DE4213783C1 - Verfahren zur Feststellung und Behebung von Störungen in Funknetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Funknetze, insbesondere Funkmeßdatenerfassungsnetze, werden im allgemeinen durch eine Zentrale gesteuert. Die anderen Funkstellen oder Funkmeßstellen sind in einer Ketten-, Stern- oder gemischten Struktur mehr oder weniger um die Zentrale angeordnet. Oft sind die Entfernungen so groß, daß die Leitstelle nicht jede Funkstelle erreichen kann. Daher werden z. T. zusätzliche Funkstellen als sogen. Relais- oder Repeater (Wiederholer)-Funkstellen zur Nachrichtenübermitt­ lung an die Endstelle benutzt. Solche Systeme müssen zuver­ lässig arbeiten. Funkstörungen führen zum kurz- oder lang­ fristigen Zusammenbrechen der Übermittlung.

Es ist bekannt, in einem verkabelten Rechnernetz die Rech­ ner nacheinander in einer bestimmten festgelegten Reihen­ folge oder nach einer Prioritätsverteilung arbeiten zu las­ sen. Zum Teil werden auch Kollisionen in Kauf genommen. Beim Auftreten von Fehlern in der Übermittlung werden in der Regel die Daten wiederholt oder die Daten mit Hilfe der Protokollsicherung korrigiert. Da das Rechnernetz sein ei­ genes Leitungsnetz (Kabel) hat, treten Störungen nicht sehr häufig auf. Andernfalls kann im allgemeinen der Störer lo­ kalisiert werden, so daß dauerhafte Störschutzmaßnahmen eingeführt werden können. Leider können derartige verkabel­ te Netzsysteme nicht direkt für Funkverfahren verwendet werden. Die Funkübertragungen lassen sich wesentlich schlechter schützen als Leitungsübertragungen. Durch die vielen Funkdienste und durch die umweltbedingten Störungen sowie aufgrund der häufig geforderten großen Reichweiten sind die Nutzsignale am Empfänger oft an der Stör- oder Rauschgrenze. Dadurch werden kurz- und mittelfristige Über­ mittlungsunterbrechungen verursacht, so daß die Systeme ih­ re Aufgaben nicht mehr erfüllen können.

Schon die Erkennung der Fehlerursache ist ein erster Schritt zur Störungsminderung. Es können dann geeignete Ge­ genmaßnahmen gesucht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß bei gerin­ gem Aufwand Störungen, die beim Aufbau und Erhalt von Funk­ netzen festgestellt werden, durch geeignete Maßnahmen beho­ ben werden. Diese Störungen können durch externe Störer, Störungen an den Geräten oder zu geringe Nutzsignalstärken verursacht sein.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Danach ist eine Funkstelle in einem Funk­ netz als Leitstelle definiert. In der Regel ist diese Stel­ le eingerichtet zur Organisation des Funknetzes und ggf. auch zur Übermittlung an andere funk- oder leitungsgebunde­ ne Stellen oder zum Protokollieren von Meßdaten oder zum Absenden oder Empfangen von Nachrichten. Grundsätzlich kann aber auch eine andere Funkstelle vorübergehend als Leit­ stelle arbeiten, wenn von ihr ein Funkaufbau ausgelöst wird.

Der Begriff Funkkette steht für die reihenförmige Anordnung von Funkstellen. Ein Funknetz kann aus mehreren Funkketten bestehen.

Grundsätzlich ist die Funktion der Leitstelle auch auf an­ dere Funkstellen in dem Funknetz übertragbar, wenn z. B. ei­ ne andere Funkstelle selbst eine Funkübermittlung von sich aus eröffnen will.

Von der Leitstelle wird an eine oder mehrere andere Funk­ stellen der Aufbau einer Funkkette weitergegeben. Dazu wird diese Funkstelle zur ersten Funkvermittlungsstelle erklärt. Die erste Funkvermittlungsstelle bestätigt der Leitstelle, daß sie den Auftrag erhalten hat. Sie nimmt jetzt selbst Kontakt auf mit der nächsten, also zweiten Funkvermitt­ lungsstelle oder ggf. einer Endstelle. Wenn diese Kontakt­ aufnahme nicht erfolgreich ist, also diese zweite Stelle der ersten Funkvermittlungsstelle nicht die Funkverbindung bestätigt, dann meldet die erste Funkverbindungsstelle an die Leitstelle zurück, daß kein Kontakt aufgenommen wurde.

Mit der Bestätigung des Funkempfangs kann auch die Emp­ fangssignalstärke übertragen werden. Das Protokoll der Emp­ fangssignalstärke ist nützlich zur Feststellung der Signal­ qualitäten bzw. beim Ermitteln von Fehlern.

Im Prinzip kann das System natürlich durch beliebig viele Teilnehmer fortgesetzt werden. Beispielsweise besteht der Bedarf, entlang von Wasserwegen etwa 50 Funkstellen über eine gesamte Entfernung von 15 km miteinander zu verbinden. Aufgrund der gegebenen geringen Sendeleistung und im allge­ meinen ungerichteten Antennen liegen die Reichweiten zwi­ schen den Funkstellen in der Praxis oft nur bei einem km. Somit werden die einzelnen Meßdatenerfassungsstellen so an der Wasserstraße angeordnet, daß sie auch als Funkvermitt­ lungsstelle über die gesamte Strecke dienen können.

Die Meßwerterfassung kann beispielsweise stündlich oder täglich erfolgen. Fehler in der Meßwerterfassung müssen so­ fort angezeigt werden. Andernfalls könnte Schaden durch falsches Steuern oder Nichtsteuern von Pumpen und dergl. entstehen.

In anderen Anwendungen wird mit diesen Meßdaten die Schad­ stoffemission verfolgt, oder in wiederum anderen Netzen können Verkehrsampeln und dergl. geschaltet werden. In je­ dem Fall kann ein langfristiges Ausbleiben der Daten zu ei­ nem mehr oder minder großen Schaden führen.

Durch die Rückmeldung des nicht zustande gekommenen kom­ pletten Funkaufbaus wird an der Leitstelle sofort erkannt, wo die Funkkette oder Funkstrecke unterbrochen ist, so daß sogleich von Hand oder automatisch abgestimmte Gegenmaßnah­ men eingeleitet werden können.

Nach Anspruch 2 wird festgestellt, daß die Frequenz an ei­ nem gestörten Ort bereits durch einen anderen Teilnehmer oder sonstigen Störer belegt ist. Von Vorteil für die Behe­ bung der Störung ist es, daß man schon erkennt, daß es sich voraussichtlich nicht um einen Gerätefehler handelt.

Mit Geräten, die ihre Frequenz ändern können, kann das Sy­ stem nach Anspruch 3 ggf. automatisch eine neue Frequenz wählen. Die Frequenzänderung ist dann besonders geeignet, wenn an dieser Stelle nur die erste Frequenz gestört ist. Durch Benutzung der zweiten Frequenz wird die Funkkette weiter fortgesetzt. Nach der nächsten Funkstelle kann ggf. wieder mit der ersten Frequenz gearbeitet werden. Die Fern­ meldebehörden weisen vorzugsweise nur eine Frequenz zu. In der Regel ist die Benutzung einer zweiten oder weiteren Frequenz als Ausweich- oder Hilfsfrequenz jedoch gestattet. Hierdurch wird das gesamte Funkverfahren sehr viel be­ triebssicherer.

Der Frequenzwechsel sollte von den Funkstellen automatisch durchgeführt werden können. Da die Funkstellen im allgemei­ nen nicht auf mehreren Frequenzen gleichzeitig arbeiten bzw. empfangen können, ist es wichtig, daß die jeweils mit­ einander verkehrenden Funkstellen auf die gleiche Frequenz schalten.

Es bietet sich an, zu festgelegten Zeiten auf der ersten Frequenz und dann bei nicht erfolgreicher Verbindung auf der alternativen Frequenz zu arbeiten. Hierfür müssen die Steuerzeitgeber entsprechend genau laufen.

Ebenso kann das Umschalten von der ersten auf die andere Frequenz für jede Funkstelle eigene unterschiedlich festge­ legte Zeitraster haben. Dadurch ist sichergestellt, daß kein dauerhafter fehlerhafter Gleichlauf auftritt, daß also nicht ständig eine Funkstelle auf der ersten Frequenz ar­ beitet, während die andere Funkstelle auf die zweiten Fre­ quenz geschaltet ist bzw. umgekehrt. Die gesamte Umlaufzeit sollte für jede Funkstelle unterschiedlich sein.

Eine einfache Möglichkeit, die Funkstellen auf die gleiche Frequenz zu triggen, ist, das Umschalten für jede Funkstel­ le mit einem eigenen Zufallsgenerator zu steuern. Im Mittel werden sich die Funkstellen dann bereits nach einigen weni­ gen Versuchen auf der gleichen Frequenz gefunden haben. Die angesprochene Funkstelle bestätigt die Funkverbindung auf der richtigen Frequenz. Ein weiterer Frequenzwechsel ist zwischen diesen beiden Funkstellen dann nicht mehr erfor­ derlich.

Sollte eine Funkvermittlungsstelle nicht in der Lage sein, den Aufbau einer Funkkette fortzusetzen, dann kann sie nach Anspruch 4 den erfolglosen Versuch an die Funkleitstelle zu­ rückmelden. Die erfolglose Funkvermittlungsstelle oder auch die Leitstelle können eine andere Funkstelle mit dem weite­ ren Aufbau des Funknetzes bzw. der Funkkette beauftragen. Diese andere Funkstelle kann sich in einer untergeordneten Kette quer zur Hauptkette oder einer parallelen Kette be­ finden. Dadurch kann eine beispielsweise defekte Funkstelle übergangen werden. Das Funknetz kann somit die wesentliche Funktion erfüllen.

Für Meßwertübertragungen (Telemetrie) sind häufig nur sehr geringe Bandbreiten notwendig. Schmalbandige Systeme haben eine größere Reichweite. Leider kann man jedoch diese Schmalbandigkeit im allgemeinen nicht nutzen, da die Oszil­ latoren der Sender und Empfänger zu unstabil sind. Die Sen­ de- bzw. Empfangsfrequenzen der Geräte laufen so weit aus­ einander, daß sich die Teilnehmer nicht mehr auf der glei­ chen Frequenz befinden und somit kein Funkkontakt zustande kommt. Nach Anspruch 5 ist es daher von Vorteil, mindestens eine der Funkstellen als quasi Frequenznormalstelle auszu­ rüsten. Im Prinzip könnte sogar ein relativ unstabiler Os­ zillator benutzt werden, wenn die Frequenzdrift zwischen den einzelnen Übertragungsintervallen nur gering ist.

Sinnvoller ist es allerdings, gleich einen stabilen Oszil­ lator (Frequenznormal) oder einen temperaturstabilisierten Oszillator oder dergl. oder auch einen Frequenznormalemp­ fänger zu verwenden. Hiermit wird die Forderung der Tele­ kommunikationsbehörden nach Frequenzstabilität besonders gut erfüllt.

Die Nachsteuerung der Oszillatoren auf die Referenzfrequenz kann mit Hilfe eines Mikrorechners durchgeführt werden. Hierfür wird das empfangene Signal mit dem eigenen Signal verglichen. Der Mikrorechner regelt das eigene Signal nach, bis die Differenz ausreichend klein ist. Die Regelgröße (Korrekturwert) wird gespeichert, so daß bei der nächsten Funkeröffnung gleich die richtige Empfangsfrequenz geschal­ tet ist.

Die Funkstellen, die sich in bezug auf eine Referenzfre­ quenzfunkstelle selbst korrigiert haben, dienen nachfolgen­ den Funkstellen wiederum als Referenz (Sekundärreferenz) usw. Es spielt dabei technisch an sich eine untergeordnete Rolle, daß sich dabei bis zur Funkendstelle Frequenzfehler in der gleichen Richtung addieren können. Wichtig ist le­ diglich, daß der von den Telekommunikationsbehörden vorge­ gebene Frequenzkanal nicht verlassen wird.

Durch dieses Frequenzkorrekturverfahren läßt sich die Be­ triebszuverlässigkeit des Netzes bzw. der Kette sehr ver­ bessern. Vorteilhaft ist auch die Rückmeldung der notwendi­ gen Regelgröße (Korrekturwert) an die Funkstelle. Im allge­ meinen hat jeder Oszillator bzw. der Frequenzkanal nur eine bestimmte zulässige Frequenzbreite. Das Erreichen der Gren­ ze deutet auf einen Fehler hin.

Insbesondere bei den Telemetrieanwendungen werden für die Datenübertragung z. T. nur einige Millisekunden benötigt. Je nach Bedarf kann es ausreichend sein, die Daten stünd­ lich oder täglich zu erfassen. Da man bei den Telemetriege­ räten in der Regel die notwendige Energie aus Primärbatte­ rien, Akkumulatoren, Solarzellen oder dergl. bezieht, ist man auf eine sparsame Energiehaushaltung angewiesen. Nach Anspruch 6 ist es daher von Vorteil, die Sender und Empfän­ ger bis zu dem vorausgeplanten Zeitpunkt ausgeschaltet zu lassen. Die Funkstellen verfügen direkt oder indirekt über eine Uhr, die den Empfänger zum gegebenen Zeitpunkt wieder einschaltet. Nur für eine relativ kurze Zeit muß der Emp­ fänger eingeschaltet sein, so daß nur wenig Energie benö­ tigt wird.

Die Ein- und Ausschaltzeiten können fest gegeben sein. Sie lassen sich aber auch grundsätzlich beispielsweise durch die Funkleitstelle für die nächste Übertragung neu bestim­ men. Hierzu kann die Funkleitstelle gleich bei der Funke­ röffnung die neue Empfangszeit für die nächste Funkeröff­ nung mit übertragen.

Anspruch 7 beschreibt ein Verfahren, besondere Störungen schnell feststellen zu können. Hierzu wird das Funkgerät von einem Sensor gesteuert. Für den Fall, daß der Sensor den Ausfall einer Maschine, einen Dammbruch oder ähnliche Betriebsstörungen feststellt, wird der Sender der Funkstel­ le eingeschaltet. Es ist ausreichend, daß benachbarte bat­ teriebetriebene Funkstellen nur zu bestimmten Zeiten, bei­ spielsweise alle fünf Minuten, für einige Millisekunden empfangsbereit sind, so daß sie die Alarmmeldung aufnehmen und an die Fundstelle übermitteln können. Eine durchgehende Empfangsbereitschaft ist bei batteriebetriebenen Geräten nachteilig, weil sonst zuviel Energie benötigt wird. Dies gilt natürlich auch für den Akkumulator- oder Solarzellen­ betrieb.

Einige Sensoren können auch Erschütterungen und Lageverän­ derungen feststellen, so daß sie Bewegungen erkennen, die für Vandalismus und den Versuch, die Batterien oder das Ge­ rät zu entwenden, üblich sind. Vorteilhaft ist, daß ein solcher Versuch schnell erkannt werden kann, so daß die Tat erschwert oder möglicherweise auch verhindert wird.

Nach Anspruch 8 kann die Funkstelle in einem Kunststoffge­ häuse untergebracht sein. Hierfür bietet sich beispielswei­ se an, bei Pegelmessungen im Brunnen die Funkstelle mit Batterie und Antenne in einem Brunnenrohr aus Kunststoff zu montieren. Diese Montageart ist auch bei Metallröhren mög­ lich. Allerdings kann es dann erforderlich sein, das Rohr auch als Teil der Antenne zu verwenden (Schlitzantenne, Sperrtopfantenne). Derartig ausgeführte Rohre sind entweder nicht oder nur von einem Fachmann von den nichtausgerüste­ ten Brunnen zu unterscheiden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß Störungen im Aufbau von Funknetzen so­ fort erkannt werden, so daß geeignete Maßnahmen zur Behe­ bung der Störung eingeleitet werden können. Zur direkten Behebung der Störungen bietet sich ein Frequenzwechsel oder ein Weiterleiten des Funkaufbaus an benachbarte Funkstellen an. Das Stabilisieren der Sende- und Empfangsfrequenzen der einzelnen Funkstellen und die Energieeinsparung zur Scho­ nung der Batterien sind weitere Maßnahmen, um die Zuverläs­ sigkeit zu erhöhen. Durch besondere Ausführungsformen und Sensoren sind die Funkstellen auch gegen Beschädigungen ge­ schützt bzw. in der Lage, Störmeldungen sofort an die Leit­ stelle weiterzuleiten. Das Verfahren ist für den automati­ schen Ablauf geeignet. Der Aufwand zur Durchführung des Verfahrens ist gering.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Zu sehen ist ein Funknetz, bestehend aus einer Leitstelle 1 und mehreren Funkvermittlungsstellen und Endstellen. Zunächst wird der Aufbau des Funknetzes durch die Leitstel­ le 1 an die erste Funkvermittlungsstelle 2 weitergege­ ben. Die Funkstelle 2 bestätigt diesen Auftrag und spricht zunächst die Endstelle 3 an. Handelt es sich bei­ spielsweise bei den Funkstellen auch um Meßstellen, so wür­ de Funkendstelle 3 die Meßdaten an Funkstelle 2 zurück­ schicken. Hier werden sie zwischengespeichert, um sie dann zusammen mit den Daten der anderen Meßstellen an die Leit­ stelle 1 zu übermitteln.

Nun erfolgt der Versuch der Verbindungsaufnahme mit Funk­ stelle 5. Diese Verbindung kommt jedoch nicht zustande. Funkstelle 2 kann nach nochmaligem Versuch auf der glei­ chen Frequenz auch einen Versuch auf einer zweiten oder dritten Frequenz unternehmen. Sind diese Versuche ebenfalls erfolglos, bietet sich an, die Aufgabe zum weiteren Aufbau des Funknetzes an eine andere Funkstelle weiterzugeben. Ge­ eignet scheinen die Funkstellen 3 und 4 zu sein.

Funkstelle 4 bestätigt den Auftrag und kann nun selbst versuchen, direkt oder indirekt Kontakt mit Funkstelle 5 aufzunehmen. Sollte dies nicht möglich sein, liegt even­ tuell ein Defekt an Funkstelle 5 vor. Der Ausfall der Funkverbindung zwischen Funkstelle 2 und 5 kann aber durch eine vorübergehende Abschattung, z. B. durch ein par­ kendes Fahrzeug 6, aufgetreten sein.

Funkstelle 2 meldet, daß der Kontakt mit Funkstelle 5 nicht, wie ursprünglich geplant, aufgenommen werden konnte. Sollte dieser Fehler als dauerhafter schwerer Mangel fest­ gestellt werden, können vom Fachpersonal geeignete Abstell­ maßnahmen angestrebt werden. Sollte es sich nur um einen geringen Mangel handeln, kann in Zukunft die Funkverbindung über die Funkstelle 4 abgewickelt werden.

Es ist leicht durchführbar, daß bei jedem Verbindungsaufbau zwischen den Funkstellen auch die Empfangssignalstärke zu­ rückgemeldet wird. Hierdurch läßt sich die Qualität des Funknetzes protokollieren. Im Falle von Störungen lassen sich die Ursachen besser erkennen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Feststellung und Behebung von Störungen in Funknetzen, die mindestens aus einer Funkleitstelle, einer Funkvermittlungsstelle und einer Funkendstelle bestehen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Nachrichten zwischen der Funkleitstelle und der oder den Funkendstellen ausgetauscht werden und daß hierfür min­ destens eine erste oder mehrere Funkvermittlungsstellen be­ nutzt werden, wodurch somit eine Funkkette zur Nachrichte­ nübermittlung aufgebaut wird,
• - daß die Leitstelle Kontakt mit einer ersten Funkvermitt­ lungsstelle aufnimmt und diese Funkvermittlungsstelle die Funkeröffnung bestätigt und diese Funkvermittlungsstelle die Funkvermittlung an eine zweite Funkvermittlungsstelle oder eine Endstelle weitergibt, die dann ebenfalls an die vorherige Funkvermittlungsstelle den Empfang bestätigt, und
• - daß für den Fall, daß auf dem Weg zur Endstelle keine Funkverbindung aufgebaut werden kann, die letzte Funkvermittlungsstelle in der funktionierenden Funkkette den erfolglosen Funkauf­ bau an die Leitstelle zurückmeldet, so daß das fehlende Glied in der Funkkette erkannt wird und geeignete Maßnahmen zur Behebung der Störungen eingeleitet werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die letzte Funkvermittlungsstelle in der aufgebauten Funkkette prüft, ob die Frequenz durch einen weiteren Funkteilnehmer oder Störer belegt ist und dies zurückmeldet.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Funkleitstelle und die Funkvermittlungsstellen auf mehreren Frequenzen arbeiten kön­ nen und
• - daß die letzte Funkvermittlungsstelle in der aufgebauten Funkkette versucht, eine Funkverbindung über eine andere Frequenz zu erstellen und
• - daß der Frequenzwechsel nach einem festgelegten Plan oder durch zufälliges Umschalten zwischen den Frequenzen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Aufgabe zur Erweiterung der Funkkette an eine be­ nachbarte Funkvermittlungsstelle weitergegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens an der Funkleitstelle oder an einer Funkvermittlungsstelle im Funknetz ein stabi­ ler Frequenzgeber oder Normalfrequenzempfänger vorhanden ist und
• - daß hiermit die Sendefrequenz stabili­ siert wird und
• - daß andere Funkvermittlungsstellen Signale mit dieser stabilisierten Frequenz empfangen und als Referenz benutzen, um sich selbst zu korrigieren, so daß sie selbst als Referenz für weitere Funkvermittlungsstellen dienen können.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der Funkbetrieb nur zu bestimmten festgelegten Zeiten aufgenommen wird, so daß die Sender und Empfänger des Funk­ netzes meistens ausgeschaltet sind und
• -daß die nächste Sende-/Empfangszeit von einer Zentrale übermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Funkleitstelle, die Funkvermittlungsstellen und die Funkendstelle mit einem Sensor zur Auslösung einer Meldung bei Diebstahl, Vandalismus oder einer Alarmgebung ausgestattet sind, und
• - daß sie in der Funkkette zu bestimmten Zeiten empfangsbereit sind, um ggf. die Meldung aufzunehmen und weiterzuleiten.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Funkleitstelle, die Funkvermittlungsstellen und die Funkendstelle Meßdaten aus Brunnen übertragen und
• - daß sie dadurch gegen Diebstahl oder Vandalismus geschützt werden, daß die gesamte Einheit aus Hochfrequenzteil, Rechner, Antenne und Batterien bzw. Akkus in dem Brunnenrohr unter­ gebracht ist, so daß sie nicht auffällt und dem direkten Zugriff entzogen ist.