DE10119397A1

DE10119397A1 - Operating method for system with multiple nodes and one base station using TDMA, by setting value of synchronization window to value set in previous data transmission block for time slot

Info

Publication number: DE10119397A1
Application number: DE2001119397
Authority: DE
Inventors: Dacfey Dzung
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-24

Abstract

At the start of each respective time slot (TS1...TSn), the value of the position of the synchronization window for this time slot, set in the previous TDMA data transmission block is used as a default value and preset as such. The position of the window may be preset using an average of measured values for previous transmission blocks or frames.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA, wobei zyklische TDMA-Datenüber tragungsblöcke übertragen werden und sich jeder TDMA-Datenübertragungsblock aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusammensetzt, wobei jeder Zeit schlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist.The invention relates to a method for operating a system with several Node and a base station according to TDMA, wherein cyclic TDMA data about blocks are transmitted and each TDMA frame out successively composed successive time slots, each time slot is assigned to a specific node.

Die Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl drahtloser Sen soren und/oder Aktoren (Knoten) und einer Basisstation verwendet werden, welches in einer Maschine oder Anlage, beispielsweise Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist. Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschal ter/Näherungssensoren, Temperaturmeßsensoren, Druckmeßsensoren, Strommeßsen soren oder Spannungsmeßsensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektro chemische, magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren ver wendet werden.The invention can be used, for example, in a system with a large number of wireless sensors sensors and / or actuators (nodes) and a base station are used, which in a machine or system, for example industrial robots, production machines or Manufacturing machine is installed. Proximity scarf can be used as sensors or actuators ter / proximity sensors, temperature sensors, pressure sensors, ammeters sensors or voltage measuring sensors or micromechanical, piezoelectric, electro chemical, magnetostrictive, electrostatic or electromagnetic actuators ver be applied.

In der DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von drahtlosen Nähe rungssensoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschla gen, wobei
In DE 199 26 799 A1, a system for a machine having a plurality of wireless proximity sensors, in particular a production machine, is proposed, wherein

- Each proximity sensor at least one for energy consumption from a medium fre quent magnetic field has suitable secondary winding,
- At least one primary winding fed by a medium-frequency oscillator for the wireless supply of proximity sensors with electrical energy see is
- And wherein each proximity sensor is equipped with a transmitter, which radio signals containing interesting sensor information to a central, with outputs a base station connected to a process computer of the machine.

Bei diesem drahtlosen System entfällt im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit Draht/Kabelanschluß zur elektrischen Energieversorgung und zur Kommunikation der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor der Draht/Kabelanschlüsse. Es können keine Ausfälle aufgrund von Ka belbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.Compared to conventional solutions, this wireless system is also eliminated Wire / cable connection for electrical power supply and for communication relatively high due to planning, material, installation, documentation and maintenance Cost factor of the wire / cable connections. Failures due to Ka broken or bad, for example corroded contacts occur.

In der DE 199 26 562 A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, ein Aktor und eine Primär wicklung hierzu sowie ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Ma schine vorgeschlagen, wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energiever sorgung und Kommunikation gleichartig der vorstehend für die DE 199 26 799 A1 an gegebenen Technologie ist.DE 199 26 562 A1 describes a method and an arrangement for wireless Supply of a large number of actuators with electrical energy, one actuator and one primary development and a system for a large number of actuators Schine proposed, the proposed technology with respect to Energiever Supply and communication similar to that for DE 199 26 799 A1 given technology.

Für die Funkübertragung wird dabei vorzugsweise die TDMA-Technologie (Time Divisi on Multiple Access) eingesetzt, bei der die Informationen von/zu den Aktoren bzw. Sen soren (Knoten) in Form zyklischer TDMA-Datenübertragungsblöcke übermittelt wird, wobei jedem Sensor/Aktor ein bestimmter Zeitschlitz innerhalb eines Datenübertra gungsblockes zugeordnet ist.The TDMA technology (Time Divisi on multiple access) in which the information from / to the actuators or sen sensors (nodes) is transmitted in the form of cyclic TDMA frames, each sensor / actuator has a specific time slot within a data transfer supply block is assigned.

In Fig. 3 ist ein System mit einer Vielzahl von Knoten, vorzugsweise Sensoren und/oder Aktoren (Knoten) und einer Basisstation dargestellt. Es ist eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren S.1, S.2, S.3. . .S.n (n = beliebige ganze positive Zahl) vorgesehen, welche beispielsweise innerhalb einer Anlage installiert oder an einer Maschine, insbe sondere einem Fertigungsautomat befestigt sind. Es ist nachfolgend stets von Sensoren/Aktoren S.1. . .S.n die Rede, wobei es sich beim einzelnen Bauteil wahlweise um einen Sensor oder um einen Aktor handeln kann. Im allgemeinen weisen die Sensoren einen die Sensor-Umgebung detektierenden Sensorkopf mit nachgeschalteter Signal auswertung sowie die Aktoren eine Aktoreinheit (beispielsweise ein Druckluftventil oder ein Schütz) sowie eine Ansteuereinheit hierfür auf.In Fig. 3, a system with a plurality of nodes, preferably sensors and / or actuators (nodes) and a base station is shown. It is a multitude of sensors and / or actuators S.1, S.2, S.3. , .Sn (n = any integer positive number) are provided, which are installed, for example, within a system or attached to a machine, in particular a production machine. It is always from sensors / actuators p.1 below. , .Sn, where the individual component can be either a sensor or an actuator. In general, the sensors have a sensor head which detects the sensor environment with a downstream signal evaluation, and the actuators have an actuator unit (for example a compressed air valve or a contactor) and a control unit therefor.

Die Sensoren und/oder Aktoren S.1. . .S.n weisen jeweils eine Kommunikationseinrich tung auf, welche den erforderlichen Funksender und/oder Funkempfänger enthält, um derart eine drahtlose Kommunikation zwischen der Basisstation BS und den Senso ren/Aktoren S.1. . .S.n zu ermöglichen. Bei einem Sensor gelangt das aufbereitete Sen sorsignal zu einem Modulator/Codierer mit nachgeschaltetem Funksender und Antenne, wo es an die Basisstation BS gesendet wird. Bei einem Aktor gelangt das von der Ba sisstation BS gesendete Ansteuersignal über eine Antenne, einen Funkempfänger und einen Demodulator/Decodierer zur Ansteuereinheit.The sensors and / or actuators p.1. , .S.n each have a communication device device, which contains the required radio transmitter and / or radio receiver in order such a wireless communication between the base station BS and the Senso ren / actuators p.1. , To enable .S.n. The processed sen reaches a sensor sensor signal to a modulator / encoder with a downstream radio transmitter and antenna, where it is sent to the base station BS. In the case of an actuator, this comes from the Ba sisstation BS sent control signal via an antenna, a radio receiver and a demodulator / decoder to the control unit.

Die Basisstation BS ist zweckmäßig an einen Zentralrechner (Prozeßrechner, Spei cherprogrammierbare Steuerung) angeschlossen und weist eine Kommunikationsein richtung auf, welche Sensorsignale der Sensoren und Meldesignale betreffend den ak tuellen Zustand von Aktoren (uplink, "in Aufwärtsrichtung", von den Sensoren/Aktoren zur Basisstation) empfängt, Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung der Aktoren abgibt und Signale zur Einstellung von spezifischen Parametern der Aktoren und Sen soren abgibt (downlink, "in Abwärtsrichtung", von der Basisstation zu den Senso ren/Aktoren). Die Kommunikationseinrichtung der Basisstation BS weist eine Antenne auf, an welche ein Funkempfänger und ein Funksender angeschlossen sind. Die Si gnale des Funkempfängers werden einem Demodulator/Decodierer zugeführt und dem Funksender ist ein Modulator/Codierer vorgeschaltet.The base station BS is expediently connected to a central computer (process computer, storage programmable controller) and has a communication direction on which sensor signals of the sensors and signal signals regarding the ac Current state of actuators (uplink, "in the upward direction", from the sensors / actuators to the base station) receives control signals for activating / deactivating the actuators emits and signals for setting specific parameters of the actuators and Sen sensors (downlink, "in the downward direction") from the base station to the Senso ren / actuators). The communication device of the base station BS has an antenna to which a radio receiver and a radio transmitter are connected. The Si Signals of the radio receiver are fed to a demodulator / decoder and the A modulator / encoder is connected upstream of the radio transmitter.

Beim TDMA-Verfahren sendet die Basisstation BS in Abwärtsrichtung mit 1 bis n nume rierte Zeitschlitze aus, die von jedem Sensor/Aktor S.1. . .S.n empfangen werden kön nen. Ein Sensor/Aktor S.n, dem Zeitschlitz n zugeordnet worden ist, sendet seinen Da tenübertragungsblock in Aufwärtsrichtung nach Ablauf einer festen Zeitspanne, nach dem er den zugehörigen Zeitschlitz n in Abwärtsrichtung empfangen hat. Damit sind die Zeitschlitzgrenzen für alle Sensoren/Aktoren S.1. . .S.n grob synchronisiert und die Datenübertragungsblöcke in Aufwärtsrichtung überlappen sich zeitlich am Empfänger der Basisstation BS nicht. Wegen unterschiedlicher Distanzen der Sensoren/Aktoren S.1. . .S.n von der Basisstation BS und wegen hardwarebedingter Toleranzen zwischen Empfänger und Sender der einzelnen Sensoren/Aktoren S.1. . .S.n sind die Ankunfts zeiten der Aufwärts-Datenübertragungsblöcke an der Basisstation BS relativ zu den von der Basisstation BS selbst gesendeten Zeitschlitzen in der Abwärtsrichtung jedoch leicht unterschiedlich. Der Empfänger der Basisstation BS muß deshalb innerhalb eines zeitlichen Bereichs - dem sogenannten Synchronisationsfenster - diese Datenblöcke suchen. Im allgemeinen muß sich dieses Synchronisationsfenster über den gesamten Bereich der zu erwartenden distanz- und hardwareabhängigen Unterschiede zwischen den Sensoren/Aktoren S.1. . .S.n erstrecken.In the TDMA method, the base station BS transmits in the downward direction with 1 to n numbers time slots from each sensor / actuator p.1. , .S.n can be received NEN. A sensor / actuator S.n, to which time slot n has been assigned, sends its Da transmission frame in the upward direction after a fixed period of time, after which he received the associated time slot n in the downward direction. With that they are Time slot limits for all sensors / actuators p.1. , .S.n roughly synchronized and the frames in the upward direction overlap at the receiver of the Base station BS is not. Because of different distances of the sensors / actuators S.1. , .S.n from the base station BS and because of hardware-related tolerances between Receiver and transmitter of the individual sensors / actuators p.1. , .S.n are the arrivals times of the up frames at the base station BS relative to that of time slots transmitted by the base station BS itself in the downward direction, however slightly different. The receiver of the base station BS must therefore within one temporal range - the so-called synchronization window - these data blocks search. In general, this synchronization window must cover the entire Range of expected distance and hardware-dependent differences between the sensors / actuators p.1. , .S.n extend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA anzugeben, welches die Signal detektion, insbesondere Synchronisation, in der Basisstation verbessert und dem Empfänger der Basisstation erlaubt, jeweils nur ein kleines Synchronisationsfenster zu benutzen.The invention has for its object to provide a method for operating a system specify multiple nodes and a base station according to TDMA, which the signal detection, in particular synchronization, improved in the base station and the The base station receiver only allows a small synchronization window at a time to use.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes der beim vorausgegan genen TDMA-Datenübertragungsblock für diesen Zeitschlitz für die Synchronisation (Signaldetektion) eingestellte Wert der Lage des Synchronisationsfensters als Vorein stellwert übernommen und voreingestellt wird.This task is fiction, in connection with the features of the preamble resolved according to that at the beginning of each time slot the previous one gen TDMA frame for this time slot for synchronization (Signal detection) set value of the position of the synchronization window as a preset control value is adopted and preset.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorge schlagene Maßnahme eine schnelle Synchronisation zwischen Funksender des Kno tens und Funkempfänger der Basisstation ermöglicht, den Empfang durch Verkürzung des Synchronisationsfensters verbessert - da ein kürzeres Fenster die Wahrscheinlich keit von Fehlern verkleinert - und gleichzeitig den Signalverarbeitungsaufwand im Empfänger der Basisstation vermindert.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the pre suggested measure a quick synchronization between radio transmitter of the Kno tens and radio receiver of the base station enables the reception by shortening the synchronization window improved - since a shorter window the probabilities reduced errors - and at the same time the signal processing effort in Base station receiver decreased.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. Further advantages are evident from the description below.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiment shown in the drawing Examples explained. Show it:

Fig. 1 einen zyklischen TDMA-Datenübertragungsblock, Fig. 1 is a cyclic TDMA data transmission block,

Fig. 2 einen Zeitschlitz eines TDMA-Datenübertragungsblocks, Fig. 2 is a time slot of a TDMA data transmission block,

Fig. 3 ein System mit einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und einer Ba sisstation. Fig. 3 shows a system with a variety of sensors and / or actuators and a base station.

In Fig. 1 ist ein zyklischer TDMA-Datenübertragungsblock dargestellt, wie er beim vor geschlagenen System verwendet wird. Ein derartiger Datenübertragungsblock oder Rahmen FR.1 setzt sich aus n sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen TS.1, TD.2. . .TS.n zusammen. Jeder Zeitschlitz TS.1. . .TS.n ist einem bestimmten Sensor oder Aktor S.1. . .S.n zugeordnet. Obwohl beispielsweise die Sensoren ihre Nachrichten in zufälligen Augenblicken generieren, erfolgt eine an den zugeordneten Zeitschlitz TS.1. . .TS.n angepaßte Übertragung. Um sicherzustellen, daß die in einem Zeitschlitz TS.1. . .TS.n enthaltene Information auch dem richtigen Aktor zugeordnet wird, bzw. um sicherzustellen, daß ein Sensor die der Basisstation BS zu übermittelnde Information während des richtigen Zeitschlitzes absendet, enthält jeder Zeitschlitz TS.1. . .TS.n ein typisches Synchronisationswort zur exakten Synchronisation zwischen Basisstation BS einerseits und Sensoren/Aktoren S.1. . .S.n andererseits.In Fig. 1, a cyclic TDMA frame is shown, as used in the proposed system. Such a data transmission block or frame FR.1 is composed of n successive time slots TS.1, TD.2. , .TS.n together. Each time slot TS.1. , .TS.n is a specific sensor or actuator S.1. , .Sn assigned. For example, although the sensors generate their messages at random moments, the time slot TS.1 assigned to them occurs. , .TS.n customized transmission. To ensure that the TS.1. , Information contained in .TS.n is also assigned to the correct actuator, or to ensure that a sensor sends the information to be transmitted to the base station BS during the correct time slot, each time slot contains TS.1. , .TS.n a typical synchronization word for exact synchronization between base station BS on the one hand and sensors / actuators S.1. , .Sn on the other hand.

Zur kontinuierlichen Signalübertragung wird eine Folge von sukzessive aufeinanderfol genden Datenübertragungsblöcken bzw. Rahmen FR.1, FR.2, FR.3. . .FR.m (m = belie bige ganze positive Zahl) übertragen.A sequence of successive successions is used for continuous signal transmission Data frames or frames FR.1, FR.2, FR.3. , .FR.m (m = belie whole positive number).

In Fig. 2 ist ein Zeitschlitz eines TDMA-Datenübertragungsblocks dargestellt. Der Zeit schlitz TS.1 setzt sich zusammen aus der Synchronisations-Präambel PR, aus der Symbolfolge der eigentlichen Nachricht (Payload) PL und aus einem Sicherheitsabstand (Guard Time) GT. Die Snchronisations-Präambel PR enthält die zur Synchronisie rung zwischen Funkempfänger und Funksender erforderlichen Angaben und umfaßt beispielsweise sieben bits.In FIG. 2, a time slot of a TDMA data transmission block is shown. The time slot TS.1 is composed of the synchronization preamble PR, the symbol sequence of the actual message (payload) PL and a safety distance (guard time) GT. The Snchronisations preamble PR contains the information required for synchronization between radio receiver and radio transmitter and includes, for example, seven bits.

Der Empfänger der Basisstation BS kann aus der jedem Zeitschlitz zugeordneten Nummer unverwechselbar den jeweiligen Funksender, d. h. den relevanten Sen sor/Aktor (Knoten) bestimmen. Die Laufzeit des Datenübertragungsblocks des in jedem Zeitschlitz relevanten Funksenders ändert sich nicht, zumindest nicht in bedeutendem Umfang. Die Ankunftszeit des Datenübertragungsblocks relativ zur Zeitschlitzgrenze der Basisstation BS von Funksender und Funkempfänger ändert sich ebenfalls nicht, zu mindest nicht in bedeutendem Umfang. Demzufolge ist es dem Funkempfänger der Ba sisstation vorteilhaft möglich, zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes den beim vorausge gangenen Datenübertragungsblock bzw. Rahmen für diesen Zeitschlitz eingestellte La ge des Synchronisationsfensters als Voreinstellwert zu übernehmen und voreinzustel len. Diese Voreinstellung erfolgt vorteilhaft sehr schnell. Die Länge des Synchronisati onsfensters kann damit stark verkürzt werden. Der voreingestellte Wert der Lage des Sychronisationsfensters kann in Abhängigkeit der empfangenen Lage des Datenüber tragungsblocks des aktuellen Zeitschlitzes entsprechend korrigiert werden, um derart den optimalen Wert einzustellen. Diese Korrektur ist in den meisten Fällen in Relation zur bereits erfolgten Voreinstellung gering, da sie nur etwaigen Distanzänderungen des Sensors/Aktors folgen muß.The receiver of the base station BS can be assigned to each time slot Number unmistakably the respective radio transmitter, d. H. the relevant sen Determine sensor / actuator (node). The duration of the frame in each Time slot relevant radio transmitter does not change, at least not in significant Scope. The arrival time of the frame relative to the time slot limit of Base station BS of radio transmitter and radio receiver also does not change, too at least not to a significant extent. Accordingly, it is the radio receiver of the Ba sisstation advantageously possible, at the beginning of each time slot the at the pre current frame or frame set for this time slot La of the synchronization window to be adopted and preset as a preset value len. This presetting is advantageously carried out very quickly. The length of the Synchronisati onsfensters can be greatly shortened. The preset value of the location of the Synchronization window can depend on the received position of the data Carrier blocks of the current time slot are corrected accordingly, in such a way to set the optimal value. In most cases this correction is relative Low to the pre-setting already made, since it only changes the distance of the Sensor / actuator must follow.

Alternativ kann zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes auch ein gemittelter Wert der Lage des Synchronisationsfensters voreingestellt werden, welcher als Mittelwert über mehre re Lagemessungen (für diesen Zeitschlitz) der vorausgegangenen Datenübertragungs blöcke bzw. Rahmen ermittelt und berechnet wird.Alternatively, an average value of the position can also be given at the beginning of each time slot of the synchronization window can be preset, which as an average over several re position measurements (for this time slot) of the previous data transmission blocks or frames is determined and calculated.

Claims

1. Method for operating a system with several nodes (S.1... Sn) and a base station (BS) according to TDMA (Time Division Multiple Access), whereby cyclical TDMA data blocks (FR.1.. .FR.m) are transmitted and each TDMA data frame is composed of successively successive time slots (TS.1.. .TS.n), each time slot (TS.1.. .TS.n) belonging to a specific node (S.1... Sn) is assigned, characterized in that at the beginning of each time slot (TS.1... TS.n) the value of the position of the synchronization window set for the synchronization in the previous TDMA data transmission block for this time slot is adopted and preset as a preset value ,

2. The method according to claim 1, characterized in that at the beginning of each time slot (TS.1. .TS.n) an averaged position of the synchronization window sters is preset, which is the mean of several measured values of the location of the synchronization window for data transmission preceding this time slot blocks or frames is determined and calculated.

3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that the preset position of the synchronization window during the current time slot zes is corrected according to the current circumstances, in order to find the optimal one Set the value of the location.