DE102011081188A1

DE102011081188A1 - Analyse und Adresszuweisung von drahtlosen Gebäudenetzwerken

Info

Publication number: DE102011081188A1
Application number: DE102011081188A
Authority: DE
Inventors: Edgar Holleis; Stefan Zudrell-Koch
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-21
Also published as: CN103891370B; US20140328211A1; WO2013023955A2; PL2745584T3; CN103891370A; EP2745584A2; WO2013023955A3; US20170164320A1; US10057876B2; EP2745584B1

Abstract

Ein Netzknoten für ein drahtloses Gebäudeautomatisierungsnetzwerk, wie etwa ein Beleuchtungsnetzwerk, wobei der Knoten aufweist: Einrichtungen zum Messen der Signalqualität oder Signalstärke der drahtlosen Verbindung zu allen weiteren drahtlos verbundenen Knoten, Speichereinrichtungen, die konfiguriert sind, um Verbindungsinformationen z. B. basierend auf der Signalqualität oder Signalstärke zusammen mit einer Kennung für den/die zugehörigen drahtlos angeschlossenen weiteren Knoten zu speichern, und Einrichtungen zum drahtlosen Weiterleiten der Verbindungsinformationen an einen anderen Knoten, wobei der Netzknoten konfiguriert ist, um wenigstens ein Testmuster zu empfangen und/oder das Testmuster erneut zu senden, wobei das Testmuster die Kennung des Netzknotens, z. B. die MAC-Adresse, enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Zuweisen von Adressen, wie etwa logischen Adressen oder Gebäudeadressen an Netzknoten für drahtlose Netzwerke, insbesondere drahtlose Gebäudeautomatisierungsnetzwerke.
Insbesondere ist die Erfindung auf das Problem ausgerichtet, die Identität (Adresse) einer drahtlosen Vorrichtung auf ihre physikalische Position abzubilden.
Drahtlose Gebäudeautomatisierungsnetzwerke im Sinne der Erfindung sind Netzwerke, die verwendet werden, um Gebäudetechnologievorrichtungen, welche die Netzknoten des drahtlosen Netzwerks bilden, zum Beispiel Beleuchtungseinrichtungen (wie etwa Lampen), Bedienvorrichtungen für Beleuchtungseinrichtungen, Sensoren (wie etwa Lichtsensoren, Bewegungssensoren, Bewegungsmelder, akustische Sensoren, optische Sensoren, ...) und Aktoren (z. B. zum Steuern von Fensterjalousien) und/oder andere Einrichtungen (Einrichtungen, wie etwa Schalter, Unterbrecher, z. B. zum Steuern von Lichtern) und/oder Steuereinheiten, zu verbinden.
Die Erfindung ist ebenso auf andere drahtlose Netzwerke einschließlich drahtloser Sensornetzwerke (z. B. für die Überwachung der Gesundheitsstruktur), drahtlose Industriesteuerungsnetzwerke, drahtlose Computernetzwerke oder drahtlose Telekommunikationsnetzwerke anwendbar, ohne auf diese beschränkt zu sein. Besonders geeignet sind jene Netzwerke, die erfordern, dass der Standort von Netzknoten bekannt ist und bei denen den Netzknoten die Standortadressen (manuell) zugewiesen werden.
Die Erfindung löst dieses Problem durch Bereitstellen eines Systems, Verfahrens und Netzknotens, wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung einen Netzknoten für ein drahtloses Gebäudeautomatisierungsnetzwerk, wie etwa ein Beleuchtungsnetzwerk, bereit, wobei der Knoten umfasst: Einrichtungen zum Berechnen von Verbindungsinformationen, d. h. des Vorhandenseins und der Entfernung eines oder mehrerer benachbarter Netzknoten, basierend auf einer Messung des physikalischen Parameters des drahtlosen Übertragungskanals zwischen den benachbarten Knoten (z. B. der Signalqualität oder Signalstärke der drahtlosen Verbindung aller drahtlos verbundenen weiteren Knoten), Speichereinrichtungen, die konfiguriert sind, um die Verbindungsinformationen zusammen mit einer Kennung für den/die zugehörigen drahtlos angeschlossenen weiteren Knoten zu speichern, und Einrichtungen zum drahtlosen Weiterleiten der Verbindungsinformationen an einen anderen Knoten. Der Netzknoten ist konfiguriert, um wenigstens ein Testmuster zu empfangen und/oder zu senden und/oder zu wiederholen, wobei das Testmuster die Kennung des Netzknotens, z. B. die MAC-Adresse, umfasst.
Der Knoten kann ein Sensor, wie etwa z. B. ein Licht-, Temperatur-, Belegungs-, Rauch-, oder Bewegungssensor sein.
Der Knoten kann eine Bedienvorrichtung für Beleuchtungseinrichtungen, wie etwa z. B. Halogen-, LED-, OLED- oder Gasentladungslampen sein.
Der Netzknoten kann die Verbindungsinformationen und Knotenkennungen in einer Nachbartabelle (einer Liste mit Knoten, für die der bestimmte Knoten fähig ist, sie über den drahtlosen Kanal direkt zu erreichen) speichern.
Der Netzknoten kann Verbindungsinformationen in mehr als einen Netzknoten speichern.
Der Netzknoten kann konfiguriert sein, um Nachbartabellen anderer Knoten zu empfangen und zu speichern und/oder die empfangenen Netzknoten unter Verwendung einer Berechnungseinrichtung mit einer Graphik oder Teilgraphik zu kombinieren.
Der Netzknoten kann eine Sendeeinrichtung bereitstellen, um die gespeicherte(n) Nachbartabelle(n), Graphik oder Teilgraphik zu senden.
Der z. B. auf Funkverbindungen gemessene physikalische Parameter kann durch einen Netzknoten bereitgestellt werden und kann von einem Netzknoten mit gemessenen Verbindungsinformationen kombiniert werden, die von einem zweiten Netzknoten bereitgestellt werden.
Das Muster kann z. B. mit verschiedenen Sendeleistungspegeln, in verschiedenen Teilkanälen, unter Verwendung verschiedener Codierungsschemata und/oder Antennenaufbauten gesendet werden.
Der Netzknoten kann die von dem Testmuster stammende Kennung des Knotens speichern. Er kann eine Kanalcharakteristik für den Kommunikationskanal, auf dem das Muster empfangen wurde, ableiten. Aus allen empfangenen Testmustern kann der Netzknoten die Nachbartabelle zusammenstellen.
Das Testmuster kann entweder ein speziell ausgebildetes drahtloses Paket sein, das zum Messen einer gewissen Kanalcharakteristik optimiert ist, oder es kann ein normales Netzpaket ohne besondere Charakteristiken sein. Die gemessene Kanalcharakteristik kann auch aus normalem Netzverkehr abgeleitet werden, wobei das Testmuster in diesem Fall implizit ist.
Der Netzknoten kann wenigstens ein Sensor, eine Beleuchtungseinrichtung, eine Steuervorrichtung, eine Bedienvorrichtung für Beleuchtungseinrichtungen, ein Aktor oder eine Gebäudetechnologievorrichtung sein.
Nach einem anderen Aspekt stellt die Erfindung auch bereit: ein System mit wenigstens zwei Knoten, wie vorstehend beschrieben, ebenso wie eine Berechnungseinrichtung, die konzipiert ist, um basierend auf den Verbindungsinformationen der wenigstens zwei Knoten eine gemessene Konnektivitätsgraphik aufzubauen, und um andererseits basierend auf einer vordefinierten bekannten räumlichen Anordnung der wenigstens zwei Knoten ebenso wie ihrer Gebäudeumgebung eine simulierte Konnektivitätsgraphik zu erzeugen, und um die Kennung der Verbindungsinformationen mit einer räumlichen Position jedes der wenigstens zwei Knoten zu verknüpfen, indem die gemessene Konnektivitätsgraphik und die simulierte Konnektivitätsgraphik abgeglichen werden.
Die Simulation kann ein Strahlverfolgungsverfahren sein, um die Konnektivität zwischen den Knoten zu simulieren.
Die zwei Graphiken können wenigstens teilweise abgestimmt werden. Die gemessenen Verbindungsinformationen werden als eine Nachbartabelle bereitgestellt. Die z. B. auf Funkverbindungen gemessenen Verbindungsinformationen, die von einem Netzknoten bereitgestellt werden, können von einem Netzknoten mit messungsbasierten Verbindungsinformationen, die von einem zweiten Netzknoten bereitgestellt werden, kombiniert werden.
Die Messung kann von einem spezifischen Befehl ausgelöst werden, der an die Netzknoten gesendet wird, wobei alle Netzknoten jeweilige Empfangseinrichtungen aktivieren.
Nach noch einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, um automatisch räumliche Positionen an Netzknoten eines Gebäudeautomatisierungsnetzwerks, wie etwa eines Beleuchtungsnetzwerks, mit wenigstens zwei Knoten, wie vorstehend definiert, zuzuweisen, das die folgenden Schritte aufweist: Aufbauen einer gemessenen Konnektivitätsgraphik basierend auf den Verbindungsinformation von wenigstens zwei Knoten, Erzeugen einer simulierten Konnektivitätsgraphik basierend auf einer vordefinierten bekannten räumlichen Anordnung der wenigstens zwei Knoten ebenso wie ihrer Gebäudeumgebung, und Verknüpfen der Kennung der Verbindungsinformationen mit einer räumlichen Position jedes der wenigstens zwei Knoten durch Abgleichen der gemessenen Konnektivitätsgraphik und der simulierten Konnektivitätsgraphik.
Weitere Aspekte der Erfindung werden nun angesichts der Figuren beschrieben, wobei
1 einen Grundriss mit installierten Netzknoten (Punkten) schematisch zeigt;
2 eine gemessene Konnektivitätsgraphik zeigt, in der die Eckpunkte (Eckpunkte sind Knoten einer Graphik) die Netzknoten sind, und die Kanten (dünne Linie) sich aus Messungen physikalischer Parameter von Kommunikationskanälen ergeben, wie sie von den Netzknoten durchgeführt werden. Den Eckpunkten werden ihre Kennungen zugeordnet;
3 eine erste simulierte Konnektivitätsgraphik zeigt, in der Eckpunkte die Netzknoten sind, und die Kanten (dicke Linie) sich aus einer Simulation von Netzknotenkommunikationskanälen ergeben. Den Eckpunkten wird beispielhaft die räumliche Position ihrer entsprechenden Netzknoten zugeordnet;
4 eine Graphik zeigt, die sich aus einem erfolgreichen Abgleich der ersten und zweiten Graphik ergibt, der zu einer Kombination von Knotenkennungen und räumlicher Position für jeden Eckpunkt führt (natürlich wäre auch ein Teilabgleich ebenso wie das Auftreten isolierter Netzknoten in einer der Graphiken möglich).
In dem erfinderischen System ist jeder Netzknoten, der an dem Netzwerk teilnimmt, vorzugsweise durch eine Kennung, z. B. eine eindeutige Netzadresse, die dem Netzknoten in der Herstellungsphase zugewiesen wird, auf die von nun an als MAC-Adresse Bezug genommen wird, identifizierbar.
In einem ersten Schritt des erfinderischen Verfahrens erzeugt jeder Netzknoten eine Nachbartabelle. Diese Nachbartabelle enthält für jeden Netzknoten die Netzknoten, die der Netzknoten erreichen kann, d. h. mit denen der Netzknoten kommunizieren kann. Die Nachbartabelle kann auch zusätzliche Informationen, wie etwa die Signalstärke oder Signalqualität jedes Kommunikationskanals zu einem anderen Knoten in der Nachbartabelle, enthalten. Die Erzeugung von Nachbartabellen für sich genommen ist aus dem bisherigen Stand der Technik, z. B. aus dem ZigBee-Standard mit Mesh-Routing der ZigBee-Allianz, bekannt (http://www.zigbee.org).
Das Messen der Signalstärke oder Signalqualität (z. B. RSSI, Empfangssignalstärkeanzeige) benachbarter Knoten ist lediglich ein Beispiel für das Sammeln von Verbindungsinformationen, d. h. des Vorhandenseins und der Entfernung eines oder mehrerer benachbarter Netzknoten, basierend auf der Messung eines physikalischen Parameters des drahtlosen Übertragungskanals zwischen den benachbarten Knoten.
„Basierend auf der Messung eines physikalischen Parameters” versteht sich in dem Sinne, dass die Verbindungsinformationen identisch mit dem Messwert oder ein aus dem Messwert abgeleiteter Wert sein können.
Zusätzlich oder alternativ können andere physikalische Parameter verwendet werden. Z. B. können drahtlose Kommunikationsknoten die Zeit („Laufzeit”), die ein Paket, z. B. ein Datenpaket und/oder das Testmuster, für die Funkwellenausbreitung benötigt, messen. Aus dieser gemessenen Zeit kann die Entfernung zwischen den Knoten abgeleitet werden und als Entfernungsmessung verwendet werden. Dieses Verfahren ist besonders nützlich für die Topologieanalyse drahtloser Außennetzwerke mit drahtlos verbundenen Netzknoten, wie etwa Straßenlaternen, Verkehrszeichen, Lichtmodulen, Kameras, Sensoren, beleuchteter Reklame und anderen. In diesem Szenario sind die Netzknoten typischerweise durch größere Entfernungen getrennt als Innennetzknoten. Die Verwendung der Laufzeit anstelle z. B. der RSSI (Empfangssignalstärkeanzeige) erzeugt zuverlässigere und genauere Entfernungen zwischen den Netzknoten. Dieses Verfahren kann auch mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kombiniert werden, und z. B. kann ein Verfahren (Signalqualität/-stärke) für die innerräumliche Analyse verwendet werden, während das andere Verfahren (Laufzeit) für die Außenanalyse verwendet wird.
In einem zweiten Schritt werden die Nachbartabellen aller Netzknoten z. B. auf einem zentralen Knoten oder einer Steuereinheit gesammelt. Basierend auf den Nachbartabellen wird dann eine Graphik erzeugt, in der die Netzknoten Graphikeckpunkte sind und die Kanten in der Graphik mögliche Kommunikationskanäle zwischen einem Netzknoten und seinen Nachbarn, abgestimmt mit den Informationen, die von der Nachbartabelle für jede Vorrichtung abgeleitet werden, darstellen. Zusätzliche Informationen, wie etwa die Signalstärke oder die Signalqualität werden als Attribute oder als Gewichte für die Graphikkanten dargestellt. Folglich stellt die erzeugte Graphik die Relativpositionen von Netzknoten zueinander basierend auf Kommunikationskanalmessungen dar, die jeder Netzknoten durchgeführt hat, um die Nachbartabelle zu erzeugen. In dieser Graphik wird jeder Netzknoten durch eine Kennung, d. h. eine eindeutige Adresse, wie etwa eine MAC-Adresse, identifiziert. Nach einem Aspekt der Erfindung werden die Knoten in den Nachbartabellen auch durch ihre jeweilige Kennung identifiziert.
Als nächstes wird eine zweite Graphik z. B. basierend auf einem Gebäude-/Installationsplan (Bauplan) eines Gebäudes erzeugt, wobei die Position der installierten Netzknoten (zumindest der Knoten, die nach dem Plan installiert sein sollten) markiert ist. Während die Eckpunkte der zweiten Graphik leicht aus dem verwendeten Plan ableitbar sind, wird das Verbinden dieser Eckpunkte durch Kanten durchgeführt, indem Merkmale des Plans, wie etwa die Dicke der Wände und Decken, in dem Gebäude verwendetes Material und andere Faktoren, die aus dem verwendeten Plan abgeleitet werden können, berücksichtigt werden.
Basierend auf diesen Informationen werden die möglichen Kommunikationskanäle zwischen den installierten Knoten simuliert oder berechnet, und die Kantengewichte werden die berechnete Signalstärke oder Signalqualität des Kommunikationskanals.
Zur Simulation der Kommunikationskanäle zwischen den Netzknoten kann z. B. Strahlverfolgung verwendet werden. Unter Verwendung der Strahlverfolgung können die Knotenkommunikationskanäle der installierten Knoten simuliert oder berechnet werden, indem ein Augenpunkt (Kamerapunkt) in einem Netzknoten (der an der Position des installierten Netzknotens ist) angeordnet wird und die Lichtquelle an einen anderen installierten Netzknoten (das heißt, an der Position eines anderen installierten Netzknotens) gesetzt wird.
Wenn man die Informationen des verwendeten Plans, z. B. Decken, Wände, in dem Gebäude verwendetes Material, berücksichtigt, können die Kommunikationskanäle durch Verfolgen des Wegs von dem Augenpunkt zu dem Licht oder umgekehrt eingerichtet werden. Die Kommunikationskanäle zwischen einem Eckpunkt und seinen simulierten Nachbarn, d. h. den Netzknoten, mit denen sich ein Netzknoten verbinden kann, können z. B. auch in einer Tabelle gespeichert werden. Dadurch berücksichtigen die in der zweiten Graphik simulierten Kommunikationskanäle auch physikalische Bedingungen des Gebäudes, wie etwa Mehrwegeausbreitung, die durch Reflexionen und/oder Absorptionen durch Wände und Decken verursacht werden. Der hier verwendete Plan kann natürlich ein 3D-Plan, z. B. ein CAD-Plan sein.
Basierend auf der Simulation und unter Berücksichtigung der räumlichen Positionen wird die zweite Graphik direkt zusammengesetzt. Die Simulation wird auf Computerhardware durchgeführt und kann unter Verwendung (besonderer) GPUs (graphische Verarbeitungseinheit) beschleunigt werden. Als ein Ergebnis werden die Eckpunkte der zweiten Graphik durch Positionierungs- oder Standortinformationen zugeordnet.
Es ist nun das Ziel der Erfindung, die zwei Graphiken abzugleichen, um Netzkennungen der ersten Graphik Knotenpositionen, die auf dem Plan aus der zweiten Graphik abgeleitet werden, zuzuordnen. Folglich zielt die Erfindung darauf ab, die logischen Adressen oder Positionen automatisch Hardwarekennungen der Netzknoten zuzuordnen.
In dem nächsten Schritt werden daher beide Graphiken aufeinander abgestimmt, um den vielversprechendsten und wahrscheinlichsten Abgleich der Herstellungsadressen mit den absoluten oder relativen Koordinaten, die aus dem verwendeten Plan abgeleitet werden, zu finden.
Zum Beispiel können die Netzknoten in einem neu installierten drahtlosen Netzsystem in eine Betriebsart versetzt werden, in der sie Messungen durchführen, um ihre Nachbartabellen zu füllen und Parameter, wie etwa RSSI (Empfangssignalstärkeanzeigen) und/oder LQI (Verbindungsqualitätsanzeige) zu erhalten, die für jeden Nachbar ebenfalls in der Nachbartabelle gespeichert werden. Die Nachbartabelle kann als ein Mittel, um Mehrwegeausbreitung aufgrund von Reflexionen oder ähnlichen Phänomenen, die sich aus den Merkmalen des Gebäudes ergeben, zu berücksichtigen, auch mehr als einen Eintrag für einen bestimmten Nachbar enthalten. Ähnlich kann die zweite Graphik als ein Ergebnis der Simulation, die Mehrwegeausbreitung berücksichtigt, auch mehr als eine Kante zwischen den Knoten enthalten.
Z. B. ist der in GSM-Module eingebaute Entzerrer, der unter anderem für die Echokompensation des Echos, das sich aus der Mehrwegeausbreitung ergibt, verantwortlich ist, fähig, Messdaten für die Mehrwegeausbreitungscharakteristiken des Kanals bereitzustellen. Die Arbeiten des Entzerrers können ebenfalls in der Simulation enthalten sein, um später Mehrwegeausbreitungscharakteristiken in den Graphikabgleich einzuarbeiten.
Die Nachbartabellen, die sich aus diesen Messungen ergeben, können dann in einem zentralen Punkt gesammelt werden und könnten dies z. B. indem sie drahtlos an diesen zentralen Punkt gesendet werden.
Eine Nachbartabelle stellt bereits eine kleine Teilgraphik des Netzwerks dar, wie es von nur einem bestimmten Netzknoten gesehen wird. Es ist möglich, Teilgraphiken miteinander zu verbinden, um sogar größere Teilgraphiken aufzubauen, die immer größere Abschnitte des Gesamtnetzwerks darstellen. Daher kann eine Hierarchie aufgebaut werden, bei der eine niedrigste Hierarchieebene wenigstens der Nachbartabellen (Teilgraphiken) von zwei Netzknoten verbunden sind, wobei die Teilgraphik einer nächsten Ebene ausgesetzt wird, welche dann die erhaltene Teilgraphik mit einer anderen Teilgraphik verbindet und so weiter, bis alle Nachbartabellen verbunden sind. Dieser Verbindungsarbeitsgang kann auch durch die Netzknoten im Umfangsbereich des Netzwerks durchgeführt werden. Ein Netzknoten kann dafür bestimmt sein, die ganze verbundene Graphik auszugeben.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist es möglich, dass der Abgleich der ersten und der zweiten Graphik nicht eindeutig definiert ist oder gar nicht möglich ist. In diesem Fall werden einem menschlichen Benutzer Informationen einschließlich der Informationen über die Knoten, die Netzknoten, für welche die festen Adressen des Netzknotens nicht mit einer logischen Adresse, z. B. der Position der Vorrichtung in dem Gebäude, abgeglichen werden konnten, bereitgestellt. Mit diesen Informationen kann der menschliche Benutzer den Abgleich abschließen oder durchführen. Der Test lässt den Algorithmus laufen und zeigt, dass nur ein paar Netzknoten unabgeglichen bleiben, und daher unterstützt der Algorithmus einen menschlichen Benutzer durch den automatischen Abgleich logischer Adressen mit festen Netzknotenadressen erheblich.
Nun wird eine detaillierte und beispielhafte Beschreibung der Erfindung bereitgestellt.
Zum Lösen der vorstehenden Probleme weisen das erfinderische System und das Verfahren folglich drei Komponenten auf:

1. Kanalschätzung: Ein Mechanismus zum Erzeugen einer netzweiten Schätzung der drahtlosen Konnektivität basierend auf dem geographischen Layout, dem Grundriss und dem Einsatzplan des drahtlosen Netzwerks.
2. Kanalmessung: Ein Mechanismus zum Sammeln tatsächlicher Konnektivitätsinformationen und Vorrichtungskennungen aus dem eingesetzten drahtlosen Netzwerk.
3. Abgleichalgorithmus: Ein Mechanismus zum Abgleichen der geschätzten und tatsächlichen Kanalcharakteristik, um einen Abgleich zwischen drahtlosen Vorrichtungskennungen und ihren physikalischen Positionen, wie sie in dem Einsatzplan eingetragen sind, herzustellen.

Um ein drahtloses Netzwerk in Betrieb zu nehmen, müssen die Kennungen und Positionen der Netzknoten bekannt sein. In der Vergangenheit gab es zwei Ansätze zur Lösung dieses Problems: Zuweisen von Kennungen (Adressen) während der Installation oder während der Inbetriebnahme des drahtlosen Netzwerks unter Verwendung eines Außerbandmechanismus; und Registrieren früher zugewiesener oder zufällig zugewiesener Kennungen während der Installation oder Inbetriebnahme unter Verwendung eines Außerbandmechanismus.
Die Erfindung löst nun das Adressierungsproblem unter Verwendung von „Inband”-Mechanismen, wodurch ein andernfalls manuell durchgeführter Schritt aus der Installations- und Anlaufprozedur eliminiert wird.
Die notwendigen Gebäude-, Grundriss-, oder Einsatzpläne sind meistens bereits verfügbar, da sie für Installationszwecke hergestellt werden müssen.
Zu dem Adressierungsproblem gibt es ein damit verbundenes Problem, das als „drahtlose Ortsschätzung” bekannt ist. Der wesentliche Unterschied zu dem Adressierungsproblem ist, dass die drahtlose Ortsschätzung darauf abzielt, eine Position zu erzeugen, die in Koordinaten (Metern) ausgedrückt wird. Sie bildet Informationen über Verbindungen auf Positionen ab. Die drahtlose Topologieanalyse ordnet andererseits früher bekannte Positionen gemäß Verbindungsinformationen neu an, um Adressen auf Positionen abzubilden.
Die Kanalschätzung, die zweite Graphik, ist eine Graphik, in der die installierten Netzknoten die Eckpunkte sind und die Funkverbindungen zwischen den Vorrichtungen die Kanten sind.
Die Eckpunkte werden auf die Vorrichtungstypen (Hersteller-/Typenbezeichnung) und die Vorrichtungspositionen zurückgeführt. Den Kanten werden Gewichte zugewiesen, die eine Qualität des drahtlosen Kanals, hauptsächlich die Empfangssignalstärke oder die Laufzeit, anzeigen. Die Graphik kann vollständig verbunden sein, oder die Kanten, an denen das Gewicht kleiner als ein Grenzwert oder Schwellwert ist, kann während der Graphikerzeugung entfernt werden.
Das entscheidende Problem ist, wie die Gewichte der zweiten (simulierten) Graphik berechnet werden sollen. Die Verwendung der Entfernung zwischen Knotenpositionen ist keine ausreichend gute Schätzung. Daher werden in einem Strahlverfolgungsalgorithmus, der für jedes Vorrichtungspaar eine Schätzung für die Signalstärke berechnet, indem er Signalreflexion und Transmission durch Hindernisse in Faktoren zerlegt, zusätzliche Informationen verwendet, die aus dem Plan (Wände, Böden, Decken, ihre Dicke und ihr Material, Position von Türen und Fenstern) abgeleitet werden. Außerdem können in dem Modell Faktoren, wie etwa die Montageausrichtung von Netzknoten, Antennencharakteristiken, RF-reflektierende oder absorbierende Materialien, wie etwa Metallplatten in abgehängten Decken, Betonverstärkungen, RF-Ausbreitung über Außenraum, Aufzugschächte, Feuerschutztüren, etc., berücksichtigt werden.
Die Kanalmessung, die erste Graphik, hat die gleiche grundsätzliche Form wie die Kanalschätzung (Graphik, Eckpunkte, Attribute, Kanten, Gewichte), wird aber unter Verwendung dedizierter Netzfunktionalität gemessen: Das drahtlose Netzwerk wird auf eine „Kanalmessbetriebsart” festgelegt, während welcher der normale Betrieb unterbrochen ist. Das Verfahren ist wie folgt:

– Das Verfahren wird durch einen Befehl, der von einer Managementvorrichtung an alle Netzknoten des Netzwerks rundgesendet wird, eingeleitet.
– Alle Netzknoten, selbst Netzknoten, die normalerweise ihren Empfänger die meiste Zeit deaktiviert halten würden, aktivieren ihre Empfänger permanent.
– Ein spezielles Testmuster wird unter Verwendung einer ähnlichen Strategie wie Rundsenden durch das Netzwerk verbreitet. Alle Vorrichtungen müssen das Muster erneut rundsenden. Es muss besonderes aufgepasst werden, die Möglichkeiten für Kollisionen zu vermeiden oder zu milder. Das Testmuster umfasst jeweils das Senden der vorkonfigurierten Kennung des Netzknotens, z. B. der MAC-Adresse. Das Testmuster kann mehrere Nachrichten erzeugen, die möglicherweise mit verschiedenen Sendeleistungspegeln, in verschiedenen Teilkanälen, unter Verwendung verschiedener Codierungsschemata oder Antennenkonfigurationen gesendet werden.
– Netzknoten, die das Testmuster empfangen, speichern die Kennung des Ausgangspunkts und leiten eine Kanalcharakteristik, zum Beispiel die Empfangssignalstärke, ab. Aus allen empfangenen Testmustern stellen die Vorrichtungen eine Nachbartabelle zusammen, die Kennungen und Konnektivitätsinformationen enthält. Aufgrund von Speicherbeschränkungen kann die Nachbartabelle verkürzt werden, so dass sie nur Nachbarn enthält, die am stärksten empfangen wurden.
– Netzknoten können dann in Bezug auf Leistungszyklen in dem Empfänger zum normalen Verhalten zurück kehren.
– Schließlich senden die Vorrichtungen ihre eigene Kennung (MAC-Ebenen-Adresse, Hersteller, Typenbezeichnung, ...) und die Nachbartbelle an die Managementvorrichtung zurück.

An diesem Punkt kann die Kanalmessungsgraphik aufgebaut werden, indem die empfangenen Kennungen und Nachbartabellen in eine gewichtete attributierte Graphik, die erste Graphik, zusammengestellt werden. Jede Kante und jedes Gewicht besteht aus einem Maximum von zwei Nachbartabelleneinträgen (jeder der benachbarten Eckpunkte, die das Testmuster empfangen, bildet den anderen). Aufgrund der Kanalasymmetrie, der Empfänger- und Senderunterschiede und der Zeitvariabilität des Kanals können die zwei Empfangssignalstärken, die einer Kante der Graphik entsprechen, sich unterscheiden, oder eine von ihnen kann fehlen. Grobe Abweichungen können ein Zeichen von Testmusterkollisionen oder Interferenz sein. Auch kann das vorstehende Kanalmessungsverfahren für die betroffene Teilgraphik wiederholt werden.
Die zwei Graphiken, die sich aus der Kanalschätzung ergeben, und die Kanalmessung sind im Wesentlichen ähnlich. Sie unterscheiden sich in den Eckpunkten der Kanalschätzung, die auf einen Ort oder eine Position, z. B. eine Position in einem Gebäude, zurückgeführt wird, wobei die Eckpunkte der Kanalmessung mit den Kennungen attributiert werden. Außer den Attributen unterscheiden sich die Graphiken auch in Bezug auf Simulations- und Messfehler, und vor allem werden sie in Bezug aufeinander permutiert.
Wenn die Eckpunkte, die einander in den Graphiken entsprechen, gefunden werden, führt dies zu der gewünschten Abbildung von der Kennung auf die Position. Während die zwei Graphiken topologisch ähnlich sind, sind sie keineswegs gleich.
Die numerischen Werte aus der Schätzung und Messung sind zutiefst abweichend, und es auch kann sein, dass kleine topologische Unterschiede hingenommen werden müssen (falsch installierte oder fehlerhafte Netzknoten zeigen sich in der Messung unterschiedlich oder gar nicht).
Das Problem des Abgleichs von zwei topologisch ähnlichen gewichteten und wahlweise attributierten Graphiken gegeneinander wird als das gewichtete Graphikabgleichproblem bezeichnet. Es gibt eine Menge akademische Untersuchungen, hauptsächlich auf dem Gebiet der Mustererkennung, darüber.
Das Finden des optimalen Abgleichs ist schwer, da seine Komplexität mit der Fakultät der Graphikgröße anwächst. Es gibt jedoch mehrere heuristische Ansätze, die nachstehend angeführt werden.
Die Heuristik basiert auf einem Papier von Steve Gold und Anand Rangarajan „A Graduated Assignment Algorithm for Graph Matching" von 1996. Der Algorithmus versucht, eine Permutationsmatrix M zu finden, welche die gesuchte Abbildung zwischen der ersten Graphik und der zweiten Graphik codiert. M wird gefunden, indem die folgende Zielfunktion E_wg(M) minimiert wird:
A und I sind die Größen der angrenzenden Matrizen G1 und G2, welche die zwei Graphiken darstellen. C_aibj ist das Entfernungsmaß zwischen Kanten der Graphiken und vergleicht alle Kanten von G1 mit allen Kanten von G2. Es ist definiert durch:
c ist eine Normierungskonstante, welche die erwartete Kantenentfernung in C_aibj auf null im Mittel normiert.
Das Produkt M_aiM_bj in der Zielfunktion E_wg(M) wählt genau die richtigen Kantenentfernungen von C_aibj aus, so dass das Ziel minimal wird, wenn M die richtige Permutation darstellt.
Aufgrund der diskreten Natur des Optimierungsproblems (M ist eine Permutationsmatrix und enthält nur Nullen und Einsen) ist es schwierig, direkt zu lösen. Stattdessen folgt der Algorithmus einer abgestuften Optimierungsstrategie, die mit einer lockereren Version des Problems beginnt, die das Optimierungsproblem iterativ löst.
Optimierungsschritt: Löse die Optimierung für eine doppelt stochastische Matrix M anstelle einer Permutationsmatrix. Eine doppelt stochastische Matrix kann als ein kontinuierliches Äquivalent der diskreten Permutationsmatrix gesehen werden. Der Optimierungsschritt wird durchgeführt, indem die partielle Ableitung Q = ∂E_wg/∂M berechnet wird und dann der Algorithmus von Sinkhorn angewendet wird, um ein doppelt stochastisches Ergebnis zu finden.
Weicher Max.-Schritt: Vor dem Algorithmus von Sinkhorn wird die partielle Ableitung durch eine weiche Maximierung skaliert M'_ai = exp(☐Qai). ☐ beginnt klein und wird bei jeder Iteration vergrößert, um die doppelt stochastische Matrix zu nähern, um sich einer Permutationsmatrix anzunähern.
Der Algorithmus arbeitet, wie nachstehend beispielhaft gezeigt, in einer Pseudocode-Notation:
☐, ☐_r, ☐₀, ☐_f sind die Steuerparameter, ihre Steigerungsrate, ihr Anfangs- und Endwert. Der rechnerisch aufwändigste Schritt ist die Berechnung der partiellen Ableitung. Er wird implementiert, um auf dem GPU (ein leistungsstarker Graphik-Coprozessor) zu laufen, und verwendet eine dünn besetzte Matrixdarstellung für die angrenzenden Matrizen G1 und G2.
Die Komplexität des Algorithmus ist proportional zum Quadrat der vereinigten Anzahl von Kanten in beiden Graphiken und kann in der aktuellen Implementierung auf aktueller Computerhardware in wenigen Minuten Graphiken mit bis zu 2000 Eckpunkten und 40000 Kanten gewachsen sein.
Wenn das vorstehend dargelegte Verfahren möglicherweise aufgrund zu viel Symmetrie in der Geometrie des Gebäudes oder aufgrund schlechter Schätzungen keinen guten Abgleich finden kann, kann der Abgleichmechanismus den Bediener auffordern, ihm zusätzliche Fixpunkte zu geben. Er berechnet den Ort mit der größten topologischen Zweideutigkeit und fordert den Bediener auf, dort hin zu gehen und unter Verwendung eines Außerbandverfahrens manuell die Adresse einer bestimmten Vorrichtung, welche eine bestimmte Position besetzt, sichtbar zu machen. Mit dieser zusätzlichen Information wird das Abgleichverfahren erneut laufen gelassen, bis eine Lösung mit ausreichend hohem Vertrauen gefunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.zigbee.org [0029]
Steve Gold und Anand Rangarajan „A Graduated Assignment Algorithm for Graph Matching” von 1996 [0062]

Claims

Netzknoten für ein drahtloses Gebäudeautomatisierungsnetzwerk, wie etwa ein Beleuchtungsnetzwerk, wobei der Knoten aufweist: – Einrichtungen zum Messen eines physikalischen Parameters, wie etwa z. B. der Signalqualität, Signalstärke oder der Laufzeit der drahtlosen Verbindung aller drahtlos verbundenen weiteren Knoten, – Speichereinrichtungen, die konfiguriert sind, um Verbindungsinformationen basierend auf dem gemessenen physikalischen Parameter zusammen mit einer Kennung für den/die zugehörigen drahtlos angeschlossenen weiteren Knoten zu speichern, – Einrichtungen zum drahtlosen Weiterleiten der Verbindungsinformationen an einen anderen Knoten; – Einrichtungen zum Senden und/oder Empfangen und/oder Wiederholen wenigstens eines Testmusters, wobei das Testmuster die Kennung des Netzknotens, z. B. die MAC-Adresse, enthält.
Netzknoten nach Anspruch 1, wobei der Netzknoten die gemessenen Verbindungsinformationen und Knotenkennungen in einer Nachbartabelle speichert.
Netzknoten nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Netzknoten Verbindungsinformationen in mehr als einen Netzknoten speichert.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Netzknoten konfiguriert ist, um Nachbartabellen anderer Netzknoten zu empfangen und zu speichern und/oder die empfangenen Netztabellen unter Verwendung einer Recheneinrichtung mit einer Graphik oder Teilgraphik zu kombinieren.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum drahtlosen Weiterleiten konfiguriert ist, um die gespeicherte(n) Nachbartabelle(n), Graphik und/oder Teilgraphik drahtlos weiter zu leiten.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemessenen Verbindungsinformationen, z. B. über Funkverbindungen, die von einem Netzknoten bereitgestellt werden, von einem Netzknoten mit gemessenen Verbindungsinformationen, die von einem zweiten Netzknoten bereitgestellt werden, kombiniert werden.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster z. B. mit verschiedenen Sendeleistungspegeln, in verschiedenen Teilkanälen, unter Verwendung verschiedener Codierungsschemata und/oder Antennenkonfigurationen gesendet wird.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster verwendet wird, um die Laufzeit zu messen.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Netzknoten die von dem Testmuster stammende Kennung des Netzknotens speichert und eine Kanalcharakteristik für den Kommunikationskanal, auf dem das Muster empfangen wurde, ableitet, und wobei der Netzknoten aus allen empfangenen Testmustern die Nachbartabelle zusammenstellt.
Netzknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Netzknoten ein Sensor und/oder eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine Steuervorrichtung und/oder eine Bedienvorrichtung für Beleuchtungseinrichtungen und/oder ein Aktor und/oder eine Gebäudetechnologievorrichtung ist.
System mit wenigstens zwei drahtlos kommunizierenden Knoten ebenso wie einer Berechnungseinrichtung, die konzipiert ist, um – basierend auf den Verbindungsinformationen von wenigstens zwei Knoten eine gemessene Konnektivitätsgraphik aufzubauen, – basierend auf einer vordefinierten bekannten räumlichen Anordnung der wenigstens zwei Knoten ebenso wie ihrer Gebäudeumgebung eine simulierte Konnektivitätsgraphik zu erzeugen, und – die Kennung der Verbindungsinformationen mit einer räumlichen Position jedes der wenigstens zwei Knoten zu verknüpfen, indem die gemessene Konnektivitätsgraphik und die simulierte Konnektivitätsgraphik abgeglichen werden.
System nach Anspruch 11, wobei die drahtlos kommunizierenden Knoten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 sind.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Simulation ein Strahlverfolgungsverfahren verwendet, um die Konnektivität zwischen den Knoten zu simulieren.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die zwei Graphiken wenigstens teilweise abgeglichen sind.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die gemessenen Verbindungsinformationen als eine Nachbartabelle bereitgestellt werden.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei gemessene Informationen, z. B. über Funkverbindungen, die von einem Netzknoten bereitgestellt werden, von einem Netzknoten mit gemessenen Verbindungsinformationen, die von einem zweiten Netzknoten bereitgestellt werden, kombiniert werden.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Messung von einem spezifischen Befehl ausgehst wird, der an die Netzknoten gesendet wird, wobei alle Netzknoten jeweilige Empfangseinrichtungen aktivieren.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei ein Testmuster an die Netzknoten verbreitet wird, wobei alle Netzknoten das Muster erneut rundsenden, wobei das Testmuster umfasst, jeweils die Kennung des Netzknotens, z. B. die MAC-Adresse, zu senden, und wobei die Musternachrichten z. B. mit verschiedenen Sendeleistungspegeln, in verschiedenen Teilkanälen, unter Verwendung verschiedener Codierungsschemata und/oder Antennenkonfigurationen gesendet werden.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das Testmuster verwendet wird, um die Laufzeit zu messen.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Netzknoten, die das Testmuster empfangen, die Kennung des Ausgangsnetzknotens speichern und eine Kanalcharakteristik für den Kommunikationskanal, auf dem das Muster empfangen wurde, ableiten, und wobei die Netzknoten aus allen empfangenen Testmustern die Nachbartabellen zusammenstellen.
Verfahren zum automatischen Zuordnen räumlicher zu 7 Netzknoten eines Gebäudeautomatisierungsnetzwerks, wie etwa eines Beleuchtungsnetzwerks, mit wenigstens zwei drahtlos kommunizierenden Knoten, das die folgenden Schritte aufweist: – Aufbauen einer gemessenen Konnektivitätsgraphik basierend auf den Verbindungsinformation von wenigstens zwei Knoten, – Erzeugen einer simulierten Konnektivitätsgraphik basierend auf einer vordefinierten räumlichen Anordnung der wenigstens zwei Knoten ebenso wie ihrer Gebäudeumgebung, und – Verknüpfen der Kennung der Verbindungsinformationen mit einer räumlichen Position jedes der wenigstens zwei Knoten durch Abgleichen der gemessenen Konnektivitätsgraphik und der simulierten Konnektivitätsgraphik.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die drahtlos kommunizierenden Knoten Knoten nach einem der Ansprüche 1 bis 10 sind.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Simulation ein Strahlverfolgungsverfahren verwendet, um die Kommunikationskanäle zu den Knoten zu simulieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die zwei Graphiken wenigstens teilweise abgeglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 24, wobei die gemessenen Verbindungsinformationen als eine Nachbartabelle bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei gemessene Konnektivitätsinformationen, z. B. über Funkverbindungen, die von einem Netzknoten bereitgestellt werden, von einem Netzknoten mit gemessenen Konnektivitätsinformationen kombiniert werden, die von einem zweiten Knoten bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei die Messung von einem spezifischen Befehl ausgelöst wird, der an die Netzknoten gesendet wird, wobei alle Netzknoten jeweilige Empfangseinrichtungen aktivieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei ein Testmuster an die Netzknoten verbreitet wird, wobei alle Netzknoten das Muster erneut senden, wobei das Testmuster umfasst, jeweils die Kennung des Netzknotens, z. B. die MAC-Adresse, zu senden, und wobei die Musternachrichten z. B. mit verschiedenen Sendeleistungspegeln, in verschiedenen Teilkanälen, unter Verwendung verschiedener Codierungsschemata und/oder Antennenkonfigurationen gesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei die Netzknoten, die das Testmuster empfangen, die Kennung des Ausgangsnetzknotens speichern und eine Kanalcharakteristik für den Kommunikationskanal, auf dem das Muster empfangen wurde, ableiten, und wobei die Netzknoten aus allen empfangenen Testmustern die Nachbartabellen zusammenstellen.