DE102005059799A1 - Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks sowie Teilnehmergerät für ein derartiges Netzwerk - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks, wobei ein erster Teilnehmer (1) einen Testzyklus durchführt, in welchem er Testsignale mit jeweils verschiedener Antennenrichtcharakteristik aussendet. Ein zweiter Teilnehmer (2), der ein Testsignal empfängt, sendet an den ersten Teilnehmer ein Antwortsignal, in welchem er diesem seine Teilnehmererkennung und die Empfangsqualität des jeweils empfangenen Testsignals mitteilt. Der erste Teilnehmer (1) wählt für die Datenübertragung zum zweiten Teilnehmer (2) die Antennenrichtcharakteristik mit der besten Empfangsqualität aus. Dadurch wird die zum Betrieb des Teilnehmers erforderliche Energie minimiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern, insbesondere zwischen Geräten der Prozessinstrumentierung in einer automatisierungstechnischen Anlage, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Teilnehmergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
• Aus der DE 101 25 387 A1 ist bereits ein Funknetzwerk zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern, die auch als Teilnehmergeräte bezeichnet werden können, bekannt. Das Netzwerk weist mehrere Funkzellen auf, in denen jeweils zumindest eine Basisstation zur drahtlosen Datenübertragung mit in der Funkzelle befindlichen Teilnehmern angeordnet ist. Damit sich die Funksignale in einander benachbarten Funkzellen, die sich zumindest teilweise überlappen, nicht gegenseitig stören, werden in einander überlappenden Funkzellen jeweils verschiedene Kanäle zur drahtlosen Datenübertragung genutzt. Wenn sich ein über Funk angekoppelter Teilnehmer von einer Funkzelle in eine benachbarte bewegt, ist ein Übergabeverfahren, ein so genanntes Handover, von einer Zelle zur anderen erforderlich. Die mobilen Teilnehmer bewerten die Signalqualität und wechseln je nach Ergebnis der Bewertung den Übertragungskanal, um jeweils auf dem Übertragungskanal mit den besten Übertragungseigenschaften die Kommunikation mit einer Basisstation durchzuführen. Zur Minimierung der Verzögerungszeit beim Umschalten eines mobilen Teilnehmers auf einen neuen Kanal werden durch die Basisstationen gleichzeitig Testzyklen abgearbeitet, in welchem durch die Basisstationen Testsignale in die jeweiligen Funkzellen ausgesendet werden, anhand derer über Funk angekoppelte Teilnehmer den Übertragungskanal mit den besten Übertragungseigenschaften ermitteln. Das Verfahren ist für Netzwerke geeignet, die für zeitkritische Anwendungen vorgesehen sind, beispielsweise zur Vernetzung von Sensoren und Aktuatoren als Geräte der Prozessinstrumentierung in einer automatisierungstechnischen Anlage.
• In automatisierungstechnischen Anlagen finden zunehmend autarke Sensoren Anwendung, das heißt Sensoren, die über keinerlei Anschlussdrähte zur Kommunikation oder Energieversorgung verfügen. Sie sind mit besonders geringem Aufwand in der Anlage installierbar. Zur Versorgung mit der erforderlichen Betriebsenergie sind sie mit einer Energiequelle oder einem Energiespeicher versehen. Die zur Verfügung stehende Energiemenge ist dabei häufig begrenzt. Diese wird benötigt zur Erfassung des Sensorwerts, evtl. zur Vorverarbeitung der erfassten Werte und zur Übertragung der erfassten Werte über das Funknetzwerk.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern, insbesondere zwischen Geräten der Prozessinstrumentierung in einer automatisierungstechnischen Anlage, sowie ein Teilnehmergerät, insbesondere einen Messumformer, für ein derartiges Funknetzwerk zu schaffen, die sich durch gute Übertragungsqualität bei geringem Energieverbrauch auszeichnen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Weiterbildungen des Verfahrens sowie ein neues Teilnehmergerät sind in den abhängigen Ansprüchen bzw. in Anspruch 8 beschrieben.
• Die Erfindung hat den Vorteil, dass es durch die Auswahl der für die Datenübertragung am besten geeigneten Antennenrichtcharakteristik ermöglicht wird, mit geringerer Sendeleistung Daten zu übertragen. Dadurch wird bei gleicher Übertragungsqualität der Energieverbrauch des jeweiligen Teilnehmergeräts minimiert. Zur Versorgung des Teilnehmergeräts mit der zum Betrieb erforderlichen Energie genügt somit bereits eine kleinere Energiequelle, die mit einem geringeren Aufwand verbunden ist, oder das Teilnehmergerät kann durch einen Energiespeicher, da aus ihm eine geringere Leistung entnommen wird, längere Zeit betrieben werden, so dass Wartungszyklen zur Erneuerung des Energiespeichers verlängert werden können.
• Wenn ein Testzyklus bereits bei der Inbetriebnahme des Funknetzwerks zur Bestimmung der optimalen Antennenrichtcharakteristik durchgeführt wird, so hat dies den Vorteil, dass das Teilnehmergerät von Anfang an mit geringem Energieverbrauch betrieben wird. Dadurch wird der Energiespeicher des Teilnehmergeräts von Anfang an geschont.
• In vorteilhafter Weise wird eine ständige Anpassung bei Veränderungen, zum Beispiel aufgrund mobiler Teilnehmergeräte, erreicht, wenn der Testzyklus zu bestimmten Zeiten, beispielsweise in Intervallen vorbestimmter Länge, wiederholt wird.
• Wenn bei einer hohen Empfangsqualität die Sendeleistung auf das für eine sichere Datenübertragung notwendige Maß reduziert wird, hat dies den Vorteil, dass nicht mehr Energie als unbedingt erforderlich verbraucht wird.
• Ein Betrieb mit unnötig hoher Sendeleistung wird von Anfang an vermieden, wenn bei dem Verfahren mit einer geringen Sendeleistung begonnen wird. Die Sendeleistung wird so lange schrittweise erhöht, bis eine Datenverbindung hergestellt werden kann.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Teilnehmer, der das Testsignal aussendet, bei Empfang eines Antwortsignals von mindestens einem weiteren Teilnehmer denjenigen Teilnehmer als Übertragungspartner auswählt, der mit der geringsten Sendeleistung erreichbar ist. Das ermöglicht eine auf geringen Energieverbrauch optimierte Konfiguration der Verbindungen im Funknetzwerk, ohne dass damit Einschränkungen bezüglich der Zuverlässigkeit der drahtlosen Verbindung einherge hen müssen. Zudem ist das Funknetzwerk auf diese Weise in der Lage, sich selbständig zu konfigurieren. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Erfindung in einer automatisierungstechnischen Anlage, in welcher drahtlose Messumformer, die oft auch als autarke Sensoren bezeichnet werden, als Teilnehmergeräte über das Funknetzwerk miteinander verbunden sind.
• Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Funknetzwerk und
• 2 einen Messumformer als Teilnehmergerät.
• Ein Funknetzwerk besteht gemäß 1 aus drei Teilnehmergeräten 1, 2 und 3, zwischen denen Funkverbindungen aufgebaut werden. In einer automatisierungstechnischen Anlage ist beispielsweise das Teilnehmergerät 1 ein Sensor, das Teilnehmergerät 2 ein Aktuator und das Teilnehmergerät 3 ein Regler, der aufgrund des mit dem Sensor erfassten Istwerts und eines vorgegebenen Sollwerts eine Stellgröße berechnet, die an den Aktuator zur Prozessregelung ausgegeben wird. Die Teilnehmergeräte 1...3 sind jeweils mit einer Antenneneinrichtung ausgestattet, die mit verschiedenen Richtcharakteristiken betrieben werden kann. Der Übersichtlichkeit wegen sind in der 1 lediglich zweidimensionale Funkfelder 4...8 des Teilnehmergeräts 1 mit durchbrochenen Linien angedeutet. Am Prinzip ändert sich durch die in der Realität vorhandenen Dreidimensionalität der Funkfelder jedoch nichts. Die durchbrochenen Linien der Funkfelder 4...8 stellen jeweils die Grenze dar, bis zu welcher eine sichere Datenübertragung mit einem innerhalb des Funkfeldes befindlichen Teilnehmergerät möglich ist. Das kugelförmige Funkfeld 4 entspricht einer so genannten Omni-Antenne, die in alle Richtungen mit gleicher Intensität ausstrahlt. Es stellt einen Raum dar, der durch das Teilnehmergerät 1 mit einer vorgegebenen Sendeleistung der Omni-Antenne abgedeckt werden kann. Die Funkfelder 5...8 haben dagegen eine ausgeprägte Richtcharakteristik. Eine Kommunikation zwischen Teilnehmergerät 1 und Teilnehmergerät 3 wäre bei Verwendung der Omni-Antenne nicht möglich. Eine Kommunikation zwischen Teilnehmergerät 1 und Teilnehmergerät 2 wäre dagegen bereits im Omni-Fall möglich, wobei jedoch für eine stabile Verbindung die volle Sendeleistung erforderlich wäre. Beispielhaft ist in 1 der Fall dargestellt, dass das Teilnehmergerät 1 eine Antenneneinrichtung aufweist, die mit vier verschiedenen Vorzugsrichtungen betrieben werden kann. Zwischen den verschiedenen Betriebsarten wird im Zeitmultiplex gewechselt. Bei einer Antennenrichtcharakteristik entsprechend dem Funkfeld 6 wird bei gleicher Sendeleistung auch eine Kommunikation zwischen Teilnehmergerät 1 und Teilnehmergerät 3 ermöglicht. Im Gegensatz zum Omni-Fall besteht bei einer Antennenrichtcharakteristik entsprechend dem Funkfeld 5 die Möglichkeit, die Sendeleistung bei der Kommunikation zwischen Teilnehmergerät 1 und Teilnehmergerät 2 deutlich zu reduzieren und damit den Energiebedarf des Teilnehmergeräts 1 zu senken.
• Zur optimalen Auswahl der Antennenrichtcharakteristik führt der Teilnehmer 1 insbesondere beim Anlauf in der Inbetriebnahmephase einen Testzyklus durch, in welchem er Testsignale mit jeweils verschiedener Antennenrichtcharakteristik aussendet. Als Testsignal wird ein Broadcast-Telegramm verwendet, auf das alle Teilnehmergeräte, die das Telegramm empfangen, antworten. Die Antwort enthält eine eindeutige Kennung des jeweiligen Empfängers und eine Angabe für die Empfangsqualität, mit welcher das Broadcast-Telegramm empfangen wurde. Zusätzlich kann der Teilnehmer, welcher das Broadcast-Telegramm empfangen hat, in seinem Antworttelegramm bereits eine Reduzierung der Sendeleistung um ein anhand der Empfangsqualität ermitteltes Maß vorschlagen. Im Beispiel gemäß 1 wird durch den Teilnehmer 2 eine Reduktion der Sendeleistung auf etwa ein Drittel bei einer Antennenrichtcharak teristik entsprechend dem Funkfeld 5 vorgeschlagen. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Teilnehmer 1 selbst anhand der Empfangsqualität eine geeignete Reduktion der Sendeleistung bestimmt. Weitere Kommunikation erfolgt mit reduzierter Sendeleistung. Falls die Verbindung abbricht und Quittungstelegramme ausbleiben, wird die Sendeleistung des Testsignals in einem weiteren Testzyklus schrittweise erhöht. Testzyklen werden in vorbestimmten zeitlichen Abständen wiederholt, damit sich die Konfiguration des Netzwerks an veränderliche Gegebenheiten anpasst. Beispielsweise können sich Teilnehmer im Funknetzwerk bewegen, so dass eine neue Auswahl einer Antennenrichtcharakteristik erforderlich wird, oder Funkfelder können durch Veränderungen in der Umgebung beeinflusst werden.
• 2 zeigt einen Teilnehmer 9 mit einer Funkschnittstelle 10, die eine Antenneneinrichtung aufweist, die aus drei Antennen 11, 12 und 13 mit verschiedener Richtcharakteristik besteht. Durch Aktivierung jeweils einer der Antennen 11, 12 oder 13 wird im Zeitmultiplex eine der möglichen Richtcharakteristiken ausgewählt. Eine derartige Antenneneinrichtung kann sowohl in konventioneller als auch in mikrostrukturierter Technik realisiert werden.
• Das Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks kann dazu beitragen, dass sich ein vermaschtes Funknetzwerk in vorteilhafter Weise selbständig aufbaut und/oder dass sich Teilnehmergeräte in der jeweiligen Umgebung einen am besten geeigneten Zugangspunkt, einen so genannten Access-Point, selbständig suchen. Dazu wird im Testzyklus das Teilnehmergerät als Kommunikationspartner gewählt, zu dem die Kommunikationsverbindung mit der geringsten Leistung möglich ist. Dabei können in vorteilhafter Weise Antenneneinrichtungen mit möglichst hoher Zahl an Richtsegmenten und mit hoher Richtwirkung der Segmente gewählt werden. Der erste Testzyklus kann mit sehr geringer Sendeleistung durchgeführt werden. Wird bei diesem kein Kommunikationspartner gefunden, so kann die Sendeleistung sukzessive erhöht werden. Dadurch wird die für die Kommunikation erforderliche Sendeleistung minimiert. Da der am besten geeignete Kommunikationspartner durch das Verfahren gefunden wird, ermöglicht es eine verbesserte Zuverlässigkeit der drahtlosen Verbindung.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern (1...3), insbesondere zwischen Geräten der Prozessinstrumentierung in einer automatisierungstechnischen Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilnehmer (1) einen Testzyklus durchführt, in welchem er Testsignale mit jeweils verschiedener Antennenrichtcharakteristik aussendet, dass ein zweiter Teilnehmer, der ein Testsignal empfängt, an den ersten Teilnehmer ein Antwortsignal zurücksendet, in welchem er diesem seine Teilnehmerkennung und die Empfangsqualität des jeweils empfangenen Testsignals mitteilt, und dass der erste Teilnehmer (1) für die Datenübertragung zum zweiten Teilnehmer (2) die Antennenrichtcharakteristik mit der besten Empfangsqualität auswählt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Testzyklus bei einer Inbetriebnahme des Funknetzwerks durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Testzyklus zu bestimmten Zeiten wiederholt wird.
4. verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilnehmer (1) bei hoher Empfangsqualität die Sendeleistung auf das notwendige Maß reduziert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilnehmer (1) bei Ausbleiben des Antwortsignals des zweiten Teilnehmers (2) die Sendeleistung des Testsignals schrittweise erhöht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilnehmer (1) bei Empfang eines Antwortsignals von mindestens einem weiteren Teilnehmer (3) denjenigen Teilnehmer als Übertragungspartner auswählt, der mit der geringsten Sendeleistung erreichbar ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilnehmer (1) ein drahtloser Messumformer ist.
8. Teilnehmergerät, insbesondere Messumformer, für ein Funknetzwerk, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilnehmer (1) eine Funkschnittstelle (10...13) aufweist, durch welche in einem Testzyklus Testsignale mit jeweils verschiedener Antennenrichtcharakteristik aussendbar sind, und dass der Teilnehmer derart ausgebildet ist, dass er für die Datenübertragung zum zweiten Teilnehmer die Antennenrichtcharakteristik mit der besten Empfangsqualität auswählt.