DE19849458A1 - Drahtloses Netzwerk mit einer Taktsynchronisation - Google Patents

Drahtloses Netzwerk mit einer Taktsynchronisation

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein drahtloses Netzwerk mit mehreren Netzknoten, jeweils bestehend aus wenigstens einem elektrischen Gerät und wenigstens einer Funkvorrichtung, welche jeweils zum Datenaustausch über ein drahtloses Medium vorgesehen sind. Ein Netzknoten enthält eine Taktversorgung aller elektrischen Geräte und der Funkvorrichtung mit ihrem Takt. Ein als Haupt-Netzknoten bezeichneter Netzknoten sendet ein von dem Takt seiner Taktversorgung abhängiges Synchronisationsmuster über seine Funkvorrichtung. Alle anderen als Neben-Netzknoten bezeichneten Netzknoten sind verschiedenen hierarchisch geordneten Abstandsklassen in Abhängigkeit von ihrem Abstand zum Haupt-Netzknoten zugeordnet, welcher der höchsten Abstandsklasse zugeordnet ist. Alle Neben-Netzknoten einer Abstandsklasse senden ein von dem Takt ihrer jeweiligen Taktversorgung abhängiges, die Abstandsklasse kennzeichnendes Synchronisationsmuster über ihre jeweilige Funkvorrichtung. Ein Neben-Netzknoten synchronisiert seine Taktversorgung durch wenigstens ein empfangenes Synchronisationsmuster einer hierarchisch höheren Abstandsklasse.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein drahtloses Netzwerk mit mehreren Netzknoten jeweils bestehend aus wenigstens einem elektrischen Gerät und wenigstens einer Funkvorrichtung, welche jeweils zum Datenaustausch über ein drahtloses Medium vorgesehen sind.
Ein solches drahtloses Netzwerk ist aus dem Dokument "Technologie drahtloser Netze" von Elmar Török, Funkschau Nr. 22, 1998, Seiten 20 bis 25 bekannt und beschreibt den Aufbau eines drahtlosen Netzwerkes mit mehreren Netzknoten. In einem Netzknoten sind über ein Bussystem mehrere elektrische Geräte, z. B. Monitor, Computer etc., und eine Funkvorrichtung angeschlossen. Über die Funkvorrichtung jedes Netzknotens werden Daten mit anderen Funkvorrichtungen ausgetauscht. In diesem Dokument wird nicht auf eine Taktsynchronisation aller Netzknoten Bezug genommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein drahtloses Netzwerk zu schaffen, bei welchen die Takte der einzelnen Netzknoten miteinander synchronisiert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein drahtloses Netzwerk der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß ein Netzknoten eine Taktversorgung zur Versorgung aller elektrischen Geräte und der Funkvorrichtung mit ihrem Takt enthält,
daß ein als Haupt-Netzknoten bezeichneter Netzknoten zur Sendung eines von dem Takt seiner Taktversorgung abhängigen Synchronisationsmusters über seine Funkvorrichtung vorgesehen ist,
daß alle anderen als Neben-Netzknoten bezeichneten Netzknoten verschiedenen hierarchisch geordneten Abstandsklassen in Abhängigkeit von ihrem Abstand zum Haupt- Netzknoten zugeordnet sind, welcher der höchsten Abstandsklasse zugeordnet ist, daß alle Neben-Netzknoten einer Abstandsklasse zur Sendung eines von dem Takt ihrer jeweiligen Taktversorgung abhängigen, die Abstandsklasse kennzeichnenden Synchronisationsmusters über ihre jeweilige Funkvorrichtung vorgesehen sind und daß ein Neben-Netzknoten zur Synchronisierung seiner Taktversorgung durch wenigstens ein empfangenes Synchronisationsmuster einer hierarchisch höheren Abstandsklasse vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß sendet ein Haupt-Netzknoten ein Synchronisationsmuster über das drahtlose Medium aus, welches von Neben-Netzknoten über die verschiedenen Abstandsklassen weitergeleitet wird, so daß ein Neben-Netzknoten der hierarchisch niedrigsten Abstandsklasse indirekt mit dem Takt der Taktversorgung des Haupt- Netzknotens synchronisiert ist. Unter einer drahtlosen Übertragung ist eine Funk-, Infrarot-, Ultraschallübertragung etc. zu verstehen.
In Anspruch 2 ist angegeben, wie ein Neben-Netzknoten nach der Inbetriebnahme seine Abstandsklasse findet. Falls sich ein Neben-Netzknoten und/oder der Haupt-Netzknoten bewegt, kann sich eine Verschiebung der Abstandsklasse eines Neben-Netzknotens ergeben. Welche Maßnahmen ein mobiler Neben-Netzknoten durchführt, um jeweils seine optimale Abstandsklasse zu bestimmen, sind in Anspruch 3 und 4 beschrieben.
In einem Neben-Netzknoten ist ein Korrelator enthalten, der zur Bestimmung vorgesehen ist, ob ein bestimmtes Synchronisationsmuster mit genügend guter Empfangsqualität empfangen worden ist. Wie Anspruch 5 zeigt, ist ein Neben-Netzknoten während der Zeit, in der ein Synchronisationsmuster erwartet wird, zur Korrelation des empfangenen Signals mit einem gespeicherten Synchronisationsmuster und zur Angabe des Empfangs des Synchronisationsmusters vorgesehen, wenn das Korrelationsergebnis einem erwarteten Wert entspricht. Wie der Synchronisationszeitpunkt für die Taktsynchronisation in einem Neben-Netzknoten bestimmt wird, ist in den Ansprüchen 6 und 7 gezeigt.
Anspruch 8 gibt den Aufbau einer Funkvorrichtung an. Eine Protokollvorrichtung in der Funkvorrichtung führt verschiedene Protokolle zur Übertragung von Daten für das drahtlose Medium aus und wertet beispielsweise durch Vergleich des von einem Korrelators gelieferten impulsförmigen Signals mit einem Schwellwert aus, ob die Empfangsqualität eines Synchronisationsmusters ausreichend ist. Der Korrelator kann beispielsweise in einem Modem der Funkvorrichtung enthalten sein.
Die Synchronisationsmuster jeder Abstandsklasse sind unterschiedlich. Um den Aufbau des Korrelators zu vereinfachen, kann jedes Synchronisationsmuster jeweils einen identischen Teil und einen zweiten unterschiedlichen Teil zur Kennzeichnung einer Abstandsklasse aufweisen. Der Korrelator korreliert dann den ersten Teil des Synchroni­ sationsmusters mit einem gespeicherten ersten Teil des Synchronisationsmusters und die Protokollvorrichtung wertet dann nach Feststellung einer genügend guten Empfangsqualität beispielsweise aus, welche Kennzeichnung der zweite Teil des Synchronisationsmusters enthält.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Netzknoten eines drahtlosen, mehrere weitere Netzknoten enthaltenden Netzwerks bestehend aus wenigstens einem elektrischen Gerät und wenigstens einer Funkvorrichtung, welche jeweils zum Datenaustausch über ein drahtloses Medium vorgesehen sind. Der Netzknoten enthält eine Taktversorgung zur Versorgung aller elektrischen Geräte und der Funkvorrichtung mit ihrem Takt. Der als Neben-Netzknoten bezeichnete Netzknoten gehört einer Abstandsklasse an, die Bestandteil von verschiedenen hierarchisch geordneten Abstandsklassen in Abhängigkeit von ihrem Abstand zu einem Haupt-Netzknoten ist, welcher der höchsten Abstandsklasse zugeordnet ist. Der Neben-Netzknoten ist zur Sendung eines von dem Takt der jeweiligen Taktversorgung abhängigen, seine zugehörige Abstandsklasse kennzeichnenden Synchronisationsmusters über seine Funkvorrichtung und zur Synchronisierung seiner Taktversorgung durch wenigstens ein empfangenes Synchronisationsmuster einer hierarchisch höheren Abstandsklasse vorgesehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein drahtloses Netzwerk mit mehreren Netzknoten,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Netzknotens,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer in dem Netzknoten nach Fig. 2 zu verwendenden Funkvorrichtung und
Fig. 4 ein Übertragungsschema von Synchronisationsmustern, die von einer Funkvorrichtung ausgesendet werden.
In Fig. 1 ist ein drahtloses Netzwerk mit mehreren Netzknoten 1 bis 12 dargestellt. Die Netzknoten 1 bis 12 tauschen jeweils Nutz-, Steuer- und Synchronisationsdaten über Funkstrecken aus. Um den Datenaustausch und den Schaltungsaufwand so einfach wie möglich zu halten, sind die Netzknoten 1 bis 12 auf einen Haupttakt synchronisiert, der von dem Netzknoten 1 geliefert wird. Dieser Netzknoten wird als Haupt-Netzknoten 1 bezeichnet. Die anderen Netzknoten werden Neben-Netzknoten 2 bis 12 genannt.
Ein Netzknoten 1 bis 12 enthält eine Funkvorrichtung 13, mehrere elektrische Geräte 14 bis 17 und ein Bussystem 18. Ein solches elektrisches Gerät 14 bis 17 kann ein Video­ recorder, ein Monitor, ein Tuner, ein CD-Spieler etc. sein. Die Funkvorrichtung 13 und die elektrischen Geräte 14 bis 17 tauschen über das Bussystem 18 Nutz-, Steuer- und Synchronisationsdaten aus. Die elektrischen Geräte 14 bis 17 und die Funkvorrichtung 13 sind über die Funkstrecke auf den Haupttakt zu synchronisieren.
Den Haupttakt in dem Haupt-Netzknoten 1 liefert eine Taktversorgung, die sich in einem elektrischen Gerät 14 bis 17 befinden kann. Diese Taktversorgung, die als Haupt-Takt­ versorgung bezeichnet wird, kann auch außerhalb eines elektrischen Gerätes 14 bis 17 an das Bussystem 18 angeschlossen sein. Die sich in jedem anderen Netzknoten 2 bis 12 befindende Taktversorgung wird als Neben-Taktversorgung bezeichnet und liefert einen Nebentakt. Eine solche Neben-Taktversorgung kann ebenfalls Bestandteil eines elektrischen Gerätes 14 bis 17 eines Neben-Netzknotens 2 bis 12 sein oder alleinstehend an das jeweilige Bussystem 18 angeschlossen sein. Die Neben-Taktversorgung eines Neben-Netzknotens 2 bis 12 erhält entweder direkt von dem Haupt-Netzknoten 1 oder über andere Neben-Netzknoten Synchronisationsdaten, damit eine Neben-Taktversorgung seinen erzeugten Nebentakt mit dem Haupttakt synchronisieren kann. Die Funkvor­ richtungen 13 in den Netzknoten 1 bis 12 organisieren den Austausch der Synchroni­ sationsdaten über Funkstrecken.
Ein Ausführungsbeispiel einer Funkvorrichtung 13 Zeit Fig. 3. Eine Schnittstellenschal­ tung 19 der Funkvorrichtung 13 ist an das Bussystem 18 angeschlossen und empfängt die für die Funkvorrichtung 13 bestimmten Daten vom Bussystem 18 und liefert diese gegebenenfalls nach einer Formatanpassung an eine Protokollvorrichtung 20 der Funk­ vorrichtung 13. Ferner führt die Schnittstellenschaltung 19 von der Protokollvorrich­ tung 20 gelieferte Daten zum Bussystem 18. Außer der Schnittstellenschaltung 19 und der Protokollvorrichtung 20 enthält die Funkvorrichtung 13 noch ein Modem 21, eine Hochfrequenzschaltung 22 und eine Antenne 23. Von der Antenne 23 empfangene Daten sendet die Hochfrequenzschaltung 22 über das Modem 21 zur Protokollvorrichtung 20.
Die Protokollvorrichtung 20, die beispielsweise als Prozessorsystem ausgebildet ist, bildet aus den von der Schnittstellenschaltung 19 gelieferten Daten Paketeinheiten oder aus den vom Modem 21 zugeführten Paketeinheiten für die Schnittstellenschaltung 19 verarbeit­ bare Daten. Eine Paketeinheit enthält außer den empfangenen Daten zusätzliche von der Protokollvorrichtung 20 gebildete Steuerinformationen. Die Protokollvorrichtung 20 verwendet Protokolle für die LLC-Schicht (LLC = Logical Link Control) und die MAC- Schicht (MAC = Medium Access Control). Die MAC-Schicht steuert den Mehrfachzugriff einer Funkvorrichtung 13 zum Funkübertragungsmedium und die LLC-Schicht führt eine Fluß- und Fehlerkontrolle durch.
In dem drahtlosen Netzwerk nach Fig. 1 können die Daten zwischen den Netzknoten 1 bis 12 nach einem TDMA-, FDMA- oder CDMA-Verfahren (TDMA = Time Division Multiplex Access, FDMA = Frequency Division Multiplex Access, CDMA = Code Division Multiplex Access) ausgetauscht werden. Die Verfahren können auch kombiniert werden. Daten werden in bestimmten zugewiesenen Kanälen übertragen. Ein Kanal ist durch einen Frequenzbereich, einen Zeitbereich und z. B. beim CDMA-Verfahren durch einen Spreizungscode bestimmt.
Die Verwendung des drahtlosen Netzwerks ist insbesondere in Gebäuden (z. B. für den Heimbereich) geeignet. Bei der Übertragung der Daten in Gebäuden dürfen häufig die Daten nur mit geringer Leistung abgestrahlt werden. Daher müssen in dem drahtlosen Netzwerk besondere Maßnahmen getroffen werden, um z. B. Synchronisationsdaten von dem Haupt-Netzknoten zu dem am weitesten entfernten Neben-Netzknoten zu über­ mitteln. Hierzu dienen dazwischenliegende Neben-Netzknoten, welche die Synchro­ nisationsdaten weiterreichen. Daher wird in dem drahtlosen Netzwerk eine hierarchische Struktur aus Netzknoten mit Abstandsklassen (Distance Classes) RDC(i) aufgebaut. Zur Abstandsklasse RDC(0) gehört nur der Haupt-Netzknoten 1. Zu der Abstandsklasse RDC(1) gehören alle Neben-Netzknoten, die direkt vom Haupt-Nebenknoten 1 synchronisiert werden. Alle Neben-Netzknoten, die direkt von einem oder mehreren Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(1) synchronisiert werden, gehören zur Abstandsklasse RDC(2). Allgemein kann definiert werden, daß zu einer Abstandsklasse RDC(i) alle Neben-Netzknoten gehören, die von einem oder mehreren Neben-Netz­ knoten der Abstandsklasse RDC(i - 1) oder im Fall RDC(i - 1) = RDC(0) von dem Haupt-Netzknoten synchronisiert werden.
In dem Ausführungsbeispiel eines drahtlosen Netzwerks nach Fig. 1 gehören die Neben- Netzknoten 2, 3 und 4 zur Abstandsklasse RDC(1), weil diese Neben-Netzknoten 2, 3 und 4 sicher auswertbare Funksignale vom Haupt-Netzknoten 1 empfangen können. Der äußere Grenzbereich der Abstandsklasse RDC(1) ist in Fig. 1 symbolisch durch eine Ellipse 25 angegeben. Die Ellipse 24 gibt symbolisch die Abstandsklasse RDC(0) an. Die Abstandsklasse RDC(2) enthält die Neben-Netzknoten 5 bis 8. Es sei angenommen, daß der Neben-Netzknoten 5 von dem Neben-Netzknoten 2, die Neben-Netzknoten 6 und 7 von den Neben-Netzknoten 3 und 4 und der Neben-Netzknoten 8 von dem Neben- Netzknoten 4 direkt synchronisiert werden. Der äußere Grenzbereich der Abstandsklasse RDC(2) ist durch eine Ellipse 26 angegeben. Die Abstandsklasse RDC(3) enthält die Neben-Netzknoten 9 bis 12. Es sei angenommen, daß der Neben-Netzknoten 9 von den Neben-Netzknoten 7 und 8, der Neben-Netzknoten 10 von dem Neben-Netzknoten 5, der Neben-Netzknoten 11 von dem Neben-Netzknoten 6 und der Neben-Netzknoten 12 von den Neben-Netzknoten 6 und 7 direkt synchronisiert wird. Die Ellipse 27 gibt den äußeren Grenzbereich der Abstandsklasse RDC(3) an.
Dadurch, das eine hierarchisch aufgebaute zeitliche Abhängigkeit vom Haupt-Netzknoten zu wenigstens einem Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(n) über n Abstandsklassen RDC(i) mit i ≦ n aufgebaut wird, ist jeder Nebentakt eines Neben- Netzknoten auf den Haupttakt des Haupt-Netzknotens synchronisiert. Dies gilt aber nur, wenn die Ausbreitungsverzögerung in dem drahtlosen Netzwerk vernachlässigbar klein ist.
Die Ausbreitungsverzögerung bewirkt eine Phasenverschiebung der Neben-Taktsignale zu dem Haupt-Taktsignal. Diese Ausbreitungsverzögerung kann z. B. durch Messung der Laufzeit einer Testnachricht zwischen zwei Netzknoten gemessen werden. Wenn alle Netzknoten sich innerhalb eines kleinen Radius im Heimbereich (z. B. 30 m) befinden, ist es nicht erforderlich, die Ausbreitungsverzögerung für die Synchronisation zu berücksichtigen.
Im folgenden wird erläutert, wie die Synchronisationsdaten von einem Haupt- oder Neben-Netzknoten einer Abstandsklasse RDC(0) oder RDC(i - 1) mit i < 1 zu einem Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(1) bzw. RDC(i) weitergegeben werden. Ein Haupt- oder Neben-Netzknoten sendet ein bestimmtes Synchronisationsmuster aus N Bits aus (z. B. N = 40). Alle Neben-Netzknoten einer Abstandsklasse RDC(i) benutzen das gleiche Synchronisationsmuster, das sich vom Synchronisationsmuster der Neben-Netz­ knoten der anderen Abstandsklassen RDC(j) mit i ≠ j und vom Synchronisationsmuster des Haupt-Netzknotens unterscheidet. Um die Detektierbarkeit eines Synchronisations­ musters durch einen Korrelator in einer ein Synchronisationsmuster empfangenden Funkvorrichtung 13 eines Neben-Netzknotens zu erhöhen, sollte dieses Synchronisations­ muster eine gute Autokorrelationseigenschaft und eine geringe Kreuzkorrelation zu den anderen Synchronisationsmustern aufweisen.
Für die Funkübertragung von Daten zwischen dem Haupt- und den Neben-Netzknoten 1 bis 12 wird zumindest noch in der MAC-Schicht ein rahmensynchronisiertes Signal RS verwendet. Dieser Rahmen weist verschiedene Zeitschlitze für Synchronisations-, Steuer- und Nutzdaten auf. Die Dauer eines Rahmens soll im folgenden mit D bezeichnet werden.
Ein Synchronisationsmuster P(i) einer Abstandsklasse RDC(i) mit i ≧ 0 wird periodisch von dem Haupt- oder den Neben-Netzknoten 1 bis 12 ausgesendet. Die Zeitabstände zwischen zwei gleichen Synchronisationsmustern entsprechen der Dauer D des rahmen­ synchronisierten Signals RS. Wie oben schon beschrieben, wird ein durch einen Neben- Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i) mit i ≧ 0 empfangenes Synchronisationsmuster aus dem Haupt-Netzknoten oder aus einem oder mehreren Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i - 1) mit i < 1 zur Synchronisation eines Nebentaktes mit dem Haupttakt der Abstandsklasse RDC(0) bzw. mit dem Nebentakt der Abstandsklasse RDC(i - 1) verwendet. Damit entsteht eine hierarchisch aufgebaute zeitliche Abhängigkeit zwischen dem Haupt-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(0) und den Neben- Netzknoten aller anderen Abstandsklassen RDC(i) mit i < 0.
Fig. 4 zeigt das Übertragungsschema der Synchronisationsmuster P(i) mit i ≧ 0 bezogen auf den Rahmen des rahmensynchronisierten Signals. Zuerst sendet der Haupt-Netz­ knoten 1 sein Synchronisationsmuster P(0) aus. Die Dauer des Synchronisationsmusters beträgt Tp. Es folgt dann eine Wartezeit Ta, die hier so gewählt werden sollte, daß die Funkvorrichtungen 13 aller Neben-Netzknotens der Abstandsklassen RDC(1) genügend Zeit haben, vom Empfangs- in den Sendebetrieb umzuschalten. Alle Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(1) senden anschließend ein Synchronisationsmuster P(1) der Dauer Tp aus. Jeder Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(2) empfängt aus einem oder mehreren Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(1) das Synchronisations­ muster P(1). Dabei werden die Verzögerungen zwischen unterschiedlichen Sendern von P(1) als vernachlässigbar für den die empfangenen Synchronisationsmuster verarbeitenden Korrelator beschrieben, der Bestandteil des Modems 21 in einer Funkvorrichtung 13 ist. Nach einer darauffolgenden Wartezeit der Dauer Ta hat jeder Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(2) auf diese Weise seine Synchronisation des Nebentaktes auf den Nebentakt der Abstandsklasse RDC(1) durchgeführt. Da der Nebentakt der Abstandsklasse RDC(1) mit dem Haupttakt der Abstandsklasse RDC(0) synchronisiert ist, ist der Neben­ takt der Abstandsklasse RDC(2) somit indirekt mit dem Haupttakt der Abstandsklasse RDC(0) synchronisiert. Alle Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(2) senden dann ihr Synchronisationsmuster P(2) aus. Diese Synchronisationsvorgänge werden durchge­ führt, bis die indirekte Synchronisation des Nebentaktes auf den Haupttakt für alle Neben- Netzknoten in der am weitesten entfernten Abstandsklasse RDC(n) erfolgt ist.
Der Korrelator der Funkvorrichtung 13 ist Bestandteil des Modems 21. Die Funktion eines Korrelators in der Funkvorrichtung 13, der ein Synchronisationsmuster P(i) mit einem gespeicherten Synchronisationsmuster PS(i) korreliert, kann beispielsweise durch ein im Modem 21 enthaltenes Prozessorsystem nachgebildet werden. Der Korrelator liefert einen Impuls nach dem Empfang eines Synchronisationsmusters P(i), der mit dem gespeicherten Synchronisationsmusters PS(i) übereinstimmt. Das Maximum dieses Impulses gibt den Synchronisationszeitpunkt zur Synchronisierung der Neben-Taktver­ sorgung an. Dieser Synchronisationszeitpunkt wird zur Weiterverarbeitung der Protokoll­ vorrichtung 20 geliefert. Die Findung des Synchronisationszeitpunktes ist auch erforderlich, damit ein Neben-Netzknoten nach Empfang eines Synchronisationsmusters P(i - 1) mit i < 0 ein eigenes Synchronisationsmuster P(i) aussenden kann, das mit dem empfangenen Synchronisationsmuster synchronisiert ist.
In jedem Neben-Netzknoten ist z. B. aus einem Tabellenspeicher in der Neben-Takt­ versorgung die Zeitdauer der Synchronisationsmuster P(i) für eine Funkabschnittsklasse RDC(i) und die Wartezeit Ta entnehmbar. Es sei hier angenommen, das die Dauer aller Synchronisationsmuster P(i) der verschiedenen Abstandsklassen RDC(i) gleich sind. Nachdem ein Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i) mit i < 0 ein Synchro­ nisationsmuster P(i - 1) komplett empfangen hat, kann der konstante Zeitabschnitt zwischen dem Startzeitpunkt des Synchronisationsmusters P(0) des Haupt-Netzknotens und dem Endzeitpunkt des empfangenen Synchronisationsmusters P(i - 1) des Neben- Netzknotens der Abstandsklasse RDC(i - 1) berechnet werden. Dieser konstante Zeitab­ schnitt beträgt dann i.(Tp + Ta) unter der Voraussetzung, daß die darauffolgende Warte­ zeit Ta noch berücksichtigt wird. Hiermit kann dann eine genaue Synchronisation auf den Haupttakt erfolgen.
Es ist auch möglich, daß in den Neben-Netzknoten eine Synchronisation auf die absolute Zeit des Haupt-Netzknotens erfolgt. Eine solche absolute Zeit ist erforderlich, weil zu bestimmten auf die absolute Zeit bezogenen Zeitpunkten Aktionen durchzuführen sind. Hierbei wird die Gesamtzahl s (s = 0, 1, 2, . . .) der bisher ausgesendeten Synchronisations­ muster P(0) von dem Haupt-Netzknoten ausgestrahlt und von den Neben-Netzknoten weitergegeben. Nach Empfang der Gesamtzahl s wird in einem Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i) die jeweilige lokale Zeit für den Start seines Synchronisations­ musters P(i) nach folgender Formel berechnet: s.D + i.(Tp + Ta). Die Gesamtzahl s kann an ein Synchronisationsmuster P(i) angehängt werden. Hierbei wird nach Empfang eines Synchronisationsmusters P(i - 1) durch einen Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i) die Gesamtzahl s aus dem Anhang entnommen und an das neu zu sendende Synchronisationsmuster P(i) angehängt.
Zur Übertragung der Synchronisationsmuster P(i) wird ein Synchronisationskanal verwendet. Die Gesamtzahl s kann aber auch über einen Steuer- oder Nutzkanal gesendet werden, der von den Netzknoten aller Abstandsklassen direkt oder indirekt zu empfangen ist. Ein indirekter Empfang bedeutet, daß die Daten eines Netzknotens über einen Netzknoten oder mehrere Netzknoten zu einem anderen Netzknoten übertragen werden. Hierbei sollte die Gesamtzahl s während des Rahmens s - 1 gesendet werden.
Es wird im folgenden vorgestellt, wie ein Haupt- oder Neben-Netzknoten automatisch seine Abstandsklasse RDC(i) nach der Inbetriebnahme bestimmt. Zuerst bestimmt ein Neben-Netzknoten nach dem Einschalten die Empfangsqualität für das Synchronisations­ muster P(0). Wenn das Meßergebnis einen Schwellwert q überschreitet, wird keine weitere Messung durchgeführt. Der Neben-Netzknoten gehört damit zur Abstandsklasse RDC(1). Die Funkvorrichtung 13 dieses Neben-Netzknotens sendet dann zu den entsprechenden Zeitpunkten Synchronisationsmuster P(1) aus. Wenn das Meßergebnis nicht den Schwellwert q überschreitet, mißt der Neben-Netzknoten die Empfangsqualität für das Synchronisationsmuster P(1). Wenn das Meßergebnis auch nicht den Schwellwert q überschreitet, wird der Prozeß für das Synchronisationsmuster P(2) weitergeführt.
Allgemein läßt sich sagen, daß ein Neben-Netzknoten den Meßprozeß solange durchführt, bis eine Empfangsqualität für ein Synchronisationsmuster P(i - 1) gemessen worden ist, das den Schwellwert q überschreitet. Der Neben-Netzknoten gehört dann zur Abstandsklasse RDC(i) und sendet danach in zeitlicher Abhängigkeit vom Haupttakt ein Synchronisationsmuster P(i).
Wenn für alle verfügbaren Synchronisationsmuster P(0) bis P(n) kein Meßergebnis mit einer Empfangsqualität ermittelt worden ist, die größer als der Schwellwert q ist, wird der Prozeß zur Bestimmung der Abstandsklasse beendet. Die Meßprozedur wird dann nach einer zufällig gewählten Pausenzeit wieder neu gestartet. Diese Vorgänge werden solange wiederholt bis eine Abstandsklasse gefunden worden ist.
Die Messung der Empfangsqualität wird vom Modem 21 in einer Funkvorrichtung 13 durchgeführt. Die Meßprozedur wird aber von der jeweiligen zugeordneten Protokoll­ vorrichtung 20 gesteuert. Außerdem vergleicht die Protokollvorrichtung 20 die Meßergebnisse mit dem Schwellwert und führt in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis entsprechende Steuervorgänge durch.
Falls der Haupt- und die Neben-Netzknoten fest stationiert und nicht beweglich sind, ist es nicht erforderlich die Empfangsqualität weiter zu überprüfen und die Abstandsklasse zu bestimmen. Im anderen Fall bei einem mobilen Haupt-Netzknoten und/oder bei mobilen Neben-Netzknoten ist eine kontinuierliche Bestimmung der Abstandsklasse erforderlich (Adaptionsprozeß). Im folgenden sei vorausgesetzt, daß sowohl der Haupt-Netzknoten als auch der Neben-Netzknoten beweglich ist.
Es sei angenommen, daß ein Neben-Netzknoten über ein Synchronisationsmuster P(m - 1) synchronisiert worden ist. Dieser Neben-Netzknoten gehört somit zu einer Abstandsklasse RDC(m). Da in dem drahtlosen Netzwerk die Neben-Netzknoten und der Haupt-Netzknoten mobil sind, muß die Empfangsqualität nicht nur des Synchronisations­ musters P(m - 1) sondern auch für alle anderen Synchronisationsmuster P(0), P(1), . . . P(m-2), P(m + 1), . . ., P(n) gemessen werden. Da die Veränderungen in der Regel langsam erfolgen, ist während jedes Rahmens nur die Messung eines Synchronisations­ musters erforderlich. Ein Neben-Netzknoten vergleicht die gemessene Empfangsqualität für ein Synchronisationsmuster mit dem Schwellwert q, wie dies bei der Inbetriebnahme durchgeführt wird. Keine Messung ist für das Synchronisationsmuster P(m) möglich und erforderlich, da dieses Synchronisationsmuster von dem messenden Neben-Netzknoten selbst erzeugt wird. Die Vergleichsergebnisse werden jeweils zwischengespeichert.
Nachdem für alle Synchronisationsmuster Vergleichsergebnisse vorliegen, wird das Synchronisationsmuster P(j) mit dem kleinsten Index j als Ersatz für P(m - 1) mit j ≠ m gewählt, wenn m - 1 < j ist und die Empfangsqualitäten für die Synchronisationsmuster P(j) und P(m - 1) größer als der Schwellwert q sind. Der Neben-Netzknoten benutzt dann das Synchronisationsmuster P(j) als Ersatz für das Synchronisationsmuster P(m - 1) zur Synchronisation. In dem hier beschriebenen Fall bewegt sich der Neben-Netzknoten in Richtung des Haupt-Netzknotens.
Wenn sich aus den Vergleichsergebnissen ergibt, daß die Empfangsqualität für P(m - 1) nicht mehr den Schwellwert q überschreitet, aber die Empfangsqualität wenigstens eines Synchronisationsmusters P(j) (j ≠ m und j ≠ m - 1) den Schwellwert q überschreitet, muß der Neben-Netzknoten dann das Synchronisationsmuster P(j) als Ersatz für das Synchroni­ sationsmuster P(m - 1) zur Synchronisation verwenden. Falls mehrere Synchronisations­ muster P(j) den Schwellwert q überschreiten, wird dasjenige Synchronisationsmuster P(j) mit dem kleinsten Index j ausgewählt. In dem Fall, wenn die Empfangsqualität der Synchronisationsmuster P(m - 1) nicht den Schwellwert q überschreitet und die Empfangsqualität der Synchronisationsmuster P(j) größer als der Schwellwert q ist, entfernt sich der Neben-Netzknoten vom Haupt-Netzknoten.
Durch die Wahl des Synchronisationsmusters mit dem kleinsten Index j wird die Stabilität der Synchronisierung erhöht, da nur eine minimierte Anzahl von Synchronisationsmusters zur Synchronisierung des Neben-Netzknotens verwendet wird.
Nach einem Wechsel der Synchronisierung auf P(j) sendet der Neben-Netzknoten ein neues Synchronisationsmuster P(j + 1) aus und dieser Neben-Netzknoten betrachtet sich als zur Abstandsklasse RDC(j + 1) zugehörig. Wenn sich bei den Messungen ergeben sollte, daß die Empfangsqualität für jedes Synchronisationsmuster den Schwellwert q unterschreitet, dann muß der Neben-Netzknoten die Aussendung seines eigenen Synchronisationsmusters P(m) beenden und während des darauffolgenden Rahmens die Empfangsqualität des Synchronisationsmusters P(m) messen. Wenn die Empfangsqualität des Synchronisationsmusters P(m) den Schwellwert q überschreitet, dann gehört dieser Neben-Netzknoten zur Abstandsklasse RDC(m + 1). Nach Empfang des Synchronisationsmusters P(m) und einer Wartezeit Ta sendet dieser Neben-Netzknoten das Synchronisationsmuster P(m + 1) aus.
Wenn aber auch die Empfangsqualität für das Synchronisationsmuster P(m) nicht den Schwellwert q überschreitet, muß der Neben-Netzknoten den Synchronisationsprozeß nach einer Zufallszeit neu starten. Der Synchronisationsprozeß muß deshalb neu gestartet werden, weil der Neben-Netzknoten kein auswertbares Synchronisationsmuster aufgrund fehlender benachbarter Neben-Netzknoten empfängt.
Wie oben schon ausgeführt, kann ein Neben-Netzknoten einer Abstandsklasse RDC(i) Synchronisationsmuster P(i - 1) nicht nur von einem sondern von mehreren Neben-Netz­ knoten der Abstandsklasse RDC(i - 1) erhalten. Der Korrelator eines Neben-Netzknotens der Abstandsklasse RDC(i), der gleiche Synchronisationsmuster P(i - 1) von verschiedenen Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i - 1) erhält, erzeugt ein Ausgangssignal, daß sich aus der Überlagerung der Ausgangssignale für die einzelnen Synchronisationsmuster P(i - 1) ergibt.
Wenn k solcher Synchronisationsmuster mit k < 1 von verschiedenen sendenden Neben- Netzknoten zur selben Zeit empfangen werden, liefert der Korrelator eines empfangenden Neben-Netzknotens ein impulsförmiges Signal, welches denselben Signalverlauf hat, wie ein impulsförmiges Signal nach Empfang eines einzelnen Synchronisationsmusters eines sendenden Neben-Netzknotens. Jedoch weist das vom Korrelator ausgegebene impuls­ förmige Signal nach Empfang von k Synchronisationsmustern ein höheres Signal-Rausch- Verhältnis als ein vom Korrelator ausgegebenes impulsförmiges Signal nach Empfang von einem einzelnen Synchronisationsmuster auf. Der Empfang von allen k Synchronisations­ mustern zur selben Zeit entspricht dem Idealfall, wenn nicht die Signalverarbeitungsver­ zögerung in den Sendern der Neben-Netzknoten und dem Empfänger des betroffenen Neben-Netzknotens und die Ausbreitungsverzögerung in Betracht gezogen wird. Im Ideal­ fall verbessert der Empfang von k Synchronisationsmustern die Synchronisationsauswer­ tung.
Im Realfall muß jedoch die Signalverarbeitungsverzögerung in den Sendern der Neben- Netzknoten und dem Empfänger des betroffenen Neben-Netzknotens und die Ausbrei­ tungsverzögerung in Betracht gezogen werden. Die Signalverarbeitungsverzögerung kann durch einen Kalibrierungsprozeß in den Sendern und Empfängern verringert werden. Die Ausbreitungsverzögerung ist - wie oben schon erwähnt - vernachlässigbar, wenn alle Neben-Netzknoten sich innerhalb eines kleinen Radius befinden. Unter dieser Einschränkung weist in der Regel das vom Korrelator gelieferte impulsförmige Signal nach Empfang von k Synchronisationsmustern ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis als im Idealfall auf, aber es weist ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis als bei Empfang eines einzelnen Synchronisationsmusters auf.
Zur Bestimmung des Synchronisationszeitpunktes wertet eine Protokollvorrichtung 20 in einem Neben-Netzknoten das vom zugeordneten Korrelator gelieferte impulsförmige Signal aus. Weist das impulsförmige Ausgangssignal des Korrelators während der Dauer Tp eines oder mehrerer empfangener Synchronisationsmuster und der darauffolgenden Warte­ zeit Ta einen Impuls mit einem einzigen Maximum auf, entspricht dieses Maximum dem Synchronisationszeitpunkt. Wenn das impulsförmige Ausgangssignal des Korrelators während der Dauer Tp eines oder mehrerer empfangener Synchronisationsmuster und der darauffolgenden Wartezeit Ta einen Impuls mit mehreren Maxima ungefähr gleicher Amplitude aufweist, entspricht der Durchschnittswert der Zeitpunkte der Maxima dem Synchronisationszeitpunkt. Beispielsweise enthält ein impulsförmiges Signal drei Maxima. Die Maxima des Impulses treten zu den Zeitpunkten t1, t2, t3 auf. Der Synchronisations­ zeitpunkt ts ergibt sich dann aus der Formel (t1 + t2 + t3)/3.
Bei dem bisher geschilderten Ausführungsbeispiel eines drahtlosen Netzwerks wird in einem Neben-Netzknoten ein Korrelator verwendet, der alle N Bits eines empfangenen Synchronisationsmusters auswertet. Außerdem müssen in einem Neben-Netzknoten für alle in dem drahtlosen Netzwerk der unterschiedlichen Abstandsklassen erforderlichen Synchronisationsmuster gespeichert werden. Dies kann vereinfacht werden, indem W Bits der N Bits eines Synchronisationsmusters als für einen Korrelator zur Auswertung notwendigen Synchronisationsteil verwendet werden, wobei W < N ist. Die restlichen N - W Bits dienen zur Codierung einer Nummer, welche eine Abstandsklasse kennzeichnet. Hiermit läßt sich die Korrelation vereinfachen und die Speicherung von unterschiedlichen Synchronisationsmustern verringern. Für den Haupt-Netzknoten in der Abstandsklasse RDC(0) wird beispielsweise die Nummer 0, für die Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(1) die Nummer 1 und für die Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(2) die Nummer 2 benutzt. Allgemein gesagt, kennzeichnet die Nummer i einen Neben-Netzknoten der Abstandsklasse RDC(i).
Nachdem die ersten W Bits eines empfangenen Synchronisationsmusters in einem Neben- Netzknoten verglichen worden sind, wertet eine Protokollvorrichtung 20 eines Neben- Netzknotens die restlichen N - W Bits des Synchronisationsmusters aus. Diese N - W Bits enthalten die eine Abstandsklasse kennzeichnende Nummer.

Claims (10)

1. Drahtloses Netzwerk mit mehreren Netzknoten jeweils bestehend aus wenigstens einem elektrischen Gerät und wenigstens einer Funkvorrichtung, welche jeweils zum Datenaus­ tausch über ein drahtloses Medium vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Netzknoten eine Taktversorgung zur Versorgung aller elektrischen Geräte und der Funkvorrichtung mit ihrem Takt enthält,
daß ein als Haupt-Netzknoten bezeichneter Netzknoten zur Sendung eines von dem Takt seiner Taktversorgung abhängigen Synchronisationsmusters über seine Funkvorrichtung vorgesehen ist,
daß alle anderen als Neben-Netzknoten bezeichneten Netzknoten verschiedenen hierarchisch geordneten Abstandsklassen in Abhängigkeit von ihrem Abstand zum Haupt- Netzknoten zugeordnet sind, welcher der höchsten Abstandsklasse zugeordnet ist,
daß alle Neben-Netzknoten einer Abstandsklasse zur Sendung eines von dem Takt ihrer jeweiligen Taktversorgung abhängigen, die Abstandsklasse kennzeichnenden Synchronisationsmusters über ihre jeweilige Funkvorrichtung vorgesehen sind und
daß ein Neben-Netzknoten zur Synchronisierung seiner Taktversorgung durch wenigstens ein empfangenes Synchronisationsmuster einer hierarchisch höheren Abstandsklasse vorgesehen ist.
2. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neben-Netzknoten nach der Inbetriebnahme
  • 1. seine zugeordnete Abstandsklasse durch Messung von Synchronisationsmustern der jeweiligen Abstandsklasse findet und
  • 2. sich der Abstandsklasse zuordnet, die um eine Abstandsklasse niedriger ist als die Abstandsklasse des Synchronisationsmusters der höchsten Abstandsklasse aller eine genügend gute Empfangsqualität aufweisenden Synchronisationsmuster ist.
3. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neben-Netzknoten in bestimmten zeitlichen Abständen zur Messung der Empfangsqualität aller Synchronisationsmuster bis auf das eigene Synchronisationsmuster vorgesehen ist und daß ein Neben-Netzknoten nach Auswertung der Messungen sich der Abstandsklasse zuordnet, die um eine Abstandsklasse niedriger ist als die Abstandsklasse des Synchro­ nisationsmusters der höchsten Abstandsklasse aller eine genügend gute Empfangsqualität aufweisenden Synchronisationsmuster ist.
4. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neben-Netzknoten nach der Messung der Empfangsqualität aller Synchronisati­ onsmuster bis auf das eigene Synchronisationsmuster nicht mehr zur Aussendung seines eigenen Synchronisationsmuster vorgesehen ist und sich einer um eine Abstandsklasse verringerten Abstandsklasse zuordnet, wenn nur das bisher selbst gesendete Synchroni­ sationsmuster eine genügend gute Empfangsqualität aufweist.
5. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neben-Netzknoten während der Zeit, in der ein Synchronisationsmuster erwartet wird, zur Korrelation des empfangenen Signals mit einem gespeicherten Synchronisations­ muster und zur Angabe des Empfangs des Synchronisationsmusters vorgesehen ist, wenn das Korrelationsergebnis einem erwarteten Wert entspricht.
6. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator nach Empfang eines einzelnen Synchronisationsmusters während der erwarteten Zeit zur Ausgabe eines impulsförmigen Signals vorgesehen ist, dessen maximaler Wert den Synchronisationszeitpunkt für die Taktsynchronisation angibt.
7. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator nach Empfang mehrerer Synchronisationsmusters während der erwarteten Zeit zur Ausgabe eines impulsförmigen Signals vorgesehen ist, aus dessen mehreren maximalen Werten sich der Synchronisationszeitpunkt für die Taktsynchro­ nisation ergibt.
8. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funkvorrichtung eines Neben-Netzknotens eine Schnittstellenschaltung, eine Protokollvorrichtung, ein Modem und eine Hochfrequenzschaltung enthält, daß die Schnittstellenschaltung zum Austausch von Daten zwischen Bussystem und Protokollvorrichtung und die Protokollvorrichtung wenigstens zur Steuerung des Zugriffs von Daten von und zum drahtlosen Medium und zur Auswertung von empfangenen Daten vorgesehen ist.
9. Drahtloses Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Netzknoten zu sendenden Synchronisationsmuster alle jeweils einen identischen Teil und einen zweiten unterschiedlichen Teil zur Kennzeichnung einer Abstandsklasse aufweisen.
10. Netzknoten eines drahtlosen, mehrere weitere Netzknoten enthaltenden Netzwerks bestehend aus wenigstens einem elektrischen Gerät und wenigstens einer Funkvorrichtung, welche jeweils zum Datenaustausch über ein drahtloses Medium vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Netzknoten eine Taktversorgung zur Versorgung aller elektrischen Geräte und der Funkvorrichtung mit ihrem Takt enthält,
daß der als Neben-Netzknoten bezeichnete Netzknoten einer Abstandsklasse angehört, die Bestandteil von verschiedenen hierarchisch geordneten Abstandsklassen in Abhängigkeit von ihrem Abstand zu einem Haupt-Netzknoten ist, welcher der höchsten Abstandsklasse zugeordnet ist,
daß der Neben-Netzknoten zur Sendung eines von dem Takt der jeweiligen Taktver­ sorgung abhängigen, seine zugehörige Abstandsklasse kennzeichnenden Synchronisationsmusters über seine Funkvorrichtung vorgesehen ist und
daß der Neben-Netzknoten zur Synchronisierung seiner Taktversorgung durch wenigstens ein empfangenes Synchronisationsmuster einer hierarchisch höheren Abstandsklasse vorgesehen ist.
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