-
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Betrieb eines Systems gemäß TDMA (Time Division Multiple
Access) mit einer Vielzahl drahtloser Sensoren und / oder Aktoren
als Knoten und einer Basisstation, welches in einer Maschine oder
Anlage, wie Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat
installiert ist, wobei zyklische TDMA-Datenübertragungsblöcke übertragen
werden und sich jeder TDMADatenübertragungsblock
aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusammensetzt,
wobei jeder Zeitschlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist.
Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein System hierzu.
-
Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren,
Temperaturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder
Spannungsmesssensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische,
magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren
verwendet werden.
-
In der
DE 199 26 799 A1 wird ein
System für eine
eine Vielzahl von drahtlosen Näherungssensoren
aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,
wobei – jeder
Näherungssensor
mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld
geeignete Sekundärwicklung
aufweist, – wobei
mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste
Primärwicklung
zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren
mit elektrischer Energie vorgesehen ist, – und wobei jeder Näherungssensor
mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende
Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale,
mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Basisstation abgibt.
-
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 Kabelbrüchen
oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.
-
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 Primärwicklung
hierzu sowie ein System für
eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen,
wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energieversorgung und
Kommunikation gleichartig der vorstehend für die
DE 199 26 799 A1 angegebenen
Technologie ist.
-
Für
die Funkübertragung
wird dabei vorzugsweise die TDMA-Technologie (Time Division Multiple Access)
eingesetzt, bei der die Signale (Informationen) von der Basisstation
zu den Aktoren bzw. Sensoren (Knoten) als downlink Signale und von
den Aktoren bzw. Sensoren (Knoten) zur Basisstation als uplink Signale
jeweils in Form zyklischer TDMA-Datenübertragungsblöcke übermittelt
werden, wobei jedem Sensor/Aktor (Knoten) ein bestimmter Zeitschlitz
innerhalb eines Datenübertragungsblockes zugeordnet
ist. Beim Stand der Technik wird die Anzahl mit einer Basisstation
kommunikationsfähiger Knoten
(Sensoren/Aktoren) durch die Anzahl der Zeitschlitze eines Datenübertragungsblockes
festgelegt und damit begrenzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer Vielzahl Knoten und
einer Basisstation gemäß TDMA der
eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anzahl der mit der
Basisstation kommunikationsfähigen
Knoten erhöht
ist. Des weiteren soll ein System hierzu angegeben werden.
-
Die Aufgabe wird hinsichtlich des
Verfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die uplink Signale von den unterschiedlichen Knoten zu der Basisstation
gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen
gesendet werden können,
während
die downlink Signale von der Basisstation zu den unterschiedlichen
Knoten auf lediglich einer, von den uplink Frequenzen unterschiedlichen
Frequenz gesendet werden, wobei die Zeitschlitze und die unterschiedlichen
uplink Frequenzen der unterschiedlichen Knoten einmal festgelegt
und danach beibehalten werden.
-
Die Aufgabe wird hinsichtlich des
Systems mit einer Basisstation und einer Vielzahl Knoten dadurch
gelöst,
dass die uplink Signale von den unterschiedlichen Knoten zu der
Basisstation gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen
Frequenzen gesendet werden können,
während
die downlink Signale von der Basisstation zu den unterschiedlichen
Knoten auf lediglich einer, von den uplink Frequenzen unterschiedlichen
Frequenz gesendet werden, wobei die Zeitschlitze und die unterschiedlichen uplink
Frequenzen der unterschiedlichen Knoten einmal festgelegt und danach beibehalten werden.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren
Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Kapazität des Systems
mit einer Vielzahl von Knoten und einer Basisstation vergrößert wird,
d. h. die Anzahl der möglichen,
mit einer Basisstation kommunikationsfähigen Knoten wird bei Verwendung
von zwei unterschiedlichen uplink Frequenzen verdoppelt, bei Verwendung von
drei unterschiedlichen uplink Frequenzen verdreifacht usw. Der Einsatz
zusätzlicher,
mit eigenen downlink Frequenzen zu betreibender Basisstationen wird
vermieden, wodurch zum einen vorteilhaft durch mehrere downlink
Frequenzen verursachte Interferenzen verhindert werden, welche im
allgemeinen bei Systemen mit mehreren Basisstationen auftreten und was
zum anderen vorteilhaft Kosteneinsparungen zur Folge hat.
-
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung
ersichtlich.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand
des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. In
der einzigen Figur ist ein System mit einer Vielzahl von Knoten
S.1, S.2...S.n (n = beliebige ganze positive Zahl), vorzugsweise
Sensoren und/oder Aktoren (Knoten) und einer Basisstation BS dargestellt.
Die Sensoren und/oder Aktoren S.1, S.2...S.n sind beispielsweise
innerhalb einer Anlage installiert oder an einer Maschine, insbesondere
einem Fertigungsautomat befestigt. 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 Signalauswertung sowie die Aktoren eine
Aktoreinheit (beispielsweise ein Druckluftventil oder ein Schütz) sowie
eine Ansteuereinheit hierfür auf.
-
Die Sensoren und/oder Aktoren S.1...S.n weisen
jeweils eine Kommunikationseinrichtung auf, welche den erforderlichen
Funksender und Funkempfänger
enthält,
um derart eine drahtlose Kommunikation zwischen der Basisstation
BS und den einzelnen Sensoren/Aktoren S.1...S.n zu ermöglichen. Bei
einem Sensor gelangt das aufbereitete Sensorsignal zu einem Modulator/Codierer
mit nachgeschaltetem Funksender und Antenne, wo es an die Basisstation
BS gesendet wird. Bei einem Aktor gelangt das von der Basisstation
BS gesendete Ansteuersignal über
eine Antenne, einen Funkempfänger
und einen Demodulator/Decodierer zur Ansteuereinheit.
-
Die Basisstation BS ist zweckmäßig an einen Zentralrechner
(Prozessrechner, Speicherprogrammierbare Steuerung) angeschlossen
und weist eine Kommunikationseinrichtung auf, welche Sensorsignale
der Sensoren und Meldesignale betreffend den aktuellen Zustand von
Aktoren in Form von uplink Signalen UL, 1, UL.2...UL.n (uplink =
"in Aufwärtsrichtung"
= von den Sensoren/Aktoren zur Basisstation) empfängt, Ansteuersignale
zur Aktivierung/Deaktivierung der Aktoren in Form von downlink Signalen DL (downlink
= "in Abwärtsrichtung"
= von der Basisstation zu den Sensoren/Aktoren) abgibt und Signale zur
Einstellung von spezifischen Parametern der Aktoren und Sensoren
ebenfalls in Form von downlink Signalen DL abgibt. Die Kommunikationseinrichtung der
Basisstation BS weist zumindest eine Antenne auf, an welche ein
Funkempfänger
und ein Funksender angeschlossen sind. Die Signale des Funkempfängers werden
einem Demodulator/Decodieren zugeführt und dem Funksender ist
ein Modulator/Codierer vorgeschaltet.
-
Beim TDMA-Verfahren sendet die Basisstation
BS zur kontinuierlichen Signalübertragung
eine Folge von sukzessive aufeinanderfolgenden TDMA-Datenübertragungsblöcken bzw.
Rahmen in Abwärtsrichtung
aus, die von jedem Sensor/Aktor S.1...S.n empfangen werden können. Ein
zyklischer TDMA-Datenübertragungsblock
oder Rahmen setzt sich aus m (m = beliebige ganze Zahl) sukzessive nacheinander
folgenden Zeitschlitzen zusammen. Jeder Zeitschlitz ist einem bestimmten
Sensor oder Aktor S.1...S.n zugeordnet.
-
Um sicherzustellen, dass die in einem
Zeitschlitz 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 ein typisches
Synchronisationswort zur exakten Synchronisation zwischen Basisstation
BS einerseits und Sensoren/Aktoren S.1...S.n andererseits. Ein Zeitschlitz
eines TDMA-Datenübertragungsblocks
setzt sich zusammen aus einer Synchronisations-Präambel, aus
der Symbolfolge der eigentlichen Nachricht (Payload) und aus einem
Sicherheitsabstand (Guard Time). Die Synchronisations-Präambel enthält die zur
Synchronisierung zwischen Funkempfänger und Funksender erforderlichen
Angaben.
-
Obwohl beispielsweise die Sensoren
ihre Nachrichten in zufälligen
Augenblicken generieren, erfolgt eine an den zugeordneten Zeitschlitz
angepasste Übertragung
der Daten. Ein Sensor/Aktor S.1...S.n sendet seinen Datenübertragungsblock
in Aufwärtsrichtung
(uplink Signal) nach Ablauf einer festen Zeitspanne, nachdem er
die Information im zugehörigen
Zeitschlitz in Abwärtsrichtung
(downlink Signal) empfangen hat.
-
Der Empfänger der Basisstation BS kann aus
der jedem Zeitschlitz zugeordneten Nummer und Frequenz unverwechselbar
den jeweiligen Funksender, d. h. den relevanten Sensor/Aktor (Knoten) S.1...S.n
bestimmen.
-
Wesentliches Kriterium der Erfindung
ist es, dass die uplink Signale UL.1, UL.2...UL.n von den unterschiedlichen
Sensoren/Aktoren S.1...S.n gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr
unterschiedlichen Frequenzen gesendet werden, d. h. während eines uplink
Zeitschlitzes werden gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen
Frequenzen die Daten von unterschiedlichen Sensoren/Aktoren S.1...S.n gesendet.
Ein Ausführungsbeispiel
hierzu:
– Knoten
S.1 sendet während
des ersten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f1,
– Knoten
S.2 sendet während
des ersten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f2
– Knoten
S.3 sendet während
des ersten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f3,
– Knoten
S.4 sendet während
des zweiten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f1,
– Knoten
S.5 sendet während
des zweiten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f2,
– Knoten
S.6 sendet während
des zweiten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f3,
– Knoten
S.7 sendet während
des dritten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f1,
– Knoten
S.8 sendet während
des dritten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f2,
– Knoten
S.9 sendet während
des dritten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f3,
– Knoten
S.10 sendet während
des vierten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f1,
– Knoten
S.11 sendet während
des vierten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der
Frequenz f2 usw.
-
Die downlink Signale DL werden im
Unterschied hierzu auf lediglich einer einzigen Frequenz gesendet,
d. h. während
eines jeden downlink Zeitschlitzes werden die Daten an zwei, drei
oder mehr Sensoren/Aktoren S.1...S.n gleichzeitig gesendet, was
durch geeignetes Packen der Daten erfolgt. Diese Verfahrensweise
hat den Vorteil, dass insgesamt weniger Frequenzen durch das System
belegt werden.
-
Die Funktionsweise der Basisstation
BS ermöglicht
dementsprechend den gleichzeitigen Empfang von zwei, drei oder mehr
unterschiedlichen Frequenzen entsprechend den Frequenzen der uplink Signale.
Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass zwei, drei oder mehr separate
Empfänger – jeweils zum
Empfang einer festen Frequenz eingestellt – vorgesehen sind. Jeder Empfänger kann
eine eigene Empfangsantenne aufweisen. Alternativ kann eine gemeinsame
Empfangsantenne für
alle Empfänger vorgesehen
sein. Des weiteren ist es realisierbar, dass bestimmte analoge und/oder
digitale Baukomponenten gemeinsam für alle Empfangsfrequenzen vorgesehen
sind, während
andere Baukomponenten empfangsfrequenzspezifisch ausgebildet sind.
-
Selbstverständlich werden die uplink Signale nur
dann gebildet und gesendet, wenn die entsprechenden Knoten entsprechende
Informationen, beispielsweise Sensor-Daten oder Empfangsbestätigungen,
zu senden haben, d. h. es ist selbstverständlich nicht zwingend erforderlich,
dass jeder Knoten während
eines jeden ihm zugeordneten Zeitschlitzes sendet.
-
Die uplink Zeitschlitze werden frequenz-orthogonal
(einander nicht beeinflussend, nicht überlappend) benutzt, d. h.
die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unterschiedlichen Sensoren/Aktoren werden
derart festgelegt, dass Interferenzen innerhalb des Systems möglichst
vermieden werden. Ebenso ist die downlink Frequenz orthogonal zu
den verwendeten uplink Frequenzen.
-
Dabei werden die Zeitschlitze und
die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unterschiedlichen Knoten
einmal – während der
Konfiguration des Systems – festgelegt
und danach beibehalten.
-
Aufbauend auf den und unter Beachtung
der vorstehenden Erläuterungen
ist es auch möglich,
das aus einer Basisstation und einer Vielzahl Knoten bestehende
System sowohl für
die uplink Signale als auch für
die downlink Signale nach dem Frequency Hopping Verfahren zu betreiben,
um derart die Qualität
der drahtlosen Kommunikation zu erhöhen.
-
Frequency Hopping FH ist ein bekanntes Verfahren
auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation, um frequenz-selektivem
Fading und Interferenzen entgegenzuwirken. Die Übertragungsfrequenz (Trägerfrequenz)
springt dabei über
einem weiten Frequenzband gemäß einer
festgelegten Sprung-Frequenzfolge (Frequency Hopping Frequenzfolge),
welche sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt ist. Für Übertragungskanäle mit frequenzabhängigen Übertragungsbedingungen und
relativ hohen Fehlerraten kann mittels Frequency Hopping sichergestellt
werden, dass eine Übertragung
mit ausreichender Qualität
und ausreichend niedriger Fehlerrate erfolgt. In Verbindung mit
Fehlerüberwachungsverfahren – wie beispielsweise
FEC (Forward Error Correction) oder ARQ (Automatic Repeat Request) – ist vielfach
mittels eines Frequency Hopping Systems eine zuverlässige Kommunikation erzielbar.
-
Die Grundlagen des Frequency Hopping sind
beispielsweise aus J. G. Proakis, Digital Communications, McGraw
Hill, 1983, Section 8.3, pp. 580 – 587 bekannt.
-
Des weiteren wird auf das Fachbuch
K. Dostert, Powerline Kommunikation, Francis Verlag GmbH Poing,
2000, Seiten 116 – 123
hingewiesen.
-
Der Wechsel der gemäß der Frequency
Hopping Frequenzfolge festgelegten Frequenzen erfolgt dabei vorzugsweise
rahmenweise. Die Erzeugung der Frequency Hopping Frequenzfolge erfolgt
beispielsweise auf Basis der Taktgebersignale der Basisstation,
welche den Knoten mittels der downlink Signale zugeleitet werden.
-
Die Frequency Hopping Frequenzfolgen
sind dabei vorteilhaft derart festgelegt, dass die uplink Frequenzen
und die downlink Frequenzen das gleiche Gesamt-Frequenzband benutzen,
-
- – dass
die Frequenzfolgen nur geringe Korrelation aufweisen,
- – dass
alle Frequenzen des zugewiesenen Frequenzbandes verwendet werden,
- – dass
unmittelbar aufeinanderfolgende Frequenzsprünge einen möglichst weiten Abstand aufweisen,
- – dass
die unterschiedlichen, gleichzeitig auftretenden uplink Frequenzen
sowie die gleichzeitig auftretende downlink Frequenz keine Interferenzen
verursachen.
-
Es ist dabei jedoch nicht zwingend
erforderlich, dass die Frequency Hopping Frequenzfolgen alle vorstehend
angeführten
Kriterien erfüllen.