WO2017149001A1 - Leuchte mit eingebauten netzwerkzugangspunkt und beleuchtungsanlage mit einem drahtlosen netzwerk - Google Patents

Leuchte mit eingebauten netzwerkzugangspunkt und beleuchtungsanlage mit einem drahtlosen netzwerk Download PDF

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WO2017149001A1
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access point
antenna
ieee
luminaire
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Michael Eschey
Eberhard Höfflin
Herbert Ernst
Holger Sacher
Bernhard Siessegger
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Osram GmbH
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/175—Controlling the light source by remote control
    • H05B47/19—Controlling the light source by remote control via wireless transmission

Definitions

  • the invention relates to a luminaire and a lighting system with several lights of this type.
  • network access points are being installed to provide wireless networks such as WLAN in luminaires.
  • the installation of these network access points in luminaires has several advantages. On the one hand there is already a power supply in the luminaire, usually a power line, so that it does not have to be laid separately to the network access point.
  • luminaires are evenly distributed over the storey ceilings of the buildings, so that the optimal location for the access point can be relatively easily selected.
  • Fig. 2 shows the schematic interconnection of such a system.
  • an in-house network DS is shown, to which the various network access points or access points AP # 1 to AP # N are connected.
  • various clients within the base service sets BSS # 1 to BSS # N can connect to these.
  • Fig. 1 shows the channel distribution in the 2.4 GHz frequency band at intervals of 5 MHz of the center frequency at about 22 MHz bandwidth. It is good to see that there are only 3 overlapping WLAN channels in the European frequency band at 2.4 GHz with the channels 1 to 13 with DSSS transmission. Other frequency ranges, the 5GHz and 60GHz band, as well as other transmission techniques, e.g.
  • OFDM orthogonal frequency division multiplexing
  • the transmission power of a network access point is very high in order to achieve the desired coverage, the potential interference with other network access points in the same network or, in particular, other operators is very high.
  • the omnidirectional radiation characteristics of rod antennas as shown in Fig. 3, give rise to problems in receiving elsewhere.
  • Fig. 4 shows a floor plan of a building with network access points 41. Especially near or behind walls there are always dead spots 42 in which no or no good reception is possible.
  • Another problem with these large radio cells is the number of participants. The problem is already known from GSM radio networks at busy locations. Many registered subscribers at a network access point must share their bandwidth, so that the possible data rate per subscriber very quickly becomes unreasonable.
  • a luminaire comprising an input for connecting a network with an integrated power supply, a power supply unit for supplying all components of the luminaire with an electrical power taken from the input, a control unit for controlling the components of the luminaire, at least one light source supplied by the power supply unit and controlled by the control unit, a network access point for providing at least one wireless network powered by the power supply unit and coupled via the input to the network, at least one antenna , which is assigned to the network access point, wherein the light source and the antenna are arranged and designed such that the emission characteristic of the light is congruent with the radiation characteristic of the antenna of the wireless network with respect to mi at least one reference surface is.
  • the reference surface may be, for example, the floor of the room in which the luminaire is installed. However, just as often used in the calculations for office lighting, the reference surface can be one level at the level of the table surface, which is aligned exactly like the table surface in the room. It is also conceivable to use a plurality of reference surfaces, since in special environments such as warehouses, even in a luminaire, a light emission in more than a half-space desired can be, for example, also upwards. Basically, however, it can be assumed that the radiation is especially interesting in a half-space.
  • a very simple installation of a lighting system can advantageously be ensured, since the network line only leads to protective extra-low voltage and no skilled workers, such as electricians, are required for the installation.
  • a lighting system based on this type of luminaire can be equipped with significantly more network access points, which advantageously increases the average data rate per subscriber.
  • the congruence between light emission and radio coverage of the luminaire ensures reliable coverage of the wireless networks without complex measurements.
  • congruent means that the emission characteristics are substantially the same shape and also approximately the same size on a reference surface, such as a reference surface. have the floor, see also:
  • the wireless network is a WLAN network according to the IEEE 802.11 standard.
  • WLAN or Wi-Fi is the most popular standard for consumer wireless communications and is supported by virtually all mobile devices.
  • the wireless network is a ZigBee network according to the IEEE 802.15.4 standard.
  • ZigBee is also known for its networking capabilities and can be present here instead of or in addition to Wi-Fi.
  • the wireless network is a Bluetooth network according to the IEEE 802.15.1 standard.
  • Bluetooth is also a common standard and is often used for short-distance communication.
  • the network can in one embodiment alone, in another embodiment, working alongside the WLAN and / or the ZigBee network.
  • the network access point uses at least one of the standard frequency bands: 2.4GHz, 5GHz, 60GHz. These frequency bands are standardized and largely free and accessible without licenses. Therefore, they are very common and the network access points are thus very inexpensive to manufacture.
  • the at least one antenna is a Bi-Q.uad antenna.
  • This antenna type has a very similar radiation characteristic as a classic ceiling light, so this antenna is particularly suitable for the desired application.
  • the network access point is set up with adjacent network access points to form a mesh network, which is also a meshed network.
  • Mesh networks have the great advantage that two users can communicate with each other who do not have a direct network connection. The information is passed over several points of the network from the sender to the receiver. For this reason, the range of the radio connection between the subscriber and the network access point can be comparatively small, and yet in the mesh network two subscribers can communicate over long distances over many network access points.
  • the input of the luminaire PoE (Power over Ethernet) is capable, and the power supply unit receives its power via PoE.
  • This measure can ensure easy cabling and safe power supply in compliance with an established standard.
  • the invention also relates to a lighting system comprising a plurality of the luminaires described above.
  • a lighting system is particularly easy to install and maintain and is particularly reliable in network operation.
  • a stable network connection is achieved within the entire lighting system, especially in moving participants.
  • This property is particularly preferably combined with a mesh network, also referred to as a meshed network. This ensures efficient point-to-point communication throughout the lighting installation without the two subscribers having to have a direct radio connection to the same network access point. Above all, a communication over several floors can be established here without the network access points having to be connected to the same switch.
  • the omnidirectional radiation characteristic of a rod antenna an example of the calculated WLAN coverage of a floor of a building in a lighting system according to the prior art
  • a schematic representation of a lamp according to the invention an exemplary radiation characteristics of a ceiling light, the radiation characteristics of a Bi-Ouad antenna, as in present embodiment, an idealized cone-shaped radiating characteristic of a ceiling light with 30 ° beam angle and the + -3 ° tolerance for the radio coverage, the principle of beam shaping for high-frequency wireless network by means of a MIMO antenna array, an installation in a rectangular space according to an embodiment of the Invention
  • a view of the radiation characteristics of a lamp, the initial situation for a part of a room with four lights with access points API to AP4, the half-widths are marked in the cutting plane before the application of an optimization method, the situation after the second step of the optimization method, the situation after the third step of the optimization method, the flow chart for the described first method for planning a lighting system, an arrangement of access points in a lighting system to be
  • the luminaire 5 shows a schematic representation of a luminaire 5 according to the invention.
  • the luminaire 5 has an input 51 for connecting a network with an integrated power supply.
  • the integrated power supply is compatible with the PoE standard according to IEEE 802.3af and 802.3at and the future standard IEEE 802.3bt.
  • the luminaire 5 has a power supply unit 53 which separates the electrical power from the useful signal and processes it for the components of the luminaire.
  • the useful signal of the network is fed to a control unit 55, which processes the data.
  • pure network data for example from the Internet, are separated from control commands for the luminaire.
  • Access Point 59 operates a wireless network in accordance with the WLAN standard.
  • the access point additionally operates a ZigBee and / or a Bluetooth network.
  • the access point has an antenna 591, by means of which the wireless network is operated.
  • the antenna is designed as a Bi-Q.uad antenna with a reflector whose emission characteristics are adapted to the emission characteristics of the LED modules. The two emission characteristics are essentially congruent, so that with uniform illumination of the room with several of the lights and a good network coverage of the wireless network is given.
  • the mains connections per luminaire are completely dispensed with, and each luminaire is supplied with energy via a network cable.
  • PoE Power over Ethernet
  • IEEE 802.3af For larger area lights, the rather new IEEE 802.3bt is also used.
  • the newer IEEE 802.3at standard allows up to 25.4W of power to be transferred over the network line.
  • the upcoming IEEE 802.3bt standard is expected to deliver at least 50W of power per network line. This is enough for modern LED lights to ensure excellent lighting quality.
  • the proposed embodiment goes away from a few equipped with large and powerful access points lights towards more equipped lights, which are then no longer supplied via the mains but via PoE.
  • the access points 59 so the network access points, much lower performance, since they only one much smaller area, which can be done well with less power.
  • Modern access points can be assumed to require less than 0.5W in sleep mode and only about one watt in operation. This can be done easily via PoE, in addition to the required lighting performance. Additionally, with many small access points 59 in the lights 5, it is more likely that an access point is not being used and can be put into a low power sleep mode.
  • the supply of power is done here by a power supply 53 with a connected control part 55, which separates the power supply from the data, and interpreted in the data control data for the luminaire equal and executes.
  • This power supply 53 is thus connected between the input of the lamp and the access point or a light module 57 of the lamp.
  • the light module 57 accommodates one or more light sources, such as LEDs or LED modules.
  • the light module 57 in this case has a specific light emission characteristic, as is usual for lights of this type.
  • Fig. 6 shows the radiation characteristic of such a light module.
  • the characteristic can be adapted and the beam angle of the light module can be selected accordingly.
  • the luminaire has a rather narrow, direct beam angle of only 30 °. As a result, a good illuminance can be achieved below the lamp, and by a corresponding number of lights, the light distribution in the room is good despite the narrow beam angle.
  • the captivating feature of the proposed embodiment is the fact that the access point installed in the luminaire has a radiation characteristic which essentially corresponds to that of the luminous module. This has the inestimable advantage that a lighting planner planning the lighting in a building plans with this planning at the same time an optimally designed Wi-Fi network. Because if the lighting design results in a uniform illuminance in the room, then this automatically results in an excellent coverage with WLAN or according to another wireless network. In order to achieve this, the commonly used rod anchors not enough anymore. It is necessary to use antennas with an asymmetrical emission characteristic, such as Bl-Q.uad antennas. These have, like the light modules on a reflector that focuses the radiation in a space hemisphere.
  • Fig. 7 shows the radiation characteristic of such a Bi-Q.uad antenna. It can clearly be seen in comparison with FIG. 6 that a very similar emission characteristic is given here. To achieve this, of course, every frequency band used must use its own antenna to allow congruence. This is based on an idealized model according to FIG. 8, which shows an idealized radiation cone of electromagnetic radiation. In this case, the cone has a beam angle of 30 °. The middle 81 of the circles is the angle for the radiated light on the reference plane 86. The other two circles indicate the + -3 ° line, which corresponds to a tolerance of + -10% within which the radiation of the WLAN should be located. If this is achieved, it is possible to speak of a congruence between the light emission and the radio radiation.
  • the reference plane 86 on which the circles are located is here the floor.
  • These levels can be e.g. represent the heights of the table surfaces of office tables. With modern elevatable office tables there are at least two levels for each end position of the table.
  • the 60 GHz frequency band for WLAN is also to be used, then due to the clearly different frequency compared to the two established bands at 2.4 GHz and at 5 GHz, a different approach to the antenna design is necessary.
  • antenna designs with very high gain and directivity This can be done with a MIMO antenna array.
  • MIMO array With this MIMO array, a space-time coding is achieved in which all information is sent via a dedicated antenna, through which an optimal transmission to the subscriber is possible. The location of the subscriber is thus included in the transmission path.
  • the basic principle can be read here:
  • Fig. 9 shows the radiation characteristics of the various antennas in such a MIMO array. The radiation is sharply focused around the highest possible antenna gain
  • FIG. 10 shows an example of a room with the proposed lighting system.
  • this room such as in the US, 16x8 ceiling panels in a suspended ceiling at 2.8m height.
  • one light 5 is installed in 10 of these ceiling panels.
  • the circle around each of these lights indicates the area swept by the light and Wi-Fi. It is good to see that the coverage is excellent with good lighting and at the same time good coverage of the wireless network is achieved. Since the half-widths of the signal strength are used as the basis for the planning in the drawing, it is of course also possible to expect a signal of the cell outside of the marked areas. With suitable rasterization of the channels, the interference of adjacent cells can be prevented here.
  • FIGS. 11 to 15 show by way of example a first application of the planning of a lighting installation together with the planning of a radio network installation with the luminaires 5 described above.
  • This first application shows that it is also possible to pre-pick WiFi with well-known lighting planning tools.
  • the following is a first Method presented which with the peculiarity of the lights 5, the transmission power of the WiFi access points AP # 1..N optimized by means of a comparison with the known light planning tools improved lighting design tool.
  • luminaires 5 can preferably be selected in embodiments with directivity. These lights have as antenna a Bi-Ouad antenna or patch antenna or other suitable antenna with directivity along the vertical main axis.
  • the RF emission characteristic is known to the lighting design tool.
  • the light planning tool optionally has RF attenuation values for objects known. From the WiFi standard for 2.4GHz is known that for different modulation methods still certain signal strengths must be available at the receiver. This value depends on the sensitivity of the receiver and the signal-to-noise ratio on the channel. Common values for the highest transmission rate at 802.11 ⁇ are around -74dBm.
  • this value is a parameter, but should be freely selectable for the calculation.
  • the method describes how, for a selected reference plane in space, the transmission powers of the access points 59 can be optimized in terms of the least possible overlap of cells and energy efficiency.
  • FIG. 11 shows a view of the emission characteristic of a luminaire 5.
  • the locations of the same field strength are shown as ISO lines 112, 114, 116.
  • the iso-lines are calculated in the first step from the intersection with the reference plane (eg the floor or a table surface). As a starting point, the coverage over the half width is selected.
  • the iso-line 114 is the half-width, to which one could now calculate a signal strength of the radiated from the lamp 5 signal, with which one reaches on the reference plane still proposed in the standard -74dBm. Increasing the signal strength results in greater area coverage. Exemplary here the ISO line 116 shown. If the signal strength is reduced, this results in a smaller coverage as the ISO line 112 shows.
  • FIG. 12 shows, by way of example, the starting situation for a part of a room with four luminaires with access points API to AP4 whose half-widths are marked in the sectional plane.
  • the half-widths without consideration of attenuation and reflections are shown, and are therefore circular.
  • the luminaire is selected which, when the ISO lines are expanded, yields the best ratio between the cover of the still free surface and the overlap with the surface already covered.
  • the -74dBm to be reached at the farthest point are considered and calculated using a path-loss model described below. Then, for the antenna of the luminaire 5, an angle can be calculated at which this boundary condition of the ISO line 121, 122, 123, 124 is still reached and thus the section, i. the outermost ISO line 121, 122, 123, 124 are calculated. In most cases, especially in office buildings, this will be a theoretical limit since distances of 10m have to be assumed.
  • the second step is repeated for each luminaire in the lighting system until all surfaces are covered.
  • Fig. 13 shows the situation after the second step.
  • the luminaire is chosen, in which the overlap of the surfaces is reduced the most by reducing the ISO line spacing without creating open spaces.
  • Fig. 14 shows the situation after the third step.
  • the optimum signal strength is calculated for each luminaire. This happens as follows:
  • the path loss model can be described as follows:
  • Losses are a parameter that is determined and stored for the luminaire (connection and cable losses), fade reserve is an adjustable value in the planning tool.
  • the distance d is calculated as:
  • transmission power 20 * log (0.004) +
  • Fig. 15 shows the flowchart for the described method.
  • the method is started with step 132 where the ISO lines of the system's access points are calculated to a predetermined reference plane.
  • query 133 checks to see if there are uncovered areas in the room.
  • the planning tool must consult the building plan of the building, in which the floor plan and the location of the access points are stored. If there are uncovered areas, it is checked in step 134 which access point best covers the previously uncovered areas when the transmission power is increased. This is localized and the required ISO line and the associated transmission power calculated accordingly. Thereafter, the query 133 is jumped again and step 134 repeats until there are no more uncovered areas gives.
  • query 135 determines whether there are reducible surfaces, ie whether the coverage of certain access points can be reduced because the coverage of other access points has been increased. If so, then in step 136 the access point is considered, the area of which can be reduced the most, without creating a new open space. Its ISO line and transmit power is calculated below and query 135 is repeated. Step 136 is triggered by query 135 until there are no more access points whose performance could be reduced.
  • query 137 checks whether there are not yet calculated acces points. If this is the case, then in step 138 an access point is selected which has not yet been calculated. In step 139 then its ISO line and the associated transmission power is calculated. The ISO line is calculated as a minimum line, where everywhere the minimum signal strength of e.g. -74dB is reached. Then jump to query 137 again. Steps 138 and 139 are repeated until all access points have been calculated. If all access points have been calculated, then the method is ended in point 140. It should be noted that in the present embodiment, an access point AP # 1..AP # N can be equated with a luminaire 5, since the invention is based on the fact that there is an access point in each luminaire 5. Of course, the method can also be carried out with pure access points which are not located in a luminaire 5.
  • the lighting system in this embodiment includes a WiFi mesh network, that is, as in the previous embodiment, each lamp 5 has an access point.
  • WiFi nodes that are not access points for the end user, but serve the WiFi infrastructure.
  • Fig. 22 shows a flow chart for a second method of planning the lighting system.
  • the case of WiFi mesh is considered.
  • the starting point is a network in which not every node or access point has a network connection, so that these nodes or access points get their network via the WiFi mesh and not via the wired PoE network. Since all nodes in the network are also access points that are only partly unavailable to the end user, in the following explanation the term access point is equated with the term node.
  • signal strengths should be selected so that theoretically the maximum data rate is available for each node.
  • the method is conceivable for all wireless mesh networks (WiFi, Zigbee, Thread, Bluetooth, BLE, ...) but is described below using the example of WiFi Mesh according to the 802.11s standard.
  • one or more antennas in this plane is required.
  • this can be, for example, a patch antenna; in the case of a two-antenna system, this could be achieved with a combination of directional antenna and omnidirectional antenna.
  • the multi-antenna system offers the advantage of continuing to use the previously presented method to optimize the signal strengths of the cells in the main direction. In the following, only the case in the horizontal plane (eg along the ceiling of a building floor) will be considered.
  • Access points 143 which act as a gateway in the actual network (MPP)
  • access points 141 which are available for both the usable network and for routing (MAP)
  • MAP usable network and for routing
  • Access points 145 which are only available for routing, share a channel with their neighboring partners. From this it quickly becomes clear that such a mesh network can quickly reach the limits of access procedures. Conversely, it must be ensured that each access point sees at least one neighbor and that there is a route to a MAP.
  • the method for setting up an illumination system comprises the following steps, which are explained with reference to FIGS. 16 to 21 (only the horizontal luminaire plane is considered here, not the cell below). Reference is also made to the flowchart in FIG. 22 in the following text:
  • step 2210 a node is first selected, and in step 2212, a radius is determined as the range to achieve a fixed value as signal strength, e.g. -74dBm. Care is taken to ensure that the current node reaches the nearest node.
  • the query 2213 queries whether all nodes have already been traversed. If not, jump to step 2211 again.
  • Fig. 16 shows an arrangement of access points in a lighting system to be set up. There are two access points 141 that the planner defines as a hotspot. There are two access points 143, which are called
  • Gateway can act. And there are more access points45.
  • Fig. 17 shows the situation that each node sees exactly one neighbor. The ranges of the access points are entered as circles 151, 153 and 155 in the figure.
  • step 2214 the hotspot access points 141 are now disabled, they have at least one connection to another node and should not be used as best as possible for routing. Therefore, it is up to the other nodes to bring a route to the access points 141.
  • there is no bilateral communication for each node and in some cases only bilateral communication to an adjacent access point 141 but without a route to a gateway. 3.
  • the next possible neighbor must be included, this applies to both access points 143 and access points 145.
  • step 2215 a node is selected that has only one access point 141 Neighbor has and step 2215 has not gone through yet.
  • step 2216 a neighbor is selected that is not an access point 141, and a radius is determined as the range by one more fixed value than Signal strength to achieve, for example, -74dBm.
  • the query 2217 it is checked whether all nodes have passed through step 2215. If this is not the case, the program jumps again to step 2215. If so, continue with step 2218.
  • each node is assured that it can send unidirectionally to another node. Now it is checked for each node in steps 2218 to 2220 whether it is also seen by another node. If not, first in step 2218 a hitherto unhandled node is selected, and in step 2219 the nearest neighbor is searched that is not a hotspot access point 141 and its range 151, 153, 155 is extended in step 2220 to be an antagonist is for the node. In the query 2221 it is checked whether all nodes have already been handled, if not, then it is skipped to step 2218. If so, then this loop is finished and continues in step 2220. The result of steps 3 and 4 is shown in FIG.
  • step 5 all nodes 145 are searched that have only one neighbor shaft relationship. If so, node 145 would be an endpoint and would not participate in routing in the mesh. For each of these nodes, another next node is added to range 155. This counter node must also be extended to support this as a counterpart. For this purpose, a node is selected in step 2222, which has not yet been treated. In step 2223, an adjacent node 145 is searched, nodes 141 and 143 are ignored. Now, in step 2224, a radius is again determined as the range to still reach a fixed value as signal strength, e.g. -74dBm.
  • a radius is also determined as range in step 2225 in order to still achieve a fixed value as signal strength, e.g. -74dBm, so that this node is the counterpart of the treated node.
  • the query 2226 checks whether all nodes have already been handled. If this is not the case, the process jumps again to step 2222, otherwise it continues in step 2228.
  • Fig. 19 shows the result after this fifth step.
  • step 2228 checks to see if only one cluster is available. If this is the case, the method is finished in item 2233. If this is not the case, then in step 2230 a node is selected which takes up a further cluster with the lowest magnification.
  • step 2231 the range of this cluster is set to be the opponent of the node.
  • step 2232 the two now connected clusters are merged.
  • Fig. 20 shows the previous network extended by a cluster that meets all conditions from step 1-5.
  • Fig. 21 shows how the two clusters were merged after the process.
  • the signal strength and transmit power of each individual node is again calculated according to the path loss model. These values are then the final asset values that guarantee optimal coverage with maximum selectivity between the access points.
  • BSS # 1..BSS # N Basic Service Sets for Participants in the Wireless LAN (WLAN) network

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  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leuchte, aufweisend einen Eingang zum Anschließen eines Netzwerkes mit einer integrierten Leistungsversorgung, eine Leistungsversorgungseinheit zum Versorgen aller Komponenten der Leuchte mit einer elektrischen Leistung, die dem Eingang entnommen wird, eine Steuerungseinheit zum Steuern der Komponenten der Leuchte, mindestens eine Lichtquelle, die von der Leistungsversorgungseinheit versorgt wird und von der Steuerungseinheit gesteuert wird, ein Netzwerkzugangspunkt zum Bereitstellen mindestens eines drahtlosen Netzwerkes, der von der Leistungsversorgungseinheit versorgt wird und über den Eingang mit dem Netzwerk gekoppelt ist, mindestens eine Antenne, die dem Netzwerkzugangspunkt zugeordnet ist, wobei die Lichtquelle und die Antenne so angeordnet und ausgelegt sind, dass die Abstrahlcharakteristik des Lichts kongruent zur Abstrahlcharakteristik der Antenne des drahtlosen Netzwerkes ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Beleuchtungsanlage mit mehreren der vorgenannten Leuchten.

Description

Beschreibung
Leuchte mit eingebauten Netzwerkzugangspunkt und Beleuchtungsanlage mit einem drahtlosen Netzwerk
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Leuchte und eine Beleuchtungsanlage mit mehreren Leuchten dieses Typs.
Hintergrund In einer steigenden Anzahl von Kaufhäusern und Bürohäusern werden Netzwerkzugangspunkte zur Bereitstellung drahtloser Netzwerke wie WLAN in Leuchten eingebaut. Der Einbau dieser Netzwerkzugangspunkte in Leuchten hat verschiedene Vorteile. Zum einen ist in der Leuchte schon eine Energieversorgung, zumeist eine Netzleitung vorhanden, so dass diese nicht extra zum Netzwerkzugangspunkt gelegt werden muss. Zum anderen sind Leuchten gleichmäßig über die Geschoßdecken der Gebäude verteilt, so dass relativ einfach der optimale Standort für den Zugangspunkt ausgewählt werden kann.
Aus der US 2004 0192 2227 ist bekannt, einen Netzwerkzugangspunkt wie z.B. einen WLAN-Accesspoint in eine Leuchte zu integrieren. Generell werden dabei heutzutage lediglich wenige Leuchten mit leistungsstarken
Netzwerkzugangspunkten ausgestattet, um eine möglichst gute Abdeckung der Räumlichkeiten mit drahtlosem Netzwerk zu erreichen. Die leistungsstarken Netzwerkzugangspunkte decken dabei jeweils einen möglichst großen Bereich ab, damit möglichst wenig Netzwerkzugangspunkte in der Installation notwendig sind. Grund hierfür ist der erhöhte Verdrahtungsaufwand. Zwar kann der Netzwerkzugangspunkt problemlos in der Leuchte mit Energie versorgt werden, da ja eine Netzspannung vorhanden ist. Jedoch muss jede Leuchte mit Netzwerkzugangspunkt eine LAN-Leitung erhalten, um den Netzwerkzugangspunkt an das Netzwerk anbinden zu können. Dies erhöht den Installationsaufwand beträchtlich, weswegen so wenig Zugangspunkte wie möglich angestrebt werden. Fig. 2 zeigt die schematische Verschaltung einer solchen Anlage. Es sind zwei Gateways 21 und 22 gezeigt, die die Verbindung ins Internet darstellen und gleichzeitig Steuerungsaufgaben für die Leuchten übernehmen können. Dann ist ein hausinternes Netz DS gezeigt, an welches die verschiedenen Netzwerkzugangspunkte oder Accesspoints AP#1 bis AP#N angeschlossen sind. Mit diesen können sich wiederum verschiedene Clients innerhalb der Basis Service Sets BSS#1 bis BSS#N verbinden.
Durch die große räumliche Abdeckung eines einzelnen Netzwerkzugangspunktes ist die Antenne ausgelegt, möglichst omnidirektional abzustrahlen. Dies birgt den Nachteil, dass es in Grenzbereichen zwischen zwei Netzwerkzugangspunkten zu Überlappungen kommt, was den Empfang stört, da bekanntermaßen viele der Kanäle im standardisierten IEEE 802.11 Netz nicht überlappungsfrei sind und sich so benachbarte Netzwerkzugangspunkte gegenseitig stören können. Fig. 1 zeigt die Kanalaufteilung im 2.4GHz Frequenzband zu Abständen von 5MHz der Mittenfrequenz bei etwa 22MHz Bandbreite. Es ist gut zu sehen, dass es im europäischen Frequenzband bei 2.4GHz mit den Kanälen 1 bis 13 bei DSSS Übertragung lediglich 3 überlappungsfreie WLAN Kanäle gibt. Andere Frequenzbereiche, das 5GHz- und 60GHz-Band, sowie andere Übertragungstechniken, z.B. OFDM, unterliegen demselben Prinzip, lediglich die Anzahl überlappungsfreier Kanäle ist veränderlich. Ist also die Sendeleistung eines Netzwerkzugangspunktes sehr hoch um die gewünschte Abdeckung zu erreichen, so ist die poten- tielle Störung anderer Netzwerkzugangspunkte im gleichen Netz oder vor allem anderer Betreiber sehr hoch. So ergeben sich bei den omnidirektionalen Abstrahleigenschaften von Stabantennen, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, Probleme beim Empfang an anderer Stelle.
Weiterhin können bei großen Funkzellen Gegenstände wie beispielsweise Wände und Möbel in dieser Zelle zu Reflektionen oder gar Auslöschung führen, was ebenfalls die Signalqualität beeinträchtigt. Speziell Reflektionen führen zu Mehrfachpfaden des Signals und beeinträchtigen den Empfang erheblich. Fig. 4 zeigt einen Geschoßplan eines Gebäudes mit Netzwerkzugangspunkten 41. Speziell in der Nähe oder hinter Wänden gibt es immer wieder Funklöcher 42, in denen kein oder kein guter Empfang möglich ist. Ein weiteres Problem dieser großen Funkzellen ist die Teilnehmerzahl. Die Problematik ist schon von GSM-Funknetzen an belebten Standorten bekannt. Viele angemeldete Teilnehmer an einem Netzwerkzugangspunkt müssen sich dessen Bandbreite teilen, so dass die mögliche Datenrate pro Teilnehmer sehr schnell unzumutbar wird.
Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Leuchte und ein Beleuchtungssystem vorzuschlagen, welches diese Nachteile nicht mehr aufweist.
Darstellung der Erfindung Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Leuchte, aufweisend einen Eingang zum Anschließen eines Netzwerkes mit einer integrierten Leistungsversor- gung, eine Leistungsversorgungseinheit zum Versorgen aller Komponenten der Leuchte mit einer elektrischen Leistung, die dem Eingang entnommen wird, eine Steuerungseinheit zum Steuern der Komponenten der Leuchte, mindestens eine Lichtquelle, die von der Leistungsversorgungseinheit versorgt wird und von der Steuerungseinheit gesteuert wird, ein Netzwerkzugangspunkt zum Bereitstellen mindestens eines drahtlosen Netzwerkes, der von der Leistungsversorgungseinheit versorgt wird und über den Eingang mit dem Netzwerk gekoppelt ist, mindestens eine Antenne, die dem Netzwerkzugangspunkt zugeordnet ist, wobei die Lichtquelle und die Antenne so angeordnet und ausgelegt sind, dass die Abstrahlcharakteristik des Lichts kongruent zur Abstrahlcharakteristik der Antenne des drahtlosen Netzwerkes bezogen auf mindestens eine Referenzfläche ist. Die Referenzfläche kann z.B. der Boden des Raumes sein, in dem die Leuchte installiert ist. Die Referenzfläche kann aber ebenso wie oft in den Berechnungen für die Bürobeleuchtung verwendet eine Ebene in Höhe der Tisch- fläche sein, die genau wie die Tischfläche im Raum ausgerichtet ist. Es ist auch denkbar mehrere Referenzflächen zu verwenden, da in speziellen Umgebungen wie Lagerhallen auch bei einer Leuchte eine Lichtabstrahlung in mehr als einen Halbraum gewünscht sein kann, z.B. ebenfalls nach oben. Grundsätzlich kann aber davon ausgegangen werden dass die Abstrahlung vor allem in einen Halbraum interessant ist..
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann vorteilhaft eine sehr einfache Installation eines Beleuchtungssystems sichergestellt werden, da die Netzwerkleitung lediglich Schutzkleinspannung führt und zur Installation keine Fachkräfte wie etwa Elektriker benötigt werden. Weiterhin kann ein Beleuchtungssystem, welches auf diesem Leuchtentyp basiert, mit deutlich mehr Netzwerkzugangspunkten ausgestattet werden, was die durchschnittliche Datenrate pro Teilnehmer vorteilhaft erhöht. Durch die Kongruenz zwischen Lichtabstrahlung und Funkabdeckung der Leuchte kann eine zuverlässige Abdeckung der Funknetzwerke ohne aufwändige Messungen sichergestellt werden.
Kongruent heißt in diesem Zusammenhang, dass die Abstrahlcharakteristiken im Wesentlichen die gleiche Form und auch annähernd die gleiche Größe auf einer Bezugsfläche wie z.B. dem Boden aufweisen, siehe hierzu auch:
https://de.wikipedia.org/wiki/Kongruenz (Geometrie). Da die Abstrahlcharakteristiken der Licht- und Funkwellen Wellenlängenbedingt nicht identisch sein können kann das Abstrahlverhalten stellenweise nicht mehr kongruent, sondern nur noch ähnlich sein, siehe hierzu auch: https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%84hnlichkeit (Geometrie). Wichtig ist in diesem Zusammenhang lediglich, dass durch das sichtbare Licht auch die Mindestabdeckung des Drahtlosnetzwerkes ersichtlich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das drahtlose Netzwerk ein WLAN-Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.11. WLAN oder Wi-Fi ist vorteilhaft der am weitesten verbreitete Standard für drahtlose Kommunikation im Consumer-Bereich und wird von nahezu allen Mobilgeräten unterstützt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das drahtlose Netzwerk ein ZigBee-Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.15.4. ZigBee ist auch aufgrund seiner Vernetzungsfähigkeiten bekannt und kann hier anstatt oder zusätzlich zum WLAN vorhanden sein.
In einer anderen Ausführungsform ist das drahtlose Netzwerk ein Bluetooth-Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.15.1. Auch Bluetooth ist ein verbreiteter Standard und wird für Kurzstreckenkommunikation gerne verwendet. Auch hier kann das Netzwerk in einer Ausführungsform alleine, in einer anderen Ausführungsform neben dem WLAN und/oder dem ZigBee Netzwerk arbeiten. Bei der Ausführungsform mit mehreren parallelen Netzwerken ist darauf zu achten, dass die verwendeten Kanäle der verschiedenen Netzwerke nicht denselben Frequenzbereich verwenden, da es sonst zu Störungen kommt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwendet der Netzwerkzugangspunkt mindestens eines der im Standard vorgesehenen Frequenzbänder: 2,4GHz, 5GHz, 60GHz. Diese Frequenzbänder sind standardisiert und größtenteils frei und ohne Lizenzen zugänglich. Daher sind sie sehr verbreitet und die Netzwerkzugangspunkte sind damit sehr kostengünstig herzustellen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Antenne eine Bi-Q.uad-Antenne. Dieser Antennentyp hat eine sehr ähnliche Abstrahlcharakteristik wie eine klassische Deckenleuchte, daher ist diese Antenne für die gewünschte Anwendung besonders geeignet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Netzwerkzugangspunkt eingerichtet, mit benachbarten Netzwerkzugangspunkten ein Mesh-Netzwerk, zu Deutsch auch vermaschtes Netz, zu bilden. Mesh-Netze haben den großen Vorteil, dass zwei Teilnehmer miteinander kommunizieren können die keine direkte Netzwerkverbindung haben. Die Information wird über mehrere Punkte des Netzwerkes vom Sender zum Empfänger geleitet. Aus diesem Grund kann die Reichweite der Funkverbindung zwischen Teilnehmer und Netzwerkzugangspunkt vergleichsweise klein sein und trotzdem können im Mesh-Netzwerk zwei Teilnehmer über große Entfernungen über viele Netzwerkzugangspunkte hinweg kommunizieren. Einzelheiten dazu können auf Wikipedia abgerufen werden: https://en.wikipedia.ore/wiki/Mesh networking Unabhängig davon ob die Leuchte in einem vermaschten Netz arbeitet oder nicht ist es von Vorteil, wenn der Netzwerkzugangspunkt eingerichtet ist, ein Hand-Over eines Teilnehmers zu einem anderen Netzwerkzugangspunkt gemäß dem IEEE 802. llf und/oder IEEE 802. llr Standard zu ermöglichen. Dies ermöglicht bei sich bewegendem Teilnehmer vorteilhaft eine stabile Netzwerkverbindung über mehrere Netzwerkzugangspunkte hinweg.
Besonders bevorzugt ist der Eingang der Leuchte PoE (Power over Ethernet) fähig, und die Leistungsversorgungseinheit erhält ihre Leistung über PoE. Mit dieser Maßnahme kann eine einfache Verkabelung und sichere Leistungsversorgung bei Konformität zu einem etablierten Standard sichergestellt werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Beleuchtungsanlage mit mehreren der oben beschriebenen Leuchten. Solch eine Beleuchtungsanlage ist besonders einfach zu installieren und zu warten und ist besonders zuverlässig im Netzwerkbetrieb. Wie oben schon beschrieben ist es besonders vorteilhaft, dass ein Hand-Over eines Teilnehmers zwischen Leuchten der Beleuchtungsanlage gemäß dem IEEE 802. llf und/oder IEEE 802. llr Standard stattfindet. Durch diese Maßnahme wird eine stabile Netzwerkverbindung innerhalb der gesamten Beleuchtungsanlage erreicht, vor allem auch bei sich bewegenden Teilnehmern. Besonders bevorzugt wird diese Eigenschaft mit einem Mesh-Netzwerk, auch als vermaschtes Netz bezeichnet, kombiniert. Dies stellt eine effiziente Punkt-zu Punktkommunikation innerhalb der gesamten Beleuchtungsanlage sicher, ohne dass die beiden Teilnehmer eine direkte Funkverbindung zu demselben Netzwerkzugangspunkt haben müssen. Vor allem kann hier auch eine Kommunikation über mehrere Stockwerke hinweg etabliert werden, ohne dass die Netzwerkzugangspunkte am selben Switch angeschlossen sein müssen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen: eine Grafik der überlappenden Kanäle eines WLAN-Funknetzwerkes, wobei hier gut zu sehen ist dass das europäische 2,4GHz Band bei DSSS Übertragungstechnik lediglich 3 überlappungsfreie Kanäle hat, eine schematische Darstellung eines Netzwerkes mit wenigen leistungsfähigen Netzwerkzugangspunkten, wie es im Stand der Technik bekannt ist,
Die omnidirektionale Abstrahlcharakteristik einer Stabantenne, ein Beispiel der errechneten WLAN-Abdeckung eines Stockwerkes eines Gebäudes in einer Beleuchtungsanlage nach dem Stand der Technik, eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Leuchte, eine beispielhafte Abstrahlcharakteristik einer Deckenleuchte, die Abstrahlcharakteristik einer Bi-Ouad Antenne, wie sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, eine idealisierte kegelförmige Abstrahlcharakteristik einer Deckenleuchte mit 30° Abstrahlwinkel und die +-3° Toleranz für die Funkabdeckung, das Prinzip der Strahlformung für hochfrequentes drahtloses Netz mittels eines MIMO-Antennenarrays, eine Installation in einem rechteckförmigen Raum gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, eine Ansicht der Abstrahlcharakteristik einer Leuchte, die Ausgangssituation für einen Teil eines Raumes mit vier Leuchten mit Accesspoints API bis AP4, deren Halbwertsbreiten in der Schnittebene gekennzeichnet sind vor der Anwendung eines Optimierungsverfahrens, die Situation nach dem zweiten Schritt des Optimierungsverfahrens, die Situation nach dem dritten Schritt des Optimierungsverfahrens, das Ablaufdiagramm für das beschriebene erste Verfahren zur Planung einer Beleuchtungsanlage, eine Anordnung von Access Points in einem einzurichtenden Beleuchtungssystem, die Situation dass jeder Knoten genau einen Nachbarn sieht, die Reichweiten der Accesspoints sind als Kreise 151, 153 und 155 in der Figur eingetragen, die Situation dass jeder Knoten zwei Nachbarn hat die er ansprechen kann um eine Route aufzubauen, die Situation dass jeder Knoten im Netzwerk mindestens zwei Nachbarschaftsbeziehungen aufweist, das bisherige Netzwerk der Figur 17 um einen Cluster erweitert, wie nach dem Verfahren die beiden Cluster aus Fig. 20 zusammengeführt wurden, das Ablaufdiagramm für das beschriebene zweite Verfahren zur Planung einer Beleuchtungsanlage.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Leuchte 5. Die Leuchte 5 weist einen Eingang 51 zum Anschließen eines Netzwerkes mit einer inte- grierten Leistungsversorgung auf. Die integrierte Leistungsversorgung ist kompatibel zum PoE-Standard gemäß IEEE 802.3af und 802.3at und zum zukünftigen Standard IEEE 802.3bt. Um die über das Netzwerk übertragene Leistung verwenden zu können weist die Leuchte 5 eine Leistungsversorgungseinheit 53 auf, die die elektrische Leistung vom Nutzsignal trennt und für die Komponenten der Leuchte aufbereitet. Das Nutz- Signal des Netzwerkes wird einer Steuerungseinheit 55 zugeführt, die die Daten verarbeitet. Hierbei werden reine Netzdaten z.B. aus dem Internet von Steuerbefehlen für die Leuchte getrennt. Die reinen Netzdaten werden an einen Accesspoint 59 weitergegeben, die Steuerbefehle werden ausgeführt, beziehungsweise an die zwei LED- Module 57 weitergegeben, die die Befehle entsprechend ausführen. Der Accesspoint 59 betreibt ein drahtloses Netzwerk gemäß WLAN Standard. In einer weiteren Ausführungsform betreibt der Accesspoint zusätzlich noch ein ZigBee und/oder ein Bluetooth Netzwerk. Der Accesspoint weist eine Antenne 591 auf, mittels der das drahtlose Netzwerk betrieben wird. Die Antenne ist dabei als Bi-Q.uad-Antenne mit Reflektor ausgestaltet, deren Abstrahlcharakteristik an die Abstrahlcharakteristik der LED- Module angepasst ist. Die beiden Abstrahlcharakteristiken sind dabei im Wesentlichen kongruent, so dass bei gleichmäßiger Ausleuchtung des Raumes mit mehreren der Leuchten auch eine gute Netzabdeckung des drahtlosen Netzes gegeben ist. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird komplett auf die Netzanschlüsse je Leuchte verzichtet, und jede Leuchte über ein Netzwerkkabel mit Energie versorgt. Hierbei wird der mittlerweile recht verbreitete Power over Ethernet (PoE) Standard gemäß IEEE 802.3af oder at verwendet. Bei größeren Flächenleuchten kommt auch der noch recht neue IEEE 802.3bt zur Verwendung. Der neuere IEEE 802.3at Standard erlaubt bis zu 25,4W Leistung über die Netzwerkleitung zu übertragen. Der kommende IEEE 802.3bt Standard erlaubt voraussichtlich mindestens 50W Leistung pro Netzwerkleitung zu übertragen. Dies ist für moderne LED Leuchten genug, um eine exzellente Beleuchtungsqualität zu gewährleisten. Generell kann gesagt werden, dass die vorgeschlagene Ausführungsform weg von wenigen mit großen und Leistungsstarken Accesspoints ausgestatteten Leuchten hin zu mehr ausgestatteten Leuchten geht, die dann nicht mehr über das Stromnetz sondern über PoE versorgt werden.
Diese Lösung hat den Vorteil einer erheblich vereinfachten Verkabelung, da nur noch Netzwerkkabel zu den jeweiligen Leuchten gelegt werden müssen, und die Leuchten dann nur noch mittels des bekannten RJ45 Steckers angesteckt werden. Da die Netzwerkleitungen lediglich Schutzkleinspannung führen, kann die Insta llation von jedermann durchgeführt werden und muss nicht mehr durch speziell geschultes Personal wie bei Netzspannung bewerkstelligt werden.
Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform sind auch die Accesspoints 59, also die Netzwerkzugangspunkte, wesentlich leistungsschwächer, da sie ja nur noch einen deutlich kleineren Bereich versorgen müssen, was mit weniger Leistung gut bewerkstelligt werden kann. Bei modernen Accesspoints kann davon ausgegangen werden, dass sie im Schlafmodus unter 0,5W und im Betrieb nur etwa ein Watt an Leistung benötigen. Dies kann über PoE leicht bewerkstelligt werden, auch zusätzlich zur benö- tigten Leistung für die Beleuchtung. Zusätzlich ist es bei vielen kleinen Accesspoints 59 in den Leuchten 5 wahrscheinlicher, dass ein Accesspoint gerade nicht benutzt wird, und in einen stromsparenden Schlafmodus versetzt werden kann. Die Versorgung der Leistung wird hierbei von einem Netzteil 53 mit angeschlossenem Steuerteil 55 bewerkstelligt, welches die Versorgungsleistung von den Daten trennt, und in den Daten enthaltene Steuerdaten für die Leuchte gleich interpretiert und ausführt. Dieses Netzteil 53 ist also zwischen den Eingang der Leuchte und den Accesspoint beziehungsweise ein Leuchtmodul 57 der Leuchte geschaltet. Das Leuchtmodul 57 beherbergt eine oder mehrere Lichtquellen wie LEDs oder LED-Module. Das Leuchtmodul 57 weist hierbei eine bestimmte Lichtabstrahlcharakteristik auf, wie sie für Leuchten dieses Typs üblich ist.
Fig. 6 zeigt die Abstrahlcharakteristik eines solchen Lichtmoduls. Je nach Auslegung des Beleuchtungssystems kann die Charakteristik angepasst und der Abstrahlwinkel des Leuchtmoduls entsprechend gewählt werden. Im Folgenden Beispiel weist die Leuchte einen recht schmalen, direkten Abstrahlwinkel von lediglich 30° auf. Dadurch kann eine gute Beleuchtungsstärke unterhalb der Leuchte erreicht werden, und durch eine entsprechende Anzahl an Leuchten ist die Lichtverteilung im Raum trotz des schmalen Abstrahlwinkels gut.
Das bestechende an der vorgeschlagenen Ausführung ist nun die Tatsache, dass der in der Leuchte eingebaute Accesspoint eine Abstrahlcharakteristik aufweist, die im Wesentlichen der des Leuchtmoduls entspricht. Dies hat den unschätzbaren Vorteil dass ein Lichtplaner, der die Beleuchtung in einem Gebäude plant mit dieser Planung gleichzeitig ein optimal ausgelegtes WLAN-Netzwerk plant. Denn wenn die Lichtplanung eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke im Raum ergibt, dann ergibt das automatisch auch eine exzellente Abdeckung mit WLAN oder entsprechend einem anderen Funknetzwerk. Um dies zu erreichen, sind die üblicherweise eingesetzten Stabanten- nen nicht mehr ausreichend. Es müssen Antennen mit einer unsymmetrischen Abstrahlcharakteristik wie beispielsweise Bl-Q.uad-Antennen verwendet werden. Diese weisen wie die Leuchtmodule einen Reflektor auf, der die Strahlung in eine Raumhalbkugel bündelt. Je nach Antennenform ergeben sich dabei Abstrahlcharakteristiken, die kongruent zu denen des Lichts sind. Natürlich kann die„Keule" bedingt durch die unterschiedliche Wellenlänge nicht exakt gleich ausfallen, aber es kann eine gute Ähnlichkeit erreicht werden, die fast kongruent wird. Informationen zur Bi-Q.uad- Antenne können hier abgerufen werden: https://de.wikipedia.org/wiki/Quadantenne
Fig. 7 zeigt die Abstrahlcharakteristik einer solchen Bi-Q.uad-Antenne. Es ist im Ver- gleich mit Fig. 6 deutlich zu sehen, dass hier eine sehr ähnliche Abstrahlcharakteristik gegeben ist. Um dies zu erreichen muss natürlich jedes verwendete Frequenzband seine eigene Antenne verwenden, um hier Kongruenz zu ermöglichen. Dabei wird von einem idealisierten Modell gemäß Fig. 8 ausgegangen, welches einen idealisierten Abstrahlkegel elektromagnetischer Strahlung zeigt. In diesem Fall hat der Kegel einen Abstrahlwinkel von 30°. Der mittlere 81 der Kreise ist der Winkel für das abgestrahlte Licht auf der Referenzebene 86. Die anderen beiden Kreise bezeichnen die +-3°-Linie, was einer Toleranz von +-10% entspricht, innerhalb derer sich die Abstrahlung des WLANs befinden sollte. Sofern dies erreicht wird kann von einer Kongruenz zwischen der Lichtabstrahlung und der Funkstrahlung gesprochen werden. Diese Kongruenz muss natürlich auf eine bestimmte Referenzebene bezogen werden, da die Abstrahlcharakteristiken im Raum unterschiedlich sein können. Die Referenzebene 86, auf der sich die Kreise befinden, ist hier der Fußboden. Die Betrachtung kann aber ebenfalls für andere Referenzebenen, z.B. die Referenzebenen 84 oder 85 angestellt werden. Diese Ebenen können z.B. die Höhen der Tischflächen von Bürotischen dar- stellen. Bei modernen hochfahrbaren Bürotischen gibt es ja zumindest zwei Ebenen für jede Endstellung des Tisches.
Soll das 60GHz Frequenzband für WLAN ebenfalls verwendet werden, dann ist aufgrund der deutlich unterschiedlichen Frequenz zu den beiden etablierten Bändern bei 2,4GHz und bei 5GHz eine andere Vorgehensweise beim Antennendesign notwendig. Hier kann nicht mit einer einfachen Bi-Q.uad-Antenne gearbeitet werden. Da aufgrund der extrem hohen Frequenz die Reichweite im 60GHz Bereich sehr niedrig ist, muss hier mit Antennendesigns mit sehr hoher Verstärkung und Richtwirkung gearbeitet werden. Dies kann mit einem MIMO-Antennenarray bewerkstelligt werden. Mit diesem MIMO-Array wird ein Space-time-Coding erreicht, bei dem jede Information über eine dedizierte Antenne versandt wird, über die eine optimale Übertragung zum Teilnehmer möglich ist. Der Standort des Teilnehmers wird also in den Übertragungsweg mit einbezogen. Das grundsätzliche Prinzip kann hier nachgelesen werden:
https://de.wikipedia.ore/wiki/MIMO (Nachrichtentechnik)
Fig. 9 zeigt die Abstrahlcharakteristiken der verschiedenen Antennen in einem solchen MIMO-Array. Die Abstrahlung ist scharf gebündelt um einen möglichst hohen Antennengewinn
(https://de.wikipedia.org/wiki/An tennentecliniktf Richtfaktor und Antennengewinn) zu erreichen. Je nach Standort des Teilnehmers wird nun die Antenne aktiviert, bei der die größte Feldstärke am Gerät des Teilnehmers zu erreichen ist. Fig. 10 zeigt nun bespielhaft einen Raum mit der vorgeschlagenen Beleuchtungsanlage. In diesem Raum, befinden sich wie z.B. in den USA üblich 16x8 Deckenpaneele in einer abgehängten Decke in 2,8m Höhe. In 10 dieser Deckenpaneele ist je eine Leuchte 5 eingebaut. Der Kreis um jede dieser Leuchten bezeichnet die vom Licht und vom WLAN bestrichene Fläche. Es ist gut zu sehen, dass die Abdeckung mit einer guten Beleuch- tungsstärke exzellent ist und gleichzeitig eine gute Abdeckung des Funknetzwerks erreicht wird. Da hier in der Zeichnung die Halbwertsbreiten der Signalstärke für die Planung zugrunde gelegt sind ist natürlich auch außerhalb der gezeichneten Bereiche mit einem Signal der Zelle zu rechnen. Mit geeigneter Rasterisierung der Kanäle kann hier die Störung benachbarter Zellen verhindert werden.
Die Figuren 11 bis 15 zeigen beispielhaft eine erste Anwendung der Planung einer Beleuchtungsanlage zusammen mit der Planung einer Funknetzwerkanlage mit den oben beschriebenen Leuchten 5.
Diese erste Anwendung zeigt auf, dass es möglich ist, mit an sich bekannten Lichtpla- nungstools auch das WiFi vorab zu kommissionieren. Im Folgenden wird ein erstes Verfahren vorgestellt welches mit der Besonderheit der Leuchten 5 die Sendeleistung der WiFi Access Points AP#1..N mittels einem gegenüber den bekannten Lichtplanungstools verbesserten Lichtplanungstool optimiert. In dieser Anwendung ist vorausgesetzt, dass alle Leuchten über einen Rückkanal sei es über PoE, PLC, optische Über- tragung oder ein weiteres kabelloses Medium, zum IT-Backbone verfügen:
In einem Lichtplanungstool können Leuchten 5 bevorzugt in Ausführungen mit Richtwirkung gewählt werden. Diese Leuchten weisen als Antenne eine Bi-Ouad-Antenne oder Patch-Antenne oder eine andere geeignete Antenne mit Richtwirkung entlang der vertikalen Hauptachse auf. Die HF-Abstrahlcharakteristik ist dem Lichtplanungstool bekannt. Zudem sind dem Lichtplanungstool optional HF-Dämpfungswerte für Objekte bekannt. Aus dem WiFi Standard für 2.4GHz ist bekannt, dass für unterschiedliche Modulationsverfahren noch bestimmte Signalstärken am Empfänger verfügbar sein müssen. Dieser Wert ist von der Sensitivität des Empfängers und des Signal- Rauschverhältnisses auf dem Kanal abhängig. Gängige Werte für die höchste Übertra- gungsrate bei 802.11η liegen bei etwa -74dBm. Für den für das verbesserte Lichtplanungstool vorgestellten Algorithmus, der im verbesserten Lichtplanungstool implementiert ist, ist dieser Wert ein Parameter, soll aber für die Berechnung frei wählbar sein. Das Verfahren beschreibt wie für eine gewählte Bezugsebene im Raum die Sendeleistungen der Accesspoints 59 im Sinne von möglichst geringster Überlappung von Zellen und Energieeffizienz optimiert werden können.
Fig. 11 zeigt eine Ansicht der Abstrahlcharakteristik einer Leuchte 5. Die Orte gleicher Feldstärke sind als ISO-Linien 112, 114, 116 dargestellt. Aus den Abstrahlcharakteristiken und bekannten Dämpfungswerten von Objekten werden im ersten Schritt die IsoLinien aus dem Schnitt mit der Bezugsebene (z.B. der Boden oder eine Tischfläche) berechnet. Als Ausgangssituation wird die Abdeckung über die Halbwertsbreite gewählt. Die Iso-Linie 114 ist dabei die Halbwertsbreite, zu der man nun eine Signalstärke des von der Leuchte 5 abgestrahlten Signals berechnen könnte, mit dem man auf der Bezugsebene noch die im Standard vorgeschlagenen -74dBm erreicht. Wird die Signalstärke erhöht, so resultiert daraus eine größere Flächenabdeckung. Beispielhaft sei hier die ISO-Linie 116 gezeigt. Wird die Signalstärke verringert, dann resultiert daraus eine kleinere Abdeckung wie die ISO-Linie 112 zeigt.
Als Halbwertsbreite ist der Abstrahlwinkel der Antenne definiert, zu der sie noch in Hauptrichtung die halbe Signalstärke hat. Da die elektrischen Werte bei einer Antenne ja gerne logarithmisch angegeben werden ist die Halbwertsbreite dort zu finden, wo der Antennengewinn 10*log(2) = 3.0103dB kleiner ist als auf der Hauptachse. In der Literatur kürzt man gern auf 3dB ab. Vereinfacht kann also festgehalten werden, dass sich die Signalstärke alle 3dB verdoppelt.
Fig. 12 zeigt beispielhaft die Ausgangssituation für einen Teil eines Raumes mit vier Leuchten mit Accesspoints API bis AP4, deren Halbwertsbreiten in der Schnittebene gekennzeichnet sind. Hier sind die Halbwertsbreiten ohne Berücksichtigung von Dämpfung und Reflexionen dargestellt, und sind deswegen Kreisförmig.
Im zweiten Schritt wird nun die Leuchte gewählt, die bei Erweiterung der ISO-Linien das beste Verhältnis zwischen Abdeckung noch freier Fläche zu Überlappung mit bereits abgedeckter Fläche ergibt.
Als Randbedingung gibt es hier eine äußere Iso-Linie 121, 122, 123, 124 als Begrenzung über die hinaus nicht erweitert werden darf. Diese ergibt sich aus dem Antennengewinn auf der Hauptachse zuzüglich der Sendeleistung abzüglich der Verluste durch Kabel, Steckverbindungen usw. Diese Summe darf nach aktueller Gesetzgebung nicht über 20dBm liegen.
Nun werden die -74dBm, die noch am entferntesten Punkt erreicht werden sollen, in Betracht gezogen und mittels einem unten beschriebenen Path-Loss-Modell berechnet. Dann kann für die Antenne der Leuchte 5 ein Winkel errechnet werden, bei dem diese Randbedingung der ISO-Linie 121, 122, 123, 124 noch erreicht wird und somit der Schnitt, d.h. die äußerste ISO-Linie 121, 122, 123, 124 errechnet werden. In den meisten Fällen, vor allem in Bürogebäuden wird dies ein theoretisches Limit sein, da hier von Distanzen «10m ausgegangen werden muss.
Der zweite Schritt wird nun für jede Leuchte im Beleuchtungssystem so lange wiederholt, bis alle Flächen abgedeckt sind. Fig. 13 zeigt die Situation nach dem zweiten Schritt. Im dritten Schritt wird nun die Leuchte gewählt, bei der durch Verkleinerung des ISO- Linien-Abstands der Überlapp der Flächen am stärksten verringert wird ohne Freiflächen zu erzeugen.
Der dritte Schritt wird nun so lange wiederholt, bis die Flächen optimiert sind. Fig. 14 zeigt die Situation nach dem dritten Schritt.
Im vierten Schritt wird nun für jede Leuchte die optimale Signalstärke berechnet. Dies geschieht folgendermaßen:
a. Aus der gewählten ISO-Linie kann nun auf den zugehörigen Winkel in der Abstrahlcharakteristik der Antenne zurückgeschlossen werden
b. Zu diesem Winkel ist der Antennen-Gain bekannt
c. Aus dem unten beschriebenen Path-Loss-Model, dem Antennen-Gain und der gewünschten Signalstärke am entferntesten Punkt kann nun die Signalstärke für den Accesspoint bestimmt werden. Das Pfad Verlust Modell kann folgendermaßen beschrieben werden:
(I) Maximaler Pfadverlust = Sendeleistung - Empfänger Empfindlichkeit + Antgennen- gewinn - Verluste - Schwundreserve.
Verluste sind ein Parameter, der ermittelt wird und für die Leuchte hinterlegt wird (Anschluss- und Kabelverluste), Schwundreserve ist ein Einstellbarer Wert im Pla- nungstool. Die Distanz d berechnet sich zu:
(II) d = Distanz (km) = 10(maximaler Pfadverlust - 32.44 - 20log(f))/20
Aus den beiden obigen Gleichungen (I) und (II) kann nach der„Sendeleistung" aufgelöst werden. Der Parameter„Schwundreserve" beschreibt einen zusätzlichen Verlust gegenüber der Freiraumausbreitung. Dieser Wert wird ebenfalls fest eingestellt. Damit ergibt sich
(III) Sendeleistung = 20*log(d)+20*log(f)+32.44+Schwundreserve+Verluste- Antennengewinn+Empfängerempfindlichkeit (z.b. -74dBm)
Im Folgenden wird kurz ein Beispiel mit typischen Werten bei der Halbwertsbreite gezeigt. Die voreingestellten und bekannten Werte sind folgende:
Schwundreserve = 5dB Verluste = 3dB
Antennengewinn 3dB
Empfängerempfindlichkeit -74dBm
Distanz = 4m = 0.004km
f = 2.45GHz = 2450 MHz
Daraus berechnet sich die Sendeleistung zu: Sendeleistung = 20*log(0.004) +
20*log(2450) + 32.44 + 5 + 3 - 3 - 74 = -47.96 + 67.78 + 32.44 + 5 + 3 - 3 -74 = - 16,74dBm = 21μ\Λ/
Ein Vergleich zeigt die notwendige Sendeleistung bei 25 fächern Abstand von 100 Metern (hohe Abdeckung durch einen Access Point): power = 11.22dBm = 13mW
(20*log(0.1) = -20, wobei hier die erhöhte Schwundreserve durch Abschattungen und Reflexionen nicht berücksichtigt ist). Die notwendige Sendeleistung bei 25 fächern Abstand beträgt etwa das Fünfhundertfache. Dieses Verfahren beschreibt eine konkrete Implementierung zur Optimierung der
Flächenabdeckung eines drahtlosen Netzwerkes, welches auch durch andere Verfahren ersetzt werden kann. Die Berechnung zum Pfad Verlust Modell ist jedoch immer gültig sofern man zu einem bestimmten Abstrahlwinkel die gewünschte Empfangsleistung kennt.
Fig. 15 zeigt das Ablaufdiagramm für das beschriebene Verfahren. Im Punkt 131 wird das Verfahren mit dem Schritt 132 gestartet, in dem die ISO-Linien der im System befindlichen Acesspoints auf eine vorbestimmte Bezugsebene berechnet werden. Ist dies getan, wird in der Abfrage 133 geprüft, ob es im Raum nicht abgedeckte Flächen gibt. Dazu muss das Planungstool natürlich den Geschoßplan des Gebäudes zu Rate ziehen, in dem der Grundriß und die Lage der Accesspoints hinterlegt sind. Gibt es nicht abgedeckte Flächen, so wird im Schritt 134 geprüft, welcher Accesspoint die bisher nicht abgedeckten Flächen bei Vergrößerung der Sendeleistung am besten abdeckt. Dieser wird lokalisiert und die notwendige ISO-Linie sowie die dazugehörige Sendeleistung entsprechend berechnet. Danach wird wieder zur Abfrage 133 gesprun- gen, und Schritt 134 so lange wiederholt bis es keine nicht abgedeckten Flächen mehr gibt. Ist die Abdeckung vollständig, dann wird in der Abfrage 135 festgestellt ob es reduzierbare Flächen gibt, ob also die Abdeckung bestimmter Accesspoints reduziert werden kann, weil die Abdeckung anderer Accesspoints erhöht worden ist. Ist dies der Fall, dann wird im Schritt 136 der Accesspoint angesehen, dessen Fläche am stärksten verringert werden kann, ohne eine neue Freifläche zu schaffen. Dessen ISO-Linie und Sendeleistung wird im Folgenden berechnet und die Abfrage 135 wiederholt. Der Schritt 136 wird von der Abfrage 135 so lange angesprungen, bis keine Accesspoints mehr vorhanden sind, dessen Leistung reduziert werden könnte.
Ist dies der Fall, wird in der Abfrage 137 geprüft, ob es noch nicht berechnete Acces- spoints gibt. Ist dies der Fall, dann wird im schritt 138 ein Accesspoint gewählt, der noch nicht berechnet wurde. Im Schritt 139 wird dann dessen ISO-Linie und die dazugehörige Sendeleistung berechnet. Die ISO-Linie wird als Minimallinie berechnet, bei der überall die Mindestsignalstärke von z.B. -74dB erreicht wird. Dann wird wieder zur Abfrage 137 gesprungen. Die Schritte 138 und 139 werden so oft wiederholt, bis alle Accesspoints berechnet wurden. Sind alle Accesspoints berechnet, dann ist das Verfahren im Punkt 140 beendet. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform ein Accesspoint AP#1..AP#N mit einer Leuchte 5 gleichgesetzt werden kann, da die Erfindung ja darauf basiert, dass in jeder Leuchte 5 ein Accesspoint vorhanden ist. Das Verfahren kann aber selbstverständlich auch mit reinen Accesspoints durchgeführt werden, die sich nicht in einer Leuchte 5 befinden.
Anhand der Figuren 16 bis 21 wird beispielhaft eine zweite Anwendung zur Planung einer Beleuchtungsanlage erläutert. Die Beleuchtungsanlage in dieser Ausgestaltung umfasst ein WiFi Mesh-Netzwerk, das heißt dass wie in der vorigen Ausgestaltung jede Leuchte 5 einen Accesspoint aufweist. Hier gibt es jedoch auch WiFi-Knotenpunkte die keine Accesspoints für den Endanwender sind, sondern der WiFi Infrastruktur dienen. Fig. 22 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein zweites Verfahren zur Planung der Beleuchtungsanlage.
In einer zweiten Ausführung eines Leuchtensystems mit Kongruenzleuchten wird der Fall WiFi-Mesh betrachtet. Ausgangspunkt ist ein Netzwerk, bei dem nicht jeder Kno- ten oder Accesspoint einen Netzwerkanschluss hat, so dass diese Knoten beziehungsweise Accesspoint ihr Netzwerk über das WiFi-Mesh bekommen und nicht über das drahtgebundene PoE-Netzwerk. Da alle Knoten im Netzwerk auch Accesspoints sind, die nur teilweise für den Endanwender nicht zur Verfügung stehen, wird im der fol- genden Erläuterung der Begriff Accesspoint gleichgesetzt mit dem Begriff Knoten. In dieser Ausführungsform sollen Signalstärken so gewählt werden das zu jedem Knoten theoretisch die maximale Datenrate zur Verfügung steht. Das Verfahren ist für alle kabellosen Mesh-Netzwerke denkbar (WiFi, Zigbee, Thread, Bluetooth, BLE, ...) wird aber im Folgenden am Beispiel von WiFi Mesh nach dem 802.11s Standard be- schrieben. Um eine WiFi-Mesh in der Leuchtenebene zu gewährleisten wird eine ausreichende Abstrahlcharakteristik der Antenne oder bei einer Multi-Antennen Lösung, einer oder mehrerer Antennen in dieser Ebene benötigt. Bei einer EinAntennen-Lösung kann dies z.B. eine Patchantenne sein, bei einem Zwei-Antennen- System könnte dies mit einer Kombination aus Richtantenne und Rundstrahler reali- siert werden. Das Mehrantennen System bietet den Vorteil, das vorherige vorgestellte Verfahren weiterhin zu nutzen um die Signalstärken der Zellen in Hauptrichtung zu optimieren. Im Folgenden soll nun nur noch der Fall in der horizontalen Ebene (z.B. entlang der Decke eines Gebäudestockwerkes) beachtet werden. Zunächst betrachten wir die Umsetzung eines WiFi Mesh-Netzwerkes nach IEEE 802.11s
(http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/1408051.htm). Der Standard regelt das dynamische Routing und den Kanalzugriff des Mesh-Netzwerkes. Dabei werden drei verschiedene Typen von Accesspoints klassifiziert. Accesspoints 143, die als Gateway in das eigentliche Netzwerk agieren (MPP), Accesspoints 141, die sowohl für das nutzbare Netzwerk als auch für Routing zur Verfügung stehen (MAP), und Acces- spoints 145, die lediglich für Routing zur Verfügung stehen (MP). Accesspoints 145, die nur zum Routing zur Verfügung stehen teilen sich einen Kanal mit ihren benachbarten Partnern. Hieraus wird schnell ersichtlich dass ein solches Mesh-Network schnell an die Grenzen bei Zugriffsverfahren stoßen kann. Umgekehrt muss aber sichergestellt sein dass jeder Accesspoint mindestens einen Nachbarn sieht und dass es eine Route zu einem MAP gibt. Jede Leuchte in kann die Rolle eines MP oder MAP einnehmen, jedoch nur Leuchten 5 mit einer Verbindung in das übergeordnete Netz können MPP 143 sein. Zudem soll noch die optionale Möglichkeit bestehen bestimmte Access Points als Hot-Spots zu definieren mit ebenfalls optional wählbarer Mindestabdeckung in der Bezugsebene. Das Verfahren zum Einrichten eines Beleuchtungssystems umfasst folgende Schritte, die anhand der Figuren 16 bis 21 erläutert werden (es wird hier nur die horizontale Leuchtenebene betrachtet, nicht die darunter liegende Zelle). Es wird im folgenden Text auch auf das Ablaufdiagramm in Fig. 22 verwiesen :
1. Das Verfahren beginnt im Schritt 2210. Im Schritt 2211 wird zunächst ein Knoten gewählt, und im Schritt 2212 ein Radius als Reichweite ermittelt um noch einen fest eingestellten Wert als Signalstärke zu erreichen, z.B. -74dBm. Dabei wird darauf geachtet, dass der aktuelle Knoten dabei den nächstliegenden Knoten erreicht. In der Abfrage 2213 wird abgefragt, ob schon alle Knoten durchlaufen wurden. Wenn nicht, wird erneut zum Schritt 2211 gesprungen. Fig. 16 zeigt eine Anordnung von Access Points in einem einzurichtenden Beleuchtungssystem. Es gibt zwei Accesspoints 141, die vom Planer als Hotspot festgelegt sind. Es gibt zwei Accesspoints 143, die als
Gateway agieren können. Und es gibt weitere Accesspointsl45. Fig. 17 zeigt die Situation dass jeder Knoten genau einen Nachbarn sieht. Die Reichweiten der Accesspoints sind als Kreise 151, 153 und 155 in der Figur eingetragen.
2. Im Schritt 2214 werden nun die Hotspot Accesspoints 141 gesperrt, sie besitzen mindestens eine Verbindung zu einem weiteren Knoten und sollen bestmöglich nicht für Routing genutzt werden. Daher ist es Aufgabe der anderen Knoten eine Route zu den Accesspoints 141 zu bringen. Wie man in Fig. 17 sieht, gibt es keine bilaterale Kommunikation für jeden Knoten und in manchen Fällen nur eine bilaterale Kommunikation zu einem benachbarten Accesspoint 141, aber ohne Route zu einem Gateway. 3. Nun muss für jede Leuchte, die nur einen Accesspoint 141 als Nachbar sieht, der nächstmögliche weitere Nachbar einbezogen werden, dies gilt für sowohl Accesspoints 143 als auch Accesspoints 145. Dazu wird im Schritt 2215 ein Knoten gewählt, der nur einen Accesspoint 141 als Nachbar hat und Schritt 2215 noch nicht durchlaufen hat. Im Schritt 2216 wird ein Nachbar gewählt, der kein Accesspoint 141 ist, und es wird ein Radius als Reichweite ermittelt um noch einen fest eingestellten Wert als Signalstärke zu erreichen, z.B. -74dBm. In der Abfrage 2217 wird geprüft, ob alle Knoten Schritt 2215 durchlaufen haben. Ist dies nicht der Fall, wird erneut zum Schritt 2215 gesprungen. Ist dies der Fall, geht es weiter beim Schritt 2218.
4. Zu diesem Zeitpunkt ist für jeden Knoten sichergestellt dass er Unidirektional zu einem anderen Knoten senden kann. Jetzt wird für jeden Knoten in den Schritten 2218 bis 2220 geprüft ob er auch von einem anderen Knoten gesehen wird. Ist dies nicht der Fall wird zunächst im Schritt 2218 ein bisher noch nicht behandelter Knoten ausgewählt, und im Schritt 2219 der nächste Nachbar gesucht der kein Hotspot Accesspoint 141 ist und seine Reichweite 151, 153, 155 wird im Schritt 2220 so erweitert, dass er Gegenspieler für den Knoten ist. In der Abfrage 2221 wird geprüft, ob alle Knoten schon behandelt wurden, wenn nicht, dann wird zu Schritt 2218 gesprungen. Ist dies der Fall, dann ist diese Schleife beendet und es geht im Schritt 2220 weiter. Das Ergebnis der Schritte 3 und 4 ist in Fig. 18 dargestellt.
5. Im fünften Schritt werden nun alle Knoten 145 gesucht, die nur eine Nachbar- Schaftsbeziehung haben. Ist dies der Fall wäre der Knoten 145 ein Endpunkt und würde nicht am Routing im Mesh teilhaben. Für jeden dieser Knoten wird ein weiterer nächster Knoten in die Reichweite 155 aufgenommen. Dieser Gegenknoten muss ebenfalls erweitert werden um diesen als Gegenpart zu unterstützen. Dazu wird im Schritt 2222 ein Knoten gewählt, der noch nicht behandelt wurde. Im Schritt 2223 wird ein benach- barter Knoten 145 gesucht, Knoten 141 und 143 werden ignoriert. Nun wird im Schritt 2224 wieder ein Radius als Reichweite ermittelt um noch einen fest eingestellten Wert als Signalstärke zu erreichen, z.B. -74dBm. Für den benachbarten Knoten wird im Schritt 2225 ebenfalls ein Radius als Reichweite ermittelt um noch einen fest eingestellten Wert als Signalstärke zu erreichen, z.B. -74dBm, so dass dieser Knoten Gegen- spieler des behandelten Knotens ist. In der Abfrage 2226 wird geprüft, ob schon alle Knoten behandelt wurden. Ist dies nicht der Fall, wird wieder zum Schritt 2222 gesprungen, ansonsten geht es beim Schritt 2228 weiter. Fig. 19 zeigt das Ergebnis nach diesem fünften Schritt.
6. Zuletzt muss für jeden Knoten geprüft werden ob mindestens eine Route zu einem Zugangspunktknoten 143 existiert. Hierbei können alle Knoten die untereinan- der Routen haben in Cluster zusammengefasst werden. Für jeden Cluster wird schließlich derjenige gewählt der mit kleinster Reichweitenerweiterung einer seiner Knoten einen weiteren Cluster mit einschließt. Dieser Knoten und der passende Gegenspieler werden auf diese Reichweite gesetzt und die beiden Cluster zu einem zusammengefasst. Dies wird so lange wiederholt bis nur noch ein Cluster bleibt. Dazu wird im Schritt 2228 ein beliebiger Cluster gewählt. In der Abfrage 2229 wird geprüft, ob nur noch ein Cluster verfügbar ist. Ist dies der Fall, ist das Verfahren im Punkt 2233 beendet. Ist dies nicht der Fall, so wird im Schritt 2230 ein Knoten gewählt, der mit geringster Vergrößerung einen weiteren Cluster aufnimmt. Im Schritt 2231 wird die Reichweite dieses Clusters so eingestellt, dass er Gegenspieler des Knotens ist. Im Schritt 2232 werden die beiden nun verbundenen Cluster zusammengeführt. Fig. 20 zeigt das bisherige Netzwerk um einen Cluster erweitert der alle Bedingungen aus Schritt 1-5 erfüllt. Fig. 21 zeigt wie nach dem Verfahren die beiden Cluster zusammengeführt wurden.
Zuletzt wird wieder gemäß dem Pfad-Verlust Modell die Signalstärke und Sendeleistung jedes einzelnen Knoten berechnet. Diese Werte sind dann die endgültigen Anlagenwerte, die eine optimale Abdeckung bei maximaler Trennschärfe zwischen den Accesspoints garantieren.
Bezugszeichenliste
21, 22 Gateways und Steuerungsrechner für die Beleuchtungsanlage
DS Verteilnetzwerk, internes Netzwerk
AP#1..AP#N Accesspoints
BSS#1..BSS#N Basis Service Sets für Teilnehmer am Wireless LAN (WLAN) Netzwerk
41 Netzwerkzugangspunkte in den Leuchten
42 Funklöcher
81 Lichtabstrahlkreis einer Leuchte am Boden als Referenzebene
82 +3° (10%) Toleranzlinie der Abstrahlfläche des Funknetzes
83 -3° (10%) Toleranzlinie der Abstrahlfläche des Funknetzes
84 Referenzebene
85 Referenzebene
86 Referenzebene Fußboden
101 Deckenpaneele mit einer Grüße von 625mmx625mm
5 Leuchte
51 Eingang zum Anschließen eines Netzwerkes
53 Leistungsversorgungseinheit
55 Steuerungseinheit
57 LED-Modul, Lichtquelle
59 Accesspoint, Netzwerkzugangspunkt
591 Antenne
112, 114, 116 ISO-Linien
141 Knotenpunkte, die als Accesspoints dienen
143 Knotenpunkte mit Zugang zum drahtgebundenen Netzwerk
145 Knotenpunkte, die für das Routing dienen
151 Reichweitenlinie des Knotenpunkts 141
153 Reichweitenlinie des Knotenpunkts 143
155 Reichweitenlinie des Knotenpunkts 145

Claims

Patentansprüche
1. Leuchte, aufweisend:
- einen Eingang (51) zum Anschließen eines Netzwerkes mit einer integrierten Leistungsversorgung,
5 - eine Leistungsversorgungseinheit (53) zum Versorgen aller Komponenten der Leuchte mit einer elektrischen Leistung, die dem Eingang (51) entnommen wird,
- mindestens eine Lichtquelle (57), die von der Leistungsversorgungseinheit (53) versorgt wird,
- einen Netzwerkzugangspunkt (59) zum Bereitstellen mindestens eines drahtlosen 10 Netzwerkes, der von der Leistungsversorgungseinheit (53) versorgt wird und über den
Eingang (51) mit dem Netzwerk gekoppelt ist,
- mindestens eine Antenne (591) , die dem Netzwerkzugangspunkt (59) zugeordnet ist, wobei die Lichtquelle (57) und die Antenne (591) so angeordnet und ausgelegt sind, dass die Abstrahlcharakteristik des Lichts kongruent zur Abstrahlcharakteristik der
15 Antenne des drahtlosen Netzwerkes bezogen auf eine oder mehrere Referenzflächen (84, 85) ist.
2. Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine
Steuerungseinheit (55) zum Steuern der Komponenten der Leuchte aufweist.
3. Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (57) von der 20 Steuerungseinheit (55) gesteuert wird.
4. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
drahtlose Netzwerk ein WLAN-Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.11 ist
5. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
drahtlose Netzwerk ein ZigBee-Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.15.4 ist.
256. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
drahtlose Netzwerk ein Bluetooth-Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.15.1 ist.
7. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwerkzugangspunkt mindestens eines der im Standard vorgesehenen Frequenzbänder verwendet: 2,4GHz, 5GHz, 60GHz.
8. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Antenne eine Bi-Ouad-Antenne ist.
9. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwerkzugangspunkt eingerichtet ist, mit benachbarten Netzwerkzugangspunk-
5 ten ein Mesh-Netzwerk zu bilden.
10. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwerkzugangspunkt eingerichtet ist, ein Hand-Over eines Teilnehmers zu einem anderen Netzwerkzugangspunkt gemäß dem IEEE 802. llf und/oder IEEE 802. llr Standard zu ermöglichen.
1011. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang PoE (Power over Ethernet) fähig gemäß einem der Standards IEEE 802.3 af, IEEE 802.3at, IEEE 802.3bt ist, und die Leistungsversorgungseinheit die Leistung über PoE erhält.
12. Beleuchtungsanlage mit mehreren der Leuchten gemäß einem oder mehreren der 15 Ansprüche 1 bis 11.
13. Beleuchtungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hand- Over eines Teilnehmers zwischen Leuchten der Beleuchtungsanlage gemäß dem IEEE 802. llf und/oder IEEE 802. llr Standard stattfindet.
14. Beleuchtungsanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die 20 Leuchten in der Beleuchtungsanlage ein Mesh-Netzwerk bilden.
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