AT508676B1 - Drahtloses telekommunikationssystem zur vernetzung ortsfester objekte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau und Betrieb eines drahtlosen, paketvermittelnden Datenübertragungsnetzwerks zum Zweck der ortsfesten Telekommunikation basierend auf einem vermaschten Netzwerk (N) von baugleichen, je durch eine eindeutige Stationsnummer gekennzeichneten, Funkstationen (1), wobei folgende Schritte durchgeführt werden:a. nach dem Einschalten einer ersten Funkstation (1) ein Rundstrahlmodul (4) eine die Stationsnummer der ersten Funkstation (1) enthaltende Anfrageinformation an andere Funkstationen im Empfangsbereich der ersten Funkstation (1) sendet, und dassb. die Funkstationen, die die Anfrageinformation empfangen, eine Antwortinformation an die erste Funkstation (1) senden, in der die eigene Stationsnummer enthalten ist, und dassc. die erste Funkstation (1) Verbindungsanfragen an Funkstationen sendet, deren Antwortinformation sie empfangen hat, und dassd. die erste Funkstation (1) mit ihrem Richtfunkmodul (3) mit einem Richtfunkmodul zumindest einer zweiten Funkstation, die die Verbindungsanfrage der ersten Funkstation (1) positiv beantwortet hat, eine Richtfunkverbindung (RF) zum Übertragen von Datenpaketen in dem vermaschten Netzwerk (N) aufbaut.

Description

österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15

Beschreibung

VERMASCHTES FUNKNETZWERK

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau und Betrieb eines drahtlosen, paketvermittelnden Datenübertragungsnetzwerks zum Zweck der ortsfesten Telekommunikation basierend auf einem vermaschten Netzwerk von baugleichen, je durch eine eindeutige Stationsnummer gekennzeichneten, Funkstationen.

[0002] Vermaschte Netzwerke sind dem Fachmann in dem Fachgebiet der Kommunikationstechnik beispielsweise aus dem Dokument WO 2008/150521 A1 bekannt, wobei diesen Netzwerken folgende Theorie zugrunde liegt. Vermaschte Netzwerke ermöglichen eine dezentrale und ausfallsichere Vernetzung von Knotenpunkten (Endgeräten). In einem vermaschten Netzwerk ist jede Sende- und Empfangsstation beziehungsweise jeder Knoten K1 bis K4 mit einem oder mehreren anderen verbunden, wie dies beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist. Als vermaschtes Netzwerk versteht der Fachmann, wenn keine einheitliche Netzwerktopologie anzutreffen ist und vor allem kein zentraler Knotenpunkt erkennbar ist. Die Informationen (Datenpakete) werden in einem vermaschten Netzwerk von Knoten zu Knoten weitergereicht, bis diese das Ziel erreichen. Durch die Vielzahl an möglichen Pfaden zwischen Quelle und Ziel stellt die Routenberechnung in einem vermaschten Netzwerk eine besondere Aufgabe dar. Das Internet ist vermutlich das beste Beispiel für ein vermaschtes Netz.

[0003] Vermaschte Netzwerke sind besonders in der Funktechnik anzutreffen, da das Übertragungsmedium „Luft" eine ideale Voraussetzung bietet, um zeitgleich mit mehreren Teilnehmern in Kontakt zu treten. Im weiteren Verlauf der Beschreibung des bekannten Standes der Technik ist auf drahtlose vermaschte Netzwerke beziehungsweise Funknetzwerke näher eingegangen.

[0004] Die einfachste Form eines vermaschten Funknetzwerks ist in Figur 2 dargestellt. Hier steht jeder Funkstation beziehungsweise jedem Knoten K1 bis K4 eine einzelne Funkschnittstelle mit einer omnidirektionalen Rundstrahlantenne für den Empfang und den Versand von Datenpaketen zur Verfügung. Durch das Weiterleiten der Datenpakete über mehrere Stationen kann die Gesamtreichweite vervielfacht werden. Da mit einer einzelnen Funkschnittstelle nur abwechselnd gesendet oder empfangen werden kann, verringert sich die Datenübertragungsrate erheblich mit zunehmender Teilnehmerzahl.

[0005] Eine weiterentwickelte Form eines vermaschten Funknetzwerks ist in Figur 3 dargestellt. Hier werden je Knoten K1 bis K4 zwei Funkschnittstellen mit jeweils einer Rundstrahlantenne für die Kommunikation mit unterschiedlichen Knoten genutzt. Damit beide Funkschnittstellen unabhängig voneinander senden und empfangen können, müssen diese verschiedene Funkfrequenzen benutzen. Bei dieser Variante erhöht sich die Reichweite und der Datendurchsatz bricht mit zunehmender Teilnehmerzahl nicht ein. Da jeder Teilnehmer zwingend zwei unterschiedliche Funkfrequenzen auswählen und die verbundenen Knoten sich dieser Entscheidung anschließen müssen, gestaltet sich jedoch die Wahl des passenden Funkkanals aus einer meist sehr beschränkten Zahl zur Verfügung stehender Kanäle sehr schwierig. Das Management des Frequenzspektrums wird mit zunehmender Teilnehmerzahl- und dichte immer schwieriger. Die Versorgungsgebiete der einzelnen Funkschnittstellen überschneiden sich immer stärker wodurch gegenseitige Störungen auftreten, welche nur teilweise durch intelligente Regelung der Sendeleistung und damit Einschränkung der Reichweite bewältigt werden können. Eine Verbesserung in der Funkkanalzuordnung kann durch die Einführung eines pseudozufälligen Frequenzsprungverfahrens erzielt werden. Hierdurch entsteht eine gleichmäßige Nutzung aller Funkkanäle durch alle Stationen. Die zeitlich und räumlich simultane Belegung eines Kanals durch zwei Knoten wird umso unwahrscheinlicher, je mehr Kanäle für den Frequenzsprung zur Verfügung stehen. Vermaschte Netzwerke mit Rundstrahlantennen erzeugen durch die willkürliche Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung ein wenig kontrollierbares Umfeld, weshalb es mit zunehmender Teilnehmerdichte schwieriger wird eine störungsfreie Kommunikation aller Verbindungen aufrecht zu erhalten. 1/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 [0006] Der Einsatz von Sektor- oder Richtantennen anstelle von Rundstrahlantennen ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Reichweite und/oder Datenübertragungsrate. Ein solches vermaschtes Funknetzwerk mit Sektor- oder Richtantennen R ist in Figur 4 dargestellt. Der eingeschränkte Abstrahlwinkel der Sektor- oder Richtantennen R erzwingt eine exakte Antennenausrichtung und gestattet nur einen Verbindungsaufbau mit Stationen innerhalb des Abstrahlwinkels der Sektor- oder Richtantenne R.

[0007] Durch die Verwendung von Richtantennen auf beiden Seiten einer Funkverbindung können besonders große Entfernung und/oder Datenübertragungsraten erzielt werden, da die abgestrahlte Leistung der Sendeantenne exakt auf die gegenseitige Empfangsantenne gebündelt wird und umgekehrt. Bei einer derartigen Punkt-zu-Punkt Verbindung findet nur mehr eine direkte Kommunikation zwischen den beiden Endpunkten der Richtfunkverbindung statt. Der Aufbau eines Netzwerks mit Funkstationen mit Richtantennen R ist daher nur möglich, wenn jede Funkstation zwei Richtantennen R besitzt. Dadurch können mehrere Funkstationen beziehungsweise Knoten K1 bis K4 ähnlich einer Kette miteinander verbunden werden. Der Aufbau entspricht dem einer Bustopologie und ist in Figur 5 dargestellt. Fällt ein Glied in der Kette aus, teilt sich diese in zwei Teilstücke und eine Kommunikation ist nur mehr sehr eingeschränkt möglich. Eine redundante Anbindung aller Teilnehmer entsteht, sobald die Kette zu einem Ring geschlossen wird.

[0008] Vermaschte Funknetzwerke werden aus zumindest einem der folgenden Gründe eingesetzt: [0009] - Redundante Anbindung von Endgeräten bzw. Knotenpunkten, um eine erhöhte Aus fallsicherheit zu erzielen.

[0010] - Spontane Kommunikation zwischen mehreren (meist mobilen) Endgeräten durch dezentrale Konfiguration und dynamischer Routenberechnung.

[0011] - Erhöhung der Gesamtreichweite bzw. Datenübertragungsrate indem die Paketweiter leitung jedes Knotenpunkts als Signalverstärkung genutzt wird.

[0012] Verschiedene Unternehmen bieten kommerzielle drahtlos vermaschte Datenübertragungssysteme an, mit dem Ziel eine großflächige und lückenlose Funkversorgung ohne Verkabelungsaufwand zu ermöglichen. Diese Produkte ermöglichen Endgeräten wie Schnurlostelefonen, Notebooks, Datenerfassungsterminals usw. eine mobile Datenübertragung innerhalb des Versorgungsgebiets. Auch die Anbindung stationärer Endgeräte wie Videokameras wird ermöglicht. Derartige Lösungen werden in Lagerhallen, auf Betriebsgeländen oder öffentlichen Plätzen eingesetzt. Die Funktionsweise ist in Figur 6 dargestellt. Redundante Anbindungen der Netzwerkknoten haben bei diesem Einsatzszenario eine weniger hohe Relevanz. Dagegen wird eine lückenlose und ausreichend schnelle Anbindung der Endgeräte erwartet. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird die gesamte Netzwerktopologie bei Aufbau und Erweiterung des Netzes sorgfältig geplant und ist nach der Inbetriebnahme praktisch keinen dynamischen Änderungen unterworfen. Daher ist auch ein Betrieb ohne dynamische Routenberechnung möglich. Die technisch weit leistungsfähigere, jedoch oft sehr kostspielige Alternative wäre eine Kabelverbindung zu jedem Netzwerkknoten herzustellen. Die Knotenpunkte spannen, wie zuvor über Rundstrahlantennen, eine flächendeckende Funkwolke auf. Diese Verkabelung wird üblicherweise sternförmig ausgeführt, wodurch es sich demnach nicht mehr um ein vermaschtes Netzwerk handelt. Dargestellt ist dieser Aufbau in Figur 7.

[0013] Die vermaschte Vernetzung von Gebäuden mit Hilfe drahtlos vermaschter Datenübertragung erfolgt maßgeblich im Umfeld privater Interessensgemeinschaften. Diese Personengruppen organisieren sich oft in Vereinen dessen Aufgabe die Koordinierung des Netzausbaus darstellt. Eine unkoordinierte Erweiterung derartiger Netze würde zu häufigen Ausfällen führen und eine ordentliche Funktion könnte auf Dauer nicht gewährleistet werden. Auf Grund ständiger Änderungen und Erweiterungen an der Netzwerktopologie ist der Aufbau von redundanten Verbindungen in diesem Einsatzszenario besonders wichtig um im Wartungs- oder Störungsfall eine Kommunikation zwischen allen Teilnehmern aufrechterhalten zu können. Durch Einsatz 2/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 lizenzfreier Datenfunktechnik kombiniert mit dynamischer Routenberechnung können vergleichsweise leistungsfähige und ausfallsichere Netze zum internen Datenaustausch oder zur Anbindung an das Internet geschaffen werden.

[0014] Ein Einsatz kommerzieller Produkte für derartige Zwecke ist abgesehen von diversen Feldversuchen nicht bekannt. Lediglich die Hauptverbindungen (der Backbone) vieler Funk-Internetanbieter oder Mobiltelefonieanbieter können untereinander vermascht ausgeführt sein zum Zwecke der Lastverteilung und Ausfallsicherheit.

[0015] Endgeräte, wie zum Beispiel das XO-1 Notebook aus dem „One Laptop per Child" Projekt, können autonom ein vermaschtes Funknetzwerk aufbauen, um eine Kommunikation zwischen möglichst vielen gleichartigen Endgeräten herzustellen. Sofern möglich werden hierbei zwar redundante Verbindungen aufgebaut, trotzdem wird in Kauf genommen dass beim Ausschalten oder Standortwechsel eines einzelnen Geräts die Kommunikation im verbliebenen Netzwerk maßgeblich beeinträchtigt sein kann. Einen besonders hohen Stellenwert hat hier ein konfigurationsfreier Aufbau des vermaschten Netzwerks und die schnelle und automatische Anpassung an Veränderungen der Netzwerktopologie. Die Anzahl und Entfernung der Knotenpunkte zueinander kann und wird sich auf Grund der Mobilität der Endgeräte laufend ändern. Trotzdem stellt diese Methode eine einzigartige Möglichkeit dar, um in Entwicklungsländern ohne Internetinfrastruktur eine Datenkommunikation zwischen Schülern mit ihren XO-1 Notebooks herzustellen. Die Tatsache, dass hierbei nur eine unbestimmte und mit steigender Anzahl beteiligter Endgeräte stetig sinkende Datenübertragungsrate zu erwarten ist, wird bewusst in Kauf genommen.

[0016] Die Erfindung hat sich nunmehr die Aufgabe gestellt ein Verfahren zum Aufbau und Betrieb eines drahtlosen, paketvermittelnden Datenübertragungsnetzwerk zu schaffen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile bekannter Datenübertragungsnetzwerke vermieden sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, dass [0017] a. nach dem Einschalten einer ersten Funkstation ein Rundstrahlmodul eine die Stati onsnummer der ersten Funkstation enthaltende Anfrageinformation an andere Funkstationen im Empfangsbereich der ersten Funkstation sendet, und dass [0018] b. die Funkstationen, die die Anfrageinformation empfangen, eine Antwortinformation an die erste Funkstation senden, in der die eigene Stationsnummer enthalten ist, und dass [0019] c. die erste Funkstation Verbindungsanfragen an Funkstationen sendet, deren Antwort information sie empfangen hat, und dass [0020] d. die erste Funkstation mit ihrem Richtfunkmodul mit einem Richtfunkmodul zumindest einer zweiten Funkstation, die die Verbindungsanfrage der ersten Funkstation positiv beantwortet hat, eine Richtfunkverbindung zum Übertragen von Datenpaketen in dem vermaschten Netzwerk aufbaut.

[0021] Die Erfindung zeichnet sich somit unter anderem dadurch aus, dass jede Funkstation im vermaschten Netzwerk mit insbesondere drei unabhängigen Richtfunkmodulen ausgestattet ist. Dadurch kann zeitgleich mit bis zu drei anderen Funkstationen eine Verbindung aufgebaut werden. Jede dieser Richtfunkverbindungen fungiert als direkter Datenübertragungstunnel zwischen zwei Funkstationen. Wie aus Figur 8 zu erkennen, ist dies ausreichend, um theoretisch beliebig große Netzwerke N aufbauen zu können. Der ausschließliche Einsatz von drei Punkt-zu-Punkt Richtfunkverbindungen pro Funkstation ermöglicht somit eine großflächige Vernetzung unzähliger Funkstationen mit besonders hohen Datenübertragungsraten. Da ein manuelles Justieren der Richtantennen auf die gewünschte Gegenseite mit wachsender Teilnehmerzahl immer aufwendiger wird, werden die Richtantennen mit einem elektromechanischen Antrieb ausgestattet, um ähnlich einer Radarantenne ein Schwenken der Richtantenne in der horizontalen Ebene zu ermöglichen. Eine weitere Optimierung ist möglich, indem die Antenne auch in der vertikalen Ebene und in der Polarisationsebene elektromechanisch ausgerichtet werden kann. Die hohe Leistungsfähigkeit dieses Aufbaus liegt mitunter darin begründet, 3/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 dass Punkt-zu-Punkt Funkverbindungen mit besonders einfachen und effizienten Funkübertragungsprotokollen aufgebaut werden können da sich lediglich zwei Kommunikationsteilnehmer einigen müssen wer zu welchem Zeitpunkt senden darf. Steht ein ausreichend großes Frequenzspektrum zur Verfügung, können alle Punkt-zu-Punkt Funkverbindungen als besonders leistungsfähige Vollduplexverbindungen mit getrennten Sende- und Empfangswegen ausgeführt werden. Hierfür werden üblicherweise dualpolarisierte Richtantennen eingesetzt, um mit einer einzelnen Richtantenne parallel senden und empfangen zu können. Nimmt die Zahl und Dichte der Funkstationen in einem derartigen Aufbau zu, entsteht ein immer enger vermaschtes Netz mit durchschnittlich immer kürzeren und damit leistungsfähigeren Richtfunkverbindungen. Mit zunehmender Teilnehmerzahl steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein neuer Teilnehmer einen Kommunikationspartner in ausreichender Nähe findet. Funkstationen, welche sich am Rande des vermaschten Netzwerks befinden, können auch Verbindungen zu Funkstationen am gegenüberliegenden Ende des Netzwerks aufbauen, sofern sich diese innerhalb der Reichweite befinden. Dadurch reduzieren sich die durchschnittlichen Pfadlängen zwischen den Funkstationen zusätzlich. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0022] Figur 1 zeigt symbolisch ein vermaschtes Netzwerk gemäß dem Stand der Technik.

[0023] Figur 2 zeigt einen Teil eines weiteren vermaschten Netzwerks gemäß dem Stand der

Technik.

[0024] Figur 3 zeigt einen Teil einer weiterentwickelten Form eines vermaschten Netzwerks gemäß dem Stand der Technik.

[0025] Figur 4 zeigt einen Teil eines weiteren vermaschten Funknetzwerks mit Richtantennen gemäß dem Stand der Technik.

[0026] Figur 5 zeigt ein Funknetzwerk mit Richtantennen in einer Kette gemäß dem Stand der Technik.

[0027] Figur 6 zeigt einen Teil eines weiteren vermaschten Funknetzwerks mit Richtantennen zur Vernetzung mobiler Endgeräte gemäß dem Stand der Technik.

[0028] Figur 7 zeigt ein sternförmig verkabeltes Funknetzwerk zur Vernetzung mobiler Endge räte gemäß dem Stand der Technik.

[0029] Figur 8 zeigt einen Teil eines gleichmäßig ausgebauten erfindungsgemäßen vermaschten Netzwerks.

[0030] Figur 9 zeigt den mechanischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Funkstation.

[0031] Figur 10 zeigt den funktionellen Aufbau einer Funkstation gemäß Figur 9.

[0032] Figur 9 zeigt eine Funkanlage beziehungsweise Funkstation 1, welche oberhalb (am Dach) der zu vernetzenden Objekte (Gebäude, Container, Zelt, usw.) montiert wird und mit der ein rascher und kostengünstiger Aufbau eines universellen, leistungsstarken und ausfallsicheren Telekommunikationssystems ermöglicht ist. Das erfindungsgemäße vermaschte Netzwerk erfüllt alle Anforderungen, um als „Last-Mile" (letzter Leitungsabschnitt zum Kunden) Technologie zur hochwertigen Internet-, Telefon- und Fernsehversorgung ganzer Gemeinden eingesetzt zu werden. Weiters können weitläufige Betriebs- und Veranstaltungsgelände vernetzt werden und innerhalb kürzester Zeit leistungsstarke Datenübertragungsinfrastrukturen bei Krisen- und Katastropheneinsätzen aufgebaut werden.

[0033] Der mechanische Aufbau der Funkstation ist in Figur 9 und der funktionelle Aufbau ist in Figur 10 dargestellt. Die Funkstation 1 besteht aus einer umhüllenden Kunststoffkuppel 2 in der drei Richtfunkmodule 3, ein Rundstrahlmodul 4 mit einem Ortungsmodul 5 zur Positionsbestimmung und mit einer omnidirektionalen Rundstrahlantenne 6, einem Terminierungsmodul 7 zum Anschluss einer Verbindungsleitung 8 zu einem Endgerät E und einem Verteiler 9 zur internen Verbindung aller Module verbaut sind. Jedes Richtfunkmodul 3 stellt eine Funkschnittstelle zur Kommunikation mit einem Richtfunkmodul einer anderen Funkstation zur Verfügung 4/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 und verfügt über eine Richtfunkmodul-Kabelschnittstelle zur internen Kommunikation mit allen anderen Komponenten der Funkstation 1.

[0034] Die Richtfunkmodule 3 bestehen jeweils aus einer unidirektionalen Richtantenne 10 und einer Datenverarbeitungseinheit 11 inklusive Sende- und Empfangselektronik (Hochfrequenzelektronik) zur De-/Modulation des Funksignals, sowie einer drehbar gelagerten Antennenhalterung 12 mit einem elektromechanischen Antrieb 13 zur Ausrichtung der Richtantenne 10 auf eine andere Funkstation. Der Antrieb 13 ist mit einer Steuerleitung 14 mit der Datenverarbeitungseinheit 11 verbunden, welche wiederum mittels einer Datenleitung 15 mit dem Verteiler 9 verbunden ist. Die Funkstation 1 kann mittels einer Masthalterung 16 auf einen vormontierten Antennenmast aufgesteckt und fixiert werden. Die Richtfunkmodul-Kabelschnittstelle ist als Teil der Datenverarbeitungseinheit 11 realisiert.

[0035] Vor der Inbetriebnahme wird jeder Funkstation, die in das vermaschte Netzwerk N eingegliedert werden soll, eine eindeutige Stationsnummer zugewiesen. Nach dem Einschalten beginnt die Funkstation 1 mit Hilfe des Ortungsmoduls 5 automatisch nach benachbarten Funkstationen im Empfangsbereich der Funkstation 1 zu suchen. Dies geschieht indem über die Rundstrahlantenne 6 eine Anfrageinformation mit der eigenen Stationsnummer ausgesendet wird. Alle Funkstationen in der Empfangsreichweite antworten mit ihrer Stationsnummer und der Signalstärke mit der die Anfrageinformation empfangen wurde. Empfängt die suchende Funkstation 1 Antwortinformation auf ihre Anfrageinformation, dann wird die Signalstärke mit der die Antwortinformation eintreffen aufgezeichnet. Somit steht der suchenden Funkstation 1 eine Auflistung aller in der Empfangsreichweite befindlichen Funkstationen sowie der jeweiligen Verbindungsqualität in beiden Funkrichtungen zur Verfügung. Aus diesen Informationen werden die am besten geeigneten Kommunikationspartner ausgewählt und der Reihe nach, durch Aussenden einer Verbindungsanfrage, befragt, bis eine Funkstation einem Verbindungsaufbau zustimmt. Durch Anwendung dieses „Trial and Error" (Versuch und Irrtum) Prinzips können alle Funkstationen ohne Einwirkung von außen ein vermaschtes Netzwerk mit möglichst kurzen und damit leistungsfähigen Punkt-zu-Punkt Richtfunkverbindungen aufbauen.

[0036] Um nach einem Stromausfall den Verbindungsaufbau zu beschleunigen, kann jede Funkstation alle notwendigen Informationen in einen Festspeicher schreiben, um ohne erneuten Suchlauf die ursprünglichen Verbindungen wiederherstellen zu können. Weiters können Funkstationen mittels Akkumulatoren während eines Stromausfalls für einen begrenzten Zeitraum den Betrieb aufrecht erhalten, um beispielsweise Notrufe mit einem an die Funkstation angeschlossenen Festnetztelefon durchführen zu können.

[0037] Nachdem sich die Funkstation 1 mit einer anderen Funkstation im Empfangsbereich des Rundstrahlmoduls über den Verbindungsaufbau geeinigt hat, wird der Aufbau einer Richtfunkverbindung eingeleitet, wofür auf beiden Seiten ein freies Richtfunkmodul 3 für diese Richtfunkverbindung mit der anderen Funkstation festgelegt wird. Dies geschieht, indem eine erste Richtantenne 10 des Richtfunkmoduls 3 sich in der Horizontalebene um ihre eigene Achse abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn dreht, bis ein Leitsignal des gegenüberliegenden Ortungsmoduls 5 empfangen wurde. Die Drehung der ersten Richtantenne 10 in der Horizontalebene wird beendet, wenn das Leitsignal mit maximaler Signalstärke bzw. Signalqualität empfangen wurde. Danach wird die erste Richtantenne 10 in vertikaler Ebene im und gegen den Uhrzeigersinn gedreht bis die Signalstärke beziehungsweise Signalqualität ein Maximum erreicht. Anschließend wird derselbe Vorgang zum Ausrichten der zweiten Richtantenne der anderen Funkstation durchgeführt, bis mit der zweiten Richtantenne 10 das Leitsignal des Ortungsmoduls 5 oder der ersten Richtantenne 10 der ersten Funkstation 1 mit maximaler Signalstärke beziehungsweise Signalqualität empfangen wurde. Danach wird eine Funkverbindung über die beiden nun ausgerichteten Richtfunkantennen hergestellt, indem ein möglichst störungsfreier Funkkanal ermittelt und eine Datenverschlüsselung vereinbart wird. Beide Richtfunkmodule 3 regulieren laufend Datenübertragungsrate und Sendeleistung entsprechend den aktuellen Anforderungen auf ein möglichst niedriges Niveau, damit der von ihnen belegte Funkkanal bereits in geringer Entfernung für eine andere Richtfunkverbindung verwendet werden kann. Durch dieses Verfahren genügen bereits relativ wenige überlappungsfreie Funkkanäle, 5/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 um ein beliebig großes Netzwerk aufbauen zu können. Steht kein Datenverkehr an, kann eine Richtfunkverbindung in einen stromsparenden Bereitschaftszustand mit besonders niedriger Sendeleistung versetzt werden. Durch Messung der Laufzeit eines Datenpakets zu benachbarten Funkstationen ist es möglich die eigene relative Position im gesamten Netzwerk zu ermitteln.

[0038] Nachdem eine stabile Richtfunkverbindung etabliert werden konnte, teilen beide beteiligten Funkstationen ihren unmittelbaren Nachbarn diese Änderung an der Netztopologie mit. Empfangt eine Funkstation eine derartige Nachricht, muss diese prüfen, ob dadurch Verbindungen zu neuen Zielen oder kürzere Verbindungen zu bekannten Zielen entstehen. Ist dies der Fall, dann müssen Änderungen an den eigenen Routingtabellen vorgenommen und Benachrichtigungen an direkt verbundene Funkstationen gesendet werden. Wird eine Richtfunkverbindung unterbrochen, muss dies ebenfalls den direkten Nachbarn mitgeteilt werden, welche wiederum ihre Routingtabellen auf notwendige Änderungen hin überprüfen.

[0039] Durch dieses Verfahren erhalten alle Funkstationen die notwendigen Informationen, um vollständige und fehlerfreie Routingtabellen anlegen zu können.

[0040] Der Verbindungsaufbau zwischen den Funkstationen erfolgt autonom und kann von einem optionalen Kontrollsystem beobachtet werden, um Störungen erkennen und melden zu können. Dennoch ist es möglich bestimmte Verbindungen durch entsprechende Konfiguration der Funkstationen zu unterdrücken oder zu erzwingen, um zum Beispiel den Aufbau einer störanfälligen oder nicht erwünschten Verbindung dauerhaft zu verhindern.

[0041] Jede Funkstation versucht mit zwei anderen Funkstationen eine Verbindung herzustellen, um zu verhindern, dass mehrere Funkstationen durch den Ausfall einer einzelnen Funkstation unerreichbar werden. Kann eine Funkstation im Moment keinen Kommunikationspartner in Reichweite finden, dann wird ein bestimmter oder zufälliger Zeitraum abgewartet, bis ein erneuter Suchlauf begonnen wird. In diesem Fall kann es hilfreich sein an einem günstigen Standort vorübergehend oder dauerhaft eine so genannte „Hilfsstation" in Betrieb zu nehmen. Diese entspricht im Aufbau und in der Funktion einer Funkstation 1, jedoch sind am Terminierungsmodul 7 keine Endgeräte angeschlossen.

[0042] In Figur 10 ist der Aufbau der Funkstation 1 in funktionellen Blöcken nochmals dargestellt. Von dem Endgerät E werden zu übertragende Daten über das Terminierungsmodul 7, dem Verteiler 9 und eines der Richtfunkmodule 3 über die Richtfunkverbindung RF an ein Richtfunkmodul einer anderen Funkstation übermittelt. Jedes Richtfunkmodul 3 weist eine Elektronik 17 für die Antennenausrichtung auf, die die drehbar gelagerte Antennenhalterung 12 mit dem elektromechanischen Antrieb 13 umfasst. Weiters weist jedes Richtfunkmodul 3 die Datenverarbeitungseinheit 11, eine Hochfrequenzelektronik 18 und die unidirektionale Richtantenne 10 auf. Das Ortungsmodul 5 zur Positionsbestimmung weist eine Datenverarbeitungseinheit 19, eine Hochfrequenzelektronik 20 und die omnidirektionale Rundstrahlantenne 6 auf.

[0043] Üblicherweise wird das drahtlos vermaschte Netzwerk N mit einem übergeordneten Netzwerk, wie beispielsweise einem Firmennetzwerk, Provider-Backbone oder dem Internet verbunden. Ein Betrieb ohne ein äußeres Netzwerk ist aber ebenfalls möglich. Die Anbindung an dieses übergeordnete Netzwerk erfolgt über einen oder mehrere Einspeisepunkte beziehungsweise Einspeisestationen an günstigen Standorten. Diese entsprechen im Aufbau und in der Funktion der Funkstation 1, jedoch wird am Terminierungsmodul 7 kein Endgerät angeschlossen, sondern eine Verbindung zu dem übergeordneten Netzwerk hergestellt. Der einzige Unterschied der Einspeisestation zu einer normalen Funkstation ist, dass sich Einspeisestationen bei einem Suchlauf als solche zu erkennen geben, da Einspeisestationen für Funkstationen besonders bevorzugte Kontaktpartner darstellen. Ist eine einzelne Einspeisestation nicht ausreichend, um die benötigte Datenübertragungsrate zwischen dem übergeordnetem Netzwerk und dem vermaschten Funknetzwerk zur Verfügung zu stellen, dann können an beliebigen Punkten weitere Einspeisestationen in Betrieb genommen werden und somit die Datenübertragungsrate vom und zum übergeordneten Netzwerk vervielfacht werden. Weiters ermöglicht der Einsatz einer Mehrzahl an Einspeisestationen auch eine redundante Verbindung zum überge- 6/14

Claims (16)

1. österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 ordneten Netzwerk. Stellt ein Endgerät eine Kommunikation mit dem äußeren Netzwerk her, dann wird der Datenverkehr automatisch über die Einspeisestation mit der geringsten Entfernung abgewickelt. [0044] Die Datenverarbeitungseinheit 1 im Richtfunkmodul 3 entscheidet anhand von Adressierungen beziehungsweise Markierungen an den eintreffenden Datenpaketen, ob diese über den Verteiler 9 an ein anderes Richtfunkmodul 3 weitergeleitet oder über das Terminierungsmodul 7 und die Verbindung 8 an die lokalen Endgeräte E zugestellt werden müssen. Hierfür verwaltet jedes Richtfunkmodul 3 eine Tabelle mit Zuordnungen von Zieladressen zu Schnittstellen (Routingtabelle). Durch diesen Aufbau ergibt sich der Vorteil, dass jedes Richtfunkmodul 3 anstatt aller eintreffender Datenpakete nur jene verarbeiten muss, welche an der Funkschnittstelle empfangen und über die Richtfunkmodul-Kabelschnittstelle weitergeleitet werden. Für alle Datenpakete welche an der Richtfunkmodul-Kabelschnittstelle eines Richtfunkmoduls 3 eintref-fen, muss keine Entscheidung über den weiteren Paketverlauf getroffen werden. Diese Datenpakete müssen immer über die Funkschnittstelle weitergeleitet werden. Dadurch wird es ermöglicht, dass jedes Richtfunkmodul 3 nur einen Teil des gesamten Datenverkehrs einer Funkstation bearbeiten muss. Dies gestattet eine insgesamt hohe Datenübertragungsleistung innerhalb einer Funkstation ohne den Einsatz besonders leistungsfähiger und kostenintensiver Prozessoren zur zentralen Verarbeitung des gesamten Datenverkehrs. Weiters verteilt sich die elektrische Verlustleistung von einer zentralen Datenverarbeitungseinheit auf drei kleinere. Dadurch können aufwendige Kühlvorrichtungen entfallen. [0045] Werden Datenpakete von einem Endgerät E über das Terminierungsmodul 7 in das Funknetzwerk eingespeist, entscheidet dieses anhand seiner eigenen Routingtabelle über welches Richtfunkmodul 3 die Daten weitergeleitet werden. Vor dem Transfer bestimmter Datenpakete kann eine virtuelle Verbindung bis zum Ziel vorbereitet werden, indem alle beteiligten Funkstationen über den anstehenden Datenverkehr informiert werden. Dies geschieht indem eine Identifikationsnummer festgelegt wird, welche allen betroffenen Funkstationen mitgeteilt wird. Optional kann hierbei auch eine Reservierung von Übertragungskapazitäten über den gesamten Pfad vorgenommen werden. Den beteiligten Funkstationen ist nun bekannt, wie Datenpakete mit einer bestimmten Identifikationsnummer zu behandeln sind. Alle betroffenen Datenpakete erhalten beim Eintritt ins Funknetzwerk vom Terminierungsmodul 7 eine Markierung mit der Identifikationsnummer. Die Datenpakete werden dann entlang des festgelegten Pfads von Funkstation zu Funkstation weitergereicht bis ihr Ziel erreicht wird. Vor dem Austritt aus dem Funknetzwerk wird am Zielort die Markierung von jedem Datenpaket durch das Terminierungsmodul 7 entfernt. Werden beim Aufbau einer virtuellen Verbindung mehrere Ziele angegeben, dann können Datenpakete in Funkstationen dupliziert und parallel über zwei Richt-funkmodule 3 weitergesendet werden. Dadurch können Datenpakete sehr effizient an mehrere oder alle Funkstationen gleichzeitig gesendet werden. Patentansprüche 1. Verfahren zum Aufbau und Betrieb eines drahtlosen, paketvermittelnden Datenübertragungsnetzwerks zum Zweck der ortsfesten Telekommunikation basierend auf einem vermaschten Netzwerk (N) von baugleichen, je durch eine eindeutige Stationsnummer gekennzeichneten, Funkstationen (1), dadurch gekennzeichnet, dass a. nach dem Einschalten einer ersten Funkstation (1) ein Rundstrahlmodul (4) eine die Stationsnummer der ersten Funkstation (1) enthaltende Anfrageinformation an andere Funkstationen im Empfangsbereich der ersten Funkstation (1) sendet, und dass b. die Funkstationen, die die Anfrageinformation empfangen, eine Antwortinformation an die erste Funkstation (1) senden, in der die eigene Stationsnummer enthalten ist, und dass c. die erste Funkstation (1) Verbindungsanfragen an Funkstationen sendet, deren Antwortinformation sie empfangen hat, und dass d. die erste Funkstation (1) mit ihrem Richtfunkmodul (3) mit einem Richtfunkmodul zumindest einer zweiten Funkstation, die die Verbindungsanfrage der ersten Funkstation (1) 7/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15 positiv beantwortet hat, eine Richtfunkverbindung (RF) zum Übertragen von Datenpaketen in dem vermaschten Netzwerk (N) aufbaut.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Richtfunkverbindung (RF) folgende Verfahrensschritte aufweist: • die erste Funkstation (1) bewegt eine in einer Horizontalebene rotierend antreibbare erste Richtfunkantenne (10) des Richtfunkmoduls (3) im Uhrzeigersinn beziehungsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, bis ein während des Aufbaus der Richtfunkverbindung (RF) von dem Rundstrahlmodul der zweiten Funkstation und/oder einer zweiten Richtfunkantenne (10) der zweiten Funkstation (1) gesendetes Leitsignal mit der ersten Richtfunkantenne (10) empfangen wurde; • die zweite Funkstation bewegt die in einer Horizontalebene rotierend antreibbare zweite Richtfunkantenne des Richtfunkmoduls im Uhrzeigersinn beziehungsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, bis das während des Aufbaus der Richtfunkverbindung (RF) von dem Rundstrahlmodul (4) der ersten Funkstation (1) und/oder der ersten Richtfunkantenne (10) der ersten Funkstation (1) gesendete Leitsignal mit der zweiten Richtfunkantenne empfangen wurde; • ein Datenpaket wird über die nun ausgerichtete erste Richtfunkantenne (10) und zweite Richtfunkantenne zum Test der Richtfunkverbindung gesendet beziehungsweise empfangen.
3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtfunkantenne (10) und/oder die zweiten Richtfunkantenne horizontal, vertikal und/oder in ihrer Polarisationsebene verstellt wird, bis das Leitsignal der gegenüberliegenden Funkstation mit maximaler Signalstärke beziehungsweise Signalqualität empfangen wird.
4. 4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkstationen, die die Anfrageinformation von der ersten Funkstation (1) empfangen, die Signalstärke beziehungsweise Signalqualität der empfangenen Anfrageinformation messen und die gemessene Signalstärke beziehungsweise Signalqualität in der Antwortinformation an die erste Funkstation (1) senden, und dass die erste Funkstation (1) die Signalstärke beziehungsweise Signalqualität der Antwortinformationen misst und Verbindungsanfragen vorzugsweise an jene Funkstationen sendet, deren in der Antwortinformation enthaltene gemessene Signalstärke beziehungsweise Signalqualität und/oder deren mit der ersten Funkstationen gemessene Signalstärke beziehungsweise Signalqualität der Antwortinformation stark im Vergleich mit den anderen gemessenen Signalstärken beziehungsweise Signalqualitäten der anderen Funkstationen ist.
5. 5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funkstation (1), durch Messung der Laufzeit eines zu einer anderen Funkstation übertragenen und von dieser wieder empfangenen Datenpakets, die Entfernung zwischen der ersten Funkstation (1) und der anderen Funkstation ermittelt und Verbindungsanfragen vorzugsweise an jene Funkstationen sendet, die im Vergleich zu anderen Funkstationen näher bei der ersten Funkstation (1) angeordnet sind.
6. 6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funkstation (1) mit zwei unabhängigen Richtfunkmodulen (3) und vorzugsweise mit drei unabhängigen Richtfunkmodulen (3) mit zumindest zwei und vorzugsweise mit drei anderen Funkstationen im Empfangsbereich des Rundstrahlmoduls (4) eine Richtfunkverbindung (RF) aufbaut, um das vermaschte Netzwerk (N) zu bilden
7. 7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Funkstation (1) über die Richtfunkverbindung (RF) empfangene Datenpakete entsprechend einer in dem Datenpaket enthaltenen Markierung über eine andere Richtfunkverbindung (RF) der Funkstation (1) per Funk oder über eine Kabelschnittstelle (7) der Funkstation (1) kabelgebunden weitergeleitet werden. 8/14 österreichisches Patentamt AT508 676B1 2011-03-15
8. 8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Richtfunkmodul (3) der Funkstation (1) anhand der in den Datenpaketen enthaltenen Markierungen selbständig über die Verteilung aller über die Richtfunkantenne (10) empfangenen Datenpakete entscheidet.
9. 9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Richtfunkmodul (3) alle an einer Richtfunkmodul-Kabelschnittstelle des Richtfunkmoduls (3) ankommenden Datenpakete ohne weitere Verarbeitung über die Richtfunkantenne (10) sendet.
10. 10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Kabelschnittstelle (7) an die Funkstation (1) übermittelten Datenpaketen je eine Markierung hinzugefügt wird, die eine Information über die Weiterleitung des Datenpaketes in dem vermaschten Netzwerk (N) enthält, bevor die Datenpakete über die Richtfunkverbindungen (RF) der Funkstationen (1) übertragen werden.
11. 11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Funkstationen (1) Datenpakete durch zeitgleiche Weiterleitung über mehrere Richtfunkverbindungen und/oder eine Kabelschnittstelle (7) vervielfältigen können.
12. 12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auf- oder Abbau einer Richtfunkverbindung (RF) zwischen zwei Funkstation (1) allen mit den beiden betroffenen Funkstationen (1) über weitere Richtfunkverbindungen (RF) verbundenen Funkstationen (1) mitgeteilt wird.
13. 13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen betreffend dem Auf- oder Abbau von Richtfunkverbindungen von jeder Funkstation (1) an andere verbundene Funkstationen (1) weitergereicht werden bis diese Information relevante Funkstationen (1) im Funknetzwerk (N) erreicht.
14. 14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau einer Richtfunkverbindung zwischen zwei Funkstationen (1) durch Konfiguration der betroffenen Funkstationen (1) erzwungen oder verhindert werden kann.
15. 15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Richtfunkmodul (3) die Anfrageinformation an die Funkstationen im Empfangsbereich der ersten Funkstation (1) sendet und dass das erste Richtfunkmodul (3) die Antwortinformation von den Funkstationen empfängt, die auf die Anfrageinformation antworten.
16. 16. Funkstation (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rundstrahlmodul (4) vorgesehen ist, das zumindest eine omnidirektionale Rundstrahlantenne (6) zum Senden von Anfrageinformationen und Verbindungsanfragen an Rund-strahlmodule anderer Funkstationen und zum Empfangen von Antwortinformationen von im Empfangsbereich der Funkstation (1) befindlichen Funkstationen ausgebildet ist, und dass zumindest zwei und insbesondere drei voneinander unabhängige Richtfunkmodule (3) vorgesehen sind, die zum Aufbau von zwei und insbesondere von drei Richtfunkverbindungen (RF) mit zwei und insbesondere drei anderen Funkstationen ausgebildet ist, um Datenpakete in dem vermaschten Netzwerk (N) zu übertragen, wobei jedes Richtfunkmodul (3) einen Motor (13) zum rotierenden Antreiben einer Richtfunkantenne (10) in einer Horizontalebene und insbesondere zusätzlich in einer Vertikalebene und/oder Polarisationsebene aufweist, und dass eine Kabelschnittstelle (7) vorgesehen ist, um Datenpakete von einem Kabel (8) in das drahtlos vermaschte Netzwerk (N) einzukoppeln oder von dem drahtlos vermaschten Netzwerk (N) auszukoppeln. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 9/14