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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Netzwerks, insbesondere eines Automatisierungsnetzwerks.
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Das Verfahren soll dazu geeignet sein, Komponenten eines Automatisierungsnetzwerks in ein bestehendes Multifunktionsnetzwerk zu integrieren, beispielsweise in ein Ethernetnetzwerk, insbesondere in ein Feldbusnetzwerk, welches als Ethernetbus ausgelegt ist.
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Bei bestehenden Automatisierungsnetzwerken wie beispielsweise SERCOS III besteht häufig die Einschränkung, dass Geräte des Automatisierungsnetzwerks alleinige Nutzer des Netzwerks sind. Und obwohl das Automatisierungsnetzwerk ebenfalls als Ethernet-Netzwerk ausgeführt ist, ist es nicht trivial, ein solches Automatisierungsnetzwerk in ein bestehendes Netzwerk zu integrieren.
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Diese Schwierigkeiten bestehen aus Restriktionen, zum Beispiel in Bezug auf Netzwerktopologie, welche entsprechend die Integrierung in andere Netzwerke schwierig bis unmöglich erscheinen lassen.
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Auch soll es möglich werden, Automatisierungsnetzwerke in TSN-Netzwerke zu integrieren. TSN wurde entwickelt, um zeitsensitive Datenübertragungen in einem Netzwerk zu ermöglichen. Auch werden durch TSN-Funktionen Übertragungszeiten vorhersehbar. Das TSN Netzwerk wird unter IEEE 802.1 genormt.
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Bei dem Beispiel eines SERCOS III Netzwerks kann zu Beginn einer Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern im Netzwerk die Paketgröße der zu sendenden und/oder zu empfangenen Daten festgelegt werden. Da zu Beginn der Kommunikation noch nicht feststeht, wie viele Daten überhaupt versendet werden, wird die Paketgröße der Daten zunächst maximiert.
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Während der Kommunikation kann dann die Paketgröße an die Datenmenge angepasst werden, um in dem Netzwerk die Kommunikation zu optimieren. Insbesondere bei Nutzung eines TSN-Netzwerks ist die Einstellung der Paketgröße ein Hilfsmittel zur Planbarkeit der Datenübertragung.
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Dazu sind für die Datenpakete entsprechende Zeitschlitze vorgesehen, innerhalb welcher die Datenpakete versendet werden. Zur Berechnung der gesamten Kommunikationszeit können dann die einzelnen Zeitschlitze addiert werden, denn alle Datenpakete werden innerhalb dieser Zeitschlitze versendet bzw. empfangen.
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Eine entsprechend bekannte Kommunikation in ein Automatisierungsnetzwerk ist beispielsweise aus der
WO 2018/215209 A1 bekannt. Hierbei werden die Geräte hauptsächlich in einer Linientopologie angeschlossen und durch eine entsprechende Kommunikation durch Datentelegramme ermöglicht.
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Aus der
WO 2017/093014 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur industriellen Kommunikation über TSN bekannt. Hierbei werden grundlegende Kommunikationen und Protokolle in einem TSN-fähigen Netzwerk offenbart.
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Die
EP 1 193 926 A2 offenbart dazu ein Automatisierungsnetzwerk mit einer Datenkommunikation, welche Zeitschlitze nutzt. Ein Verändern der Datenpakete innerhalb der Zeitschlitze wird ebenfalls offenbart.
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Die
US 2011/0182300 A1 offenbart weiterhin ein Netzwerk, wobei Zeitschlitze genutzt werden. Die einzelnen Datenpakete können dabei in andere Zeitschlitze transferiert werden. Dieses Verfahren birgt jedoch das Risiko, dass der beim Verschieben benötigte Zeitbereich schon durch einen anderen Datenstrom belegt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Automatisierungsnetzwerk in ein bestehendes Netzwerk zu integrieren, insbesondere in ein TSN Netzwerk. Weiterhin soll die Datenübertragung hinsichtlich der Kommunikation zwischen Netzwerkteilnehmern zeitoptimiert werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Es wird somit ein Verfahren vorgeschlagen zum Betreiben eines Netzwerks mit mehreren Teilnehmern und mindestens einem Switch. Der Switch dient dabei als Knotenpunkt im Netzwerk und kann Daten in alle Richtungen des Knotenpunktes versenden oder empfangen. Weiterhin beinhaltet der Switch eine programmierbare Logik, welche die Beziehungen zu den anderen Teilnehmern im Netzwerk speichern und verwenden kann.
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Ebenso beinhaltet das Netzwerk mindestens zwei Endgeräte und einen Controller. Der Controller wird auch in einem Automatisierungsnetzwerk als Master bezeichnet.
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Erfindungsgemäß kann der Controller über ein Applikationsprotokoll Daten an ein bestimmtes Endgerät senden, um dieses zu steuern. Das Applikationsprotokoll wird dabei über die Applikationsschicht des OSI-Netzwerkmodells realisiert. Das bedeutet, dass die Kommunikation über das Applikationsprotokoll in der OSI Schicht 7 realisiert wird.
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Die so gesendeten Daten werden, gemäß der Spezifikation für Internetnetzwerke, in Datenpakete unterteilt und über die Sicherungsschicht des Netzwerks versendet. Das bedeutet, dass die einzelnen Datenpakete innerhalb der Sicherungsschicht oder der Vermittlungsschicht, also Schicht 2 oder 3 des OSI Modells, übertragen werden. Die Datenpakete werden somit in der Schicht 2 als Rahmen (Frame) oder in der Schicht 3 als Pakete übertragen.
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Vorteilig werden die Daten als TSN-Datenstrom gesendet. Das bedeutet, dass der Datenstrom der gesendeten und/oder empfangenen Daten mit zeitsensitiven Merkmalen nach IEEE 802.1 versehen ist.
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Erfindungsgemäß werden nun Zeitschlitze für das Versenden und/oder dem Empfangen der Daten vorgesehen. Diese Zeitschlitze werden bei der Initiierung einer Kommunikation zunächst auf eine maximale und/oder minimale oder auch jede andere denkbare Paketgröße bzw. Paketanzahl angepasst. Zu Beginn einer Kommunikation steht noch nicht die Datenmenge, welche versendet wird fest, so dass zunächst die Zeitschlitze auf die maximale Paketgröße bzw. Paketanzahl festgelegt werden.
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Die Zeitschlitze beinhalten jeweils einen Zeitbeginn und ein Zeitende. Somit weisen alle Zeitschlitze eine Laufzeit auf, mittels welcher die Übertragungszeit der Daten berechnet werden kann, nämlich indem die Laufzeiten der Zeitschlitze addiert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Übertragungszeit der Daten rein durch die Übertragungsgeschwindigkeit und Datenmenge berechnet werden und wird nicht von den Zeitschlitzen beeinflusst.
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Die Initiierung der Kommunikation kann über einen dazu befähigten Teilnehmer im Netzwerk geschehen. Bei der Verwendung eines SERCOS III Netzwerks wir dieser Teilnehmer üblicherweise ein Controller oder Master sein.
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Während der Kommunikation kann die Paketgröße der Datenpakete optimiert werden. Das bedeutet, dass die anfängliche Paketgröße während der Kommunikation im Rahmen der minimalen und maximalen Paketgröße und Paketanzahl verringert oder vergrößert wird. Dadurch ändert sich die Belegung des zur Verfügung stehenden Zeitschlitzes durch das Datenpaket. Dadurch dauert die gesamte Übertragung entweder länger (bei größerer Datenmenge) oder verkürzt sich die Übertragung (durch eine reduzierte Datenmenge).
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Die überdimensionierten Zeitschlitze bewirken, dass die Kommunikation nicht künstlich verlangsamt wird, indem zum Beispiel eine reduzierte Paketgröße auch schon mit eingeplant ist. Nachdem die Kommunikation final aufgebaut wurde und die Applikation die finale Datenmenge ausgehandelt hat kann die Reservierung der Zeitschlitze optimiert werden. Bisher ist nur bekannt, dass die Zeitschlitzenden an den Kommunikationsbedarf angepasst werden, da bisher die initiale Reservierung den Zeitschlitzanfang auf die maximale Paketgröße gesetzt hat. Dadurch entstehen Zwischenräume in denen die Pakete auf den Switchen pausieren müssen, bis der nächste Zeitschlitz beginnt.
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Solche Zwischenräume zu optimieren würde bedeuten, dass alle Zeitschlitze nach vorne bewegt würden. Das bedeutet, dass die Kommunikationsdauer sich im laufenden Betrieb ändert, was als Jitter bekannt ist. Insbesondere bei Streaminganwendungen sind solche Jitter zu vermeiden, da sie zum einen eine effektive Datenübertragung verhindern und zum anderen Lücken bzw. Aussetzer beim Empfänger verursachen. Im Falle eines SERCOS III Netzwerks wird dieses in einen Fehlerzustand übergehen, sobald Jitter auftritt.
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Um Jitter zu vermeiden, müssen die verkleinerten Zeitschlitze verschoben werden. Um den vorgenannten Fehlerzustand zu vermeiden, muss eigentlich das Verkleinern und verschieben der Zeitschlitze gleichzeitig geschehen, was praktisch bisher nicht möglich war.
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Dadurch, dass jedoch die Zeitschlitze zunächst für die minimale und/oder maximale Paketgröße ausgelegt sind, ist es möglich, nicht nur die Zeitenden zu verschieben, sondern auch die Zeitbeginne. Denn durch die Überdimensionierung der Zeitschlitze zu Beginn der Kommunikation können die Zeitschlitze sich nun zeitlich überlappen und der Zeitbeginn der Zeitschlitze liegt vor dem Zeitbeginn der tatsächlich gesendeten Datenpakete.
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Für das Überlappen der Zeitschlitze können diese bevorzugt an die minimale zu erwartende Paketgröße angepasst werden. Dies geschieht, indem die Zeitbeginne der einzelnen Zeitschlitze derart gewählt werden, dass der nachfolgende Zeitschlitz einen Zeitbeginn aufweist, welcher der minimal zu erwartenden Paketgröße entspricht.
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Dadurch, dass die Zeitschlitze sich zeitlich überlappen, kann beim Verkleinern der Datenpakete eine Lücke zwischen den einzelnen Datenpaketen vermieden werden. Die Zeitschlitze können dann über den Zeitbeginn und das Zeitende an die Paketgröße der Datenpakete angepasst werden.
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Dadurch, dass keine Lücke beim Verkleinern der Datenpakete geschieht, wird der Jitter-Effekt vermieden und ein Datenstrom zusammenhängend gehalten. Die Anpassung der Zeitschlitze ist daher im beanspruchten Verfahren nicht zeitkritisch. Dementsprechend kann die Paketgrößenänderung entkoppelt von der Anpassung der Zeitschlitze geschehen, ohne dass ein Jitter-Effekt oder ein Fehlerzustand auftritt.
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Die Steuerung der Datenpakete und deren Größe wird dabei über ein Protokoll in der Schicht 2 oder 3 des OSI-Modells durchgeführt, so dass das Applikationsprotokoll die Optimierung der Datenübertragung nicht erkennt.
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Die Switches sollten an den Knotenpunkten der Netzwerke angeordnet sein, vorzugsweise zwischen Controller und Endgeräten. Dadurch können ab diesen Knotenpunkten verschiedene Topologien in einem Netzwerk zusammengeschaltet werden.
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Die Endgeräte der Automatisierungsnetzwerke können hintereinandergeschaltet sein, je nach Topologie in einem Ring oder in einer Linie. Dies entspricht auch der normalen Funktion eines Automatisierungsnetzwerks. Im Prinzip können somit durch die Switche mehrere Automatisierungsnetzwerke gemeinsam in einem Netzwerk zusammengeschaltet werden, wobei auch Teilnehmer, die nicht zum Automatisierungsnetzwerk gehören, an dem gleichen Netzwerk teilnehmen können.
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Bevorzugt wird vorgeschlagen, dass Controller und Endgeräte Teilnehmer eines Automatisierungsbusses sind. Dieser Bus wird dann als Automatisierungsnetzwerk mit Ethernet-Spezifikation betrieben. Die Anzahl der Controller und Endgeräte im Netzwerk ist nicht begrenzt.
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Als besondere Ausführungsform ist es möglich, die Switches durch Router zu ersetzen, da auch Router die Funktionen eines Switches beinhalten. Ebenfalls können weitere Teilnehmer, wie PCs, Server und/oder Hubs vorhanden sein.
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Bevorzugt wird vorgeschlagen, den Controller und/oder den Switch (bzw. den Router) durch ein Netzwerkmanagement, welche bevorzugt als Software ausgeführt ist, zu konfigurieren, um den gewünschten Verlauf der Daten von einem Netzwerkteilnehmer zum Endgerät durchführen zu können.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung. Es zeigt
- 1: Blockschaltbild über das bisherige Problem einer Paketgrößenänderung
- 2: Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 3: Operationsphasen am Beispiel eines SERCOS III Netzwerks
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Kommunikation in einem Netzwerk. Die zu übertragenden Daten werden dabei in Datenpakete unterteilt und in der gerade zur Verfügung stehenden Bandbreite des Netzwerks versendet bzw. empfangen.
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Die Datenpakete werden in Figur als schräg schraffierte Flächen dargestellt. Beispielhaft wird dargestellt, dass die Kommunikation drei Datenpakete beinhaltet, welche über unterschiedliche Zyklen des Netzwerks versendet bzw. empfangen werden. Der Begriff Zyklus wird dabei gemäß IEEE 802.1Q verstanden („Time-Aware Shaping“). Die Zyklen werden hier als gepunktete Flächen dargestellt und sind über drei Switches 10, 11, 12 ansprechbar.
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Für die Datenpakete sind Zeitschlitze vorgesehen, welche durch senkrechte Schraffierung dargestellt werden. Zu Beginn der Kommunikation werden diese Zeitschlitze auf die maximale Paketgröße festgelegt. Damit sind die Zeitbeginne der Zeitschlitze mit den Beginnen der Datenpakete übereinstimmend. Die Zeitenden der Zeitschlitze sind dabei aufgrund der maximalen Größenannahme ggf. größer als die Zeitenden der Datenpakete. Die maximale Paketgröße bestimmt sich dadurch aufgrund der Datenmenge und der zur Verfügung stehenden Bandbreite. Dies ist in der IEEE 802.1Qbv normiert.
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Um die Kommunikationszeiten zu optimieren, wird die jeweilige Paketgröße der Datenpakete auf ein zeitliches Optimum geändert. Dadurch verkürzen sich die Datenpakete, was unter Schritt 1 dargestellt ist.
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Durch das Verkürzen der Datenpakete und den bislang gleichlang gebliebenen Zeitschlitzen ergeben sich zeitliche Lücken zwischen den einzelnen Datenpaketen. Die einzelnen Zeitschlitze sind angrenzend ausgeführt, was bedeutet, dass das Zeitende eines Zeitschlitzes zeitgleich den Beginn eines anderen Zeitschlitzes darstellt. Somit ergibt dies eine durchgehende Kommunikation. Im Falle der verkleinerten Datenpakete wird jedoch die zur Verfügung stehende Bandbreite nicht effektiv ausgenutzt.
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Um die Bandbreite effektiv zu nutzen, können die Zeitschlitze verkürzt werden, indem die Zeitenden der Zeitschlitze an die Zeitenden der Datenpakete angepasst werden. Dies ist in Schritt 2 dargestellt. Dadurch kommt es in der Kommunikation jedoch zu Lücken in dem Datenstream, was als Jitter-Effekt bekannt ist und zu Fehlern im Netzwerk sorgt. Im Falle von einem SERCOS III Netzwerk wird hierdurch ein Fehlerzustand hervorgerufen.
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Deshalb müssen die Zeitschlitze versetzt bzw. verschoben werden, so dass wieder ein zusammenhängender Datenstrom entsteht. Dies ist in Schritt 3 dargestellt. Um den Fehlerzustand zu vermeiden, müssten Schritt 2 und 3 zusammen (zeitgleich) ausgeführt werden, was Schritt 4 entspricht, jedoch praktisch nicht umsetzbar ist, da die Verschiebung eines Zeitschlitzes ebenfalls fehlerbehaftet ist. Durch eine Verschiebung könnte ein Zeitschlitz in einen bereits reservierten Zeitbereich geraten.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Lösungsansatz für das vorgenannte Problem. Hierbei werden zu Kommunikationsbeginn ebenfalls Zeitschlitze erzeugt, welche an die maximal möglichen Paketgrößen angepasst sind. Erfindungsgemäß sind die Zeitschlitze jedoch derart gestaltet, dass sie sich überlappen. Ein durchgehender Datenstrom wird durch die unterschiedlichen Zeitbeginne der Datenpakete innerhalb der Zeitschlitze gewährleistet. Somit sind die Zeitbeginne der Zeitschlitze nicht mehr identisch mit den Zeitbeginnen der Datenpakete.
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Werden nun die Datenpakete verkleinert, kann durch die Überlappung der Zeitschlitze immer noch ein durchgehender Datenstrom gewährleistet werden, ohne dass ein Fehlerzustand auftreten würde. Dies ist in Schritt 5 dargestellt.
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Die Kommunikation würde nun immer noch fehlerfrei funktionieren, wäre aber aufgrund der Länge der Zeitschlitze nicht effektiv.
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Entsprechend wird vorgeschlagen, die Zeitschlitze an die verkleinerten Datenpakete anzupassen, derart, dass nicht nur die Zeitenden der Zeitschlitze an die Datenpakete angepasst werden, sondern auch die Zeitbeginne. Dies ist in Schritt 6 dargestellt.
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Durch dieses Verfahren wird eine Optimierung der Größe der Datenpakete ermöglicht, ohne die Zeitschlitze verschieben zu müssen. Auch ist die Anpassung der Zeitschlitze an die Datenpakete entkoppelt von der Verkleinerung der Datenpakete, so dass eine mögliche Fehlerquelle eliminiert wird.
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In 3 wird das Verfahren anhand von SERCOS III Operationsphasen erläutert. Zunächst wird die Kommunikation mittels SERCOS III initialisiert (NRT) und anschließend in Richtung M die Topologie des Netzwerks gemäß dem Applikationsprotokoll festgelegt (CP0).
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Anschließend wird in Richtung S die Konfiguration geladen und ausgeführt (CP1). Im nächsten Schritt in Richtung S wird die Datenpaketgröße festgelegt und während der Kommunikation optimiert (CP2). Die Endgeräte, welche als Kommunikationsempfänger fungieren, sind ab dieser Stelle Jitter-empfindlich.
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CP3 umfasst die eigentliche Kommunikation mit optimierten Paketgrößen. CP4 beendet die Kommunikation und ermöglicht die nächste Kommunikation, welche nach dem gleichen Prinzip arbeitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird demnach innerhalb der markierten Fläche ausgeführt. Entsprechend wird die initiale Paketgröße und Zeitschlitzgröße ab CP2 festgelegt und zwischen CP2 und CP3 optimiert (siehe Schritte 5 und 6 aus 2).
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Die vorliegende Anmeldung ist nicht auf die bisherigen Merkmale beschränkt. Vielmehr sind weitere Ausführungen denkbar. So könnte statt mindestens einem Switch auch ein Router oder ein Server eingesetzt werden. Ebenfalls könnten weitere Teilnehmer, wie PCs oder Hubs genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/215209 A1 [0009]
- WO 2017/093014 A1 [0010]
- EP 1193926 A2 [0011]
- US 2011/0182300 A1 [0012]
