WO2011057932A1 - Verfahren zu übertragung eines beacons in einem sternnet (master-slave adhoc network) und ein sensorknoten in einem sternnetz - Google Patents

Verfahren zu übertragung eines beacons in einem sternnet (master-slave adhoc network) und ein sensorknoten in einem sternnetz Download PDF

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WO2011057932A1
WO2011057932A1 PCT/EP2010/066757 EP2010066757W WO2011057932A1 WO 2011057932 A1 WO2011057932 A1 WO 2011057932A1 EP 2010066757 W EP2010066757 W EP 2010066757W WO 2011057932 A1 WO2011057932 A1 WO 2011057932A1
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WO
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beacon
superframe
time slots
field
sensor node
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Application number
PCT/EP2010/066757
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Inventor
Michael Bahr
Jan Husak
Frank Lahner
Norbert Vicari
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W48/00—Access restriction; Network selection; Access point selection
    • H04W48/08—Access restriction or access information delivery, e.g. discovery data delivery
    • H04W48/12—Access restriction or access information delivery, e.g. discovery data delivery using downlink control channel
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0225—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal
    • H04W52/0229—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal where the received signal is a wanted signal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the invention relates to a beacon for a star network, a sensor node in a star network and a method for operating a star network.
  • factory automation high requirements for a latency between communication partners of wireless networks are provided. This latency is understood as a period of time between the sending of any message to a communication partner and the arrival of the message at the communication partner. This latency should be kept as small as possible due to the special needs in manufacturing.
  • the star-shaped network consists of at least one central node - hereinafter also referred to as gateway - and several star-shaped connected to this network node. Since "intelligent" sensors are usually used in factory automation, the network nodes are also referred to below as “sensor nodes”. Intelligent sensors are understood to mean devices which, in addition to their sensory function, also have functionalities which include integration into a network, bidirectional communication with other network devices, as well as processing the sensor data.
  • a wireless network is OFT in factory automation once the drug of choice, as fixed wiring of Senso ⁇ ren would be too time consuming and costly.
  • Wireless access to sensors and actuators avoids the above-mentioned problems and additionally offers the advantage of ensuring increased flexibility in the case of process changes or conversion of process devices.
  • a protocol is defined using a superframe.
  • a superframe defines an allocation of respective time slots to the individual sensor nodes. At least one dedicated time slot for communication between the respective sensor node and the gateway is provided for each respective sensor node.
  • a periodic transmission of beacons by the gateway is provided at the beginning of each superframe.
  • the object of the invention is to provide means with which a change in the configuration, in particular the addition of further sensor nodes, in a simpler manner than in the prior art is known, is supported.
  • the invention provides a beacon for a star network with at least one gateway and at least one sensor node, the beacon having a field which contains information about a number of basic time slots in a superframe.
  • a base time slot corresponds to a basic unit of length of a time slot, if required a plurality of base ⁇ time slots are connected to a composite time slot.
  • time slot is used synonymously for a basic time slot.
  • the invention is initially based on the premise of not having to leave the production mode for changes in the configuration, in particular the addition of further sensor nodes. Instead, a beacon is to be provided with the supervention of another sensor node is made possible by a supervention of this supervening sensor node zugeord ⁇ Neten time slot without having to switch to a configuration mode for this.
  • a beacon, wel ⁇ ches has a field in which information about a number of base time slots is stored in a superframe.
  • the invention supports a constant message to the sensor nodes at the beginning of each superframe, how many time ⁇ slots are included in the superframe and thus how many of the respective star network associated sensor nodes can be involved in the communication.
  • the period beginning with this beacon super frame, or - depending on the definition of the superframe-initial - of this Beacon fol ⁇ constricting superframe will contain time slots ⁇ the indicated number of base.
  • the network nodes possible without computational detours to relate these Infor ⁇ mation directly from the Beacon and correspond to quickly adapt to the changed configuration in the network structure.
  • the configuration change can take place in the production mode, which entails the production-related significant advantage that the production does not have to be stopped because of an otherwise necessary entry into a configuration mode.
  • the method according to the invention for operating the sensor node provides the following steps:
  • FIG. 2 shows a beacon structure known from the prior art
  • FIG. 3 shows a beacon structure according to the invention within a production mode
  • Fig. 5 is a beacon according to the invention structure within ei ⁇ nes production mode with a representation of exemplary values
  • Fig. 6 is a timing diagram for illustrating a
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a wireless communication network for factory automation, comprising a gateway GW and sensor nodes SN1, SN2, SN3, which are each connected in a star-shaped manner to the gateway GW.
  • the air interface connection of the sensor nodes SN1, SN2, SN3 to the gateway GW is shown in the drawing by a solid line.
  • the beacon consists of a message header entry MHR ( "Message Header”), egg ⁇ nem payload PLD ( “payload”) and a sympatheticenend- entry MFR ( "Message footer”).
  • the message header entry MHR comprises as the only field a shortened frame control field SFC ("Shortened Frame Control").
  • This truncated frame control field includes a one-byte or one-octet abbreviated MAC header.
  • the payload PLD of the beacon in the follow ⁇ has entered in the drawing from left to right the order, the following fields: a flag field FLG ( "flags") for receiving STEU ⁇ er at the beacon, in particular the type of mode, such as production mode (online mode), configuration mode (configuration mode) or hard Stel ⁇ development mode (Discovery mode).
  • the flag field FLG has a length of one octet.
  • a gateway identification field GID ("Gateway ID") for identifying a gateway GW belonging to the respective sensor node SN1, SN2, SN3.
  • the gateway identification field GID has a length of one octet.
  • a configuration sequence field CSN ( "Configuration Se quence Number") to specify clearly scheidbaren 256 under ⁇ configurations.
  • the configuration sequence field CSN has a length of one octet.
  • a Zeitschiitz relienfeld TSS ( "Timeslot size") for at ⁇ reproducing a size of a basic time slot in multiples of octets.
  • the time slot size field TSS has a length of one octet.
  • a group acknowledgment field GAC (“Group Acknowledgment”) for the return of a successful reception of data, which are obtained from the sensor nodes SN1, SN2, SN3.
  • the group acknowledgment field GAC has a variable length and is only used in production mode, while in configuration mode, for example, it has a length of zero, ie it does not exist in the beacon.
  • FCS "Frame Control Sequence”
  • the flag field FLG comprises a length of one octet and contains the following flags:
  • a subsequent actuator communication direction identifier ADI (Actuator Direction") for identifying the actuator communication direction.
  • the Aktorenkommunikati- oncardis Schweizer ADI has a length of 1 bit.
  • NBM flag indicating a number of base timeslots for a management timeslot ("Number of Base Timeslots by Management Timeslot").
  • the characteristic ⁇ sign NBM specifies the number of base time slots for a management time slot, the range of values of the flag NBM from 0 (no management time slots before ⁇ any) to 7 (maximum length of management time slots) is sufficient.
  • the mark NBM assigns the ⁇ sem end to a length of 3 bits.
  • Document [1] describes data communication in a production mode using the beacon structure shown in FIG.
  • the beacon provides a specification for two management timeslots following the beacon.
  • the management timeslots are defined by the length of a base timeslot, as indicated in the timesize size field TSS, multiplied by a positive integer in the range between zero and seven.
  • the latter positive Integer is specified in the NBM indicator.
  • the management time slots may be used for data communication for new sensor nodes SN1, SN2, SN3 to be added are not yet configured by the Ga ⁇ teway GW.
  • Configuration mode is transmitted to the connected sensor nodes SN1, SN2, SN3 and is bound from this point on to a configuration identified by the configuration sequence number CSN.
  • FIG. 3 is a beacon structure Darge ⁇ represents.
  • the beacon structure according to the invention differs from the beacon structure known from FIG. 1 in that a further field NBS ("Number of Base Timeslots in Superframe") is added within the payload part PLD.
  • NBS Number of Base Timeslots in Superframe
  • the NBS field is to indicate the number of base time slots per Superfra- me arranged between the time slot size field TSS and thespawnbes ⁇ concernedungsfeld GAC and has a length of 1 octet, on.
  • the arrangement and the length of the field NBS is ever to make ⁇ but in other ways.
  • the beacon structure has according to an advantageous embodiment of the invention in a substantially same structure in different modes, ie in particular production mode, configuration mode and determination mode on. Depending on a particular mode, however, certain fields, eg the group acknowledgment field GAC provided for a variable length, may have a length of 0, ie be omitted in the beacon structure.
  • the length of the superframe in multiples of the length of a basic time slot is specified.
  • the field NBS according to the invention comprises the necessary base time slots for the beacon and the management time slots.
  • the counting after the beacon is started.
  • the value in the field NBS according to the invention contains the number of basic time slots which are reserved for the management time slots.
  • the count according to this second exporting ⁇ approximate shape does not contain the information necessary for the beacon base time slots.
  • the value for the number of base ⁇ time slots in a superframe in the inventive field NBS only the number of base time slots which for a communication of the sensors in the production mode is available, considered.
  • the third embodiment as described above is preferred because it allows the longest superframe. With ande ren ⁇ words, this counting method also allows for the largest possible number of sensor nodes in the star network.
  • the beacon structure according to an advantageous embodiment of the invention has a substantially same structure in different modes. This refers specifically to the fields:
  • Time slot size field TSS The values of these four fields are important in the context of the
  • the gateway may change certain configurations in production mode. This means that a hitherto necessary and disadvantageous change into the configuration mode is eliminated.
  • the star network can remain in production mode without interruption.
  • An example of the change of the configuration is the addition step further time slots at the end of a superframe, see also Fig. 6.
  • any changes in the length of the superframe are possible with the means of the invention, as long as no exist ⁇ the mappings between sensor nodes SN1, SN2, SN3 and these respective time slots are affected.
  • Another important advantage of the invention is the improved support of an energy-efficient operation of the sensor nodes SN1, SN2, SN3. Such an energy-efficient operation of the sensor nodes SN1, SN2, SN3 is achieved by an already known switching-off of the radio interface - sleep mode - for a longer time.
  • the sleep mode is usually interrupted for the intended reception of a beacon.
  • a reception of beacons serves namely a necessary synchronization of the sensor nodes SN1, SN2, SN3 and a reference of data about the current network status.
  • NBS field NBS according to the invention for indicating the number of basic time slots per superframe
  • a sensor node SN1, SN2, SN3 obtains more accurate information about the time at which a next beacon arrives, even if the length of a superframe is just changing.
  • the measure according to the invention thus allows an improved use of the energy-saving sleep mode.
  • An advantage which is achieved by the identity of the beacon structure also in the detection and configuration mode , be ⁇ is that a beacon receiving this sensor node is capable of with the gateway GW in a protocol Way to communicate, even if this sensor node has not been configured or added to the network.
  • FIG. 4 shows a beacon structure according to the invention during a configuration mode.
  • the NBS field for specifying the number of basic time slots in a superframe has a value of 0, as shown by a bracketed 0 in the drawing.
  • Thestrubestreliriens ⁇ field GAC has in the configuration mode to a length of 0 and is therefore not shown in the drawing.
  • the group confirmation field GAC has a variable length in production mode, but the content of the group confirmation field GAC is irrelevant for further explanation.
  • the NBS field is arranged to specify the number of basic time slots in a superframe to the left ofstrubestrelii ⁇ supply field GAC and has a value of 10, as graphically represents by a set in parenthesis numeral 10 ones shown,.
  • An associated superframe comprises a beacon and two management time slots.
  • the management slots are six base slots in length.
  • the super frame includes ten basic time slots for communica tion with ⁇ the sensor nodes. According to the third embodiment for counting the number of basic time slots within a superframe (see above), this count is started after the management time slots.
  • the transmission mode flag TRM is due of the existing production mode has a binary value of 000.
  • this binary value would be 100 and within the configuration mode this value would be 110.
  • FIG. 6 shows a time sequence diagram of a transmission of superframes SF1, SF2, SF3.
  • a first superframe SF1 is shown on which a second superframe SF2 temporally follows.
  • the second superframe SF2 is followed by a third superframe SF3, which is only partially shown in the drawing.
  • a progression of time from top to bottom and from left to right is assumed.
  • the first superframe SF1 consists of a beacon B, which is followed by a number of 10 rectangular time slots shown in rectangular format.
  • the base time slots rectangular illustrated partially have a marking denoting ent ⁇ speaking sensor nodes SN1, SN2, SN3.
  • a first time slot 1 adjacent to the beacon B is provided, which serves to transmit data from and to the sensor node SN1.
  • a value of 10 is entered in the field NBS corresponding to the number of basic time slots, namely 10.
  • the number of basic time slots now changes to a value of 12 by one

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Übertragung eines Beacons für ein Sternnetz in der Fertigungsautomatisierung zum Einsatz in einem Kommunikationsprotokoll IEEE 802.15.4e für die Fertigungsautomatisierung mit mindestens einem Gateway (GW) und mindestens einem Sensorknoten (SNl, SN2, SN3), wobei das Beacon ein Feld (NBS) aufweist, welches eine Information über eine Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe beinhaltet.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZU ÜBERTRAGUNG EINES BEACONS IN EINEM STERNNET
(MASTER-SLAVE ADHOC
NETWORK) UND EIN SENSORKNOTEN IN EINEM STERNNETZ
Die Erfindung betrifft ein Beacon für ein Sternnetz, einen Sensorknoten in einem Sternnetz und ein Verfahren zum Betrieb eines Sternnetzes. In der Fertigungsautomatisierung sind hohe Vorgaben an eine Latenzzeit zwischen Kommunikationspartnern von drahtlosen Netzen vorgesehen. Unter dieser Latenzzeit wird ein Zeitraum zwischen dem Absenden einer beliebigen Nachricht an einen Kommunikationspartner und dem Eintreffen der Nachricht beim Kommunikationspartner verstanden. Diese Latenzzeit soll aufgrund der besonderen Bedürfnisse in der Fertigung möglichst klein gehalten sein.
Aus dem Stand der Technik ist eine Architektur für ein draht- loses Netz zum Einsatz in der Fertigungsautomatisierung mit einem sternförmigen Netz bekannt, bei dem ein Zeitschlitzverfahren TDMA (Time Division Multiple Access) zum Einsatz kommt, vgl. Sahinoglu, Z. et al . : »TG4e drafting - Draft spe- cification for IEEE 802.15.4e Factory Automation«, IEEE
802.15.4 document 15-09/401r3, Juli 2009. Auf die vorbezeich¬ nete Veröffentlichung wird im Folgenden als Dokument [1] Bezug genommen.
Das sternförmige Netz besteht aus mindestens einem zentralen Knoten - im Folgenden auch Gateway genannt - sowie mehreren sternförmig mit diesem verbundenen Netzknoten. Da in der Fertigungsautomatisierung üblicherweise »intelligente« Sensoren zum Einsatz kommen, werden die Netzknoten im Folgenden auch als »Sensorknoten« bezeichnet. Unter intelligenten Sensoren werden dabei Einrichtungen verstanden, die neben Ihrer sensorischen Funktion auch Funktionalitäten aufweisen, welche eine Einbindung in ein Netzwerk, eine bidirektionale Kommunikation mit anderen Netzwerkeinrichtungen, sowie eine Verarbeitung der Sensordaten gewährleisten.
Ein drahtloses Netz ist in der Fertigungsautomatisierung oft- mals das Mittel der Wahl, da eine Festverdrahtung der Senso¬ ren zu zeitaufwendig und kostenintensiv wäre. Darüber hinaus bedeutet eine Verdrahtung eine eingeschränkte Bewegungsfrei¬ heit sowie eine regelmäßige Quelle von Fehlern, welche nicht zuletzt auf eine im industriellen Umfeld gegebene raue Umge- bung zurückzuführen ist und welche eine Ursache weiterer Kos¬ ten durch einen Produktionsausfall bedeuten kann. Ein drahtloser Zugang zu Sensoren und auch Aktoren vermeidet dabei die oben genannten Probleme und bietet zusätzlich den Vorteil, im Fall von Prozessänderungen oder Umbau von Prozessgeräten eine erhöhte Flexibilität zu gewährleisten.
Der Einsatz der Lehre von Dokument [1] in Verbindung mit den Vorgaben des Standards IEEE 802.15.4 gewährleistet ein zuverlässiges Verfahren für eine drahtlose und energiesparende Übertragung von Sensordaten.
Zur Kommunikation der Sensorknoten und des Gateways ist ein Protokoll unter Verwendung eines Superframes definiert. Ein Superframe definiert eine Zuteilung von jeweiligen Zeit- schlitzen auf die einzelnen Sensorknoten. Für jeden jeweiligen Sensorknoten ist dabei mindestens ein dedizierter Zeitschlitz zur Kommunikation zwischen dem jeweiligen Sensorknoten und dem Gateway vorgesehen. Für eine zur Synchronisation eines internen Arbeitstakts der Sensorknoten mit der Taktrate der vom Gateway gesendeten Superframes ist ein periodische Aussenden von Beacons durch das Gateway zu Beginn eines jeden Superframes vorgesehen. Um die hohen Anforderungen an die Kürze der Latenzzeit zu op¬ timieren, wird ein Austausch möglichst vieler Konfigurations¬ informationen weitgehend vermieden. Diese Sparsamkeit im Da¬ tenaustausch wird weiterhin durch die Vorsehung eines Produk- tionsmodus, auch »Production Mode« oder »Online Mode« ge¬ nannt, unterstützt, welcher alternativ zu nicht-produktiven Modi, z.B. einem Konfigurationsmodus (Configuration Mode) oder einem Feststellungsgsmodus (Discovery Mode) , betrieben werden kann. Während innerhalb eines Konfigurationsmodus ein Austausch von Konfigurationsinformationen vorgesehen ist, wird ein solcher Austausch im Produktionsmodus möglichst ge¬ ring gehalten. Stattdessen werden in einem laufenden Produktionsmodus die Konfigurationsinformationen weitgehend in den Sensorknoten gespeichert.
Eine Optimierung im oben beschriebenen Sinn geht indes auf Kosten der Flexibilität des Sensornetzes. Beispielsweise kön¬ nen aus Fertigungsnotwendigkeiten neu hinzutretende Sensor- knoten im Produktionsmodus derzeit nicht am Gateway angemel¬ det werden, ohne den Produktionsmodus zu verlassen und in den Konfigurationsmodus einzutreten, was mit dem hohen Nachteil einer unweigerlich während des Konfigurationsmodus notwendi¬ gen Unterbrechung der Fertigung verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel anzugeben, mit denen eine Änderungen in der Konfiguration, insbesondere der Hinzutritt weiterer Sensorknoten, auf einfachere Weise als im Stand der Technik bislang bekannt ist, unterstützt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Beacon mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Superframe mit den Merkmalen des An¬ spruchs 5, durch einen Sensorknoten mit den Merkmalen des Anspruchs 7, durch ein Sternnetz mit den Merkmalen des An- spruchs 8 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Die Erfindung sieht ein Beacon für ein Sternnetz mit mindestens einem Gateway und mindestens einem Sensorknoten vor, wo- bei das Beacon ein Feld aufweist, welches eine Information über eine Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe beinhaltet . Ein Basiszeitschlitz entspricht einer Grundeinheit für die Länge eines Zeitschlitzes, wobei bei Bedarf mehrere Basis¬ zeitschlitze zu einem zusammengesetzten Zeitschlitz verbindbar sind. Im Folgenden wird der Begriff Zeitschlitz synonym für einen Basiszeitschlitz verwendet.
Die Erfindung ist zunächst von der Prämisse getragen, für Änderungen in der Konfiguration, insbesondere dem Hinzutritt weiterer Sensorknoten, den Produktionsmodus nicht verlassen zu müssen. Stattdessen soll ein Beacon angegeben werden, mit dem der Hinzutritt eines weiteren Sensorknotens durch einen Hinzutritt eines diesem hinzutretenden Sensorknotens zugeord¬ neten Zeitschlitzes ermöglicht wird, ohne hierfür in einen Konfigurationsmodus wechseln zu müssen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht hierzu ein Beacon vor, wel¬ ches ein Feld aufweist, in welchem eine Information über eine Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe gespeichert ist. Damit unterstützt die Erfindung eine stete Mitteilung an die Sensorknoten am Anfang jedes Superframes, wie viele Zeit¬ schlitze im Superframe enthalten sind und damit wie viele dem jeweiligen Sternnetz zugeordnete Sensorknoten an der Kommunikation beteiligt sein können. Ändert sich der Wert im erfindungsgemäßen Feld, in welchem die Information über die Anzahl von Basiszeitschlitzen im folgenden Superframe vermerkt ist, kann dies für einen kommu¬ nizierenden Sensorknoten ein Hinweis sein, dass ein neuer Sensorknoten zum Sternnetz hinzugetreten ist.
Der mit diesem Beacon beginnende Superframe, bzw. - je nach Definition des Superframes-Anfangs - der diesem Beacon fol¬ gende Superframe enthält dann die angezeigte Anzahl an Basis¬ zeitschlitzen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Information über die Anzahl von Basiszeitschlitzen im Superframe ist es den Netzknoten ohne rechnerische Umwege möglich, diese Infor¬ mation direkt aus dem Beacon zu beziehen und sich entspre- chend rasch an die geänderte Konfiguration in der Netzstruktur anzupassen.
Insbesondere kann die Konfigurationsänderung im Produktions- modus erfolgen, was den fertigungstechnisch erheblichen Vorteil mit sich bringt, dass die Fertigung nicht wegen eines ansonsten notwendigen Eintritts in einen Konfigurationsmodus gestoppt werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Sensorknotens sieht folgende Schritte vor:
- Empfang des Beacons durch den Sensorkonten,
- Vergleichen des empfangenen Werts für die Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe mit dem im Sensor- knoten vorgehaltenen entsprechenden Wert,
- falls im Sensorknoten eine Übereinstimmung des empfangenen Werts mit dem vorgehaltenen Wert festgestellt wird, wird weiterhin der im jeweiligen Sensorknoten
(SN1,SN2,N3) vorgehaltene Wert verwendet,
- falls im Sensorknoten keine Übereinstimmung festgestellt wird, wird der vorgehaltene Wert mit dem empfangenen Wert für die Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe überschrieben. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestal¬ tungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein sternförmiges Netz,
Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Beacon- Struktur, Fig. 3 eine erfindungsgemäße Beacon-Struktur innerhalb ei¬ nes Produktionsmodus,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Beacon-Struktur innerhalb ei- nes Konfigurationsmodus mit einer Darstellung bei¬ spielhafter Werte,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Beacon-Struktur innerhalb ei¬ nes Produktionsmodus mit einer Darstellung bei- spielhafter Werte,
Fig. 6 ein zeitliches Ablaufdiagramm zur Darstellung einer
Mehrzahl von Superframes unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Beacons .
Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines drahtlosen Kommunikationsnetzes für die Fertigungsautomatisierung, bestehend aus eine Gateway GW und mit dem Gateway GW jeweils sternförmig verbundene Sensorknoten SN1, SN2, SN3. Die jewei- ligen Sensorknoten SN1, SN2, SN3 sind beispielsweise batte¬ riebetrieben und verfügen über eine Luftschnittstelle. Die Luftschnittstellenverbindung der Sensorknoten SN1, SN2, SN3 zum Gateway GW ist in der Zeichnung durch eine durchgezogene Linie dargestellt.
Im oberen Teil der Figur 2 ist eine bekannte Beacon-Struktur gemäß der Druckschrift [1] dargestellt. Das Beacon besteht aus einem Nachrichtenkopfeintrag MHR (»Message Header«) , ei¬ nem Nutzdatenteil PLD (»Payload«) sowie einem Nachrichtenend- eintrag MFR (»Message Footer«) .
Der Nachrichtenkopfeintrag MHR umfasst als einziges Feld ein verkürztes Rahmenkontrollfeld SFC (»Shortened Frame Con- trol«) . Dieses verkürzte Rahmenkontrollfeld umfasst einen auf ein Byte bzw. ein Oktett verkürzten MAC-Header. Der Nutzdatenteil PLD des Beacons umfasst in der nachfolgen¬ den Reihenfolge, in der Zeichnung von links nach rechts eingetragen, folgende Felder: Ein Kennzeichenfeld FLG (»Flags«) zur Aufnahme von Steu¬ erinformationen des Beacons, insbesondere der Art des Modus, beispielsweise Produktionsmodus (Online Mode) , Konfigurationsmodus (Configuration Mode) oder Feststel¬ lungsmodus (Discovery Mode) . Das Kennzeichenfeld FLG weist eine Länge von einem Oktett auf.
Ein Gateway-Identifikationsfeld GID (»Gateway ID«) zur Identifikation eines zum jeweiligen Sensorknoten SN1, SN2, SN3 zugehörigen Gateways GW. Das Gateway-Identi- fikationsfeld GID weist eine Länge von einem Oktett auf.
Ein Konfigurationssequenzfeld CSN (»Configuration Se- quence Number«) zur Angabe von 256 eindeutig unter¬ scheidbaren Konfigurationen. Das Konfigurationssequenz- feld CSN weist eine Länge von einem Oktett auf.
Ein Zeitschiitzgrößenfeld TSS (»Timeslot Size«) zur An¬ gabe einer Größe eines Basiszeitschlitzes in Vielfachen von Oktetten. Das Zeitschiitzgrößenfeld TSS weist eine Länge von einem Oktett auf.
Ein Gruppenbestätigungsfeld GAC (»Group Acknowledge- ment«) zur Rückmeldung über einen erfolgreichen Empfang von Daten, welche von den Sensorknoten SN1, SN2, SN3 be- zogen werden. Das Gruppenbestätigungsfeld GAC hat eine variable Länge und wird lediglich im Produktionsmodus verwendet, während es z.B. im Konfigurationsmodus eine Länge von Null hat, d.h. im Beacon nicht vorhanden ist. Der Nachrichtenendeintrag MFR des Beacons gemäß Figur 1 ent¬ hält als einziges Feld ein Rahmensteuerungsfeld FCS (»Frame Control Sequence«) , dessen Inhalt einer Erkennung von Bit¬ übertragungsfehlern dient. Im unteren Teil der Figur 2 ist eine Detailansicht des Kenn¬ zeichenfeldes FLG dargestellt. Das Kennzeichenfeld FLG um- fasst eine Länge von einem Oktett und beinhaltet folgende Flags :
Ein Übertragungsmoduskennzeichen TRM zur Kennzeichnung des Übertragungsmodus (»Transmission Mode«) , wobei das Übertragungsmoduskennzeichen TRM eine Länge von 3 Bits aufweist .
Ein darauf folgendes Aktorenkommunikationsrichtungskenn- zeichen ADI (»Actuator Direction«) zur Kennzeichnung der Aktorenkommunikationsrichtung. Das Aktorenkommunikati- onsrichtungskennzeichen ADI weist eine Länge von 1 Bit auf .
Ein reserviertes Kennzeichen RVD mit einer Länge von 1 Bit .
Ein Kennzeichen NBM zur Angabe einer Anzahl von Basiszeitschlitzen für einen Managementzeitschlitz (»Number of Base Timeslots per Management Timeslot«) . Das Kenn¬ zeichen NBM gibt die Anzahl der Basiszeitschlitze für einen Management-Zeitschlitz an, wobei der Wertebereich des Flags NBM von 0 (keine Management-Zeitschlitze vor¬ handen) bis 7 (maximale Länge der Management- Zeitschlitze) reicht. Das Kennzeichen NBM weist zu die¬ sem Zweck eine Länge von 3 Bit auf.
Das Dokument [1] beschreibt eine Datenkommunikation in einem Produktionsmodus unter Anwendung der in Figur 2 gezeigten Beaconstruktur . Das Beacon liefert eine Spezifikation über zwei zeitlich nach dem Beacon folgende Managementzeitschlit- ze . Die Managementzeitschlitze sind definiert durch die Länge eines Basiszeitschlitzes, wie im Zeitschiitzgrößenfeld TSS angegeben, multipliziert mit einer positiven Ganzzahl im Bereich zwischen null und sieben. Die letztgenannte positive Ganzzahl wird im Kennzeichen NBM angegeben. Unter Anwendung der impliziten Kenntnis, dass exakt ein Managementzeitschlitz für eine jeweilige Übertragungsrichtung (Uplink / Downlink) zwischen dem jeweiligen Sensorknoten SN1, SN2, SN3 und dem Gateway GW verwendet wird, können die Managementzeitschlitze zur Datenkommunikation für neu hinzutretende Sensorknoten SN1, SN2, SN3 verwendet werden, die noch nicht durch das Ga¬ teway GW konfiguriert wurden. Mit Ausnahme der Länge eines Basiszeitschlitzes, wie im Zeit¬ schlitzgrößenfeld TSS angegeben, ist keine weitere explizite Information über die Struktur des gesamten Superframes im Beacon enthalten. Alle weiteren Informationen zur Struktur des Superframes, insbesondere die Anzahl der im Superframe enthaltenen Zeitschlitze, wird vom Gateway GW während des
Konfigurationsmodus an die verbundenen Sensorknoten SN1, SN2, SN3 übermittelt und ist von diesem Zeitpunkt an gebunden an eine Konfiguration, die durch die Konfigurationssequenznummer CSN identifiziert wird.
Ein solches Vorgehen ist also zum Einen rechenaufwändig, un¬ flexibel hinsichtlich des Vorgehens bei einem notwendig ge¬ wordenen Hinzutritt weiterer Sensorknoten und auch, wie unten näher erläutert, hinsichtlich eines energieeffizienten Be- triebs der Sensorknoten im Zusammenhang mit einem Schlafmodus nur suboptimal.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Beacon-Struktur darge¬ stellt. Die erfindungsgemäße Beacon-Struktur unterscheidet sich von der aus Figur 1 bekannten Beacon-Struktur dadurch, dass innerhalb des Nutzdatenteils PLD ein weiteres Feld NBS (»Number of Base Timeslots in Superframe«) hinzutritt. In ei¬ ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Feld NBS zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze pro Superfra- me zwischen dem Zeitschlitzgrößenfeld TSS und dem Gruppenbes¬ tätigungsfeld GAC angeordnet und weist eine Länge von 1 Ok- tett auf. Die Anordnung und die Länge des Felds NBS ist je¬ doch auch auf andere Weise zu gestalten. Die Beacon-Struktur weist gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen im wesentlich gleichen Aufbau in verschiedenen Moden, also insbesondere Produktionsmodus, Kon- figurationsmodus und Feststellungsmodus, auf. Abhängig von einem jeweiligen Modus können bestimmte Felder, z.B. das für eine variable Länge vorgesehene Gruppenbestätigungsfeld GAC jedoch eine Länge von 0 aufweisen, d.h. in der Beacon- Struktur entfallen.
Im erfindungsgemäß neu zum Beacon hinzugetretenen Feld NBS zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze pro Superframe wird die Länge des Superframes in Vielfachen der Länge eines Basiszeitschlitzes angegeben.
Gemäß der Erfindung sind drei Ausführungsformen vorgesehen, an welcher Stelle eine Zählung der Anzahl von Basiszeitschlitzen innerhalb des Superframes beginnt: Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, die Zählung am Beginn eines Superframes zu starten. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Feld NBS die notwendigen Basiszeit¬ schlitze für das Beacon sowie die Managementzeitschlitze um- fasst .
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird mit der Zählung nach dem Beacon begonnen. Dies bedeutet, dass der Wert im erfindungsgemäßen Feld NBS die Anzahl der Basiszeitschlitze, wel¬ che für die Managementzeitschlitze vorbehalten sind, enthält. Andererseits enthält die Zählung gemäß dieser zweiten Ausfüh¬ rungsform nicht die für das Beacon notwendigen Basiszeitschlitze .
Gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform ist vorgese- hen, die Zählung nach den Managementzeitschlitzen zu beginnen. Dies bedeutet, dass der Wert für die Anzahl der Basis¬ zeitschlitze in einem Superframe im erfindungsgemäßen Feld NBS lediglich die Anzahl der Basiszeitschlitze, welche für eine Kommunikation der Sensoren im Produktionsmodus zur Verfügung steht, berücksichtigt.
Die dritte Ausführungsform gemäß obiger Darstellung wird be- vorzugt, da sie den längsten Superframe gestattet. Mit ande¬ ren Worten gestattet diese Zählweise auch die größtmögliche Anzahl an Sensorknoten im Sternnetz.
Wie oben erwähnt, weist die Beacon-Struktur gemäß einer vor- teilhaften Ausführung der Erfindung einen im wesentlich gleichen Aufbau in verschiedenen Moden auf. Dies bezieht sich speziell auf die Felder:
- Feld NBM im Kennzeichenfeld FLG zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze für einen Managementzeitschlitz ,
- Gateway-Identifikationsfeld GID,
- Konfigurationssequenzfeld CSN, und
- Zeitschlitzgrößenfeld TSS. Die Werte dieser vier Felder sind wichtig, um im Rahmen des
Erkennungs- und/oder des Konfigurationsmodus explizite Infor¬ mationen über die Länge eines Managementzeitschlitzes an ei¬ nen neu hinzutretenden Sensorknoten zu übermitteln. Die folgenden Felder
- Feld NBS zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze pro Superframe, und
- Gruppenbestätigungsfeld GAC
können dagegen gemäß einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung im Feststellungs- und/oder Konfigurationsmodus entfallen. Falls die oben genannten Felder im Beacon enthalten sind, gestatten sie zusätzliche Funktionalitäten seitens der Sensorknoten SN1, SN2, SN3. Das Aktorenkommunikationsrichtungskennzeichen ADI wird üblicher Weise nur während des Produktionsmodus verwendet und kann innerhalb des Feststellungs- und des Konfigurationsmodus ignoriert werden. Unter Anwendung der erfinderischen Mittel kann das Gateway bestimmte Konfigurationen im Produktionsmodus ändern. Dies bedeutet, dass ein bislang notwendiges und nachteiliges Wech- sein in den Konfigurationsmodus entfällt. Unter Anwendung der erfinderischen Mittel dagegen kann das Sternnetz ohne Unterbrechung im Produktionsmodus verbleiben. Ein Beispiel für die Änderung der Konfiguration ist der Hinzutritt weiterer Zeitschlitze am Endes eines Superframes, siehe auch Fig. 6. Dabei sind mit den Mitteln der Erfindung beliebige Änderungen in der Länge des Superframes möglich, so lange keine existieren¬ den Zuordnungen zwischen Sensorknoten SN1, SN2, SN3 und diesen jeweils zugehörigen Zeitschlitzen betroffen sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der verbesserten Unterstützung einer energieeffizienten Arbeitsweise der Sensorknoten SN1, SN2, SN3. Eine solche energieeffiziente Arbeitsweise der Sensorknoten SN1, SN2, SN3 wird durch ein bereits bekanntes Abschalten der Funkschnitt- stelle - Schlafmodus - für eine längere Zeit erreicht.
Der Schlafmodus wird gewöhnlich für einen vorgesehenen Empfang eines Beacons unterbrochen. Ein Empfang von Beacons dient nämlich einer notwendigen Synchronisation der Sensor- knoten SN1, SN2, SN3 sowie einem Bezug von Daten über den aktuellen Netzstatus. Mit dem erfindungsgemäßen Feld NBS zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze pro Superframe erhält ein Sensorknoten SN1, SN2, SN3 akkuratere Informationen über den Zeitpunkt, zu dem ein nächstes Beacon eintrifft, sogar dann, wenn sich die Länge eines Superframes gerade ändert. Die erfindungsgemäße Maßnahme erlaubt also eine verbesserte Nutzung des energiesparenden Schlafmodus.
Ein Vorteil der durch die Identität der Beacon-Struktur auch im Feststellungs- und Konfigurationsmodus erreicht wird, be¬ steht darin, dass ein dieses Beacon empfangender Sensorknoten in der Lage ist, mit dem Gateway GW in einer protokollgemäßen Weise zu kommunizieren, selbst wenn dieser Sensorknoten noch nicht konfiguriert oder in das Netz aufgenommen wurde.
In den folgenden Figuren 4 und 5 stellen in Klammer gesetzte Zahlen keine Bezugszeichen dar, sondern einen dem jeweiligen Feld innewohnenden Wert.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Beacon-Struktur während eines Konfigurationsmodus. In Figur 4 weist das Feld NBS zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze in einem Superframe einen Wert von 0 auf, wie in der Zeichnung durch eine in Klammer gesetzte 0 dargestellt ist. Das Gruppenbestätigungs¬ feld GAC weist im Konfigurationsmodus eine Länge von 0 auf und ist daher zeichnerisch nicht dargestellt.
In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße Beacon-Struktur im Pro¬ duktionsmodus dargestellt. Das Gruppenbestätigungsfeld GAC hat im Produktionsmodus eine variable Länge, der Inhalt des Gruppenbestätigungsfeldes GAC ist für die weitere Erläuterung jedoch ohne Belang. In einer gemäß Figur 3 dargestellten Beacon-Struktur ist das Feld NBS zur Angabe der Anzahl der Basiszeitschlitze in einem Superframe links vom Gruppenbestäti¬ gungsfeld GAC angeordnet und weist einen Wert von 10 auf, wie zeichnerisch durch eine in Klammer gesetzte Ziffer 10 darge- stellt.
Im Folgenden wird in Abweichung zur Anzahl der Sensorknoten SN1, SN2, SN3 in Figur 1 ein Sternnetz mit acht Sensorknoten angenommen. Ein zugehöriger Superframe umfasst ein Beacon so- wie zwei Managementzeitschlitze . Die Managementzeitschlitze umfassen eine Länge von sechs Basiszeitschlitzen. Weiterhin umfasst der Superframe zehn Basiszeitschlitze zur Kommunika¬ tion mit den Sensorknoten. Gemäß der dritten Ausführungsform zur Zählung der Anzahl von Basiszeitschlitzen innerhalb eines Superframes (siehe oben) wird mit dieser Zählung nach den Managementzeitschlitzen begonnen. Das Übertragungsmoduskennzeichen TRM weist aufgrund des bestehenden Produktionsmodus einen binären Wert von 000 auf .
Innerhalb des Feststellungsmodus würde dieser binäre Wert 100 und innerhalb des Konfigurationsmodus würde dieser Wert 110 betragen .
In Figur 6 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm einer Übertragung von Superframes SF1, SF2, SF3 dargestellt. In der Zeich- nung an oberster Stelle der Figur 6 ist ein erster Superframe SF1 dargestellt, auf welchen zeitlich ein zweiter Superframe SF2 folgt. An den zweiten Superframe SF2 schließt ein dritter Superframe SF3 an, welcher in der Zeichnung lediglich ausschnittsweise dargestellt ist. Im zeitlichen Ablaufdiagramm ist also ein Fortschreiten der Zeit von oben nach unten sowie von links nach rechts angenommen.
Der erste Superframe SF1 besteht aus einem Beacon B, an das sich eine Anzahl von 10 rechteckig dargestellten Basiszeit- schlitzen anschließt. Die rechteckig dargestellten Basiszeitschlitze weisen teilweise eine Kennzeichnung auf, welche ent¬ sprechende Sensorknoten SN1, SN2, SN3 bezeichnen. Beispielsweise ist an das Beacon B ein erster Zeitschlitz 1 angrenzend vorgesehen, welcher einer Übermittlung von Daten von und zum Sensorknoten SN1 dient.
Im erfindungsgemäßen Beacon B wird entsprechend der Anzahl an Basiszeitschlitzen, nämlich 10, im Feld NBS ein Wert von 10 eingetragen. Im zweiten Superframe SF2 ändert sich nun die Anzahl der Basiszeitschlitze auf einen Wert 12 durch einen
Hinzutritt von zwei in der Zeichnung schraffiert dargestell¬ ten Basiszeitschlitzen. Entsprechend ist im Feld NBS des Bea- cons B für den zweiten Superframe SF2 ein Wert von 12 eingetragen .

Claims

Patentansprüche
1. Beacon für ein Sternnetz mit mindestens einem Gateway (GW) und mindestens einem Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) , wobei das Beacon ein Feld (NBS) aufweist, welches eine Information über eine Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe beinhaltet .
2. Beacon gemäß Anspruch 1, wobei das Beacon weitere Felder aufweist, welche beinhalten
- ein Kennzeichenfeld (FLG) zur Aufnahme von Steuerinfor¬ mationen des Beacons, und/oder,
- ein Gateway-Identifikationsfeld (GID) zur Identifikation eines zum jeweiligen Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) zuge- hörigen Gateways (GW) , und/oder,
- ein Konfigurationssequenzfeld (CSN) zur Identifikation von unterschiedlichen Konfigurationen, und/oder,
- ein Zeitschiitzgrößenfeld (TSS) zur Angabe einer Größe eines Basiszeitschlitzes.
3. Beacon gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Beacon weiterhin ein Gruppenbestätigungsfeld (GAC) zur Rück¬ meldung über einen erfolgreichen Empfang von Daten enthält.
4. Beacon gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die
Zählung der Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe nach den Managementzeitschlitzen des Superframes beginnt.
5. Superframe für ein Sternnetz, wobei der Superframe ein Beacon gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
6. Superframe gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Übertragungsrichtung ein Management-Zeitschlitz zur Verfügung steht und die Management-Zeitschlitze direkt nach dem Beacon angeordnet sind.
7. Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) in einem Sternnetz, wobei der Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) eine Datenstruktur für die Spei- cherung einer Konfiguration des Sternnetzes aufweist, welche eine Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe beinhaltet .
8. Sternnetz mit mindestens einem Gateway (GW) und mindestens einem Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) gemäß Anspruch 7.
9. Verfahren zum Betrieb eines Sternnetzes gemäß Anspruch 8, mit einem Gateway (GW) und mehreren Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) , umfassend folgende Schritte:
- Empfang eines Beacons durch einen Sensorkonten (SN1, SN2, SN3) , wobei das Beacon ein Feld aufweist, welches eine Information über eine Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe beinhaltet,
- Überschreiben des im Sensorknoten (SN1, SN2, SN3) vorgehaltenen Werts für die Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe mit dem empfangenen Wert für die Anzahl von Basiszeitschlitzen in einem Superframe.
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