Adaptives Frequenzsprungverfahren im drahtlosen Steuernetzwerk als Teil einer integrierten Heimnetzwerkinfrastruktur

Bei der Verbreitung der Heimautomatisierung kommt drahtlosen Lösungen eine Schlüsselrolle zu. Dabei stellen sowohl die Zuverlässigkeit der Funkübertragung als auch das Zusammenwirken unterschiedlicher Übertragungstechnologien technische Herausforderungen dar. In der Arbeit werden vielversprechende Integrationstechniken hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit untersucht und zu einer Heimnetzwerkarchitektur kombiniert. Dadurch wird eine stärkere Interaktion von Steuernetzwerken untereinander sowie zwischen Steuernetzwerk und IP-Mediennetzwerk möglich. Wesentlicher Bestandteil der Architektur ist eine schmalbandige Funkübertragung, deren erhöhte Zuverlässigkeit auf einem neuartigen, in dieser Arbeit entwickelten Frequenzsprungverfahren beruht. Das Funkprotokoll ist asynchron und für sporadisches Datenaufkommen ausgelegt. Basierend auf Beobachtungen des drahtlosen Übertragungskanals im Heimbereich wird ein Hidden-Markov-Kanalmodell zur Abbildung der Anwesenheit und der Aktivität der Nutzer entworfen. Außerdem werden mit Hilfe des Diversitätsgewinns Frequenzanzahl und Frequenzraster bestimmt. Das optimale Vorgehen für den initialen Verbindungsaufbau wird identifiziert und erweitert. Durch Berücksichtigung der Übertragungsfrequenz der vorhergehenden Kommunikation verbessert sich die Effizienz des Verfahrens bei gleichbleibender Zuverlässigkeit.

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Für die Akzeptanz der Heimautomatisierung sind drahtlose Steuernetzwerke unerlässlich. Eine technische Herausforderung ist die Zuverlässigkeit der Funkübertragung. Eine andere ist die Integration der Vielzahl verfügbarer inkompatibler Lösungen.

In dieser Arbeit wird eine Heimnetzwerkarchitektur diskutiert, die eine stärkere Interaktion von Steuernetzwerken untereinander sowie zwischen Steuernetzwerk und IP- Mediennetzwerk ermöglicht. Vielversprechende Integrationsansätze werden vorgestellt. Die Tauglichkeit von 6LoWPAN hinsichtlich des Energieverbrauchs wird analysiert. Der Ansatz der heterogenen Vernetzung mit IEEE P1905.1 wird um das Konzept der hierarchischen Vernetzung erweitert. Das Potenzial eines dedizierten Signalisierungsnetzwerks zur Netzwerkorganisation wird durch die Entwicklung eines Energieeinsparverfahrens dargelegt. Schließlich wird eine Heimnetzwerkarchitektur beschrieben, die vorgestellte Lösungsansätze kombiniert.

Wesentlicher Bestandteil der Architektur ist ein schmalbandiges Steuernetzwerk, dessen hohe Zuverlässigkeit auf einem neuartigen Frequenzsprungverfahren beruht. Die Nutzung von Frequenzdiversität durch den Wechsel der Übertragungsfrequenz verspricht eine erhebliche Steigerung der Zuverlässigkeit ohne zusätzlichen Hardwareaufwand. Dabei muss die Koordination der Kommunikation jedoch effizient erfolgen. Aufgrund des sporadischen Datenaufkommens insbesondere bei der Heimautomatisierung sind synchrone Frequenzsprungverfahren ungeeignet. Es wird daher das Systemkonzept eines asynchronen Frequenzsprungverfahrens für sporadischen Datenverkehr entwickelt. Dazu wird das Verhalten des drahtlosen Übertragungskanals im Heimbereich untersucht, und eine geeignete Modellierung wird entworfen. Ein Tapped-Delay-Line-Kanalmodell, das die Frequenzselektivität nachbildet, wird überlagert mit einem Hidden-Markov-Modell, welches abhängig von der Anwesenheit bzw. der Aktivität der Nutzer die unterschiedliche Dynamik der Umgebung wiedergibt. Es wird ein geeignetes Kanalraster für verschiedene Frequenzbänder bestimmt. Außerdem wird das optimale Vorgehen für den initialen Verbindungsaufbau identifiziert. Dieses Verfahren wird durch die Berücksichtigung der Übertragungsfrequenz der vorherigen Kommunikation erweitert, sodass die Effizienz des Verfahrens gerade in Phasen mit geringer Dynamik des Übertragungskanals verbessert wird. Es resultiert ein asynchrones Frequenzsprungverfahren, welches im Mittel effizient operiert, gleichzeitig aber in der Lage ist, beim Auftreten von Einbrüchen der Signalleistung auf sämtliche Übertragungsfrequenzen innerhalb einer begrenzten Zeitspanne auszuweichen.