Beschreibung

VERFAHREN UND. EINRICHTUNG ZUR ABSCHäTZUNG DER ZUVERLäSSIGKEIT EINER FUNKVERBINDUNG

Verfahren und Einrichtung zur Abschätzung der Zuverlässigkeit einer Funkverbindung sowie Anwendung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abschätzung der Zuverlässigkeit einer Funkverbindung in einem Gebäude zwischen einem Sender und einem Empfänger.

Bei Verwendung einer Funkverbindung in einer Gefahren- meldeanlage muss deren Zuverlässigkeit besonders hohen Ansprüchen genügen, wobei es aber nicht möglich ist, die Ausfallwahrscheinlichkeit der Funkverbindung bei Inbetrieb- nähme der Anlage auch nur einigermassen verlässlich zu bestimmen .

Ein Funksignal wird zwischen Sender und Empfänger wegen der Entfernung zum Sender und wegen Materie, die durchdrungen werden muss, abgeschwächt. Diese Abschwächung ist konstant und kann ermittelt werden, indem beispielsweise das Funksignal in der Umgebung des Empfängers gemessen und gemittelt wird. Zusätzlich treten aber noch von der Zeit abhängige Schwankungen auf, die als Schwund oder Fading bezeichnet werden und deren Ursachen vielfältig sind und kaum vorher gesagt werden können. Eine häufige Ursache von Fading in einem Gang oder allgemein in einem Raum sind durch den Gang oder Raum gehende Personen. Grundsätzlich können aber alle Phänomene, die einen Einfluss auf die Geometrie und den Inhalt des Gebäudes haben, Fading verursachen, also beispielsweise Erwärmung oder Abkühlung des Gebäudes, was zur Folge hat, dass sich dieses ausdehnt oder zusammenzieht, öffnen und Schliessen von Fenstern und Türen, Bewegung eines Lifts usw. Da das vom Empfänger empfangene Signal durch Fading oft sehr stark abfällt, müsste man den Empfänger sehr viel empfindlicher machen als das üblich ist, was aber in vielen Fällen gar nicht möglich ist, wobei aber auch im Falle

eines empfindlicheren Empfängers Ausfälle nicht gänzlich ausgeschlossen werden können.

Durch theoretische überlegungen und Messungen wurde herausgefunden, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit im Mittel auf ein Zehntel sinkt, wenn die Empfindlichkeitsschwelle 10 dB tiefer liegt und somit 10 dB mehr Reserve für Fading zur

Verfügung steht. Die Steigung der Ausfallwahrscheinlichkeit kann aber auch andere Werte als 10 dB/ Dekade annehmen, was vermutlich von der Art des Gebäudes und der Ausbreitung des

Funksignals abhängig ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren geht von der Erkenntnis aus, dass die Zuverlässigkeit einer Funkverbindung unter anderem von der Streckendämpfung und damit vom empfangenen Signalpegel abhängt. Grundsätzlich kann diese Abhängigkeit der Zuverlässigkeit von der Streckendämpfung leicht festgestellt werden, indem eine genügend grosse Anzahl von Werten des Empfangssignals gemessen wird und diese Werte in Form eines Histogramms angeordnet werden. Wegen der erforderlichen Datenmenge ergeben sich dabei aber in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten. Wenn beispielsweise ermittelt werden soll, bei welcher Empfängerempfindlichkeit die Ausfallwahrscheinlichkeit gleich 0,000001 ist, müssen, unter der Annahme, dass für eine einigermassen verlässliche Aussage 10 Ereignisse beobachtet werden müssen, 10 Millionen Ereignisse beobachtet und aufgezeichnet werden. Das ist aber im normalen Betrieb einer Gefahrenmeldeanlage nicht möglich, da nicht genügend Speicherplatz zur Verfügung steht.

Durch die vorliegende Erfindung sollen nun ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben werden, mit deren Hilfe aufgrund von während des Betriebs der Anlage gewonnenen Daten die Ausfallwahrscheinlichkeit in einfacher Weise und mit geringem Aufwand vorhergesagt werden kann.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a. Bestimmung der tatsächlichen Empfindlichkeit des Empfängers oder Festlegung der Empfindlichkeit als Erfahrungswert ; b. Bestimmung eines ersten Pegels, der vom Eingangssignal des Empfängers mit einer bestimmten ersten Wahrscheinlichkeit unterschritten wird; c. Bestimmung eines zweiten Pegels, der vom Eingangssignal des Empfängers mit einer bestimmten zweiten Wahrscheinlichkeit unterschritten wird; d. Abschätzung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Empfängers, mit der das Eingangssignal des Empfängers unter dessen Empfindlichkeit fällt und die Funkverbindung unterbrochen wird, durch eine logarithmische Darstellung des ersten und des zweiten Pegels, der tatsächlichen Empfindlichkeit des Empfängers und der genannten Wahrscheinlichkeiten, wobei die Ausfallwahrscheinlichkeit des Empfängers durch Extrapolation bestimmt wird.

Die Erfindung betrifft weiter eine Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens mit einem Sender und einem Empfänger. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der tatsächlichen Empfindlichkeit des Empfängers oder zu deren Festlegung als Erfahrungswert vorhanden sind, wobei diese Mittel mit dem Empfänger entweder fest oder bei dessen Herstellung oder Prüfung zeitweise verbunden sind, und durch einen mit dem Empfänger fest verbundenen Speicher zur Ablage des ermittelten Werts der Empfindlichkeit.

Da sich die Empfindlichkeit eines sachkundig aufgebauten Empfängers im Betrieb nur unwesentlich verändert und die Ermittlung der tatsächlichen Empfindlichkeit einen grossen

Aufwand erfordert, wird die Empfindlichkeit vorzugsweise nicht während des Betriebs bestimmt, sondern bei der Herstellung und Prüfung des Empfängers gemessen und der ermittelte Wert vorzugsweise bereits in logarithmierter Form in einem Schaltungsteil abgespeichert, der dauernd mit dem Empfänger verbunden ist und den Zugriff auf den genannten Wert im Betrieb erlaubt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der genannten Pegel, Mittel zur Abschätzung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Empfängers und Mittel zur logarithmischen Darstellung des ersten und des zweiten Pegels, der Empfindlichkeit des Empfängers, und der genannten Wahrscheinlichkeiten vorhanden sind, wobei die Ausfallwahrscheinlichkeit des Empfängers durch Extrapolation bestimmt wird.

Die Erfindung betrifft weiter eine Anwendung des genannten Verfahrens in einem Gefahrenmeldesystem mit einer Gefahrenmeldezentrale und peripheren Gefahrenmeldern, wobei die Gefahrenmeldezentrale und die Gefahrenmelder mit Funkmodulen für wechselseitige Funkkommunikation ausgerüstet sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der einzigen Figur dargestellten Diagramms näher erläutert. Dieses Diagramm zeigt die Abhängigkeit der auf der Abszisse aufgetragenen Ausfallwahrscheinlichkeit von der Empfindlich- keit. Die eingetragenen Bezugszeichen bezeichnen folgende Grossen :

El: erster Empfangspegel der vom Eingangssignal des Empfängers mit einer bestimmten ersten Wahrscheinlichkeit pl unterschritten wird;

E2 : zweiter Empfangspegel, der vom Eingangssignal des Empfängers mit einer bestimmten zweiten Wahrscheinlichkeit p2 unterschritten wird;

E3 : tatsächliche oder als Erfahrungswert festgelegte

Empfindlichkeit des Empfängers; p3 : Wahrscheinlichkeit, mit der das Eingangssignal des Empfängers unter dessen Empfindlichkeit (E3) fällt; p3 wird nachfolgend als Ausfallwahrscheinlichkeit des Empfängers bezeichnet.

Zur Abschätzung der Zuverlässigkeit einer Funkverbindung zwischen einem Sender und einem Empfänger wird zuerst die vermutete Gesetzmässigkeit zwischen Ausfallwahrscheinlichkeit und Empfindlichkeit in eine logarithmische Form umgewandelt :

20 log (E1/E2) = S ^• log (pl/p2) (1) S = 20 log (E1/E2) / log (pl/p2) (2)

S bezeichnet die Steigung, von der vermutet wird dass sie im Bereich von 10 dB pro Dekade liegt, die aber nicht bekannt ist .

In einem bestimmten Gebäude haben Messungen folgende Werte ergeben :

pl = 0,5 El = 45 dB _μ V p2 = 0,01

E2 = 30dB _μ V

Daraus ergibt sich 20 log (E1/E2) = 15 und log (pl/p2) = 1,7

(Wenn die Angabe der Pegel in dB, dBm oder dB _μ V erfolgt, sind die Werte bereits logarithmiert und mit 20 multipliziert.)

S = 20 log (El/E2)/log (pl/p2) = 15/1,7 = 8,8 dB/Dekade

Durch die Messung wird also bestätigt dass S im angenommenen Bereich liegt.

Wenn der Wert von S bekannt ist oder ermittelt wurde, kann die Zuverlässigkeit für eine andere Empfindlichkeitsschwelle E3 extrapoliert werden, wobei grundsätzlich die gleiche Formel gilt, in der E3 die Empfindlichkeitsschwelle des Empfängers und p3 die bei der Empfindlichkeitsschwelle zu erwartende Ausfallwahrscheinlichkeit des Empfängers ist.

20 log (E1/E3) = S ^• log (pl/p3) (3) log (p3) = log (pl) - [20 log (E1/E3) ] /S (4) _P 3 = pl ^• 10 ^{" [20 log} < ^E1 / ^E3 » ^] / ^S (5)

Es gilt immer noch

pl = 0,5

E Ell == 4 455 cdB _μ V

S = 8,8 dB/Dekade

und es sei E3 = 0 dB _μ V

_P 3 = pl ^• 10 ^{" [20 log} < ^E1 / ^E3 » ^] / ^S = 0,5 ^• 10 ^"45/8 ' ⁸ = 3,8 ^• 10 ^"6

Wenn S und p3 in einem Rechner mit beschränkter Wortlänge berechnet werden sollen, ist eine lineare Darstellung der Wahrscheinlichkeiten und der Pegel nicht möglich, da der Wertebereich zu gross ist. Es ist zweckmässiger, die Berechnungen mit Werten in logarithmierter Form durchzuführen. Aus Gleichung (2) wird nun Gleichung (6):

S = 20 log (E1/E2) / log (pl/p2) (2) S = [20 log (El)-20 log (E2)]/[log (pl)-log (p2)] (6)

Ein Empfänger der üblichen Bauart hat einen Ausgang RSSI

(Received Signal Strength Indicator) , der die Empfangspegel

El und E2 bereits in logarithmierter Form bereitstellt, pl und p2 sind vorgegebene Werte, die ebenso gut in logarithmischer Form gegeben sein können. Zur Berechnung von

S brauchen somit keine Zahlen logarithmiert zu werden,

sondern es müssen nur Subtraktionen und eine Division ausgeführt werden.

Gleichung (4) wird ebenfalls umgeformt und wird zu Glei chung (7) :

log (p3) = log (pl)-[20 log (E1/E3) ] /S (4) log (p3) = log (pl)-[20 log /El)]/S+[20 log (E3) ] /S (7)

Wie bereits erwähnt, kann pl in bereits logarithmierter Form vorgegeben werden, und El ist ein bereits logarithmiertes Signal des Empfängers; E3 ist die Empfindlichkeit des Empfängers. Diese Empfindlichkeit E3 muss entweder als Erfahrungswert in logarithmierter Form vorgegeben werden oder sie wird beim Abgleich des Empfängers bestimmt, in einer externen Einrichtung logarithmiert und in einem Rechner abgespeichert. Somit brauchen zur numerischen Auswertung von Gleichung (7) ebenfalls lediglich Additionen, Subtraktionen und Divisionen ausgeführt zu werden. Das Ergebnis p3 steht in logarithmischer Form zur Verfügung, was aber belanglos ist, da dieser Wert nicht für weitere Berechnungen gebraucht wird sondern nur zur Beurteilung der Qualität einer Funkverbindung dient .

Um die Gleichung (6) auswerten zu können, muss der Wert der Pegel El und E2 bekannt sein. El entspricht der Empfindlichkeit des Empfängers, die erforderlich ist, damit die Ausfallwahrscheinlichkeit pl wird. In gleicher Weise entspricht E2 der Empfindlichkeit des Empfängers, die für eine Ausfallwahrscheinlichkeit p2 erforderlich ist. El und E2 können nicht direkt bestimmt sondern müssen mit statistischen Methoden ermittelt werden. Wenn nach den üblichen Methoden der Statistik vorgegangen wird, wird der Wert des Eingangssignals genügend häufig gemessen. Diese Werte werden nach der Grosse geordnet. Die gesamte Anzahl der Messwerte wird mit der Ausfallwahrscheinlichkeit pl multipliziert und ergibt die Anzahl der Messwerte, die unterhalb der Empfindlichkeitsschwelle El liegen dürfen, damit die gegebene Wahrscheinlich-

keit pl gerade erreicht wird. Von den gesamten Messwerten werden ausgehend vom kleinsten Wert so viele aussortiert, dass ihre Zahl gerade der durch Multiplikation mit pl ermittelten Zahl entspricht. Von den übrig gebliebenen Messwerten ist der kleinste gerade derjenige, der gleich der Empfindlichkeitsschwelle El ist. Zur Bestimmung von E2 mit p2 wird in gleicher Weise vorgegangen.

In dem in der Zeichnung dargestellten Diagramm ist El gleich 45 dB _μ V, E2 ist gleich 30 dB _μ V, pl ist 0,5 und p2 ist 0,01.

Diese beiden Punkte werden durch eine Gerade verbunden, deren

Steigung S in diesem Fall gleich 8,8 dB/Dekade beträgt. Wenn andere Werte für El und E2 bestimmt wurden, kann die Steigung

S aber auch andere Werte annehmen. Die durch die Punkte El und E2 gelegte Gerade wird dann verlängert bis sie auf der

Höhe von E3 = 0 dB _μ V ist. An dieser Stelle kann der Wert von p3 abgelesen werden.

Bei einer Versuchsreihe wurden etwa 1'0OO Messwerte gemessen, wobei der kleinste Messwert 26 dB _μ V und der grösste Messwert

48 dBμV betragen hat. Diese Messwerte werden nach der Grosse geordnet. Wenn pl gleich 0,5 sein soll, werden 500 Messwerte ausgehend von 26 dB _μ V aussortiert. Es werden 500 Messungen mit Werten grösser als 44 oder 45 dB _μ V übrig bleiben. El liegt somit im Bereich zwischen 44 und 45 dB _μ V.

Für p2 wurde 0,01 vorgegeben. Somit werden nur die zehn kleinsten Messwerte ausgehend von 26 dB _μ V aussortiert, wobei Messwerte im Bereich von 26 dB _μ V bis ungefähr 30 dB _μ V nicht berücksichtigt werden. Somit ist E2 gleich 30 dB _μ V.

Um die Operation zur Bestimmung von El und E2 durchführen zu können, sind mindestens 1'0OO Speicherplätze erforderlich und wenn die Werte mit weniger Rechenleistung sortiert werden sollen, ist sogar die doppelte Anzahl von Speicherplätzen erforderlich, wobei aber kleine und preisgünstige Rechner nicht die erforderliche Anzahl von Speicherplätzen aufweisen. Um El und E2 mit weniger Aufwand an Speicherplatz zu

bestimmen, wird bei Beginn ein Erfahrungswert für El gespeichert; der Wert des ersten Registers ist Rl. Wenn das empfangene Signal grösser ist als Rl, wird zu Rl eine Konstante Kl, die mit pl multipliziert wird, addiert. Wenn hingegen das empfangene Signal kleiner ist als Rl, wird von Rl der Wert Kl ^• (1-pl) subtrahiert. Ebenso ist ein zweites Register mit dem Wert R2 vorhanden, zu dem in gleicher Weise entweder K2 • p2 hinzu gezählt oder K2 • (l-p2) subtrahiert wird.

Nach genügend langer Zeit nimmt Rl den tatsächlichen Wert von El an, weil nämlich dann der Wert des Eingangssignals mit der Wahrscheinlichkeit pl unterhalb von Rl liegt. Somit wird mit der Wahrscheinlichkeit pl der Wert Kl ^• (1-pl) weg gezählt. Wenn n Messwerte verarbeitet werden, ist der gesamte Wert, der im Mittel weg gezählt wird gleich n • pl • Kl • (1-pl) . Ebenso wird mit der Wahrscheinlichkeit (1-pl) der Wert pl hinzu gezählt. Der gesamte Wert, der im Mittel hinzu gezählt wird, ist n • (1-pl) • Kl • pl . Die beiden Werte sind gleich, so dass im Mittel der Wert von Rl erhalten bleibt. In gleicher Weise wird mit einem zweiten Register für E2 verfahren, dessen Wert gleich R2 ist, so dass nach genügend langer Zeit R2 zu E2 wird. Das gerade beschriebene Verfahren mit den Registerwerten Rl und R2 benötigt wesentlich mehr Zeit als das auf der Sortierung der Messwerte beruhende Verfahren. Wenn die beschriebenen Messungen in einer in Betrieb befindlichen Anlage durchgeführt werden, ist diese Zeit vorhanden. Dafür benötigt aber das gerade beschriebene Verfahren nur zwei Speicherplätze.

Der mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ermittelte Wert der Ausfallwahrscheinlichkeit p3 des Empfängers kann in vielfältiger Weise nutzbringend verwendet werden:

- p3 kann dazu dienen, nach Errichtung einer Gefahren- meldeanlage die Zuverlässigkeit einer Funkverbindung zu beurteilen und zu überprüfen, ob die Anlage den gestellten Anforderungen entspricht.

Wenn sich die Verhältnisse im Gebäude ändern, kann p3 dazu dienen, zu erkennen, wenn eine Funkverbindung nicht mehr die geforderte Zuverlässigkeit erreicht.

- Mit Hilfe von p3 kann erkannt werden, wenn die Sendeleistung zu gross und die Zuverlässigkeit besser als nötig ist. In diesem Fall kann die Sendeleistung reduziert werden um die Belastung der Umwelt gering zu halten .

Mit Hilfe von p3 kann die Zuverlässigkeit einer Funkverbindung gezielt erhöht werden, indem die Bandbreite und damit die Datenrate verkleinert wird.

- Wenn mehrere gleichwertige Funkverbindungen vorhanden sind und der entsprechende Wert für jede Verbindung gesondert bestimmt wird, kann mit Hilfe von p3 die zuverlässigste Funkverbindung ausgewählt werden.

- p3 kann verwendet werden, um grundsätzliche Erkenntnisse über die Zuverlässigkeit von Funkverbindungen in Gebäuden zu erhalten.

Bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens in einem Gefahrenmeldesystem verhält es sich in der Regel so, dass das

Gefahrenmeldesystem über eine Zentrale und eine Mehrzahl von peripheren Gefahrenmeldern verfügt, zwischen denen eine wechselseitige Funkverbindung besteht. Das bedeutet, dass einerseits die Gefahrenmelder ihre Alarmsignale über diese Funkverbindung an die Zentrale melden und dass andererseits die Zentrale bestimmte Signale, beispielsweise zur

Parametrierung der Gefahrenmelder, an diese über die

Funkverbindung abgibt. Zu diesem Zweck sind sowohl die

Zentrale auch die Gefahrenmelder mit einem Funkmodul zum wechselseitigen Funkverkehr ausgerüstet.

Bei einer ersten bevorzugten Anwendung ermittelt die Einrichtung während einer bestimmten Zeit nach der Inbetriebnahme den Wert von p3 und zeigt an, wenn die Zuverlässigkeit nicht den Vorgaben entspricht so dass geeignete Massnahmen ergriffen werden können. Bei einer zweiten bevorzugten Anwendung ermittelt die Einrichtung während des Betriebs dauernd den Wert von p3 und zeigt an, wenn die Zuverlässigkeit nicht den Vorgaben entspricht, so dass geeignete Massnahmen ergriffen werden können.

Die Einrichtung kann so ausgebildet sein, dass der Wert von p3 ermittelt wird und selbsttätig geeignete Massnahmen ergriffen werden, wenn die Zuverlässigkeit nicht den Vorgaben entspricht, indem beispielsweise die Sendeleistung oder die Modulation oder die Betriebsfrequenz verändert wird.

Zusätzlich oder alternativ ermittelt die Einrichtung den Wert von p3 und zeigt diesen an oder erlaubt es mit einer zusätzlichen Vorrichtung, beispielsweise einer Einrichtung zur Datenübertragung oder einem mobilen Datenspeicher, diesen Wert einer fachkundigen Person zur Kenntnis zu bringen, die entscheiden kann, ob der Wert von p3 innerhalb der Vorgaben liegt oder ob Massnahmen zu ergreifen sind, mit denen der Wert wieder innerhalb der Vorgaben gebracht werden kann.