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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein System zur effizienten Clusterheadbildung in Inter- und Intra-Cluster Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in einer Sensorcloud.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In der Sensor-Cloud sammeln und akkumulieren Sensoren Daten und übertragen sie an die Cloud, die eine Gruppe von drahtlosen Sensornetzen (wireless sensor network - WSN) ist. Eine Sensorwolke (Sensorcloud) besteht aus drei Hauptkomponenten, nämlich dem Client, der Wolke und dem WSN. In WSN verbraucht der Prozess der Clusterbildung zur Auswahl des Clusterkopfes (cluster head - CH) Energie, wobei ein CH als Brücke zwischen der Basisstation (BS) und den Mitgliedsknoten fungiert.
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Bei der Optimierung der Energieeffizienz ist die ANP-basierte Clusterkopfauswahl eine der wichtigsten Aufgaben. Das Problem ist, dass die meisten der CH-Bildung abhängt von einzelnen Kriterien wie Restenergie oder Knotendichte oder Senke oder BS Entfernung. Die Abhängigkeit von einzelnen Kriterien schafft ein Problem, wie z.B.: wenn der CH auf der Basis der Restenergie ausgewählt wird, dann wird der Knoten mit höherer Energie weit von der BS entfernt sein. Daher reichen einzelne Kriterien für die Auswahl des CH nicht aus, und es müssen mehrere Kriterien und Schwellenwerte für die Auswahl des CH berücksichtigt werden.
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In Anbetracht der vorangegangenen Diskussion wird deutlich, dass ein System für eine effiziente Clusterkopfbildung in Inter- und Intra-Cluster-Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in der Sensorcloud benötigt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein System für eine effiziente Clusterkopfbildung in Inter- und Intra-Cluster-Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in der Sensorcloud, wobei ein neuartiges LEACH-Clustering-Protokoll vorgeschlagen wird, das als MCDM-basiertes Protokoll (Multi-Criteria Decision Making) bekannt ist. Das System ist für eine effiziente Cluster-Bildung mit einem Schwellenwert von Analytical Network Process (ANP) für Multi-Hopping-inter-intra-Cluster-Kommunikationsmodell in der Sensor-Cloud vorgeschlagen, wobei die Cluster-Bildung für Sensor-Cloud in Non-Terrestrial Network-basierte Anwendung mit MCDM-Technik vorgeschlagen wird. Das vorgeschlagene System verbessert die Ergebnisse um 5%, wenn es mit der Analytical Hierarchy Process (AHP) Clustering-Methode verglichen wird. Das vorgeschlagene System verbessert die Lebensdauer des Netzwerks, die Energieeffizienz, die geringere CH-Verformung und den Kontroll-Overhead um 10% im Vergleich zu den traditionellen Ansätzen. Das vorgeschlagene System, das die MCDM-Technik verwendet, ist energieeffizienter und bietet eine bessere Netzwerklebensdauer als alle anderen traditionellen Ansätze.
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Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, ein System für eine effiziente ClusterheadBildung in Inter- und Intra-Cluster-Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in einer Sensor-Cloud bereitzustellen. Das System umfasst: eine CH-Auswahleinheit zum Auswählen eines Clusterkopfes unter Verwendung einer MCDM-basierten Technik; eine Clusterbildungseinheit zum Bilden eines Clusters von Knoten, wobei der Clusterkopf die Beitrittsanforderung an andere Knoten im Netzwerk sendet, und wenn diese Knoten die Anforderung erfolgreich akzeptieren, wird ein Cluster gebildet; eine Intra-Cluster-Kommunikationseinheit für die Kommunikation von Knoten im selben Cluster, wobei die Knoten direkt Daten vom CH in einem Bereich von 5 Metern senden oder empfangen, innerhalb dessen eine Single-Hop-Kommunikation stattfindet und jenseits dessen eine Multi-Hop-Kommunikation stattfindet; und eine Inter-Cluster-Kommunikationseinheit für die Kommunikation von Knoten zwischen Clustern zu einem anderen Cluster, wobei Daten zwischen der Senke und dem CH empfangen oder gesendet werden, und wobei innerhalb eines Bereichs von 20 Metern die Kommunikation Single-Hop und jenseits dieses Bereichs die Kommunikation Multi-Hop ist.
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Ein Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, ein System für eine effiziente ClusterheadBildung in Inter- und Intra-Cluster-Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in einer Sensor-Cloud bereitzustellen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine effiziente Clusterbildung für Sensorclouds in nicht terrestrischen Netzwerken zu ermöglichen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Verwendung eines auf mehreren Kriterien basierenden Entscheidungsfindungsprotokolls (Multi-Criteria Decision Making, MCDC) zur Lösung des zeitabhängigen Verhaltens des Netzwerks.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Verwendung von Analytical Network Process (ANP) als MCDM-Technik für die Anwendung in nicht-terrestrischen Netzwerken.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, die Lebensdauer, den Durchsatz und die Stabilität des Netzes zu verbessern.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.
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Figurenliste
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:
- 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur effizienten Clusterheadbildung in Inter- und Intra-Cluster-Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in einer Sensorcloud gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 2 zeigt das ANP-Netzwerk für die Auswahl des Clusterkopfes (CH) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
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Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
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Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
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Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
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Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur effizienten Cluster-Kopf-Bildung in Inter- und Intra-Cluster-Multi-Hop-Kommunikationsmodellen in einer Sensor-Cloud gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 umfasst eine Clusterkopf (CH)-Auswahleinheit 102 zur Auswahl eines Clusterkopfes unter Verwendung einer auf Multikriterien-Entscheidungsfindung (MCDM) basierenden Technik.
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In einer Ausführungsform wird eine Clusterbildungseinheit 104 zur Bildung eines Clusters von Knoten verwendet, wobei der Clusterkopf die Beitrittsanfrage an andere Knoten im Netzwerk sendet und wenn diese Knoten die Anfrage erfolgreich annehmen, wird ein Cluster gebildet.
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In einer Ausführungsform wird eine Intra-Cluster-Kommunikationseinheit 106 für die Kommunikation von Knoten im selben Cluster verwendet, wobei die Knoten im Bereich von 5 Metern, innerhalb dessen eine Single-Hop-Kommunikation stattfindet, und jenseits dessen eine Multi-Hop-Kommunikation stattfindet, direkt Daten vom CH senden oder empfangen.
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In einer Ausführungsform wird eine Inter-Cluster-Kommunikationseinheit 108 für die Kommunikation von Knoten zwischen Clustern zu einem anderen Cluster verwendet, wobei Daten zwischen Senke und CH empfangen oder gesendet werden, und wobei innerhalb einer Reichweite von 20 Metern die Kommunikation Single-Hop und außerhalb dieser Reichweite die Kommunikation Multi-Hop ist.
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In einer Ausführungsform hängt die Auswahl des CH unter Verwendung der MCDM-Technik von vier Kriterien ab, nämlich Restenergie, Knotendichte, Abstand zur Senke und durchschnittlicher Abstand zwischen Knoten und seinen Nachbarn.
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In einer Ausführungsform werden die Knoten in der Nachbartabelle aktualisiert, wenn sie ein Paket mit Übertragungsreichweite empfangen, woraufhin die ANP-Methode (Analytical Network Process) zur Berechnung des Ranglistenindex der Knoten verwendet wird, auf dessen Grundlage der Clusterkopf ausgewählt wird.
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In einer Ausführungsform sendet oder empfängt der Kopfknoten (CH) in einer einzigen Runde nach der Clusterbildung Daten an den Senkenknoten und ruft Informationen an seine Mitgliedsknoten ab.
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In einer Ausführungsform wird der Clusterkopf im vorgeschlagenen System nicht für die nächste Runde ausgewählt, da die Auswahl vom Schwellenwert abhängt, wobei jenseits dieses Schwellenwerts die Auswahl des Clusterkopfes erneut erfolgt.
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In einer Ausführungsform wird eine Simulation des vorgeschlagenen Systems durchgeführt, bei der die Anfangsenergie aller Knoten bei 0,5 Joule gehalten wird, und auf der Grundlage von Parametern wie Netzwerkstabilität, Lebensdauer, Energieverbrauch, Kontroll-Overhead und Durchsatz wird das vorgeschlagene System mit traditionellen LEACH-Ansätzen verglichen.
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2 zeigt das ANP-Netzwerk für die Auswahl des Clusterkopfes (CH) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. In dieser Offenbarung wird die CH-Auswahl (CHS) mit Hilfe der ANP-Methode (Analytical Network Process) für nicht terrestrische Netzanwendungen durchgeführt. Die Auswahl des Clusterkopfes hängt von vier Kriterien (202) ab: Restenergie (201), Knotendichte (203), Abstand zur Senke (205), durchschnittlicher Abstand zwischen Knoten und seinem Nachbarn (207). Jeder Knoten enthält diese vier Kriterien (202) in der Phase der Nachbarschaftssuche, wobei die Knoten eine Knoten-ID haben. Wenn die Knoten das Paket mit der Übertragung empfangen, werden die Knoten in ihrer Nachbarschaftstabelle aktualisiert, und danach wird der Ranking-Index mit der ANP-Methode berechnet und das Hallo-Paket wird unter den Nachbarknoten verteilt. Die nächste Phase ist die Clusterbildung und Clusterauswahl. Die Ränge der Alternativen werden mit der ANP-Methode berechnet. Der erste Schritt ist die Berechnung der paarweisen Vergleichsmatrix auf der Grundlage dieser vier Kriterien (202). Die Saaty-Skala-Vergleichsmatrix wird unter Verwendung der Unterkriterien (204) Stabilität (208), Energieverbrauch (209), Lebensdauer (210), CH-Stabilitätsverhältnis (211), Steuerungsaufwand (212), Durchsatz (213), verbleibende Energie des Knotens (214), Knotenabstand zwischen zwei benachbarten Clustern (215) und Abstand zwischen Knoten und Senke zwischen zwei benachbarten Clustern (216) berechnet. Nach der Berechnung der pariweisen Matrix wird eine Supermatrix berechnet, wobei die Gewichtung der Supermatrix durch Matrixmultiplikation mit der Priorität der Unterkriterien (204) in der letzten Stufe berechnet wird und dann die beste Strategie der Alternativen (206) berechnet wird. Auf der Grundlage der Kriterien (202) und Unterkriterien (204) wird der Knoten mit dem höchsten Rang als Clusterkopf verwendet. Der Kopf sendet die Beitrittsanfrage an andere Knoten, und wenn diese die Anfrage akzeptieren, wird ein Cluster erstellt.
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In einer Ausführungsform ist die Energienutzung im traditionellen LEACH-Algorithmus höher, was auch zu einem Anstieg der Anzahl der toten Knoten führt, weshalb der Energieverbrauch im Fall des traditionellen LEACH-Algorithmus geringer ist. Bei der vorgeschlagenen MCDM-Technik mit LEACH, bei der die Auswahl des Clusterkopfes von einem Schwellenwert abhängt, ist der Energieverbrauch höher als beim traditionellen LEACH-Algorithmus. Im Falle von AHP mit LEACH ist die Energienutzung höher und der Energieverbrauch geringer als bei ANP mit LEACH.
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In einer Ausführungsform ist der Durchsatz des traditionellen LEACH-Algorithmus geringer, da es sich um eine Single-Hop-Kommunikation handelt. Auf der anderen Seite sind LEACH ANP und LEACH AHP eine Multi-Hop-Kommunikation. Aber der Durchsatz des LEACH AHP ist geringer als der des LEACH ANP, wenn die Anzahl der Kriterien höher ist.
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In einer Ausführungsform werden die Simulationsstudien unter Verwendung von 100 Knoten durchgeführt, die für die CH-Auswahl im Multicast-LEACH in Betracht gezogen werden, wobei der Bereich des Netzwerks ein Quadrat von (100 x 100) Metern ist, in dem sich die Senke oder Basisstation in einer Position von 50 x 100 Quadratmetern im Netzwerk befindet, und wobei die Anfangsenergie der Knoten bei 0,5 Joule gehalten wird.
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Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
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Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ein System zur effizienten Bildung von Clusterköpfen
- 102
- Einheit zur Auswahl von Clusterköpfen
- 104
- Einheit zur Bildung von Clustern
- 106
- Intra-Cluster-Kommunikationseinheit
- 108
- Inter-Cluster-Kommunikationseinheit
- 110
- Auswahl von Clusterköpfen
- 202
- Kriterien für die Auswahl von Clusterköpfen
- 204
- Unterkriterien für die Auswahl von Clusterköpfen
- 206
- Alternativen für die Auswahl von Clusterköpfen
- 201
- Restenergie
- 203
- Entfernung der Knotenpunkte
- 205
- Entfernung zur Senke
- 207
- Durchschnittlicher Abstand zwischen Knoten und seinen Nachbarn
- 208
- Stabilität
- 209
- Energieverbrauch
- 210
- Lebenszeit
- 211
- Cluster-Kopf-Stabilitätsverhältnis
- 212
- Kontroll-Overhead
- 213
- Durchsatz
- 214
- Verbleibende Energie des Knotens
- 215
- Knotenabstand zwischen zwei benachbarten Clustern
- 216
- Abstand der Knoten zur Senke zwischen zwei benachbarten Clustern
- 217
- Knoten 1
- 218
- Knoten 2
- 219
- Knoten 3
- 220
- Knoten 4
