WO2006056174A1 - Verfahren zur synchronisation und datenübertragung - Google Patents

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WO2006056174A1
WO2006056174A1 PCT/DE2005/002089 DE2005002089W WO2006056174A1 WO 2006056174 A1 WO2006056174 A1 WO 2006056174A1 DE 2005002089 W DE2005002089 W DE 2005002089W WO 2006056174 A1 WO2006056174 A1 WO 2006056174A1
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WO
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node
synchronization signal
beacon
synchronization
nodes
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PCT/DE2005/002089
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English (en)
French (fr)
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Matthias GÖPPNER
Jürgen HUPP
Volker Gehrmann
Christian FLÜGEL
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H04B7/26—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile
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    • H04B7/2671—Arrangements for Wireless Time-Division Multiple Access [TDMA] System Synchronisation
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    • H04W88/02—Terminal devices
    • H04W88/04—Terminal devices adapted for relaying to or from another terminal or user

Definitions

  • the invention relates to a method for forming a synchronized network for wireless communication between transceiver units, the so-called node (KN) and a central transceiver unit, the so-called central node (ZKN) in a multihop network.
  • KN node
  • ZKN central node
  • Multihop Netstechnike are used in many ways in the field of communication technology, for example in the monitoring of infrastructure elements or environmental monitoring.
  • a multihop network basically consists of a multiplicity of network nodes, each of which has at least one transmitting / receiving device and one processor unit.
  • data is typically transmitted from a first network node, the data source, via a number of further network nodes serving as relay stations, so-called intermediate nodes to a second network node, the data sink.
  • the first and second nodes can be selected arbitrarily.
  • data exchange between network nodes becomes possible whose transmission and reception ranges do not overlap, ie which can not establish direct data communication with each other.
  • Each network node can do this Data source, data sink and relay station.
  • the individual network nodes for this purpose must be positioned relative to one another such that at least one further network node is located in the transmission / reception area of a network node, so that a meshed communication structure can thereby be created.
  • a data exchange in a MuIti hop network typically takes place by way of bidirectional wireless communication, in particular by way of radio communication.
  • one or more network nodes may be distinguished by additional functions to be performed by them over the other network nodes. If, for example, a network node serves as the central data sink in the multihop network, then this node is distinguished from the other network nodes by this function and is referred to below as a central node.
  • the central node can also be assigned a different and / or further additional functions.
  • Disadvantages of the methods known today for the synchronization and communication of multihop networks are the considerable computation complexity at the individual network nodes for the construction, maintenance, continuous optimization of the network and data communication within the network, and in particular the associated high power consumption ⁇ need at the individual network nodes.
  • the power supply of the individual network nodes takes place in many applications by a battery. To operate the individual network nodes as long as possible with battery, therefore, the power consumption for operation must be as low as possible. Also for
  • the object of the present invention is to provide a method for collision-free synchronization and communication in a multihop network, which is characterized by low power consumption and by a low duty cycle.
  • the method should at least largely avoid the listed problems of previous methods. In particular, it should be possible to generate redundant communication paths in order to increase the reliability. Furthermore, the hidden node vx problem should be avoided.
  • Synchronization signal d) determining the neighbors of the first node and their respective Beaconslotbelegung and hop count values through the first node, e) setting the predecessor of the first node in the
  • the method according to the invention for synchronization and communication is based on a multi-hop network which has a central node and a plurality of nodes.
  • the network can be infinitely large, i. the network can comprise any number of nodes.
  • the method also serves to maintain synchronization during normal operation of the network.
  • the central node as well as the nodes each have a transceiver unit, a storage unit and a processor unit.
  • the individual nodes can be stationary or mobile.
  • the power supply of the accounts and the central node via accumulators, the power grid or is locally generated, for example, by solar cells.
  • the central node and the nodes are spatially positioned relative to one another such that at least one further node or the central node is located in the transmission / reception area of each node.
  • Each node is thus in direct communication with at least one other node or the central node.
  • the communication between a node that is outside the transmission / reception area of the central node and the central node takes place with the inclusion of additional nodes as relay stations (so-called intermediate nodes) via a multi-hop communication. This makes it possible for nodes that do not have a direct communication relationship to the central node communicate their data via the intermediate nodes to the central node.
  • the central node distinguishes itself from the other nodes in the network in that it acts as a
  • All nodes which lie within the transmission / reception range of a node are referred to as their neighbors.
  • the number of intermediate nodes required for communication between a node and the central node and increased by one denotes the so-called hop count value of this node.
  • All nodes with the same hop count value form a so-called layer.
  • Intermediate node is an intermediate node with the hop Count value i picked out.
  • the intermediate node of the communication chain with the hop count value i-1 is called the predecessor of the intermediate node with the hop count value i, the one with the hop count value i + 1 as its successor.
  • central node and the other nodes of the network together form the nodes. If, in the following description, a distinction is made between the central node and the other nodes, then the term "central node” is explicitly used, and the whole of all nodes, ie including the central node, is used, then the general term “node” is used ,
  • FIG. 1 illustrates these conceptual definitions using the example of a multi-hop network, consisting of a central node K1 and the nodes K2-K9.
  • the individual distributed nodes are represented by ellipses.
  • the arrows represented between the ellipses represent the existing communication structure in the network.
  • the ellipses also indicate the identifier assigned to the individual nodes or the hop count value resulting from the existing communication structure.
  • the central node is assigned the hop count value 0.
  • the assignment of a specific hop count value to a node, as well as its assignment to a layer, depends on the actually selected communication path. If this changes, the hop count value or the layer affiliation of a node can also change.
  • the assignments of the hop count value 2 to nodes K5, K8 and K6 as well as the hop count value 3 to nodes K7 and K9 are shown in FIG.
  • the respective same hop count value thus also determines the affiliation of the nodes K5, K6 and K8 to the layer 2 as well as the nodes K7 and K9 to the layer 3.
  • the individual layers are shown in FIG. 1 as those nodes that share a dark surface be included.
  • the communication between the individual nodes in the MuIti Hop network is based on a wireless data transmission in frames, which are subdivided into defined slots.
  • bidirectional communication methods in particular radio methods, are preferably used, the following data transmission protocols Use: Time Division Multiple Access (TDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA), Code Division Multiple Access (CDMA).
  • TDMA Time Division Multiple Access
  • FDMA Frequency Division Multiple Access
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • Subdivisions of the frame into data areas, preferably in a synchronization, neighboring node and data area come into consideration depending on the application, for example, at the same time normal communication data and data that serve the synchronization, maintenance and optimization of the network structure, in a frame to send.
  • the frame structure ie the frame duration, the number of slots or the subdivision of the frame into areas, the network during operation can be adapted to particular conditions by parameterization.
  • a synchronization signal is sent from the central node or from an already synchronized node, wherein a slot defined by the transmitting node in the frame of the synchronization signal, the so-called beacon slot, is occupied.
  • a beacon slot once defined by a transmitting node is in principle also retained for the transmissions of further synchronization signals by the respective node. Exceptions to this will be described separately below.
  • the beacons slots already occupied by these neighbors are additionally also transmitted in each case.
  • the number of successors of the transmitting node is additionally transmitted in the network.
  • the beacon slot thus assigned to a node and the hop count value have the function of an individual identifier in the network at one time, which is unique for the direct neighbors. Furthermore, this enables collision-free communication between the nodes.
  • Related data packets are received by all neighbors of the sending node, i. from both the already synchronized and the not yet synchronized neighbors, received and evaluated.
  • the not yet synchronized neighbors receive with the synchronization signal a time base to which they synchronize.
  • the already synchronized neighbors of the node advantageously use the synchronization signal to check their synchronization.
  • the respective beacon slot assignment and the hop count values of its already synchronized next but one neighbors are advantageously also determined and stored.
  • a node which is not yet synchronized detects which beacon slots are already occupied by its neighbors. It automatically determines a beacon slot for the transmission of its own synchronization signal, which is unoccupied at least up to its next but one neighbor. Thus, every occupied beacon slot is basically protected up to the next layer.
  • not only the beacon slot assignment of the direct neighbors but also that of the next but one neighbor of the node is taken into account. The resulting collision-free communication avoids the so-called "hidden node" problem, as will be explained in more detail later.
  • each node is made to choose as its predecessor those nodes which:
  • a) has the fewest intermediate nodes in its communication chain to the central node, i. which has the lowest hop count value, or b) has the fewest successors, or c) whose signals with the greatest signal strength are received by the node.
  • each node selects its communication chain to the central node.
  • the node With the corresponding selection of the predecessor, the node itself further assigns a hop count value higher by the number one than the hop count value of the selected predecessor.
  • each node In normal operation, ie after all nodes are synchronized and the regular data exchange takes place in the entire network, each node continues to receive the synchronization signal of its predecessor in order to maintain synchronization, and sends its own synchronization signal to reach its successors.
  • the node exchanges data packets with its neighboring nodes. In the background, he constantly determines his active neighbors and thus recognizes changes, at least in the local network structure. If the local neighborhood relationships for a node change for two consecutive synchronization signals received by it, for example due to the addition of further synchronized adjacent nodes in the network or due to the removal or failure of already synchronized neighboring nodes, this is reported to the node by comparing the currently received neighborhood information recognized the stored previous neighborhood information.
  • the method according to the invention results in the network always adapting to changes in the network. If, for example, the predecessor of a node is removed from the network, the node will determine a new predecessor according to the predetermined criteria.
  • the method synchronizes a previously non-synchronized node, it in turn contributes to the synchronization of further nodes by transmitting its own synchronization signals.
  • the node can already participate in the normal data communication of the already synchronized MuIti hop network after receiving the first synchronization signal.
  • the described method steps are repeated at least until all nodes in the network are synchronized. Preferably, however, the method is operated in parallel to the normal communication.
  • the central node At the beginning of synchronization, initially only the central node sends out synchronization signals.
  • the other nodes assume a receive mode (sniff mode).
  • the central node can therefore occupy any beacon slot, for example the beacon slot 1, before the transmission of its first synchronization signal.
  • the neighboring nodes of the central node receive the written synchronization signal of the central node, store the data transmitted thereby or evaluate it and synchronize their respective time base to the time base of the central node.
  • the already synchronized nodes in turn send out their own synchronization signal without collision, so that the nodes further away from the central node can synchronize.
  • the respectively free beacon slots are occupied, ie in the present example, the beacon slots 2, 3, 4, etc., as well as adjacent information present at the transmitting node are transmitted.
  • Kl beacon slot 2
  • the process is very energy efficient and leads to a significantly lower energy consumption than previously known methods.
  • the method also allows a network image, because all neighboring relationships between nodes are basically known at a time and can therefore also be used to check communication paths.
  • the network adapts itself automatically to changes, for example by adding or removing nodes from the network or changed radio propagation conditions.
  • FIG. 1 Schematic diagram of a MuIti hop network
  • Fig. 2 representation of the frame of a synchronization signal, i. a corresponding time frame with synchronization, neighborhood node and data area;
  • Fxg. 3 shows a time frame for explaining a version of the sniff mode
  • Fig. 4 depiction of a time frame for explaining another version of the sniff mode
  • Fig. 8 Structure of the communication structure in the network
  • FIG. 9 communication structure between a central node and a plurality of sensor nodes via so-called repeater nodes; and FIG. 10 shows a communication structure as in FIG. 9, showing the transmission / reception ranges of individual nodes.
  • the first embodiment describes an embodiment of the inventive method for synchronization, communication in a distributed MuIti hop network, with a central node and a plurality of nodes.
  • network data will be sent from the nodes to the central node, on the other hand, the reverse way is possible.
  • a low duty cycle of approximately 0.02% for transmitting / receiving data can be realized in order to ensure a long service life of the battery-operated sensors.
  • Each node discovers all its makeshift knots regularly and with little energy. It is the optimal connection to the central node found during operation and there is no manual intervention for the installation or to find faulty routes needed.
  • FIG. 2 shows the frame structure preferably selected in this exemplary embodiment for the synchronization signal.
  • the frame itself is divided into a synchronization area, a neighboring node area and a data area.
  • the individual beacon slots are arranged in the synchronization area.
  • the beacon slot assignment of the adjacent nodes is communicated. The actual data communication of the network takes place in the data area.
  • Each node is identifiable at a given time by its hop count h with 0 ⁇ h ⁇ n and the beacon slot s with 0 ⁇ s ⁇ k.
  • the highest hop count value in the example shown in Figure 2 is n
  • the highest beacon slot value is k.
  • the node marked by h and s sends its beacon in Beaconslot s and layer h of the synchronization area.
  • the node is assigned a slot in each of the three frame areas, which slot is determined by the layer h and the beacon slot s of the respective node. Because the layers in the layers in the
  • Ranges are sorted in ascending order, the beacon spreads in a short time to the last n layer of the network.
  • each node in layer h and slot s has a bidirectional data slot for communication with its successors.
  • the respective node determines the transmission to its successors or predecessors.
  • an account can thus grant an exclusive transmission right to a specific successor.
  • the access information of the beacon slots of the adjacent nodes is transmitted. It is basically constructed like the synchronization area, with the difference that after three layers the first layer group is reused. Synchronization and neighboring node information can optionally be combined into one package. In this case, the frame is divided into only one synchronization area and one data area.
  • a packet with neighboring node information contains essential information about the neighbors of a node, such as:
  • a node If a node has collected this information from all neighbors, it can determine its optimal predecessor and a free beacon slot. This creates a collision-free network with balanced ramifications to the central node.
  • the nodes alternate frame by frame with the transmission of neighboring node information.
  • the beacon slots occupied in the synchronization area determine when which node sends the neighboring node information.
  • Each node synchronized to the central node receives the beacon of its predecessor or a neighbor in a given beacon slot and transmits its own beacon with a synchronization signal.
  • a node synchronizes to the beginning of the frame. The synchronization takes place exclusively through the beacons in the beacon slot and is therefore independent of the concept of data transmission.
  • the nodes can send data packets to their neighbors.
  • the values for Hop Count and Beaconslot can be used to structure the data area to reduce collisions.
  • the method for data transmission itself is largely arbitrary in the given framework and known to the person skilled in the art.
  • the transmission of the synchronization area and the neighboring node area and the data area may be dispensed with.
  • the respective node then becomes a so-called end node. However, this can make nodes that are one layer farther away unreachable.
  • the synchronization signal contains:
  • Node can change its beacon slot at longer intervals.
  • beacon solder information can be effectively transmitted as a bitmap. • the announcement of an upcoming beacon slot
  • the method is based on the rule that each node is responsible for synchronizing itself and finding the best path to the base. Synchronization and route optimization are decentralized in the nodes. The following rules apply: An unsynchronized node is initially in the so-called sniff mode, ie a mode in that he does not send but tries to receive a synchronization signal with a beacon to synchronize. The following systematic methods are conceivable:
  • FIG. 3 shows a process variant of the sniff mode.
  • Figure 3 illustrates the time frame of a frame defined by the frame start and frame period.
  • the readiness for reception of the node is indicated by the black time bar overlapping the frame period.
  • the black time bar represents the time interval of tsniff, max-
  • FIG. 4 shows a further process variant of the sniff mode.
  • FIG. 4 shows, analogously to FIG. 3, a frame and a beacon transmitted therein in a time interval t s y nc .
  • the receptivity of the node is also represented by the black time bars. If the receiver of the non-synchronized node can only be active for a short time, it periodically hears the maximum possible reception duration in this variant and then recharges its capacity.
  • the maximum reception time is denoted by t Sn i ff .
  • any beacon in the frame can be received.
  • Unsuccessful synchronization requires a lot of energy because the receiver has been active for at least a full frame period without successfully completing the synchronization.
  • the next attempt after a failure may only take place after days. Only then can a long battery life be guaranteed.
  • FIG. 5 illustrates that, in the present exemplary embodiment, a node only transmits a synchronization signal if it has received a beacon from its selected predecessor. This ensures both a common time base for the entire network and a continuous connection to the central node.
  • node 1 has a selected predecessor, node 0
  • node 1 in turn sends out a synchronization signal.
  • Node 3 on the other hand, is not yet synchronized, i. it does not send its own synchronization signal with a beacon.
  • the beacon of the selected predecessor is received in each frame period.
  • each node ensures that it is free over twice the wireless range. For the beacon slot selected by the respective node, the node checks the following conditions:
  • Each node transmits in its beacon a field in which the occupied by neighbors Beaconslots are marked.
  • the beacon slot should be selected randomly from the free beacon slots.
  • each node in the background scans all beacon slots or the corresponding data signals in the neighborhood area to determine new neighbors. So he can optimize his route to the central node or immediately select another neighbor from his list in case of failure of the selected predecessor.
  • each node selects the predecessor that has the lowest hop count value, the least successor, and the highest received signal strength (Received £ Signal Strength Indication, RSSI value). The hop count value takes precedence over the successor number and has priority over the received signal strength. If a better neighbor is found, it is selected as the predecessor and the own hop count value is adjusted accordingly.
  • the node announces the change in the beacon.
  • the followers receive the announcement and try to receive the beacon on the new beacon slot. This preserves the existing communication channels. Other neighbors only notice that a new beacon slot is being used. If the identifier of the node does not appear in a new beacon slot, then the node is dropped or removed from the network.
  • FIG. 6 illustrates the hidden node problem.
  • the nodes A, B and C and the radio range of nodes A and C are shown. If node B is in the middle of two neighbors A and C and A and C in the same beacon slot send their beacon, then the beacons collide at node B, without the nodes A or C can notice. In an extreme case, the node B can neither be reached by C nor by A.
  • Changing the beacon slot solves the hidden node problem.
  • a node is preferably maintained its beacon slot for at least two synchronization phases, as in a shorter change of the beacon slot no systematic synchronization of an unsynchronized node is possible. The selection of the new Beaconslots takes place according to the criteria described above.
  • a complete image of all network connections can be created.
  • Each node has an identifier, the node number, all nodes synchronize in the order of their node numbers, and The free beacon slot with the lowest number is always selected for sending the beacon.
  • FIGS. 8a-8g show the structure of the corresponding communication structures in one
  • the nodes consisting of the five nodes with the corresponding node numbers 0 to 5.
  • the nodes are shown as rectangular boxes in which the node number and the respectively current beacon slot are indicated.
  • the basically possible radio links are shown as thin connecting lines.
  • the actual selected communication links are marked with thicker arrows.
  • the central node has the node number 0.
  • FIG. 8a shows, as thin connecting lines, the basically possible communication connections between the individual nodes due to the respective overlapping transmission and reception ranges of the individual nodes.
  • the base node sends a synchronization signal with a beacon in beacon slot 0. All other nodes are unsynchronized and try to receive a beacon in sniff mode.
  • FIG. 8b shows that node 1 received the beacon of the base node and synchronized to the beginning frame.
  • the predecessor selected by the node 1 is the central node.
  • the hop count value of node 1 is thus 1. Since beacon slot 0 is already occupied by the central node, node 1 sends its beacon to beacon slot 1.
  • FIG. 8 a shows that the node 2 has synchronized to the synchronization signal transmitted by node 1 and has selected node 1 as predecessor. He sends its beacon in beaconslot 2 because beaconslot 1 is occupied by node 1 and beaconslot 0 by the neighbor node of node 1.
  • FIG. 8d shows that node 3 has synchronized to node 2 and has selected beacon slot 0 for the transmission of its own beacon. This is possible because the beacon slot 0 is neither used by the direct neighbor (node 2) nor the next but one neighbor (node 1) of node 3. Thus, both from the point of view of node 0 and of node 3, a double use of beacon slot 0 is protected up to the next but one neighbor.
  • the optimal one over node 4 can not yet be found by node 3, since node 4 is not yet synchronized, therefore it does not send its own beacon and thus is not yet known to node 3.
  • FIG. 8 e shows that node 4 receives synchronization signals with node 0 as well as node 3 with beacon slot 0. This creates collisions in node 4, so that neither node 0 nor node 3 is visible for node 4 (hidden node problem).
  • the only node visible to node 4 is node 1.
  • Node 4 therefore synchronizes to node 1 and consequently sends its beacon to beaconslot 3, since node 4 can see from synchronization signal of node 1 that node 1 occupies beacon slot 1 and the neighbors of node 1 (node 0 and node 2) occupy the beacon slots 0 and 2.
  • FIG. 8f shows that node 5 has synchronized to node 4 and has selected beacon slot 0 for its own beacon, since the only visible neighbor for node 5 is node 4, and tells node 5 that it is itself the beacon slot 3 and its neighbor (node 1) occupies the beacon slot 1.
  • node 4 the beacon of node 0 and node 3 collide in the common beacon slot 0.
  • Nodes can also be unattainable by means of such "hidden node collisions.” This problem is solved by a sporadic change of the beacon slots, which is illustrated in FIG.
  • FIG. 8g shows that the central node changes its beacon slot from 0 to 4. This is possible since its neighbors (nodes 1 and 4) and its nearest neighbors (nodes 2 and 5) occupy the beacon slots 0, 1, 2 and 3. The collision regarding the
  • beaconslots 0 had only an effect on node 4, so that after the change of the central nodes the beacon of node 4 can now always be received.
  • the change was announced in the synchronization signal of the central node, so that the node 1 and the
  • Node 4 immediately after the change the new Beaconslot 4 listens. Thus, the node 4 recognizes the central node. Since the central node has a lower hop count value than the previously selected predecessor (node 1), the node 4 now selects the central node to its predecessor. The connection to node 1 becomes the backup connection.
  • FIG. 8h shows that node 3 now selects node 4 as predecessor because of the lower hop count value.
  • the connection to node 2 becomes the
  • All nodes of the network are synchronized except for the last node B.
  • the node B has two neighboring nodes A and C, which can not reach each other. Both neighboring nodes send their beacon in the same beacon slot.
  • the attenuation of the respective synchronization signals to the last node is similar on both routes. This poses the problem that Node B can not receive a beacon from either A or C. It is at most an energy detection of the received signal possible. So he does not know the frame beginning and can not synchronize. Due to the spherical change of the beacon slot occupancy, there is also a high probability for the elimination of the collision in such cases.
  • Two adjacent nodes A and B detect a free beacon slot and start broadcasting their beacon in the same frame. If both nodes are the same
  • a neighbor node starts to send a synchronization signal.
  • Kl tries to receive a neighbor's sync signal to sync to that neighbor's beacon.
  • Kl has received a beacon received by a neighbor, he knows the beginning of the frame and thus also the position of the neighboring node area. He listens to all time slots in the neighboring knot area. Thereby he discovers: all direct neighbors whose distance to the central node (hop count) and how many followers each neighbor already has, as well as all time slots occupied by direct and indirect neighbors.
  • Predecessor according to certain criteria (hop count, received signal strength, number of successors).
  • Kl determines the occupied time slots and, in accordance with the rules described above, selects a spare time slot for sending its own beacon. 6. Normal operation
  • Kl receives the beacon from his predecessor to maintain synchronization and sends the beacon in its time slot to reach its followers.
  • he can exchange data packets with a neighboring node.
  • he constantly determines his active neighbors and thus recognizes changes in the network structure.
  • the second exemplary embodiment likewise describes an application of the method according to the invention in a multi-hop network with a central node and a plurality of sensor nodes.
  • the sensor nodes each have one or more sensors, with which they can, for example, record their environment or manipulations at the node itself.
  • the network is described in this Example used for monitoring tik ⁇ components in a multi-storey building. On the floors in each case several units, eg. Apartments are provided. This results in an assignment of individual sensor nodes to floors and dwellings and thus a given clipping of the sensor nodes. In this case, it is necessary to transmit the sensor data acquired by the sensor nodes in the network to the central node.
  • the sensor nodes are permanently installed and each have an individual identifier.
  • the calculations below assume a duty cycle of 0.03% over an average of 12 years.
  • the maximum continuous transmission time of a sensor node is 8 -10 ms, while the maximum continuous transmission time is 10-20 ms.
  • the data rate is 100 kbaud.
  • Beacon which has the lowest hop count value and the highest RSSI value.
  • a sensor node first synchronizes to the first beacon that it receives in sniff mode and specifies its predecessor. This means that the sensor node is time-synchronized with the already active network and can now selectively individual in each cycle Listen to beaconslots to find a more suitable predecessor (beacon). To ensure that this does not take too long, a time-synchronous sensor node searches a larger number of beacon slots in each cycle with pauses lasting about 60 ms. After n cycles, the sensor node has listened to all beacon slots and is synchronized to the optimal beacon. Each sensor node that has finally synchronized to a beacon sends a Sync_ind message to the central node for confirmation. Theoretically, this can already be done after the sensor node has synchronized to the first beacon.
  • Each sensor node selects its predecessor and assigns itself a corresponding hop count value.
  • Each synchronization signal transmitted by a sensor node contains the beacon, the sender identification and the corresponding hop count value.
  • the Sync__ind message contains:
  • the central node After a certain number of cycles, the central node has received all the identifiers of the synchronized sensor nodes of a layer. The central node then appoints a sensor node per layer and housing cluster to the repeater node and assigns each repeater node a different beacon slot greater than 1. In an alternative embodiment, the central node first appoints the repeater nodes, which however only begin to send their beacon almost simultaneously after a later broadcast command. As a result, for example, in a ten-storey house with ten apartments per floor, there are 100 repeater nodes. There may be a few more if a dwelling is only partially covered by a lower layer beacon. In this case, it is advantageous to provide an additional repeater knot in the housing part, which then belongs to the next higher layer.
  • the decision which sensor node per cluster (apartment) is appointed to the repeater node and in which beacon slot he sends can be made according to the following parameters:
  • RSSI value (e.g., mean value)
  • Each repeater node regularly sends its beacon in the beacon slot assigned to it.
  • the remaining sensor nodes which have not been designated as a repeater node, communicate via a beacon node of the next lower sphere with the central node.
  • the remaining sensor nodes of a housing cluster i. all sensor nodes of an apartment that is not too
  • Repeater nodes were, on the repeater node with their apartment identifier. This also has energetic advantages, since within a dwelling the communication link better than over a floor.
  • the data transmission of the sensor nodes takes place via their respective repeater and the path of the repeater nodes in the individual layers which has been determined during the synchronization.
  • the step-by-step synchronization automatically results in repeater paths in the upper floors. Only through these repeater paths, a command transfer to the upper floors can be realized relatively quickly.
  • the commands can be transferred in different ways:
  • Command is executed in the beacon, i. transferred in the beacon slot; - After the beacon frame, a command frame is added; or as a normal data packet.
  • FIG. 9 schematically shows the distribution of sensor nodes in a 4-storey building.
  • the individual sensor nodes (white circles) are assigned to the floors of individual apartment clusters. In each housing cluster, a sensor node was selected as a repeater node. There is a communication structure (black arrows) between the repeater nodes, which enables the communication of the repeater nodes with the central node on the ground floor of the building.
  • the individual sensor nodes always select the repeater node in their respective home cluster for their communication with the central node, for example, as predecessors.
  • FIG. 10 differs from Marsh in that the transmission and reception ranges of individual repeater nodes are illustrated by circles.
  • Each sensor node in the transmission area of the central node receives the beacon of the central node (HopCount 0), synchronizes to it and responds to the master with a Sync_ind message in a data slot.
  • the beacon can max. 8 - 10 ms long. At i a data rate of 100 kbaud and a Manchester
  • Coding this corresponds to about 50 - 62 bytes, which are available for a beacon.
  • each individual beacon slot were about 60-70 ms long and the beacon slots were allocated in ascending order. That Each predecessor repeater node sends in a lower beacon slot.
  • each repeater node in a beacon slot can receive the beacon of its predecessor repeater node and send its own beacon in one of the next beacon slots.
  • This allows commands to be transmitted very quickly upwards.
  • the long beacon slot times are in this case due to the fact that it is theoretically possible for a beacon to be received in one slot and to be forwarded directly in the next slot.
  • a charging time about 50-60 ms is required. If you can guarantee that there are always at least 5 slots in the slot sequence, you can also work with 10 ms slots.
  • the data transmission in the network is preferably based on a contention-based method.
  • the second exemplary embodiment describes the stepwise synchronization of a bidirectional wireless readout network which is subsequently kept synchronous.
  • each sensor node receives a unique identifier during assembly in an apartment in which the number of the apartment and the corresponding floor are contained. This allows a logical clustering of flats.
  • beacon repeater nodes within a logical cluster (apartment)
  • a hierarchical structure of the system automatically results and the routing paths for the communication are determined.
  • the repeater task is to be periodically transferred to neighbor bots.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Synchronisation und Kommunikation in einem Multi Hop Netzwerk mit folgenden Verfahrensschritten: Aussenden eines Synchronisationssignals durch den Zentralknoten oder einen bereits synchronisierten Knoten (KN) , wobei ein Beaconslot mit einem Beacon belegt und zumindest der Hop Count Wert des sendenden Knotens im Frame des Synchronisationssignals übertragen wird, und, für alle bereits synchronisierten Nachbarknoten des sendenden Knotens, Übertragen der jeweiligen Beaconslots und Hop Count Werte durch den sendenden Knoten; Empfangen des Synchronisations Signals sowie der in Zusammenhang damit übermittelten Daten durch einen ersten KN; Synchronisieren des ersten KN auf das Synchronisierungssignal ; Ermitteln der Nachbarn des ersten KN sowie deren jeweiliger Beaconslotbelegung und Hop Count Werte durch den ersten KN; Festlegen des Vorgängers des ersten KNs im Netzwerk durch den ersten KN auf Basis vorgegebenen Kriterien; Speichern der mit dem Synchronisationssignal sowie in Zusammenhang damit empfangenen sowie daraus ermittelten Daten durch den ersten KN; und Wiederholen der Schritte zumindest bis zur Synchronisation aller KN.

Description

Verfahren zur Synchronisation und Datenübertragung in einem Multihop Netzwerk
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines synchronisierten Netzwerkes zur drahtlosen Kommunikation zwischen Sende-/Empfänger- einheiten, den so genannten Knoten (KN) und einer zentralen Sende/Empfängereinheit, dem so genannten Zentralknoten (ZKN) in einem Multihop Netzwerk. Multihop Netswerke finden in vielfältiger Weise im Bereich der Kommunikationstechnik Anwendung, bspw. bei der Überwachung von Infrastrukturelementen oder der Umweltüberwachung.
Stand der Technik
Ein Multihop Netzwerk besteht grundsätzlich aus einer Vielzahl von Netzwerkknoten, die jeweils zumindest eine Sende-/ Empfangseinrichtung und eine Prozessoreinheit aufweisen. In MuIti Hop Netzwerken werden Daten typischerweise von einem ersten Netzwerk¬ knoten, der Datenquelle, über eine Anzahl als Relaisstationen dienende weitere Netzwerkknoten, so genannte Zwischenknoten zu einem zweiten Netzwerk¬ knoten, der Datensenke, übertragen. Dabei sind der erste sowie der zweite Knoten grundsätzlich beliebig wählbar. Somit wird in einem MuIti Hop Netzwerk ein Datenaustausch zwischen Netzwerkknoten möglich, deren Sende- und Empfangsbereiche sich nicht überlappen, d.h. die keine direkte Datenkommunikation miteinander herstellen können. Dabei kann jeder Netzwerkknoten Datenquelle, Datensenke als auch Relaisstation sein. Allerdings müssen die einzelnen Netzwerknoten hierfür derart zueinander positioniert sein, dass sich im Sende-/ Empfangsbereichs eines Netzwerkknotens mindestens ein weiterer Netzwerkknoten befindet, so dass dadurch eine vermaschte Kommunikationsstruktur entstehen kann.
Ein Datenaustausch in einem MuIti Hop Netzwerk erfolgt typischerweise im Wege der bidirektionalen drahtlosen Kommunikation, insbesondere im Wege der Funkkommunikation. Für einige Anwendungen können ein oder mehrere Netzwerkknoten durch von ihnen zu erfüllende zusätzliche Funktionen gegenüber den weiteren Netzwerkknoten ausgezeichnet sein. Dient bspw. ein Netzwerkknoten als zentrale Datensenke im Multihop Netzwerk, so ist dieser gegenüber den anderen Netzwerk¬ knoten durch diese Funktion ausgezeichnet und wird im folgenden als Zentralknoten bezeichnet. Selbstver- ständlich kann dem Zentralknoten auch eine andere und/oder weitere zusätzliche Funktionen zugeordnet sein.
Nachteilig an den heute bekannten Verfahren zur Synchronisation und Kommunikation von Multihop Netz¬ werken ist der erhebliche Rechenaufwand bei den einzelnen Netzwerkknoten zum Aufbau, zur Aufrecht- erhaltung, zur stetigen Optimierung des Netzwerks und zur Datenkommunikation innerhalb des Netzwerks, sowie insbesondere der damit einhergehende hohe Stromver¬ brauch bei den einzelnen Netzwerkknoten. Die Stromversorgung der einzelnen Netzwerkknoten erfolgt in vielen Anwendungen durch eine Batterie. Um die einzelnen Netzwerkknoten möglichst lange mit Batterie zu betreiben, muss daher der Stromverbrauch für den Betrieb möglichst gering sein. Auch für
Zentralknoten, die viele Datenpakete weiterleiten, muss eine bestimmte Lebensdauer erreicht werden. Dies erfordert einen geringen Duty Cycle. Der Duty Cycle ist das Verhältnis von Aktivzeit, d.h. aktiver Kommuni- kation, zu Schlafzeit, d.h. nicht aktiver Kommunikation eines Knotens. Weiterhin nachteilig ist, dass bei den entsprechenden heute bekannten Verfahren durch Kollisionen bei der Funkkommunikation das an sich bekannte so genannte „Hidden Nodew Problem auftreten kann. Dadurch ist der „Hidden Node", d.h. der entsprechende Knoten, vom Netzwerk nicht erreichbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur kollisionsfreien Synchroni- sation und Kommunikation in einem Multihop Netzwerk anzugeben, das sich durch einen geringen Stromverbrauch sowie durch einen niedrigen Duty Cycle auszeichnet. Das Verfahren soll die aufgeführten Probleme bisheriger Verfahren zumindest größtenteils vermeiden. Insbeson- dere soll es möglich sein redundante Kommunikationswege zu erzeugen, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Weiterhin soll das „Hidden Nodevx Problem vermieden werden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie der Ausführungsbeispiele entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
a) Aussenden eines Synchronisationssignals durch den Zentralknoten oder einen bereits synchronisierten Knoten, wobei ein durch den das Synchronisations- signal sendenden Knoten festgelegter Slot im Frame des Synchronisationssignals, der so genannte Beacon- slot, mit einem Datenpaket, dem so genannten Beacon, belegt wird und zumindest der Hop Count Wert des sendenden Knotens im Frame des Synchronisations- Signals übertragen wird, und für alle bereits synchronisierten Nachbarknoten des sendenden Knotens, die dem sendenden Knoten bekannt sind Übertragen der jeweiligen Beaconslots und Hop Count Werte im Frame des Synchronisierungssignals oder als separates Datensignal durch den sendenden Knoten, b) Empfangen des Synchronisationssignals sowie der in Zusammenhang damit übermittelten Daten durch einen im Sende-/Empfangsbereich des sendenden Knotens liegenden ersten Knotens, c) Synchronisieren des ersten Knotens auf das
Synchronisierungssignal, d) Ermitteln der Nachbarn des ersten Knotens sowie deren jeweiliger Beaconslotbelegung und Hop Count Werte durch den ersten Knoten, e) Festlegen des Vorgängers des ersten Knotens im
Netzwerk durch den ersten Knoten auf Basis vorge¬ gebenen Kriterien, f) Speichern der mit dem Synchronisationssignal sowie in Zusammenhang damit empfangenen sowie daraus ermittelten Daten durch den ersten Knoten, g) Wiederholen der Schritte a) bis f) zumindest bis zur Synchronisation aller Knoten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Synchronisation und Kommunikation basiert auf einem Multi Hop Netzwerk, das einen Zentralknoten und mehrere Knoten aufweist. Das Netzwerk kann unbegrenzt groß sein, d.h. das Netz¬ werk kann beliebig viele Knoten umfassen. Das Verfahren dient zudem der Aufrechterhaltung der Synchronisation im Normalbetrieb des Netzwerks.
Der Zentralknoten wie auch die Knoten weisen jeweils eine Sende-/Empfängereinheit, eine Speicherein¬ heit sowie eine Prozessoreinheit auf. Die einzelnen Knoten können ortsfest oder mobil sein. Die Stromver¬ sorgung der Konten und des Zentralknotens erfolgt über Akkumulatoren, das Stromnetz oder wird vor Ort bspw. durch Solarzellen erzeugt. Der Zentralknoten und die Knoten sind dabei räumlich derart zueinander positio¬ niert, dass sich im Sende-/Empfangsbereich jedes Knotens mindestens ein weiterer Knoten oder der Zentralknoten befindet. Jeder Knoten steht damit zumindest mit einem weiteren Knoten oder dem Zentral- knoten in direkter Kommunikationsverbindung. Die Kommunikation zwischen einem Knoten, der sich außerhalb des Sende-/Empfangsbereich des Zentralknotens befindet und dem Zentralknoten erfolgt unter Einbeziehung weiterer Knoten als Relaisstationen (so genannte Zwischenknoten) über eine Multi Hop Kommunikation. Damit ist es möglich, dass Knoten, die nicht über eine direkte Kommunikationsbeziehung zum Zentralknoten verfügen, ihre Daten über die Zwischenknoten an den Zentralknoten übermitteln.
Der Zentralknoten zeichnet sich gegenüber den anderen Knoten im Netzwerk dadurch aus, dass er als
Bezugspunkt für die Kommunikationswege im Netzwerk und zudem als Zeitbasis für die Synchronisation der Netz¬ werkknoten, und damit des gesamten Netzwerkes dient. Nach erfolgter Synchronisation des Netzwerkes leiten daher alle Knoten ihre Zeitbasis vom Zentralknoten ab. Selbstverständlich können vom Zentralknoten weitere Funktionen im Netzwerk übernommen werden, bspw. kann er als zentrale Datensenke dienen oder er kann das Netz¬ werk steuernde Aufgaben haben. Durch die Zusatz- funktionen des Zentralknotens kann sich die Hardware¬ ausstattung des Zentralknotens von den anderen Knoten, bspw. durch einen größeren Speicher oder eine höhere Rechenleistung, unterscheiden. ■ _ι
Für die weiteren Ausführungen sollen folgende begrifflichen Festlegungen gelten:
Alle Knoten, die innerhalb der Sende-/Empfangsreich¬ weite eines Knotens liegen, werden als dessen Nach- barn bezeichnet.
Die für eine Kommunikation zwischen einem Knoten und dem Zentralknoten erforderliche und um Eins erhöhte Anzahl der Zwischenknoten bezeichnet den so genan¬ nten Hop Count Wert dieses Knotens. - Alle Knoten mit gleichem Hop Count Wert bilden eine so genannte Schicht.
In einer gegebenen Kommunikationskette mit mehreren
Zwischenknoten sei ein Zwischenknoten mit dem Hop Count Wert i herausgegriffen. Der Zwischenknoten der Kommunikationskette mit dem Hop Count Wert i-1 wird als Vorgänger des Zwischenknotens mit dem Hop Count Wert i, derjenige mit dem Hop Count Wert i+1 als dessen Nachfolger bezeichnet.
Der Zentralknoten und die weiteren Knoten des Netzwerkes bilden in ihrer Gesamtheit die Knoten. Kommt es in der folgenden Beschreibung auf eine Unterscheidung des Zentralknotens von den anderen Knoten an, so wird der Begriff „Zentralknoten" explizit verwandt, wird auf die Gesamtheit aller Knoten, d.h. einschließlich des Zentralknotens, abgestellt, so wird der allgemeine Begriff „Knoten" verwandt.
Die Figur 1 verdeutlicht diese begrifflichen Fest¬ legungen am Beispiel eines Multi Hop Netzwerkes, bestehend aus einem Zentralknoten Kl und den Knoten K2 - K9. Die einzelnen verteilten Knoten sind durch Ellipsen dargestellt. Die zwischen den Ellipsen dar¬ gestellten Pfeile geben die bestehende Kommunikations- struktur im Netzwerk wieder. Die Ellipsen geben zudem die den einzelnen Knoten zugewiesene Kennung bzw. den sich aus der bestehenden Kommunikationsstruktur erge- benden Hop Count Wert an. So ist dem Zentralknoten der Hop Count Wert 0 zugewiesen.
Der Figur 1 ist zu entnehmen, dass sich die Sende- /Empfangsbereiche von Kl, K2, K3 und K4 überlappen, da K2, K3 und K4 direkt mit Kl kommunizieren können
(Pfeile) , d.h. zur Kommunikation ist kein Zwischen¬ knoten erforderlich. Entsprechend der vorstehend beschriebenen Festlegung wird demzufolge K2, K3 und K4 jeweils der Hop Count Wert = 1 zugeordnet. K2, K3 und K4 bilden somit auch die erste Schicht um den Zentral- knoten, d.h. die Schicht, die durch den gemeinsamen Hop Count Wert = 1 definiert wird. Die Zuordnung eines bestimmten Hop Count Wertes zu einem Knoten, sowie dessen Zuordnung zu einer Schicht hängt dabei von dem tatsächlich aktuell gewählten Kommunikationsweg ab. Ändert sich dieser, kann sich auch der Hop Count Wert bzw. die SchichtZugehörigkeit eines Knotens ändern. Würde bspw. die Kommunikation zwischen K4 nicht direkt mit Kl, sondern über die Kette K4 - K3 - Kl erfolgen (nicht dargestellt) , so würde K4 der Hop Count Wert = 2 zugeordnet werden, da für die Kommunikation mit Kl ein Zwischenknoten (K3) erforderlich ist und die um Eins erhöhte Zahl der erforderlichen Zwischenknoten daher zwei ergibt.
In analoger Weise ergeben sich die in Figur 1 darge¬ stellten Zuordnungen des Hop Count Wertes 2 zu Knoten K5, K8 und K6 sowie des Hop Count Wertes 3 zu Knoten K7 und K9. - Der jeweils gleiche Hop Count Wert bestimmt somit auch die Zugehörigkeit der Knoten K5, K6 und K8 zur Schicht 2 sowie der Knoten K7 und K9 zur Schicht 3. Die einzelnen Schichten sind in Figur 1 als diejenigen Knoten dargestellt, die gemeinsam von einer dunklen Fläche eingeschlossen werden.
Die Kommunikation zwischen den einzelnen Knoten im MuIti Hop Netzwerk beruht auf einer drahtlosen Daten- Übertragung in Frames, die in definierte Slots unter¬ teilt sind. Vorzugsweise finden dabei bidirektionale Kommunikationsverfahren, insbesondere Funkverfahren Anwendung, die folgende Datenübertragungsprotokolle verwenden: Time Division Multiple Access (TDMA) , Frequency Division Multiple Access (FDMA) , Code Division Multiple Access (CDMA) . Unterteilungen des Frames in Datenbereiche, vorzugsweise in einen Synchronisations-, Nachbarknoten- und Datenbereich, kommen je nach Anwendung in Betracht, um so bspw. gleichzeitig normale Kommunikationsdaten und Daten, die der Synchronisation, der Aufrechterhaltung sowie der Optimierung der Netzwerkstruktur dienen, in einem Frame zu versenden. In einer weiteren vorteilhaften Ausge¬ staltung des Verfahrens kann durch eine Parametrierung die Framestruktur, d.h. die Framedauer, die Anzahl der Slots oder die Unterteilung des Frames in Bereiche, das Netzwerk im laufenden Betrieb an besondere Bedingungen angepasst werden.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren vom Zentralknoten oder von einem bereits synchronisierten Knoten ein Synchronisationssignal ausgesandt, wobei ein durch den sendenden Knoten festgelegter Slot im Frame des Synchronisationssignals, der so genannte Beacon- slot, belegt wird. Ein einmal von einem sendenden Knoten festgelegter Beaconslot wird grundsätzlich auch für die Aussendungen weiterer Synchronisationssignale durch den jeweiligen Knoten beibehalten. Ausnahmen hiervon werden nachfolgend gesondert beschrieben.
Weiterhin werden mit jedem Synchronisierungssignal oder als separat gesendetes Datenpaket in Zusammenhang mit einem Synchronisierungssignal zumindest folgende Daten ausgesandt : für alle bereits synchronisierten Nachbarn des sendenden Knotens, die jeweils durch diese Nachbarn bereits belegten Beaconslots sowie die jeweiligen Hop Count Werte dieser Nachbarn. In einer vorteilhaften Portbildung des Verfahrens werden zusätzlich jeweils auch die von den bereits synchroni¬ sierten direkten Nachbarn eines sendenden Knotens belegten Beaconslots sowie deren Hop Count Werte übertragen. In einer weiteren Fortbildung des Ver¬ fahrens wird zusätzlich die Anzahl der Nachfolger des sendenden Knotens im Netzwerk übertragen.
Der einem Knoten derart zugeordnete Beaconslot sowie der Hop Count Wert haben im Netz zu einem Zeitpunkt die Funktion einer individuellen Kennung, die für die direkten Nachbarn eindeutig ist. Weiterhin wird dadurch eine kollisionsfreie Kommunikation zwischen den Knoten ermöglicht. Eine zusätzliche individuelle
Kennung jedes Knotens im Netz ist somit nicht erfor¬ derlich aber selbstverständlich möglich und für be¬ stimmte Anwendungen des Verfahrens sogar erforderlich.
Die Synchronisationssignale bzw. die damit in
Zusammenhang stehenden Datenpakete werden von allen Nachbarn des sendenden Knotens, d.h. sowohl von den bereits synchronisierten als auch von den noch nicht synchronisierten Nachbarn, empfangen und jeweils ausgewertet. Die noch nicht synchronisierten Nachbarn erhalten mit dem Synchronisierungssignal eine Zeitbasis auf die sie sich synchronisieren. Die bereits syn¬ chronisierten Nachbarn des Knotens benutzen das Syn¬ chronisationssignal in vorteilhafter Weise für eine Überprüfung ihrer Synchronisation.
Bei der Auswertung der empfangenen Daten durch einen Knoten werden zumindest die aktuellen lokalen Nachbarschaftsbeziehungen des jeweiligen Knotens inklusive der in der lokalen Umgebung bereits bestehenden Kommunikationsstruktur, d.h. insbesondere die jeweilige Beaconslotbelegung und die Hop Count Werte seiner bereits synchronisierten Nachbarn ermittelt und gespeichert. In vorteilhafter Weise werden zusätzlich auch die jeweilige Beaconslotbelegung und die Hop Count Werte seiner bereits synchronisierten übernächsten Nachbarn ermittelt und gespeichert.
Infolge der mit dem Synchronisationssignale über¬ tragenen aktuellen Nachbarschaftsdaten erkennt ein noch nicht synchronisierter Knoten, welche Beaconslots durch seine Nachbarn bereits belegt sind. Er ermittelt selb- ständig einen Beaconslot für die Aussendung seines eigenen Synchronisierungssignals, der zumindest bis zu seinen übernächsten Nachbarn unbelegt ist. So wird jeder belegte Beaconslot grundsätzlich bis zur über¬ nächsten Schicht geschützt. In einer Fortbildung des Verfahrens wird neben der Beaconslotbelegung der direkten Nachbarn auch diejenige der übernächsten Nachbarn des Knoten berücksichtigt. Durch die damit mögliche kollisionsfreie Kommunikation wird das so genannte „Hidden Node" Problem vermieden, wie später noch eingehender erläutert wird.
Auf Basis der ermittelten aktuellen Nachbar¬ schaftsdaten und/oder weiterer Daten, wie bspw. der Signalstärke des empfangenen Synchronisationssignals, erfolgt, unter Zugrundelegung vorgegebener Kriterien, durch den jeweiligen Knoten die Festlegung seines Vor¬ gängers im Netzwerk. Dadurch entsteht innerhalb des Multi Hop Netzwerkes eine durch die vorgegebenen Kriterien bestimmte Kommunikationsstruktur. Vorzugsweise wird jeder Knoten veranlasst, denjenigen Knoten als Vorgänger zu wählen, welcher:
a) in seiner Kommunikationskette die wenigsten Zwischenknoten zum Zentralknoten hat, d.h. welcher den geringsten Hop Count Wert hat, oder b) die wenigsten Nachfolger hat, oder c) dessen Signale mit der größten Signalstärke vom Knoten empfangen werden.
Es können bei der Wahl des Vorgängers weitere Kriterien einbezogen und/oder die aufgeführten sowie die weiteren Kriterien beliebig kombiniert werden. Durch die Festlegung des Vorgängers wird von jedem Knoten seine Kommunikationskette zum Zentralknoten ausgewählt.
Mit der entsprechenden Auswahl des Vorgängers weist sich der Knoten des weiteren selbst einen um die Zahl Eins höheren Hop Count Wert als der Hop Count Wert des ausgewählten Vorgängers zu.
Im Normalbetrieb, d.h. nachdem alle Knoten syn¬ chronisiert sind und der reguläre Datenaustausch im gesamten Netzwerk abläuft, empfängt jeder Knoten weiterhin das Synchronisationssignal seines Vorgängers, um die Synchronisation aufrechtzuerhalten, und ver¬ schickt sein eigenes Synchron!sationssignal, um seine Nachfolger zu erreichen. Der Knoten tauscht mit seinen Nachbarknoten Datenpakete aus. Im Hintergrund ermittelt er ständig seine aktiven Nachbarn und erkennt so Ver¬ änderungen zumindest in der lokalen Netzwerkstruktur. Ändern sich die lokalen Nachbarschaftsbeziehungen für einen Knoten für zwei aufeinander folgende von ihm empfangene Synchronisierungssignale, bspw. durch Hinzutreten weiterer synchronisierter Nachbarknoten im Netz oder durch Entfernen oder Versagen von bereits synchronisierten Nachbarknoten, so wird dies vom Knoten durch Vergleich der aktuell empfangenen Nachbarschafts¬ informationen mit den gespeicherten vorhergehenden Nachbarschaftsinformationen erkannt. Das erfindungs- gemäße Verfahren führt dazu, dass sich das Netzwerk auf Veränderungen im Netzwerk stets anpasst. Wird bspw. der Vorgänger eines Knotens aus dem Netz entfernt, so wird der Knoten einen neuen Vorgänger gemäß der vorgegebenen Kriterien bestimmen.
Wurde durch das Verfahren ein bisher nicht synchroni¬ sierter Knoten synchronisiert, so trägt er seinerseits durch Aussenden eigener Synchronisationssignale zur Synchronisation weiterer Knoten bei . Der Knoten kann nach dem Empfang des ersten SynchronisationsSignals bereits an der normalen Datenkommunikation des bereits synchronisierten MuIti Hop Netzwerks teilnehmen. Die beschriebenen Verfahrensschritte werden zumindest so oft wiederholt bis alle Knoten im Netzwerk synchroni- siert sind. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch parallel zur Normalkommunikation betrieben.
Nach der allgemeinen Beschreibung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens soll nun nochmals auf die konkreten Schritte zu Beginn des Verfahrens eingegangen werden.
Zu Beginn der Synchronisierung sendet zunächst nur der Zentralknoten Synchronisationssignale aus. Die anderen Knoten nehmen einen Empfangsmodus (Sniff Modus) ein. Der Zentralknoten kann daher vor der Aussendung seines ersten SynchronisationsSignals jeden beliebigen Beaconslot, bspw. den Beaconslot 1, belegen. Für den Zentralknoten beträgt der Hop Count Wert bspw. 0. Da der Zentralknoten zu Beginn der Synchronisation zunächst keinen seiner Nachbarknoten erkennt, sind seinem Synchronisationssignal nur der belegte Beacon¬ slot = 1 sowie der Hop Count Wert = 0 zu entnehmen. Die Nachbarknoten des Zentralknotens empfangen das be¬ schriebene Synchronisierungssignal des Zentralknotens, speichern die dabei übermittelten Daten bzw. werten diese aus und synchronisieren ihre jeweilige Zeitbasis auf die Zeitbasis des Zentralknotens. Anschließend senden die bereits synchronisierten Knoten ihrerseits kollisionsfrei ihr eignes Synchronisierungssignal aus, so dass sich die weiter von dem Zentralknoten entfernt liegenden Knoten synchronisieren können. Dabei werden die jeweils noch freien Beaconslots belegt, d.h. im vorliegenden Beispiel die Beaconslots 2, 3, 4, usw. sowie beim sendenden Knoten vorliegende Nachbarschafts¬ informationen übertragen. So überträgt der erste auf den Zentralknoten synchronisierte Knoten (Kl) bspw. folgende Daten: durch Kl festgelegter Beaconslot = 2, Hop Count Wert von Kl = I7 sowie die Nachbarschafts¬ information: Nachbar mit Hop Count Wert = 0 und Beacon¬ slot 1. Diese Daten werden von den Nachbarn des Kl empfangen, ausgewertet und gespeichert. Die im Laufe des Verfahrens synchronisierten Nachbarknoten des Zentralknotens bilden so die erste synchronisierte
Schicht um den Zentralknoten, die weiter entfernt liegenden die zweite synchronisierte Schicht usw. bis alle Knotensynchronisiert sind. Ist kein Beaconslot mehr frei, so wird der Knoten zu einem Endknoten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren muss nach Empfang eines SynchronisationsSignals nur eine begrenzte Zahl von Beaconslots analysiert werden, weil belegte Beaconslots nach drei Schichten durch andere Knoten wieder verwendet werden können. Damit ist das Verfahren sehr energieeffizient und führt zu einem deutlich geringeren Energiebedarf als bisher bekannte Verfahren. Das Verfahren ermöglicht zudem ein Netzwerk¬ abbild, weil alle Nachbarbeziehungen zwischen Knoten zu einem Zeitpunkt grundsätzlich bekannt sind und damit auch zur Überprüfung von Kommunikationswegen dienen können. Weiterhin ergeben sich zusammenfassend durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
Ein beliebig großes Netzwerk synchronisiert sich auch unter schwierigsten Ausbreitungsbedingungen auf einen Zentralknoten.
Alle Nachbarknoten werden mit geringstem Energie¬ aufwand entdeckt. Indirekte Kollisionen durch Hidden Nodes werden vermieden, da die Informationen welche Beaconslots belegt sind den Nachbarn mitgeteilt werden.
Es wird eine optimale Kommunikationsstruktur erreicht.
Das Netzwerk passt sich automatisch Veränderungen, bspw. durch Hinzufügen oder Entfernen von Knoten aus dem Netzwerk oder veränderten Funkausbreitungs- bedingungen, an. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipschaubildes eines MuIti Hop Netzwerkes; Fig. 2 Darstellung des Frames eines Synchronisations- signals, d.h. eines entsprechenden Zeitrahmens mit Synchronisations-, Nachbarschaftsknoten- sowie Datenbereich;
Fxg . 3 Darstellung eines Zeitrahmens zur Erläuterung einer Version des Sniff Modus;
Fig . 4 Darstellung eines Zeitrahmens zur Erläuterung einer weiteren Version des Sniff Modus;
Fig . 5 Darstellung zur Erläuterung des Basis Link;
Fig . 6 Darstellung zur Erläuterung des Hidden Node
Problems;
Fig . 7 Verfahrensablauf für einen Knoten;
Fig . 8 Aufbau der Kommunikationsstruktur im Netzwerk;
Fig . 9 Kommunikationsstruktur zwischen einem Zentral- knoten und einer Vielzahl von Sensorknoten über so genannte Repeaterknoten; und Fig. 10 Kommunikationsstruktur wie in Figur 9 mit Darstellung der Sende-/ Empfangsbereiche einzelner Knoten.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das erste Ausführungsbeispiel beschreibt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Synchronisation, Kommunikation in einem verteilten MuIti Hop Netzwerk, mit einem Zentralknoten und mehreren Knoten. In diesem unbegrenzt großen MuIti Hop Netzwerk werden Daten einerseits von den Knoten zum Zentralknoten geschickt werden, andererseits ist auch der umgekehrte Weg möglich. Es kann dabei ein niedriger Duty Cycle von ca. 0,02% zum Senden/Empfangen von Daten realisiert werden, um eine lange Lebensdauern der batteriebetriebenen Sensoren zu gewährleisten. Jeder Knoten entdeckt dabei regelmäßig und mit geringem Energieaufwand alle seine Machbarknoten. Es wird die optimale Verbindung zu dem Zentralknoten im laufenden Betrieb gefunden und es ist kein manueller Eingriff zur Installation bzw. zum Finden von Ausfallrouten nötig.
Die nachfolgend beschriebene Synchronisation des Netzwerkes ist Voraussetzung für viele energiesparende Datenübertragungsverfahren.
Figur 2 zeigt die in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise gewählte Framestruktur für das Synchroni¬ sationssignal. Die Framestruktur wird zunächst durch einen Framezeitrahmen mit einem Frameanfang und einer Frame Periode (= Framedauer) definiert. Der Frame selbst ist in einen Synchronisationsbereich, einen Nachbarknotenbereich sowie einen Datenbereich unter¬ teilt. Im Synchronisationsbereich sind die einzelnen Beaconslots angeordnet. Im Nachbarknotenbereich wird die Beaconslotbelegung der Nachbarknoten mitgeteilt. Im Datenbereich erfolgt die eigentliche Datenkommunikation des Netzwerkes.
Jeder Knoten ist zu einem bestimmten Zeitpunkt durch seinen Hop Count Wert h mit 0 ≤ h ≤ n und dem Beaconslot s mit 0 ≤ s ≤ k identifizierbar. Der höchste Hop Count Wert in dem in Figur 2 dargestellten Beispiel ist n, der höchste Beaconslotwert ist k. Der durch h und s gekennzeichnete Knoten sendet seinen Beacon im Beaconslot s und der Schicht h des Synchronisations- bereichs. Dem Knoten wird darüber hinaus in jedem der drei Framebereiche jeweils einen Slot zugewiesen, der durch die Schicht h und den Beaconslot s des jeweiligen Knotens bestimmt ist. Weil die Schichten in den
Bereichen aufsteigend sortiert sind, breitet sich der Beacon in kurzer Zeit bis in die letzte Schicht n des Netzwerks aus.
Im Datenbereich besitzt jeder Knoten in Schicht h und Slot s einen bidirektionalen Datenslot zur Kommuni¬ kation mit seinen Nachfolgern. In dem Beacon legt der jeweilige Knoten die Übertragung zu seinen Nachfolgern oder Vorgängern fest. Optional kann ein Konten damit ein exklusives Senderecht an einen bestimmten Nachfol¬ ger vergeben. Im Nachbarknotenbereich werden die Bele¬ gungsinformationen der Beaconslots der Nachbarknoten übertragen. Er ist grundsätzlich wie der Synchronisa¬ tionsbereich aufgebaut, mit dem Unterschied, dass nach drei Schichten die erste Schichtgruppe wieder verwendet wird. Synchronisations- und Nachbarknoteninformationen können optional auch zu einem Paket zusammengefasst werden. In diesem Fall ist der Frame nur in einen Synchronisationsbereich und einen Datenbereich unter- teilt. Ein Paket mit Nachbarknoteninformationen enthält wesentliche Informationen zu den Nachbarn eines Knotens, wie:
- durch Nachbarn belegte Beaconslots, - jeweilige Vorgänger,
- Anzahl der jeweiligen Nachfolger, sowie
- weitere lokale Informationen. Hat ein Knoten diese Informationen von allen Nachbarn gesammelt, kann er seinen optimalen Vorgänger und einen freien Beaconslot bestimmen. Dadurch entsteht ein kollisionsfreies Netzwerk mit ausgeglichenen Verästelungen zum Zentralknoten.
Im Ausführungsbeispiel wechseln sich die Knoten Frame für Frame mit dem Senden der Nachbarknoteninfor¬ mationen ab. Durch die im Synchronisationsbereich belegten Beaconslots wird festgelegt, wann welcher Knoten die Nachbarknoteninformationen sendet.
Jeder auf den Zentralknoten synchronisierte Knoten empfängt in einem bestimmten Beaconslot den Beacon seines Vorgängers bzw. eines Nachbarn und sendet einen eigenen Beacon mit einem Synchronisationssignal aus. Durch den Empfang eines Beacons im Synchronisations- signal synchronisiert sich ein Knoten auf den Frame Anfang. Die Synchronisierung erfolgt ausschließlich durch die Beacons im Beaconslot und ist somit unab- hängig vom Konzept der Datenübertragung.
Im Datenbereich des Frames sind mehrere Datenslots vorgesehen. In diesen Datenslots können die Knoten Datenpakete an ihre Nachbarn senden. Die Werte für Hop Count und Beaconslot können zur Strukturierung des Datenbereichs verwendet werden, um Kollisionen zu reduzieren. Das Verfahren zur Datenübertragung selbst ist im vorgegeben Rahmen weitgehend beliebig und dem Fachmann bekannt.
Optional kann zwischen der Übertragung des Synchronisationsbereichs sowie dem Nachbarknotenbereich und dem Datenbereich eine Pause liegen, um Sende- kapazitäten wieder aufzuladen. Sind sehr viele Beaconslots bereits belegt, so kann auch auf das Senden eines Synchronisationssignals verzichtet werden. Der jeweilige Knoten wird dann zu einem so genanten Endknoten. Dadurch können allerdings Knoten, die eine Schicht weiter entfernt liegen, unerreichbar werden.
Das Synchronisationssignal enthält:
• den Beaconslot, damit ein Empfänger aus der Empfangszeit den Frameanfang bestimmen kann. Ein
Knoten kann dabei in größeren Zeitabständen seinen Beaconslot wechseln.
• den Hop Count Wert des sendenden Knotens, damit Nachbarn die optimale Route zum Zentralknoten findet.
• die Beaconslots der Nachbarn, um indirekte Beacon- Kollisionen (Hidden Terminal Problem) zu vermeiden. Die jeweiligen Beaconslotinformationen können effektiv als Bitmap übertragen werden. • die Ankündigung eines bevorstehenden Beaconslot
Wechsels.
Nach einer bestimmten Zeit sind alle Knoten auf einen gemeinsamen Frame Anfang synchronisiert. Nach einer Frame Periode wiederholt sich das Schema.
Dem Verfahren liegt die Regel zugrunde, nach der jeder Knoten selbst dafür verantwortlich ist, sich zu synchronisieren und den besten Pfad zur Basis zu finden. Die Synchronisierung und Routenoptimierung erfolgt dezentral in den Knoten. Dabei gelten folgende Regeln: Ein unsynchronisierter Knoten ist zunächst im so genannten Sniff Modus, d.h. einem Modus indem er nicht sendet sondern versucht ein Synchronisationssignal mit einem Beacon zu empfangen, um sich zu synchronisieren. Dabei sind folgende systematische Verfahren denkbar:
In Figur 3 wird eine Verfahrensvariante des Sniff Modes dargestellt. Figur 3 veranschaulicht den Zeitrahmen eine Frames, der durch den Frameanfang und Frame Periode definiert wird. Im Frame wird ein Beacon in einem t= tsync langen Beaconslot übermittelt . Die Empfangsbereitschaft des Knotens wird durch den, die Frame Periode überlappenden schwarzen Zeitbalken angedeutet. Der Knoten sucht dabei maximal für die Zeit von tgniff, max = tframe + tsync, also etwas mehr als eine Frame Periode, einen Beacon. Der schwarze Zeitbalken repräsentiert das Zeitintervall von tsniff, max-
In Figur 4 wird eine weitere Verfahrensvariante des Sniff Modus dargestellt. Figur 4 zeigt analog zur Figur 3 einen Frame sowie ein darin in einem Zeitintervall tsync übertragenen Beacon. Die Empfangsbereitschaft des Knotens wird ebenfalls durch die schwarzen Zeitbalken repräsentiert. Wenn der Empfänger des nicht synchroni- sierten Knotens nur kurz aktiv sein kann, hört er in dieser-Variante periodisch die jeweils maximale mögliche Empfangsdauer ab und lädt anschließend seine Kapazitäten wieder auf. Die maximale Empfangsdauer ist mit tSniff bezeichnet. Nach einer Frame Periode ver- schiebt er sein Empfangsfenster um die Differenz Δt aus Empfangsdauer (tsniff) und der Synchronisationszeit (tsync) r Δt = tgniff _ tsync. So kann nach mehreren Perioden ein beliebiger Beacon im Frame empfangen werden. Sobald der Knoten einen Beacon empfängt, synchronisiert er bei allen Verfahren auf den Frame- anfang. Wenn in einer Frame Periode mehrere Nachbarn kollisionsfrei ihr Beacon senden, verkürzt sich die Synchronisationszeit, weil die sich Empfangswahr¬ scheinlichkeit um die Anzahl der Nachbarn vervielfacht.
Eine erfolglose Synchronisation erfordert viel Energie, weil der Empfänger mindestens eine ganze Frame Periode aktiv war ohne die Synchronisation erfolgreich abgeschlossen zu haben. Um den vorgegebenen geringen Duty Cycle von bspw. 0,02 % einzuhalten, darf nach einem Fehlschlag der nächste Versuch erst nach Tagen erfolgen. Nur so kann eine lange Lebensdauer der Batterie gewährleistet werden.
Figur 5 veranschaulicht, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Knoten nur dann ein Synchroni- sationssignal aussendet, wenn er von seinem selek¬ tierten Vorgänger einen Beacon empfangen hat . Das sichert sowohl eine gemeinsame Zeitbasis für das gesamte Netzwerk als auch eine durchgängige Verbindung zum Zentralknoten. In Figur 5 hat der Knoten 1 von seinem selektierten Vorgänger, dem Knoten 0 einen
Beacon empfangen. Somit sendet Knoten 1 seinerseits ein Synchronisationssignal aus. Knoten 3 hingegen ist noch nicht synchronisiert, d.h. er sendet kein eigenes Synchronisationssignal mit einem Beacon aus .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah¬ rens wird in jeder Frame Periode der Beacon des selek¬ tierten Vorgängers empfangen. Zur Vermeidung von Kollisionen werden bereits belegte Beaconslots vor direkten und indirekten Kollisionen geschützt. Daher stellt jeder Knoten vor der Belegung eines neuen Beaconslots sicher, dass dieser über die doppelte Funkreichweite frei ist. Für den vom jeweiligen Koten ausgewählten Beaconslot überprüft der Knoten folgende Gegebenheiten:
a) Kein Nachbar sendet auf diesem Beaconslot seinen Beacon. Dies erkennt der Knoten durch Abhören des
Slots. b) Kein Nachbar eines Nachbarn darf diesen Beaconslot verwenden. Das heißt, ein belegter Beaconslot ist bis zum übernächsten Nachbarn vor Doppelbelegung geschützt. Dadurch werden indirekte Kollisionen
(Hidden Terminal Problem) vermieden. Jeder Knoten überträgt in seinem Beacon ein Feld, in dem die durch Nachbarn belegten Beaconslots markiert sind. c) Optional: Aus den freien Beaconslots soll der Beaconslot zufällig gewählt werden. Durch die
Verteilung entstehen beim Aufbau des Netzwerks weniger indirekte Kollisionen.
Dadurch wird sichergestellt, dass ein Beaconslot nach einem Abstand von drei Knoten (besser: nach drei Hops) wieder verwendet werden kann.
Zudem scannt jeder Knoten im Hintergrund alle Beaconslots bzw. die korrespondierenden Datensignale im Nachbarschaftsbereich, um neue Nachbarn zu ermitteln. So kann er seine Route zum Zentralknoten optimieren oder bei Ausfall des selektierten Vorgängers sofort einen anderen Nachbarn aus seiner Liste auswählen. Zur Optimierung der Kommunikationsstruktur wird von jedem Knoten der Vorgänger selektiert, der den niedrigsten Hop Count Wert, die wenigsten Nachfolger und die höchste Empfangssignalstärke (Received £>ignal Strength Indication, RSSI-Wert) aufweist. Der Hop Count Wert hat dabei Vorrang vor der Nachfolgerzahl und diese hat Vorrang vor der Empfangssignalstärke. Wird ein besserer Nachbar gefunden, so wird dieser als Vorgänger selektiert und der eigene Hop Count Wert entsprechend angepasst .
In vorteilhafter Weise wechselt jeder Knoten zur Kollisionsvermeidung sporadisch seinen Beaconslot. Belegte Beaconslots werden so vor direkten oder indirekten Kollisionen (Hidden Node Problem) geschützt. Der Knoten kündigt den Wechsel im Beacon an. Die Nachfolger empfangen die Ankündigung und versuchen, den Beacon auf dem neuen Beaconslot zu empfangen. So bleiben die bestehenden Kommunikationswege erhalten. Andere Nachbarn bemerken nur, dass ein neuer Beaconslot verwendet wird. Taucht die Kennung des Knotens nicht in einem neuen Beaconslot auf, so ist der Knoten ausge¬ fallen oder aus dem Netzwerk genommen.
Figur 6 veranschaulicht das Hidden Node Problem. Gezeigt sind die Knoten A, B und C sowie die Funk¬ reichweite der Knoten A und C. Wenn der Knoten B sich in der Mitte von zwei Nachbarn A und C befindet und A und C im gleichen Beaconslot ihren Beacon senden, dann kollidieren die Beacons beim Knoten B, ohne dass dies die Knoten A oder C bemerken können. Im Extremfall ist der Knoten B weder von C noch von A erreichbar. Durch den Wechsel des Beaconslots wird das Hidden Node Problem gelöst . Ein Knoten wird dabei vorzugsweise für mindestens zwei Synchronisationsphasen seinen Beaconslot beibehalten, da bei einem kürzeren Wechsel des Beaconslots keine systematische Synchronisation eines unsynchronisierten Knotens möglich ist. Die Auswahl des neuen Beaconslots erfolgt dabei nach den vorstehend beschriebenen Kriterien.
Mit dem bisher beschriebenen Verfahren entsteht iterativ ein Netzwerk, das sich bis zur optimalen Vernetzung stetig optimiert. Dabei werden folgende Ergebnisse erreicht :
- Auflösung von Hidden Terminal Kollisionen,
Auffinden der kürzesten (geringster Hop Count) und besten (Vorgänger mit höchstem RSSl-Wert) Verbindung zum Zentralknoten, und
Ermittlen aller Nachbarn in Sende-/Empfangsreich- weite eines Knotens. Damit kann bei Ausfall eines
Knoten sofort eine Alternativroute verwendet werden.
Ein vollständiges Abbild aller Netzwerkverbindungen kann erstellt werden.
Nun soll detailliert auf den Aufbau sowie auf die Optimierung der Kommunikationsstruktur innerhalb des Netzwerkes eingegangen werden. Es werden dabei folgende Regeln unterstellt:
- jeder Knoten besitzt eine Kennung, die Knotennummer, alle Knoten synchronisieren sich in der Reihenfolge ihrer Knotennummern, und es wird immer der freie Beaconslot mit der niedrigs¬ ten Nummer zum Senden des Beacons ausgewählt.
Die Figuren 8a - 8g zeigen den Aufbau der entsprechenden Kommunikationsstrukturen in einem
Netzwerk das aus den fünf Knoten mit den zugehörigen Knotennummern 0 bis 5 besteht. Die Knoten sind als rechteckige Kästen dargestellt in denen die Knoten¬ nummer sowie der jeweils aktuelle Beaconslot angegeben sind. Die grundsätzlich möglichen Funkverbindungen sind als dünne Verbindungslinien dargestellt. Die tatsäch¬ lich gewählten Kommunikationsverbindungen sind mit dickeren Pfeilen gekennzeichnet. Der Zentralknoten hat die Knotennummer 0.
Figur 8a zeigt als dünne Verbindungslinien, die aufgrund der jeweils überlappenden Sende- und Empfangs¬ bereiche der einzelnen Knoten grundsätzlich möglichen Kommunikationsverbindungen zwischen den einzelnen Knoten. Der Basisknoten sendet ein Synchronisations- signal mit einem Beacon im Beaconslot 0. Alle anderen Knoten sind unsynchronisiert und versuchen, einen Beacon im Sniff Mode zu empfangen.
Figur 8b zeigt, dass der Knoten 1 den Beacon des Basisknoten empfangen und sich auf den Frame Anfang synchronisiert hat. Der von dem Knoten 1 selektierte Vorgänger ist der Zentralknoten. Der Hop Count Wert des Knotens 1 ist somit 1. Da der Beaconslot 0 bereits durch den Zentralknoten belegt ist, sendet Knoten 1 seinen Beacon in Beaconslot 1.
Figur 8σ zeigt, dass sich der Knoten 2 auf das von Knoten 1 ausgesandte Synchronisationssignal synchroni¬ siert und als Vorgänger den Knoten 1 selektiert hat. Er sendet seinen Beacon in Beaconslot 2, da Beaconslot 1 von Knoten 1 und Beaconslot 0 durch den Nachbarknoten von Knoten 1 belegt ist .
Figur 8d zeigt, dass sich Knoten 3 auf den Knoten 2 synchronisiert und für die Aussendung seines eigenen Beacon den Beaconslot 0 gewählt hat. Dies ist deshalb möglich, da der Beaconslot 0 weder von dem direkten Nachbarn (Knoten 2) noch dem übernächsten Nachbarn (Knoten 1) von Knoten 3 benutzt wird. Somit ist sowohl aus Sicht von Knoten 0 als auch von Knoten 3 eine dop¬ pelte Verwendung des Beaconslots 0 bis zum übernächsten Nachbarn geschützt. Der optimale Wer über Knoten 4 kann von Knoten 3 noch nicht gefunden werden, da Knoten 4 noch nicht synchronisiert ist, daher keinen eigenen Beacon sendet und somit dem Knoten 3 noch nicht bekannt ist.
Figur 8e zeigt, dass der Knoten 4 jeweils von Knoten 0 sowie von Knoten 3 Synchronisationssignale mit dem Beaconslot 0 erhält . Dies erzeugt in Knoten 4 Kollisionen, so dass für den Knoten 4 weder Knoten 0 noch Knoten 3 sichtbar sind (Hidden Node Problem) . Der einzige für den Knoten 4 sichtbare Knoten ist Knoten 1. Der Knoten 4 synchronisiert sich daher auf den Knoten 1 und sendet seinen Beacon demzufolge in Beaconslot 3, da der Knoten 4 dem Synchronisationssignal des Knotens 1 entnehmen kann, dass Knoten 1 den Beaconslot 1 belegt und die Nachbarn von Knoten 1 (Knoten 0 und Knoten 2) die Beaconsslots 0 und 2 belegen.
Figur 8f zeigt, dass sich der Knoten 5 auf den Knoten 4 synchronisiert und für seinen eigenen Beacon den Beaconslot 0 auswählt hat, da der einzige sichtbare Nachbar für Knoten 5 der Knoten 4 ist, und dieser dem Knoten 5 mitteilt, dass er selbst den Beaconslot 3 und sein Nachbar (Knoten 1) den Beaconslot 1 belegt. In diesem Stadium können nun alle Knoten erreicht werden, manche allerdings auf Umwegen. Eine weitere Optimierung der Kommunikationsstruktur bietet sich an, weil in Knoten 4 die Beacon von Knoten 0 und Knoten 3 im gemeinsamen Beaconslot 0 kollidieren. Durch solche „Hidden Node" Kollisionen können Knoten auch unerreich¬ bar sein. Dieses Problem wird durch einen sporadischen Wechsel der Beaconslots gelöst. Dies wird in Figur 8g verdeut1icht .
Figur 8g zeigt, dass der Zentralknoten seinen Beaconslot von 0 auf 4 wechselt. Dies ist möglich, da seine Nachbarn (Knoten 1 und 4) sowie seine über¬ nächsten Nachbarn (Knoten 2 und 5) die Beaconslots 0, 1, 2 und 3 belegen. Die Kollision hinsichtlich des
Beaconslots 0 wirkte sich bisher nur auf Knoten 4 aus, so dass nach dem Wechsel der Zentralknoten nunmehr jederzeit den Beacon von Knoten 4 empfangen kann. Der Wechsel wurde im Synchronisationssignal des Zentral- knotens angekündigt, so dass der Knoten 1 sowie der
Knoten 4 sofort nach dem Wechsel den neuen Beaconslot 4 abhört. Damit erkennt der Knoten 4 den Zentralknoten. Da der Zentralknoten einen geringeren Hop Count Wert hat als der bisher selektierte Vorgänger (Knoten 1) , wählt der Knoten 4 nunmehr den Zentralknoten zu seinem Vorgänger. Die Verbindung zu Knoten 1 wird damit zur Backup-Verbindung.
Figur 8h zeigt, dass Knoten 3 aufgrund des geringern Hop Count Wertes nunmehr den Knoten 4 als Vorgänger wählt. Die Verbindung zu Knoten 2 wird zur
Backup-Verbindung für Knoten 3. Damit ist die optimale Vernetzung zum Zentralknoten gefunden. Anzumerken ist, dass im Downlink, d.h. die Kommunikation zum Zentral- knoten hin, in Knoten 4 der Beacon von Knoten 3 und Knoten 5 kollidiert. Da der UpIink, d.h. die Kommuni¬ kation vom Zentralknoten zu den Knoten, kollisionsfrei ist, funktioniert die Synchronisation dennoch. Diese noch bestehende Kollision kann durch einen sporadischen Wechsel der durch die einzelnen Knoten belegten Beacon- slots jedoch wie dargestellt behoben werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren können unter anderem folgende Sonderfälle auftreten:
a) Alle Knoten des Netzwerkes sind bis auf den letzten Knoten B synchronisiert. Der Knoten B besitzt zwei Nachbarknoten A und C, die sich nicht gegenseitig erreichen können. Beide Nachbarknoten senden ihren Beacon im gleichen Beaconslot. Die Dämpfung der jeweiligen Synchronisationssignale zum letzten Knoten ist auf beiden Strecken ähnlich. Damit besteht das Problem, dass der Knoten B weder von A noch von C einen Beacon empfangen kann. Es ist höchstens eine Energiedetektion des Empfangssignals möglich. Er kennt somit den Frame Anfang nicht und kann sich nicht synchronisieren. Durch den spora¬ dischen Wechsel der Beaconslot Belegung besteht auch in solchen Fällen eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Beseitigung der Kollision.
b) Zwei Nachbarknoten A und B ermitteln einen freien Beaconslot und beginnen im gleichen Frame mit dem Senden ihres Beacons. Wenn beide Knoten den gleichen
Beaconslot wählen, kollidieren die jeweiligen Beacons. Keiner der Knoten erkennt die Doppelbele¬ gung. Die Wahrscheinlichkeit für dieses Szenario ist gering und kann wie folgt abgeschätzt werden: P « <Duty Cycle> * <Anzahl Beaconslots>. Auch diese Kollision wird durch einen sporadischen Wechsel des Beaconslots durch die Knoten im Netz beseitigt.
Aus Sicht eines einzelnen am Netzwerk beteiligten Knotens lässt sich das Verfahren wie in Figur 7 gezeigt erläutern. Dabei wird ein noch nicht synchronisierter Knoten Kl unterstellt, der von zumindest teilweise synchronisierten Nachbarknoten umgeben ist.
1. Start
Ein Nachbarknoten beginnt ein Synchronisationssignal zu senden. 2. Synchronisieren
Zunächst versucht Kl ein Synchronisationssignal eines Nachbarn zu empfangen um sich auf den Beacon dieses Nachbarn zu synchronisieren.
3. Nachbarn ermitteln Hat Kl einen Beacon empfangen eines Nachbarn empfangen, so kennt er den Frame Anfang und somit auch die Lage des Nachbarknotenbereichs. Er hört alle Zeitschlitze im Nachbarknotenbereich ab. Dadurch entdeckt er: alle direkten Nachbarn, deren Entfernung zum Zentralknoten (Hop Count) und wie viele Nachfolger jeder Nachbar schon hat, sowie alle durch direkte und indirekte Nachbarn belegten Zeitschlitze.
4. Vorgänger festlegen Aus den NachbarschaftsInformationen ermittelt Kl den
Vorgänger nach bestimmten Kriterien (Hop Count; empfangene Signalstärke; Anzahl Nachfolger) .
5. Beaconslot festlegen Aus den Nachbarschaftsinformationen ermittelt Kl die belegten Zeitschlitze und sucht sich gemäß vorstehend beschriebener Regeln einen freien Zeitschlitz zum Senden seines eigenen Beacons aus. 6. Normalbetrieb
Im Normalbetrieb empfängt Kl den Beacon seines Vorgängers, um die Synchronisation aufrecht zu erhalten und verschickt den Beacon in seinem Zeit- schlitz, um seine Nachfolger zu erreichen. Er kann im Datenbereich Datenpakete mit einem Nachbarknoten austauschen. Im Hintergrund ermittelt er ständig seine aktiven Nachbarn und erkennt so Veränderungen in der Netzstruktur.
7. Vorgänger wechseln Fällt der Vorgänger aus oder findet sich ein besserer Vorgänger, so wechselt Kl zu einem neuen Vorgänger.
8. Beaconslots wechseln
Nach einer bestimmten Zeit wechselt Kl seinen Beaconslot. Dies teilt er rechtzeitig seinen
Nachfolgern mit, damit diese seinen Beacon im neuen Beaconslot empfangen.
9. Der Ablauf wiederholt sich, der Normalbetrieb wird wieder aufgenommen.
Das zweite Ausführungsbeispiel beschreibt eben¬ falls eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Multi Hop Netzwerk mit einem Zentralknoten und mehreren Sensorknoten. Die Sensorknoten weisen zusätz- lieh zur bisher beschriebenen Hardwareinfrastruktur jeweils ein oder mehrere Sensoren auf, mit denen sie bspw. ihre Umwelt oder Manipulationen am Knoten selbst erfassen können. Das Netzwerk wird in diesem Ausfüh- rungsbeispiel zur Überwachung von Infrastruktur¬ komponenten in einem Gebäude mit mehreren Stockwerken eingesetzt. Auf den Stockwerken sind jeweils mehrere Einheiten, bspw. Wohnungen vorgesehen. Damit ergibt sich eine Zuordnung einzelner Sensorknoten zu Stock¬ werken und Wohnungen und somit eine vorgegebene Clus- terung der Sensorknoten. Es gilt dabei die von den Sensorknoten erfassten Sensordaten im Netzwerk an den Zentralknoten zu übermitteln. In diesem Ausführungs- beispiel wird unterstellt, dass die Sensorknoten fest installiert sind und jeweils eine individuelle Kennung aufweisen. Die im Folgenden dargestellten Berechnungen gehen von einem über 12 Jahre gemittelten Duty Cycle von 0,03% aus. Als maximale kontinuierliche Sendezeit eines Sensorknotens werden 8 -10 ms, als maximale kon¬ tinuierliche Empfangszeit werden 10 - 20 ms unter¬ stellt. Die Datenrate beträgt 100 kbaud.
Das Verfahren folgt folgenden Grundregeln: - Zu Beginn des Verfahrens sind alle Sensorknoten im
Sniff-Modus, nur der Zentralknoten sendet Synchroni- sierungssignale aus. Dabei sendet der Zentralknoten regelmäßig zu Beginn jedes Zyklus seinen Beacon im Beaconslot 1 aus. - Jeder Sensorknoten synchronisiert sich auf den
Beacon, der den niedrigsten Hop-Count Wert und den höchsten RSSI-Wert besitzt.
Dabei synchronisiert sich ein Sensorknoten zunächst auf den ersten Beacon, den er im Sniff Mode empfängt und legt seinen Vorgänger fest . Damit ist der Sensorknoten zeitsynchron zum bereits aktiven Netzwerk und kann jetzt in jedem Zyklus gezielt einzelne Beaconslots mithören, um einen ggf. einen geeigneteren Vorgänger (Beacon) zu finden. Damit dies nicht zu lange dauert sucht ein zeitsynchroner Sensorknoten in jedem Zyklus mit ca. 60 ms dauernden Pausen eine größere Zahl an Beaconslots ab. Nach n Zyklen hat der Sensorknoten alle Beaconslots abgehört und ist auf den optimalen Beacon synchronisiert. Jeder Sensorknoten, der sich auf einen Beacon endgültig synchronisiert hat, sendet eine Sync_ind Message an den Zentralknoten zur Bestätigung. Theoretisch kann dies bereits erfolgen nachdem sich der Sensorknoten auf den ersten Beacon synchronisiert hat.
Jeder Sensorknoten wählt, wie vorstehend bereits beschrieben, seinen Vorgänger aus und ordnet sich selbst einen entsprechenden Hop Count Wert zu. Jedes von einem Sensorknoten ausgesendetes Synchronisations- signal enthält den Beacon, die Senderkennung sowie den entsprechenden Hop Count Wert .
Die Sync__ind Message enthält:
- die Kennung der Sensorknotens,
- den Hop Count Wert des Sensorknotens, und
- den RSSI-Wert des Beacons auf den sich der Sensor¬ knoten synchronisiert hat.
Nach einer gewissen Anzahl von Zyklen hat der Zentralknoten alle Kennungen der synchronisierten Sensorknoten einer Schicht erhalt. Der Zentralknoten ernennt dann pro Schicht und Wohnungs-Cluster einen Sensorknoten zum Repeaterknoten und teilt jedem Repeaterknoten einen unterschiedlichen Beaconslot größer als 1 zu. In einer alternativen Ausführungsform ernennt der Zentralknoten zunächst die Repeaterknoten, die aber erst nach einem späteren Broadcast-Befehl nahezu gleichzeitig mit dem Senden ihres Beacons beginnen. Dadurch entstehen bspw. in einem zehngeschossigen Haus mit je zehn Wohnungen pro Etage 100 Repeater¬ knoten. Eventuell können es einige wenige mehr werden, wenn eine Wohnung nur teilweise von einem Beacon der unteren Schicht erfasst wird. Es ist in diesem Fall vorteilhaft in dem Wohnungsteil, der dann zur nächst höheren Schicht gehört, noch ein zusätzlicher Repeater¬ knoten vorzusehen.
Die Entscheidung welcher Sensorknoten pro Cluster (Wohnung) zum Repeaterknoten ernannt wird und in welchem Beaconslot er sendet, kann nach folgenden Parametern erfolgen:
- RSSI-Wert (z.B. mittlerer Wert)
- Stockwerk (Beaconslotzuleilung, um Kollisionen z.B. im »Hidden Terminal« Fall zu vermelden) .
Jeder Repeaterknoten sendet in dem ihm zugeteilten Beaconslot regelmäßig seinen Beacon. Die restlichen Sensorknoten, die nicht zu einem Repeaterknoten ernannt wurden, kommunizieren über einen Beacon-Knoten der nächsttieferen Sphäre mit dem Zentralknoten.
Als vorteilhafte Alternative synchronisieren sich die restlichen Sensorknoten eines Wohnungsclusters, d.h. alle Sensorknoten einer Wohnung, die nicht zu
Repeaterknoten wurden, auf den Repeaterknoten mit ihrer Wohnungs-Kennung. Das hat auch energetische Vorteile, da innerhalb einer Wohnung der Kommunikationslink besser ist als über eine Stockwerk hinweg. Die Daten¬ übertragung der Sensorknoten erfolgt dabei über ihren jeweiligen Repeater und den bei der Synchronisation festgelegten Weg der Repeaterknoten in den einzelnen Schichten.
Durch die schrittweise Synchronisation ergeben sich automatisch Repeaterpfade in die oberen Stock¬ werke. Allein durch diese Repeaterpfade lässt sich eine Kommandoübertragung in die oberen Stockwerke relativ schnell realisieren. Die Kommandos lassen sich dabei auf verschiedene Arten übertragen:
Befehl wird im Beacon, d.h. im Beaconslot über¬ tragen; - Nach dem Beacon Frame schließt sich noch ein Kommando-Frame an; oder Als ganz normales Datenpaket.
Figur 9 zweigt schematisch die Verteilung von Sensorknoten in einem Gebäude mit 4 Stockwerken. Die einzelnen Sensorknoten (weiße Kreise) sind dabei auf den Stockwerken einzelnen WohnungsClustern zugeordnet . In jedem Wohnungscluster wurde ein Sensorknoten als Repeaterknoten ausgewählt. Zwischen den Repeaterknoten besteht eine Kommunikationsstruktur (schwarze Pfeile) , die die Kommunikation der Repeaterknoten mit dem Zentralknoten im Erdgeschoss des Gebäudes ermöglicht. Die einzelnen Sensorknoten wählen für ihre Kommuni¬ kation mit dem Zentralknoten bspw. als Vorgänger stets den Repeaterknoten in ihrem jeweiligen Wohnungscluster. Figur 10 unterscheidet sich von Bild dadurch, dass die Sende- und Empfangsbereiche einzelner Repeater- knoten durch Kreise veranschaulicht sind.
Jeder Sensorknoten im Sendebereich des Zentral- knotens empfängt den Beacon des Zentralknotens (Hop- Count 0) , synchronisiert sich auf diesen und antwortet dem Master mit einer Sync_ind Message in einem Daten¬ slot . Der Beacon kann max. 8 - 10 ms lang sein. Bei i einer Datenrate von 100 kbaud und einer Manchester
Codierung entspricht dies ca. 50 - 62 Bytes, die für einen Beacon zur Verfügung stehen. Theoretisch könnte man auch darauf verzichten nach einigen Hops bzw. Schichten die Beaconslots wieder von vorn zu belegen, sondern man könnte für jeden Repeaterknoten einen eigenen Beaconslot bereithalten. Im vorliegenden Beispielfall würde es ja nach Repeaterzahl von 100-200 einen 1-2 Sekunden langen Beaconframe geben. Diese Methode wäre insbesondere Im folgenden Alternativfall nützlich.
Eine Alternative wäre es, wenn jeder einzelne Beaconslot ca. 60-70 ms lang wäre und man die Beacon¬ slots aufsteigend vergibt. D.h. Jeder Vorgänger Repeaterknoten sendet in einem niedrigeren Beaconslot.
Dann kann jeder Repeaterknoten in einem Beaconslot den Beacon seines Vorgänger-Repeaterknotens empfangen und in einem der nächsten Beaconslots seinen eigenen Beacon senden. Damit lassen sich Befehle sehr schnell nach oben übertragen. Man hätte allerdings je nach Repeater¬ zahl und exakter Slotlänge einen sehr langen Beacon Frame von ca. 6-14 Sekunden Länge. Die langen Beaconslotzeiten sind in diesem Fall dadurch bedingt, dass es theoretisch möglich ist, dass ein Beacon in einem Slot empfangen wird und direkt im nächsten Slot weitergesendet wird. Nach dem Empfang des Beacons ist aber eine ca. 50-60 ms lange Ladedauer des Elkos nötig. Kann man gewährleisten, dass bei der Slot Abfolge immer mindesten 5 Slots dazwischenliegen, so kann man auch mit 10 ms langen Slots arbeiten.
Die Datenübertragung im Netzwerk basiert vorzugs¬ weise auf einem Contention basierten Verfahren.
Zusammenfassend wird mit dem zweiten Ausführungs- beispiel die stufenweise Synchronisation eines bidirek¬ tionalen drahtlosen Auslesenetzwerkes beschrieben, das anschließend synchron gehalten wird. Durch eine spez¬ ielle Syntax erhält jeder Sensorknoten bei der Montage in einer Wohnung eine eindeutige Kennung in der die Nummer der Wohnung sowie das entsprechende Stockwerk enthalten sind. Dadurch ist eine logische Clusterung nach Wohnungen möglich. Durch die Benennung von Beacon- Repeaternknoten innerhalb eines logischen Cluster (Wohnung) ergibt sich automatisch eine hierarchische Gliederung des Systems und die Routingpfade für die Kommunikation werden festgelegt. Zudem ist es denkbar die Beacon-Repeaterknoten in einem übergeordneten
Netzwerk zu organisieren. Zur Optimierung des Stromver¬ brauches soll die Repeateraufgabe periodisch an Nach¬ barknoten übergeben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Synchronisation und Kommuni- kation in einem Multihop Netzwerk mit mehreren Knoten (KN) und einem Zentralknoten (ZKN) , die jeweils zumindest eine Sende-/Empfängereinheit, eine Speicher¬ einheit sowie eine Prozessoreinheit aufweisen, wobei die Kommunikation zwischen den Sende-/Empfängerein- heiten auf einer drahtlosen Datenübertragung in Frames beruht, die in definierte Slots unterteilt sind, die KNs und der ZKN räumlich so zueinander positioniert sind, dass sich im Sende-/Empfangsbereich jedes KNs mindestens ein weiterer KN als dessen Nachbar, und/oder der ZKN befindet, die Kommunikation zwischen einem KN und dem ZKN, sofern sich der KN außerhalb des Sende- /Empfangsbereich des ZKNs befindet, unter Einbeziehung weiterer KNs, als Zwischenknoten, über eine Multi-Hop Kommunikation erfolgt, und jedem KN zumindest ein Hop Count Wert zugeordnet wird, der die um Eins erhöhte
Anzahl der Zwischenknoten für den jeweiligen KN angibt, über die die Kommunikation mit dem ZKN erfolgt, wobei der dem jeweiligen KN im Netzwerk bei der Kommunikation mit dem ZKN nächst liegende Zwischenknoten als Vorgänger des KN, der KN als Nachfolger des Zwischen¬ knotens und alle KNs mit gleichen Hop Count Werten als Schicht bezeichnet werden, mit folgenden Verfahrens¬ schritten: a) Aussenden eines Synchron!sationssignals durch den ZKN oder einen bereits synchronisierten KN, wobei ein durch den das Synchronisationssignal sendenden Knoten festgelegter Slot im Frame des Synchroni¬ sationssignals, der so genannte Beaconslot, mit einem Datenpaket, dem so genannten Beacon, belegt wird und zumindest der Hop Count Wert des sen¬ denden Knotens im Frame des Synchronisations- signals übertragen wird, und für alle bereits synchronisierten Nachbarknoten des sendenden
Knotens, die dem sendenden Knoten bekannt sind, Übertragen der jeweiligen Beaconslots und Hop Count Werte im Frame des Synchronisierungssignals oder als separates Datensignal durch den sendenden Knoten, b) Empfangen des Synchronisationssignals sowie der in Zusammenhang damit übermittelten Daten durch einen im Sende-/Empfangsbereich des sendenden Knotens liegenden ersten KN, c) Synchronisieren des ersten KN auf das Synchroni- sierungssignal, d) Ermitteln der Nachbarn des ersten KN sowie deren jeweiliger Beaconslotbelegung und Hop Count Werte durch den ersten KN, e) Festlegen des Vorgängers des ersten KNs im Netz¬ werk durch den ersten KN auf Basis vorgegebenen Kriterien, f) Speichern der mit dem Synchronisationssignal sowie in Zusammenhang damit empfangenen sowie daraus ermittelten Daten durch den ersten KN, g) Wiederholen der Schritte a) bis f) zumindest bis zur Synchronisation aller KN.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden des
Synchronisationssignals durch den ZKN regelmäßig wiederkehrend erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis f) auch nach erfolgter Synchronisierung aller KNs wiederkehrend ausgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Synchronisations¬ signal oder mit einem damit in Zusammenhang stehenden separaten Datensignal zusätzlich für alle synchroni- sierten Nachbarn des das Synchronisationssignal aussendenden KNs oder ZKNs, die jeweils von diesen bereits belegten Beaconslots und Hop Count Werte übertragen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen des Vorgängers des ersten KN darauf beruht, den Nachbarn mit dem geringsten Hop Count Wert auszuwählen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen des Vorgängers des ersten KN darauf beruht, den Nachbarn mit den wenigsten Nachfolgern auszuwählen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Festlegen des Vorgängers des ersten KN Daten der übernächsten Nachbarn des ersten KNs herangezogen werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen des Vorgängers des ersten KN darauf beruht, den Nachbarn auszuwählen, dessen Synchronisationssignal mit der größten Signalstärke vom ersten KN empfangen wurde.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Festlegung des Vorgängers eine Kombination einzelner oder aller Kriterien gemäß den Ansprüchen 5 bis 8 berücksichtigt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aussenden des Synchronisationssignals der sendende Knoten seinen Beaconslot im Frames derart auswählt, dass ein bis zu den übernächsten Nachbarn des sendenden Knotens unbelegter Beaconslot gewählt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein KN der keinen freien Beaconslot findet zu einem Endknoten wird, der kein Synchronisationssignal aussendet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Schicht eine Anzahl von Beaconslots im Frame des Synchronisations- Signals reserviert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens so viele Beaconslots im Frame des Synchronisationssignals wie Überlappungen von Sende-/Empfangsbereichen einzelner Sende-/Empfängereinheiten vorgesehen sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein KN nur nach Empfang eines Synchronisierungssignals von seinem Vorgänger ein eigenes Synchronisierungssignal aussendet .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder ein Synchroni¬ sierungssignal aussendende KN seinen einmal gewählten Beaconslot zumindest für eine begrenzte Zeit bei jeder weiteren Aussendung eines Synchronisierungssignals benutzt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der ZKN oder ein KN ein Synchronisierungssignal aussendet, das in Bezug zu vorher vom ZKN oder vom jeweiligen KN gesendeten
Synchronisierungssignalen einen geänderten Beaconslot im Frame aufweist .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aussenden eines
Synchronisationssignals durch einen KN, der KN einen Beaconslot wählt, der sich von den Beaconslots, die seine Nachbarn benutzen, unterscheidet.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aussenden des Synchronisationssignals durch einen KN, der KN einen Beaconslot wählt, der sich von den Beaconslots, die seine Nachbarn und seine übernächsten Nachbarn benutzen, unterscheidet.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine für einen KN anstehende Änderung seines bisher verwendeten Beacon- slots durch den KN vor deren Ausführung durch den KN als Dateninformation an die jeweiligen Nachbarn gesendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder KN insbesondere die SynchronisierungsSignale sowie die damit in Zusammen¬ hang stehenden Daten seines ausgewählten Vorgängers auswertet und mit den gespeicherten Daten des vorherge¬ hend empfangenen SynchronisierungsSignals vergleicht und bei Abweichungen eine erneute Festlegung des Vor¬ gängers nach Verfahrensschritt e) gemäß Anspruch 1 erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Datenübertragung TDMA-
(Time Division Multiple Access) , FDMA- (Frequency Division Multiple Access) , oder CDMA-Protokolle (Code Division Multiple Access) eingesetzt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Knoten sowie der Zentralknoten über eine eigne Kennung verfügen, die mit dem Synchronisierungssignal jeweils übermittelt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Knoten nach seiner Synchronisierung eine Syncsignal an den Zentralknoten sendet, das zumindest seine Kennung umfasst.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Frames eine Frame¬ struktur aufweisen, die zumindest einen Synchronisa¬ tionsbereich, in dem Beaconslots übertragen werden, und zumindest einen Datenbereich, in dem Daten übertragen werden, aufweist
25. Verfahren nach Ansprüche 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Synchronisationsbereich und im Datenbereich für jeden Knoten jeweils ein individueller Slot vorgesehen wird, der durch seinen Hop Count Wert und seinen gewählten Beaconslot festgelegt wird.
PCT/DE2005/002089 2004-11-25 2005-11-22 Verfahren zur synchronisation und datenübertragung Ceased WO2006056174A1 (de)

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