EP3891900A1 - Funkknoten zum betrieb in einem funknetz in umgebung eines sperrgebiets - Google Patents

Funkknoten zum betrieb in einem funknetz in umgebung eines sperrgebiets

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Publication number
EP3891900A1
EP3891900A1 EP19794474.7A EP19794474A EP3891900A1 EP 3891900 A1 EP3891900 A1 EP 3891900A1 EP 19794474 A EP19794474 A EP 19794474A EP 3891900 A1 EP3891900 A1 EP 3891900A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radio
radio node
transmission
nodes
transceiver
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19794474.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Steckenreiter
Nicola Kleppmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kt Elektronik GmbH
Original Assignee
Kt Elektronik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kt Elektronik GmbH filed Critical Kt Elektronik GmbH
Publication of EP3891900A1 publication Critical patent/EP3891900A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks

Definitions

  • the invention relates, inter alia, to a radio node which is designed for use in a meshed network which is in the region of at least one restricted area, in which only the radio signals with an energy density less than a predetermined one
  • Threshold may be sent.
  • Individual functions of the radio nodes can be implemented using software (e.g. computer program) that is stored on one or more computer-readable storage media.
  • the meshed network can be, for example, a sensor network.
  • sensor networks can be used in a wide variety of areas (for example, in fogistics / goods management (e.g. in Fagerbliusem), for monitoring and / or controlling production facilities, power plants, etc., for monitoring nature reserves (e.g. for pollutants, forest fires and
  • a distributed sensor network consists of a plurality of distributed sensor nodes that communicate with one another.
  • Sensor networks usually refer to networks in which data is recorded by sensors and transmitted (wirelessly). The various data recorded by sensors, e.g. physical quantities, for
  • a sensor network can form sensor network.
  • the main difference between a sensor network and local area networks (FAN), WFANs and mobile radio networks is that the sensor and actuator data are typically relatively small amounts of data. This data can be transmitted wired or wireless.
  • FAN local area networks
  • WFANs Wireless Fidelity
  • mobile radio networks typically relatively small amounts of data. This data can be transmitted wired or wireless.
  • Routing protocols are usually optimized for small amounts of data and / or energy-saving operation, since the sensor nodes are often operated with batteries and should be operated for as long (often several years) as possible without changing the batteries.
  • Sensor networks are also known as Wireless Sensor Networks (WSN).
  • WSN Wireless Sensor Networks
  • Sensor networks are often Seif Organized Networks (SON), maintenance-free, interference-resistant, battery-operated and are characterized by an extremely low level
  • the individual sensor nodes of a sensor network usually consist of a processor and a data memory (e.g. a flash memory). There are also one or more sensors and a module for radio communication (transceiver). All components of the sensor node are usually powered by a battery. In principle, however, it is also conceivable to connect the sensor nodes to a power grid or to supply them with power via a bus system. The components of the sensor node can be accommodated on a single computer chip (System on Chip, SoC), which considerably reduces the size compared to assembled individual components.
  • SoC System on Chip
  • sensor networks generally form meshed ad hoc networks.
  • Modern ad hoc networks configure themselves automatically and work autonomously (i.e. without a central authority for network management).
  • the company uses special network protocols for the respective network type and uses gateways to other networks (e.g. Internet, (W) LAN, cellular network, etc.).
  • Data can be forwarded from network nodes (sensor nodes) to network nodes via several stations until they have reached their recipient.
  • Radio antennas generally radiate their power omnidirectionally in all
  • an autonomous ad-hoc network (meshed network), however, is problematic in such a case, since new network nodes do not usually know in which areas no radio power may be introduced.
  • the new network nodes In many protocols for the management of ad-hoc networks, the new network nodes automatically “report” after they are switched on (e.g. by sending signals) to make other network nodes aware of their presence. There is a risk that new network nodes will transmit radio signals with undesirably high performance even in areas to be protected.
  • a radio node that is suitable for operation in a meshed network without transmitting radio signals in a “blocked” area.
  • This area is also referred to below as the "restricted area” or “restricted zone”.
  • a “blocked” area can be, for example, an area in which radio signals may only be transmitted with an energy density less than a predetermined threshold value.
  • the maximum energy density that may be introduced into such an area can be specified, for example, by a norm or standard, or it can also be determined on an application-specific basis. Alternatively, such a "blocked” area can also be defined as such for other reasons.
  • a new radio node that is part of a meshed network (also referred to as a “mesh network”, for example an autonomous ad hoc network) sends radio signals in such a way that the energy density of the radio signals which is brought into at least one restricted area, is smaller than the predetermined threshold value.
  • a meshed network also referred to as a “mesh network”, for example an autonomous ad hoc network
  • Radio node uses beamforming (also: spatial filtering) to send the radio signals in the desired direction (s) ("permitted area"), while the area of the restricted area is left out. Beamforming allows the signal processing To direct the transmission power of a radio signal viewed from an antenna array in a certain direction.
  • the “permitted range” into which the radio node is allowed to transmit its radio signals is also referred to as the radiation sector. Depending on the number and location of the restricted areas in the radio area of the radio node, this can be one radiation sector or several radiation sectors that define the “permitted range” for the radiation of the radio signals.
  • An embodiment of the invention relates to a radio node for use in a meshed network, which is in the area of at least one restricted area, in which only radio signals with an energy density less than a predetermined threshold may be sent.
  • the radio node comprises a transceiver unit, um
  • the transceiver unit is set up in such a way that it can generate a radio signal and can transmit it using beamforming in such a way that the energy density of the radio signal which is introduced into the at least one restricted area is less than the predetermined threshold value.
  • the radio node may further comprise a memory.
  • the memory can, for example, store information on the one or more radiation sectors into which the transceiver unit may transmit radio signals.
  • the one or more radiation sectors define an “allowed range” for the radiation of the radio signals.
  • the memory can also store map information that defines the position and extent of the at least one restricted area in a digital map.
  • a processor unit of the radio node can determine the one or more radiation sectors, based on the card information, into which the transceiver unit can transmit data in a directed manner by means of a radio signal.
  • the one or more radiation sectors determined in this way can also be used in the memory or another (volatile) memory of the radio node for further use in controlling the radiation direction (s) of the radio signals of the radio node.
  • the transceiver unit of the radio node can also be set up to transmit a radio beacon signal by means of beamforming only within the one or more radiation sectors, so that the at least one restricted area is left out.
  • Radio beacon signal indicates the availability of the meshed network and enables other radio nodes to determine the relative direction from which they are
  • a radio node that receives such a beacon signal can use the signal to determine the relative direction from which the signal received and use this information to direct its radio signals in this direction. In this way it can be ensured that even if the radio node has no information about the location of the one or more restricted areas during commissioning, a predetermined "blocked" area is left out when the radio signals are transmitted. Since the radio node previously received a beacon signal from the determined direction, it can assume that there can be no “blocked” area along this direction of transmission.
  • the memory of the radio node can also store map information that defines the position of one or more other radio nodes in a digital map. Based on this information, the transceiver can be caused to send a radio signal in the direction of the other radio node using beamforming.
  • Radio node can be set up to receive the position of the other radio nodes in the digital map from a further radio node or to determine them based on a radio beacon signal that was received by another radio node. Furthermore, it is possible that the transceiver unit or the processor unit of the radio node is set up to determine the direction of the other radio node with respect to the radio node itself based on the position of the other radio node.
  • the radio signal that is sent from the radio node in the direction of the other radio node can be, for example, a registration message to integrate the radio node in the meshed network.
  • the radio signal can be a radio signal that contains sensor data from a sensor.
  • the sensor can be contained in or connected to the radio node.
  • the memory of the radio node can, alternatively or in addition to the aforementioned map information, also store map information of a topological map of the environment of the radio node.
  • the map information of the topological map can be received, for example, by a further radio node in the meshed network and / or via an (additional) interface integrated in the radio node.
  • This (additional) interface can be a wired one
  • Act interface for example, the data transmission from one
  • Removable storage medium enables.
  • the removable storage medium can Provide card information and this can be loaded from the storage medium into a preferably non-volatile memory of the radio node. It is also possible that the (additional) interface is a wireless interface for data transmission between devices over short distances using radio technology.
  • Card information can be sent to the radio node via this wireless interface
  • the transceiver or a processor unit of the radio node can be set up according to a further embodiment, based on which the
  • the transceiver or the processor unit of the radio node can be set up in the one or more radiation sectors, taking into account a reflection / reflections of the radio signals emitted by the transceiver on topological obstacles, such as buildings, hills, etc., in to determine the topological map.
  • Radio node can be set up to calculate the transmission power for the radio signal based on geographic information and / or geodesics of a topological map, so that the energy density introduced into the at least one restricted area is below the specified one
  • Threshold is maintained. It is also possible that the transceiver unit or the processor unit of the radio node is set up to calculate the transmission power for the radio signal based on geographic information and / or geodesics of a topological map, so that the radiated transmission power of the radio signal is directed towards an adjacent one
  • Radio node is maximized without exceeding the permissible energy density in at least one restricted area.
  • the transceiver unit or the processor unit of the radio node can optionally also be set up to assist in the calculation of the
  • Transmit power for the radio signal to take into account the reflection (s) of the radio signal on one or more obstacles in the topological map.
  • the transceiver unit or a processor unit of the radio node is set up to determine the position of the radio node in the digital map by triangulation based on a plurality of radio beacon signals and / or other radio signals, the radio beacon signals or the other radio signals are received by other radio nodes in the meshed network.
  • the radio node can comprise a processor unit which, after its activation, initially operates the radio node in a listening mode in which the transmission of
  • Radio signals is prevented by the transceiver of the radio node.
  • the radio node In listening mode, the radio node tries to receive beacon signals from other radio nodes integrated in the meshed network.
  • the processor unit can select one of the other radio nodes after a predetermined period of time has elapsed and cause the transceiver to send a registration message to the selected radio node in order to integrate the radio node in the meshed network.
  • the radio signal containing the registration message can, for example, be sent by the transceiver by means of beamforming in the direction of the selected radio node, so that the at least one restricted area is left out.
  • the transceiver is the
  • the second predetermined threshold value considers an energy density for the at least one restricted area such that it is not possible to receive radio signals transmitted by the radio node in the at least one restricted area. This can make it possible, for example,
  • the radio node can also be set up externally calculated
  • This external unit can be another radio node, a central processing unit, a storage medium, etc.
  • the transceiver can correspondingly send the radio signal in one of the calculated radio directions with the assigned transmission power.
  • Radio signals taking into account map material (e.g. with a high level of detail) may require computing power that cannot be provided by a radio node. Therefore, according to this aspect of the invention, it is proposed perform at least part of such computationally intensive tasks / functions externally in a central processing unit (which is not part of the radio node, for example a server). The data obtained in this way from the central processing unit can in turn be transmitted to the radio node for use (for example by means of radio signals or via another one)
  • the radio node can store this data internally, if possible in a non-volatile manner. For example, certain parameters, such as the calculation of
  • Signal reflection and / or attenuation and / or determination of the radiation sector (s) of the radio node can be determined as part of a simulation of the mesh radio network, which is carried out by a central processing unit. These parameters can then be transmitted to the radio node. For example, the parameters (e.g. optimal radio directions and / or transmission powers and / or radiation sector (s) of the radio node) could be calculated externally and sent to the radio network node for further use.
  • Transmission directions and transmission powers and / or the calculations of signal reflection and / or attenuation and / or determination of the radiation sector (s) of the radio node are carried out for all meshed nodes of the radio network.
  • a further aspect of the invention relates to a method for calculating radio directions and assigned transmission powers for such a radio node by a central processing unit.
  • the central processing unit can
  • the method includes receiving data indicating the positions of the radio nodes in the meshed network at the central processing unit; determining radio directions and assigned transmission powers for at least one of the radio nodes using topological map information and optionally further map information; and transmitting the determined radio directions and assigned transmission powers to the at least one radio node.
  • For each radio node of the meshed network it is optionally also possible, in particular, to transmit characteristic data
  • Reliability of the transmission and / or data throughput and / or fatigue are collected, and this characteristic data is used for iteratively optimizing the radio directions returned to the nodes and assigned transmission powers.
  • the optimization can preferably be carried out using self-learning algorithms.
  • Another embodiment relates to a method for calculating the transmission direction and / or the transmission power for a radio node.
  • the method includes a calculation of reflections of the transmission power for horizontal and lateral transmission directions based on geographic information and / or geodesics of a topological map. Transmitting powers and directions that occur in one or more restricted areas
  • a further exemplary embodiment relates to a further method for calculating the transmission direction and / or the transmission power for a radio node, which comprises a calculation of attenuations of the transmission power for horizontal and lateral transmission directions based on geographic information and / or geodesics of a topological map.
  • Transmission powers and directions to neighboring radio nodes will be chosen so that the transmission power is maximized without one in the at least one
  • Another exemplary embodiment relates to a further method for calculating the transmission direction and / or the transmission power for a radio node.
  • the method comprises optimizing the reliability of the transmission and / or the data throughput and / or the latency for the entire meshed network based on geographic information and / or geodesics of a topological map by specifying preferred transmission directions and associated transmission powers for the individual radio nodes.
  • Another exemplary embodiment relates to a further method for calculating the transmission direction and / or the transmission power for a radio node.
  • the method comprises calculating transmission directions that are not on a line of sight, in particular indirect transmission directions with at least one reflection, to an adjacent one
  • Radio nodes based on a topological map taking into account reflection and attenuation of radio signals to be transmitted. Transmitting powers and directions that lead to energy densities in the restricted area above the specified threshold can also be excluded here for the radio nodes.
  • Radio nodes are excluded.
  • the methods also include
  • the calculated Data can be transmitted to the radio node and stored by the latter, preferably in a non-volatile manner, for controlling the radio signal transmission.
  • Figure 1 shows an exemplary sensor network, which consists of four nodes A, B, C, and D already integrated in the network, and in which a new network node X is to be integrated, with a restricted area in the area of the sensor network,
  • FIG. 2 shows the sensor network from FIG. 1 after node X has been integrated in the sensor network
  • Figure 3 shows the consideration of topological conditions for
  • Example buildings Gl determination of the radiation sectors in which the network node X emits its radio signals in order to prevent radio signals from being emitted into the restricted area
  • Figure 4 shows a flow diagram according to an embodiment of the invention that the individual operations of the new network node, for example network node X, and a node already integrated in the network, for example node A, which are carried out to integrate the new network node in the network ,
  • FIG. 5 shows a flow chart according to another embodiment of the invention that the individual operations of the new network node, for example
  • Network node X and a node already integrated in the network, for example node A, which are executed in order to integrate the new network node in the network
  • FIG. 6 shows an example of how the network node X can determine the position of the restricted area S 1 based on information about the radiation sectors of the other network nodes A, B, C and D integrated in the network,
  • FIG. 7 exemplifies the definition of a three-dimensional one
  • FIG. 8 shows a radio node according to an embodiment of the invention.
  • Figure 9 shows an example of routes between the individual radio nodes of the meshed network, as they are formed on the level of the routing protocol.
  • elements having the same effect are provided with the same reference numerals in the figures, so that their description is interchangeable in the different exemplary embodiments.
  • the invention relates to the operation of a meshed network from a plurality of radio nodes, which can be operated autonomously and without a central authority for network management, starting from an initially existing network that can be configured manually.
  • the meshed network can be, for example, a sensor network that contains sensors and optionally also actuators.
  • the invention is not limited to sensor networks.
  • the protocols for integrating new radio nodes in the network itself are designed in such a way that it can be ensured that "blocked" areas are left out by the individual radio nodes when radio signals are transmitted.
  • the meshed network can, for example, be an ad hoc network that is operated in an industrial or production plant.
  • the invention is not so limited.
  • the invention can also be used in other sensor networks which, for example, record parameters in households (for example energy consumption, gas consumption, heat consumption, etc.) and transmit them to a central unit, the households being in an area which is also a restricted area in the sense of these Invention includes.
  • Another example of a meshed network according to the invention is industrial and / or production plants or laboratories that use sensitive measurement technology that could be disturbed by the input of electromagnetic radio waves.
  • the invention can also be used to address security-critical aspects: for example, inmates are not allowed in prisons
  • One aspect of the invention is a radio node which, for use in a meshed network which is in the region of at least one restricted area, into which only radio signals with an energy density of less than a predetermined threshold value are sent may be.
  • the radio node sends radio signals to one or more others
  • Radio node in the meshed network uses beamforming to send the radio signals in a directed manner.
  • the radio signals are emitted by the radio node in such a way that the energy density of the radio signal, which is introduced into the at least one restricted area, is less than a predetermined threshold value.
  • the threshold value can be selected based on different criteria.
  • the threshold value can be chosen such that the power density of the radio signals introduced into a restricted area is one
  • Radio signals elements / sensors / actuators in the restricted area could be disturbed, damaged or even caused to explode.
  • the threshold value can also be selected so that the reception (in particular the decoding of the data) of the radio signal is not possible in a restricted area (e.g. correctional facility). Different threshold values can be assigned to the different restricted areas.
  • a further aspect of the invention is the determination of the “permitted range” in which a respective radio node may transmit.
  • This “permitted area” can be designed two-dimensionally (e.g. in the sense of one or more sectors in a (reference) level), or also three-dimensionally (e.g. in different (reference) levels).
  • the radio node can, for example, store information about the radiation sectors into which the radio node can transmit its radio signals in a directed manner.
  • the one or more radiation sectors define an “allowed range” for the radiation of the radio signals.
  • the map information, the position and extent of the at least one restricted area could be defined in a digital map.
  • the radio node could use the card information to determine one or more radiation sectors into which data can be sent in a directed manner using a radio signal.
  • the one or more radiation sectors determined in this way can be stored in a (volatile or non-volatile) memory of the radio node for further use / reuse in controlling the radiation direction (s) of the radio signals of the radio node.
  • radio beacon signals which are directed by means of beamforming only transmitted within the one or more radiation sectors, so that the / the restricted area (s) in the area of Radio node is / will be left out.
  • the beacon signals enable other radio nodes to determine the relative direction from which they received the beacon signal, so that even new nodes that want to integrate into the network know in which direction they can send without losing theirs Send radio signals to a restricted area.
  • the map information can also contain information that defines the position of at least one other radio node in a digital map.
  • the position of the at least one other radio node in the digital card (and optionally its identifier) can be received by a further radio node, or alternatively the card information can also be transmitted to the radio node via another interface.
  • the radio node can determine its own position by triangulation based on several radio beacon signals. If the beacon signals also contain the identifier of the respective transmitting radio node, the radio node can determine its absolute position on the card based on the card information and the position of the other radio nodes on the card. Furthermore, it is possible for the radio node to determine the direction of the other radio nodes with respect to the radio node itself based on the positions of the other radio nodes defined in the map.
  • the radio signals used for triangulation could also be signals from other radio nodes that contain a registration message, or the sensor data of a sensor that is contained in the transmitting radio node or is connected to it.
  • the radio node can, alternatively or in addition to the aforementioned map information, also store map information of a topological map of the environment of the radio node.
  • the information about the area surrounding the radio node eg geographic information and / or geodesics
  • this is a model or blueprint of the building in which the radio node is located. This could be optional with information about
  • Building information could also contain corresponding information about neighboring buildings that are in the vicinity or radio area of the radio node. Such information could be used by the radio node to take into account reflections of the radio signal by the building in which the radio node is located and / or by surrounding buildings or other obstacles in the area of the radio node when determining its one or more radiation sectors . Additionally or alternatively, this information could also be used by the radio node to determine the transmission power for the individual radio signals and / or their attenuation. Based on the data relating to reflection and / or attenuation, and optionally also the transmission power, the radio node could also determine the transmission direction of the radio signals, in particular the “permitted range” (radiation sector (s)) into which it is allowed to transmit the radio signals.
  • the radio node could also determine the transmission direction of the radio signals, in particular the “permitted range” (radiation sector (s)) into which it is allowed to transmit the radio signals.
  • Transmission directions and transmission powers are carried out for all meshed nodes of the radio network.
  • a method for calculating radio directions and assigned transmission powers for such a radio node is proposed by a central processing unit.
  • An example of such a method includes, for example, receiving data representing the positions of the
  • the position of the radio node can be, for example, the absolute position of a
  • This reference coordinate system can be based on a digital / topological map, which the central processing unit takes into account in its calculations.
  • the central processing unit can radio directions and assigned transmission powers for at least one of the
  • Radio directions and assigned transmission powers are transmitted to the at least one radio node and stored there in a memory.
  • Radio directions and assigned transmission powers are transmitted to the at least one radio node and stored there in a memory.
  • Radio node of the meshed network it is optionally also possible, in particular, to transmit characteristic data
  • Optimization can preferably be implemented using self-learning algorithms.
  • a further exemplary embodiment calculates reflections of the transmission power for horizontal and vertical transmission directions of the radio signals of the radio node based on geographic information and / or geodesics of a topological map. Transmitting powers and directions that lead to energy densities above a predetermined threshold in one or more restricted areas are excluded for the radio node.
  • Sending directions based on geographic information and / or geodesics of a topological map includes. Transmission powers and directions to neighboring radio nodes will also be selected here in such a way that the transmission power is maximized without exceeding an energy density permissible in the at least one restricted area.
  • the transmission direction and / or the transmission power for the radio signals of a radio node is also calculated in the central processing unit.
  • the reliability of the transmission and / or the data throughput and / or the latency for the entire meshed network can also be optimized based on geospatial information and / or geodata of a topological map by specifying preferred transmission directions and associated transmission powers for the individual radio nodes. Transmitting powers and directions that lead to energy densities in the restricted area above the specified threshold can also be excluded here for the radio nodes.
  • a further method calculates the transmission direction and / or the transmission power for a radio node, for example in a central processing unit, with calculation of transmission directions that are not on a line of sight, in particular indirect transmission directions with at least one reflection, to an adjacent radio node. that is based on a topological map, taking into account reflection and attenuation of the radio signals to be transmitted. Transmitting powers and directions that lead to energy densities in the restricted area above the specified threshold can also be excluded here for the radio nodes.
  • Radio nodes are excluded.
  • the map information can be received by the radio node, for example, via an (additional) interface integrated in the radio node. Decentralized calculated parameters could also be imported to the radio node via this interface.
  • This (additional) interface can be a wired interface, for example for the connection of a removable storage medium that the
  • FIG. 1 shows an example of a meshed network which consists of four nodes A, B, C and D which are already integrated in the network and into which a new network node X is to be integrated.
  • the nodes A, B, C and D integrated in the network span a meshed network, in the area of which the restricted area S1 is also located.
  • FIG. 1 it is assumed as an example that the individual nodes A, B, C and D form the initial or minimum network, from which further nodes can be integrated into the meshed network.
  • the nodes A, B, C and D can be configured manually, ie they have a precise knowledge of their absolute position (optionally also the absolute position of the other three radio nodes) in a reference coordinate system, and optionally via topological information about the environment in the area of the meshed network and the location of one or more restricted areas, such as restricted area S1, which are in the area of the meshed network, and into which, if possible, no radio signals (and if only to be introduced with a power density below a predetermined threshold).
  • restricted area S1 restricted area
  • FIG. 1 shows the “permissible” radiation sectors Al, Bl, CI and Dl into which the respective radio nodes can send their radio signals.
  • the data for this initial configuration can be
  • radio nodes A, B, C and D can be read.
  • the radio node B can not communicate directly with the new radio node X, since the restricted area S 1 lies between the two nodes on their line of sight. Accordingly, the new radio node X can only receive the beacon signals B AI , Bei and B DI of the radio nodes A, C and D, as is shown by way of example in FIG. 1.
  • the radio beacon signals B AI , B BI , B CI and B DI are sent by the network nodes A, B, C and D using beamforming in such a way that the power emitted by the respective antenna of the radio nodes A, B, C and D in the the respective radiation sector Al, Bl, CI and Dl of the respective radio node is transmitted.
  • the radio nodes thereby ensure that the power request in the restricted area S1 is below a threshold value.
  • the threshold value can, for example, be determined in an application-specific manner and / or be prescribed by a standard. In one exemplary embodiment, the threshold value is selected such that the reception (in particular the decoding of the data) of the radio signal in a restricted area (for example a correctional facility) is not possible.
  • the new radio node X which would like to be integrated into the meshed network, does not itself send out any radio signals at first, in order to ensure that it is not switched off
  • the radio node X monitors the radio channel on which the radio nodes communicate with one another and determines whether it receives one or more radio beacon signals from other radio nodes, here radio nodes A, C and D. Based on these beacon signals B AI , B Ci and B DI from the others
  • Radio node A, C, D in the meshed network the radio node X can determine the relative direction of the radio nodes A, C, D, from which it has received a respective radio beacon signal B AI , B Ci and B DI . Based on the assumption that the other radio nodes A, C and D themselves are not allowed to transmit into the restricted area S 1, the radio node X knows that from the respective relative direction from which radio beacon signals B AI , B Ci and B DI are received cannot pass through the restricted area and thus the radio node X can transmit itself in this direction.
  • the radio node X can thus send a radio signal in one of the relative directions from which it has received a radio beacon signal, which contains a registration for the meshed network (and thus select an already integrated radio node and a registration Send message to this).
  • this radio node can integrate the new radio node X in the network. This happens, for example, in that the respective radio node, which is already integrated in the network, adds radio node X to its routing table, optionally also informing the other radio nodes of the new radio node X.
  • the radio node can also determine the relative direction of the radio node X on the basis of the radio signal that transmits the registration message and store it accordingly. This enables the radio node to also transmit the radio signal in the correct relative direction for communication with radio node X, without increasing the power input by the radio signal into the restricted area S1.
  • the Lemer can confirm the registration of the node, which received the registration message from node X, with a corresponding confirmation message.
  • This confirmation message is also sent via a radio signal in the determined relative direction of the node X, so that the restricted area S 1 can again be left out.
  • the respective node which is already integrated in the network can also send the node X further configuration information.
  • the configuration information includes, for example, the absolute position of the other nodes in the meshed network (as far as it is known), the absolute location and extent of the restricted area S1 in the reference coordinate system, etc.
  • the node X can determine a radiation sector XI, as shown in Ligur 2, and / or based on the configuration information and its known relative position determine its absolute position relative to the other nodes A, B, C and D.
  • the configuration information that the node X receives from one of the other nodes already integrated in the network can also contain information relating to the topology in the vicinity of the node X (for example 2D, 2.5D or 3D). Maps). Based on this topological information (e.g. geographic information and / or geodesics) obtained from one or more other radio nodes, the radio node X together with its absolute position in the reference coordinate system can not only determine the exact relative position of the restricted area S 1 with respect to the position of the
  • Radio node X Determine radio node X, but also determine topological peculiarities of the environment, for example a reflection / attenuation of those emitted by radio node X.
  • the radio node X can use this additional topological information to determine one or more radiation sectors in such a way that it can be ensured that radio signals which are directed by the radio node X within these radiation sectors are transmitted by means of beamforming, a power request in the restricted area below one have a predetermined threshold.
  • the topological information can be geographic information and / or geodesics (2D, 3D or 2.5D) of a topological map that describes at least the area surrounding the radio node.
  • the geospatial information can, for example, be defined to be compatible with ISO 19107 Geography Information - Spatial Scheme (spatial reference scheme) (see DIN EN ISO 19107: 2017), the successor standard ISO FDIS 19107 that has yet to be formally confirmed. Even if reference is made below to geographic information and / or geodesics of the topological map material, it is in principle also conceivable to use topographic, geographical or thematic maps,
  • the radio node may receive at least some of the configuration data, for example the topological map and / or its absolute position in the map, via another interface.
  • the radio node can do this
  • wired or (further) wireless interfaces such as a USB interface or a Bluetooth interface. This makes it possible to make even larger ones
  • FIG. 3 shows an example of how topological conditions in the vicinity of radio node X could be taken into account.
  • a high-rise building Gl exists in the immediate vicinity of the radio node X, it being feared due to the orientation of the building relative to the restricted area S1 that a radio signal emitted in the direction of the building Gl is reflected by the building so that a correspondingly increased service entry in the restricted area S 1 comes about.
  • the radio node X can therefore adjust the radiation sectors XI -1 and XI -2 appropriately, so that the radio node X is transmitted neither directly in the direction of the restricted area S 1, nor in the direction of the building Gl.
  • FIG. 4 shows a flowchart according to an embodiment of the invention, which shows the individual functions of the new network node, for example network node X, and of a node already integrated in the network, for example node A, in order to connect the new network node X to the network integrate.
  • the new network node X does not begin to transmit on its own, but is, after its activation (or the activation of the transceiver), for example in a listening mode in which the radio node X uses the radio channel to receive radio beacon signals by others already integrated in the network
  • Radio node like radio node A, waits 401. As soon as one of one of the registered
  • Radio node A, B, C or D transmitted 410 beacon signal is received 402, the radio node X tries the relative direction of the radio node sending the received beacon signal, i. H. of radio node A, to be determined 403.
  • radio node X immediately responds to receiving 402 the first radio beacon signal and immediately tries radio node A from which it received the radio beacon signal in step 402 to register by sending a registration message in the determined relative direction, from which he received the beacon signal in step 402, 404.
  • the radio node X can influence the radiation direction of his antenna, for example by beamforming, so that if possible the total energy of the radio signal, which contains the registration message, is sent in the determined relative direction of the radio node A.
  • Radio node A receives the registration message in step 411. Based on the radio signal that transports the registration message, radio node A determines 412 the relative direction of radio node X. Radio node A registers 413 the new radio node X in the meshed network . This can happen, for example, in that the radio node A includes the radio node X in the routing table, and optionally the other radio nodes B, C and D via the accessibility of the radio node X via the Radio node A informs. Alternatively, the radio nodes B, C and D could also learn the accessibility of the radio node X via the exchanged messages in the meshed network and update their routing tables accordingly.
  • radio node A can confirm the successful registration of radio node X. For this purpose, it sends 414 a confirmation message in the direction of radio node X.
  • the confirmation message is received 405 by radio node X and completes the registration process of radio node X.
  • the radio node X can send its data in the direction of the
  • Send radio node A which then, depending on the addressee, forwards it to another radio node (optionally via other radio nodes) until the addressee of the data is reached.
  • the addressee of the data can also be connected in another network outside the meshed network, for example via the Internet, a company network, etc.
  • the confirmation message in addition to the confirmation that the
  • This additional information can relate, for example, to the accessibility and / or position of other nodes B, C and D in the meshed network (position information), and / or information relating to those in the area of the meshed network
  • Contain map information based on which the new radio node X can determine the direction in which it may send radio signals i.e., which are used to determine the one or more radiation sectors of the radio node X.
  • the optional further steps of the radio node X with the aid of the additional information from the confirmation message are explained in more detail below with reference to FIG. 5.
  • the new radio node X After the new radio node X has been registered in the network, it can be reached by the other radio nodes in the meshed network, or can itself communicate with other radio nodes or via one or more of the other radio nodes to an external network (for example the Internet, access a company network, etc.) and communicate with it.
  • the radio node X newly integrated in the meshed network can thus transmit its data to a central unit or, for example, to a control unit based on the detected ones
  • the new radio node X not only reacts from a first radio beacon signal, but in response to the reception of several radio beacon signals. Sends signals one or more registration messages to one or more radio nodes already integrated in the meshed network, and correspondingly also one
  • the radio node X can itself determine its relative position by means of triangulation when receiving a plurality of radio beacon signals and determine its absolute position in the reference coordinate system after the
  • Radio node X the absolute position that the multiple radio beacon signals emitted
  • the radio node X can determine the exact position of the restricted area or a plurality of restricted areas and, optionally with the aid of the topological additional information, determine in which directions it is allowed to send its radio signals for communication and in which direction it is not
  • Power density is kept below a predetermined threshold.
  • radio node X An alternative registration process for a radio node is described below with reference to FIG. 5. Similar to Figure 4, the new radio node X, which wants to integrate into the meshed network, is initially in a listening mode and does not emit any radio signals. Correspondingly, the new radio node X waits 401 for the reception of radio beacon signals from other radio nodes already registered in the network, such as radio nodes A, C and D. In the embodiment in FIG. 5, radio node X first tries several radio beacon signals from different radio nodes received in the meshed network before sending a registration message. Accordingly, a timer is first started 501, which is used for a predetermined period of time
  • radio node X initially receives and evaluates radio beacon signals. It is assumed that the radio nodes A, B, C and D already registered in the network at regular intervals (periodically), optionally synchronized with each other,
  • the radio node X can only receive the beacon signals from the radio nodes A, C and B, since the radio node X is not in the radiation sector B1 of the radio node B and therefore does not receive any signals from this radio node.
  • the radio node X determines, based on the radio beacon signal, the relative direction from which it received the respective radio beacon signal that was sent 410 by one of the registered radio nodes A, C or D.
  • the radio beacon signal can contain an identifier of the transmitting radio node and the radio node X can temporarily store the determined relative direction and the identifier of the radio node that has transmitted the respective radio beacon signal.
  • the beacon signal can optionally also contain further information / parameters that a new radio node needs in order to be able to register itself in the network. However, this information / parameters are specific to the radio technology used and are not considered in more detail here.
  • the radio node X evaluates the radio beacon signals received in accordance with steps 402 and 403 and stores the relative direction from which it received the associated radio beacon signal for each new identifier of a radio node.
  • the radio node X if it receives a beacon signal several times from one and the same radio node, can recalculate the relative direction of the radio node determined in each case and combine different results with one another in order to determine the relative direction of the respective radio node more precisely.
  • the radio node X After the timer has expired 502, the radio node X, provided that it has received at least two, preferably at least three (radio beacon) signals from different radio nodes, a relative position relative to the radio nodes A, C and D, of which it Received (beacon) signals determine 503. Triangulation in three-dimensional space requires at least three (beacon) signals, while two (beacon) signals from different radio nodes are sufficient for a two-dimensional position determination. The accuracy of the position determination depends, among other things, on the number of (radio beacon) signals for triangulation that are received from different radio nodes. The more (radio beacon) signals from
  • the more precisely the position can be determined by triangulation is the more precisely the position can be determined by triangulation.
  • Another factor that determines the accuracy of the triangulation is the quality of the beamforming.
  • the "narrower" the transmitted radio signals are emitted in a certain direction the more precisely the direction of the transmitting radio node can be determined, so that the stated minimum number of different (radio beacon) signals can be sufficient for a sufficiently precise triangulation.
  • radio node X selects 504 one of the radio nodes, for example radio node A, from which it has received a radio beacon signal, and sends 404 a registration message to this radio node.
  • the radio node X can For example, by beamforming, influence the radiation direction of its antenna in such a way that the entire energy of the radio signals, which contains the registration message, is sent in the determined relative direction of the radio node A.
  • the radio node X has already determined and buffered the necessary relative direction.
  • the registration message can also contain further information about the radio node X, for example. For example, the
  • Registration message also the identifiers of those radio nodes, i. H. of the other radio nodes C and D, from which the radio node X has also received radio beacon signals.
  • Radio node A receives the registration message in step 411. Based on the radio signals that the registration message transports, radio node A determines 412 the relative direction of radio node X. Registered radio node A registers new radio node X in the meshed network by including the radio node X in the routing table. The radio node A optionally informs the other radio nodes B, C and D of the accessibility of the radio node X via the
  • Radio node A informs.
  • the radio nodes B, C and D could also learn the accessibility of the radio node X via the exchanged messages in the meshed network and update their routing tables accordingly.
  • radio node A After registration 413, radio node A can confirm the successful registration of radio node X. For this purpose, it sends 414 a confirmation message to the radio node X, which is received 405 received by the radio node X and completes the registration process of the radio node X. After receiving the
  • additional information is sent in the new radio node X integrated in the network together with the confirmation of its registration in the network, which allow the radio node X to position and extend the restricted area S 1 at least in the two-dimensional, alternatively in
  • the radio node X could also determine the position of the restricted area S1 based on information about the absolute positions of the surrounding radio nodes A, B, C and D as well as their radiation sectors Al, B1, CI and D1, as is shown by way of example in FIG. 6 becomes. Due to the recessed sectors in which the individual radio nodes A, B, C and D send radio signals, the radio node X can determine the position of the restricted area S 1 approx by forming the boundary lines of the sectors of the individual radio nodes. In order to determine the location of the restricted area S l ap prox
  • Reference coordinate system and the radiation sectors of these two radio nodes The overlap area of the respective sectors into which the respective radio nodes do not send any radio signals (these can be determined from the respective radiation sectors) defines an area that can be defined as a restricted area. Depending on the location of these sectors, no radio signals are sent to the respective radio nodes
  • this estimate of the location of the restricted area is more or less accurate based on the overlap area of the sectors. Obviously, the location of the restricted area can be determined more precisely the more information about the surrounding radio nodes and their radiation sectors is available to the radio node X.
  • both the restricted area and the radiation sectors can be defined two-dimensionally, these two-dimensional areas being defined by a
  • the three-dimensional space of the reference coordinate system can be mapped.
  • the restricted area in three-dimensional space can be defined, for example, using common data formats of three-dimensional structures in topological data.
  • Card information that is sent to the new radio node X can alternatively or additionally also be available in a raster data format.
  • the three-dimensional restricted area S1 is obtained by linearly connecting the coordinates (xsi l, ysi l, zsi_l) and (xsi_2, ysi_2, zsi_2), (xsi_l, ysi_l, zsi_l) and (xs (i + l) _l, ys (i + l) _l, zs (i + l) _l) and), (xsi_2, ysi_2, zsi_2) and (xs (i + l) _2, ys (i + l) _2, zs (i + l) _2), where the index i denotes the individual coordinate pairs.
  • FIG. 8 shows an example of the structure of a radio node, such as radio nodes A, B, C, D or X in FIG. 1.
  • a radio node 800 comprises a sensor unit 801, a
  • Radio nodes Pure battery operation
  • the radio node could also be connected to a power network, supplied with power via a bus system or via the 806 interface.
  • the sensor unit 801 to measure one or more different parameters in the vicinity of the radio node 800.
  • the measured parameters can be sent, for example, at regular intervals from the radio node 800 to a central unit inside or outside the meshed network.
  • the measured parameters can also be sent for control to actuators of the system, which can also be part of the meshed network or are located outside of it.
  • the computing unit 802 is used to control the radio node 800 and can be implemented, for example, by means of a microcontroller. Typically, the computing unit 802 combines a processor / microprocessor and the associated memory (also Cache) on a chip. Alternatively, the computing unit 802 can also be implemented as SoC from several chips. To use as little power as possible, the
  • Computing unit 802 can be severely restricted in its functionality compared to conventional processors, which are used, for example, in commercially available computers or mobile telephones. It is also advantageous if the computing unit 802 supports energy-saving modes, as is the case in modern processor architectures.
  • the main task of the computing unit 802 is the control of the radio node 800, the acquisition and, if necessary, buffering of sensor data from the sensor unit 801, as well as the implementation of the protocol stack for the organization of the meshed network and the data transmission via the transceiver 803, unless a separate chip is used for this is provided.
  • the computing unit 802 e.g. also in cooperation with the transceiver 803, which determine the one or more radiation sectors of the radio node 800.
  • the computing unit 802 can also determine the transmission power of the radio signals.
  • the computing unit 802 can take map information from a topological map into account. This can also include the consideration of reflections / attenuation of radio signals due to obstacles in the vicinity of the radio node.
  • the transceiver 803 provides the radio communication between the
  • the transceiver 803 could also support mobile radio standards that support beamforming, such as 3GPP LTE, LTE Advanced, or a 5G standard of 3GPP.
  • Antenna (narrays) can be adjusted so that the radio signal is emitted in a certain direction.
  • Beamforming is supported by a large number of radio technologies, in particular also by mobile radio standards. If the transceiver 803 has a
  • the processor unit 802 or the transceiver 803 can configure the beamforming via this interface in such a way that the radio signals of the radio node 800 are only emitted in the one or more radiation sectors of the radio node 800 or only in a specific direction will.
  • the beamforming function of the transceiver 803 can be functionally coupled to the protocol stack of the computing unit 802, which the beamforming function has the necessary
  • the transceiver 803 can be set up in such a way that, as described with reference to FIGS. 4 and 5, it determines the relative direction of the respective beacon based on the beacon signals received by the transceiver 803.
  • the radio node sending signal is determined.
  • the transceiver 803 can forward this information together with other information extracted from the beacon signal (for example signal strength, identifier of the radio node, etc.) via an interface to the computing unit 802 in order to further process it there.
  • the protocol layers above the protocol stack implemented by transceiver 803 can be implemented, for example, by computing unit 802.
  • the protocols ie their functionality, can for example be part of the firmware / software of the radio node 800, which is stored in a non-volatile memory of the computing unit 802 or another memory module of the radio node 800 and which is executed by the processor of the computing unit 802.
  • the firmware / software can for example implement those protocols that are necessary for the construction and the
  • Management of the meshed network and / or routing are necessary, for example the corresponding routing protocols and management protocols for the meshed network. As mentioned, these protocols can be functionally coupled to transceiver 803 via one or more interfaces in order to exchange information.
  • the RPL protocol can also be used, for example, in an IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network (6L0WPAN - German: IPv6 for WPAN with low energy consumption).
  • IPv6 IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network
  • ALSR angle-based dynamic source routing
  • LEACH low-energy adaptive clustering hierarchy
  • the network layer of the protocol stack can, for example, use the IPv4 or IPv6 protocol for addressing the network nodes and can also be implemented by the computing unit 802.
  • the neighborhood detection of the individual radio nodes is influenced by the beamforming, so that certain routes, which would be possible without taking the restricted areas into account, due to the changed
  • Neighborhood detection is not included in the routing and is therefore left blank when the radio signals are transmitted. Formulated in the context of the RPL, this has the effect
  • DODAG Destination Oriented Directed Acyclic Graph
  • DIOs Destination Oriented Directed Acyclic Graph
  • DAOs Destination Advertisement Objects
  • the neighborhood algorithm may be at the
  • the radio node B is not recognized as a “neighbor”, even if a direct radio connection between radio nodes X and B would theoretically be possible. Accordingly, in the routing table of the radio node, as shown in FIG. 9, only the routes to radio node A (route RXA), TO radio node C (route Rxc) and to radio node D (RXD) are shown. The route R XB would not be formed at all. Furthermore, the radio node X could learn that radio node B can in turn be reached via radio node A or radio node C. This could also be stored in the routing table so that the routing protocol sends the data for radio node B either via route R XA or alternatively via route Rxc. Nodes A and C would then forward the data to node B accordingly via route RAB and route R C B, respectively.
  • protocols for example, protocols for
  • DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
  • SFAAC IPv6 Stateless address autoconfiguration
  • NDP Neighbor Discovery Protocol
  • Network management protocol can be used to update the routing table accordingly.
  • the network management protocol can be set up to cause the transceiver 803 to transmit the beacon signals in accordance with the respective Send out radiation sector using beamforming, so that the restricted area S1 is left out.
  • the transceiver 803 can transmit the beacon signal in accordance with the respective Send out radiation sector using beamforming, so that the restricted area S1 is left out.
  • the transceiver 803 can transmit the beacon signal in accordance with the respective Send out radiation sector using beamforming, so that the restricted area S1 is left out.
  • the transceiver 803 can transmit the beacon signal in
  • the functionality of the radio nodes A, B, C, D, X and 800, as described in relation to FIGS. 4, 5 and 8, can be implemented both in software and in hardware or a combination of software and hardware.
  • the individual components of the radio node 800 which was described with reference to FIG. 8, can, for example, be implemented as one on a SoC.
  • the transceiver 803 could be implemented on its own chip or chipset, while the functionality of the processor unit 802 is implemented on a SoC, for example, or forms its own subsystem from several chips that is coupled to the transceiver 803.
  • the sensor unit 801 which could be implemented, for example, integrated in a subsystem with the processor unit 802, or can also be formed separately therefrom.
  • Interface 806 can be designed as a wired interface, for example as a USB interface.
  • the interface 806 also be a wireless interface, and in particular (but not limited to) enable near-field communication (NFC) or the transmission of radio signals in the vicinity (for example in the range of less than several hundred meters, for example less than 100 m).
  • NFC near-field communication
  • the interface 806 is designed as a Bluetooth interface or as a DECT interface. The interface can for example
  • Receive configuration data for the radio node such as the settings for using the meshed network, network settings (e.g. IP address, addresses of gateways and / or central server units, etc.), data of a topological map in which the meshed network is operated, the absolute position of the radio node in the
  • the configuration data can be stored in a memory 805 of the radio node 800.
  • This memory 805 can also be used by the processor unit 802, the sensor unit 801 and / or the transceiver 803 for storing data.
  • radio node can also be implemented in software.
  • Processor component of the transceiver 803 is realized. The individual steps of
  • FIGS. 4 and 5 can, for example, use one or more computer programs that are / are executed by a computing unit 802 and on one or more
  • a radio node can be adapted to implement the functionality of the new radio node X described in relation to FIG. 4 or FIG. 5 and the radio nodes A, B, C and D already integrated in the network, because as soon as a new radio node X is integrated in the network, According to one embodiment, it is possible for the radio node itself to integrate other radio nodes into the network by executing the corresponding steps of the radio nodes already integrated into the network.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Funkknoten, der zur Verwendung in einem vermaschten Netz ausgelegt ist, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Der Funkknoten sendet Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz und verwendet dabei Beamforming um die Funksignale gerichtet auszusenden und zwar dergestalt, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem vorgegebenen Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann basierend auf unterschiedlichen Kriterien gewählt sein.

Description

Funkknoten zum Betrieb in einem Funknetz in Umgebung eines Sperrgebiets
TECHNISCHER GEBIET
[0001] Erfindung betrifft unter anderem einen Funkknoten, der zur Verwendung in einem vermaschten Netz ausgelegt ist, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen
Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Einzelne Funktionen der Funkknoten können dabei mittels Software (z.B. Computerprogramm) realisiert werden, die auf einem oder mehreren Computer-lesbaren Speichermedien gespeichert sind. Bei dem vermaschten Netz kann es sich beispielsweise um ein Sensometz handeln.
TECHNISCHER HINTERGRUND
[0002] Sensometze wurden ursprünglich als militärisches Frühwarnsystem zur
Überwachung von Pipelines und Fandesgrenzen konzipiert. Heute können Sensometze in unterschiedlichsten Bereichen (zum Beispiels, in der Fogistik/Warenverwaltung (z.B. in Fagerhäusem), zur Überwachung und/oder Steuerung von Produktionsanlagen, Kraftwerken, etc., zur Überwachung Naturschutzgebieten (z.B. auf Schadstoffe, Waldbrände und
Tiermigrationen), etc.) eingesetzt werden - ihr Anwendungsgebiert ist ebenso vielfältig, wie die verfügbaren Sensoren.
[0003] Ein verteiltes Sensometz besteht aus einer Vielzahl verteilte Sensorknoten, die miteinander kommunizieren. Sensometze bezeichnen für gewöhnlich Netzwerke, in denen Daten von Sensoren erfasst und (drahtlos) übertragen werden. Über Sensometze können die verschiedenen, von Sensoren erfassten Daten, z.B. physikalischen Größen, zur
Datenerfassung oder zur Steuemng der Aktoren übertragen, die ebenfalls Teil des
Sensometzes bilden können. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Sensometz und lokalen Netzen (FAN), WFANs und Mobilfunknetzen besteht darin, dass es sich bei den Sensor- und Aktordaten typischerweise um relativ geringe Datenmengen handelt. Diese Daten können drahtgebunden oder drahtlos übertragen werden. Die Transport- und
Routingprotokolle sind in der Regel für geringe Datenmengen und/oder energiesparenden Betrieb optimiert, da die Sensorknoten oftmals mit Batterien betrieben werden und möglichst lange (oft mehrere Jahre) ohne Batteriewechsel betrieben werden sollen. Drahtlose
Sensometzen werden auch als Wireless Sensor Networks (WSN) bezeichnet. [0004] Sensometze sind oftmals Seif Organized Networks (SON), wartungsfrei, störstrahlungsfest, batteriebetrieben und zeichnen sich durch einen äußerst geringen
Stromverbrauch aus. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind klassische Techniken für den Aufbau und Betrieb von Ad-hoc-Netzn oftmals nicht ausreichend. Daher werden oftmals spezialisierte Protokolle eingesetzt, die die besonderen Eigenschaften drahtloser Sensometze beachten.
[0005] Die einzelnen Sensorknoten eines Sensometzes bestehen in der Regel aus einem Prozessor und einem Datenspeicher (z.B. ein Flash-Speicher). Dazu kommen ein oder mehrere Sensoren und ein Modul zur Funkkommunikation (Transceiver). Alle Bauteile des Sensorknoten werden in der Regel über eine Batterie mit Energie versorgt. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, die Sensorknoten an ein Stromnetz anzuschließen oder über ein Bussystem mit Strom zu versorgen. Die Bauteile des Sensorknotens können auf einem einzigen Computerchip untergebracht sein (System on Chip, SoC), was die Größe gegenüber zusammengesetzten Einzelkomponenten erheblich reduziert.
[0006] Wie bereits erwähnt bilden Sensometze in der Regel vermaschte Ad-hoc-Netze. Moderne Ad-hoc-Netze konfigurieren sich selbsttätig und arbeiten autonom (d.h. ohne eine zentrale Instanz für das Netzwerkmanagement). Der Betrieb verwendet für den jeweiligen Netzwerktyp spezielle Netzwerkprotokolle und benutzt Gateways zu anderen Netzwerken (z.B. Internet, (W)LAN, Mobilfunknetz, etc.). Daten können über mehrere Stationen von Netzknoten (Sensorknoten) zu Netzknoten weitergereicht werden, bis sie ihren Empfänger erreicht haben.
[0007] Die Verwendung von Sensometzen kann zum Beispiel in Industrie- und/oder Produktionsanlagen (z.B. in petrochemischen Produktionsanlagen) problematisch sein, da in bestimmten Bereichen der Industrie- und/oder Produktionsanlage Explosionsgefahr herrscht und daher das Einbringen von Funksignalen in diese Bereiche aus Sicherheitsgründen möglichst zu unterbinden ist. Insbesondere gepulste Funksignale mit hoher Energiedichte sind hier oftmals problematisch, und Industriebnormen (z.B. ISO/IEC Standard-Reihe 60079 und ISO/IEC Standard-Reihe 80079) legen allgemeine Anforderungen an die Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung von Geräten und Komponenten in explosionsgefährdeten oder explosiven Umgebungen fest. Auch wird häufig in Industrie- und/oder Produktionsanlagen empfindliche (Meß-)Elektronik eingesetzt, die vor übermäßigem Eintrag elektromagnetischer Energie durch Funkwellen geschützt werden muss. [0008] Funkantennen strahlen ihre Leistung in der Regel omnidirektional in alle
Richtungen ab. Auch bei direktional abgestrahlten Funksignalen kann durch Reflexion ein unerwünschter Leistungseintrag in Bereiche einer Industrie- und/oder Produktionsanlage erfolgen, die explosionsgefährlich oder aus anderen Gründen vor einem übermäßigen Funk- Leistungseintrag zu schützen ist. Durch manuelle Konfiguration der Abstrahlprofile der Antennen bzw. die Wahl entsprechender Antennen für die einzelnen Sensorknoten im Netz können solche Probleme umgangen werden, erfordern aber, dass das Sensometz manuell konfiguriert wird. Das Hinzufügen neuer Netzknoten erfolgt entsprechend auch manuell.
[0009] Der Betrieb eines autonomen Ad-Hoc Netzes (vermaschten Netzes) ist hingegen in einem solchen Fall problematisch, da in der Regel neue Netzknoten nicht wissen, in welche Bereiche möglichst keine Funkleistung eingebracht werden darf. In vielen Protokollen für das Management von Ad-Hoc-Netzen„melden“ sich die neuen Netzknoten nach dem Einschalten automatisch (z.B. durch das Aussenden von Signalen), um anderen Netzknoten auf ihre Präsenz aufmerksam zu machen. Dabei besteht die Gefahr, dass neue Netzknoten auch in zu schützende Bereiche Funksignale mit unerwünscht hoher Leistung aussenden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0010] Von diesem Hintergrund stellt sich die technische Aufgabe, einen Funkknoten vorzuschlagen, der für den Betrieb in einem vermaschten Netz geeignet ist, ohne dabei Funksignale in einen„gesperrten“ Bereich zu senden. Dieser Bereich wird im Folgenden auch als„Sperrgebiet“ oder„Sperrzone“ bezeichnet. Ein solcher„gesperrter“ Bereich kann beispielsweise ein Bereich sein, in dem Funksignale nur mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Die maximale Energiedichte, die in einen solchen Bereich eingebracht werden darf kann beispielsweise durch eine Norm oder Standard vorgegeben sein, oder kann aber auch anwendungsspezifisch festgelegt werden. Alternativ kann ein solcher„gesperrter“ Bereich auch aus anderen Gründen als solcher definiert werden.
[0011] Gemäß einem Aspekt der Erfindung sendet ein neuer Funkknoten, der Teil eines vermaschten Netzes ist (auch als„Mesh-Netz“ bezeichnet, z.B. eine autonomes Ad-Hoc- Netz), Funksignale gerichtet so aus, dass die Energiedichte der Funksignale, die in mindestens ein Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner dem vorgegebenen Schwellenwert ist. Der
Funkknoten bedient sich Beamforming (auch: spatial filtering), um die Funksignale in die gewünschte(n) Richtung(en) auszusenden („erlaubter Bereich“), während der Bereich des Sperrgebiets ausgespart wird. Beamforming erlaubt es, durch Signalverarbeitung die Sendeleistung eines von einem Antennenarray ausgesehenen Funksignale in eine bestimmte Richtung zu lenken. Der„erlaubte Bereich“, in die der Funknoten seine Funksignale aussenden darf, wird auch als Abstrahl-Sektor bezeichnet. Dabei kann es sich, je nach Anzahl und Lage der Sperrgebiete im Funkbereich des Funkknotens um einen Abstrahl-Sektor oder um mehrere Abstrahl-Sektoren handeln, die die„erlaubte Bereich“ für die Abstrahlung der Funksignale definieren.
[0012] Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Funkknoten zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Der Funkknoten umfasst eine Sende-Empfangseinheit, um
Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz zu senden. Die Sende-Empfangseinheit ist so eingerichtet, dass sie ein Funksignal erzeugen und mittels Beamforming gerichtet so aussenden kann, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner dem vorgegebenen Schwellenwert ist.
[0013] Der Funkknoten kann ferner einen Speicher umfassen. Der Speicher kann beispielsweise Informationen zu den einen oder mehreren Abstrahl-Sektoren speichern, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf. Der eine oder die mehreren Abstrahl-Sektoren definieren eine„erlaubte Bereich“ für die Abstrahlung der Funksignale.
[0014] Alternativ kann der Speicher auch Karteninformationen speichern, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren. Beispielsweise kann eine Prozessoreinheit des Funkknotens, basierend auf den Karteninformationen den einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren bestimmen, in die die Sende- Empfangseinheit Daten mittels eines Funksignals gerichtet aussenden darf. Optional können die so ermittelten einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren ebenfalls im Speicher oder einem anderen (flüchtigen) Speicher des Funkknotens zur weiteren Verwendung bei der Steuerung der Abstrahlrichtung(en) der Funksignale des Funkknotens verwendet werden. Entsprechend kann die Sende-Empfangseinheit des Funkknotens weiter eingerichtet sein, ein Funkbaken- Signal mittels Beamforming gerichtet nur innerhalb des einen oder der mehreren Abstrahl- Sektoren auszusenden, so dass das mindestens eine Sperrgebiets ausspart wird. Das
Funkbaken-Signal zeigt zum Beispiel die Verfügbarkeit des vermaschten Netzes an und ermöglicht anderen Funkknoten, die relative Richtung zu bestimmen, aus der sie das
Funkbaken-Signal empfangen haben. Ein Funkknoten, der ein solches Funkbaken-Signal empfängt, kann anhand des Signals die relative Richtung bestimmen, aus der das Signal empfangen wurde und diese Information dazu nutzen, seine Funksignale in diese Richtung auszurichten. So kann sichergestellt werden, dass selbst in dem Fall, dass der Funkknoten bei Inbetriebnahme keine Informationen zur Lage des einen oder der mehreren Sperrgebiete hat, beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener„gesperrter“ Bereich ausgespart wird. Da der Funkknoten aus der ermittelten Richtung zuvor ein Funkbaken-Signal empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass entlang dieser Ausstrahlrichtung kein„gesperrter“ Bereich liegen kann.
[0015] Alternativ oder zusätzlich zu den Karteninformationen, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren, kann der Speicher des Funkknotens auch Karteninformationen speichert, die die Position eines oder mehrerer anderer Funkknoten in einer digitalen Karte definieren. Basierend auf diesen Informationen kann die Sende-Empfangseinheit dazu veranlasst werden, ein Funksignal mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des anderen Funkknotens zu senden.
Beispielsweise kann dazu die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des
Funkknotens eingerichtet sein, die Position der anderen Funkknoten in der digitalen Karte von einem weiteren Funknoten zu empfangen oder basierend auf einem Funkbaken-Signal, das von einem anderen Funkknoten empfangen wurde, zu bestimmen. Ferner ist es möglich, dass die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Richtung des anderen Funkknotens bezüglich des Funkknotens selbst basierend auf der Position des anderen Funkknotens zu bestimmen.
[0016] Das Funksignal, das vom Funkknoten in die Richtung des anderen Funkknotens gesendet wird, kann beispielsweise eine Registrierungs-Nachricht sein, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren. Alternativ kann es sich bei dem Funksignal um ein Funksignal handeln, das Sensordaten eines Sensors enthält. Der Sensor kann im Funkknoten enthalten oder mit diesem verbunden sein.
[0017] In einer weiteren Ausführungsform kann der Speicher des Funkknotens, alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Karteninformation, auch Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens speichern. Die Karteninformationen der topologischen Karte können beispielsweise von einem weiteren Funkknoten im vermaschten Netz, und/oder über eine im Funkknoten integrierte (zusätzliche) Schnittstelle empfangen werden. Bei dieser (zusätzlichen) Schnittstelle kann es sich um eine drahtgebundene
Schnittstelle handeln, die beispielweise die Datenübertragung von einem
Wechselspeichermedium ermöglicht. Das Wechselspeichermedium kann die Karteninformationen zur Verfügung stellen und diese können vom Speichermedium in einen vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher des Funkknotens geladen werden. Ebenso ist es möglich, dass es sich bei der (zusätzlichen) Schnittstelle um eine drahtlose Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik handelt.
Karteninformationen können über diese drahtlose Schnittstelle dem Funkknoten zur
Verfügung gestellt werden.
[0018] Die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eingerichtet sein, basierend auf der die
Karteninformationen der topologischen Karte einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf zu bestimmen. Die Sende- Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens kann eingerichtet sein, den einen oder die mehreren Abstrahl-Sektoren unter Berücksichtigung einer Reflexion/Reflexionen der vom der Sende-Empfangseinheit ausgesendeten Funksignale an topologischen Hindernissen, wie zum Beispiel Gebäude, Hügel, etc., in der topologischen Karte zu bestimmen. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des
Funkknotens eingerichtet sein, basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte die Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die in das mindestens eine Sperrgebiet eingebrachte Energiedichte unter dem vorgegebenen
Schwellwert gehalten wird. Ebenso ist es möglich, dass die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte die Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die abgestrahlte Sendeleistung des Funksignals in Richtung eines benachbarten
Funkknotens maximiert wird, ohne dabei die im mindestens einen Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten. Die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens kann optional auch so eingerichtet sein, um bei der Berechnung der
Sendeleistung für das Funksignal die Reflexion(en) des Funksignals an einem oder mehreren Hindernissen in der topologischen Karte zu berücksichtigen.
[0019] In einer weiteren Ausführungsform ist die Sende-Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet, die Position des Funkknotens in der digitalen Karte durch Triangulation basierend auf mehreren Funkbaken-Signalen und/oder anderen Funksignalen zu bestimmen, wobei die Funkbaken-Signale bzw. die anderen Funksignale von anderen Funkknoten im vermaschten Netz empfangen werden. [0020] Der Funkknoten kann eine Prozessoreinheit umfassen, die den Funkknoten nach seiner Aktivierung zunächst in einem Zuhör-Modus betreibt, in dem das Senden von
Funksignalen durch die Sende-Empfangseinheit des Funkknotens unterbunden wird. Der Funkknoten versucht im Zuhör-Modus Funkbaken-Signale von anderen im vermaschten Netz integrierten Funkknoten zu empfangen. Die Prozessoreinheit kann zum Beispiel nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne einen der anderen Funkknoten auswählen, und die Sende- Empfangseinheit veranlassen, eine Registrierungs-Nachricht an den gewählten Funkknoten zu senden, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren. Das die Registrierungs- Nachricht enthaltenden Funksignal kann beispielsweise von der Sende-Empfangseinheit mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des gewählten Funkknotens gesendet werden, so dass das mindestens eine Sperrgebiet ausgespart wird.
[0021] In einer weiteren Ausführungsform ist die Sende-Empfangseinheit des
Funkknotens eingerichtet, das Funksignal mittels Beamforming gerichtet so auszusenden, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem (niedrigeren) zweiten vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der zweite vorgegebene Schwellenwert eine Energiedichte für das mindestens eine Sperrgebiet so beachtet, dass ein Empfang von vom Funkknoten ausgesendeten Funksignalen im mindestens einen Sperrgebiet nicht möglich ist. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein,
Datenempfang im Sperrgebiet sicher auszuschließen. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn das Netz in der Nähe von Strafanstalten, Hochsicherheitsbereichen, medienfreien Bereichen im öffentlichen Raum, etc. betrieben werden soll. Es ist grundsätzlich auch möglich, für unterschiedliche Sperrgebiete (bzw. Sperrgebietstypen) unterschiedliche Schwellenwerte zu definieren/konfigurieren.
[0022] Der Funkknoten kann ferner auch eingerichtet sein, extern berechnete
Funkrichtungen für seine Funksignale und entsprechend zugeordnete Sendeleistungen von einer externen Einheit zu empfangen. Diese externe Einheit kann ein anderer Funkknoten sein, eine zentrale Recheneinheit, ein Speichermedium, etc. Die Sende-Empfangseinheit kann entsprechend das Funksignal in eine der berechneten Funkrichtungen mit der zugeordneten Sendeleistung zu senden.
[0023] Umfangreiche Berechnungen, z.B. die Reflexion und Dämpfung von
Funksignalen unter Berücksichtigung von Kartenmaterial (z.B. bei hohem Detailgrad) erfordern womöglich eine Rechenleistung, die von einem Funkknoten nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Daher wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, zumindest einen Teil solch rechenintensiver Aufgaben/Funktionen extern in einer zentralen Recheneinheit (die nicht Bestandteil des Funkknotens ist, z.B. ein Server) auszuführen. Die von der zentralen Recheneinheit so gewonnen Daten können wiederum an den Funkknoten zur Nutzung übermittelt werden (z.B. mittels Funksignalen oder über eine andere
Schnittstelle) und der Funkknoten kann diese Daten intern, möglichst nicht-flüchtig, speichern. Zum Beispiel können bestimmte Parameter, wie die Berechnung von
Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen, und/oder die Berechnungen von
Signalreflexion und/oder -Dämpfung und/oder Bestimmung von Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens im Rahmen einer Simulation des Mesh-Funknetzes, die durch eine zentrale Recheneinheit ausgeführt wird, bestimmt werden. Diese Parameter können anschließend an den Funkknoten übertragen werden. Beispielsweise könnten die Parameter (z.B. optimalen Funkrichtungen und/oder Sendeleistungen und/oder Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens) extern berechnet und an den Funknetzknoten für die weitere Nutzung gesendet werden.
Beispielsweise kann die zyklische externe Durchrechnung und Optimierung von
Senderichtungen und Sendeleistungen und/oder die Berechnungen von Signalreflexion und/oder -Dämpfung und/oder Bestimmung von Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens für alle vermaschten Knoten des Funknetzes erfolgen.
[0024] Vor diesem Hintergrund betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für einen (solchen) Funkknoten durch eine zentrale Recheneinheit. Die zentrale Recheneinheit kann
beispielsweise ein Server sein. Das Verfahren umfasst das Empfangen von Daten, die die Positionen der Funkknoten im vermaschten Netz angeben, an der zentralen Recheneinheit; ein Ermitteln von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für mindestens einen der Funkknoten unter Verwendung von topologischen Karteninformationen und optional weiteren Karteninformationen; und Übertragen der ermittelten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen an den mindestens einen Funkknoten. Dabei können für jeden Funkknoten des vermaschten Netzes optional auch Kenndaten der Übertragung, insbesondere
Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder Datendurchsatz und/oder Fatenz gesammelt werden, und diese Kenndaten zur iterativen Optimierung der an die Knoten zurückgelieferten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen verwendet werden. Die Optimierung kann vorzugsweise mittels selbstlernender Algorithmen erfolgen.
[0025] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten. Das Verfahren umfasst eine Berechnung von Reflexionen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte. Sendeleistungen und Senderichtungen, die in einem oder mehreren Sperrgebieten zu
Energiedichten über einem vorgegebenen Schwellwert führen, werden für den Funkknoten ausgeschlossen.
[0026] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten, das umfasst eine Berechnung von Dämpfungen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte umfasst.
Sendeleistungen und Senderichtungen zu benachbarten Funkknoten werden dabei so gewählt werden, dass die Sendeleistung maximiert wird, ohne eine in dem mindestens einem
Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
[0027] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten. Das Verfahren umfasst ein Optimieren der Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder des Datendurchsatzes und/oder der Latenz für das gesamte vermaschte Netz basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte durch Festlegung von bevorzugten Senderichtungen und zugehörigen Sendeleistungen für die einzelnen Funkknoten. Sendeleistungen und
Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
[0028] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten. Das Verfahren umfasst ein Berechnen von nicht auf einer Sichtlinie liegenden Senderichtungen, insbesondere indirekte Senderichtungen mit mindestens einer Reflexion, zu einem benachbarten
Funkknoten basierend auf einer topologischen Karte unter Berücksichtigung von Reflexion und Dämpfung von zu sendenden Funksignalen. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
[0029] Gemäß einem weiteren Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten können (auch in den vorgenannten Verfahren), basierend auf einer topologischen Karte durch Hindernisse gesperrte Senderichtungen für den
Funkknoten ausgeschlossen werden. Optional umfassen die Verfahren ferner die
Bestimmung eines oder mehrerer Abstrahl-Sektoren für den Funkknoten. Die berechneten Daten können an den Funkknoten übertragen werden und von diesem, vorzugsweise nicht flüchtig, zur Steuerung der Funksignalübertragung abgespeichert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0030] Ausführungsformen der Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. [0031] Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Sensometz, das aus vier bereits in das Netz integrierten Knoten A, B, C, und D steht, und in das ein neuer Netzknoten X integriert werden soll, wobei im Bereich des Sensometzes ein Sperrgebiet liegt,
[0032] Figur 2 zeigt das Sensometz aus Figur 1, nachdem der Knoten X im Sensometz integriert wurde,
[0033] Figur 3 zeigt die Berücksichtigung von topologischen Gegebenheiten, zum
Beispiel Gebäuden Gl, Bestimmung der Abstrahlung-Sektoren, in denen der Netzknoten X seine Funksignale aussendet, um zu verhindern, dass Funksignale in das Sperrgebiet abgestrahlt werden,
[0034] Figur4 zeigt ein Flussdiagrammgemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dass die einzelnen Operationen des neuen Netzknoten, zum Beispiel Netzknoten X, und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel Knoten A, die ausgeführt werden, um den neuen Netzknoten im Netz zu integrieren,
[0035] Figur 5 zeigt ein Flussdiagrammgemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dass die einzelnen Operationen des neuen Netzknoten, zum Beispiel
Netzknoten X, und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel Knoten A, die ausgeführt werden, um den neuen Netzknoten im Netz zu integrieren
[0036] Figur 6 zeigt ein Beispiel, wie der Netzknoten X basierend auf Informationen zu den Abstrahl-Sektoren der anderen im Netz integrierten Netzknoten A, B, C und D, die Lage des Sperrgebiets S 1 bestimmen kann,
[0037] Figur 7 illustriert beispielhaft die Definition eines dreidimensionalen
Sperrgebiets,
[0038] Figur 8 zeigt einen Funkknoten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.,
[0039] Figur 9 zeigt ein Beispiel von Routen zwischen den einzelnen Funkknoten des vermaschten Netzes, wie sie auf der Ebene des Routingprotokolls gebildet werden. [0040] In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0041] Im Allgemeinen betrifft die Erfindung den Betrieb eines vermaschten Netzes aus mehreren Funkknoten, das ausgehend von einem initial vorhandenen Netz, das manuell konfiguriert worden sein kann, autonom und ohne zentrale Instanz zum Netzwerkmanagement betrieben werden kann. Das vermaschte Netz kann beispielsweise ein Sensor-Netz sein, das Sensoren und optional auch Aktoren enthält. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Sensometze beschränkt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Protokolle zur Integration neuer Funknoten im Netz selbst so ausgestaltet, dass sichergestellt werden kann, dass„gesperrte“ Gebiete beim Aussenden von Funksignalen durch die einzelnen Funkknoten ausgespart werden. Dadurch kann die in ein Sperrgebiet eingebrachte Leistungsdichte der Funksignale unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts gehalten werden, so dass in den Sperrgebiet auch Einrichtungen betrieben werden können, die durch einen zu hohen Eintrag von Leistung durch die Funksignale gestört, beschädigt oder gar zum Explodieren gebracht werden könnten. Bei dem vermaschten Netz kann es sich beispielhaft um Ad-hoc-Netz handeln, dass in einer Industrie- oder Produktionsanlage betrieben wird. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Erfindung lässt sich auch in anderen Sensometzen nutzen, die beispielsweise Parameter in Haushalten erfassen (z.B. den Energieverbrauch, Gasverbrauch, Femwärmeverbrauch, etc.) und an eine zentrale Einheit übertragen, wobei die Haushalte in einem Bereich liegen, der auch ein Sperrgebiet im Sinne dieser Erfindung umfasst. Ein weiteres beispielhaftes Einsatzgebiet eines erfindungsgemäßen vermaschten Netzes sind Industrie- und/oder Produktionsanlagen oder auch Labore, die empfindliche Messtechnik einsetzten, die durch den Leistungseintrag elektromagnetischer Funkwellen gestört werden könnte. Die Erfindung kann auch eingesetzt werden um sicherheitskritische Aspekte zu adressieren: Beispielsweise dürfen in Justiz Vollzugsanstalten die Insassen keinen
Funkempfang haben. Ein weiteres Beispiel und auch sicherheitskritischen Anlagen, in denen Signale nur innerhalb der Anlage erfassbar sein dürfen.
[0042] Ein Aspekt der Erfindung ist ein Funkknoten, der zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen. Der Funkknoten sendet Funksignale an einen oder mehrere andere
Funkknoten im vermaschten Netz und verwendet dabei Beamforming um die Funksignale gerichtet auszusenden. Die Funksignale werden dabei vom Funkknoten so gerichtet ausgesendet, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem vorgegebenen Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann basierend auf unterschiedlichen Kriterien gewählt sein. Der Schwellenwert kann so gewählt sein, dass die in ein Sperrgebiet eingebrachte Leistungsdichter der Funksignale einen
Standard/eine Norm erfüllt, so dass sich der Funkknoten auch im Bereich eines Sperrgebiets betrieben werden kann, in dem durch einen zu hohen Eintrag von Leistung durch die
Funksignale Elemente/Sensoren/ Aktoren im Bereich des Sperrgebiets gestört, beschädigt oder gar zum Explodieren gebracht werden könnten. Der Schwellenwert kann auch so gewählt werden, dass der Empfang (insbesondere die Dekodierung der Daten) des Funksignals in einem Sperrgebiet (z.B. Justizvollzugsanstalt) nicht möglich ist. Den unterschiedlichen Sperrgebieten können dabei unterschiedliche Schwellenwerte zugewiesen werden.
[0043] Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist die Bestimmung des„erlaubten Bereichs“, in dem ein jeweiliger Funkknoten aussenden darf. Dieser„erlaubte Bereich“ kann zwei-dimensional ausgestaltet sein (z.B. im Sinne eines oder mehrerer Sektoren in einer (Bezugs-)Ebene), oder auch drei-dimensional (z.B. in unterschiedlichen (Bezugs-)Ebenen) definiert sein. Der Funkknoten kann beispielsweise Informationen zu den Abstrahl-Sektoren speichern, in die der Funkknoten seine Funksignale gerichtet aussenden darf. Der eine oder die mehreren Abstrahl-Sektoren definieren einen„erlaubte Bereich“ für die Abstrahlung der Funksignale.
[0044] Alternativ könnte die Karteninformationen, die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren. Der Funkknoten könnte mit Hilfe der Karteninformationen einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren bestimmen, in die Daten mittels eines Funksignals gerichtet aussendet werden dürfen. Optional können die so ermittelten einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren in einem (flüchtigen oder nicht- flüchtigen) Speicher des Funkknotens zur weiteren Verwendung/ Widerverwendung bei der Steuerung der Abstrahlrichtung(en) der Funksignale des Funkknotens gespeichert werden.
[0045] Ein Beispiel für die Signale, die von einem Funknoten ausgesendet werden, sind Funkbaken-Signale, die mittels Beamforming gerichtet nur innerhalb des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren ausgesendet werden, so dass das/die Sperrgebiet(e) im Bereich des Funkknotens ausspart wird/werden. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, wird mittels der Funkbaken-Signale die Verfügbarkeit des vermaschten Netzes anzeigt. Die Funkbaken-Signale ermögliche anderen Funkknoten, die relative Richtung zu bestimmen, aus der sie das Funkbaken-Signal empfangen haben, so dass auch neue Knoten, die sich in das Netz integrieren wollen, wissen, in welche Richtung sie senden können, ohne dabei ihre Funksignale in ein Sperrgebiet zu senden. So kann sichergestellt werden, dass selbst in dem Fall, dass ein Funkknoten (z.B. bei seiner Inbetriebnahme) keine Informationen zur Lage des einen oder der mehreren Sperrgebiete hat, beim Aussenden der Funksignale ein vorgegebener „gesperrter“ Bereich ausgespart wird. Da der Funkknoten aus der ermittelten Richtung zuvor ein Funkbaken-Signal empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass entlang dieser
Ausstrahlrichtung kein„gesperrter“ Bereich liegen kann.
[0046] Alternativ oder zusätzlich zu den Karteninformationen, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren, können die Karteninformationen auch Informationen enthalten, die die Position mindestens eines anderen Funkknotens in einer digitalen Karte definieren. Die Position des mindestens einen anderen Funkknotens in der digitalen Karte (und optional seine Kennung) kann von einem weiteren Funknoten empfangen werden, oder alternativ können die Karteninformationen auch über eine andere Schnittstelle an den Funkknoten übertragen werden. Der Funkknoten kann beispielsweise seine eigene Position durch Triangulation basierend auf mehreren Funkbaken- Signalen bestimmen. Sofern die Funkbaken-Signale auch die Kennung der jeweiligen aussendenden Funkknoten enthalten, kann der Funkknoten empfangen basierend auf dem Karteninformationen und der Position der anderen Funkknoten in der Karte seine absolute Position in der Karte bestimmen. Ferner ist es möglich, dass der Funkknoten, die Richtung der anderen Funkknoten bezüglich des Funkknotens selbst basierend auf den in der Karte definierten Positionen der anderen Funkknoten bestimmt.
[0047] Die zur Triangulation verwendeten Funksignale, könnten aber auch Signale anderer Funkknoten sein, die eine Registrierungs-Nachricht enthalten, oder die Sensordaten eines Sensors, der im sendenden Funkknoten enthalten oder mit diesem verbunden ist, aufweisen.
[0048] In einer weiteren Ausführungsform kann der Funkknoten, alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Karteninformation, auch Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens speichern. Bei den Informationen zur Umgebung des Funkknotens (z.B. Geoinformationen und/oder Geodäten) kann es sich beispielsweise um Informationen zu Gebäuden oder anderen Funk-Hindemissen im Bereich des Funkknotens handeln. Diese Gebäudeinformationen könnten sehr detailliert sein:
Beispielsweise handelt es sich dabei um ein Modell oder Bauplan des Gebäudes, in dem sich der Funkknoten befindet. Dieses/Dieser könnten optional mit Informationen zur
Beschaffenheit/Material von Wänden und/oder Decken ergänzt sein. Die
Gebäudeinformationen könnten auch entsprechende Informationen über benachbarte Gebäude enthalten, die Umfeld bzw. Funkbereich des Funkknotens liegen. Solche Informationen könnten vom Funkknoten benutzt werden, um bei der Festlegung seines einen oder seiner mehreren Abstrahl-Sektoren auch Reflexionen des Funksignals durch das Gebäude, in dem sich der Funkknoten befindet, und/oder durch umliegende Gebäude oder andere Hindernisse im Bereich des Funkknotens zu berücksichtigen. Zusätzlich oder alternativ dazu könnten diese Informationen vom Funkknoten auch dazu genutzt werden, um die Sendeleistung für die einzelnen Funksignale und/oder deren Dämpfung zu bestimmen. Basierend auf den Daten bezüglich Reflexion und/oder Dämpfung, und optional zusätzlich der Sendeleistung, könnte der Funkknoten auch die Senderichtung der Funksignale, insbesondere den„erlaubten Bereich“ (Abstrahl-Sektor(en)) bestimmen, in die er die Funksignale aussenden darf.
[0049] Da bei der Berechnung von Signalreflexionen und Signal-Dämpfung unter Berücksichtigung von Kartenmaterial (z.B. bei hohem Detailgrad) eine Rechenleistung erforderlich sein kann, die von einem Funkknoten womöglich nicht zur Verfügung gestellt werden kann, wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zumindest einen Teil dieser rechenintensiven Berechnungen/Operationen, extern in einer zentralen Recheneinheit ausgeführt. Die dezentral berechneten Daten können anschließend im Funkknoten gespeichert werden. Zum Beispiel kann die Berechnung von bestimmten Parametern, wie die Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen, im Rahmen einer Simulation des Mesh-Funknetzes, die durch eine zentrale Recheneinheit ausgeführt wird, erfolgen. Die so bestimmten Parameter könnten anschließend an den Funkknoten übertragen werden.
Beispielsweise kann die zyklische externe Durchrechnung und Optimierung von
Senderichtungen und Sendeleistungen für alle vermaschten Knoten des Funknetzes erfolgen.
[0050] Entsprechend weiterer Ausführungsformen der Erfindung wird ein Verfahren zur Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für einen solchen Funkknoten durch eine zentrale Recheneinheit vorgeschlagen. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens umfasst beispielsweise das Empfangen von Daten, die die Positionen der
Funkknoten im vermaschten Netz angeben, durch eine zentrale Recheneinheit. Bei der Position des Funkknotens kann es sich beispielweise um die absolute Position eines
Funkknotens in einem Bezugskoordinatensystem handeln. Dieses Bezugskoordinatensystem kann einer digitalen/topologischen Karte zugrunde liegen, die von der zentralen Recheneinheit bei ihren Berechnungen berücksichtigt wird. Die zentrale Recheneinheit kann dabei Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für mindestens einen der
Funkknoten unter Verwendung von topologischen Karteninformationen und optional weiteren Karteninformationen (z.B. Gebäudeinformationen, die für die Ausbreitung der Funkwellen relevant sind bzw. diese beeinflussen) ermitteln. Anschließend werden die ermittelten
Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen an den mindestens einen Funkknoten übertragen und dort in einem Speicher abgespeichert. Dabei können für jeden Funkknoten des vermaschten Netzes optional auch Kenndaten der Übertragung, insbesondere
Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder Datendurchsatz und/oder Latenz gesammelt werden. Diese Kenndaten können zur iterativen Optimierung der an die Knoten
zurückgelieferten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen verwendet. Die
Optimierung kann vorzugsweise mittels selbstlernender Algorithmen implementiert sein.
[0051] Ein weiteres Ausführungsbeispiel berechnet Reflexionen der Sendeleistung für horizontale und vertikale Senderichtungen der Funksignale des Funkknotens basierend auf Geoinformationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte. Sendeleistungen und Senderichtungen, die in einem oder mehreren Sperrgebieten zu Energiedichten über einem vorgegebenen Schwellwert führen, werden dabei für den Funkknoten ausgeschlossen.
[0052] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein weiteres Verfahren, das eine Berechnung von Dämpfungen der Sendeleistung für horizontale und vertikale
Senderichtungen basierend auf Geoinformationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte umfasst. Sendeleistungen und Senderichtungen zu benachbarten Funkknoten werden auch hier so gewählt werden, dass die Sendeleistung maximiert wird, ohne eine in dem mindestens einem Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
[0053] In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ebenfalls die Senderichtung und/oder die Sendeleistung für die Funksignale eines Funkknotens in der zentralen Recheneinheit berechnet. Dabei kann auch eine Optimierung der Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder des Datendurchsatzes und/oder der Latenz für das gesamte vermaschte Netz basierend auf Geoinformationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte durch Festlegung von bevorzugten Senderichtungen und zugehörigen Sendeleistungen für die einzelnen Funkknoten erfolgen. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden. [0054] Ein weiteres Verfahren berechnet die Senderichtung und/oder die Sendeleistung für einen Funkknoten, beispielsweise in einer zentralen Recheneinheit, wobei dabei ein Berechnen von nicht auf einer Sichtlinie liegenden Senderichtungen, insbesondere indirekte Senderichtungen mit mindestens einer Reflexion, zu einem benachbarten Funkknoten erfolgt, dass auf einer topologischen Karte beruht und wobei Reflexion und Dämpfung der zu sendenden Funksignale berücksichtigt wird. Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, können auch hier für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
[0055] Gemäß einem weiteren Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten können (auch in den vorgenannten Verfahren), basierend auf einer topologischen Karte durch Hindernisse gesperrte Senderichtungen für den
Funkknoten ausgeschlossen werden.
[0056] Da die Menge der Karteninformationen der topologischen Karte sehr umfangreich sein kann, können die Karteninformationen vom Funkknoten beispielsweise über eine im Funkknoten integrierte (zusätzliche) Schnittstelle empfangen werden. Auch dezentral berechnete Parameter könnten dem Funkknoten über diese Schnittstelle eingespielt werden. Bei dieser (zusätzlichen) Schnittstelle kann es sich um eine drahtgebundene Schnittstelle, beispielsweise für den Anschluss eines Wechselspeichermediums, das die
Karteninformationen und/der Parameter zur Verfügung stellt, handeln. Es ist auch möglich, die (zusätzliche) Schnittstelle als drahtlose Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik auszugestalten und die Karteninformationen und/oder dezentral bestimmten Parameter über diese drahtlose Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden.
[0057] Die grundsätzliche Funktionsweise des Registrierungsverfahrens zur Integration eines neuen Funkknotens in das vermaschten Netz wird im Folgenden näher mit Bezug auf Figur 1 erläutert. Figur 1 zeigt ein beispielhaftes vermaschtes Netz, das aus vier bereits in das Netz integrierten Knoten A, B, C, und D besteht, und in das ein neuer Netzknoten X integriert werden soll. Die im Netz integrierten Knoten A, B, C und D spannen ein vermaschtes Netz auf, in dessen Gebiet auch das Sperrgebiet S1 liegt. In Figur 1 wird beispielhaft angenommen, dass die einzelnen Knoten A, B, C und D das initiale oder minimale Netz bilden, von dem ausgehend weitere Knoten in das vermaschten Netz integriert werden können. In diesem Fall können die Knoten A, B, C und D manuell konfiguriert worden sein, d. h. sie verfügen über eine genaue Kenntnis ihrer absoluten Position (optional auch der absoluten Position der anderen drei Funkknoten) in einem Bezugskoordinatensystem, sowie optional über topologische Informationen der Umgebung im Bereich des vermaschten Netzes und die Lage von einem oder mehreren Sperrgebieten, wie Sperrgebiet Sl, die im Bereich des vermaschten Netzes liegen, und in die nach Möglichkeit keine Funksignale (und wenn nur mit einer Leistungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts) eingebracht werden sollen.
Die einzelnen Funkknoten A, B, C und D, die bereits in das Netz integriert sind, wissen daher, welchen Sektor sie auszusparen müssen, um sicherzustellen dass keine Funksignale in der Sperrgebiet S 1 mit einer zu hohen Leistungsdichte eingebracht werden. In Figur 1 werden die „zulässigen“ Abstrahl-Sektoren Al, Bl, CI und Dl gezeigt, in die die jeweiligen Funkknoten ihre Funksignale senden dürfen. Die Daten für diese initiale Konfiguration können
beispielsweise über eine Schnittstelle der Funkknoten A, B, C und D eingelesen werden.
[0058] Wie in Figur 1 ersichtlich, kann der Funkknoten B nicht direkt mit dem neuen Funkknoten X kommunizieren, da das Sperrgebiet S 1 zwischen den beiden Knoten auf ihrer Sichtlinie liegt. Entsprechend kann der neue Funkknoten X nur die Funkbaken-Signale BAI, Bei und BDI der Funkknoten A, C und D empfangen, wie exemplarisch in Figur 1 dargestellt wird. Die Funkbaken-Signale BAI, BBI, BCI und BDI werden von den Netzwerkknoten A, B, C und D mittels Beamforming so gerichtet ausgesendet, dass die von der jeweiligen Antenne der Funkknoten A, B, C und D ausgestrahlte Leistung im jeweiligen Abstrahl-Sektor Al, Bl, CI und Dl des jeweiligen Funkknotens ausgesendet wird. Dadurch stellen die Funkknoten sicher, dass der Leistungsantrag in der Sperrgebiet Sl unterhalb eines Schwellenwerts liegt. Der Schwellenwert kann beispielsweise anwendungsspezifisch festgelegt werden und/oder durch einen Standard vorgeschrieben sein. In einem Ausführungsbeispiel ist der Schwellenwert so gewählt, dass der Empfang (insbesondere die Dekodierung der Daten) des Funksignals in einem Sperrgebiet (z.B. Justizvollzugsanstalt) nicht möglich ist.
[0059] Der neue Funkknoten X, der in das vermaschte Netz integriert werden möchte, sendet zunächst selbst keine Funksignale aus, um so sicherzustellen, dass er nicht aus
Versehen ein Funksignal in ein Sperrgebiet sendet. Der Funkknoten X überwacht stattdessen den Funkkanal auf dem die Funkknoten miteinander kommunizieren und bestimmt, ob er ein oder mehrere Funkbaken-Signale von anderen Funkknoten, hier Funkknoten A, C und D, empfängt. Basierend auf diesen Funkbaken-Signalen BAI, BCi und BDI der anderen
Funkknoten A, C, D im vermaschten Netz kann der Funkknoten X die relative Richtung der Funkknoten A, C, D ermitteln, von denen er ein jeweiliges Funkbaken-Signal BAI, BCi und BDI empfangen hat. Basierend auf der Annahme, dass die anderen Funkknoten A, C und D selbst nicht in das Sperrgebiet S 1 senden dürfen, weiß der Funkknoten X, dass aus der jeweiligen relativen Richtung aus der Funkbaken-Signale BAI, BCi und BDI empfangen werden nicht durch das Sperrgebiet hindurchfuhren können und somit der Funkknoten X in diese Richtung selbst senden kann.
[0060] Der Funkknoten X kann also in eine der relativen Richtungen, aus denen er ein Funkbaken-Signal empfangen hat, selbst ein Funksignal senden, das eine Registrierung für das vermaschte Netz enthält (und damit gleichsam einen bereits integrierten Funkknoten auswählen und eine Registrierungs-Nachricht an diesen senden). Nach Erhalt der
Registrierungs-Nachricht durch einen der bereits im Netz integrierten Funkknoten A, C oder D kann dieser Funkknoten den neuen Funkknoten X im Netz integrieren. Dies geschieht beispielsweise dadurch dass der jeweilige Funkknoten, der bereits im Netz integriert ist, seine Routing-Tabelle entsprechend um den Funkknoten X ergänzt optional auch die anderen Funkknoten über den neuen Funkknoten X informiert. Dazu kann der Funkknoten ebenfalls die relative Richtung des Funkknoten X anhand des Funksignals, das die Registrierungs- Nachricht überträgt ermitteln und entsprechend speichern. Damit wird der Funkknoten in die Lage versetzt für eine Kommunikation mit den Funkknoten X das Funksignal ebenfalls die korrekte relative Richtung aussenden, ohne den Leistungseintrag durch das Lunksignal in das Sperrgebiet S 1 zu erhöhen.
[0061] Lemer kann der Lunkknoten, der die Registrierungs-Nachricht von Lunkknoten X erhalten hat, die Registrierung durch eine entsprechende Bestätigungsnachricht bestätigen. Diese Bestätigungsnachricht wird ebenfalls per Lunksignal gerichtet in die ermittelte relative Richtung des Lunkknotens X ausgesendet, so dass wiederum das Sperrgebiet S 1 ausgespart werden kann. Mittels der Bestätigungsnachricht kann der jeweilige bereits im Netz integrierte Lunkknoten dem Lunkknoten X auch weitere Konfigurationsinformationen zukommen lassen. Die Konfigurationsinformationen umfassen beispielsweise die absolute Position der anderen Lunkknoten im vermaschten Netz (soweit ihm bekannt), die absolute Lage und Ausdehnung des Sperrgebiets S1 im Bezugskoordinatensystem, etc. Mit Hilfe dieser zusätzlichen
Konfigurationsinformationen kann der Lunkknoten X einen Abstrahl-Sektor XI bestimmen, wie in Ligur 2 gezeigt, und/oder basierend auf den Konfigurationsinformationen und seiner bekannten relativen Position seine absolute Position relativ zu den anderen Lunkknoten A, B, C und D bestimmen.
[0062] Die Konfigurationsinformationen, die der Lunkknoten X von einem der anderen bereits im Netz integrierten Lunkknoten empfängt, können auch Informationen hinsichtlich der Topologie in der Umgebung des Lunkknotens X enthalten (z.B. 2D, 2.5D oder 3D- Kartenmaterial). Basierend auf diesen topologischen Informationen (z.B. Geoinformationen und/oder Geodäten), die von einem oder mehreren anderen Funkknoten erhalten werden, kann der Funkknoten X zusammen mit seiner absoluten Position im Bezugskoordinatensystem nicht nur die genaue relative Lage des Sperrgebiets S 1 bezüglich der Position des
Funkknotens X bestimmen, sondern auch topologische Eigenheiten der Umgebung ermitteln, die zum Beispiel eine Reflexion/Dämpfung der vom Funkknoten X ausgesendeten
Funksignale in Richtung des Sperrgebiets S 1 bewirken könnten. Diese zusätzlichen topologischen Informationen kann der Funkknoten X dazu benutzen, einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren so zu bestimmen, so dass sichergestellt werden kann, dass Funksignale die vom Funkknoten X innerhalb dieser Abstrahl-Sektoren gerichtet mittels Beamforming ausgesendet werden einen Leistungsantrag in der Sperrgebiet unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts haben.
[0063] Die topologischen Informationen können Geoinformationen und/oder Geodäten (2D, 3D oder 2.5D) einer topologischen Karte sein, die zumindest die Umgebung des Funkknotens beschreibt. Die Geoinformationen können dabei beispielweise ISO 19107 Geographie Information - Spatial Schema (Raumbezugsschema)-kompatibel definiert sein (siehe DIN EN ISO 19107:2017), dessen Nachfolge-Norm ISO FDIS 19107 momentan noch formell bestätigt werden muss. Auch wenn im Folgenden auf Geoinformationen und/oder Geodäten des topologischen Kartenmaterials Bezug genommen wird, ist es grundsätzlich auch denkbar, topographische, geographische oder thematische Karten zu verwenden,
Geoinformationen und/oder Geodäten (2D, 3D oder 2.5D) enthalten oder um diese ergänzt wurden.
[0064] Alternativ ist es auch möglich, dass die Funkknoten zumindest einen Teil der Konfigurationsdaten, beispielsweise die topologische Karte und/oder seine absolute Position in der Karte, über eine andere Schnittstelle erhält. Der Funkknoten kann dazu eine
drahtgebundene oder (weitere) drahtlose Schnittstelle ausweisen, wie zum Beispiel eine USB- Schnittstelle oder eine Bluetooth Schnittstelle. Dadurch ist es möglich, auch größere
Datenmengen an den Funkknoten zu übertragen. Dies kann beispielsweise vor oder während der ersten Inbetriebnahme des Funkknotens oder auch während seines Betriebs (auch als Aktualisierung) geschehen, zum Beispiel im Wartungsbetrieb des Funkknotens. Optional können über die Schnittstelle auch Aktualisierungen der Firmware oder anderer
Einstellungen/fünkrelevanter Parameter am Funkknoten vorgenommen werden. [0065] In Figur 3 ist exemplarisch dargestellt, wie topologische Gegebenheiten in der Umgebung des Funkknotens X berücksichtigt werden könnten. In Figur 3 wird beispielhaft angenommen, dass ein Hochhaus Gl in direkter Umgebung des Funkknotens X existiert, wobei aufgrund der Ausrichtung des Gebäudes relativ zum Sperrgebiet S1 zu befürchten ist, dass ein in Richtung des Gebäudes Gl ausgesendetes Funksignal von diesem so reflektiert wird, dass ein entsprechend erhöhter Leistungseintrag in das Sperrgebiet S 1 zustande kommt. Der Funkknoten X kann daher die Abstrahl-Sektoren XI -1 und XI -2 entsprechend angepasst bestimmen, so dass der Funkknoten X weder direkt in die Richtung des Sperrgebiets S 1 , noch in die Richtung des Gebäudes Gl gesendet.
[0066] Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dass die einzelnen Funktionen des neuen Netzknoten, zum Beispiel Netzknoten X, und eines bereits im Netzwerk integrierten Knotens, zum Beispiel Knoten A, zeigen, um den neuen Netzknoten X im Netz zu integrieren. Der neue Netzknoten X fängt nicht an, von sich aus zu senden, sondern befindet sich nach seiner Aktivierung (oder der Aktivierung des sende- Empfängers) beispielsweise in einem Zuhör-Modus, in dem der Funkknoten X den Funkkanal auf den Empfang von Funkbaken-Signalen von anderen bereits im Netz integrierten
Funkknoten, wie Funkknoten A, wartet 401. Sobald ein von einem der registrierten
Funkknoten A, B, C oder D ausgesendetes 410 Funkbaken-Signal empfangen 402 wird, versucht der Funkknoten X die relative Richtung des das empfangene Funkbaken-Signal sendenden Funkknotens, d. h. des Funkknotens A, zu bestimmen 403. In der in Figur 4 gezeigten Implementierung reagiert der Funkknoten X unmittelbar auf das Empfangen 402 des ersten Funkbaken-Signals und versucht sich unmittelbar darauf beim Funkknoten A, von dem er das Funkbaken-Signal in Schritt 402 erhalten hat zu registrieren, indem er eine Registrierungs-Nachricht in die ermittelte relative Richtung, aus der er das Funkbaken-Signal im Schritt 402 empfangen hat, sendet 404. Der Funkknoten X kann dabei, beispielsweise durch Beamforming, die Abstrahlrichtung seiner Antenne so beeinflussen, dass möglichst die gesamte Energie des Funksignals, das die Registrierungs-Nachricht enthält, in die ermittelte relative Richtung des Funkknotens A gesendet wird.
[0067] Funkknoten A empfängt die Registrierungs-Nachricht in Schritt 411. Basierend auf dem Funksignal, dass die Registrierungs-Nachricht transportiert, ermittelt 412 der Funkknoten A die relative Richtung des Funkknotens X. Der Funkknoten A registriert 413 den neuen Funkknoten X im vermaschten Netz. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Funkknoten A den Funkknoten X in die Routing-Tabelle aufnimmt, und optional die anderen Funkknoten B, C und D über die Erreichbarkeit des Funkknotens X über den Funkknoten A informiert. Alternativ könnten die Funkknoten B, C und D die Erreichbarkeit des Funkknotens X auch über die ausgetauschten Nachrichten im vermaschten Netzwerk lernen und ihre Routing-Tabellen entsprechend aktualisieren.
[0068] Nach erfolgter Registrierung 413 kann der Funkknoten A die erfolgreiche Registrierung des Funkknotens X bestätigen. Dazu sendet 414 er eine Bestätigungsnachricht in Richtung des Funkknotens X. Die Bestätigungsnachricht wird vom Funkknoten X empfangen 405 und schließt den Registrierungsprozess des Funkknotens X ab. Nach Empfang der Registrierungsbestätigung kann der Funkknoten X seine Daten in Richtung des
Funkknotens A senden, der diese dann, je nach Adressat, an einen anderen Funkknoten (optional über andere Funkknoten) weiterleitet, bis der Adressat der Daten erreicht ist. Der Adressat der Daten kann auch in einem außerhalb des vermaschten Netzes liegenden anderen Netz, beispielsweise über das Internet, ein Firmennetz, etc. verbunden sein.
[0069] Optional kann die Bestätigungsnachricht neben der Bestätigung, dass die
Registrierung im vermaschten Netz erfolgreich war, auch weitere Informationen enthalten. Diese zusätzlichen Informationen können sich beispielsweise auf die Erreichbarkeit und/oder Position anderer Knoten B, C und D im vermaschten Netz beziehen (Positionsinformationen), und/oder Informationen bezüglich der im Bereich des vermaschten Netzes liegenden
Sperrgebiete (Sperrgebietsinformationen) und/oder zusätzliche topologische
Karteninformationen enthalten, basierend auf denen der neue Funkknoten X bestimmen kann, in welche Richtung er Funksignale senden darf (d. h. die zur Bestimmung des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren des Funkknotens X dienen). Die optionalen weiteren Schritte des Funkknotens X unter Zuhilfenahme der Zusatzinformationen aus der Bestätigungsnachricht werden nachstehend noch näher in Bezug auf Figur 5 erläutert.
[0070] Nach erfolgter Registrierung des neuen Funkknotens X im Netz kann dieser durch die anderen Funkknoten im vermaschten Netz erreicht werden, bzw. kann selbst mit anderen Funkknoten kommunizieren oder über einen oder mehrere der anderen Funkknoten auf ein externes Netz (zum Beispiel das Internet, ein Firmennetzwerk, etc.) zugreifen und mit diesem kommunizieren. Je nach Implementierung des vermaschten Netzes kann der neu im vermaschten Netz integrierte Funkknoten X seine Daten somit an eine zentrale Einheit übermitteln, oder beispielsweise an eine Steuereinheit die basierend auf den erfassten
Sensordaten in einen Produktionsprozess oder anderen industriellen Prozess eingreift.
[0071] Grundsätzlich ist es möglich, dass der neue Funkknoten X nicht nur aus ein erstes Funkbaken-Signal reagiert, sondern in Reaktion auf den Empfang mehrerer Funkbaken- Signale eine oder mehrere Registrierungs-Nachrichten an einen oder mehrere bereits im vermaschten Netz integrierte Funkknoten sendet, und entsprechend auch eine
Bestätigungsnachricht und die optionalen zusätzlichen Informationen, wie beschrieben, erhält. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, kann der Funkknoten X beim empfangen mehrerer Funkbaken-Signale seine relative Position mittels Triangulation selbst bestimmen und seine absolute Position im Bezugskoordinatensystem bestimmen, nachdem der
Funkknoten X die absolute Position der die mehreren Funkbaken-Signale aussendeten
Funkknoten im Bezugskoordinatensystem erhalten hat. Dadurch kann der Funkknoten X die exakte Position des Sperrgebiets oder mehrerer Sperrgebiete bestimmen und optional unter Zuhilfenahme der topologischen Zusatzinformationen bestimmen, in welche Richtungen er seine Funksignale zur Kommunikation aussenden darf, und in welche nicht, um
sicherzustellen, dass die in das eine oder die mehreren Sperrgebiete eingebrachte
Leistungsdichte unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts gehalten wird.
[0072] Ein alternativer Registrierungsprozess für einen Funkknoten wird nachfolgend in Bezug auf die Figur 5 beschrieben. Ähnlich wie in Figur 4 befindet sich der neue Funkknoten X, der sich in das vermaschten Netz integrieren möchte, zunächst in einem Zuhör-Modus und sendet selbst keine Funksignale aus. Entsprechend wartet 401 der neue Funkknoten X auf den Empfang von Funkbaken-Signalen von anderen, bereits im Netz registrierten Funkknoten, wie die Funkknoten A, C und D. In der Ausführungsform der Figur 5 versucht der Funkknoten X zunächst mehrere Funkbaken-Signale von unterschiedlichen Funkknoten im vermaschten Netz zu empfangen, bevor er eine Registrierungs-Nachricht sendet. Entsprechend wird zunächst 501 ein Timer gestartet, der dazu dient eine vorbestimmte Zeitspanne zu
überwachen, in der der Funkknoten X zunächst Funkbaken-Signale empfängt und auswertet. Es wird angenommen, dass die bereits im Netz registrierten Funkknoten, A, B, C und D in regelmäßigen Abständen (periodisch), optional zeitlich synchronisiert miteinander,
Funkbaken-Signale aussenden, wobei sie, wie in Bezug mit Figur 1 beschrieben, jeweils vorhandene Sperrgebiete aussparen. Wie in Figur 1 dargestellt, wird nachfolgend
exemplarisch angenommen, dass der Funkknoten X lediglich die Funkbaken-Signale der Funkknoten A, C und B empfangen kann, da der Funkknoten X nicht im Abstrahl-Sektor Bl des Funkknotens B liegt und somit keine Signale von diesem Funkknoten empfängt.
[0073] Sobald der Funkknoten X innerhalb der mittels des Timers überwachten
Zeitspanne ein Funkbaken-Signal empfängt 402, ermittelt der Funkknoten X basierend auf dem Funkbaken-Signal die relative Richtung aus der er das jeweilige Funkbaken-Signal, dass von einem der registrierten Funkknoten A, C oder D ausgesendet 410 wurde, empfangen hat. Beispielsweise kann das Funkbaken-Signal eine Kennung des aussenden Funkknotens enthalten und der Funkknoten X kann die ermittelte relative Richtung sowie die Kennung des Funkknotens, der das jeweilige Funkbaken-Signal ausgesendet hat temporär zwischen speichern. Das Funkbaken-Signal kann optional auch noch weitere Informationen/Parameter enthalten, die ein neuer Funkknoten benötigt, um sich selbst im Netz anmelden zu können. Diese Informationen/Parameter sind jedoch spezifisch für die eingesetzte Funktechnologie und werden hier nicht näher betrachtet.
[0074] Solange der Timer nicht abgelaufen ist 502, wertet der Funkknoten X die empfangenen Funkbaken-Signale entsprechend den Schritten 402 und 403 aus und speichert für jede neue Kennung eines Funkknotens die relative Richtung aus der er das zugehörige Funkbaken-Signal empfangen hat. Optional kann der Funkknoten X, wenn er von ein und denselben Funkknoten mehrmals ein Funkbaken-Signal erhält, die jeweils ermittelte relative Richtung des Funkknotens neu berechnen und unterschiedliche Ergebnisse miteinander kombinieren, um so die relative Richtung des jeweiligen Funkknotens genauer zu bestimmen.
[0075] Nachdem der Timer abgelaufen ist 502, kann der Funkknoten X, sofern er zumindest zwei, vorzugsweise mindestens drei (Funkbaken-)Signale von unterschiedlichen Funkknoten erhalten hat, eine relative Position relativ zu den Funkknoten A, C und D, von denen er (Funkbaken-)Signale erhalten hat, bestimmen 503. Für die Triangulation im dreidimensionalen Raum sind mindestens drei (Funkbaken-) Signale notwendig, während für eine zweidimensionale Positionsbestimmung bereits zwei (Funkbaken-)Signale von unterschiedlichen Funkknoten ausreichen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt unter anderem von der Anzahl der (Funkbaken-)Signale für die Triangulation ab, die von unterschiedlichen Funkknoten erhalten werden. Je mehr (Funkbaken-)Signale von
unterschiedlichen Funkknoten erhalten werden, desto genauer kann die Position durch Triangulation bestimmt werden. Ein weiterer Faktor, der die Genauigkeit der Triangulation bestimmt, ist die Qualität des Beamforming. Je„schmaler“ die ausgesendeten Funksignale in eine bestimmte Richtung abgestrahlt werden, desto genauer lässt sich die Richtung des sendenden Funkknotens bestimmen, so dass auch bereits die genannte Mindestzahl von unterschiedlichen (Funkbaken-)Signale für eine hinreichend genaue Triangulation ausreichen kann.
[0076] Nach Ablauf des Timers wählt 504 der Funkknoten X einen der Funkknoten aus, beispielsweise Funkknoten A, von dem er ein Funkbaken-Signal erhalten hat, und sendet 404 eine Registrierungs-Nachricht an diesen Funkknoten. Der Funkknoten X kann dabei, beispielsweise durch Beamforming, die Abstrahlrichtung seiner Antenne so beeinflussen, dass möglichst die gesamte Energie des Funksignale, dass die Registrierungs-Nachricht enthält, in die ermittelte relative Richtung des Funkknotens A gesendet wird. Wie erwähnt, hat der Funkknoten X die notwendige relative Richtung bereits bestimmt und zwischengespeichert. Die Registrierungs-Nachricht kann beispielsweise neben der Erkennung des Funkknotens X auch weitere Informationen zum Funkknoten X enthalten. Beispielsweise kann die
Registrierungs-Nachricht auch die Kennungen derjenigen Funkknoten, d. h. der anderen Funkknoten C und D, enthalten, von denen der Funkknoten X ebenfalls Funkbaken-Signale erhalten hat.
[0077] Funkknoten A empfängt die Registrierungs-Nachricht in Schritt 411. Basierend auf dem Funksignale, dass die Registrierungs-Nachricht transportiert, ermittelt 412 der Funkknoten A die relative Richtung des Funkknotens X. Der registrierte Funkknoten A registriert den neuen Funkknoten X im vermaschten Netz, indem er den Funkknoten X beispielsweise in die Routing-Tabelle aufnimmt. Optional informiert der Funkknoten A die anderen Funkknoten B, C und D über die Erreichbarkeit des Funkknotens X über den
Funkknoten A informiert. Alternativ könnten die Funkknoten B, C und D die Erreichbarkeit des Funkknotens X auch über die ausgetauschten Nachrichten im vermaschten Netzwerk lernen und ihre Routing-Tabellen entsprechend aktualisieren. Die genaue Implementierung und Erfassung von Routen für das Routen von Netzwerknachrichten im vermaschten
Netzwerk ist eine Implementierungsfrage des Routingprotokolls und wird hier nicht näher betrachtet. Wie bereits erwähnt greift die Steuerung/Kontrolle der Abstrahlrichtung der Funksignale durch Beamforming indirekt in den Nachbarschaftsalgorithmus des
Netzmanagements ein, so dass eigentlich potentielle Nachbarn des Funkknotens X, wie zum Beispiel der Funkknoten B, dem Funkknoten X verborgen bleiben und eine mögliche direkte Route im vermaschten Netz erst gar nicht gebildet bzw. als solche erkannt wird. Dies wird nachstehend näher in Bezug auf Figur 9 erläutert.
[0078] Nach erfolgter Registrierung 413 kann der Funkknoten A die erfolgreiche Registrierung des Funkknotens X bestätigen. Dazu sendet 414 er eine Bestätigungsnachricht an den Funkknoten X, die vom Funkknoten X empfangen 405 empfangen wird und den Registrierungsprozess des Funkknotens X abschließt. Nach Empfang der
Registrierungsbestätigung kann der Funkknoten X seine Daten in Richtung des Funkknotens A senden, der diese dann, je nach Adressat, an einen anderen Funkknoten und optional über andere Funkknoten weiterleitet, bis der Adressat der Daten erreicht ist. Dieser kann auch in einem außerhalb des vermaschten Netzes liegenden anderen Netz, beispielsweise über das Internet, Firmennetz, etc. mit dem vermaschten Netz verbunden sein.
[0079] In einigen der vorgenannten Ausführungsformen wird im neuen, im Netz integrierten Funkknoten X zusammen mit der Bestätigung seiner Registrierung im Netz zusätzliche Information zugesendet, die es dem Funkknoten X erlauben die Position und Ausdehnung des Sperrgebiet S 1 zumindest im zweidimensionalen, alternativ im
dreidimensionalen Raum in Bezug auf ein Bezugskoordinatensystem zu ermitteln. Alternativ zur Definition des Sperrgebiet in absoluten Koordinaten relativ dem
Bezugskoordinatensystem könnte der Funkknoten X die Lage des Sperrgebiet S1 auch basierend auf Informationen zu den absoluten Positionen der umliegenden Funkknoten A, B, C und D sowie deren Abstrahl-Sektoren Al, Bl, CI und Dl ermitteln, so wie dies exemplarisch in Figur 6 dargestellt wird. Aufgrund der ausgesparten Sektoren, in denen die einzelnen Funkknoten A, B, C und D Funksignale senden, kann der Funkknoten X durch Bildung der Grenzlinien der Sektoren der einzelnen Funkknoten die Lage des Sperrgebiet S 1 approx zu ermitteln. Um die Lage des Sperrgebiet S l approx zu bestimmen, benötigte
Funkknoten X mindestens die absolute Position von zwei Funkknoten im
Bezugskoordinatensystem sowie die Abstrahl-Sektoren dieser beiden Funkknoten. Der Überlappungsbereich der jeweiligen Sektoren, in die die jeweiligen Funkknoten keine Funksignale senden (diese lassen sich aus den jeweiligen Abstrahl-Sektoren bestimmen) definiert einen Bereich, der als Sperrgebiet definiert werden kann. Je nach Lage dieser Sektoren, in die jeweiligen Funkknoten keine Funksignale senden im
Bezugskoordinatensystem ist diese Abschätzung der Lage des Sperrgebiets basierend auf den Überlappungsbereich der Sektoren mehr oder weniger genau. Offensichtlich kann die Lage des Sperrgebiets genauer bestimmt werden, je mehr Informationen zu den umliegenden Funkknoten und deren Abstrahl-Sektoren den Funkknoten X zur Verfügung stehen.
[0080] Grundsätzlich kann sowohl das Sperrgebiet als auch die Abstrahl-Sektoren zweidimensional definiert sein, wobei diese zweidimensionalen Gebiete durch eine
(geometrische) Extrusion den dreidimensionalen Raum des Bezugskoordinatensystems abgebildet werden können. Es ist jedoch auch möglich Sperrgebiet als auch die Abstrahl- Sektoren der einzelnen Funkknoten gleich im dreidimensionalen Raum zu definieren. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für einen Funkknoten zwei Abstrahl- Sektoren definiert werden, d. h. zwei Abstrahl-Sektoren bezüglich unterschiedlicher Ebenen im Bezugskoordinatensystem definiert werden. Die Definition des Sperrgebiets im dreidimensionalen Raum kann beispielsweise mittels gängiger Datenformate zur Definition von dreidimensionalen Strukturen in topologischen Daten realisiert werden. Die
Karteninformationen, die dem neuen Funkknoten X beispielsweise zusammen mit der Bestätigung seiner Registrierung im Netz zugesendet werden, können aber alternativ oder zusätzlich auch in einem Rasterdaten-Format vorliegen.
[0081] Figur 7 zeigt exemplarisch die Definition eines Sperrgebiets S1 unter
Verwendung von kartesischen Koordinaten im dreidimensionalen Raum (d.h.
Geoinformationen bzw. Geodäten), wobei einzelne Eckpunkte des dreidimensionalen Sperrgebiets, die mit Linien verbunden werden durch entsprechende Koordinatenpaare (xsl_l, ysl_l, zsl_l), (xsl_2, ysl_2, zsl_2), (xs2_l, ys2_l, zs2_l), (xs2_2, ys2_2, zs2_2), (xs3_l, ys3_l, zs3_l), (xs3_2, ys3_2, zs3_2), (xs4_l, ys4_l, zs4_l), (xs4_2, ys4_2, zs4_2), (xs5_l, ys5_l, zs5_l), (xs5_2, ys5_2, zs5_2) definiert werden. Der dreidimensionale Sperr Bereich S1 wird durch lineare Verbindung der Koordinaten (xsi l, ysi l, zsi_l) und (xsi_2, ysi_2, zsi_2), (xsi_l, ysi_l, zsi_l) und (xs(i+l)_l, ys(i+l)_l, zs(i+l)_l) und ), (xsi_2, ysi_2, zsi_2) und (xs(i+l)_2, ys(i+l)_2, zs(i+l)_2) gebildet, wobei der Index i die einzelnen Koordinatenpaare bezeichnet.
[0082] Figur 8 zeigt beispielhaft die Struktur eines Funkknotens, wie die Funkknoten A, B, C, D oder X in Figur 1. Ein Funkknoten 800 umfasst eine Sensoreinheit 801, eine
Recheneinheit 802, einen Transceiver 803 (auch als Sende-Empfänger oder Sende- Empfangseinheit bezeichnet) und optional weitere anwendungsspezifische Komponenten. Ferner kann der Funkknoten 800 auch eine Energiequelle 804, beispielsweise in Form einer Batterie umfassen. Die Batterie kann dabei entweder die alleinige Energiequelle des
Funkknotens darstellen (reiner Batteriebetrieb) oder als Sicherung gegen Stromausfall verwendet werden. Alternativ könnte der Funkknoten anstelle einer Batterie auch an ein Stromnetz angeschlossen sein, über ein Bussystem oder über die Schnittstelle 806 mit Strom versorgt werden. Die Sensoreinheit 801 dazu einen oder mehrere verschiedene Parameter in der Umgebung der Funkknoten 800 zu messen. Die gemessenen Parameter können beispielsweise in regelmäßigen Abständen vom Funkknoten 800 an eine zentrale Einheit innerhalb oder außerhalb des vermaschten Netzes gesendet werden. Alternativ können die gemessenen Parameter auch zur Steuerung an Aktoren des Systems, die ebenfalls Bestandteil des vermaschten Netzes sein können oder sich außerhalb davon befinden, gesendet werden.
[0083] Die Recheneinheit 802 dient zur Steuerung des Funkknotens 800 und kann beispielsweise mittels eines Mikrocontroller realisiert werden. Typischerweise vereint die Recheneinheit 802 einen Prozessor/Mikroprozessor, sowie den zugehörigen Speicher (auch Cache) auf einem Chip. Alternativ kann die Recheneinheit 802 auch aus mehreren Chips als SoC implementiert sein. Um möglichst wenig Leistung zu verbrauchen, kann die
Recheneinheit 802 in ihrer Funktionalität im Vergleich zu herkömmlichen Prozessoren, die beispielsweise in handelsüblichen Rechnern oder Mobiltelefonen eingesetzt werden, stark eingeschränkt sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Recheneinheit 802 Energiesparmodi unterstützt, so wie dies in modernen Prozessorarchitekturen der Fall ist. Hauptaufgabe der Recheneinheit 802 ist die Steuerung des Funkknotens 800, das Erfassen und gegebenenfalls Zwischenspeichern von Sensordaten aus der Sensoreinheit 801, sowie die Implementierung des Protokollstacks für die Organisation des vermaschten Netzes und die Datenübertragung über den Sende-Empfänger 803, sofern dafür nicht ein separater Chip vorgesehen ist.
[0084] Optional kann die Recheneinheit 802, z.B. auch in Zusammenarbeit mit dem Sende-Empfänger 803, den einen oder die mehreren Abstrahl-Sektoren des Funkknotens 800 bestimmen. Zusätzlich kann die Recheneinheit 802 auch die Sendeleistung der Funksignale bestimmen. In beiden Fällen kann dazu von der Recheneinheit 802 Karteninformationen einer topologischen Karte berücksichtigt werden. Dies kann auch die Berücksichtigung von Reflexionen/Dämpfung von Funksignalen aufgrund von Hindernissen im Umfeld des Funkknotens umfassen.
[0085] Der Sende-Empfänger 803 stellt die Funk-Kommunikation zwischen dem
Funkknoten 800 und anderen Knoten des Netzes sicher. Vorteilhafterweise unterstützt auch der Sende-Empfänger 803 einen energiesparenden Betriebsmodus, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten, wenn keine Daten übertragen oder empfangen werden müssen.
[0086] In einer Ausführungsform kann der Sende-Empfänger 803 auf dem LoRa PHY Standard basierend, der um eine Beamforming-Funktion erweitert ist. Es kommen aber auch andere sogenannte Low Power Wide Area Network (LPWAN) Standards, die Beamforming unterstützen bzw. um eine entsprechende Funktionalität erweitert wurden, zur
Kommunikation über die Funkschnittstelle infrage. Grundsätzlich könnte der Sende- Empfänger 803 auch Mobilfunkstandards unterstützen, die Beamforming unterstützen, wie beispielsweise 3GPP LTE, LTE Advanced, oder einen 5G Standard der 3GPP.
[0087] Der Sende-Empfänger 803 ist an ein(e) oder mehrere Antennen/ Antennenarrays des Funkknotens 800 angeschlossen, über die der Sende-Empfänger 803 Funksignale empfängt und sendet. Der Sende-Empfänger 803 kann ein sogenanntes Beamforming implementieren, um die Abstrahl-Charakteristik der jeweiligen Antennen/ Antennenarrays so zu steuern, dass ein Großteil der Sendeleistung in eine bestimmte Richtung, d. h. in Richtung eines anderen Funkknotens des vermaschten Netzes, ausgesendet wird, so dass die in ein Sperrgebiet eingebrachte Leistungsdichte minimiert werden kann und/oder unterhalb einem bestimmten Schwellenwert gehalten wird. Der Sende-Empfänger 803 kann beispielsweise ein sogenanntes Beamforming Network (BFN) umfassen, also eine Schaltung, die ein
Strahlungsprofil eine(s) Antenne(narrays) einer gewünschten geometrischen Kontur anpasst. Das BFN führt das Sendesignal gewichtet (in Bezug auf Phasenlage und/oder Verstärkung) den unterschiedlichen Antennenelementen zu und beeinflusst dadurch die
Abstrahlcharakteristik der Antenne. Dadurch kann das Strahlungsprofil der (des)
Antenne(narrays) so angepasst werden, dass die Feistung des Funksignals in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird.
[0088] Beamforming wird von einer Vielzahl von Funktechnologien unterstützt, insbesondere auch von Mobilfunkstandards. Sofern der Sende-Empfänger 803 einen
Chipsatzes realisiert wird, der einem bestimmten Funk- oder Mobilfunkstandard
implementiert, sollte dieser vorteilhafterweise eine Schnittstelle aufweisen, mit der das Beamforming konfigurierbar ist. In einem solchen Fall kann die Prozessoreinheit 802 bzw. der Sende-Empfänger 803 über diese Schnittstelle das Beamforming so konfigurieren, dass die Funksignale des Funkknotens 800 nur in den einem oder den mehreren Abstrahl-Sektoren des Funkknotens 800 bzw. nur in eine bestimmte Richtung ausgestrahlt werden. Dazu kann Beamforming-Funktion des Sende-Empfängers 803 funktional mit dem Protokollstack der Recheneinheit 802 gekoppelt sein, die der Beamforming-Funktion die notwendigen
Informationen zur Strahlformung für das gerichtete Senden der Funksignale zukommen lässt. Ferner kann der Sende-Empfänger 803 so eingerichtet sein, dass er - wie in Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschrieben - basierend auf den Funkbaken-Signalen, die von dem Sende- Empfänger 803 empfangen werden, die relative Richtung des das jeweilige Funkbaken-Signal aussenden Funkknotens bestimmt. Der Sende-Empfänger 803 kann diese Information zusammen mit anderen aus dem Funkbaken-Signal extrahierten Informationen (zum Beispiel Signalstärke, Kennung des Funkknotens, etc.) über eine Schnittstelle an die Recheneinheit 802 weiterleiten, um diese dort weiter zu verarbeiten.
[0089] Die Protokollschichten oberhalb des vom Sende-Empfängers 803 implementierten Protokollstack können beispielsweise von der Recheneinheit 802 realisiert werden. Die Protokolle, d.h. ihre Funktonalität, kann beispielsweise Teil der Firmware/Software des Funkknotens 800 sein, die in einem nicht flüchtigen Speicher der Recheneinheit 802 oder eines anderen Speichermoduls des Funkknotens 800 gespeichert ist, und die durch den Prozessor der Recheneinheit 802 ausgeführt wird. Die Firmware/Software kann beispielsweise diejenigen Protokolle implementieren, die für den Aufbau und das
Management des vermaschten Netzes und/oder das Routing notwendig sind, zum Beispiel die entsprechenden Routingprotokolle und Managementprotokolle für das vermaschten Netz. Diese Protokolle können, wie erwähnt, funktional mit dem Sende-Empfänger 803 über eine oder mehrere Schnittstellen gekoppelt sein, um Informationen auszutauschen.
[0090] Als Routingprotokoll können Protokolle eingesetzt werden, die beispielsweise auf dem Distanzvektoralgorithmus (auch bekannt als Distanzvektor-Routing) basieren, die optional für den Einsatz in Low Power Wide Area Networks (LPWAN) optimiert sind. Ein Beispiel ist das Routing Protocol for Low power and Lossy Networks (RPL) (deutsch:
Routing-Protokoll für leistungsarme und verlustbehaftete Netzwerke), das im IETF Standard RFC 6550 spezifiziert ist. Dies erfordert die Verwendung non IPv6 Protokolls in der
Netzwerk- Schicht (Layer 3). Das RPL Protokoll kann beispielsweise auch in einem IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network (6L0WPAN - deutsch: IPv6 für WPAN mit niedrigem Energieverbrauch) verwendet werden. Alternativ könnte auch Angle-based Dynamic Source Routing (ADSR)-basierte Routingprotokolle oder das Low-energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) Protokoll eingesetzt werden. Die Netzwerkschicht des Protokollstacks kann beispielsweise das IPv4 oder IPv6 Protokoll zur Adressierung der Netzknoten verwenden und ebenfalls von der Recheneinheit 802 implementiert werden.
[0091] Wie bereits erwähnt, wird durch das Beamforming die Nachbarschaftserkennung der einzelnen Funkknoten beeinflusst, so dass bestimmte Routen, die unter nicht- Berücksichtigung der Sperrgebiete möglich wären, aufgrund der geänderten
Nachbarschaftserkennung nicht in das Routing übernommen werden und so beim Aussenden der Funksignale ausgespart bleiben. Im RPL-Begriffskontext formuliert bewirkt das
Beamforming der Funksignale, dass alle„children“ nur diejenigen„parents“ sehen und adressieren können, die nicht„hinter“ Sperrzonen liegen. Die Verwendung von Destination Oriented Directed Acyclic Graph (DODAG) Information Objects (DIOs) und Destination Advertisement Objects (DAOs) bliebt unbeeinträchtigt. Der Empfang der von Neighbour Advertisement (NA) und Neighbour Solicitations (NS) Nachrichten, bzw. Router
Advertisement (RA) und Router Solicitation (RS) Nachrichten und somit die Netzstruktur des vermaschten Netzes wird durch das Beamforming der Funksignale beeinflusst. Wie in Figur 1 ersichtlich, erreichen den Funkknoten X aufgrund der Abstrahl-Sektoren Al, Bl, CI, und Dl der anderen Funkknoten A, B, C und D, nur Funksignale der Funkknoten A, C und D.
Aufgrund dieses Umstands kann der Nachbarschaftsalgorithmus auf der Ebene der
Vermittlungsschicht (Network Layer - Schicht 3 des OSI Modells) nur diejenigen Funkknoten als Nachbarn erkennen, von denen er auch Funksignale erhalten hat.
Entsprechend wird er Funkknoten B nicht als„Nachbar“ erkannt, auch wenn theoretische eine direkte Funkverbindung zwischen den Funkknoten X und B möglich wäre. Entsprechend werden in der Routingtabelle des Funkknotens, wie in Figur 9 gezeigt, nur die Routen zu Funkknoten A (Route RXA), ZU Funkknoten C (Route Rxc) und zu Funkknoten D (RXD). Die Route RXB würde somit erst gar nicht gebildet. Ferner könnte der Funkknoten X lernen, dass Funkknoten B wiederum über den Funkknoten A oder Funkknoten C erreichbar ist. Dies könnte ebenfalls in der Routingtabelle gespeichert werden, so dass das Routingprotokoll die Daten für den Funkknoten B entweder über die Route RXA oder alternativ über die Route Rxc sendet. Die Knoten A und C würden dann entsprechend die Daten an den Knoten B über die Route RAB bzw. Route RCB weiterleiten.
[0092] Als Managementprotokolle können beispielsweise Protokolle zur
Selbstkonfiguration zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel das bekannte Dynamic Host Configuration Protokoll (DHCP) oder IPv6 Stateless address autoconfiguration (SFAAC). Fetzteres kann vorteilhaft zusammen mit dem Neighbor Discovery Protocol (NDP) - siehe IETF RFC 4861 - eingesetzt werden. Alternativ könnte aber auch speziell für die
Verwendung in Mesh-Netzen angepasste Protokolle, wie Ad Hoc Configuration Protokoll (AHCP), das Proactive Autoconfiguration Protokoll, oder das Dynamic WMN Configuration Protokoll (DWCP) für das Netzmanagement eingesetzt werden.
[0093] Die von der Recheneinheit 802 implementierten Protokolle können beispielsweise eingerichtet sein, die einzelnen Schritte der Flussdiagramme nach Figur 4 oder Figur 5 zu realisieren, die vom Funkknoten X und/oder einen der anderen Funkknoten A, B, C oder D ausgeführt werden. Alternativ dazu können diese Schritte auch durch die Kombination von Funktionalität in der Recheneinheit 802 und dem Sende-Empfänger 803 realisiert werden. Beispielsweise kann das Netzwerkmanagementprotokoll, dass durch die Recheneinheit 802 implementiert wird, vom Sende-Empfänger 803 in Reaktion auf den Empfang 402, 404 eines Funkbaken-Signals oder einer Registrierungs-Nachricht die Kennung des Funkknotens, der das Funkbaken Signal bzw. die Registrierungs-Nachricht gesendet hat, sowie Informationen zu seiner relativen Richtung bezüglich des Funkknotens erhalten, die vom
Netzwerkmanagementprotokoll dazu verwendet werden, die Routingtabelle entsprechend zu aktualisieren.
[0094] Ferner kann das Netzwerkmanagementprotokoll eingerichtet sein, den Sende- Empfänger 803 dazu zu veranlassen, die Funkbaken-Signale entsprechend des jeweiligen Abstrahl-Sektors unter Verwendung von Beamforming auszusenden, so dass das Sperrgebiet S1 ausgespart bleibt. Der Sende-Empfänger 803 kann dazu das Funkbaken-Signal in
Abstrahl-Sektor des jeweiligen Funkknotens insgesamt abstrahlen, oder alternativ mehrere Funkbaken-Signale aussenden, mittels Beamforming in unterschiedliche Richtungen innerhalb des Abstrahl-Sektors des Funkknotens ausgesendet werden, umso den Abstrahl- Sektor„abzurastem“. Optional ist es auch möglich, dass die der Sende-Empfänger 803 ein Signal (z.B. ein Funkbaken-Signal) mehrmals hintereinander in einem Übertragungsburst sendet, um so dem den Signalburst empfangenden Funkknoten zu ermöglichen, die relative Richtung aus der das Signal empfangen wird, bzw. die relative Position des empfangenden Funkknoten genauer bestimmen zu können.
[0095] Die Recheneinheit 803 kann auch ferner angepasst sein, zusätzliche in einer Bestätigungsnachricht enthaltene Informationen zu verarbeiten und zumindest temporär im Funkknoten 800, z.B. im Speicher 805, zu speichern. Ferner kann die Recheneinheit 803 diese Informationen auch weiterverarbeiten, um beispielsweise die absolute Position des jeweiligen Funkknotens 800 im Bezugskoordinatensystem und/oder die Position des einen oder der mehreren Sperrgebiete S1 zu bestimmen und den/die Abstrahl-Sektor(en) des Funkknotens 800 entsprechend zu bestimmen, um das Beamforming durch den Sende-Empfänger 803 zu steuern.
[0096] Die Funktionalität der Funkknoten A, B, C, D, X und 800, wie in Bezug auf die Figuren 4, 5 und 8 beschrieben, kann sowohl in Software als auch in Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware implementiert werden. Die Einzelkomponenten der Funkknoten 800, die in Bezug auf Figur 8 beschrieben wurde, kann beispielsweise als ein auf einem SoC implementiert werden. Alternativ ist es auch möglich einzelne Funktionalitäten und/oder Komponenten durch mehrere Chips zu realisieren. Beispielsweise könnte der Sende- Empfänger 803 auf einem eigenen Chip oder Chipset implementiert sein, während die Funktonalität der Prozessoreinheit 802 beispielsweise auf einem SoC implementiert ist oder ein eigenes Subsystem aus mehreren Chips bildet, dass mit dem Sende-Empfänger 803 gekoppelt ist. Entsprechend gilt auch für die Sensoreinheit 801, die beispielsweise mit der Prozessoreinheit 802 integriert in einem Subsystem implementiert werden könnte, oder auch separat davon ausgebildet sein kann.
[0097] Die Schnittstelle 806 ist optional und kann eine weitere Schnittstelle des
Funkknotens 800 darstellen. Schnittstelle 806 kann als drahtgebundene Schnittstelle ausgeführt sein, zum Beispiel als USB Schnittstelle. Alternativ kann die Schnittstelle 806 auch eine drahtlose Schnittstelle sein, und insbesondere (aber nicht darauf beschränkt) eine Nahfeldkommunikation (NFC) oder die Übertragung von Funksignalen in näherer Umgebung (z.B. im Bereich von weniger als mehreren hundert Metern, beispielsweise unter 100 m) ermöglichen. In einer Ausführungsform ist die Schnittstelle 806 als Bluetooth- Schnittstelle oder als DECT-Schnittstelle ausgebildet. Die Schnittstelle kann beispielsweise zur
Übertragung von Daten von einem externen Gerät oder Speichermedium 807, wie ein USB- Stick, an den Funkknoten 800 genutzt werden. Diese Daten können beispielweise
Konfigurationsdaten für den Funkknoten erhalten, wie zum Beispiel die Einstellungen zur Nutzung des vermaschten Netzes, Netzwerkeinstellungen (zum Beispiel IP Adresse, Adressen von Gateways und/oder zentralen Servereinheiten, etc.), Daten einer topologischen Karte in der das vermaschte Netz betrieben wird, die absolute Position des Funkknotens im
Bezugskoordinatensystem der topologischen Karte, und/oder Firmware.
[0098] Die Konfigurationsdaten können in einem Speicher 805 des Funkknotens 800 gespeichert werden. Dieser Speicher 805 kann auch von der Prozessoreinheit 802, der Sensoreinheit 801 und/oder dem Sende-Empfänger 803 zur Speicherung von Daten genutzt werden.
[0099] Andere Aspekte des Funkknotens können auch in Software realisiert sein.
Beispielsweise ist es üblich, den Protokollstack (bzw. zumindest Teile davon) in Software zu realisieren, die dann von der Recheneinheit 802, bzw. einer entsprechenden
Prozessorkomponente des Sende-Empfängers 803 realisiert wird. Die Einzelschritte der
Figuren 4 und 5 können beispielweise mittels eines oder mehrerer Computerprogramme, die von einer Recheneinheit 802 ausgeführt wird/werden und auf einem oder mehreren
Computer-lesbaren Speichermedien gespeichert sind, realisiert werden. Ein Funkknoten kann dabei angepasst sein, die in Bezug auf Figur 4 oder Figur 5 beschriebene Funktionalität des neuen Funkknotens X und der bereits im Netz integrierten Funkknoten A, B, C und D zu realisieren, denn sobald eine neue Funkknoten X im Netz integriert ist, ist es gemäß einer Ausführungsform möglich, dass der Funkknoten selbst andere Funkknoten ins Netz integriert, indem er die entsprechenden Schritte der bereits ins Netz integrierten Funkknoten ausführt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Funkknoten zur Verwendung in einem vermaschten Netz, das im Bereich mindestens eines Sperrgebiets liegt, in das bzw. die nur Funksignale mit einer Energiedichte kleiner einem vorgegebenen Schwellenwerts gesendet werden dürfen, wobei der Funkknoten umfasst: eine Sende-Empfangseinheit, um Funksignale an einen oder mehrere andere Funkknoten im vermaschten Netz zu senden,
wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das Funksignal zu erzeugen und mittels Beamforming gerichtet so auszusenden, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner dem vorgegebenen Schwellenwert ist.
2. Funkknoten nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Speicher der Informationen zu einem oder mehreren Abstrahl-Sektoren speichert, in die die Sende- Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf
3. Funkknoten nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Speicher Karteninformationen speichert, die die Position und Ausdehnung des mindestens einen Sperrgebiets in einer digitalen Karte definieren.
4. Funkknoten nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Prozessoreinheit, die basierend auf den Karteninformationen einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren bestimmt, in die die Sende-Empfangseinheit Daten mittels eines Funksignals gerichtet aussenden darf.
5. Funknoten nach Anspruch 4, wobei die Sende-Empfangseinheit weiter eingerichtet ist, ein Funkbaken-Signal mittels Beamforming gerichtet nur innerhalb des einen oder der mehreren Abstrahl-Sektoren auszusenden, so dass das mindestens eine Sperrgebiets ausspart wird,
wobei das Funkbaken-Signal die Verfügbarkeit des vermaschten Netzes anzeigt und anderen Funkknoten ermöglicht, die relative Richtung zu bestimmen, aus der sie das Funkbaken-Signal empfangen haben.
6. Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Speicher der Karteninformationen speichert, die die Position eines anderen Funkknotens in einer digitalen Karte definieren; und wobei die Sende-Empfangseinheit ferner eingerichtet ist, ein Funksignal mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des anderen Funkknotens zu senden.
7. Funkknoten nach Anspruch 6, wobei die Sende-Empfangseinheit oder eine
Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Position des anderen Funkknotens in der digitalen Karte von einem weiteren Funknoten zu empfangen oder basierend auf einem Funkbaken-Signal, das von dem anderen Funkknoten empfangen wurde, zu bestimmen.
8. Funkknoten nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die
Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Richtung des anderen Funkknotens bezüglich des Funkknotens basierend auf der Position des anderen Funkknotens zu bestimmen.
9. Funkknoten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Funksignal, dass in die
Richtung an den anderen Funkknoten gesendet wird, eine Registrierungs- Nachricht ist, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren.
10. Funkknoten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Funksignal, dass in die
Richtung des anderen Funkknotens gesendet wird, Sensordaten eines Sensors, der im Funkknoten enthalten oder mit diesem verbunden ist, enthält.
11. Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend einen Speicher, der Karteninformationen einer topologischen Karte der Umgebung des Funkknotens speichert.
12. Funkknoten nach Anspruch 11, wobei die Karteninformationen der topologischen
Karte von einem weiteren Funkknoten im vermaschten Netz oder über eine im Funkknoten integrierte Schnittstelle empfangen werden.
13. Funkknoten nach Anspruch 12, wobei die Schnittstelle eine drahtgebundene
Schnittstelle zu einem Wechselspeichermedium ist, und die Karteninformationen über das Wechselspeichermedium zur Verfügung gestellt wird.
14. Funkknoten nach Anspruch 12, wobei die Schnittstelle eine drahtlose Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik ist, und die Karteninformationen über diese drahtlose Schnittstelle zur Verfügung gestellt wird.
15. Funkknoten nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Sende- Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, einen oder mehrere Abstrahl-Sektoren, in die die Sende-Empfangseinheit Funksignale gerichtet aussenden darf, basierend auf der die Karteninformationen der topologischen Karte zu bestimmen.
16. Funkknoten nach Anspruch 15, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die
Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Abstrahl-Sektoren unter Berücksichtigung einer Reflexion der vom der Sende- Empfangseinheit ausgesendeten Funksignale an topologischen Hindernissen in der topologischen Karte zu bestimmen.
17. Funkknoten nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, basierend auf
Geoinformationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte die
Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die in das mindestens eine Sperrgebiet eingebrachte Energiedichte unter dem vorgegebenen Schwellwert gehalten wird.
18. Funkknoten nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, basierend auf
Geoinformationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte die
Sendeleistung für das Funksignal zu berechnen, so dass die abgestrahlte Sendeleistung des Funksignals in Richtung eines benachbarten Funkknotens maximiert wird, ohne dabei die im mindestens einen Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
19. Funkknoten nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Sende-Empfangseinheit oder die Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, bei der Berechnung der Sendeleistung für das Funksignal die Reflexion des Funksignals an einem oder mehreren Hindernissen in der topologischen Karte zu berücksichtigen.
20. Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Sende- Empfangseinheit oder eine Prozessoreinheit des Funkknotens eingerichtet ist, die Position des Funkknotens in der digitalen Karte durch Triangulation basierend auf mehreren Funkbaken-Signalen und/oder anderen Funksignalen zu bestimmen, wobei die Funkbaken-Signale bzw. die anderen Funksignale von anderen Funkknoten im vermaschten Netz empfangen werden.
21. Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 20, ferner umfassend eine
Prozessoreinheit, die den Funkknoten nach seiner Aktivierung zunächst für eine vorbestimmte Zeitspanne in einem Zuhör-Modus betreibt, in dem das Senden von Funksignalen durch die Sende-Empfangseinheit unterbunden wird und der Funkknoten versucht, Funkbaken-Signale von im vermaschten Netz integrierten anderen Funkknoten zu empfangen.
22. Funkknoten nach Anspruch 21, wobei die Prozessoreinheit nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne einen der anderen Funkknoten auswählt, und die Sende-Empfangseinheit veranlasst, eine Registrierungs-Nachricht an den gewählten Funkknoten zu senden, um den Funkknoten im vermaschten Netz zu integrieren;
wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das die Registrierungs- Nachricht enthaltenden Funksignal mittels Beamforming gerichtet in die Richtung des gewählten Funkknotens zu senden, so dass das mindestens eine Sperrgebiet ausgespart wird.
23. Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Sende- Empfangseinheit eingerichtet ist, das Funksignal mittels Beamforming gerichtet so auszusenden, dass die Energiedichte des Funksignals, das in das mindestens eine Sperrgebiet eingebracht wird, kleiner einem niedrigeren zweiten vorgegebenen Schwellenwert liegt;
wobei der niedrigere zweite vorgegebene Schwellenwert eine Energiedichte für das mindestens eine Sperrgebiet so beachtet, dass ein Empfang von vom Funkknoten ausgesendeten Funksignalen im mindestens einen Sperrgebiet nicht möglich ist.
24. Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, der eingerichtet ist, extern berechnete Funkrichtungen und zugeordnete Sendeleistungen zu empfangen, und wobei die Sende-Empfangseinheit eingerichtet ist, das Funksignal in eine der berechneten Funkrichtungen mit der zugeordneten Sendeleistung zu senden.
25. Verfahren zur Berechnung von Funkrichtungen und zugeordneten
Sendeleistungen für einen Funkknoten nach Anspruch 24 durch eine zentrale Recheneinheit, umfassend:
Empfangen von Daten, die die Positionen der Funkknoten im vermaschten Netz angeben, an der zentralen Recheneinheit Ermitteln von Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen für mindestens einen der Funkknoten unter Verwendung von topologischen Karteninformationen und optional weiteren Karteninformationen; und
Übertragen der ermittelten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen an den mindestens einen Funkknoten.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei für jeden Funkknoten des vermaschten
Netzes Kenndaten der Übertragung, insbesondere Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder Datendurchsatz und/oder Fatenz gesammelt werden, und diese Kenndaten, vorzugsweise mittels selbstlernender Algorithmen, zur iterativen Optimierung der an die Knoten zurückgelieferten Funkrichtungen und zugeordneten Sendeleistungen verwendet werden.
27. Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst:
Berechnung von Reflexionen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte, wobei Sendeleistungen und Senderichtungen, die in einem oder mehreren Sperrgebieten zu Energiedichten über einem vorgegebenen Schwellwert führen, für den Funkknoten ausgeschlossen werden.
28. Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst:
Berechnung von Dämpfungen der Sendeleistung für horizontale und laterale Senderichtungen basierend auf Geo Informationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte,
wobei Sendeleistungen und Senderichtungen zu benachbarten Funkknoten so gewählt werden, dass die Sendeleistung maximiert wird, ohne eine in dem mindestens einem Sperrgebiet zulässige Energiedichte zu überschreiten.
29. Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst: Optimieren der Zuverlässigkeit der Übertragung und/oder des Datendurchsatzes und/oder der Latenz für das gesamte vermaschte Netz basierend auf Geoinformationen und/oder Geodäten einer topologischen Karte durch Festlegung von bevorzugten Senderichtungen und zugehörigen Sendeleistungen für die einzelnen Funkknoten,
wobei Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu
Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, für die Funkknoten ausgeschlossen werden.
30. Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren umfasst:
Berechnen von nicht auf einer Sichtlinie liegenden Senderichtungen, insbesondere indirekte Senderichtungen mit mindestens einer Reflexion, zu einem benachbarten Funkknoten basierend auf einer topologischen Karte unter Berücksichtigung von Reflexion und Dämpfung von zu sendenden Funksignalen,
wobei Sendeleistungen und Senderichtungen, die im Sperrgebiet zu
Energiedichten über dem vorgegebenen Schwellwert führen, für den Knoten ausgeschlossen werden.
31. Verfahren zur Berechnung der Senderichtung und/oder der Sendeleistung für einen Funkknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei basierend auf einer topologischen Karte durch Hindernisse gesperrte Senderichtungen für den Funkknoten ausgeschlossen werden.
EP19794474.7A 2018-12-05 2019-10-22 Funkknoten zum betrieb in einem funknetz in umgebung eines sperrgebiets Pending EP3891900A1 (de)

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