach links und nach rechts, abzustrahlen. Ein Sendestrahl bzw. eine Sendekanal kann auch durch eine Veränderung der Optikanordnung und/oder durch integrierte Spiegel geschwenkt werden und dabei auf ein Ziel, wie beispielsweise einem weiteren Transceiver, ausgerichtet werden. Ausrichten kann hierbei als fokussieren oder auch als defokussieren verstanden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Datenübertragungsrate des drahtlosen Datenswitches höher oder gleich ausgelegt ist, wie eine Datenübertragungsrate eines Netzwerkes, in welchem die mit dem Datenswitch verbindbaren Netzwerkteilnehmer angeordnet sind. Mit dem vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitch kann die Datenübertragungsrate zwischen den einzelnen Netzwerkteilnehmern, welche mit den Transceivern des drahtlosen Datenswitches verbindbar sind, gesteigert werden, insbesondere auf mehr als 100 Mbit/s.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die kommunikative Verbindung zum Erreichen des verbundenen Zustands eines Transceivers mit mindestens einem Netzwerkteilnehmer mittels Kabelanschluss oder mittels drahtloser Verbindung. Der drahtlose Datenswitch kann sowohl mit Netzwerkteilnehmern verbindbar sein, welche mittels Kabelverbindung mit dem drahtlosen Datenswitch zu verbinden sind oder mittels drahtloser Verbindung wie Funk oder dergleichen mit dem drahtlosen Datenswitch zumindest vorrübergehend verbunden sind. Ein Vorteil des drahtlosen Datenswitches ist es, dass der drahtlose Datenswitch nicht notwendigerweise mittels optischen Signalen mit den Netzwerkteilnehmern kommuniziert. Vielmehr können die schon bereits vorhandenen Kommunikationsstrukturen, wie beispielsweise eine Kabel- oder Funkverbindung, insbesondere zum Erreichen einer vorübergehenden kommunikativen Verbindung, genutzt werden, um eine Signalübertragung von einem Netzwerkteilnehmer zu dem drahtlosen Datenswitch zu ermöglichen. Der drahtlose Datenswitch kann folglich im Plug-and-Play-Prinzip verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Transceiver mit mehr als einem Netzwerkteilnehmer gleichzeitig kommunikativ verbindbar ist. Hierzu kann der Transceiver mehr als einen Sender und/oder mehr als einen Empfänger aufweisen. Es ist ferner denkbar, dass der Transceiver mehr als einen Kanal oder Port zum Empfangen und/oder Senden eines Signals zwischen dem Transceiver und einem Netzwerkteilnehmer aufweist. Hierdurch kann die Datenübertragungsrate zwischen einem Transceiver des drahtlosen Datenswitches und einem Netzwerkteilnehmer effizient gesteigert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Lehre wird ein Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben mindestens eines drahtlosen Datenswitches für eine, insbesondere industrielle oder automotive, isochrone Echtzeitkommunikation vorgeschlagen. Der für das Verfahren verwendete drahtlose Datenswitch umfasst eine Anzahl an Transceivern, wobei jeder Transceiver mindestens einen Sender zum Senden eines optischen Signals und mindestens einen Empfänger zum empfangen eines optischen Signals aufweist. Jeder Transceiver umfasst eine interne Uhr und ist mit mindestens einem Netzwerkteilnehmer kommunikativ verbunden oder austauschbar verbindbar. Ein Transceiver kann vorrübergehend mit unterschiedlichen Netzwerkteilnehmern verbunden sein, wodurch eine Signalübertragung von dem Netzwerkteilnehmer zu einem verbundenen Transceiver erfolgen kann. In einem kommunikativen verbundenen Zustand übergibt ein Netzwerkteilnehmer ein Signal zum Senden an den Transceiver oder ein Transceiver übergibt ein Signal an einen Netzwerkteilnehmer, wobei die Anzahl an Transceivern eines drahtlosen Datenswitches derart zueinander angeordnet sind, dass bei einem Aussenden eines optischen Signals durch einen ersten Transceiver eine Übertragung des optischen Signals von dem erstem Transceiver zu mindestens zweit Transceivern der Anzahl an Transceivern erfolgt. Das Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben mindestens eines drahtlosen Datenswitches umfasst ein Aussenden eines optischen Signals von dem ersten Transceiver und/oder ein Aussenden einer Zeitinformation von dem ersten Transceiver. Ferner umfasst das vorgeschlagene Verfahren ein Empfangen des ausgesendeten optischen Signals an dem mindesten zweiten Transceiver und/oder ein Empfangen der ausgesendeten Zeitinformation an dem mindesten zweiten Transceiver, und ein gleichzeitiges Abfragen einer Zeitinformation des mindestens zweiten Transceivers. Ferner umfasst das vorgeschlagene Verfahren ein anschließendes Analysieren einer Übertragungsverzögerung des übertragenen optischen Signals auf Basis der Zeitinformation des ersten Transceivers und der Zeitinformation des mindestens zweiten Transceivers oder ein anschließendes Analysieren einer Asynchronität auf Basis der Zeitinformation des ersten Transceivers und der Zeitinformation des mindestens zweiten Transceivers, und ein Synchronisieren der internen Uhren, falls eine Asynchronität analysiert wurde. Der Begriff Asynchronität ist als ein Zeitunterschied zwischen den Zeitinformationen des mindestens ersten und des mindesten zweiten Transceivers zu verstehen. Das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren umfasst einerseits ein Verfahren nur zum Synchronisieren des drahtlosen Datenswitches und andererseits ein Verfahren zum Betreiben des drahtlosen Datenswitches, welches jedoch das Synchronisieren desselben bei Bedarf automatisch zusätzlich zur optischen Signalübertragung umfasst. Eine Synchronisation kann auch unabhängig von gesendeten Nutzdaten, d.h. Signalen, die von einem Netzwerkteilnehmer aus gesendet wurden, erfolgen. Zur Realisierung und Aufrechterhaltung der Echtzeitkommunikation mittels des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches bedarf es eines regelmäßigen Abgleichs der internen Uhren, damit jeder Transceiver bzw. jeder angeschlossener Netzwerkteilnehmer dasselbe Zeitverständnis hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein sich wiederholendes Synchronisieren der internen Uhren während des Betriebes des drahtlosen Datenswitches, insbesondere bei Bedarf. Insbesondere bei Anwesenheit bewegter Netzteilnehmer kann eine Synchronisation der internen Uhren von Vorteil sein, insbesondere dann wenn der bewegte Netzteilnehmer nur von Zeit zu Zeit kommunikativ mit dem drahtlosen Datenswitch verbunden ist oder wird. Eine Synchronisation kann hierbei in vorgegebenen oder zufälligen Zeitabständen erfolgen, oder wenn ein Zeitunterschied oder Asynchrontität festgestellt wurde. Das sich wiederholende Synchronisieren der internen Uhren trägt dazu bei, die Echtzeitkommunikation zuverlässig zu machen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens übertragen die Transceiver auf Basis der sich wiederholenden Synchronisation der internen Uhren ihre optischen Signale in deterministischen Zeitfenstern. Dieses bezeichnet man auch als Zeitmultiplexverfahren. Bei dem Zeitmultiplexverfahren TDM (engl. Time Division Multipexing) agieren die Transceiver für die Zeitsynchronisation als einzelne Elemente und müssen sich entsprechend miteinander synchronisieren. Auf Datenebene sind alle in einem optischen Netzwerk verbundenen Transceiver für das umliegende, insbesondere kabelgebundene, Netzwerk als eine Switch-Einheit mit einer gewissen Anzahl an Zugängen (engl. Ports) sichtbar. In einer Punkt-zu-Multipunkt-Architektur kann ein Master Transceiver mit einer beliebigen Anzahl von Slave Transceivern kommunizieren, welche sich in seinem direkten Sichtfeld (FOV, engl.: Field of View) befinden. Master Transceiver und Slave Transceiver können zusammen einen dynamischen, selbstlernenden Multi-Port Li-Fi Echtzeit-Switch bilden. Dynamisch selbstlernend bedeutet vorliegend, dass im Laufe der Verwendung des drahtlosen Datenswitches die einzelnen Transceiver erkennen und speichern, wann oder in welcher Abfolge die einzelnen Transceiver ein Signal senden und/oder empfangen. Ferner können die einzelnen Transceiver den verschiedenen Signalen Prioritäten zuordnen, nach Welcher ein Signal beispielsweise weitergeleitet wird. Das Akronym Li-Fi steht hierbei für Light-Fidelity, ein im Deutschen geprägter Begriff für ein Verfahren der optischen Datenübertragung. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch kann während seiner Verwendung erlernen, welche Daten von welchem Transceiver bzw. indirekt welche Daten von welchem Netzwerkteilnehmer übertragen werden. Ferner kann der drahtlose Datenswitch eine Reihenfolge oder bestimmte Zeitintervalle erlernen, in denen bestimmte Signale von bestimmten Netzwerkteilnehmern über die Transceiver des drahtlosen Datenswitches versendet werden. Hierfür wird zunächst die netzwerkbasierte Zeitsynchronisation für einen Punkt-zu-Multipunkt Li-Fi Link umgesetzt. Üblicherweise handeln Netzwerkteilnehmer das sogenannte Link-Handling bilateral aus. Wie vorliegend vorgeschlagen kann ein Li-Fi Master Transceiver dies mit mehreren Slave Transceivern in seinem Sichtfeld (FOV-field of view) realisieren. Dazu ist der der Master Transceiver ausgebildet, die Slave Transceiver zu identifizieren und diesen auch eine Kommunikationsressource zuzuweisen. Ist die Synchronisation erreicht, kann das Nutzdatensignal auf dem optischen Kanal übertragen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens ein Transceiver der Anzahl an Transceivern als ein Master-Transceiver identifiziert und der mindestens eine Master-Transceiver weist den weiteren Transceivern, welche als Slave-Transceiver identifiziert werden, jeweils eine Kommunikationsresource zu, welche zum Ausbilden der zeitlichen Synchronisation und zum Übertragen der optischen Signale zwischen einem Master-Transceiver und mindestens einem Slave-Transceiver geeignet ist. Unter dem Begriff „Kommunikationsresource“ kann vorliegend eine Zeit oder ein Zeitfenster, eine Frequenz, eine Phase oder eine Wellenlänge verstanden werden. Es ist denkbar, dass der Master-Transceiver den Slave-Transceivern unterschiedliche Kommunikationsresourcen zuweist. Ferner wird bevorzugt jener Transceiver als Master Transceiver identifiziert, in dessen direktem Sichtfeld viele oder wichtige Transceiver angeordnet sind. Es ist ebenfalls denkbar, dass situationsbedingt ein Transceiver einmal als Master Transceiver und ein anderes Mals als Slave Transceiver identifiziert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sendet der mindestens eine Master-Transceiver ein strukturiert additiv überlagerte optisches Signal an die in seinem, insbesondere direkten oder indirekten, Sichtfeld angeordneten Slave-Transceiver, wobei die das strukturiert additiv überlagerte optische Signal empfangenen Slave-Transceiver ermitteln, ob das strukturiert additiv überlagerte optische Signal vereinzelt wird und an ein mit dem jeweiligen Slave-Transceiver verbundenen oder verbindbaren Netzwerkteilnehmer zur Verarbeitung des vereinzelten Signals weitergeleitet wird. Wie bereits hierin beschrieben ist der Begriff „vereinzelt“ synonym zu trennen oder separieren zu verstehen. Die Datenpakete, welche von dem Master-Transceiver versendet werden, können folglich von den Slave-Transceivern wieder in Signale bzw. Datenpakete getrennt werden, welche zur Übermittlung an ein mit dem jeweiligen Slave Transceiver verbindbaren Netzwerkteilnehmer gedacht sind. Es ist aber ebenfalls denkbar, dass ein Slave Transceiver das empfangene Signal ohne Vereinzelung direkt weiterleitet, insbesondere an einen anderen Master Transceiver oder an einen anderen Slave Transceiver. Ein Transceiver kann durch den drahtlosen Datenswitch beispielsweise dann als Master-Transceiver bestimmt werden, wenn eine größere Anzahl an Transceivern in seinem direkten und/oder indirekten Sichtbereich fallen und/oder wenn der Transceiver zum Aussenden wichtiger Befehle dient.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens senden die in dem Sichtfeld des Master-Transceivers angeordneten Slave-Transceiver jeweils ein nicht überlagertes Signal innerhalb eines Sichtfeldes des jeweiligen Slave-Transceiver aus, welche in einem Überlappungsbereich der Sichtfelder der Slave-Transceiver konstruktiv zu einem strukturiert additiven Signal überlagert werden. Es ist denkbar, dass mit dem Sichtfeld das direkte und/oder das indirekte Sichtfeld gemeint ist. Die strukturiert additive Signalüberlagerung erfolgt dann unproblematisch, wenn eine Zeitsynchronisation zwischen den beteiligten Transceivern vorgenommen wurde oder wird. Wenn beispielsweise ein Master Transceivern mit mehr als zwei SlaveTransceivern kommuniziert, sollte eine Zeitsynchronisation zwischen allen Transceivern erfolgen, um die Echtzeitkommunikation zwischen allen beteiligten Transceivern zu sichern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens empfängt ein Master-Transceiver ein Signal von einem ersten Slave-Transceiver und leitet das empfangene Signal unmittelbar an einen weiteren Slave-Transceiver weiter. Die Weiterleitung zwischen den Slave Transceiver über den Master Transceiver erfolgt bevorzugt unmittelbar, insbesondere ohne ein Vereinzeln das Datencodes, um Zeitverzögerungen und/oder Signalverzerrungen einzusparen. Es ist ferner denkbar, dass Slave Transceiver optische Signale untereinander weiterleiten, insbesondere direkt durch die Sender und Empfänger eines Transceiver oder durch einen diffusen Flächenabschnitt, wie hierin bereit beschrieben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Lehre wird eine Verwendung mindestens eines drahtlosen Datenswitches wie hierin bereits beschrieben mit einem Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben mindestens eines drahtlosen Datenswitches wie hierin beschrieben in einem Gebäude oder auf einem Fabrikgelände vorgeschlagen, um eine isochrone Echtzeitkommunikation zwischen den Netzwerkteilnehmern in dem Gebäude oder auf dem Fabrikgelände herzustellen. Bei der vorgeschlagenen Verwendung können mehr als ein drahtloser Datenswitch Einsatz finden, insbesondere kann ein drahtloser Datenswitch im Plug-and-Play-Prinzip in einem Gebäude, wie beispielsweise einem Fabrikgebäude, oder auf einem Fabrikgelände eingesetzt werden. Der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch kann folglich in schon bestehenden Strukturen ergänzt werden, um eine Echtzeitkommunikation zwischen den bereits bestehenden Netzwerkteilnehmern zu realisieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die vorgeschlagene Lehre in einem Fahrzeug angewendet werden, um die Kommunikation der einzelnen elektronischen Komponenten untereinander in isochroner Echtzeit zu realisieren. Ferner kann die vorgeschlagene Lehre dazu verwendet werden verschiedene Fahrzeuge in Echtzeit untereinander kommunizieren zu lassen. Vorliegend ist mit Fahrzeug ein Automobil, ein Flugzeug oder auch ein Schiff gemeint.
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Bevorzugt kann mehr als ein drahtloser Datenswitch an einer Wandung eines Gebäudes angeordnet sein. Unter einer Wandung eines Gebäudes ist beispielsweise eine Seitenwand, oder einer Deckenwand oder eine Bodenwand zu verstehen. Ferner ist es möglich, einen oder mehrere drahtlose Datenswitche an einen Pfosten oder Roboterarm zu montieren. Es ist auch denkbar, einen oder mehrere drahtlose Datenswitche an oder in einem Netzwerkteilnehmer zu verbauen oder auswechselbar anzuordnen. Unter Netzwerkteilnehmer kann dabei ein Gerät zum Herstellen eines Produktes verstanden werden oder auch ein Gerät, welches zum Ausführten einer Funktion ausgebildet ist. Die Einsatzmöglichkeiten des drahtlosen Datenswitches oder einer Mehrzahl an drahtlosen Datenswitches, um eine Echtzeitkommunikation zu ermöglichen, sind vielfältig.
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Es versteht sich von selbst, dass zum Ausführen der Verfahren ein zuvor beschriebener drahtloser Datenswitch verwendet werden kann bzw. verwendet wird. Auch auf die bereits erfolgte Beschreibung des drahtlosen Datenswitches wird an dieser Stelle Bezug genommen und wird nicht noch einmal in Verbindung mit dem Verfahren oder mit der Verwendung im Detail vollständig wiederholt. Es versteht sich, dass Vorrichtungsmerkmale und Verfahrensmerkmale kombinierbar sind, um die vorgeschlagene Lehre auszuschöpfen.
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Wie vorgeschlagen umfasst ein drahtloser Datenswitch, welcher auch als ein Li-Fi Switch bezeichnet werden könnte, mehrere Li-Fi Transceivern, also Transceiver, welche zur Datenkommunikation mit Licht ausgebildet sind. Insbesondere kann der vorgeschlagene drahtlose Datenswitch einen dynamisch selbstlernenden Datenverteiler umsetzen. Dieser ist eine flexibel anzuwendende, drahtlose, echtzeitfähige und kompatible Netzwerkkomponente. Er kann starre kabelgebundene Netzwerkinfrastrukturen im Plug-and-Play-Prinzip ergänzen. Der dezentralisierte Li-Fi Switch oder drahtlose Datenswitch kann die Daten standardkonform, sicher und zuverlässig übertragen. Auf Basis der optischdrahtlosen Li-Fi (Light Fidelity) Technologie können die Vorzüge kabelloser Konnektivität mit der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit von kabelgebundenen Medien kombiniert werden. Zusätzlich wird die hochkomplexe Technik des kabelgebundenen Netzwerk-Switches durch eine technisch leichtgewichtige aber ebenso performante Li-Fi basierte Lösung ersetzt. Damit dient der dezentralisierte Li-Fi Switch oder der drahtlose Datenswitch als leistungsfähiger Datenverteiler zwischen Netzwerkteilnehmern.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Lehre werden nachfolgend im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Ausführungsformen den Umfang der hierin beschriebenen Lehre nicht limitieren. Es zeigen:
- 1 einen drahtlosen Datenswitch, welcher mit Netzwerkteilnehmern verbindbar ist und bei welchen eine optisches Signal von einem ersten Transceiver zu einem zweiten und einem dritten Transceiver gesendet wird,
- 2 einen drahtlosen Datenswitch, welcher mit Netzwerkteilnehmern verbindbar ist und bei welchen eine optisches Signal von einem zweiten und einem dritten Transceiver zu einem ersten Transceiver gesendet wird, und
- 3 ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Synchronisieren oder zum Betreiben eines drahtlosen Datenswitches.
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Das Prinzip der hierin offenbarten Lehre wird anhand möglicher Ausführungsbeispiele nachfolgend näher verdeutlicht, wobei die ausführliche Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele keine Beschränkung der hierin beschriebenen Lehre darstellt. Die Lehre zum drahtlosen Datenswitch ist ferner prinzipiell auf eine Vielzahl von Netzwerkteilnehmern oder auch Techniken, wie beispielsweise der Gebäudetechnik, anwendbar, sofern eine Vielzahl elektrischer Komponenten miteinander kommunikativ zu verschalten ist. Der Begriff Kommunikation bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung auf den Austausch von Signalen.
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Eine Herausforderung für den vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches ist es, über das gesamte Netzwerk das gleiche Zeitverständnis zu haben. Auf dem optischen Kanal oder den optischen Kanälen des drahtlosen Datenswitches gilt es diese Zeitsynchronisation ebenfalls zu realisieren. Allerdings verhält sich der Li-Fi Switch anders als eine klassische kabelgebundene Version, da er für jeden Li-Fi Transceiver eine interne Uhr besitzt und damit mindesten zwei separate Zeitgeber besitzt, insbesondere der Anzahl an Transceivern proportionale Anzahl an Zeitgebern bzw. internen Uhren aufweist. Übergeordnet analysieren die mindestens zwei Transceiver des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches, welche Übertragungsverzögerungen (Latenz) sie auf dem optischen Kanal besitzen und synchronisieren daraufhin ihre Echtzeit-Uhren. Dies Bedeutet, dass bei Verwendung und Ausführen des Verfahrens zum Synchronisieren oder zum Betreiben des drahtlosen Datenswitches für die angeschlossenen Netzwerkteilnehmer jeweils die Zeitinformation am Übergang zwischen Netzwerkteilnehmer und Transceiver oder nur vom Transceiver weitergegeben wird. Damit kann sich jedoch das zeitliche Übertragungsverhalten der über den Li-Fi Switch übertragenen Daten in Abhängigkeit von der optischen Link-Topologie ändern. Daher ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zeitsynchronisation auch während des Betriebs immer wieder nachgeführt wird wie im vorgeschlagenen Verfahren beschrieben. Eine Zeitsynchronisation kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn bewegte Teilnehmer präsent sind. Auf die bilaterale Zeitsynchronisation aufbauend, übertragen die Transceiver ihre Daten in deterministischen Zeitfenstern, auch genannt Zeitmultiplexverfahren (TDM, engl. Time Division Multiplexing). Die Transceiver für die Zeitsynchronisation agieren dabei als einzelne Elemente und sind dazu ausgebildet, sich entsprechend miteinander zu synchronisieren. Von einer Datenebene aus betrachtet sind alle in einem optischen Netzwerk verbundenen Transceiver für das umliegende kabelgebundene Netzwerk als eine Switch-Einheit mit einer gewissen Anzahl an Ports oder Zugängen sichtbar.
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Bei einer Punkt-zu-Multipunkt-Architektur kommuniziert ein Li-Fi Master Transceiver des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches mit einer beliebigen Anzahl von Li-Fi Slave Transceivern, welche sich in seinem direkten oder indirekten Sichtfeld (FOV, engl.: Field of View) befinden. Master Transceiver und Slave Transceiver bilden zusammen einen dynamischen, selbstlernenden Multi-Port Li-Fi Echtzeit-Switch.
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In dem vorgeschlagenen Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben des drahtlosen Datenswitches wird daher zunächst die netzwerkbasierte Zeitsynchronisation für einen Punkt-zu-Multipunkt Li-Fi Link umgesetzt. Üblicherweise handeln normale Netzwerkteilnehmer das Link-Handling bilateral aus. Im vorgeschlagenen Aufbau des drahtlosen Datenswitches realisiert ein Li-Fi Master Transceiver das Link-Handling mit mehreren Slave Transceivern in seinem direkten Sichtfeld (FOV) und/oder seinem indirekten Sichtfeld. Dazu ist der Master Transceiver dazu ausgebildet, die Slave Transceiver zu identifizieren und diesen auch eine Kommunikationsressource zuzuweisen. Ist die Synchronisation erreicht, kann das Nutzdatensignal auf dem optischen Kanal übertragen werden. Nachfolgend wird die Kommunikation zwischen den Transceivern in den 1 und 2 beschreiben.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsform des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches 130 für eine Datenkommunikation ausgehend von einem Master Transceiver 121 in Richtung von Salve Transceivern 122, 123. Der in 1 gezeigte drahtlose Datenswitch 130 umfasst drei Transceiver 121, 122, 123, wobei zwei der drei Transceiver 122, 123 sich im direkten Sichtfeld 131 eines ersten Transceivers 121 befinden. Ferner in 1 gezeigt sind drei Netzwerkteilnehmer 101, 102, 103, welche im kommunikativ verbundenen Zustand jeweils mit einem Transceiver 121, 122, 123 kommunizieren. Ein Zusammenwirken des drahtlosen Datenswitch 130 und der Netzwerkteilnehmer 101, 102, 103 wie in 1 und 2 gezeigt veranschaulicht schematisch ein vorgeschlagenes Verfahren 100, 200 zum Betreiben und/oder zum Synchronisieren eines drahtlosen Datenswitches 130. Wie in 1 dargestellt, sendet der Netzwerkteilnehmer 101 zwei Signale in Form von Datenpaketen 110 und 111 an den ersten Transceiver 121, welcher als Master Transceiver 121 fungiert. Die Signale 110, 111 können kabelgebunden oder auch per Funk an den Transceiver 121 gesendet werden. Selbstverständlich ist auch eine optische Signalübertragung möglich. Jeder Transceiver 121, 122, 123 weist mindestens einen, bevorzugt zwei, Sender 125 und mindestens einen, bevorzugt zwei, Empfänger 124 auf. Zudem weist jeder Transceiver 121, 122, 123 eine interne Uhr 126 auf. Wegen der hohen Anzahl an Bezugszeichen in den 1 und 2 wurde nicht jede interne Uhr 126 und nicht jeder Sender 125 und nicht jeder Empfänger 124 mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Für einen Fachmann ist aus den 1 und 2 dennoch erkenntlich, dass die interne Uhr 126 als kleineres Rechteck in den Transceivern 121, 122, 123 skizziert ist als die Sender 125 und Empfänger 124.Die sich quer über die gesamten 1 und 2 erstreckenden Pfeile (ohne Bezugszeichen) deuten die Richtung der Signalübertragung in dem drahtlosen Datenswitch 130 an. In 1 weist dieser Pfeil ausgehend von links nach rechts. Hier wird folglich eine Datenübertragung von dem Master Transceiver M 121 in Richtung der Slave Transceiver S 122, 123 gezeigt. In 2 weist dieser Pfeil ausgehend von rechts nach links. Hier wird folglich eine Datenübertragung von den Slave Transceiver S 122, 123 in Richtung zu dem Master Transceiver M 121 gezeigt. Der Master Transceiver 121 sendet die Signale 110, 111 derart als ein optisches Signal 112 zu den Transceivern 122, 123, dass das optische Signal 112 konstruktiv zu einem Signal überlagert ist, welches vorliegend auch als strukturiert additiv überlagerter Datencode 112 bezeichnet wird. Der strukturiert additiv überlagerte Datencode 112 wird von dem Li-Fi Master Transceiver 121 gesendet in Richtung zum ersten Li-Fi Slave Transceiver 122 und zumm Li-Fi Slave Transceiver 123, welche beide den strukturiert additiv überlagerten Datencode 112 empfangen. Dabei sind beide Slave Transceiver 122, 123 sich im Sichtfeld 131 des Master Transceiver 121 angeordnet, wie dies 1 zeigt.
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1 zeigt ein direktes Sichtfeld 131. Es ist denkbar, dass sich im Sichtfeld 131 mehr als zwei Transceiver 122, 123 befinden, auch wenn diese in 1 nicht gezeigt sind. Exemplarisch könnte der Transceiver 123 für eine Vielzahl an weiteren Slave Transceiver dargestellt sein. Alle Slave Transceiver 122, 123 empfangen zwar den strukturiert additiv überlagerten Datencode 112, jedoch senden die Transceiver 122, 123 nur das vereinzelte Signal 110, 111 an den zugehörigen Netzwerkteilnehmer 102, 103 weiter. Hierbei sind die Slave Transceiver 122, 123 dazu ausgebildet, zu ermitteln, ob das Datensignal 110, 111 an den Netzwerkteilnehmer 102 oder 103 weiterleitet werden soll. Wie in 1 gezeigt, sind beispielweise die ersten Daten 110 für den ersten Netzwerkteilnehmer 102 und die zweiten Daten 111 für den zweiten Netzwerkteilnehmer 103 vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, können die Transceiver 121, 122, 123 eine diffuse Fläche 127 oder einen diffusen Flächenabschnitt 127 zum Umlenken eine Signals 112, 212, 213, 124 aufweisen. Insbesondere kann ein Gehäuse der Transceiver 121, 122, 123 vollständig oder teilweise als diffuser Flächenabschnitt 127 ausgebildet sein. Folglich sing die Transceiver 121, 122, 123 jeweils auch mit dem Bezugszeichen 127 für den diffusen Flächenabschnitt gekennzeichnet. Ferner ist sowohl in 1 als auch in 2 ein diffuser Flächenabschnitt 127 an einem Bereich beabstandet von dem Transceiver 121 dargestellt.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des vorgeschlagenen drahtlosen Datenswitches 130 für eine Datenkommunikation ausgehend von den Slave Transceivern 122, 123 in Richtung des Master Transceivers 121. Für die Kommunikation in die andere Richtung wird die Signalzusammenführung direkt auf dem optischen Kanal ausgenutzt. Die Zusammenführung der Signale 213 und 214 erfolgt in einem Überlappungsbereich 233 der beiden Sichtfelder 231, 232 der Slave Transceiver 122, 123. 2 verdeutlicht schematisch, wie wichtig dabei die zeitliche Synchronisation der Slave Transceiver 122, 123 zueinander ist bzw. aller Transceiver 121, 122, 123 zueinander, damit die einzelnen Datenpakete 213, 214 sich im Überlappungsbereich 233 der beiden Sichtfelder 231, 232 der beiden Slave Transceiver 122, 123 konstruktiv zu einem Signal 212 oder zu einem strukturiert additiv überlagerten Datencode 212 überlagern können. 2 zeigt schematisch ferner, wie ein optisches Signal 213, 214 innerhalb eines Sichtbereiches 231, 232 auf einen diffusen Flächenabschnitt 127 einfällt (gestrichelter Pfeil) und an dem diffusen Flächenabschnitt in eine andere Richtung umgelenkt wird. Nach der Umlenkung kann das Signal 213, 214 beispielsweise auf einen weiteren Transceiver (nicht dargestellt) einfallen.
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Neben den in den 1 und 2 gezeigten Grundstrukturen kann der drahtlose Datenswitch 130 auch in einer alternativen Architektur ausgeführt werden. Dabei sind folgende Realisierungen denkbar: In einer ersten Alternative können sich die beteiligten Transceiver 121, 122, 123 direkt und/oder indirekt sehen, wobei ein indirektes Sehen über einen diffusen Flächenabschnitt 127 erfolgt. Ein diffuser Flächenabschnitt kann eine gerichtete oder eine ungerichtete Reflexion des zu übertragenen Signals 112, 212, 213, 214 bewirken.
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Ferner ist es denkbar, dass ein Master Transceiver ein Signal 212, 213, 214 empfängt und unmittelbar, also direkt mittels eines Sender 125 des Master Transceivers weiter sendet. Hierdurch wird eine minimale Verzögerung im Mikrosekundenbereich erreicht. In dieser Alternative (nicht dargestellt) wird ein Signal von einem Slave Transceiver über den Master Transceiver zu einem anderen Slave Transceiver weitergeleitet. Vorliegend werden der Begriff Datencode und Signal und Daten synonym verwendet.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele setzen voraus, dass an den Slave Transceivern entschieden wird, welche Daten an die entsprechenden Netzwerkteilnehmer 101, 102, 103 weitergegeben werden. Möchte man die Komplexität der Slave Transceiver so gering wie möglich halten, wäre es auch denkbar, dass die Slave Transceiver alle erhaltenen Daten direkt weitersenden. Darüber hinaus könnte die Entscheidung, welche Daten wohin geschickt werden auch vom Master Transceiver getroffen werden. Dazu können ggf. zusätzlich oder alternativ zum bisher beschriebenen Time Division Multiplexing Verfahren noch weitere Vielfachzugriffsmechanismen verwendet werden, wie beispielsweise Raummultiplexmechanismen oder Frequenzvielfachzugriff, wie im allgemeinen Teil der Anmeldung beschrieben ist.
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Beim Raummultiplex Verfahren hat der Master hat mehrere optische Sendekanäle für die einzelnen Slave Transceiver oder einen über die Zeit räumlich veränderbaren Sendekanal. So erhält nicht jeder Slave Transceiver jedes Datum.
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Beim Frequenzvielfachzugriff Verfahren senden die Transceiver auf verschiedenen optischen Wellenlängen, die den Daten bestimmter Netzwerkteilnehmerverbindungen zugeordnet sind. Ebenso ist es denkbar, dass die Transceiver auf derselben Wellenlänge auf verschiedenen Frequenzen senden (bspw. in einem OFDM System könnten sie verschiedene Frequenzträger verwenden).
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Die Datenübertragungsrate innerhalb des Li-Fi Switches 130 kann höher ausgelegt sein, als die Datenrate des Netzwerkes, d.h. der Netzwerkteilnehmer 101, 102, 103.
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3 zeigt ein vorgeschlagenes Verfahren zum Synchronisieren oder zum Betreiben eines in den 1 und 2 dargestellten drahtlosen Datenswitches 130. In Schritt 310 wird zunächst ein drahtloser Datenswitch 130 in einem Netzwerk bereitgestellt. In Schritt 320 erfolgt ein Aussenden eines optischen Signals von dem ersten Transceiver und/oder ein Aussenden einer Zeitinformation. In dem Verfahren zum Betreiben des drahtlosen Datenswitches erfolgt das Aussenden der Zeitinformation gleichzeitig mit dem Aussenden eines optischen Signals. In dem Verfahren zum Synchronisieren erfolgt nur ein Aussenden der Zeitinformation. Im Anschluss daran erfolgt in Schritt 330 ein Empfangen des ausgesendeten optischen Signals an dem mindesten zweiten Transceiver und/oder in Schritt 340 ein Empfangen der ausgesendeten Zeitinformation an dem mindesten zweiten Transceiver. In dem Verfahren zum Synchronisieren entfällt Schritt 330. In beiden Verfahren erfolgt jedoch Schritt 350. In Schritt 350 erfolgt ein gleichzeitiges Abfragen einer Zeitinformation des mindestens zweiten Transceivers. Anschließend erfolgt in dem Verfahren zum Betreiben des drahtlosen Datenswitches in Schritt 360 ein Analysieren einer Übertragungsverzögerung des übertragenen optischen Signals auf Basis der Zeitinformation des ersten Transceivers und der Zeitinformation des mindestens zweiten Transceivers. In dem Verfahren zum Synchronisieren hingegen erfolgt Schritt 370, nämlich ein anschließendes Analysieren eines Zeitunterschiedes bzw. einer Asynchronität auf Basis der Zeitinformation des ersten Transceivers und der Zeitinformation des mindestens zweiten Transceivers. In beiden Verfahren wird schließlich in Schritt 370 ein Synchronisieren der internen Uhren durchgeführt, falls eine Asynchronität oder ein Zeitunterschied analysiert wurde.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
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Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
