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Die
Erfindung betrifft eine Kommunikations-Einrichtung, eine Steuer-Einrichtung
und ein Kommunikations-System.
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In
einem ubiquitären
Computerszenario wie zum Beispiel ein ”Smart House” (das heißt ein Haus mit
einer intelligenten Steuerung von einzelnen Hausgeräten”) gibt
es häufig
einige Geräte
mit hoher Rechenleistung und großen Speicherplatz, wie zum Beispiel
ein Desktopcomputer, ein Laptops oder ein PDA (”Personal Digital Assistant”). Derartige
Geräte werden
im Weiteren auch als Terminals bezeichnet. Terminals können zum Überwachen
und Steuern von Kleingeräten
verwendet werden, die in diese Computerumgebung integriert sind,
wie zum Beispiel Thermometer, Drucksensoren oder Schalter.
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In
dem betrachteten Szenario können
diese kleinen Sensoren oder Aktuatorgeräte mit den Terminals kommunizierfähig gekoppelt
werden, indem drahtlose Hochfrequenz-Transceiver an den Sensoren
oder Aktuator-Geräten
angeschlossen werden (zum Beispiel ein aktives RFID-Tag, ”radio frequency identification
tag”).
Solche Sensoren und Aktuatoren, die einen Hochfrequenz-Transceiver
aufweisen oder an einem Hochfrequenz-Transceiver angebracht sein können, werden
im Weiteren auch als Transceiver bezeichnet. Normalerweise wird
ein Terminal entweder mit einer elektrischen Stromleitung betrieben
(wie zum Beispiel bei einem Desktopcomputer), oder es kann wiederaufladbar
vorgesehen werden (wie zum Beispiel bei einem Laptop oder PDA).
Daher ist der zulässige
Energiebedarf solcher Terminals typischerweise nicht ernsthaft beschränkt. Anders
ausgedrückt
ist die Energieversorgung von Terminals in vielen Fällen unkritisch.
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Dagegen
werden Transceiver üblicherweise durch
kleine Batterien mit Energie versorgt, und es ist für einen
Benutzer unkomfortabel, solche Batterien häufig auszuwechseln. Dies liegt
unter anderem an der großen
Anzahl solcher Transceiver in einem ”Smart House”. Daher
ist der Energieverbrauch einer der kritischen technischen Faktoren
beim Entwickeln von Transceivern. In einer Transceiver-Vorrichtung ist
der Hochfrequenz-Transceiver einer der größten Energieverbraucher.
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Im
Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren beschrieben,
mit welchen eine Steuer-Einheit (wie zum Beispiel ein Laptopcomputer)
auf Kommunikations-Einrichtungen
wie zum Beispiel RF-Transceiver zugreifen kann bzw. wie eine Kommunikation
erfolgen kann.
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Ohne
ein spezielles Zugriffsschema müssen die
meisten RF-Transceiver
durchgehend auf einem Empfangsmodus gehalten werden und warten somit kontinuierlich
auf ein mögliches
Eintreffen eines Pakets von Daten von dem Terminal. Dieses kontinuierliche
Betreiben eines RF-Transceivers in einem aktivierten Zustand ist
hinsichtlich des Energieverbrauchs des Transceivers äußerst ineffizient,
da der Energieverbrauch eines RF-Transceivers in einem Empfangsmodus
sehr hoch ist, so dass es vorkommen kann, dass eine Batterie innerhalb
weniger Tage geleert wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, mit denen der Energieverbrauch
gegenüber einem
kontinuierlichen aktivierten Betrieb eines RF-Transceivers verringert
werden kann.
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Eine
bekannte Lösung
ist das ”Media
Access Control (MAC) Lager Duty Cycle Scheduling”. Der in [1] beschriebene ”IEEE802.15.4
Low-Rate Wireless Personal Area Network”-Standard ist ein Beispiel hierfür. In einem
Master-Slave Star-Topologie-Netzwerk übermittelt der Master (zum
Beispiel ein Terminal) periodisch ein Signal-Frame (Beacon). Der
Beacon enthält
Synchronisations-Information und zeigt die Slave-Knoten (zum Beispiel
Transceiver) an, mit denen der Master in einer bestimmten Periode
kommunizieren möchte.
Die Slaves wachen periodisch auf, um den Beacon wahrzunehmen. Falls
anhängige
Pakete für
einen bestimmten Slave vorliegen, was in einem Beacon angezeigt
wird, oder falls ein Slave Pakete für den Master hat, kann der
Slave während des
Rests der Periode der Kommunikation aktiviert (”wach”) bleiben. Falls es kein Paket
gibt, geht der Slave in einen energiesparenden Schlafmodus über, bis
das nächste
Beacon von dem Master übermittelt wird.
Auf diese Weise weckt der Slave sein MAC-Modul und seinen RF-Transceiver
in jeder Periode für die
Länge eines
Beacon auf. Falls das Verhältnis
zwischen der Beacon-Länge
und der Periode, definiert als ”Dutt' Cycle”, sehr
gering ist (zum Beispiel 1%), sinkt der Energiebedarf des Slave-RF-Transceivers unter
der Randbedingung, dass keine Nutzdaten übertragen werden, um einen
Faktor von hundert. Der Nachteil dieses Mechanismus ist jedoch,
dass nur eine Star-Topologie
mit einem Master dieses Schema unterstützt, da mehrere Master mehrere
Beacons erzeugen, wodurch ein Slave, der alle Beacons wahrnimmt,
in Konfusion gebracht würde.
Ein anderer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass sowohl das MAC-Modul als auch der
RF-Transceiver zum Empfangen und Weiterleiten des Beacons aufgeweckt
werden müssen,
und zwar unabhängig
von Vorhandensein von übertragenen
Nutzdaten.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren ist das Gestalten eines Wake-up-by-Signal RF-Transceivers. Das
heißt,
dass wenn ein Terminal mit einem schlafenden Transceiver kommunizieren
will, er ein spezielles Aufwecksignal aussendet, welches den schlafenden
Transceiver aufwecken kann. Auf diese Weise wird ein Transceiver
auf nur Anfrage geweckt, anstatt periodisch geweckt zu werden, so
dass der Energieverbrauch verglichen mit dem Verfahren, bei dem
der schlafende Transceiver periodisch aufgeweckt wird, verringert
werden kann. Auch ist dieses Verfahren nicht auf eine bestimmte
Netzwerktopologie beschränkt.
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Idealerweise
bleibt der Transceiver zum Wahrnehmen des Wake-up Signals passiv. Allerdings kann ein
vollständig
passiver RF-Transceiver nur mit einem hohen Designaufwand erzeugt
werden, und es gibt bislang kein serienmäßig produziertes Produkt, das
diese Funktionalität
erfüllt.
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Ferner
ist das in [2] offenbarte ”Preamble-Sampling”-Schema
vorgeschlagen worden, das die beiden zuvor beschriebenen Verfahren miteinander
kombiniert. Gemäß diesem
Schema weckt jeder RF-Transceiver sich selbst für eine kurze Zeit auf, während welcher
der RF-Transceiver basierend auf einem Received-Signal-Strength-Indicator (RSSI)
detektiert, ob der Kanal belegt ist. Falls der Kanal belegt ist,
weckt der RF-Transceiver
andere Komponenten der Vorrichtung auf, um so das Signal auf dem
Kanal wahrzunehmen. Ansonsten bleibt er in einem schlafenden Zustand.
Dieses Detektionsverfahren kann als ”Abtasten” bezeichnet werden. Um ein
Paket an einen solchen RF-Transceiver zu schicken, das heißt den Kanal abzutasten,
muss ein Terminal zunächst
eine ”Wake-up-Präambel” (WUP) übermitteln,
mit einer Länge,
die größer ist
als die Abtastperiode, so dass sichergestellt ist, dass der abtastende
RF-Transceiver die Präambel
wahrnehmen kann und die Komponenten seiner Vorrichtung zum Empfangen
des Pakets aufwecken kann, welches der Präambel nachfolgt. Dieses Schema
wird als WUP-Schema bezeichnet. Das WUP-Schema ist kein echtes Wake-up-by-signal-Schema,
da der RF-Transceiver immer noch eine Periode hat, mit der er sich
selbst aufweckt. Allerdings ist die zum Abtasten erforderliche Zeit
gegenüber
dem Abhören
eines Signal-Frames gemäß dem IEEE802.15.4-Standard stark verkürzt. Ferner
kann das Abtasten mittels RSSI durch den RF-Transceiver allein ausgeführt werden,
ohne die Hilfe von anderen Modulen. Ein anderer Vorteil ist, dass
das WUP-Schema in einer beliebigen Topologie eingesetzt werden kann,
wie zum Beispiel eine Star-Mesh-Topologie mit mehreren Mastern (Terminals)
oder in einer Peer-to-Peer-Topology
ohne Master.
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Ein
Nachteil des WUP-Schemas ist seine geringe Effizienz hinsichtlich
des maximal erreichbaren Datendurchsatzes, aufgrund der Übermittlung
von langen Präambeln.
Die Länge
der Präambel
hängt von
der Abtastperiode ab, welche häufig
in der Größenordnung
von einigen 100 ms liegt. Allerdings ist eine Paketlänge in einem
drahtlosen Sensor-Netzwerk normalerweise ziemlich kurz und erfordert
nur einige 10 ms zum Übermitteln.
Folglich erzeugen Präambeln
einen Großteil
des Verkehrs (”Traffic”) auf diesem
Kanal, was den maximal erreichbaren Datendurchsatzes für eigentliche
Nutzpakete drastisch reduziert. Das ist der Grund, warum das WUP-Schema nur
für Netzwerke
mit sporadischem Traffic geeignet ist, bei denen der maximal erreichbaren
Datendurchsatzes kein kritischer Faktor ist. Ein anderer Nachteil des
WUP-Schemas ist die zusätzlich
benötigte
Energie, die mittels Sendens langer WUPs verbraucht wird.
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Daher
ist ein sogenanntes WiseMAC-Protokoll vorgeschlagen worden, dass
auf dem WUP-Schema basiert, und bei dem die Länge des WUPs verkürzt ist,
siehe [3]. Gemäß diesem
Protokoll speichert jede Vorrichtung die Abtast-Schemata seiner
Nachbarn, die an das zuletzt empfangene Paket von dem Nachbarn ”huckepack” angehängt sind. Auf
diese Weise kann eine kurze WUP verwendet werden, um einen Nachbarn
gemäß dem gespeicherten
Schema aufzuwecken. Allerdings bewirken Ungenauigkeiten der Taktsignale
(Clock-Signale) in den Vorrichtungen, dass zwischen den Vorrichtungen eine
Zeitdrift auftritt, so dass die Länge der Präambel verlängert werden muss, um die Zeitdrift
zu kompensieren, falls das Aufweckschema der Zielknoten bereits
vor einer beträchtlich
großen
Zeit empfangen worden ist.
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Das
WiseMAC-Protokoll erlaubt das Verwenden einer deutlich kürzeren Präambel, wodurch
einerseits die Kanalkapazität
erhöht
wird und andererseits Energie eingespart wird, die zum Senden einer langen
WUP erforderlich ist.
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Somit
kann mit dem WiseMAC-Protokoll eine kürzere Präambel verwendet werden, verglichen
mit der herkömmlichen
langen WUP. Allerdings werden die langen WUPs in vielen Fällen immer
noch benötigt.
Einerseits sollten die allerersten Pakete zwischen den Nachbarn
mit einem langen WUP gesendet werden. Andererseits kann die Kompensation
der Zeitdrift ein kurzes WUP deutlich länger machen, so dass die Länge bis
zu der Länge
der Abtastperiode erhöht
werden kann. Darüber
hinaus muss ein sog. Broadcast eine lange WUP verwenden, um alle Nachbarn
aufzuwecken. Abgesehen von der Broadcast/Multicast traffic in der
obersten Schicht, existieren Broadcast weit verbreitet in einem
Netzwerk mit mobilen Geräten
während
der Netzwerk-Discovery, Handshaking, Multihop-Routing, etc. Daher
ist eine große
Menge von langen WUPs unvermeidbar, wodurch Energie und Kanalkapazität verschwendet wird.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 1, 2 ein
Wake-up-Präambel-Schema 100 gemäß dem Stand
der Technik beschrieben.
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In 1 ist
ein Transmitter-Schema 110 gezeigt, das heißt eine
zeitliche Abfolge von Zuständen, wie
sie von einem Transmitter eingenommen werden. Ferner ist ein Receiver-Schema 120 gezeigt, das
heißt
eine zeitliche Abfolge von Signalen, wie sie zum RF-Abtasten von
einer Empfangs-Einrichtung eingenommen
wird. Darüber
hinaus ist ein FPGA-Schema 130 gezeigt,
das heißt
die zeitliche Abfolge des Betriebszustand eines FPGA (”field programmable
gate array”,
programmierbarer Logik-Schaltkreis, das heißt eine Struktur aus konfigurierbaren
Logikbausteinen, von denen jeder zum Beispiel als AND, OR, NOT,
XOR, etc. genutzt werden kann). Darüber hinaus ist in einem Microcontroller-Schema 140 die
zeitliche Abfolge der Betriebszustände eines Microcontrollers
gezeigt.
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Die
Empfangs-Einrichtung, das FPGA und der Microcontroller sind miteinander
gekoppelt und bilden eine Kommunikations-Einrichtung (zum Beispiel ein aktives
RFID-Tag), die kommunizierfähig
mit einer Steuer-Einheit (zum Beispiel ein Lesegerät) vorgesehen
ist.
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Wie
aus dem Transmitter-Schema 110 hervorgeht, sendet der Transmitter
einen Daten-Frame 112, nachdem er eine lange WUP 111 (”Wake-up-Preamble”) gesendet
hat. Wie aus dem Receiver- Schema 120 ersichtlich
ist, befindet sich der RF-Receiver alternierend in einem deaktivierten
Zustand 121 oder in einem aktivierten Zustand 122.
Der aktivierte Zustand 122 enthält einen RF-Setup-Zustand 123,
in welchem der Receiver für
einen aktivierten Zustand vorbereitet wird, und einen DRD-Zustand 124 (”data rate
detection”),
in dem der Receiver empfangsbereit ist. In diesem Empfangszustand
wertet der Transceiver das empfangene Signal z. B. anhand des RSSIs
und/oder der eingehenden Datenrate aus mit dem Ziel, das WUP zu
detektieren. Ist der Receiver während
des Sendens der WUP 111 in einem aktivierten Zustand 122,
so detektiert der RF-Transceiver
diese Präambel 111 und
weckt mit einem Aufweckkommando 150 das zuvor in einem
Energiesparzustand befindliche FPGA auf. Dadurch geht das FPGA von
einem deaktivierten Zustand 131 in einen aktivierten Zustand 132 über, wobei
zwischen dem deaktivierten Zustand 131 und dem aktivierten
Zustand 132 das FPGA kurzzeitig einen FPGA-Setup-Zustand 133 einnimmt.
Dann schaltet das FPGA den RF-Transceiver
von einem Self-Polling Modus (das heißt einem Modus, gemäß welchem
der Transceiver selbst sich zwischen einem aktivierten Zustand 122 und
einem deaktivierten Zustand 121 hin und her schaltet) in
einen Empfangsmodus zum Empfanges des Daten-Frames 112.
Dies erfolgt durch ein Aufweckkommando 151. Nach einem
solchen Aufweckkommando 151 geht der RF-Transceiver von
dem deaktivierten Zustand 121 über einen RF-Setup-Zustand 123 in
den Empfangsmodus 125 über.
Nachfolgend wird der Microcontroller aufgeweckt, um den Frame zu
prozessieren. Hierfür
wird der Microcontroller von einem deaktivierten Zustand 141 in
einen aktivierten Zustand 142 übergeführt, und zwar durch ein Aufweckkommando 152 des
FPGA. Zwischen dem deaktivierten Zustand 141 und dem aktivierten
Zustand 142 nimmt der Microcontroller kurzzeitig einen
Microcontroller-Setup-Zustand 143 ein.
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Der
RF-Transceiver, das FPGA und der Microcontroller haben eine jeweilige
Setup-Verzögerung 123, 133 bzw. 143.
Die Länge
des WUP 111 wird so berechnet, dass sie selbst für ein Worst-Case-Szenario ausreicht,
bei dem der Anfang des WUP 111 gerade ein DRD-Intervall 124 verpasst.
Ferner müssen die
Setup-Verzögerungen 123, 133, 143 der
Komponenten berücksichtigt
werden.
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Das
WUP-Schema 100 gemäß dem Stand der
Technik hat den Nachteil, dass, falls der RF-Transceiver eine gültige Datenrate
am Begin der WUP 111 detektiert, er das FPGA aufweckt und
das FPGA den RF-Transceiver so steuert, dass er in den Empfangsmodus übergeht.
Der RF-Transceiver und das FPGA müssen eine relativ lange Zeit
warten, bevor sie den Daten-Frame 112 empfangen, wie in
dem gestrichelten Verlustbereich 201 aus 2 gezeigt.
Da diese Wartezeit im Mittel ungefähr die Hälfte der Abtastperiode ist,
die in dem Bereich von einigen 100 ms liegen kann, wird im Verlustbereich 201 eine
große
Menge von elektrischer Energie von dem RF-Transceiver und von dem
FPGA verbraucht. Somit sind die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
für eine
Kommunikation zwischen einer Kommunikations-Einrichtung und einer
Steuer-Einrichtung nicht geeignet, mit genügend geringem Energiebedarf
betrieben zu werden.
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In
[4] wird ein Verfahren zur periodischen Funkübertragung der Messdaten einer
Mehrzahl von Messgeräten
auf einen gemeinsamen Empfänger beschrieben.
Um die Stromaufnahme des Empfängers
zu verringern wird der Empfänger
nur in einem Zeitfenster in Empfangsbereitschaft versetzt, wenn die Übertragung
der Messdaten eines bestimmten Messgerätes erwartet wird.
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In
[5] wird ein Verfahren zum Betrieb eines insbesondere bidirektionalen
Funksystems mit Sendern, Empfängern
und Sendeempfängern
beschrieben, welches sich dadurch auszeichnet, dass unterschiedliche
Empfänger
bzw. Empfängerklassen
des Systems beim _Auftreten eines definierten diesen Empfängern bzw.
Empfängerklassen
zugeordneten Charakteristikums des empfangenen Funksignals/-telegramms aus einem
Stand-by-Modus versetzt werden, um die Standzeit batteriebetriebener Geräte des Funksystems
zu erhöhen.
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In
[6] wird die Übermittlung
von digitalen Daten durch Aussenden von Datenpaketen von einem Sender
an einen oder mehrere Empfänger,
deren Empfangseinrichtung zeitweise inaktiv ist, beschrieben, wobei
der Sender ein Datenpaket abstrahlt, aus dem der Empfänger eine
Wartzeit bestimmen kann, die unmittelbar an das Datenpaket anschließt und während derer
keine ihn betreffenden Daten gesendet werden, und der Empfänger aus
dem Datenpaket die Wartzeit bestimmt und unmittelbar anschließend für die Dauer
dieser Wartezeit seine Empfangseinrichtung deaktiviert.
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In
[7] wird ein Verfahren zum Betreiben eines zellularen Kommunikationsnetzwerks
beschrieben, bei dem Mobilstationen in einen Niedrigenergiemodus
versetzt werden können,
wenn sie keine Informationen empfangen.
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In
[8] wird ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Senders oder
Empfängers
in einem Kommunikationssystem beschrieben, wobei von einem Sender
an einen Empfänger
eine Meldung mit Informationen über
den Zeitpunkt einer späteren
Signals übermittelt
werden.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Kommunikations-Schema zwischen einer
Kommunikations-Einrichtung und einer Steuer-Einrichtung bereitzustellen,
welches eine Kommunikation mit einem verringerten Energiebedarf
erlaubt.
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Dieses
Problem wird durch eine Kommunikations-Einrichtung, durch eine Steuer-Einrichtung und
durch ein Kommunikations- System
mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Kommunikations-Einrichtung
ist derart eingerichtet, dass sie Prozessschritte ausführen kann,
bei denen sich die Kommunikations-Einrichtung selbst zeitlich alternierend
in einen aktivierten Zustand oder in einem deaktivierten Zustand
bringt. Ferner empfängt
die Kommunikations-Einrichtung in einem ersten Betriebszustand des aktivierten
Zustands Zeitinformationen. Die Kommunikations-Einrichtung ermittelt
basierend auf der empfangenen Zeitinformation, zu welchem späteren Zeitpunkt
der Kommunikations-Einrichtung Nutzinformation übermittelt wird. Ferner empfängt die
Kommunikations-Einrichtung in einem zweiten Betriebszustand des
aktivierten Zustands zu dem späteren Zeitpunkt
die Nutzinformation.
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Darüber hinaus
ist erfindungsgemäß eine Steuer-Einrichtung
zum Steuern einer Kommunikations-Einrichtung geschaffen, die derart
eingerichtet ist, dass sie einer Kommunikations-Einrichtung zeitlich alternierend Zeitinformation
und Nutzinformation übermittelt,
wobei basierend auf der Zeitinformation ermittelbar ist, zu welchem
späteren
Zeitpunkt Nutzinformation übermittelt
werden wird.
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Ferner
ist erfindungsgemäß ein Kommunikations-System
mit mindestens einer Kommunikations-Einrichtung mit den oben beschriebenen
Merkmalen und mit einer Steuer-Einrichtung mit den oben beschriebenen
Merkmalen zum Kommunizieren mit der mindestens einen Kommunikations-Einrichtung geschaffen.
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Eine
Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei einer Kommunikation
zwischen einer Kommunikations-Einrichtung und einer Steuer-Einrichtung
von der Steuer-Einrichtung die Information übermittelt wird, zu welchem
späteren
Zeitpunkt Nutzinformation übermittelt
werden wird. Die Kommunikations-Einrichtung
selbst fragt von Zeit zu Zeit ab, ob von einer Steuer-Einrichtung
Signale übermittelt
werden. Hierfür
wird die Kommunikations-Einrichtung zeitweise in einen aktivierten
Zustand gebracht, wobei sie den Rest der Zeit in einem energiesparenden
deaktivierten Zustand verbleibt. Die Kommunikations-Einrichtung
kann in dem aktivierten Zustand Zeitinformationen empfangen, basierend
auf welcher sie ermitteln kann, zu welchem späteren Zeitpunkt Nutzinformation übermittelt
werden wird. Die Kommunikations-Einrichtung kann dann in einem deaktivierten
Zustand verbleiben, bis das Zeitintervall zum Übermitteln von Nutzinformation
verstrichen ist. Mit anderen Worten ist basierend auf der ermittelten Restzeitspanne
bis zum Senden der Nutzinformation ein energiesparender Betrieb
der Kommunikations-Einrichtung möglich,
da sich die Kommunikations-Einrichtung die verbleibende Restzeit
so einteilen kann, dass ein energieverbrauchender (aktivierter)
Betriebszustand auf solche Zeitintervalle beschränkt wird, in denen der aktivierte
Zustand unerlässlich
ist, nämlich
das Zeitintervall zum Übermitteln der
Nutzinformation. In anderen Zeitintervallen wird ansonsten nutzlos
verschwendete Energie eingespart, indem zumindest ein Teil der Kommunikations-Einrichtung zumindest
für einen
Teil der übrigen Zeit
in einen deaktivierten Zustand gebracht werden kann. Mit der Information,
zu welchem Zeitpunkt das nächste
Mal relevante Nutzinformation übermittelt werden
wird, kann die Kommunikations-Einrichtung rechtzeitig wieder in
den aktivierten Zustand übergehen
und die Nutzinformation detektieren.
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Insbesondere
zum Zusammenwirken mit einer solchen Kommunikations-Einrichtung
ist die erfindungsgemäße Steuer-Einrichtung geschaffen
und derart eingerichtet, dass sie vor dem Übermitteln von Nutzinformation
Zeitinformation an die Kommunikations-Einrichtung überträgt, in welcher
die Information kodiert ist, zu welchem späteren Zeitpunkt Nutzinformation übermittelt
wird.
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Vorteilhafte
Energiesparaspekte der Erfindung sind in dem gepulsten Betrieb der
Kommunikations-Einrichtung zwischen dem aktivierten Zustand und
dem deaktivierten Zustand zu sehen, und in der Tatsache, dass sich
die Kommunikations-Einrichtung rechtzeitig wieder in einen aktivierten
Zustand bringen lässt,
wenn zu detektierende Nutzinformation übermittelt wird.
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Somit
ist anschaulich ein Niedrig-Energie ”MAC-layer Wake-up-Frame”-Schema
insbesondere für
drahtlose Netzwerke geschaffen. Anders ausgedrückt führt die Erfindung ein Kommunikationsschema
ein, mit dem der Energiebedarf eines RF-Transceivers einer Kommunikations-Einrichtung
verringert werden kann und die es daher erlaubt, dass viele Vorrichtungen
in eine ubiquitäre
Computerumgebung eingebettet werden können. Die Erfindung kann im Rahmen
einer Star-Topologie
oder einer Star-Mesh-Topologie als Netzwerk-Topologie mit Terminals als Zentralknoten
für die
Stars implementiert werden. In einem solchen Netzwerk kann häufig angenommen
werden, dass der Energiebedarf der Terminals unkritisch ist, wohingegen
der Energiebedarf von einzelnen Kommunikations-Einrichtungen kritisch
ist, aber erfindungsgemäß mit sehr
geringem Energiebedarf realisierbar ist.
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Anschaulich
kann erfindungsgemäß das WUP-Schema
so optimiert werden, dass ein noch geringerer Energiebedarf erreicht
wird. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise
ein Wake-up-Frame (WUF) anstelle einer Wake-Up-Preamble (WUP) verwendet,
um den Energieverbrauch signifikant zu verringern, der durch eine
lange WUP entsteht.
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Das
WUF-Schema der Erfindung kann basierend auf einem Standardprodukt
von Infineon realisiert werden, nämlich dem RF-Transceiver TDA 525x
als Kommunikations-Einrichtung. Ein solcher TDA RF-Transceiver hat
eine ”date
rate detection”-Funktion (DRD), welche
ein Signal mit einer bestimmten Datenrate detektieren kann, in der Übermittlungszeit
von 3 bit, und die einen Ausgabepuls erzeugen kann, der zum Aufwecken
anderer Hardware-Module wie zum Beispiel eines FPGAs verwendet werden
kann. Ferner hat ein solcher TDA einen sogenannten Self-Polling-Modus,
in dem er sich selbst periodisch zwischen einem Schlafzustand und einem
DRD-Zustand (das heißt
einem aktivierten Zustand) ohne die Hilfe anderer Komponenten hin
und her schalten kann. In dem DRD-Modus kann entweder eine einfache
Wake-up-Präambel
detektiert werden (das heißt
eine alternierende Signalsequenz mit einer bestimmten Datenrate)
oder Manchester-kodierte Datensignale (”Manchester encoded data signal”). Letzteres
wird zum Übermitteln
der Information in dem Wake-up-Frame verwendet.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Im
Weiteren werden Ausgestaltungen der Kommunikations-Einrichtung beschrieben.
Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Steuer-Einrichtung und
für das
Kommunikations-System.
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Die
Kommunikations-Einrichtung kann derart eingerichtet sein, dass sie
sich selbst periodisch in einen aktivierten Zustand oder in einen
deaktivierten Zustand bringt. Somit kann die Kommunikations-Einrichtung
sich zwischen zwei Betriebszuständen
zeitlich periodisch hin- und hergeschaltet werden, nämlich in
einem möglichst
kurzen aktivierten energieverbrauchenden Zustand und in einem möglichst
langen deaktivierten energiesparenden Zustand.
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Die
Kommunikations-Einrichtung kann eine Taktgeber-Einrichtung (Clock-Einrichtung) aufweisen,
mittels welcher sich die Kommunikations-Einrichtung selbst zeitlich
alternierend in einen aktivierten Zustand oder einen deaktivierten
Zustand bringt. Eine solche Clock-Einrichtung kann als ”Real Time Clock”-Einrichtung
(Echtzeituhr) eines integrierten Schaltkreises realisiert sein.
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Die
Kommunikations-Einrichtung kann eine Empfangs-Einrichtung aufweisen,
mittels welcher die Kommunikations-Einrichtung in den ersten Betriebszustand
zum Empfangen von Zeitinformation gebracht wird, wenn ein empfangenes
Signal eine Stärke
aufweist, die einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Eine solche Empfangs-Einrichtung,
die einen RF-Transceiver enthalten kann, kann als Kriterium für einen Übergang
in einen Empfangs-Modus zum Empfangen von Zeitinformation verwenden, dass
ein empfangenes Signal eine Mindeststärke aufweist, zum Beispiel
eine ”Received
Signal Strength Indicator” (RSSI)
Schwelle überschreitet.
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Ferner
kann bei der Kommunikations-Einrichtung mittels der Empfangs-Einrichtung
die Kommunikations-Einrichtung in dem ersten Betriebszustand zum
Empfangen von Zeitinformation gebracht werden, wenn ein empfangenes
Signal eine Datenrate aufweist, die sich von einer Referenzdatenrate
um weniger als einen vorgebbaren Schwellwert unterscheidet. Somit
kann als Kriterium, gemäß welchem entschieden
wird, ob die Kommunikations-Einrichtung in den aktivierten Zustand
zum Empfangen der Zeitinformation übergeht oder nicht, nicht nur
die Intensität
eines entsprechenden Signals verwendet werden, sondern auch eine
einstellbare Datenrate bzw. mehrere einstellbare Datenraten. Durch
dieses zusätzliche
Entscheidungskriterium ist eine höhere Zuverlässigkeit bei der Entscheidung
ermöglicht,
ob eine Aktivierung stattfinden soll oder nicht.
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Die
Kommunikations-Einrichtung kann eine Logik-Einrichtung aufweisen,
mittels welcher die Kommunikations-Einrichtung in den ersten Betriebszustand
zum Empfangen von Zeitinformation gebracht wird, wenn basierend
auf empfangener Adressierinformation festgestellt ist, dass die
Kommunikations-Einrichtung von einem empfangenen Signal adressiert
wird.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung kann zunächst von
der Empfangs-Einrichtung
ermittelt werden, ob überhaupt
ein zu empfangenes Signal vorliegt, das heißt ob möglicherweise Zeitinformation
zu erfassen ist. Ist dies der Fall, so kann ein Signal von der Logik-Einrichtung
erfasst werden, und aus diesem Signal die Information entnommen
werden, ob ein möglicherweise
auszuwertendes Zeit- bzw. Nutzinformationssignal überhaupt
der jeweiligen Kommunikations-Einrichtung zugehörig ist. Hierfür kann ein
FPGA (”field
programmable gate array”),
das heißt
eine Anordnung von programmierbaren bzw. konfigurierbaren Logikzellen,
verwendet werden, welches die aufgenommene Adressierinformation
dahingehend auswertet, ob mit dieser die Kommunikations-Einrichtung
angesprochen werden soll.
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Die
Empfangs-Einrichtung kann derart eingerichtet sein, dass sie zum Überführen der
Kommunikations-Einrichtung in den ersten Betriebszustand die Logik-Einrichtung
von einem deaktivierten Zustand in einen aktivierten Zustand bringt.
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Die
Logik-Einrichtung kann derart eingerichtet sein, dass sie bei der
Feststellung, dass die Kommunikations-Einrichtung von dem empfangenen
Signal adressiert wird, die Empfangs-Einrichtung zum Empfangen der Zeitinformation
aktiviert. Anders ausgedrückt
kann zunächst
die Empfangs-Einrichtung feststellen, ob möglicherweise ein die Kommunikations-Einrichtung betreffendes
Signal vorliegt. Ist dies der Fall, so aktiviert die Empfangs-Einrichtung
die Logik-Einrichtung, so dass die Logik-Einrichtung ermitteln kann,
ob mit dem empfangenen Signal die bestimmte Kommunikations-Einrichtung
angesprochen wird oder nicht. Ist dies der Fall, so aktiviert die
Logik-Einrichtung die Empfangs-Einrichtung, so dass die Empfangs-Einrichtung
in einen Empfangs-Betriebszustand zum Empfangen von Zeitinformation gebracht
wird.
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Nach
dem Ermitteln, zu welchem späteren Zeitpunkt
Nutzinformation ermittelt werden wird, und vor dem Empfangen der
Nutzinformation kann die Empfangs-Einrichtung und/oder die Logik-Einrichtung
deaktiviert sein oder werden.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung kann Energie eingespart werden, indem die Empfangs-Einrichtung und/oder
die Logik-Einrichtung in einen Low-Power-Zustand gebracht werden,
in einem Zeitintervall, der zwischen dem Ermitteln des Zeitpunktes
der späteren Übermittlung
von Nutzinformation und dem Zeitpunkt des Übermittelns der Nutzinformation
liegt. In diesem Zeitintervall kann das System sicher sein, dass
kein Nutzsignal übermittelt
werden wird, welches Nutzinformation für die Kommunikations-Einrichtung
enthält.
Daher kann oder können
die Empfangs-Einrichtung und/oder die Logik-Einrichtung unter Ausnutzung der zuvor
gewonnenen Zeitinformation abgeschaltet werden, und es kann ein
unnützes Verbrauchen
von Energie in einem solchen Warteintervall vermieden werden.
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Bei
der Kommunikations-Einrichtung kann eine Prozessor-Einheit vorgesehen
sein, die zum Verarbeiten empfangener Nutzinformation eingerichtet
ist. Eine solche CPU (zum Beispiel ein Microcontroller) kann mit
einer zu dem späteren
Zeitpunkt aufgenommenen Nutzinformation versorgt werden und diese
auswerten.
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Die
Prozessor-Einheit kann derart eingerichtet sein, dass sie erst nach
Empfangen der Nutzinformation aktiviert wird. Eine solche Prozessor-Einheit hat
die Aufgabe, die empfangene Nutzinformation auszuwerten. Daher wird
die Funktionalität
der Kommunikations-Einrichtung nicht tangiert, wenn die Prozessor-Einheit
erst nach dem Empfangen der Nutzinformation eingeschaltet wird.
Dadurch kann in dem davor ablaufenden Prozess des Ermittelns von
Zeitinformation und des Überprüfens, ob
eine bestimme Information für
die bestimmte Kommunikations-Einrichtung bestimmt ist, abgeschaltet
bleiben, wodurch die Energie zum Versorgen der Prozessor-Einheit eingespart
wird.
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Insbesondere
kann die Logik-Einrichtung derart eingerichtet sein, dass sie die
Prozessor-Einheit erst nach Empfangen der Nutzinformation aktiviert.
Gemäß dieser
Ausgestaltung sendet die Logik-Einrichtung an die Prozessor-Einheit
ein Aktivier-Signal,
wenn die Nutzinformation korrekt empfangen ist und die Prozessor-Einheit
zum Auswerten der empfangenen Nutzinformation benötigt wird.
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Die
Kommunikations-Einrichtung der Erfindung kann zur drahtlosen Kommunikation,
das heißt ohne
durchgehende elektrische Verbindung, eingerichtet sein. Somit eignet
sich die Kommunikations-Einrichtung der Erfindung gemäß dieser
Ausgestaltung insbesondere dazu, mittels elektromagnetischer Wellen
(zum Beispiel im Hochfrequenzbereich) angesteuert zu werden.
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Die
Kommunikations-Einrichtung der Erfindung kann als Hochfrequenz-Transceiver,
insbesondere als aktives Radio Frequency Identification Tag (RFID-Tag)
eingerichtet sein. Ein aktives RFID-Tag enthält üblicherweise eine Batterie,
eine Antenne, einen Schaltkreis zum Empfangen und Senden elektromagnetischer
Wellen (Transceiver) und einen Signalverarbeitungs-Schaltkreis.
Ein solcher RFID-Tag ist somit häufig
aus einem kleinen Siliziumchip aufgebaut, der an eine auf einem
Plastikträger
aufgebrachte Antenne angeschlossen ist. Ein RFID-Tag ermöglicht es,
kontaktlos Daten lesen bzw. speichern zu können. Solche Daten können auf
einem RFID-Tag gespeichert werden.
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Die
Kommunikations-Einrichtung der Erfindung kann derart eingerichtet
sein, dass einzelne Komponenten voneinander unabhängig in
einen aktivierten Zustand oder in einen deaktivierten Zustand bringbar
sind. Gemäß dieser
Ausgestaltung ist ein besonders energiearmer Betrieb der Kommunikations-Einrichtung
möglich,
da durch das Aufteilen der Kommunikations-Einrichtung in unterschiedliche Funktionskreise
jeweils nur ein tatsächlich
aktuell benötigter
Funktionskreis mit elektrischer Energie versorgt werden kann, wohingegen
gerade nicht benötigte
Funktionskreise abgeschaltet sein können. Zum Beispiel kann während des
Ermittelns der Zeitinformation der Microcontroller abgeschaltet
bleiben, wohingegen in diesem Zeitraum eine Aktivierung von Empfangs-Einrichtung
und/oder Logik-Einrichtung erforderlich ist. Durch das Aufteilen
der Kommunikations-Einrichtung in unterschiedliche Module mit jeweils
separater Energieversorgung ist die benötigte Energie minimierbar.
-
Im
Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Steuer-Einrichtung
beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Kommunikations-Einrichtung
und für
das Kommunikations-System.
-
Die
Steuer-Einrichtung kann derart eingerichtet sein, dass die Zeitinformation
in mindestens zwei nacheinander übermittelbare
Zeitinformationsblöcke
aufgeteilt ist, wobei basierend auf einem jeweiligen der Zeitinformationsblöcke ermittelbar
ist, welche Restzeit ab dem Zeitpunkt des Übermittelns des jeweiligen
Zeitinformationsblocks bis zu dem Übermitten der Nutzinformation
verbleibt. Das Aufteilen der Zeitinformation in eine Mehrzahl von
sukzessive zu übermittelnden
Zeitinformationsblöcke
ermöglicht
es, dass auch dann ein Rückschluss
auf den Zeitpunkt des Übermittelns
von Nutzinformation gezogen werden kann, wenn zum Beispiel nur eine
der Mehrzahl von Zeitinformationsblöcken während eines Aktivierungszustands
der Empfangs-Einrichtung detektiert wird. Ist dies der Fall, so
kann die Empfangs-Einrichtung
bzw. die Kommunikations-Einrichtung ermitteln, welche Zeit noch
verbleibt, bis Nutzinformation übermittelt wird.
Anschaulich kann mittels aufeinanderfolgender Zeitinformationsblöcke eine
Art Countdown für
den nächsten Übermittlungszyklus von
Nutzinformation erfolgen.
-
Anhand
eines jeweiligen der Zeitinformationsblöcke kann die Position dieses
Zeitinformationsblocks innerhalb der Zeitinformationsblöcke ermittelt werden.
-
Insbesondere
kann die Steuer-Einrichtung derart eingerichtet sein, dass vor der
Zeitinformation und/oder zwischen aufeinanderfolgenden Zeitinformationsblöcken ein
Synchronisationsblock übermittelbar
ist, wobei basierend auf dem Synchronisationsblock ermittelbar ist,
dass auf den Synchronisationsblock folgende Zeitinformation übermittelt
wird. Dadurch kann die Zeitinformation hinsichtlich des darin enthaltenen
Datenstroms aufgeteilt sein in alternierende Datenblöcke aus
Zeitinformationsblöcken und
Synchronisationsblöcken.
Ferner kann vor der Zeitinformation und/oder zwischen aufeinanderfolgenden
Zeitinformationsblöcken
ein Adressierblock übermittelt
werden, wobei basierend auf dem Adressierblock ermittelt wird, dass
eine bestimmte Kommunikations-Einrichtung adressiert wird.
-
Mittels
einer solchen Adressierinformation kann von einer Kommunikations-Einrichtung
ermittelt werden, ob ein Signal einer Steuer-Einrichtung an sie gerichtet
ist oder möglicherweise
an eine andere Kommunikations-Einrichtung. Eine solche Ausgestaltung
kann zum Beispiel im Rahmen einer ”Smart House” Umgebung
vorteilhaft sein, wo zum Beispiel ein Laptop-Computer als Steuer-Einrichtung
mehrere Kommunikations-Einrichtungen simultan ansteuert, zum Beispiel eine
Temperatursteuerung, einen Schalter und einen Drucksensor.
-
Die
Steuer-Einrichtung kann zum Beispiel als Desktop Computer, als Laptop
Computer oder als Personal Digital Assistant (PDA) eingerichtet
sein. Eine solche Steuer-Einrichtung
ist häufig
unkritisch hinsichtlich ihres Energieverbrauchs, da ein Benutzer wenig
Aufwand hat, eine solche zentrale Steuer-Einrichtung mit elektrischer
Energie zu versorgen, wohingegen das häufige Batteriewechseln bei
einer Vielzahl von Kommunikations-Einrichtungen aufwendig und daher
in der Benutzung unkomfortabel ist.
-
Im
Weiteren werden Ausgestaltungen des Kommunikations-Systems beschrieben.
Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Kommunikations-Einrichtung
und für
die Steuer-Vorrichtung.
-
Das
Kommunikations-System kann eine Mehrzahl von Kommunikations-Einrichtungen
mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweisen. In einem solchen
Szenario kann zum Beispiel eine einzige Steuer-Vorrichtung eine
Mehrzahl von Kommunikations-Einrichtungen zentral steuern.
-
Das
Kommunikations-System kann als Master-Slave-System eingerichtet
sein, bei dem die Steuer-Vorrichtung als Master und bei dem die
mindestens eine Kommunikations-Einrichtung als Slave eingerichtet
ist. Eine solche Master-Slave-Architektur
ist aus einem Master, nämlich
der Steuer-Vorrichtung, und
einer Mehrzahl von Slaves, nämlich
den Kommunikations-Einrichtungen gebildet.
-
Alternativ
kann die Steuer-Einrichtung und die mindestens eine Kommunikations-Einrichtung
ein Peer-to-Peer-System bilden. Bei einem Peer-to-Peer-System sind
die einzelnen Instanzen gleichberechtigt, das heißt es erfolgt
eine Kommunikation ”unter
Gleichen”.
Der Gegensatz zu einer Peer-to-Peer-Kommunikation
ist eine Master-Slave-Kommunikation. Somit können bei dem Kommunikations-System
der Erfindung auch mehrere Kommunikations-Einrichtungen miteinander
zusammenwirken, wobei mindestens eine der Kommunikations-Einrichtungen die
Funktionalität
der erfindungsgemäßen Steuer-Einrichtung übernimmt.
Zum Beispiel kann an alle Nachbarn einer Kommunikations-Einrichtung
ein entsprechendes Steuersignal übermittelt
werden, wobei dann die sendende Instanz die Steuer-Vorrichtung und
die Zielinstanz die Kommunikations-Einrichtung des Kommunikations-Systems
bilden. Somit ist die Erfindung nicht auf eine hierarchische Kommunikations-Architektur
beschränkt.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des Kommunikations-Systems ist die Steuer-Vorrichtung eine
Haushaltssteuerungs-Vorrichtung
und jede der mindestens einen Kommunikations-Einrichtung ist ein Haushaltsgerät. Daher
eignet sich das Kommunikations-System der Erfindung für eine ”Smart House” Umgebung,
das heißt
ein Haushaltssteuerungs-System mit einer (oder mehreren) zentralen Steuer-Vorrichtung(en)
zum Steuern einer Vielzahl von dezentralen Instanzen, nämlich einer
Mehrzahl von Kommunikations-Einrichtungen (Temperatursensor, Drucksensor,
Schalter, etc.).
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Wake-up-Präambel-Schema
gemäß dem Stand
der Technik,
-
2 eine
andere Darstellung des Wake-up-Präambel-Schemas gemäß dem Stand
der Technik aus 1,
-
3 ein
Kommunikations-System gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
4 ein
Wake-up-Frame-Schema gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
5 eine
andere Darstellung des in 4 gezeigten
Wake-up-Frame-Schemas gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen.
-
Die
Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 3 ein Kommunikations-System 300 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Das
Kommunikations-System 300 ist gebildet aus einer Kommunikations-Einrichtung 310 und aus
einer Steuer-Einrichtung 350.
-
Wie
im Weiteren näher
beschrieben wird, ist die Steuer-Einrichtung 350 derart
eingerichtet, dass sie der Kommunikations-Einrichtung 310 zeitlich
alternierend Zeitinformation und Nutzinformation übermitteln
kann, wobei basierend auf der Zeitinformation von der Kommunikations-Einrichtung 310 ermittelbar ist,
zu welchem späteren
Zeitpunkt das nächste
Mal Nutzinformation übermittelt
werden wird. Die Steuer-Einrichtung 350 ist gebildet aus
einer Steuer-Einheit 351 und einer damit gekoppelten Sendeantenne 352.
Mittels der Steuer-Einheit 351 werden die von der Sendeantenne 352 abzustrahlenden
Signale gebildet, welche in Form einer Hochfrequenzsignals abgestrahlt
werden können.
Mit diesem Signal kann die Kommunikations-Einrichtung 310 gesteuert
werden.
-
Die
Kommunikations-Einrichtung 310 enthält einen integrierten Schaltkreis,
der auf einem Kunststoffträger 311 gebildet
ist. Dieser integrierte Schaltkreis ist mit einer Antenne 321 gekoppelt,
mittels welcher wechselseitig elektromagnetische Strahlung mit der
Antenne 352 der Steuer-Einrichtung ausgetauscht werden
kann. Der Kunststoffträger 311 kann an
einer zu steuernden Instanz befestigt werden bzw. elektrisch mit
dieser gekoppelt werden. Zum Beispiel kann die zu steuernde Instanz
ein Temperatursensor sein, welcher von der Steuer-Einrichtung 350 angesteuert
und ausgelesen werden kann. Somit kann die Steuer-Einrichtung 350 sowohl
die Funktionalität
des Temperatursensors steuern als auch Signale des Temperatursensors
auslesen.
-
Das
Kommunikations-Protokoll, mittels welchem die Steuer-Einrichtung 350 und
die Kommunikations-Einrichtung 310 kommunizieren, basiert
darauf, dass vor dem eigentlichen Übermitteln von Nutzinformation
zum Steuern bzw. zum Auslesen der Kommunikations-Einrichtung 310 die
Steuer-Einrichtung 350 der Kommunikations-Einrichtung 310 Zeitinformation übermittelt,
welche von der Kommunikations-Einrichtung 310 detektierbar
ist, und aus welcher hervorgeht, welche Restzeit bis zum Übermitteln
des nächsten
Datensignalblocks verbleibt. Auf diese Weise kann sich die Kommunikations-Einrichtung 310 darauf
einrichten, zu welchem späteren Zeitpunkt
Nutzsignale übermittelt
werden, was insbesondere für
die Planung des Energiebedarfs und die Realisierung eines besonders
energiearmen Betriebsmodus der Kommunikations-Einrichtung 310 vorteilhaft
ist. Denn die Kommunikations-Einrichtung 310 kann in solchen
Zeiträumen,
in denen aufgrund der übermittelten
Zeitinformation nicht mit einem Übermitteln
von Nutzinformation zu rechnen ist, solche Module abschalten, die
gegenwärtig
nicht benötigt
werden. Dadurch kann der Energiebedarf der Kommunikations-Einrichtung 310 verringert
werden.
-
Die
Kommunikations-Einrichtung 310 weist im wesentlichen vier
Funktionsblöcke
auf, die im Weiteren näher
beschrieben werden. Eine ”Real
Time Clock”-Funktionseinheit 315 stellt
eine Echtzeituhr dar, welche ein zeitgesteuertes Aktivieren der
Kommunikations-Einrichtung 310 bewerkstelligt.
-
Darüber hinaus
ist eine RF-Transceiver-Funktionseinheit 320 vorgesehen,
mit einer Antenne 321, die elektromagnetische Strahlung
von der Sendeantenne 352 empfangen kann und elektromagnetische
Strahlung (an die Sendeantenne 352) senden kann. Darüber hinaus
ist in der RF-Transceiver-Funktionseinheit 320 eine
Modulationseinheit 322, eine RSSI-Einheit 323 (”Received
Signal Strength Indicator”),
eine Wake-up-Logik-Einheit 324, eine Internal-Time-Einheit 325 und
eine serielle I/O-Einheit 326 vorgesehen.
-
Darüber hinaus
ist eine FPGA-Funktionseinheit 330 vorgesehen, die eine
Wake-up-Logik-Einheit 331, eine erste serielle I/O- Einheit 332,
eine zweite serielle I/O-Einheit 333 und eine MAC-Einheit 334 (”Media Access
Control”)
aufweist.
-
Eine
Microcontroller-Funktionseinheit 340 enthält eine
Energiesteuer-Einheit 341 und eine serielle I/O-Einheit 342.
-
Die
Modulations-Einheit 322 ist mit der RSSI-Einheit 323,
der Antenne 321 und der seriellen I/O-Einheit 326 gekoppelt.
Ferner ist die RSSI-Einheit 323 mit der Wake-up-Logik 324,
mit der Internal-Timer-Einheit 325, und mit der Modulationseinheit 322 gekoppelt.
Die Wake-up-Logik 324 ist mit der Wake-up-Logik-Einheit 331 gekoppelt.
Ferner ist die Wake-up-Logik-Einheit 331 mit der Real Time
Clock-Funktionseinheit 315 gekoppelt.
Die Wake-up-Logik-Einheit 331 ist mit der MAC-Einheit 334 gekoppelt.
Ferner ist die MAC-Einheit 334 mit
der ersten seriellen I/O-Einheit 332 gekoppelt, die mit
der seriellen I/O-Einheit 326 gekoppelt ist. Die MAC-Einheit 334 ist
darüber
hinaus mit der zweiten seriellen I/O-Einheit 333 gekoppelt.
Die zweite serielle I/O-Einheit 333 ist
mit der seriellen I/O-Einheit 342 gekoppelt. Die Energiesteuerung 341 ist
mit der Wake-up-Logik-Einheit 331 gekoppelt.
-
Die
Kommunikations-Einrichtung 310 enthält drei Energiekreise, nämlich eine
Power-Domäne
1, welche den Energiekreislauf innerhalb der RF-Transceiver-Funktionseinheit 320 darstellt,
einer Power-Domäne
2, welche die Energieversorgung innerhalb der FPGA-Funktionseinheit 330 darstellt
und eine Power-Domäne
3, welche die Energieversorgung innerhalb der Microcontroller-Funktionseinheit 340 darstellt.
-
Somit
ist in 3 die Hardware-Architektur der Erfindung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kommunikations-Systems 300 dargestellt.
-
Für das WUP/WUF-Schema
ist die in 3 gezeigte Hardware-Konfiguration eine
geeignete Plattform und enthält
innerhalb der Kommunikations-Einrichtung 310 vier Funktionseinheiten,
nämlich den
RF-Transceiver 320, das FPGA 330, den Microcontroller 340 und
die Real Time Clock (RTC) 315.
-
Der
RF-Transceiver 320 hat einen internen Timer 325,
mittels welchem der RF-Transceiver 320 sich selbst periodisch
weckt, um einen Kanal von Signalen abzutasten. Dieser Operationsmodus
wird als Self-Polling-Mode (Selbstabstimmungsmodus) bezeichnet.
Bei dem Abtasten des Kanals wird ein WUP/WUF-Signal detektiert,
wenn das RSSI einen programmierbaren Schwellwert überschreitet,
was mittels der RSSI-Einheit 323 festgestellt werden kann.
Ferner wird ein WUP/WUF nur dann detektiert, wenn die demodulierte
Datenrate mit der spezifischen Datenrate, die für das WUP/WUF verwendet wird, übereinstimmt.
Diese Datenrate-Detektion (”Date
Rate Detection”,
DRD), welche innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls (3 bit-Intervall)
beendet werden kann, kann die Effizienz der Systemenergie signifikant
verbessern. Falls nur das RSSI-Kriterium als das Abtastkriterium
verwendet wird, können
unter ungünstigen
Umständen
normale Daten-Frames, große
Rauschsignale oder Signale von anderen Systemen, welche dasselbe
Frequenzband verwenden, die Vorrichtung ebenfalls unerwünscht aufwecken.
-
Wie
in 3 gezeigt, ist die Kommunikations-Einrichtung
in drei Energie-Domänen
aufgeteilt. Zunächst
tastet der RF-Transceiver 320 den
Kanal selbst in dem Self-Polling-Mode ab; danach, wenn eine gültige Datenrate
detektiert ist, wird das FGPA 330 zum Empfangen des Daten-Frames
aufgeweckt; wenn dann das Daten-Frame als diese Kommunikations-Einrichtung 310 adressierend
identifiziert ist, wird der Microcontroller 340 aufgeweckt,
um den Frame zu prozessieren. Mit diesem Power-Domain-Schema werden unterschiedliche
Komponenten nur bei Bedarf aufgeweckt, wodurch die Energieeffizienz
des Systems maximiert wird.
-
Eine
ohne Unterbrechung aktivierte RTC-Funktionseinheit 315 ist
für eine
Kommunikations-Einrichtung 310 sehr vorteilhaft, die in
einem Wireless-Sensor-Netzwerk für
verschiedene Zwecke eingesetzt wird.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 4, 5 ein
Wake-up-Frame-Schema 400 beschrieben,
das gegenüber
dem aus dem Stand der Technik bekannten Wake-up-Präambel-Schema 100 signifikant
verbessert ist.
-
Das
Wake-up-Frame-Schema 400 zeigt den Zeitverlauf von Signal-
bzw. Betriebszuständen
an verschiedenen Komponenten der Kommunikations-Einrichtung 310.
-
Ein
Transmitter-Schema 410 zeigt den Signalverlauf von Hochfrequenzsignalen,
die von der Steuer-Einheit 350 an die Kommunikations-Einrichtung 310 gesendet
werden. Die gesendeten Daten bilden einen Wake-up-Frame 414,
der typischerweise eine zeitliche Länge von etwa 500 ms aufweist. Zunächst werden
alternierend Synchronisationsblöcke 411 und
Zeitinformationsblöcke 412 gesendet, wobei
jeder der Zeitinformationsblöcke 412 einen
eigenen Zählerstand
(n, n – 1,
n – 2,
..., 1) aufweist, so dass die jeweilige Restzeit bis zum Übermitteln
eines Daten-Frames 413, das heißt von Nutzdaten, jedem der
Zeitinformationsblöcke 412 entnehmbar
ist. Zwei Zeitinformationsblöcke 412 sind
jeweils durch ein Synchronisationssignal 411 voneinander
getrennt.
-
Darüber hinaus
ist ein Receiver-Schema 420, das heißt ein zeitlicher Verlauf des
Betriebszustands der RF-Transceiver-Funktionseinheit 320 gezeigt.
Wie in dem Receiver-Schema 420 gezeigt, kann die RF-Transceiver-Funktionseinheit 320 in
einem deaktivierten Zustand 421 oder in einem aktivierten
Zustand 422 betrieben werden. In einem mittleren Bereich
des Wake-up-Frames 414 kann die RF-Transceiver-Funktionseinheit 320 in
einem RF-Sleep-Zustand 423 sein.
-
Ferner
ist in 4 ein FPGA-Schema 430 gezeigt, das den
zeitlichen Verlauf der Betriebszustände der FPGA-Funktionseinheit 330 zeigt.
Die FPGA-Funktionseinheit 330 kann in einem deaktivierten Zustand 431 oder
in einen aktivierten Zustand 432 befindlich sein. In einem
mittleren Bereich des Wake-up-Frames 414 kann die FPGA-Funktionseinheit 330 in
einem FPGA-Sleep-Zustand 433 sein.
-
Ein
Microcontroller-Schema 440 zeigt unterschiedliche Betriebszustände der
Microcontroller-Funktionseinheit 340. Diese kann in einem
deaktivierten Zustand 441 oder in einem aktivierten Zustand 442 befindlich
sein.
-
Unter ”aktivierter
Zustand” wird
hierbei verstanden, dass die jeweilige Funktionseinheit in diesem
Betriebszustand elektrische Energie verbraucht (die zum Beispiel
von einer Batterie bereitgestellt ist), wohingegen mit ”deaktivierter
Zustand” gemeint
ist, dass die jeweilige Funktionseinheit in diesem Betriebszustand
im Wesentlichen keine Energie verbraucht.
-
Im
Weiteren wird das Wake-up-Frame-Schema 400 näher beschrieben.
-
Das
Wake-up-Frame-Schema 400 ist gegenüber den aus der Stand der Technik
bekannten Kommunikations-Schemen zur Kommunikation zwischen einer
Kommunikations-Einheit und einer Steuer-Einrichtung verbessert.
Gemäß dem Wake-up-Frame-Schema 400 wird
vor einem Nutzdatenblock anstelle einer WUP (Wake-up-Preamble) ein
WUF 414 (Wake-up-Frame) gesendet. Der WUF 414 enthält eine
Mehrzahl von kurzen WUFs oder WUF-Bereichen (”Short Wake-up-Frame”, SWUF) 411 und 412. Jeder
SWUF 411 und 412 ist ein kompletter MAC-Frame
und enthält
ein Synchronisationsfeld 411 und einen Frame-Körper 412,
genauso wie ein normaler Daten-Frame. Allerdings wird eine solche SWUF 411 und 412 unter
Verwendung einer spezifischen Datenrate übermittelt, die unterschiedlich
von der ist, die für
den Daten-Frame verwendet wird. Daher bleibt ein DRD-Kreis ruhig (”quiet”), wenn
ein Daten-Frame ankommt, so dass die Wahrscheinlichkeit eines nicht
notwendigen Wake-up verringert ist.
-
Der
Frame-Körper
jedes SWUFs 411 und 412 enthält einen MAC-Header mit einer
eine Ziel-MAC-Adresse. Abgesehen davon gibt es ein eigenes Feld,
das die Position des gegenwärtigen SWUF 411 und 412 in
dem gesamten WUF 414 anzeigt, wie die Zahl in den Frame-Körpern in 4 zeigt
(SWUF n, SWUF n – 1,
SWUF n – 2,
..., SWUF 1). Falls ein Transceiver 320 eine korrekte Datenrate detektiert,
zum Beispiel bei dem (n – 1)-ten
SWUF 411 und 412 (eine erfolgreiche Detektion
muss nicht notwendigerweise in dem Synchronisationsfeld erfolgen
und kann auch in dem Frame-Körper
erfolgen), wird das FPGA 330 durch ein Aufweckkommando 451 aufgeweckt.
In der Folge davon weckt das FPGA 330 den RF-Transceiver 320 durch
ein Aufweckkommando 452 auf, und bringt den RF-Transceiver 420 dadurch
in den Empfangsmodus. Wenn das FPGA 320 einen kompletten
SWUF 411 und 412 mit einer korrekten CRC-Prüfsumme empfängt (”Cyclic
Redundant Check”),
zum Beispiel (n – 2)-ter
SWUF 411 und 412, wird die Ziel-MAC-Adresse geprüft. Falls der
WUF 414 nicht an diesen Transceiver adressiert ist, das
heißt
wenn mit dem WUF 414 nicht die Kommunikations-Einrichtung 310,
sondern irgendeine andere Kommunikations-Einrichtung, mit welche eine Lesevorrichtung
Kontakt aufnehmen will, adressiert wird, schaltet das FPGA 330 den
Transceiver 320 zurück
in den Self-Polling-Modus und schaltet sich selbst sofort aus. Mit
anderen Worten geht der Transceiver 320 dann in einen Betriebszustand über, in dem
er periodisch aktiviert und deaktiviert wird, wobei er während des
aktivierten Zustands einen Kanal nach Signalen abtastet und ansonsten
in einem deaktivierten Zustand von der Energiezufuhr abgeschaltet
ist und sich passiv verhält.
Falls allerdings der WUF 414 an diese Kommunikations-Einrichtung 310 adressiert
ist, kann das FPGA 330 anhand des Positionsfelds erkennen,
dass noch (n – 3)
SWUF 411 und 412 bis zu dem Daten-Frame 413 fehlen.
Da das FPGA 330 auch die Länge und die Datenrate des SWUF 411 und 412 enthält, kann
die verbleibende Restzeit bis zum Ende der Übermittlung des gesamten WUF 414 berechnet
werden. Diese Zeit kann als x (zum Beispiel in Millisekunden) bezeichnet
werden. Ferner kann die RF-Setup-Zeit 424 und die FPGA-Setup-Zeit 425 von
x subtrahiert werden, um einen Wert y zu bestimmen. Falls y > 0 ist, schaltet das FPGA 330 den
RF-Transceiver 320 mit einem Ausschaltkommando 456 in
einen RF-Schlafzustand 423, setzt mit einem Set-RTC-Kommando 457 die RTC
und schaltet sich selbst aus, um in einen FPGA-Sleep-Zustand 433 überzugehen.
Die RTC 315 wird das FPGA 330 zu einem Zeitpunkt
aufwecken, die von dem FPGA 330 bestimmt wird, und dann weckt
das FPGA 330 den RF-Transceiver 320 mit einem
Aufweckkommando 454 auf, um den folgenden Daten-Frame 413 zu
empfangen. Falls der Daten-Frame 413 keinen Fehler hat
und an diesen Transceiver 310 gerichtet ist, wird der Microcontroller durch
ein Aufweckkommando 456 aufgeweckt, um die empfangenen
Daten zu verarbeiten. Mit diesem WUF-Schema 414, ist die
unnötige
Wartezeit in dem herkömmlichen
WUP-Schema vermieden, wodurch in einem Energiesparbereich 460 Energie
gespart ist, so dass ein besonders energiearmer Betrieb der Kommunikations-Einrichtung 310 ermöglicht ist.
-
Abgesehen
davon sollte die Anzahl der SWUF 411 und 412 in
einem WUF 414 durch den Transmitter 350 sorgfältig berechnet
werden. In 5 ist eine andere Ansicht des
Wake-up-Frame-Schemas 400 in
einem Worst-Case-Szenario dargestellt. Dieses Worst-Case-Szenario
beschreibt den Fall, dass der RF-Receiver 320 das am Anfang des
WUF 414 vorgesehene RF-Abtastintervall 421 gerade
verpasst. Dann sollte die minimale Länge des WUF 414 eine
Abtastperiode 500 und die FPGA-Setup-Zeit 425 und
die RF-Transceiver-Setup-Zeit 424 enthalten. Ferner sollte,
nachdem sowohl das FPGA 330 als auch der RF-Transceiver 320 aufgeweckt sind,
sichergestellt sein, dass ein vollständiges SWUF 411 und 412 empfangen
worden ist. In dem Worst-Case-Szenario,
bei dem der Beginn eines Synchronisationsfeldes von einem SWUF 411 und 412 gerade
verpasst worden ist, so dass die Digital Phase Look Loop (D.PLL)
des Receivers 320 nicht mit dem Rest eines Synchronisationsfelds
synchronisiert werden kann, sollte ein zusätzliches SWUF 411 und 412 hinzugeführt werden,
wie in 5 gezeigt. Dadurch sollten alle Worst-Case-Szenarien
bei dem Berechnen der Anzahl von SWUFs 411 + 412 in
eine WUF 414 in Betracht gezogen werden, um sicherzustellen,
dass ein vollständiges
SWUF 411 und 412 nach dem Aufwecken des FPGA 330 und
des RF-Transceivers 320 empfangen werden kann.
-
Das
WUF-Schema 400 der Erfindung ist eine leistungsoptimierte
Version eines WUP-Schemas. Verglichen mit dem traditionellen WUP-Schema
kann mit dem WUF-Schema der Erfindung für jeden übermittelten Daten-Frame, dem
ein WUP vorausgeht, sehr viel Energie eingespart werden, indem eine
unnötige
Wartezeit eliminiert wird. Daher ist das WUF Schema der Erfindung
im Vergleich mit dem WUP Schema um so effizienter, je mehr Frames
gesendet werden. Allerdings ist das Präambelabtastschema vor allen
Dingen für
ein Netzwerk mit sporadischem Traffic gestaltet, da lange Präambeln die
Kanalkapazität
reduzieren. Der Ansatz der Erfindung verwendet einen WUF anstelle
einer WUP, aber da die Längen im
Wesentlichen dieselben sind, ist das WUF-Schema ebenfalls besonders
gut geeignet für
die Verarbeitung von sporadischem Traffic. Allerdings ist das WUF-Schema
auch vorteilhaft anwendbar in einem Szenario, in dem eine geringe
Traffic-Belastung
auftritt. Dies haben Simulationen ergeben, aus denen hervorgegangen
ist, dass signifikante Verbesserungen mit dem WUF Schema auch bei
geringem Traffic erreicht werden.
-
In
einem Master-Slave-Szenario ist die Energiebeschränkung des
Masters (das heißt
das Terminal) gering, so dass längere
Abtastperioden verwendet werden können, zum Beispiel 500 ms,
um mehr Aktivzeit und somit Energie in den energiebegrenzten Slaves
(Transceiver) zu sparen. Folglich kann das WUF-Schema gegenüber dem
WUP-Schema auch unter einer geringen Traffic-Last eine sehr signifikante Energieverstärkung erreichen,
insbesondere wenn Paketkollisionen auftreten.
-
Wie
zuvor angesprochen, ist sowohl das WUP-Schema als auch das WUF-Schema
nicht auf eine Master-Slave-Topologie beschränkt. Das WUF-Schema kann auch
in einer Peer-zu-Peer-Kommunikation
ohne Master verwendet werden. In diesem Fall wird vorzugsweise,
da jeder leistungsbegrenzte Transceiver auch den langen WUF zu übermitteln
hat und dadurch Energie konsumiert, eine kürzere Abtastperiode gewählt, um
einen optimierten Energieverbrauch unter bestimmten Traffic-Belastungen zu erreichen,
zum Beispiel 200 ms.
-
In
diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
- [1] LAN/MAN Standards Comitee of the IEEE Computer
Society. IEEE Standard for Information Technology, Part 15.4: Wireless
Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications
for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), Oktober
2003
- [2] El-Hoiydi, A ”Aloha
with Preamble Sampling for Sporadic Traffic in Ad Hoc Wireless Sensor
Networks”,
CSEM, 2002
- [3] El-Hoiydi, A et al. ”Poster
Abstract: WiseMAC, an Ultra Low Power MAC Protocol for the WiseNET Wireless
Sensor Network”,
CSEM SA, November 2003
- [4] DE 102 13
114 A1
- [5] DE 101 36
757 C1
- [6] DE 199 52
840 A1
- [7] US 5,918,170
- [8] WO 2004/030251
A1
-
- 100
- Wake-up-Präambel-Schema
- 110
- Transmitter-Schema
- 111
- WUP
- 112
- Daten-Frame
- 120
- Receiver-Schema
- 121
- deaktivierter
Zustand
- 122
- aktivierter
Zustand
- 123
- RF-Setup-Zustand
- 124
- DRD-Zustand
- 125
- Empfangsmodus
- 130
- FPGA-Schema
- 131
- deaktivierter
Zustand
- 132
- aktivierter
Zustand
- 133
- FPGA-Setup-Zustand
- 140
- Microcontroller-Schema
- 141
- deaktivierter
Zustand
- 142
- aktivierter
Zustand
- 143
- Microcontroller-Setup-Zustand
- 150
- Aufweckkommando
- 151
- Aufweckkommando
- 152
- Aufweckkommando
- 201
- Verlustbereich
- 300
- Kommunikations-System
- 310
- Kommunikations-Einrichtung
- 311
- Kunststoffträger
- 315
- Real
Time Clock-Funktionseinheit
- 320
- RF-Transceiver-Funktionseinheit
- 321
- Antenne
- 322
- Modulationseinheit
- 323
- RSSI-Einheit
- 324
- Wake-up-Logik
- 325
- Internal-Timer-Einheit
- 326
- serielle
I/O-Einheit
- 330
- FPGA-Funktionseinheit
- 331
- Wake-up-Logik-Einheit
- 332
- erste
serielle I/O-Einheit
- 333
- zweite
serielle I/O-Einheit
- 334
- MAC-Einheit
- 340
- Microcontroller-Funktionseinheit
- 341
- Energiesteuer-Einheit
- 342
- serielle
I/O-Einheit
- 350
- Steuer-Einrichtung
- 351
- Steuereinheit
- 352
- Sendeantenne
- 400
- Wake-up-Frame-Schema
- 410
- Transmitter-Schema
- 411
- Synchronisationsblock
- 412
- Zeitinformationsblock
- 413
- Daten-Frame
- 414
- Wake-up-Frame
- 420
- Receiver-Schema
- 421
- deaktivierter
Zustand
- 422
- aktivierter
Zustand
- 423
- RF-Sleep-Zustand
- 424
- RF-Setup-Zeit
- 425
- FPGA-Setup-Zeit
- 430
- FPGA-Schema
- 431
- deaktivierter
Zustand
- 432
- aktivierter
Zustand
- 433
- FPGA-Sleep-Zustand
- 440
- Microcontroller-Schema
- 441
- deaktivierter
Zustand
- 442
- aktivierter
Zustand
- 451
- Aufweckkommando
- 452
- Aufweckkommando
- 453
- Aufweckkommando
- 454
- Aufweckkommando
- 456
- Aufweckkommando
- 457
- Set-RTC-Kommando
- 460
- Energiesparbereich
- 500
- Abtastperiode
- 501
- minimale
WUP-Länge