DE19933817A1 - Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung, Anordnung für einen Teilnehmer hierzu und Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine - Google Patents
Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung, Anordnung für einen Teilnehmer hierzu und Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende MaschineInfo
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein schmalbandiges Hochfrequenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer vorgeschlagen, wobei der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) das empfangene Hochfrequenzsignal gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA)-Verfahren codiert, moduliert und als Antwortsignal zur Basisstation (2) zurückreflektiert. Bei einer Vielzahl von Teilnehmern (1.1 bis 1.s) verknüpft jeder Teilnehmer die zurückgesteuerten Antwortsignale mit einem individuellen, der Basisstation (2) bekannten Zufallscode. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich insbesondere für ein Informationssystem für eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere einen Fertigungsautomaten.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung
zwischen einer Basisstation und mindestens einem Teilnehmer, auf eine Anordnung für
einen Teilnehmer hierzu sowie auf ein Informationssystem für eine eine Vielzahl von
Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine.
Die Erfindung kann insbesondere zur drahtlosen Informationsübertragung mittels
Hochfrequenzsignalen bei einem Industrieroboter, einem Herstellungsautomaten oder
Fertigungsautomaten verwendet werden, welcher eine Vielzahl von Näherungssenso
ren/Näherungsschaltern und/oder Aktoren aufweist. Die Erfindung ermöglicht eine
drahtlose Informationsübertragung zwischen einer Basisstation mit angeschlossenem
Prozeßrechner und einer Vielzahl von Teilnehmern, hier Näherungssensoren/Nähe
rungsschaltern und/oder Aktoren. Als Teilnehmer können beispielsweise auch Tempe
raturmeßsensoren, Druckmeßsensoren, Strommeßsensoren oder Spannungsmeßsen
soren, mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elek
trostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren oder Anzeigeelemente
verwendet werden.
Außer bei Industrierobotern, Herstellungsautomaten und Fertigungsautomaten kann die
Erfindung auch bei Automationssystemen, Steuer/Regelsystemen, Fernsteuersyste
men, Schutz- und Sicherheitssystemen (beispielsweise bei Freiluft- oder Innenraum-
Schaltanlagen), Alarmsystemen, Zustandsüberwachungs-Systemen, in der Roboter
technik oder ganz allgemein bei Maschinen/Maschinensystemen zum Einsatz gelangen.
Die drahtlose Kommunikation zwischen einer Basisstation und einem Teilnehmer bzw.
mehreren Teilnehmern erfolgt üblicherweise über einen schmalbandigen Hochfre
quenzträger. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Teilnehmer zur Informations
übertragung das empfangene Hochfrequenzsignal moduliert und zur Basisstation zu
rück reflektiert, denn der Teilnehmer muß in einem solchen Fall zur Informationsüber
tragung kein eigenes Hochfrequenzsignal erzeugen, sondern benutzt das Hochfre
quenzsignal der Basisstation.
Die Demodulation des modulierten Hochfrequenzsignales ist unkritisch für die Basis
station, beispielsweise hinsichtlich der zeitlichen Abstimmung, im Unterschied zur De
modulation eines fremderzeugten, im Teilnehmer selbst produzierten Hochfrequenzsi
gnales. Im Vergleich zur Fremderzeugung des Hochfrequenzsignales im Teilnehmer ist
die Reflexion des Hochfrequenzsignales auch hinsichtlich des erforderlichen Energie
verbrauches wesentlich günstiger. Insgesamt ergibt sich eine beträchtliche Kostenre
duktion, sowohl hinsichtlich der Gestehungskosten als auch hinsichtlich der laufenden
Betriebskosten.
Allerdings muß bei Bemessung der von der Basisstation aufzubringenden Leistung be
achtet werden, daß aufgrund des Hin- und Rückweges des Hochfrequenzsignales von
der Basisstation zum Teilnehmer und zurück eine doppelt so hohe Ausbreitungsdämp
fung auftritt als dies bei Fremderzeugung des Hochfrequenzsignales im Teilnehmer der
Fall sein würde. Bei Übertragung kann auch ein frequenzselektiver Schwund in relativ
hohem Maß auftreten. Insgesamt ist die Fähigkeit zur Störungsunterdrückung nicht in
befriedigendem Maß gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur drahtlosen Informations
übertragung zwischen einer Basisstation und mindestens einem Teilnehmer mit ver
bessertem Signalausbreitungsverhalten anzugeben.
Ferner soll eine hierzu geeignete Anordnung für einen Teilnehmer vorgeschlagen wer
den.
Des weiteren soll ein Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder
Aktoren aufweisende Maschine angegeben werden.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur
drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein schmalbandiges Hochfre
quenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer gelöst, wo
bei der mindestens eine Teilnehmer das empfangene Hochfrequenzsignal gemäß dem
Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert, moduliert und als Antwortsi
gnal zur Basisstation zurück reflektiert.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Anordnung erfindungsgemäß durch eine Anordnung
für einen Teilnehmer eines Netzes zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen
einer Basisstation und dem mindestens einen Teilnehmer gelöst, wobei der mindestens
eine Teilnehmer eine Antenne/Rückstreueinrichtung zum Empfang eines von der Ba
sisstation abgestrahlten schmalbandigen Hochfrequenzsignales und zur Reflexion ei
nes modulierten Antwortsignales zur Basisstation aufweist und wobei der mindestens
eine Teilnehmer eine Codier/Modulationseinrichtung aufweist, die empfangene Hoch
frequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert
und moduliert.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Informationssystems erfindungsgemäß durch ein
Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende
Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, gelöst,
- - wobei mindestens eine Basisstation schmalbandige Hochfrequenzsignale an die Sen soren und/oder Aktoren aussendet,
- - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Antenne/Rückstreueinrichtung zum Empfang des Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwortsignales zur Basisstation aufweist,
- - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Codier/Modulationseinrichtung aufweist, die empfangene Hochfrequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert und
- - wobei jeder Sensor und/oder Aktor die zurückgestreuten Antwortsignale mit einem individuellen, der Basisstation bekannten Zufallscode verknüpft.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vor
geschlagene Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Basis
station und mindestens einem Teilnehmer bzw. die Anordnung bzw. das Informations
system einen signifikant reduzierten frequenzselektiven Schwund aufweist. Die Stö
rungsunterdrückung ist verbessert. Schmalbandige Störsignale werden gut unterdrückt.
Die spektrale Leistungsdichte (PSD, Power Spectral Density) ist herabgesetzt.
Die Erfindung ist insbesondere bei einem aus mindestens einer Basisstation und einer
Vielzahl von Teilnehmern bestehenden Informationssystem (Netz) von großem Vorteil,
denn sie erlaubt eine hohe Teilnehmerdichte und eine hohe Signaldichte und gewähr
leistet eine hohe Genauigkeit und hohe Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung, wo
bei eine gleichzeitige Informationsübertragung aller Teilnehmer des Informationssy
stems möglich ist.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich
net.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Ba
sisstation und einer Vielzahl von Teilnehmern,
Fig. 2 einen Sensor als Beispiel eines Teilnehmers.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer
Basisstation 2 und einer Vielzahl von Teilnehmern 1.1, 1.2, 1.3 . . . 1.s, vorzugsweise
Sensoren oder Aktoren, dargestellt (Backscatter-System). Die Basisstation 2 sendet ein
schmalbandiges Hochfrequenzsignal zu den Teilnehmern 1.1 bis 1.s. Wenn vorstehend
von "Hochfrequenzsignalen" die Rede ist, sind hierbei selbstverständlich auch Very-
High-Frequency-Signale, Extremely-High-Frequency-Signale, Ultra-High-Frequency-
Signale und Super-High-Frequency-Signale eingeschlossen.
Die einzelnen Teilnehmer 1.1 bis 1.s des Netzes antworten und senden mit entspre
chenden Informationen (beispielsweise detektierte Sensorinformationen) versehene
Antwortsignale an die Basisstation 2 zurück, indem sie das empfangene Hochfrequenz
signal gemäß dem CDMA-Verfahren (Code Division Multiple Access) codieren, modu
lieren und reflektieren. Zum CDMA-Verfahren wird allgemein auf das Fachkompendium
"Informationstechnologie von A - Z", Aktuelles Nachschlagewerk für die berufliche Pra
xis, Band 1, Interest GmbH, Augsburg, Februar 1999 hingewiesen. Dieses Mehrfach
zugriffverfahren basiert auf dem Codemultiplexverfahren CDM (Code Division Multiplex)
und ermöglicht ein Antworten aller Teilnehmer eines Netzes auf der gleichen Frequenz.
Die Kennung und Unterscheidung der einzelnen Teilnehmer 1.1 bis 1.s wird dadurch
vorgenommen, daß jeder Teilnehmer die zurückgestreuten Signale mit einem individu
ellen Zufallscode verknüpft. Die mit unterschiedlichen Codes ausgestatteten Antwortsi
gnale aller Teilnehmer überlagern sich und ergeben ein breitbandiges Spektrum
(Spread Spektrum), das um den codeabhängigen Spreizungsfaktor größer ist als das
ursprüngliche Signal. Der Spreizungsfaktor ist dabei ein Maß dafür, wieviel Signale
überlagert werden können.
Die Basisstation 2 empfängt die entsprechenden Antwortsignale, erkennt aufgrund des
jedem Teilnehmer 1.1 bis 1.s zugeordneten Zufallscodes, welcher der Teilnehmer je
weils geantwortet hat und demoduliert das empfangene breitbandige, gespreizte Ant
wortsignal, um die übermittelte Information zu erhalten. Gleichzeitig nimmt die Basis
station 2 alle anderen Antwortsignale als Summen-Störleistung wahr. Dabei kann die
Summen-Störleistung wesentlich größer sein als die Empfangsleistung des zu empfan
genen Antwortsignals. Das einzelne Antwortsignal geht nur scheinbar im Rauschen des
Summen-Störleistung unter.
Zur Spread Spectrum-Übertragungstechnik (gespreiztes Spektrum) wird allgemein auf
das Fachbuch "Digitale Kommunikation über Funk: Methoden und Meßtechnik digitaler
Nachrichtenübermittlung", von P, Hatzold, Franzis-Verlag, 1999, Seite 171 bis 182 hin
gewiesen. Mit Spread Spectrum Signalen wird eine relative Breitbandigkeit der Aus
sendungen erzeugt. Eine herausragende Eigenschaft dieser Signale ist es, daß die zu
ihrer Übertragung verwendete Hochfrequenz-Bandbreite wesentlich größer ist als die
Symbolrate des Datensignals. Dies führt zu einer Verteilung der Sendeleistung über
einen weiten Frequenzbereich und damit zu einer äußerst geringen spektralen Lei
stungsdichte. Dadurch sind die Signale im Rauschen schwer zu erkennen. Die Kapa
zität, d. h. die Menge der übertragbaren Informationen, wächst linear mit der Bandbrei
te. Eine weitere Eigenschaft dieser Signale ist ihre große Ähnlichkeit mit weißem Rau
schen, die von der Verknüpfung der Basisbandsignale mit Pseudo-Random-Folgen rüh
ren.
Die Aufspreizung der Bandbreite kann dabei grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen.
Entweder wird die Trägerfrequenz während der Dauer der Übertragung eines Symbols
nach einer Pseudo-Zufallsfolge verändert (Fast Frequency Hopping) oder es werden
die zu übertragenden Symbole, bevor sie den Hochfrequenz-Träger modulieren, mit
einer Pseudo Random Bit Sequence (PRBS) erheblich höherer Taktrate verknüpft.
Natürlich muß in beiden Fällen den Teilnehmern die verwendete Pseudo-Zufallsfolge
(Spreading Code) bekannt sein, so daß sie bei Fast Frequency Hopping die Empfangs
frequenz der Zufallsfolge des Senders nachführen bzw. bei DS Spread Spectrum mit
tels Korrelationstechniken sich das für sie bestimmte Signal aus dem Rauschspektrum
aussieben können.
Fig. 2 zeigt hierzu einen Sensor, insbesondere Näherungssensor, als Beispiel eines
Teilnehmers 1.1. Der Sensor weist eine Antenne/Rückstreueinrichtung 3, einen Sen
sorkopf 4 und eine Codier/Modulationseinrichtung 5 auf. Weitere, hier nicht interessie
rende Einheiten des Sensors, beispielsweise eine zur Energieversorgung geeignete
Energieeinheit, sind nicht dargestellt. Der Sensorkopf gibt die detektierte Sensorinfor
mation S an die Codier/Modulationseinrichtung 5, welche entsprechende Codier/Mo
dulationssignale C generiert und der Antenne/Rückstreueinrichtung 3 zuleitet. Die An
tenne/Rückstreueinrichtung 3 moduliert dis erhaltenen Eingangssignale E (Hochfre
quenzsignale) und bildet dementsprechende auszusendende (rückzustreuende) Ant
wortsignale A.
Bei Zellulärsystemen mit mehreren Zellen (Teilnetzen) mit jeweils einer Basisstation
werden die einzelnen Netze vorzugsweise mit unterschiedlichen, jeweils einer Basis
station zugeordneten Frequenzen betrieben. Es kann beispielsweise das Vielfachzu
griff-Verfahren FDMA (Frequency Domain Multiple Access, Frequenzmultiplex) ver
wendet werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein
schmalbandiges Hochfrequenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens ei
nem Teilnehmer, wobei der mindestens eine Teilnehmer das empfangene Hochfre
quenzsignal moduliert und zur Basisstation (2) zurück reflektiert, dadurch gekennzeich
net, daß der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) das empfangene Hochfrequenz
signal gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert, moduliert
und als Antwortsignal reflektiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit einer Vielzahl von Teilnehmern (1.1 bis
1.s), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilnehmer die zurückgestreuten Antwortsi
gnale mit einem individuellen, der Basisstation (2) bekannten Zufallscode verknüpft.
3. Anordnung für einen Teilnehmer eines Netzes zur drahtlosen Informa
tionsübertragung zwischen einer Basisstation und dem mindestens einen Teilnehmer,
wobei der mindestens eine Teilnehmer eine Antenne/Rückstreueinrichtung (3) zum
Empfang eines von der Basisstation abgestrahlten schmalbandigen Hochfrequenzsi
gnales und zur Reflexion eines modulierten Antwortsignales (A) zur Basisstation (2)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s)
eine Codier/Modulationseinrichtung (5) aufweist, die empfangene Hochfrequenzsignale
gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert.
4. Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren
aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat,
- - wobei mindestens eine Basisstation (2) schmalbandige Hochfrequenzsi gnale an die Sensoren und/oder Aktoren aussendet,
- - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Antenne/Rückstreueinrichtung (3) zum Empfang des Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwort signales (A) zur Basisstation (2) aufweist,
- - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Codier/Modulationseinrichtung (5) aufweist, die empfangene Hochfrequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert und
- - wobei jeder Sensor und/oder Aktor die zurückgestreuten Antwortsignale mit einem individuellen, der Basisstation (2) bekannten Zufallscode verknüpft.
5. Informationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Nä
herungssensoren als Sensoren eingesetzt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999133817 DE19933817A1 (de) | 1999-07-20 | 1999-07-20 | Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung, Anordnung für einen Teilnehmer hierzu und Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine |
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DE1999133817 DE19933817A1 (de) | 1999-07-20 | 1999-07-20 | Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung, Anordnung für einen Teilnehmer hierzu und Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine |
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ID=7915304
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DE1999133817 Withdrawn DE19933817A1 (de) | 1999-07-20 | 1999-07-20 | Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung, Anordnung für einen Teilnehmer hierzu und Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine |
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DE (1) | DE19933817A1 (de) |
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1999
- 1999-07-20 DE DE1999133817 patent/DE19933817A1/de not_active Withdrawn
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