Kommunikations-Einrichtung, Steuer-Einrichtung und Kommunikations-System

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Die Erfindung betrifft eine Kommunikations-Einrichtung, eine

Steuer-Einrichtung und ein Kommunikations-Systein.

In einem ubiquitären Computerszenario wie zum Beispiel ein 10 "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 15 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.

20 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

25 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

30 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.

Dagegen werden Transceiver üblicherweise durch kleine Batterien mit Energie versorgt, und es ist für einen Benutzer uήkomfortabel, 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. ^■ . .

Im Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren beschrieben, mit welchen eine Steuer-Einheit (wie zum Beispiel ein L ^' aptopcomputer) auf Kommunikations- Einrichtungen wie zum Beispiel RF-Transceiver zugreifen kann bzw. wie eine Kommunikation erfolgen kann.

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.

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, mit denen der Energieverbrauch gegenüber einem kontinuierlichen

aktivierten Betrieb eines RF-Transceivers verringert werden kann.

Eine .bekannte Lösung ist das ^' "Media Access Control (MAC) Layer 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 • ^•■ Sl'aves 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-Modui 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- "Duty 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 übertrag'enen Nutzdaten.

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.

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.

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.

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 10ms 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.

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 -inuss, um die Zeitdrift zu kompensieren, -falls das

Aufweckschema der Zielknoten bereits vor einer beträchtlich großen Zeit empfangen worden ist.

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.

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.

Im Weiteren wird bezμgnehmend auf Fig.l, Fig.2 ^' ein Wake-up-. Präambel-Schema 100 gemäß dem Stand der' Technik beschrieben.

In Fig.l 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.

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.

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 Empfangszus.tand 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-Pdlling 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.

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.

Das WUP-Schema 100 gemäß dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass, falls der RP-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 Fig _. .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.

Druckschrift ^' [4] offenbart ein Verfahren zur periodischen Funkübertragung von Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger. Um die Stromaufnahme im Empfänger zu verringern, wird vorgeschlagen, dass der

Empfänger nur in einem Zeitfenster in Empfangsbereitschaft versetzt wird, wenn die Übertragung der Messdaten eines bestimmten Messgerätess erwartet wird.

In [5] ist ein Verfahren zum Betrieb eines Funksystems beschrieben, bei dem Empfängern jeweils ein Charakteristikum eines Funksignals zugeordnet wird und ein Empfänger von einem Stand-by-Modus in einen Betriebs-Modus versetzt wird, wenn er ein Funksignal empfängt, das das ihm zugeordnete Charakteristikum aufweist. Das Charakteristikum ist beispielsweise eine bestimmte Datenrate des Funksignals.

Druckschrift [6] beschreibt die Übermittlung digitaler Daten durch Aussenden von Datenpaketen von einem Sender an einen oder mehrere Empfänger, wobei der Sender Wartepakete versendet, aus denen die Empfänger eine Wartezeit bis zur Übermittlung von Datenpaketen bestimmen können. Für die Dauer der Wartezeit deaktivieren die Empfänger ihre Empfangseinrichtung.

In Druckschrift [7] beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Mobilfunk-Kommunikationsnetzwerks mit einer Menge von Mobilfunk-Endgeräten. Auf einem Steuer-Kanal wird wiederholt eine Rahmenstruktur gesendet und die Mobilfunk-Endgeräte werden so gesteuert, dass sie in bestimmten zeitlichen Abständen einen Schlaf-Modus verlassen und die Rahmenstruktur in regelmäßigen Abständen empfangen.

Druckschrift [8] offenbart ein Kommunikationssystem bei dem eine Nachficht von einem Sender an einen Empfänger gesendet wird, die einen Nachrichtenteil aufweist, der die Zeit der Übertragung eines späteren Signals anzeigt.-

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

Dieses Problem wird durch eine Kommunikations-Einrichtung, durch eine Steuer-Einrichtung und durch ein Kommunikations- System mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

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.

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.

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.

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.

Insbesondere zum Zusammenwirken mit einer solchen Kommunikations-Einrichtung ist die erfindungsgemäße Steuer- Einrichtung geschaffen und derart eingerichtet, dass s _. ie vor dem Übermitteln von Nutzinformation Zeitinformation an die Kommunikations-Einrichtung überträgt, in welcher die

Information kodiert ist, zu welchem späteren Zeitpunkt Nutzinformation übermittelt wird.

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.

Somit ist anschaulich ein Niedrig-Eriergie "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.

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.

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 3bit, und die einen Ausgabepuls. erzeugen kann, der z-um 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.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im Weiteren werden Ausgestaltungen der Kommunikations- Einrichtung -beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Steuer-Einrichtung und für das Kommunikations-System. ^'

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 Kommunikatioris-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.

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.

Die Kommun _. ikations-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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 Übermitteins 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. ^'

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.

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 Ermitteins 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.

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.

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.

Die Kommunikations-Einrichtung der Erfindung kann als

¹ 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.

Die Kommunikations-Einrichtung der Erfindung kann derart eingerichtet sein, dass einzelne Komponenten voneinander unabhängig in einen aktivierten Zustand oder in einen deaktivierten Zustand bringba ^' r sind. Gemäß dieser 5 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

10 werden kann, wohingegen gerade nicht benötigte

Funktionskreise abgeschaltet sein können. Zum _. Beispiel kann während des Ermitteins der Zeitinformation der Microcontroller abgeschaltet bleiben, wohingegen in diesem Zeitraum eine Aktivierung von Empfangs-Einrichtung und/oder

1.5 Logik-Einrichtung erforderlich ist. Durch das Aufteilen der Kommunikations-Einrichtung in unterschiedliche Module mit jeweils separater Energieversorgung ist die benötigte Energie minimierbar.

20 Im Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen

Steuer-Einrichtung beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Kommunikations-Einrichtung und für das Kommunikations-System.

25 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

30 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 Übermitteins von Nutzinformation gezogen werden kann, wenn zum Beispiel nur eine der Mehrzahl von Zeitinformationsblöcken während eines Aktivierungszustande 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 Synchronisationsblöαken. 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 Komrαunikations-Einrichtung des Kommunikations-Systems bilden. Somit ist die Erfindung nicht auf eine hierarchische Kommunikations-Architektur beschränkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Kommunikatiσns- 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: 5

Figur 1 ein Wake-up-Präambel-Schema gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine andere ^' Darstellung des Wake-up-Präambel-Schemas 0 gemäß dem Stand der Technik aus Figur 1,

Figur 3 ein Kommunikations-System gemäß einem ^{■ •} • ^{• '} Ausführungsbeispiel der Erfindung,

5 Figur 4 ein Wake-up-Frame-Schema gemäß dem ■ ^■ • Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 5 eine andere Darstellung des in Figur 4 gezeigten

Wake-up-Frame-Schemas gemäß dem Ausführungsbeispiel 0 der Erfindung.

Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.

5 Die Darstellungen in den Figuren ^' sind schematisch und nicht maßstäblich.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.3 ein Kommunikations- System 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung 0 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 Hochfre _. quenzsignals 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 weicher 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 Betriebsmόdus 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/.0- 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 Fig.3 die Hardware-Architektur der- Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kommunikations-Systems 300 dargestellt.

-Für das WUP/WUF-Schema ist die in Fig.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-Tränsceiver 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 (3bit-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 Fig.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 Fig.4, Fig.5 ein Wake-up- Frame-Schema 400 beschrieben, das gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Wake-up-Präarαbel-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 4.11 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 -Fig.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 5 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 10 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

-15 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

20 412 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

25 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.

30 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 Fig.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-l)-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-SΪeep-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 Fig.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 SWÜF 411 und 412 hinzugeführt werden, wie in Fig.5 gezeigt. Dadurch sollten alle Wors ^' t-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 3-30 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 ei-ngespart 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, 2 ^' 002 ■

[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 Al

[5] DE 101 36 757 Cl

[6] DE 199 52 840 Al

[7] US 5 918 170

[8] WO 2004/030251 Al

Bezugszeichenliste

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 FPGÄ-Funktionseinheit

331 Wake-up-Logik-Einheit

332 erste serielle I/O-Einheit

333 zweite serielle I/O-Einheit ■334 MÄC-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