WO2007068708A1 - Verfahren zum betreiben eines funknetzwerks sowie teilnehmergerät für ein derartiges netzwerk - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines funknetzwerks sowie teilnehmergerät für ein derartiges netzwerk Download PDF

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WO2007068708A1 PCT/EP2006/069631 EP2006069631W WO2007068708A1 WO 2007068708 A1 WO2007068708 A1 WO 2007068708A1 EP 2006069631 W EP2006069631 W EP 2006069631W WO 2007068708 A1 WO2007068708 A1 WO 2007068708A1
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    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a radio network for transmitting data between a plurality of subscribers, in particular between devices vininstrumentie ⁇ tion in an automation system, according to the preamble of claim 1 and a subscriber unit according to the preamble of claim 8.
  • Network comprises a plurality of radio cells in each of which at least ⁇ a base station for wireless data transmission located in the radio cell is arranged participants.
  • a base station for wireless data transmission located in the radio cell is arranged participants.
  • different channels are used for wireless data transmission in overlapping radio cells.
  • test signals are sent by the Basissta ⁇ tions in the respective radio cells on the basis of which radio-coupled participants determine the transmission channel with the best transmission properties.
  • the method is suitable for networks intended for time-critical applications, for example for Networking of sensors and actuators as process instrumentation devices in an automation system.
  • Autonomous sensors are increasingly used in automation systems, ie sensors that have no connection wires for communication or power supply. They can be installed in the system with very little effort. To supply the required operating energy, they are provided with an energy source or an energy store. The amount of energy available is often limited. This is required to acquire the sensor value, possibly for preprocessing the acquired values and for transferring the acquired values via the wireless network.
  • the invention is based on the object, a method for operating a radio network for data transmission between multiple participants, in particular between devices of the process instrumentation in an automation technology
  • Plant and a subscriber device, in particular a Messum ⁇ shaper, to create for such a wireless network, which are characterized by good transmission quality with low energy consumption.
  • the invention has the advantage that it is possible by the selection of the most suitable for the data transmission antenna directivity to transmit data with lower transmission power. As a result, the energy consumption of the respective subscriber device is minimized with the same transmission quality. To supply the subscriber device with the energy required for operation thus already sufficient one smaller energy source, which is associated with less effort, or the subscriber device can be operated for a longer time by an energy storage, since it is taken from a lower power, so that maintenance cycles can be extended to renew the energy storage.
  • a permanent adjustment in comparison is changes, for example due to mobile subscriber devices, achieved when the test cycle at certain times, play as predetermined in ⁇ at intervals length is repeated.
  • the first subscriber who transmits the test signal upon receipt of a reply signal from at least one further subscriber, selects that subscriber as the transmission partner who can be reached with the lowest transmission power.
  • This allows a low-power optimized configuration of the wireless network connections without sacrificing reliability of the wireless connection. need to.
  • the wireless network is in this way able to configure itself independently.
  • wireless transmitter which are often referred to as self-sufficient sensors, as
  • Subscriber devices are connected to each other via the wireless network.
  • Figure 1 is a wireless network
  • Figure 2 shows a transmitter as a subscriber device.
  • a radio network consists of three subscriber devices 1, 2 and 3, between which radio links are established.
  • the subscriber device 1 is a sensor
  • the subscriber device 2 an actuator
  • the subscriber device 3 a controller that calculates a manipulated variable based on the detected with the sensor and a predetermined setpoint value, which is output to the actuator for process control
  • the user equipment 1... 3 are each equipped with an antenna device which can be operated with different directional characteristics. For the sake of clarity, only two-dimensional radio fields 4... 8 of FIG.
  • the spherical radio field 4 corresponds to a so-called omni antenna, which in all directions with the same Intensity radiates. It represents a space that can be covered by the subscriber device 1 with a predetermined transmission power of the omni antenna.
  • FIG. 1 illustrates the case in which the subscriber device 1 has an antenna device which can be operated with four different preferred directions. There is a time multiplex switch between the different operating modes. With an antenna directivity in accordance with the radio field 6, a communication between the subscriber device 1 and part ⁇ slave device 3 is made possible at the same transmission power.
  • the Omni-case consists in an antenna directivity in accordance with the radio field 5, the possibility of the transmission power in the communication between user equipment 1 and user equipment 2 interpreting ⁇ Lich to reduce, thereby reducing the energy requirements of the subscriber equipment. 1
  • the test signal used is a broadcast telegram to which all user devices that receive the telegram respond.
  • the response contains a unique Ken ⁇ voltage of each recipient and an indication of the Emp ⁇ catch quality with which the received broadcast message.
  • the subscriber who has received the broadcast telegram can already suggest in his answer telegram a reduction of the transmission power by a measure determined on the basis of the reception quality.
  • the subscriber 2 reduces the transmission power to approximately one third with an antenna directionality.
  • the subscriber 1 itself based on the reception quality determines an appropriate reduction of transmitting Leis ⁇ tung. Further communication takes place with reduced transmission power. If the connection acknowledgment and ⁇ telegrams fail, the transmission power of the test signal is gradually increased in a further test cycle. Test cycles are repeated at predetermined intervals so that the configuration of the network adapts to changing circumstances. For example, subscribers may be moving on the wireless network, requiring a new selection of antenna directivity, or radio fields may be affected by changes in the environment.
  • FIG. 2 shows a subscriber 9 with a radio interface 10, which has an antenna device which consists of three antennas 11, 12 and 13 with different directional characteristics. By activation of each one of the antennas 11, 12 or 13, one of the possible directional characteristics is selected in the time division multiplex.
  • Such an antenna device can be realized both in conventional and in microstructured technology.
  • the method for operating a radio network can contribute to the fact that a meshed radio network advantageously builds itself up independently and / or that subscriber devices in the respective environment independently search for a most suitable access point, a so-called access point.
  • the subscriber device is selected as the communication partner to which the communication connection with the lowest power is possible.
  • antenna devices with the highest possible number of directional segments and with high directivity of the segments can be selected in an advantageous manner.
  • the first test cycle can be carried out with very low transmission power. If no communication partner is found in this, the transmission power can be increased successively. This will be the minimizes transmission power required for communication. Since the most appropriate communication partner is found by the method, it enables improved reliability of the wireless connection.

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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 Teilnehmerkennung 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

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks sowie Teilnehmergerät für ein derartiges Netzwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern, insbesondere zwischen Geräten der Prozessinstrumentie¬ rung 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 Al 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 zu¬ mindest 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 Übergabeverfah- ren, 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 Basissta¬ tionen 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 erforderli- chen 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 Pro- zessinstrumentierung in einer automatisierungstechnischen
Anlage, sowie ein Teilnehmergerät, insbesondere einen Messum¬ former, 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 Funk¬ netzwerks 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 Ver- änderungen, zum Beispiel aufgrund mobiler Teilnehmergeräte, erreicht, wenn der Testzyklus zu bestimmten Zeiten, bei¬ spielsweise in Intervallen vorbestimmter Länge, wiederholt wird.
Wenn bei einer hohen Empfangsqualität die Sendeleistung auf das für eine sichere Datenübertragung notwendige Maß redu¬ ziert 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 vorteil¬ haft 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:
Figur 1 ein Funknetzwerk und
Figur 2 einen Messumformer als Teilnehmergerät.
Ein Funknetzwerk besteht gemäß Figur 1 aus drei Teilnehmerge- raten 1, 2 und 3, zwischen denen Funkverbindungen aufgebaut werden. In einer automatisierungstechnischen Anlage ist beispielsweise das Teilnehmergerät 1 ein Sensor, das Teilnehmer¬ gerät 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 aus¬ gestattet, die mit verschiedenen Richtcharakteristiken betrieben werden kann. Der Übersichtlichkeit wegen sind in der Figur 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 durch¬ brochenen 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 Figur 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 Zeit- multiplex gewechselt. Bei einer Antennenrichtcharakteristik entsprechend dem Funkfeld 6 wird bei gleicher Sendeleistung auch eine Kommunikation zwischen Teilnehmergerät 1 und Teil¬ nehmergerät 3 ermöglicht. Im Gegensatz zum Omni-Fall besteht bei einer Antennenrichtcharakteristik entsprechend dem Funkfeld 5 die Möglichkeit, die Sendeleistung bei der Kommunika- tion zwischen Teilnehmergerät 1 und Teilnehmergerät 2 deut¬ lich 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 Inbetrieb¬ nahmephase 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 emp- fangen, antworten. Die Antwort enthält eine eindeutige Ken¬ nung des jeweiligen Empfängers und eine Angabe für die Emp¬ fangsqualität, 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 Figur 1 wird durch den Teilnehmer 2 eine Reduktion der Sendeleistung auf etwa ein Drittel bei einer Antennenrichtcharak- teristik entsprechend dem Funkfeld 5 vorgeschlagen. Alterna¬ tiv dazu ist es möglich, dass der Teilnehmer 1 selbst anhand der Empfangsqualität eine geeignete Reduktion der Sendeleis¬ tung bestimmt. Weitere Kommunikation erfolgt mit reduzierter Sendeleistung. Falls die Verbindung abbricht und Quittungs¬ telegramme 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 .
Figur 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 Teilnehmer¬ gerät 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 Richt- Wirkung 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

Patentansprüche
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 Teil¬ nehmerkennung und die Empfangsqualität des jeweils empfange¬ nen 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 Emp¬ fangsqualität die Sendeleistung auf das notwendige Maß redu¬ ziert .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilnehmer (1) bei Ausbleiben des Antwortsignals des zweiten Teilnehmers (2) die Sendeleis¬ tung 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 Funk¬ netzwerk, 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 .
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