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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb und zum Aufbau eines
Funknetzwerks.
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Derartige
Funknetzwerke bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Knoten,
welche entweder direkt untereinander kommunizieren, oder ihre Kommunikation über einen
zentralen Knoten, den so genannten Master, abwickeln.
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Ganz
allgemein gibt es die unterschiedlichsten Gründe, von einer drahtgebundenen
Kommunikation zu einer drahtlosen Kommunikation zu wechseln. Einer
der wesentlichsten Punkte ist hierbei, dass bei der drahtlosen Kommunikation
eine direkte physische Verbindung nicht bestehen muss, mithin also
keine Drähte
zwischen den einzelnen Knoten gezogen werden müssen. Ebenfalls ist es von
Vorteil, wenn die einzelnen Knoten in ihrer Position im Netzwerk
beweglich sind, was im Falle einer drahtgebundenen Kommunikation
nur sehr eingeschränkt
der Fall wäre.
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Allerdings
bringt auch die drahtlose Kommunikation verschiedene Probleme mit
sich. Insbesondere ist hierbei zu nennen, dass die Grenze drahtloser
Kommunikation stets von der Reichweite des Senders beeinflusst wird,
wodurch eine natürliche räumliche
Begrenzung solcher Netzwerke geschaffen wird. Eine weiterer Punkt
stellt die Energieversorgung dar, welche bei ortsfesten Knoten selbstverständlich üblicherweise
kein Problem ist, nachdem die Energie hier meist direkt von vorhandenen
Energienetzen bezogen werden kann. Soll hingegen ein Knoten beweglich,
mithin sogar unabhängig
sein, ist insoweit auch zu vermeiden, dass die Beweglichkeit durch
eine Bindung an das Energienetz eingeschränkt wird – gerade nachdem eine Beweglichkeit durch
den Verzicht einer drahtgebundenen Kommunikation eben erst erzielt
wurde. Somit ist in diesem Fall auf eine bewegliche Energiequelle,
etwa eine Batterie, zurückzugreifen,
welche ihrerseits jedoch den Nachteil einer lediglich begrenzten
Energiemenge mit sich bringt.
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Es
liegt somit im Interesse des Benutzers, eine besonders wirtschaftliche
Haushaltung mit der vorhandenen Energie zu betreiben, sowie gleichzeitig
die Reichweite und die mögliche
Einsatzdauer auf ein größtmögliches
Maß auszudehnen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, diese beiden zunächst gegensätzlich erscheinenden
Kriterien zu vereinen und ein Netzwerk zu schaffen, in welchem gleichzeitig
mit großer Reichweite
und mit einer möglichst
großen
Einsatzdauer effizient kommuniziert werden kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Funknetzwerks
gemäß den Merkmalen
des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren zum Aufbau eines Funknetzwerks
gemäß den Merkmalen
des nebengeordneten Anspruchs 7. Weite re sinnvolle Ausgestaltungen
dieser beiden Verfahren können
den jeweiligen Unteransprüchen entnommen
werden.
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Erfindungsgemäß sieht
ein Funknetzwerk einen zentralen Master vor, welcher als Datenquelle bzw.
Datensenke für
die einzelnen Knoten fungiert. Insoweit sieht das vorgeschlagene
Verfahren vor, dass jeder Knoten über einen festzulegenden Kommunikationsweg
durch das Netzwerk mit dem Master kommuniziert. Hierzu ist ein Zyklus
vorgesehen, der den Kommunikationsablauf festlegt und welcher im Ganzen
regelmäßig durchlaufen
wird. Dieser Zyklus besteht aus einzelnen Zeitfenstern, von denen
jedem Knoten innerhalb des Netzwerks zumindest eines zugeordnet
wird, in dem der jeweilige Knoten exklusiv senden beziehungsweise
empfangen soll. Soweit ein Knoten innerhalb eines Zeitfensters nicht
zur Kommunikation, also zum Senden oder zum Empfangen von Nachrichten
vorgesehen ist, wird dieser Knoten den ihm zugeordneten Transceiver
abschalten und gegebenenfalls weitere Hardware, wie beispielsweise
einen Mikrocontroller, in einen Ruhemodus verbringen, so dass der
Knoten für
diesen Zeitraum keine Energie für
die abgeschalteten Elemente, zumindest jedoch weniger Energie für die Elemente
im Ruhemodus aufbringen muss. Geht man nunmehr davon aus, dass ein
Zyklus beispielsweise 80 Zeitfenster umfasst, und weiter dass der
Knoten innerhalb eines Zyklus' lediglich
einmal senden muss, so wird nach diesem Verfahren lediglich noch
ein Achtzigstel der Energie gegenüber herkömmlichen Verfahren verbraucht.
Im Ergebnis wird die Energie wesentlich längere Zeit vorhalten und eine
Wartung seltener erforderlich sein.
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Zum
besseren Verständnis
und zur anschaulichen Darstellung wird mit Vorteil das Kommunikationsverfahren
beziehungswei se sein Ablauf mithilfe einer Matrix abgebildet. Die
Matrix ist in Tabellenform angelegt, worin im folgenden der gesamte
Zyklus, praktisch also die gesamte Tabelle, als "Superframe", die einzelnen Zeilen als „Frames", Halbzeilen – also Teile
der einzelnen Frames – als „Blocks" und die einzelnen
Tabellenspalten, also Teile der Blocks als „Slots" bezeichnet werden sollen. Ein Zyklus
läuft dabei
dadurch ab, dass die Matrix zeilenweise von links nach rechts bzw.
von oben nach unten durchlaufen wird und nach Ablauf eines kompletten
Zyklus' wieder von
vorne begonnen wird.
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Im
Einzelnen entspricht dabei jeweils ein Slot eines Blocks einem Zeitfenster,
in welchem jeweils nur ein einzelner Knoten des Netzwerks sendet
und lediglich ein einzelner Knoten des Netzwerks empfängt. Nicht
im Netzwerk angemeldete Knoten sind dabei stets auf Empfang und
warten auf Signale zur Anmeldung im Netzwerk. Eine Überlagerung
mehrerer Nachrichten ist damit vermieden, mit der Folge, dass innerhalb
des Funknetzwerks eine geordnete Kommunikation möglich ist und Kollisionen vermieden
werden. In einer Weiterbildung dieses Verfahrens werden sodann mehrstufige
Kommunikationswege, etwa über
zwei Knoten hinweg, innerhalb eines Blocks angeordnet, wobei jeweils
der letzte Slot eines Blocks die Kommunikation zwischen dem Master
und einem benachbarten Knoten darstellt, der vorletzte Slot die
Kommunikation zwischen dem zum Master benachbarten Knoten und dem
dahinter liegenden Knoten und so weiter bis hin zu dem Knoten, welcher
initiativ eine Nachricht an den Master senden möchte. Insoweit wird für jeden
Knoten des Netzwerks ein Block benötigt, welcher in jedem seiner Slots
einen Schritt durch das Netzwerk auf den Master zu beinhaltet. Letzthin
werden die einzelnen Blocks den jeweiligen Knoten des Netzwerks
zugeordnet. Soweit einer der auf dem Weg lie genden Knoten ebenfalls
eine Nachricht an den Master richten möchte, so ist auch diesem ein
eigener Block zugeteilt, in welchem lediglich dessen Nachricht von Knoten
zu Knoten weitergereicht wird.
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In
diesem Zusammenhang ist es ausreichend, wenn jedem einzelnen Knoten
die Dimensionen der Matrix bekannt sind. Ferner wird ein Zeitsignal
bzw. eine Synchronisation benötigt,
so dass der jeweilige Knoten bestimmen kann, zu welchem absoluten
Zeitpunkt sein eigenes Sende- beziehungsweise Empfangsfenster beginnt
und endet.
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Ein
solches Funknetzwerk wird erfindungsgemäß dadurch aufgebaut, dass der
jeweils letzte Knoten in einer Reihe, also derjenige Knoten dem
ein Block der Matrix zugeordnet ist, noch vor der eigenen Kommunikation
mit dem Master ein Anmeldesignal, ein so genanntes „Beacon", sendet. Soweit
ein noch nicht im Netzwerk angemeldeter Knoten ein solches Beacon
empfängt,
wird dieser Knoten, um sich im Netz anzumelden, noch im selben Slot
eine Antwort an den Sender des Beacons richten. In dem Beacon ist
neben der Information über
die Dimensionen der Matrix eine Zeitinformation enthalten, wodurch
die Zeitsynchronisation des neu anzumeldenden Knotens mit dem Netzwerk
erfolgen kann. Der neu angemeldete Knoten reiht sich hinter den
Sender des Beacons ein, wird sich also in der Matrix in den Slot
vor dem Sender des Beacons eingetragen, und diesem neuen Knoten
wird der entsprechende Block nunmehr zugewiesen. Der neue Knoten übernimmt
somit die Aufgabe als letzter Knoten innerhalb eines Blocks, sendet
also ebenfalls seinerseits im nächst früheren Slot
seines Blocks ein Beacon.
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Soweit
sich mehrere noch nicht im Netzwerk angemeldete Knoten auf ein Beacon
hin melden, wird der Platz im Netzwerk nach einem CSMA-Verfahren, also
einem so genannten „Carrier
Sense Multiple Access"-Verfahren,
vergeben. Ein solches CSMA-Verfahren beinhaltet, dass zunächst der
neue Knoten für eine
zufällige
Zeit auf dem Funkkanal horcht, und sodann sendet, wenn der Funkkanal
frei ist. Soweit in diesem Fall eine Kollision dadurch auftritt,
dass zufällig
zur gleichen Zeit auch ein anderer Knoten sendet, so wird der Empfänger die
Anfrage nicht bestätigen. Die
konkurrierenden Knoten werden dann auf ein Beacon in einem anderen
Block warten.
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Nachdem
in einem Block lediglich die Nachricht des zuletzt eingetragenen
Knotens an den Master übersendet
wird, ist es ebenfalls notwendig, dass der vor der Neuanmeldung
letzte Knoten sich einen neuen Block im Netzwerk sucht. Er wird
also seinerseits auf ein Beacon antworten und einen anderen Block
für sich
gewinnen. Dies geht solange so weiter, bis ein freier Block von
einem Knoten der ersten Ebene, also mit direktem Funkkontakt zum
Master, besetzt wird.
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In
einem solchen freien Block wird stets der Master selbst in dessen
letztem Slot ein Beacon senden, mit dem eine Anmeldung direkt beim
Master als Vorgänger
im Netzwerk möglich
ist. Insoweit muss in dem Zyklus beziehungsweise in der Matrix für jeden möglichen
hinzutretenden Knoten ein Block vorhanden sein, bzw. kann auch bedarfsweise
von dem Master eine Erweiterung des Zyklus' beziehungsweise der Matrix durch weitere
Slots, Frames oder Blocks vorgenommen werden.
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Solange
die einzelnen Knoten noch nicht im Netzwerk angemeldet sind, ist
es notwendig, dass ihr Transceiver nicht in einen Ruhezustand versetzt
werden, nachdem eine Zeitsynchronisation mit dem Netzwerk noch nicht
stattgefunden haben kann. Dies gilt ebenfalls, soweit ein Übertragungsweg
verloren geht, etwa durch einen Ausfall eines Knotens oder eine
Bewegung desselben aus der Reichweite. In diesem Fall muss erneut
auf ein Beacon gewartet und eine Neuanmeldung durchgeführt werden.
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In
diesem Fall kann es mithin von Vorteil sein, wenn der Ausfall einer
Verbindung zwischen zwei Knoten an die höher liegenden und/oder an die tiefer
liegenden Knoten weitergeleitet wird. Falls eine Verbindung zwischen
zwei Knoten in einem Slot nicht zustande kommt, werden die Knoten
eine Folge weiterer Versuche starten, also etwa in den nächsten, beispielsweise
fünf, Zyklen
erneut vergeblich versuchen, an den Master zu senden. Wird der Ausfall
jedoch in Richtung der tiefer liegenden Knoten gemeldet, kann jeweils
eine tiefere Ebene pro Zyklus informiert werden und ihre Neuanmeldung
versuchen.
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Bei
dem Aufbau der Routen kann mit besonderem Vorteil im Falle einer
schwachen Verbindung anstatt einer umgehenden Antwort auf ein Beacon auf
ein späteres
Beacon besserer Qualität
gewartet werden.
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Die
Zeitsynchronisierung innerhalb des Netzwerks wird mit Vorteil an
der Zeit des Masters ausgerichtet, um eine zentrale Zeit im Netzwerk
zu haben.
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Die
Zeit wird von den Knoten mithilfe von Quarzen bestimmt und mitgezählt. Nachdem
die Quarze temperaturabhängig schwingen,
ist es hierbei von Vorteil, ebenfalls die Temperatur zu bestimmen
und mittels einer Kennlinie die bestimmte Zeit des Quarzes zu korrigieren.
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Um
eine bessere Auslastung des vorhandenen Frequenzspektrums zu erreichen
und die Zykluszeiten zu verkürzen
können
zudem mehrere Frequenzbänder
parallel zu einander benutzt werden, wobei ein Slot hinsichtlich
unterschiedlicher Frequenzbänder
mehrfach vergeben werden kann.
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Auch
kann in diesem Zusammenhang im Falle eines Verbindungsverlustes
mit Vorteil anstelle eines anderen Slots ein anderes Frequenzband
im gleichen Slot für
eine alternative Verbindung gewählt werden
(so genanntes „Frequency
hopping"), wobei mit
Vorteil ein Algorithmus die Wahl des nächsten Frequenzbandes möglichst
willkürlich
bestimmt.
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Verfahren
gemäß einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass jede Route redundant angelegt wird,
also für
jede Route in einer Matrix eine zweite, identische oder alternative, Route
vorgesehen ist.
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Die
vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Netzwerktopologie in schematischer Darstellung sowie eine Matrix
zur Darstellung des Kommunikationsablaufs, vor einem Aufbau des Kommunikationsnetzwerks,
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2 die
Netzwerktopologie gemäß 1 in
ihrem ersten Aufbauschritt,
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3 die
Netzwerktopologie gemäß 1, nachdem
sich die Knoten der ersten Ebene beim Master angemeldet haben,
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4 die
Netzwerktopologie gemäß 1, nach
dem vollständigen
Aufbau des Netzwerks, und
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5 die
Netzwerktopologie gemäß 1 nach
einem Ausfall des Knotens 1 und dem darauf folgenden Neuaufbau
des Netzwerks.
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1 zeigt
die Netzwerktopologie eines Funknetzwerks mit zehn Knoten 1 bis 10 sowie
einem Master M. Innerhalb des Netzwerks bilden die Knoten 1 bis 5,
welche direkt in der Reichweite des Masters M liegen, die Knoten
der ersten Ebene und die Knoten 6 bis 10, welche
lediglich über
die Knoten der ersten Ebene mit dem Master kommunizieren können, die
Knoten der zweiten Ebene. Die gestrichelten Linien zwischen den
einzelnen Knoten 1 bis 10 stellen die Verfügbarkeit
einer Verbindung zwischen den jeweiligen Knoten 1 bis 10 dar.
Soweit eine gestrichelte Linie zwischen zwei Knoten 1 bis 10 nicht
vorhanden ist, besteht auch keine Verbindung zwischen diesen beiden
Knoten 1 bis 10.
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Ebenfalls
in 1 dargestellt ist eine Matrix, welche den Kommunikationsablauf
innerhalb des Netzwerks visualisieren soll. Die Matrix ist hierbei
in fünf
Frames F1 bis F5 eingeteilt, welche jeweils in zwei Blocks zerfallen.
Je der Block ist wiederum in acht Slots S1 bis S8 bzw. S9 bis S16
unterteilt, wobei jeder dieser Slots eines Blocks jeweils ein Zeitfenster zum
Senden bzw. zum Empfangen von Nachrichten darstellt. In der Matrix
ist für
jeden Knoten 1 bis 10 des Netzwerks ein Block
vorzusehen, in welchem sukzessive die gesamte Route von Master M
bis hin zum jeweiligen Knoten 1 bis 10 Slot für Slot eingetragen
wird. Die Kommunikation wird im Ablauf dadurch geordnet, dass die
Matrix zeilenweise von links nach rechts bzw. von oben nach unten
durchlaufen wird. In den nachfolgenden Figuren wird die Entwicklung
des Aufbaus eines solchen Netzwerks schrittweise dargestellt, wobei 4 das
fertig aufgebaute Netzwerk zeigt. In diesem Zustand würde nach
dem Aufbau des Netzwerks die gesamte Kommunikation ablaufen.
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Grundsätzlich liegt
der Einführung
einer solchen Matrix der Gedanke zu Grunde, dass jeweils lediglich
ein Knoten 1 bis 10 innerhalb eines Slots S1 bis
S16 eines Blocks sendet und jeweils nur ein Knoten 1 bis 10 oder
der Master M in dieser Zeit empfängt.
Hierdurch ist es möglich,
dass sämtliche
anderen Knoten 1 bis 10 zwischenzeitlich ihre
Empfangs- und Sendeeinrichtungen bzw. Transceiver in einen Ruhemodus
versetzen und auf diese Weise die den Knoten 1 bis 10 üblicherweise
lediglich in begrenztem Maße
zur Verfügung
stehende Energie einsparen.
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2 zeigt
den ersten Schritt eines Netzwerkaufbaus, in welchem vom Master
M in den jeweils letzten Slots eines jeden Blocks ein Anmeldesignal, ein
so genanntes „Beacon" B eingetragen wird.
In der Matrix wird hierauf die Kennung „B-M" eingetragen, was soviel bedeutet wie
das vom Master M ein Beacon B gesendet wird. Auf das Anmeldesignal
des Masters M können
sich somit die in Reichweite liegenden, noch nicht angemeldeten
Knoten mit einem Antwortsignal melden, welches mittels eines CSMA-Verfahren
ausgewertet wird. Der sich durchsetzende Knoten 1 bis 10 bekommt
in diesem Sinne den Zuschlag für
das Beacon B, ihm wird der aktuelle Block zur Kommunikation zugewiesen.
An Stelle des Beacons B wird sodann der neue Knoten 1 bis 10 eingetragen,
welcher im vorangehenden Slot sodann ein eigenes Beacon zur Anmeldung
weiterer, etwa außerhalb
der Reichweite des Masters M liegenden, Knoten 1 bis 10 zu
ermöglichen.
Ein ausführliches Beispiel
folgt später.
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3 gibt
sodann das Bild des Netzwerks nach dem Anmelden der Knoten der ersten
Ebene wieder, welche sich an Stelle der ersten fünf Beacons B in den Frames
F1 bis F3 eingetragen haben. In den jeweils links anschließenden Slots
werden im nächsten
Durchgang des Zyklus sodann Beacons B von den Knoten erster Ebene 1 bis 5 ausgesendet,
welche von den Knoten zweiter Ebene 6 bis 10 aufgefangen
werden können.
In den bislang noch nicht vergebenen Blocks sendet weiterhin der
Master M ein Beacon und wartet auf die Anmeldung weiterer Knoten 1 bis 10.
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4 zeigt
das schließlich
entstehende Bild eines fertig aufgebauten Netzwerks, in dem sich
auch die Knoten zweiter Ebene 6 bis 10 angemeldet
haben. Beispielhaft soll hierbei erläutert werden, die sich der
Knoten 10 im Netzwerk angemeldet hat. Zunächst war
also vom Master M im Slot S8 in Frame 1 ein Beacon B gesendet worden.
Auf dieses Beacon meldete sich Knoten 1 im Netzwerk an,
so dass an Stelle des Beacons B des Masters M im Slot S8 nunmehr
die Kommunikation von Knoten 1 zum Master M getreten ist.
Seinerseits hat Knoten 1 im vorhergehenden, also Slot S7,
ein Beacon gesendet, worauf sich wiederum Knoten 10 im
Netzwerk angemeldet hat. Somit tritt an Stelle des Beacons von Knoten 1 die
Verbindung zwischen Knoten 10 und Knoten 1 und
Knoten 10 wird seinerseits ein Beacon B im wiederum vorhergehenden
Slot S6 senden, worauf sich weitere Knoten im Netzwerk anmelden
könnten.
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Somit
ist nun der erste Block des ersten Frames F1 für die Kommunikation von Knoten 10 mit dem
Master M reserviert. Hierdurch benötigt Knoten 1 eine
neue Verbindung zum Master, so dass er im zweiten Block von Frame
F3 wieder seinerseits auf ein Beacon B des Masters M antwortete
und sich an dieser Stelle in dem Netzwerk anmeldete.
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Es
ist jedoch als Alternative ebenfalls möglich, jede Route redundant
auszulegen, also jeden Knoten (1 bis 10) in zwei
Blocks eine Kommunikation mit dem Master (M) zu ermöglichen.
In diesem Fall würde
die Kommunikation des vermittelnden Knotens nicht unterbrochen und
das Funknetzwerk könnte
schneller auf Veränderungen
reagieren. Dies würde
eine Verdopplung der Matrixgröße und somit
der Zykluszeiten bedeuten.
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5 zeigt
das Netzwerk in einer veränderten
Topologie, in welcher nunmehr Knoten 1 ausgefallen ist
und nicht mehr für
die Kommunikation zur Verfügung
steht. Somit ist es notwendig, dass Knoten 10 eine alternative
Route zum Master M findet, wozu sich etwa Knoten 2 anbietet.
Der Ablauf entspricht im Prinzip dem zuvor diskutierten Ablauf,
wobei allerdings Knoten 2 aufgrund der Tatsache, dass zwei Knoten
zweiter Ebene 9 und 10 sich über Knoten 2 anmelden,
das Schicksal der Neuanmeldung insgesamt zweimal ereilt, so dass
Knoten 2 in insgesamt drei Blocks senden wird; zweimal
in vermittelnder Position und einmal zur Übermittlung eige ner Nachrichten
an den Master M. Es ist festzustellen, dass nunmehr der letzte Block
in Frame F5 frei bleibt, nachdem nur noch neun Knoten im Netzwerk
vorhanden sind.
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Somit
ist vorstehend ein Verfahren zum Aufbau bzw. zum Betrieb eines Funknetzwerks
beschrieben, welches die Probleme des Standes der Technik dahingehend
löst, dass
ein Energieeffizienter Betrieb des Netzwerks dadurch ermöglicht ist,
dass jeder Knoten nur zu festgelegten Zeiten senden und empfangen
muss. In der jeweils verbleibenden Zeit befinden sich die Knoten
in einem Ruhemodus. Durch das Weiterleiten von Nachrichten über mehrere
Knoten hinweg kann ebenfalls darauf verzichtet werden, extreme Reichweiten
in den Knoten zu verwirklichen und durch die vermaschte Topologie
wird die Zuverlässigkeit
des Netzes erhöht.
Ebenfalls resultiert hieraus eine Minimierung der Latenzzeit.
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- M
- Master
- 1
bis 10
- Knoten
- S1
bis S16
- Slots
- F1
bis F5
- Frames
- B
- Beacon