DE102022101405A1

DE102022101405A1 - Verfahren zum Betrieb eines Knotens in einem Funknetzwerk

Info

Publication number: DE102022101405A1
Application number: DE102022101405.3A
Authority: DE
Inventors: Hristo Petkov; Thomas Kauppert
Original assignee: Diehl Metering Systems GmbH
Current assignee: Diehl Metering Systems GmbH
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Knotens (1), vorzugsweise Endknotens, in einem mindestens einen Knoten (1) sowie mindestens eine Basisstation (10) umfassenden Funknetzwerk (100),
wobei der Knoten (1) einen Transmitter und/oder Receiver, vorzugsweise einen Transceiver (5), zum Senden im Uplink und/oder zum Empfangen im Downlink von Funk-Telegrammen in Form von Datenpaketen (DP), eine Batterie (6) sowie einen Energiepuffer (7) umfasst,
wobei im Uplink und/oder Downlink jedes Datenpaket (DP) in eine Mehrzahl von einzelnen Sub-Datenpaketen, wobei es sich vorzugsweise um Sub-Datenpakete unterschiedlicher Frames des Datenpakets (DP), insbesondere um Sub-Datenpakete (C1 bis C1+m bzw. E1 bis E1+n) eines Core Frames (CF) und/oder Extension Frames (EF) des Datenpakets (DP), handelt, aufgeteilt wird und jedes Sub-Datenpaket als Funkburst (FB), vorzugsweise im Schmalband oder Ultraschmalband, vorzugsweise über unterschiedliche Frequenzen, in einem zeitlichen Übertragungsabstand (T_RB(s)) nacheinander versendet und/oder empfangen wird, wobei weiterhin vorgesehen ist, dass
mindestens zwei vorzugsweise eine Mehrzahl von Pausen (ΔT_add) vorgesehen sind, wobei die jeweilige Pause (ΔT_add) zwischen zwei benachbarten Funkbursts (FB) vorgesehen und jeweils länger ist als 7168 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s und/oder
Funkbursts (FB) in Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) zusammengefasst sind, wobei die Funkbursts (FB) innerhalb der Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) jeweils in dem zeitlichen Übertragungsabstand (T_RB(s)) nacheinander versendet und/oder empfangen werden, und wobei die Anzahl der Funkbursts (FB) in dem jeweiligen Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) geringer ist als die gemäß der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) jeweils vorgegebene Anzahl der Funkbursts (FB) und/oder
der zeitliche Übertragungsabstand (T_RB(s)) größer ist als 655 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Knotens in einem Funknetzwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Knoten eines Funknetzwerks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines energieautark betriebenen Knotens in einem Funknetzwerk, vorzugsweise einem Funknetzwerk der Art, wie es in der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) beschrieben ist. Hierbei handelt es sich um ein Funknetzwerk, welches lizenzfreie Frequenzbänder nutzt. In derartigen Netzwerken sind zum einen eine Vielzahl von Knoten, insbesondere Endknoten vorgesehen, die per Funk mit Basisstationen entweder nur im Uplink oder im Uplink und Downlink kommunizieren. Bei einem Knoten kann es sich um eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Daten jeglicher Art, um eine Aktoreinrichtung zur Vornahme bestimmter Handlungen oder Maßnahmen oder um eine Kombination einer Sensoreinrichtung und einer Aktoreinrichtung handeln. Derartige Knoten werden mit einer eigenen, d.h. autarken, Energieversorgung in Form einer nicht aufladbaren festverdrahteten Longlife-Batterie betrieben, die eine begrenzte, vom individuellen Energieverbrauch des Knotens abhängige Lebensdauer hat und nicht wieder aufladbar ist, sondern zum Ende der Lebensdauer ausgetauscht werden muss. Im Normalfall kann mit einer derartigen Batterie eine Standzeit „im Feld“ von mindestens zehn Jahren erreicht werden, bis ein Austausch notwendig wird.
Um die Energie aus der Batterie zu puffern, wird im Knoten ein Energiepuffer verwendet, von dem der Energieverbraucher (z. B. der Empfänger oder Transceiver des Knotens) die erforderliche Energie bezieht. Bei einer bidirektionalen Kommunikation wird z. B. zunächst nach einem Telegramm des Knotens im Uplink ein Telegramm von der Basisstation im Downlink an den Knoten übertragen. Das Telegramm oder auch Datenpaket wird hierbei „gesplittet“, d.h. in einzelne Sub-Datenpakete zerlegt, und diese einzelnen Sub-Datenpakete werden dann kontinuierlich als „Funkbursts“ oder „Radiobursts“ mit einem zeitlichen Übertragungsabstand T_RB(s) im Downlink empfangen oder im Uplink versendet. Die Funkbursts haben im Downlink eine Länge von ca. 12 bis 22 ms und im Uplink eine Länge von ca. 15 ms. Der zeitliche Übertragungsabstand T_RB(s) der benachbarten Funkbursts liegt gemäß der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) im Downlink im Mittel bei ca. 230 ms, im Uplink im Mittel bei ca. 150 ms. Die Sub-Datenpakete können in einem einzigen Frequenzkanal oder alternativ einzeln über unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzkanäle versendet werden. Im Downlink wird gemäß der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) vorgeschlagen, Funkbursts in eine Mehrzahl von Funkbursts umfassende Blöcke eines Extension Frames zusammenzufassen und mit jeweils einer zwischen den Blöcken vorgesehenen Pause ΔT_dn zu empfangen. Ferner ist in dem Standard eine Pause ΔT_Tsi zwischen dem Core Frame und dem Extension Frame vorgegeben. Die Pausen ΔT_dn (Blockpause) sowie ΔT_Tsi (Framepause) können maximal bis zu 7168 Symbole bzw. 65532 Symbole lang sein. Dies entspricht 3,011 s für ΔT_dn sowie 27,53 s für ΔT_Tsi. ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Beibehaltung der Leistungsfähigkeit von Knoten deren Produktionskosten zu senken.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch den Knoten gemäß Anspruch 24 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens zwei vorzugsweise eine Mehrzahl von Pausen vorgesehen sind, wobei die jeweilige Pause zwischen zwei benachbarten Funkbursts vorgesehen und jeweils länger ist als 7168 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s. Bei der Pause handelt es sich um ein Zeitfenster, innerhalb dem der Übertragungsprozess der Funkbursts unterbrochen bzw. gestoppt wird. Es handelt sich also bei der Pause nicht um eine Pause zwischen zwei Frames (insbesondere Core Frame und Extension Frame), die als ΔT_si in der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) definiert ist und ebenso nicht um den Übertragungsabstand zweier benachbarter Funkbursts, der als Radio-burst Time T_RB(s) in der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) definiert ist.
Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Funkbursts in Funkburst-Cluster zusammengefasst sind, wobei die Funkbursts innerhalb der Funkburst-Cluster jeweils in dem zeitlichen Übertragungsabstand nacheinander versendet und/oder empfangen werden, und wobei mindestens ein Funkburst-Cluster im Uplink weniger als 24 Funkbursts umfasst und/oder mindestens zwei Funkburst-Cluster im Downlink weniger als 18 Funkbursts umfassen.
Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zeitliche Übertragungsabstand (T_RB(s)) größer ist als 655 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s.
Wird ein Funkburst empfangen oder versendet, wird aus dem Energiepuffer jeweils Energie abgezogen, wodurch die Spannung des Energiespeichers kurzzeitig abfällt, bis der Energiespeicher aus der Batterie wieder aufgeladen ist. Durch die obigen Maßnahmen einzeln oder in Kombination kann der Energiepuffer jeweils hinsichtlich seines Entladeverhaltens effektiv geschont werden, mit der Folge, dass besonders günstige Energiepuffer eingesetzt werden können. Hierdurch können die Produktionskosten wirksam reduziert werden, ohne die Leistungsfähigkeit einzuschränken.
Die jeweilige Pause kann insbesondere zwischen zwei benachbarten Funkbursts eines Frames, vorzugsweise des Core Frames und/oder Extension Frames, vorgesehen sein.
Insbesondere können die Funkburst-Cluster auch dadurch gebildet werden, dass Blöcke von einzelnen Funkbursts in mindestens zwei, durch die Pause getrennte Funkburst-Cluster aufgeteilt werden. Zwischen den Blöcken kann eine Blockpause beibehalten werden.
Vorzugsweise ist die Pause zwischen zwei benachbarten Funkbursts eines Frames vorgesehen, die unterschiedlichen Funkburst-Cluster angehören.
Die durch die jeweilige Pause getrennten Funkburst-Cluster können jeweils eine identische Anzahl von Funkbursts umfassen.
Vorzugsweise kann zur Entlastung des Energiepuffers zur Erzeugung der Anzahl der Funkbursts in dem jeweiligen Funkburst-Cluster die gemäß der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) jeweils vorgegebene Anzahl der Funkbursts pro Block ganzzahlig geteilt werden.
Vorzugsweise im Uplink kann in einem ersten Teil des Datenpakets oder eines Frames des Datenpakets die Pause nicht vorgesehen sein und in einem zweiten Teil des Datenpakets oder eines Frames des Datenpakets die Pause jedoch vorgesehen sein, oder es kann die Pause im ersten Teil des Datenpakets mit einer kürzeren Länge als im zweiten Teil des Datenpakets oder eines Frames des Datenpakets vorgesehen sein.
Beispielsweise kann der Core Frame keine Pause enthalten, wohingegen der Extension Frame die Pause enthalten kann, oder es können der Core Frame und der Extension Frame jeweils die Pause enthalten, wobei die Pause des Core Frames jeweils kleiner bemessen sein kann als die Pause des Extension Frames.
Zweckmäßigerweise kann die Position oder Verteilung der jeweiligen Pause innerhalb des Datenpakets oder Frames und/oder die Länge der jeweiligen Pause und/oder die Anzahl der Funkbursts je Funkburst-Cluster und/oder die Anzahl der Symbole je Funkburst jeweils so festgelegt werden, dass die Kohärenzzeit eingehalten wird.
Dementsprechend können die Funkbursts von mindestens einem Funkburst Cluster innerhalb der Kohärenzzeit liegen, vorzugsweise im Uplink die Funkbursts von mindestens zwei Funkburst-Cluster innerhalb der Kohärenzzeit liegen und/oder in einem ersten Teil der Übertragung des Datenpakets weniger Funkburst-Cluster innerhalb der Kohärenzzeit liegen als in einem zweiten Teil der Übertragung.
In vorteilhafter Weise kann bei der Bemessung der Länge der Pause die Genauigkeit des Quarzes des Knotens und/oder des Quarzes der Basisstation mit einbezogen werden.
Ferner können die Funkbursts von mindestens einem Funkburst-Cluster innerhalb der Kohärenzzeit liegen, vorzugsweise im Uplink die Funkbursts von mindestens zwei Funkburst-Cluster innerhalb der Kohärenzzeit liegen und/oder in einem ersten bzw. früheren Teil der Übertragung des Datenpakets weniger Funkburst-Cluster innerhalb der Kohärenzzeit liegen als in einem zweiten bzw. späteren Teil der Übertragung.
Vorzugsweise erfolgt beim Empfang der Funkbursts mindestens eine Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung vorzugsweise eine Mehrzahl nacheinander stattfindender Frequenz- und/oder Zeitnachjustierungen. Insbesondere können hierdurch zur Entlastung des Energiepuffers folgende Anpassungsmaßnahmen getroffen werden:

vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung ist die Anzahl der Symbole pro Funkburst (FB) geringer als nachher, beispielsweise 24 Symbole statt 36 Symbole,und/oder
vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung ist die Länge der jeweiligen Pause (ΔT_add) kürzer als nachher, und/oder
vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung ist der durchschnittliche Energieverbrauch pro Zeiteinheit höher als nachher,
vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung ist der durchschnittlich vom Energiepuffer (7) gezogene Strom höher als nachher,
vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung ist die Länge des zeitlichen Übertragungsabstands (T_RB(s)) kürzer als nachher, und/oder
vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung ist die Anzahl der Funkbursts (FB) je Funkburst-Clusters (CL1, CL+x) geringer als nachher.

Eine Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung kann somit zu einer Verlängerung der Pause (ΔT_add) und/oder der Blockpause (ΔT_dn) und/oder des zeitlichen Übertragungsabstands (T_RB(s)) führen. Dementsprechend kann die Bemessung der Länge der Pause des Core Frames unter Berücksichtigung der Genauigkeit des Quarzes des Knotens und/oder die Bemessung der Länge der Pause des Extension Frames unter Berücksichtigung der Genauigkeit des Quarzes der Basisstation erfolgen. Beispielsweise kann im Uplink und/oder Downlink zunächst unter Berücksichtigung der Kohärenzzeit eine Aufteilung der Funkbursts bzw. darin befindlicher Pausen des Core Frames unter Zugrundelegung der vom für die Zeitmessung im Knoten verwendeten Quarzes abhängigen Kohärenzzeit erfolgen. Für die Funkbursts oder Funkbursts enthaltende Blöcke des Extension Frames kann eine Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung, also eine Nachsynchronisierung, erfolgen und die Pausen bzw. zusätzlichen Pausen zwischen den Clustern des Extension Frames können dann unter Berücksichtigung der Kohärenzzeit vergrößert werden. Aufgrund dessen kann der Core Frame unverändert oder zumindest mit kürzeren Pausen gesendet werden, wohingegen aufgrund der vergrößerten Kohärenzzeit im Extension Frame größere Pausen im Extension Frame vorgesehen sein können.
Als besonders vorteilhaft für den Energiepuffer hat sich erwiesen, wenn im Downlink Funkburst-Clusters mit je neun Funkbursts gebildet werden, und/oder im Uplink Funkburst-Clusters mit je sechs Funkbursts gebildet werden.
Vorzugsweise liegen im Downlink mindestens neun Funkburst-Clusters und im Uplink mindestens zwölf Funkburst-Clusters innerhalb der Kohärenzzeit.
Gemäß einer weiteren, auch nebengeordnet beanspruchten, Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeweils zur Entlastung des Energiepuffers bzw. zur Vermeidung des Unterschreitens einer Mindestbetriebsspannung
die Länge der Funkbursts durch Erhöhung der Datenrate im Vergleich zu einer Datenrate von 2 380,371 Sym/s reduziert wird, und/oder
vorzugsweise für den Downlink die Länge der Funkbursts, vorzugsweise derjenigen des Extension Frames, begrenzt wird auf einen Wert, der kleiner ist als die mögliche Maximallänge der Funkbursts des Funknetzwerks, und/oder
die Datenpakete in ihrer Größe begrenzt werden, und/oder
lediglich Funkbursts mit einer vorgegebenen Maximallänge gesendet und/oder nach Empfang für eine Weiterverarbeitung zugelassen werden, und/oder
die Sendeleistung reduziert wird auf einen Wert von weniger als 10dBm, und/oder
nur eine Teilmenge von Funkbursts aus der Gesamtanzahl der Funkbursts des Datenpakets gesendet und/oder nach Empfang für eine Weiterverarbeitung zugelassen wird.
Die Begrenzung der Länge des jeweiligen Funkbursts bedeutet, dass nur Funkbursts gesendet werden, die der vorgegebenen Begrenzung entsprechen. Die Begrenzung der Länge des jeweiligen Funkbursts kann hierbei insbesondere derart erfolgen, dass eine maximale „On Air-Zeit“ vorgegeben wird. Abhängig von den Payload Längen ergeben sich unterschiedliche Funkburst Längen. Die Beziehung ist nicht linear, sondern folgt eine Sägezahn Funktion. Größere Payload Längen können auch zu kleineren Funkburst Längen führen. Hier werden beispielsweise dann zusätzliche Dummy Bytes zugefügt, damit man eine größere Payload Länge bekommt, die allerdings kleinere Funkburst Längen hat.
Eine andere Möglichkeit einen kleinen Energiepuffer zu benutzen, besteht darin, den Payload zu begrenzen d. h. an sich kleinere Datenpakete zu senden. Beispielsweise kann man für sehr kleine Energiepuffer zum Beispiel anstatt ein Paket mit 100 Byte 2 Pakete mit jeweils 50 Byte übertragen. Man reduziert damit die Anzahl der Funkbursts pro Paket. Das zweite Paket wird erst später übertragen, z.B. eine halbe Stunde später.
Falls lediglich Funkbursts mit einer vorgegebenen Maximallänge gesendet und/oder nach Empfang für eine Weiterverarbeitung zugelassen werden, wird erreicht, dass die Betriebsspannung dauerhaft über der Schwelle bleibt. Dies wiegt eine etwas geringere Störungsresistenz oder einen gewissen Verlust an Empfindlichkeit auf.
Zur Entlastung des Energiepuffers können Funkbursts des Core Frames in kürzeren Zeitabständen gesendet werden als diejenigen des Extension Frames.
Ferner kann, vorzugsweise im Uplink, die Anzahl der Symbole pro Funkburst des Core Frames auf eine geringe Anzahl als die maximal mögliche Anzahl begrenzt werden, und zwar vorzugsweise auf weniger als 36 Symbole/Funkburst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann für den Energiepuffer eine Betriebsspannungsschwelle (z.B. 2,8-3,0 V) vorgegeben sein, die als Steuerungsgröße für die Anwahl des Verfahrensmodus zur Entlastung des Energiepuffers gemäß vorliegenden Erfindung dient. Vorzugsweise ist der Verfahrensmodus aus einer Anzahl mehrerer möglicher Verfahrensmodi anwählbar.
Ferner kann der Verfahrensmodus vorab berechnet werden. Abhängig von der Betriebsspannungsschwelle kann dann an der Basisstation eine Zulassungsfestlegung, unter welchem Verfahrensmodus der Betrieb stattfinden soll, getroffen werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung können mindestens zwei unterschiedliche Modi des Sendens und/oder Empfangen von Funkbursts zur Auswahl vorgesehen, die sich auf die Entladung des Energiepuffers unterschiedlich auswirken. Vorzugsweise signalisiert der Knoten, welcher Modus von den mindestens zwei Modi aufgrund seines Energiepuffers für ihn geeignet oder nicht geeignet ist. An der Basisstation oder im Headend kann dann z.B. eine Zulassungsfestlegung getroffen werden, ob ein Verfahrensmodus gemäß den vorhergehenden Ansprüchen zugelassen wird oder nicht.
Entsprechend kann eine Mehrzahl von Knoten mit unterschiedlichen Energiepuffern in dem Funknetzwerk vorgesehen sein.
Vorzugsweise wird als Energiepuffer ein Elektrolytkondensator verwendet. Ein derartiger Energiepuffer ist um einen Faktor 5-10 günstiger als ein HLC (Hybrid Layer Capacitor).
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Knoten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 23, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Mikroprozessor und/oder der Transceiver des Knotens entsprechend dem Verfahren nach den vorherigen Ansprüchen betrieben wird bzw. werden.
Figurenliste
Beispiele von zweckmäßigen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise eines Funknetzwerks, vorzugsweise SRD-Funknetzwerks, zur Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Beispiels der von einem Knoten des Funknetzwerks umfassten Funktionselemente;
3 ein Beispiel einer Beschaltung des Energiepuffers des Knotens gemäß 2;
4 je ein beispielhaftes Diagramm des gezogenen Stroms sowie des Betriebsspannungsverlaufs des Energiepuffers des Knotens über der Zeit beim Aussenden eines Datenpakets im Uplink sowie Downlink;
5a eine beispielhafte Darstellung der Trennung von Funkburst-Blocks in einzelne Cluster und Auseinanderziehen der Cluster um die Pause ΔT_add im Uplink;
5b eine beispielhafte Darstellung der Bildung von Cluster mit dazwischenliegender Pause ΔT_add im Downlink;
6 je ein beispielhaftes Diagramm des gezogenen Stroms sowie des Betriebsspannungsverlaufs des Energiepuffers des Knotens über der Zeit beim Aussenden eines Datenpakets im Uplink sowie beim Downlink unter Bildung einzelner Funkburst-Cluster und Auseinanderziehen der Cluster jeweils um die Pause ΔT_add;
7 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Betriebsspannungsverlaufs des Diagramms für den Uplink in 6;
8 eine vereinfachte schematische Darstellung von Beispielen verschiedener Cluster Anordnungen gemäß der Erfindung;
9 eine Darstellung der Erhöhung der Datenrate als Maßnahme zur Entlastung des Energiepuffers;
10 eine Darstellung der „On Air-Zeit“ eines Funkbursts in Abhängigkeit des Payload bzw. der Länge des Funkbursts;
11 eine Aufteilung eines Funkbursts in zwei getrennte Funkbursts als Maßnahme zur Entlastung des Energiepuffers;
12 ein Beispiel der Zulassung von Funkbursts bestimmter Länge im Extension Frame als Maßnahme zur Entlastung des Energiepuffers; sowie
13 ein Beispiel des Auslassens von Funkbursts als Maßnahme zur Entlastung des Energiepuffers.

1 zeigt ein Funknetzwerk 100, vorzugsweise ein solches, wie es der Art nach in der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) festgelegt ist. Es umfasst eine Mehrzahl von einzelnen energieautark betriebenen Knoten 1a-1n sowie eine Basisstation 10 (gelegentlich auch Datensammler genannt). Bei den Knoten 1a-1n handelt es sich insbesondere um Sensoreinrichtungen, Aktoren oder Kombinationen davon für den Einsatz im sogenannten loT. Hierbei werden Daten von den einzelnen Knoten 1a-1n mittels Funkübertragung 9 an die Basisstation 10 übertragen (Uplink) und/oder Daten werden von der Basisstation 10 mittels der Funkübertragung 9 an die einzelnen Knoten 1 a-1 n übertragen (Downlink). Die einzelnen Knoten 1 a-1 n befinden sich zu der jeweiligen Basisstation 10 in Sende- bzw. Empfangsreichweite.
Bei den Knoten 1 kann es sich beispielsweise um Wasser-, Gas-, Strom- oder Energiezähler handeln.
Die von der Basisstation 10 empfangenen Daten der Knoten 1a-1n können anschließend über ein geeignetes Datenübertragungsmittel 11 an ein Headend 20 bzw. an eine Datenzentrale übertragen werden. Bei dem Datenübertragungsmittel 11 handelt es sich beispielsweise um eine Mobilfunkverbindung, um eine Internetverbindung oder eine Kombination davon. Die Übertragung der Daten erfolgt per Telegrammsplitting im Schmalband, vorzugsweise im Ultraschmalband, besonders vorzugsweise im Rahmen des sogenannten Telegramm-Splittings (TS-UMB-Familie). Der Uplink betrifft in der Regel vor allem die Übertragung von Nutzdaten, die in den einzelnen Knoten 1 a-1 n generiert werden und/oder Betriebsdaten der einzelnen Knoten. Bei den von dem Headend 20 für die Basisstation 10 über die Datenübertragungsmittel 11 zur Verfügung gestellten und per Funkübertragung 9 im Downlink weiter an die Knoten 1a-1n übertragenen Daten handelt es sich vor allem um Konfigurationsdaten, Daten für das Betriebssystem der einzelnen Knoten, Softwareupdates usw.
2 zeigt den beispielhaften Aufbau des Knotens 1a für eine Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Knoten 1a umfasst einen Mikroprozessor 2, einen Transceiver 3 sowie eine Antenne 4 zum Aussenden bzw. Empfangen von Funksignalen der Funkübertragung 9. Des Weiteren umfasst der Knoten 1a einen Speicher 5, eine Batterie 6 sowie einen Energiepuffer 7. Bei der Batterie 6 handelt es sich vorzugsweise um eine sogenannte Long Life-Batterie, also um eine nicht aufladbare Batterie, die über den gesamten Einsatzzyklus des Knotens 1a hinweg Letzteren mit Energie versorgt, bis sie ausgetauscht werden muss. Derartige Long Life-Batterien besitzen, unter der Annahme eines normalen Energieverbrauchs des Knotens 1a, eine Lebenszeit von über 10 Jahren. Die Energieversorgung des Mikroprozessors 2 bzw. Transceivers 3 bzw. Speichers 5 erfolgt über den der Batterie 6 vorgeschalteten Energiepuffer 7, der bei einem Energiebedarfsanfall entsprechend entladen und von der Batterie dann wieder aufgeladen wird. Die vorgenannten Komponenten des Knotens 1a wie z. B. der Mikroprozessors 2, der Transceivers 3, die Antenne 4 und/oder der Speicher 5 können auch in Bauteil-Komponenten zusammengefasst vorgesehen sein.
Bezugsziffer 2a bezeichnet einen Quarz, der sowohl als Zeitmesseinrichtung vorgesehen ist, also als Zeitreferenz dient, als auch für die Erzeugung des Trägersignals verwendet wird. Die Basisstation ist ebenfalls mit einem (in den Figuren nicht dargestellten) Quarz ausgestattet, der den Takt für das Trägersignal für die Trägerfrequenz des von der Basisstation 10 versendeten Funksignals erzeugt und für die dortige Zeitmessung zuständig ist. Die beiden Quarze unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Genauigkeit. Der Quarz der Basisstation 10 besitzt eine Genauigkeit von ca. 2ppm, wohingegen der Quarz 2a eine Genauigkeit von nur ca. 20 ppm besitzt.
Wie aus 3 ersichtlich, besitzt die Batterie 6 einen bestimmten Innenwiderstand 8. Der Mikroprozessor 2 sowie Transceiver 3 bilden die „Verbraucher“ der in dem Energiepuffer 7 gespeicherten Energie. Wird die in dem Energiepuffer 7 gespeicherte Energie von dem Mikroprozessor 2 bzw. Transceiver 3 verbraucht, zum Beispiel, weil ein Datenpaket (Telegramm) versendet oder empfangen wird, wird der Energiepuffer 7 für eine gewisse Zeit entladen, bis er von der Batterie 6 wieder aufgeladen wird. Es entsteht hierdurch somit in dem Energiepuffer 7 ein Spannungsabfall. Der Spannungsabfall ist abhängig von der vom Verbraucher benötigten Energie. Der Spannungsabfall und die Wiederaufladung des Energiepuffers 7 werden nachstehend anhand eines Beispiels wiedergegeben: $U_{t 2} = U_{t 1} - \frac{I t_{o n}}{C}$
Eine Anfangsspannung U_t1 = 3.6V, ein Strompuls von t_on = 10 ms, ein Strom von I = 20 mA und ein Kondensator von C = 860µF ergeben eine neue Spannung von U_t2 = 3.367 V. Nachdem der „Consumer“ den Strom fertig gezogen wird der Energiepuffer 7 langsam aus der Batterie 6 aufgeladen. $U_{t 3} = U_{b a t t e r i e} - (U_{b a t t e r i e} - U_{t 2}) e^{- \frac{t_{o f f}}{R C}}$
Eine Anfangsspannung U_t1 = 3.367V, eine Erholungspause von t_off = 150 ms, ein Innenwiderstand der Batterie von R = 1000 Ω und ein Kondensator von C = 860µF ergeben eine neue Spannung von U_t3 = 3.404 V.
Die Elektronik des Knotens 1a benötigt eine stabile Spannung des Energiepuffers 7, damit sie funktionieren kann. Unter stabiler Spannung wird eine Mindestspannung bzw. ein Spannungsschwellwert verstanden, die bzw. der während des Betriebs nicht unterschritten werden darf. Beispielsweise liegt die Mindestspannung bei einem herkömmlichen Knoten in einem Bereich von 2,7 bis 3,0 V.
4 zeigt zum besseren Verständnis in der oberen Darstellung links beispielhaft ein Stromprofil für die Übertragung eines Telegramms im Uplink im herkömmlichen Telegramm-Splitting-Verfahren und rechts ein Stromprofil im Downlink für den Empfang aller Sub-Datenpakete durch den Knoten ebenfalls im herkömmlichen Telegramm-Splitting-Verfahren. Telegramm-Splitting-Verfahren bedeutet, dass ein Datenpaket in einzelne Sub-Datenpakete aufgeteilt wird und die Sub-Datenpakete jeweils als Funkburst hintereinander versendet, vom Empfänger empfangen und wieder zu der Information des Datenpakets rekombiniert werden. Der zeitliche Abstand T_RB beim kontinuierlichen nacheinander erfolgenden Versenden der Sub-Datenpakete liegt im Schnitt bei ca. 150 ms im Uplink und bei ca. 220 ms im Downlink.
Die Sub-Datenpakete können gemäß der Erfindung über einen einzigen Frequenzkanal oder alternativ im sogenannten Frequenzhopping über mehrere unterschiedliche Frequenzkanale versendet werden.
Wie aus 4 ersichtlich wird der Energiepuffer 7 beim herkömmlichen Verfahren durch ein Versenden eines Datenpakets im Uplink stark entladen bis er über den Zeitraum einer Pause von 0,37 s aufgrund des Aufladens durch die Batterie 6 wieder über der Betriebsspannungsschwelle V_min bei ca. 2,9 V aufgeladen wird. Beim Empfang eines Datenpakets durch den Receiver des Knotens im Downlink wird der Energiepuffer 7 erneut stark entladen. Anschließend wird er erneut aufgeladen, was in der oberen Darstellung von 4 nicht gezeigt ist. Man erkennt, dass sich der Energiepuffer 7 beim Uplink sowie Downlink über einen erheblichen Zeitraum unterhalb der Betriebsspannungsschwelle V_min Linie befindet. Bisher werden üblicherweise sogenannte HLCs (Hybrid Layer Capacitor) verwendet, die eine zu starke Entladung verhindern. HLCs sind teuer.
5a sowie 5b zeigen jeweils einen Ausschnitt des sog. Telegramm-Splitting-Verfahrens, bei dem gemäß der ETSI TS103 357 V1.1.1 (2018-06) ein Datenpaket DP, welches für die Versendung im Uplink oder für den Empfang im Downlink durch den jeweiligen Knoten 1a bis 1n vorgesehen ist, in einzelne Sub-Datenpakete C1 bis C 1+m, E1 bis E1+n aufgeteilt, d.h. „gesplittet“, wird. Für die Übertragung des Datenpakets DP kann dieses zunächst in einen sogenannten Core Frame CF sowie einen Extension Frame EF aufgeteilt werden, wobei der Extension Frame EF üblicherweise zumindest im Wesentlichen Nutzdaten und der Core Frame CF zumindest im Wesentlichen Kontrollinformationen enthält. Zur Übertragung werden die Daten des Extension Frames EF in einzelne Sub-Datenpakete E1 bis E1+n aufgeteilt. Ebenso werden im Uplink die Daten des Core Frames CF auch in Sub-Datenpakete C1 bis C1+m aufgeteilt, wie dies in 5a sowie 5b jeweils dargestellt ist.
Im Downlink werden gemäß 5b nach der ETSI TS103 357 V1.1.1 (2018-06) die einzelnen Sub-Datenpakete E1 bis E1+n bzw. die diesbezüglichen Funkbursts FB in einer Mehrzahl von Blöcken B1, B2, ... zusammengefasst übertragen. Benachbarte Funkbursts haben generell einen zeitlichen Abstand T_RB, wie er in 5a sowie 5b jeweils beispielhaft für zwei Funkbursts FB des Extension Frame dargestellt ist. Die Pause zwischen dem Core Frame und Extension Frame ist als ΔT_si in der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) definiert. Ein Block B im Downlink besteht bei herkömmlich Funksystemen z. B. aus 18 Funkbursts bzw. Sub-Datenpaketen E1-E18. Zwischen den jeweiligen Blöcken ist herkömmlich eine Blockpause ΔT_dn vorgesehen, die bei dem Funkstandard ETSI TS103 357 V1.1.1 (2018-06) maximal 7.168 Symbole, bezogen auf eine Symbolrate von 2 380 371 Sym/s, betragen darf. Dies entspricht einem Zeitwert von 3,011 Sekunden.
Ein Block B im Uplink besteht herkömmlich z. B. aus 24 Funkbursts bzw. Sub-Datenpaketen E1-E24.
Um die Betriebsspannungsschwelle V_min des Energiepuffers 7 nicht zu unterschreiten, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zum einen vorgesehen, im Uplink und/oder Downlink eine Pause (ΔT_add) zwischen zwei benachbarten Funkbursts (FB) eines Frames vorzusehen, die länger ist als 7168 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s.
Zum anderen ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, den zeitlichen Übertragungsabstand (T_RB(s)) im Uplink und/oder Downlink so einzustellen, dass er größer ist als 655 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s.
Zum anderen ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, im Uplink die Funkbursts FB des Core Frame CF sowie Extension Frames EF in Cluster CL1 sowie CL2 aufzuteilen und zwischen den Clustern jeweils eine Pause ΔT_add vorzusehen, wie dies beispielhaft in den 5a dargestellt ist. Ferner können gemäß 5b auch im Downlink entsprechende Cluster CL mit jeweils einer Pause ΔT_add gebildet werden. Im Downlink können hierzu die Blöcke B1, B2, ... des Extension Frame geteilt und jeweils um die Pause ΔT_add auseinandergezogen werden. Hierbei können die Cluster CL unterschiedlicher Blöcke ebenfalls mit der Pause ΔT_add voneinander getrennt werden. Die Pause ΔT_add ist dann größer als die Blockpause ΔT_dn. Dies ist in 5b dargestellt. Alternativ könnte jedoch auch die Blockpause ΔT_dn beibehalten werden. Vorzugsweise kann zur Entlastung des Energiepuffers zur Erzeugung der Anzahl der Funkbursts in dem jeweiligen Funkburst-Cluster die gemäß der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) jeweils vorgegebene Anzahl der Funkbursts pro Block ganzzahlig geteilt werden. So können beispielsweise für den Uplink gemäß 5a die 24 Funkbursts FB eines Blocks B z. B. in vier Cluster CL1-CL4 mit jeweils sechs Funkbursts aufgeteilt und mittels der zusätzlichen Pause ΔT_add zueinander versetzt versendet werden.
Ebenso kann im Downlink gemäß 5b ein Block in jeweils zwei Cluster mit jeweils 9 Funkbursts aufgeteilt und mittels der zusätzlichen Pause ΔT_add zueinander beabstandet vom Knoten empfangen werden.
In 5b wird der Core Frames ohne Pause übertragen und nur die Blöcke des Extension Frame in Cluster aufgeteilt. Alternativ kann jedoch auch der Core Frame mittels zusätzlicher Pausen ΔT_add in Cluster aufgeteilt werden d. h. Cluster mit jeweils dazwischenliegenden Pausen ΔT_add versendet bzw. empfangen werden, um den Energiepuffer zu entlasten.
Die Länge der Pause ΔT_add kann im Uplink und/oder Downlink gleichbleibend sein oder aber unterschiedlich. Dementsprechend kann die Länge der Pause ΔT_add im Core Frame kürzer sein als im Extension Frame.
6 zeigt beispielhaft in der oberen Darstellung den jeweils aus dem Energiepuffer 7 gezogenen Strom im Uplink sowie im darauffolgenden Downlink. Jeder Strich in dieser Darstellung entspricht einem Cluster CL, der eine Mehrzahl von Funkbursts enthält. Die Zeit zwischen zwei Strichen entspricht der jeweiligen Pause ΔT_add. Im Beispiel von 6 beträgt die Pause ΔT_add 12s.
Die untere Darstellung in 6 zeigt die Veränderung der Betriebsspannung des Energiepuffers 7 während der betreffenden durch das Senden bzw. den Empfang am Knoten 1 bedingten Entladungen. Man erkennt, dass durch die Clusterbildung sowie die jeweilige Pause ΔT_add sowohl für den Uplink als auch für den Downlink die Betriebsspannung des Energiepuffers 7 nicht unter die Betriebsspannungsschwelle V_min fällt, die Betriebsspannung des Energiepuffers somit auf dem erforderlichen Niveau bleibt.
7 zeigt beispielhalber eine aus 6 herausgezoomte Darstellung der Entladekurven im Downlink mit jeweils sechs Clustern, die jeweils neun Funkbursts beinhalten.
Hinsichtlich der Bemessung der zusätzlichen Pause ΔT_add, also dem zeitlichen Abstand zwischen den jeweiligen Clustern CL, ist die sogenannte Kohärenzzeit zu beachten. Die Kohärenzzeit ist die Zeit, in der ein Funkburst FB einer Aussendung vom Empfänger noch benutzt werden kann, ohne dass Frequenz oder Zeit nachjustiert werden müssen. Die Kohärenzzeit wird unter Festlegung eines maximalen Zeitfehlers in Form eines Bruchteils der Symboldauer (z. B. 0,25) festgelegt. Die Kohärenzzeit hängt von der Frequenzgenauigkeit des Frequenzquarzes ab und kann beispielhaft wie folgt dargestellt werden: $t_{b l o c k_d o w n l i n k_{m a x}} = \frac{105.0256 μ s}{5 ppm} = 21.00 s$
$t_{b l o c k_u p l i n k_{m a x}} = \frac{105.056 μ s}{20 ppm} = 5.25 s$
Die 5 ppm entsprechen der Frequenzgenauigkeit der Trägerfrequenz des von der Basisstation kommenden Downlink-Signals wegen des dort üblicherweise qualitativ höherwertigen Quarzes. Die 20 ppm entsprechen der Frequenzgenauigkeit des vom Knoten gesendeten Uplink-Signals. Bei dem Wert 105.0256 µs handelt es sich um einen ¼ Bruchteils der Symboldauer. Die Abtastpunkte im Empfänger, verursacht durch Sender und Empfänger, weichen damit weniger als die Symboldauer geteilt durch 4 ab. Damit kann das Symbol im Empfänger gut rekonstruiert werden. Es gibt keine Signal Rausch Verhältnis(SNR) Verluste aufgrund des abweichenden Abtastpunktes.
Eine Möglichkeit gemäß der Erfindung besteht darin, die zusätzliche Pause ΔT_add gemäß 8 oben so zu wählen, dass die Kohärenzzeit eingehalten wird. Ein Nachjustieren der Frequenz oder Zeit ist dann im Empfänger nicht notwendig.
Alternativ kann die Pause ΔT_add gemäß 8 Mitte auch so gewählt werden, dass sie außerhalb der Kohärenzzeit liegt. Frequenz und/oder Zeit müssen dann nachjustiert werden.
Alternativ gibt es auch die Möglichkeit einer Mischung, wie in 8 unten dargestellt. Dies bedeutet, dass eine Pause ΔT_add zwischen zwei Clustern CL innerhalb der Kohärenzzeit und eine zweite Pause zwischen zwei Clustern CL außerhalb der Kohärenzzeit liegt. Diese Möglichkeit ist insbesondere für den Uplink interessant.
Im Uplink liegt die Kohärenzzeit aufgrund der höheren Ungenauigkeit des dort verwendeten Quarzes 2a bei: $t_{b l o c k_u p l i n k_{m a x}} = \frac{105.056 μ s}{20 ppm} = 5.25$
Nachdem im Uplink der Core Frame CF empfangen wurde, können im Empfänger, also von der Basisstation 10 die auf den Core Frame CF nachfolgenden Funkbursts bzw. Funkburst-Cluster mindestens einer, vorzugsweise einer Mehrzahl von Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung(en) unterzogen werden. Daraus resultiert der Vorteil, dass für die nachfolgenden Funkbursts FB bzw. Funkburst-Cluster die Anforderung an die Zeitgenauigkeit reduziert werden kann. Aufgrund dessen kann für die Funkbursts FB des Extension Frames EF im Uplink deshalb eine längere Kohärenzzeit wie folgt veranschlagt werden: $t_{b l o c k_u p l i n k_{m a x}} = \frac{105.0561 μ s}{2 ppm} = 52.528 s$
Die Kohärenzzeit kann somit von 5,15 s auf max. 52,53 s verlängert werden. Daraus resultiert, dass die Funkbursts bzw. Funkburst-Cluster CL1, CL+x des Extension Frames EF durch eine Verwendung größerer Pause (ΔT_add2 > ΔT_ add1 ) auseinandergezogen werden können, ohne das ein Nachsynchronisieren notwendig ist. Dies ist sinnbildlich in 8 unten dargestellt.
Für den Downlink kann hierdurch eine Verbesserung (Vergrößerung der Kohärenzzeit) um einen Faktor 2,5, für den Uplink sogar um einen Faktor 10 erreicht werden. Im Uplink ist nach dem Empfang von 12 Funkbursts die Trägerfrequenz bekannt. Damit kann die Genauigkeit auf 20 ppm, wie oben beschrieben, reduziert werden. Daraus resultiert wiederum, dass die Anzahl der Funkbursts (FB) je Funkburst-Clusters reduziert werden kann. Es können daher z. B. im Uplink statt der 24 Funkbursts lediglich 12 Funkbursts ausreichend sein. Vorzugsweise umfasst im Downlink ein Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) neun Funkbursts und im Uplink zwölf Funkbursts.
Ferner kann nach der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung die Anzahl der Symbole pro Funkburst (FB) reduziert werden, beispielsweise auf 24 statt 36 Symbole pro Burst.
Bei einer Kohärenzzeit von 52,53 s kann im Uplink zwischen den einzelnen z.B. vier Clustern CL1-CL4, die jeweils sechs Funkbursts beinhalten, eine Pause ΔT_add von z. B. 12 s vorgesehen sein, sodass sich für den Uplink die Gesamtzeit auf 36 s addiert, die innerhalb der Kohärenzzeit von 52,53 s liegen.
Aufgrund der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung kann auch die Länge des zeitlichen Übertragungsabstands (T_RB(s)) im Vergleich zu vorher verlängert werden.
Dementsprechend kann mittels Durchführung mindestens einer Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung der durchschnittliche Energieverbrauch pro Zeiteinheit und der durchschnittlich vom Energiepuffer gezogene Strom für die auf die Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung nachfolgenden Funkbursts reduziert und hierdurch der Energiepuffer wirksam geschont werden.
Um eine zu starke Entladung des Energiepuffers 7 zu vermeiden, kann auch die Datenrate erhöht werden. Beispielsweise kann die Datenrate im Vergleich zu einer Datenrate von 2 380,371 Sym/s erhöht werden. Dadurch werden die Datenpakete bzw. Telegramme kürzer und es wird weniger Energie aus dem Energiepuffer 7 benötigt. Wenn man beispielsweise die Datenrate um einen Faktor von 2 erhöht, werden die Funkbursts FB des Datenpakets um einen Faktor 2 kürzer. Allein hierdurch lässt sich schon eine Entlastung des Energiepuffers erreichen. Zudem kann die Erhöhung der Datenrate auch in Kombination mit dem Vorsehen der Pause ΔT_add zum Einsatz kommen. Die beiden Maßnahmen lassen sich in vorteilhafterweise deshalb miteinander kombinieren. Mit der Erhöhung der Datenrate nimmt man zwar in Kauf, dass sich die Empfindlichkeit etwas verschlechtert, nichtsdestotrotz ermöglicht dies den Einsatz günstigerer Komponenten im Knoten. Das Headend 20 kann somit beispielsweise den einzelnen Knoten unterschiedliche Datenraten zuordnen. Die Erhöhung der Datenrate in Kombination mit dem Einsatz einer Pause ΔT_add ist in 9 schematisch gezeigt.
Die Funkbursts FB im Downlink haben abhängig von dem Payload unterschiedliche Längen. Eine weitere Möglichkeit der Entlastung des Energiepuffers 7 besteht darin, Funkbursts FB mit einer bestimmten Länge zuzulassen, sodass lediglich Funkbursts FB gesendet und oder vom Knoten empfangen werden, die diese Größe nicht überschreiten.
Das Diagramm der 10 zeigt den Zusammenhang zwischen der Payload, also der Länge des Funkbursts FB, in Abhängigkeit der „On Air-Zeit“ des Funkbursts. Mit zunehmender Länge der Funkbursts FB steigt die „On Air-Zeit“ derselben. Für einen größeren Payload in einem Stück, d.h. in einem Funkburst, wird mehr Energie verbraucht, sodass die Anforderung an die Betriebsspannung des Energiepuffers 7 nicht mehr erfüllt werden kann. Eine Maßnahme der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, den Payload in Teile aufzuteilen und die Teile des Payload gesplittet mittels mehrerer Funkbursts zu senden und/oder zu empfangen, um der Spannungsanforderung zu genügen. Eine entsprechende Aufteilung des Payload ist schematisch in 11 dargestellt. Jeder Funkburst FB1, FB2 enthält einen Teil des maximalen Payload PL. Diese Maßnahme kann für sich gesehen zur Entlastung des Energiepuffers 7 oder aber in Verbindung zu den vorstehend genannten Maßnahmen (Pause ΔT_add und/oder Erhöhung der Datenrate) zum Einsatz kommen.
Anstatt den Payload bzw. das Datenpaket aufzuteilen können solche Funkbursts, die eine bestimmte Länge (L_max) überschreiten, nicht z. B. für den Empfang zugelassen werden also nicht verarbeitet werden. Der Zusammenhang zwischen Payload und der Länge des Funkbursts der Sägezahnkurve von 10 ist für den Bereich zwischen 20 und 30 Byte in 12 beispielhaft erläutert.
Eine weitere isoliert oder aber auch in Zusammenhang mit den anderen Lösungsgedanken anzuwendende Maßnahme zur Entlastung des Energiepuffers 7 besteht darin, Funkbursts der Versand- und/oder Empfangskette der Funkbursts des Datenpakets auszulassen. Anstatt z.B. neun Funkbursts zu senden oder zu empfangen, können dies, wie aus 13 ersichtlich, auch lediglich nur acht Funkbursts sein. Auch dadurch kann man die Betriebsspannung des Energiepuffers 7 über dem Betriebsspannungsminimum V_min halten. Man nimmt dafür lediglich eine etwas geringere Störungsresistenz sowie eventuell etwas Empfindlichkeitsverlust in Kauf. Auch diese Maßnahme kann für sich gesehen zur Entlastung des Energiepuffers 7 oder aber in Verbindung zu den vorstehend genannten Maßnahmen (Pause ΔT_add und/oder Erhöhung der Datenrate und/oder Aufteilung der Funkbursts) zum Einsatz kommen.
Eine weitere Maßnahme zur Entlastung des Energiepuffers 7 besteht darin, vorzugsweise im Uplink, die Anzahl der Symbole pro Funkburst FB des Core Frames CF auf eine geringere Anzahl als die maximal mögliche Anzahl zu begrenzen. Gemäß ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) besteht ein Funkburst des Core Frames CF im Uplink aus 36 Symbolen (Bit). Man kann beispielsweise lediglich 26 Symbole (Bit) pro Funkburst FB im Core Frame CF versenden. Auch hierdurch wird der Energiepuffer 7 entlastet, indem die Entladung desselben nicht unter die Betriebsspannungsschwelle V_min fällt. Diese Maßnahme kann entweder für sich alleine oder in Kombination mit einer oder allen der vorgenannten Maßnahmen zum Einsatz kommen.
Als weitere Maßnahme zur Schonung des Energiepuffers kann die Sendeleistung reduziert auf einen Wert von weniger als 10dBm werden. Auch diese Maßnahme kann entweder für sich alleine oder in Kombination mit einer oder allen der vorgenannten Maßnahmen zum Einsatz kommen.
Gemäß der Erfindung kann für den Energiepuffer 7 eine konkrete Betriebsspannungsschwelle V_min vorgegeben sein, die gleichzeitig als Steuergröße oder Regelgröße für die Anwahl eines Verfahrensmodus vorzugsweise aus einer Mehrzahl auswählbarer Verfahrensmodi vorgesehen sein kann. Bei einem solchen Verfahrensmodus kann es sich um die vorstehenden Maßnahmen des Vorsehens einer Pause ΔT_add, Erhöhung der Datenrate, Zulassung bestimmter Längen von Funkbursts, Auslassen von Funkbursts, Funkbursts mit einer geringeren Symbolzahl oder einer Kombination davon handeln. Da produktabhängig unterschiedliche Sende- bzw. Empfangsströme vorliegen können, Batterien unterschiedliche Innenwiderstände haben können, Sensoren unterschiedliche Anforderungen für die Spannung haben können, kann ein vorbestimmter Betriebsmodus, der bei Bedarf angewählt werden kann, erhebliche Gebrauchsvorteile begründen.
Ebenso kann gemäß der Erfindung die Spannung als Steuergröße überwacht werden und bei Vorliegen einer bestimmten Spannung ein bestimmter Verfahrensmodus ausgewählt werden, bei dem der Energiepuffer 7 durch die beschriebenen Maßnahmen geschützt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass mindestens zwei unterschiedliche Modi des Sendens und/oder Empfangens der Funkbursts bzw. Funkburst-Cluster vorgesehen sind, die sich unterschiedlich auf die Entladung des Energiepuffers 7 auswirken. Hierbei kann der Knoten 1 der Basisstation 10 signalisieren, welcher Modus aufgrund seines Energiepuffers 7 geeignet ist. Die Kommunikation im Funknetzwert kann dann unter Auswahl des geeigneten Modus erfolgen. Ebenso können im Voraus Berechnungen stattfinden, welcher Verfahrensmodus für welchen Knoten geeignet ist. Abhängig davon können lediglich solche Verfahrensmodi zugelassen werden, die eine Entladung des Energiepuffers 7 unterhalb den Spannungsschwellwert V_min sicher ausschließen. Dies ist vorteilhaft, wenn Knoten mit unterschiedlichen Energiepuffern im Funknetzwerk (Funkzellen) betrieben werden.
Mit der vorliegenden Erfindung kann somit durch die Möglichkeit des Einsatzes günstiger Energiepuffer eine erhebliche Kosteneinsparung bei der Herstellung von Knoten für ein SRD-Funknetz erreicht werden. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch Unterkombinationen von Merkmalen in der Beschreibung, auch wenn nicht explizit darauf hingewiesen, als erfindungswesentlich angesehen werden.
Bezugszeichenliste

1a-1n: Knoten
2: Mikroprozessor
2a: Quarz (Zeit)
2b: Quarz (Trägerfrequenz)
3: Transceiver
4: Antenne
5: Speicher
6: Batterie
7: Energiepuffer
8: Innenwiderstand
9: Funkübertragung
10: Basisstation
11: Datenübertragungsmittel
20: Headend
100: Nahbereichs-Funknetzwerk
FB: Funkburst
CF: Core Frame
EX: Extension Frame
C: Sub-Datenpaket
E: Sub-Datenpaket
DP: Datenpaket
B: Block
CL: Cluster
PL: Payload

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Knotens (1), vorzugsweise Endknotens, in einem mindestens einen Knoten (1) sowie mindestens eine Basisstation (10) umfassenden Funknetzwerk (100), wobei der Knoten (1) einen Transmitter und/oder Receiver, vorzugsweise einen Transceiver (5), zum Senden im Uplink und/oder zum Empfangen im Downlink von Funk-Telegrammen in Form von Datenpaketen (DP), eine Batterie (6) sowie einen Energiepuffer (7) umfasst, wobei im Uplink und/oder Downlink jedes Datenpaket (DP) in eine Mehrzahl von einzelnen Sub-Datenpaketen, wobei es sich vorzugsweise um Sub-Datenpakete unterschiedlicher Frames des Datenpakets (DP), insbesondere um Sub-Datenpakete (C1 bis C1+m bzw. E1 bis E1+n) eines Core Frames (CF) und/oder Extension Frames (EF) des Datenpakets (DP), handelt, aufgeteilt wird und jedes Sub-Datenpaket als Funkburst (FB), vorzugsweise im Schmalband oder Ultraschmalband, vorzugsweise über unterschiedliche Frequenzen, in einem zeitlichen Übertragungsabstand (T_RB(s)) nacheinander versendet und/oder empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei vorzugsweise eine Mehrzahl von Pausen (ΔT_add) vorgesehen sind, wobei die jeweilige Pause (ΔT_add) zwischen zwei benachbarten Funkbursts (FB) vorgesehen und jeweils länger ist als 7168 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s und/oder Funkbursts (FB) in Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) zusammengefasst sind, wobei die Funkbursts (FB) innerhalb der Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) jeweils in dem zeitlichen Übertragungsabstand (T_RB(s)) nacheinander versendet und/oder empfangen werden, und wobei mindestens ein Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) im Uplink weniger als 24 Funkbursts (FB) umfasst und/oder mindestens zwei Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) im Downlink weniger als 18 Funkbursts (FB) umfassen und/oder der zeitliche Übertragungsabstand (T_RB(s)) größer ist als 655 Symbole bezogen auf eine Symbolrate von 2 380,371 Sym/s.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Pause (ΔT_add) zwischen zwei benachbarten Funkbursts (FB) eines Frames, vorzugsweise des Core Frames (CF) und/oder Extension Frames (EF), vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pause (ΔT_add) zwischen zwei benachbarten Funkbursts (FB) eines Frames vorgesehen ist, die jeweils unterschiedlichen Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) angehören.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) jeweils eine identische Anzahl von Funkbursts (FB) umfassen.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Anzahl der Funkbursts (FB) in dem jeweiligen Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) die jeweils in der gemäß der ETSI TS 103 357 V1.1.1 (2018-06) vorgegebene Anzahl der Funkbursts (FB) pro Block ganzzahlig geteilt wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise im Uplink in einem ersten Teil des Datenpakets (DP) oder eines Frames des Datenpakets (DP) die Pause (ΔT_add) nicht vorgesehen ist und in einem zweiten Teil des Datenpakets (DP) oder eines Frames des Datenpakets (DP) die Pause (ΔT_add) vorgesehen ist, oder die Pause (ΔT_add) im ersten Teil des Datenpakets (DP) oder Frames des Datenpakets (DP) mit einer kürzeren Länge als im zweiten Teil des Datenpakets (DP) oder Frames des Datenpakets (DP) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Core Frame (CF) keine Pause (ΔT_add) enthält und der Extension Frame (EF) die Pause (ΔT_add) enthält, oder der Core Frame (CF) und der Extension Frame (EF) jeweils eine Pause (ΔT_add) enthalten, wobei die Pause (ΔT_add) des Core Frames jeweils kleiner ist als die Pause (ΔT_add) des Extension Frames (EF).
Verfahren nach vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position oder Verteilung der jeweiligen Pause (ΔT_add) innerhalb des Datenpakets (DP) oder Frames und/oder die Länge der jeweiligen Pause (ΔT_add) und/oder die Anzahl der Funkbursts (FB) je Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) und/oder die Anzahl der Symbole je Funkburst (FB) jeweils so festgelegt werden, dass die Kohärenzzeit eingehalten wird.
Verfahren nach vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkbursts (FB) von mindestens einem Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen, vorzugsweise im Uplink die Funkbursts (FB) von mindestens zwei Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen und/oder in einem ersten Teil der Übertragung des Datenpakets (DP) weniger Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen als in einem zweiten Teil der Übertragung.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bemessung der Länge der Pause (ΔT_add) die Genauigkeit des Quarzes (2a) des Knotens (1) und/oder des Quarzes der Basisstation (10) mit einbezogen wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkbursts (FB) von mindestens einem Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen, vorzugsweise im Uplink die Funkbursts (FB) von mindestens zwei Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen und/oder in einem ersten Teil der Übertragung des Datenpakets (DP) weniger Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen als in einem zweiten Teil der Übertragung.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung erfolgt, insbesondere wobei vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung die Anzahl der Symbole pro Funkburst (FB) geringer ist als nachher, und/oder vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung die Länge der jeweiligen Pause (ΔT_add) kürzer ist als nachher, und/oder vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung der durchschnittliche Energieverbrauch pro Zeiteinheit höher ist als nachher, und/oder vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung der durchschnittlich vom Energiepuffer (7) gezogene Strom höher ist als nachher, und/oder vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung die Länge des zeitlichen Übertragungsabstands (T_RB(s)) kürzer ist als nachher, und/oder vor der ersten Frequenz- und/oder Zeitnachjustierung die Anzahl der Funkbursts (FB) je Funkburst-Clusters (CL1, CL+x) geringer ist als nachher.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pause (ΔT_add) zwischen den Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) des Extension Frames (EF) größer ist als die Pause (ΔT_add) zwischen den Funkburst-Clusters (CL1, CL+x) des Core Frames (CF).
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass im Downlink Funkburst-Clusters (CL1, CL+x) mit je neun Funkbursts gebildet werden, und/oder im Uplink Funkburst-Clusters (CL1, CL+x) mit je sechs Funkbursts gebildet werden.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass im Downlink mindestens neun Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) und im Uplink mindestens zwölf Funkburst-Cluster (CL1, CL+x) innerhalb der Kohärenzzeit liegen.
Verfahren zum Betrieb eines Knotens (1), vorzugsweise Endknotens, in einem mindestens einen Knoten (1) sowie mindestens eine Basisstation (10) umfassenden Funknetzwerk (100), wobei der Knoten (1) einen Transmitter und/oder Receiver, vorzugsweise einen Transceiver (5), zum Senden im Uplink und/oder zum Empfangen im Downlink von Funk-Telegrammen in Form von Datenpaketen (DP), eine Batterie (6) sowie einen Energiepuffer (7) umfasst, wobei im Uplink und/oder Downlink jedes Datenpaket (DP) in eine Mehrzahl von einzelnen Sub-Datenpaketen, wobei es sich vorzugsweise um Sub-Datenpakete unterschiedlicher Frames des Datenpakets (DP), insbesondere um Sub-Datenpakete (C1 bis C1+m bzw. E1 bis E1+n) eines Core Frames (CF) und/oder Extension Frames (EF) des Datenpakets (DP), handelt, aufgeteilt wird und jedes Sub-Datenpaket als Funkburst (FB), vorzugsweise im Schmalband oder Ultraschmalband, vorzugsweise über unterschiedliche Frequenzen, in einem zeitlichen Übertragungsabstand (T_RB(s)) nacheinander versendet und/oder empfangen wird insbesondere nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass zur Entlastung des Energiepuffers (8) die Länge der Funkbursts (FB) durch Erhöhung der Datenrate im Vergleich zu einer Datenrate von 2 380,371 Sym/s reduziert wird, und/oder vorzugsweise für den Downlink die Länge der Funkbursts (FB), vorzugsweise des Extension Frames (EF), begrenzt wird auf einen Wert (VL), der kleiner ist als die mögliche Maximallänge (ML) der Funkbursts (FB) des Funknetzwerks (2), und/oder die Länge des Payload begrenzt wird auf einen Wert der kleiner ist als eine mögliche Maximallänge des Payload PL, und/oder die Sendeleistung reduziert wird auf einen Wert von weniger als 10dBm, und/oder lediglich Funkbursts (FB) mit einer vorgegebenen Maximallänge gesendet und/oder nach Empfang für eine Weiterverarbeitung zugelassen werden, und/oder nur eine Teilmenge von Funkbursts (FB) aus der Gesamtanzahl der Funkbursts (FB) des Datenpakets (DP) gesendet und/oder nach Empfang für eine Weiterverarbeitung zugelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung der Länge des jeweiligen Funkbursts (FB) derart erfolgt, dass eine maximale „On Air-Zeit“ vorgegeben wird, indem man zusätzliche dummy Bytes zufügt, oder die Begrenzung der Maximallänge des Payload PL derart erfolgt, dass zuerst nur ein Teil des Datenpakets (DP) übertragen wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Funkbursts (FB) des Core Frames (CF) in kürzeren Zeitabständen gesendet werden als diejenigen des Extension Frames (EF).
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise im Uplink die Anzahl der Symbole pro Funkburst (FB) des Core Frames (CF) auf eine geringe Anzahl als die maximal mögliche Anzahl, vorzugsweise auf weniger als 36 Symbole/Funkburst, begrenzt wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsspannungsschwelle (V_min) vorgegeben ist, die als Steuerungsgröße, insbesondere für die Anwahl eines Verfahrensmodus gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dient.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Knoten (1) mit unterschiedlichen Energiepuffern (7) in dem Funknetzwerk (100) vorgesehen ist.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Modi des Sendens und/oder Empfangen von Funkbursts zur Auswahl vorgegeben sind, die sich auf die Entladung des Energiepuffers (7) unterschiedlich auswirken, und vorzugsweise der Knoten (1) signalisiert, welcher Modus von den mindestens zwei Modi aufgrund seines Energiepuffers (7) für ihn geeignet oder nicht geeignet ist.
Verfahren nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiepuffer (8) ein elektrolytischer Energiepuffer oder ein Energiepuffer mit einer Kapazität vom maximal 25000 µF verwendet wird.
Knoten (1), vorzugsweise Endknoten, für ein Funknetzwerk (100) zur Kommunikation mit einer Basisstation (10) des Funknetzwerks (100) im Uplink und/oder Downlink, umfassend einen Mikroprozessor (2), einen Transmitter und/oder einen Receiver, vorzugsweise einen Transceiver (5) zum Senden im Uplink und/oder zum Empfangen im Downlink von Funk-Telegrammen in Form von Datenpaketen (DP), eine Batterie (6) sowie einen Energiepuffer (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (2) und/oder Transmitter und/oder einen Receiver, vorzugsweise der Transceiver (5), entsprechend dem Verfahren nach den vorherigen Ansprüchen betrieben wird bzw. werden.