DE10153462A1 - Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten (S.1...S.n) und einer Basisstation (BS) gemäß TDMA (Time Division Multiple Access) vorgeschlagen, wobei zyklische TDMA-Datenübertragungsblöcke (FR.1...FR.m) übertragen werden und sich jeder TDMA-Datenübertragungsblock aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen (TS.1...TS.n) zusammensetzt, wobei jeder Zeitschlitz (TS.1...TS.n) einem bestimmten Knoten (S.1...S.n) zugeordnet ist. Die Basisstation (BS) sendet die zu übermittelnden Signale gemäß einer vorgegebenen ersten Sequenz derart von verschiedenen Antennen (A.1...A.N) ab, daß eine Antennen-Umschaltung stets zwischen zwei TDMA-Datenübertragungsblöcken (FR.1...FR.m) erfolgt. Die Basisstation (BS) empfängt die Signale von den Knoten gemäß einer vorgegebenen zweiten Seuqenz über verschiedene Antennen (A.1...A.N).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl drahtloser Sen­ soren und/oder Aktoren bzw. allgemein Knoten und einer Basisstation verwendet wer­ den, welches in einer Maschine oder Anlage, beispielsweise Industrieroboter, Herstel­ lungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist. Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren, Temperaturmeßsensoren, Druckmeßsenso­ ren, Strommeßsensoren oder Spannungsmeßsensoren bzw. mikromechanische, pie­ zoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagne­ tische Aktoren verwendet werden.

In der DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von drahtlosen Nähe­ rungssensoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschla­ gen, wobei

• - jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfre­ quenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
• - wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwick­ lung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vor­ gesehen 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 Ka­ belbrüchen 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 Primär­ wicklung hierzu sowie ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Ma­ schine vorgeschlagen, wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energiever­ sorgung und Kommunikation gleichartig der vorstehend für die DE 199 26 799 A1 an­ gegebenen Technologie ist.

Für die Funkübertragung wird dabei vorzugsweise die TDMA-Technologie (Time Divisi­ on Multiple Access) eingesetzt, bei der die Informationen bzw. Signale von/zu den Akto­ ren bzw. Sensoren (Knoten) in Form zyklischer TDMA-Datenübertragungsblöcke über­ mittelt werden, wobei jedem Sensor/Aktor ein bestimmter Zeitschlitz innerhalb eines Datenübertragungsblockes zugeordnet ist. Aufgrund unterschiedlicher Entfernungen der Sensoren bzw. Aktoren von der Basisstation und unterschiedlicher Lage relativ zur Basisstation ist prinzipiell die Gefahr gegeben, daß Signal-Schwund (Kanal-Fading) die Leistungsfähigkeit der Signalübertragung des Systems sowohl am Ort der Basisstation als auch am Ort der einzelnen Knoten beträchtlich herabsetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA der eingangs genannten Art anzugeben, das die Leistungsfähigkeit der Signalübertragung verbessert.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagenen Antennen-Diversitäten in einem drahtlosen Kommunikationssystem mit bidirektionaler Echtzeit-Kommunikation zwischen einer Basisstation und einer Viel­ zahl von Knoten die Leistungsfähigkeit der Signalübertragung des Systems verbessert wird, indem eine passend auf die zu sendenden TDMA-Datenübertragungsblöcke aus­ gerichtete Antennen-Umschaltung auf Seiten des Senders der Basisstation erfolgt. Des weiteren erfolgt eine fest vorgegebene und nicht adaptive, passend auf die zu empfan­ genden TDMA-Datenübertragungsblöcke ausgerichtete Antennen-Umschaltung auf Seiten des Empfängers der Basisstation. Vorteilhaft wird hierdurch Signal-Schwund (Kanal-Fading) entgegengewirkt. Es können dieselben Antennen sowohl für die sende­ seitige als auch für die empfängerseitige Antennen-Umschaltung in verschiedenen Zeitspannen - abhängig von den Sequenzen - verwendet werden.

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 mit mehreren Antennen versehene Basisstation,

Fig. 2 ein System mit einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und einer Ba­ sisstation,

Fig. 3 einen zyklischen TDMA-Datenübertragungsblock,

Fig. 4. eine Folge von sukzessive aufeinanderfolgenden Datenübertragungsblöc­ ken.

In Fig. 2 ist ein System mit einer Vielzahl von Knoten, vorzugsweise Sensoren und/oder Aktoren (Knoten) und einer Basisstation dargestellt. Es ist eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren S. 1, S. 2, S. 3 . . . S. n (n = beliebige ganze positive Zahl) vorgesehen, welche beispielsweise innerhalb einer Anlage installiert oder an einer Maschine, insbe­ sondere einem Fertigungsautomat befestigt sind. Es ist nachfolgend stets von Senso­ ren/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 Signal­ auswertung 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 Kommunikationseinrich­ tung auf, welche den erforderlichen Funksender und/oder Funkempfänger enthält, um derart eine drahtlose Kommunikation zwischen der Basisstation BS und den Senso­ ren/Aktoren S. 1 . . . S. n zu ermöglichen. Bei einem Sensor gelangt das aufbereitete Sen­ sorsignal zu einem Modulator/Codierer mit nachgeschaltetem Funksender und Anten­ ne, 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, Spei­ cherprogrammierbare Steuerung) angeschlossen und weist eine Kommunikationsein­ richtung auf, welche Sensorsignale der Sensoren und Meldesignale betreffend den ak­ tuellen Zustand von Aktoren (uplink, "in Aufwärtsrichtung", von den Sensoren/Aktoren zur Basisstation) empfängt, Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung der Aktoren abgibt und Signale zur Einstellung von spezifischen Parametern der Aktoren und Sen­ soren abgibt (downlink, "in Abwärtsrichtung", von der Basisstation zu den Senso­ ren/Aktoren). Die Kommunikationseinrichtung der Basisstation BS weist mehrere An­ tennen auf, an welche ein Funkempfänger und ein Funksender angeschlossen sind.

Die Signale des Funkempfängers werden einem Demodulator/Decodierer zugeführt und dem Funksender ist ein Modulator/Codierer vorgeschaltet.

Die eingesetzte digitale Kommunikationstechnik basiert auf TDMA. Um die uplink- Signale und downlink-Signale unterscheiden zu können, wird FDD (Frequency Division Duplexing) eingesetzt. Während die downlink-Signale kontinuierlich von der Basisstati­ on gesendet werden, senden die Knoten nur dann uplink-Signale zur Basisstation, wenn gewisse definierte Ereignisse auftreten, beispielsweise wenn ein Näherungs­ schalter die Annäherung eines Objektes detektiert.

In Fig. 3 ist ein zyklischer TDMA-Datenübertragungsblock dargestellt, wie er beim vor­ geschlagenen System verwendet wird. Ein derartiger Datenübertragungsblock oder Rahmen FR.1 setzt sich aus n sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen TS.1, TD.2 . . . TS.n zusammen. Jeder Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n innerhalb des Rahmens ist einem bestimmten Sensor oder Aktor S.1 . . . S. n zugeordnet. Die Dauer einer Nachricht von einem Knoten zur Basisstation ist typischerweise gleich der Dauer eines Zeitschlitzes. Obwohl beispielsweise die Sensoren ihre Nachrichten in zufälligen Augenblicken gene­ rieren, erfolgt eine an den zugeordneten Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n angepaßte Übertra­ gung. Um sicherzustellen, daß die in einem Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n enthaltene Informa­ tion auch dem richtigen Aktor zugeordnet wird, bzw. um sicherzustellen, daß ein Sensor die der Basisstation zu übermittelnde Information während des richtigen Zeitschlitzes absendet, enthält jeder Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n ein typisches Synchronisationswort zur exakten Synchronisation zwischen Basisstation BS einerseits und Sensoren/Aktoren S. 1 . . . S. n andererseits.

In Fig. 4 ist in diesem Zusammenhang eine Folge von sukzessive aufeinanderfolgen­ den Datenübertragungsblöcken bzw. Rahmen FR.1, FR.2, FR.3 . . . FR.m (m = beliebige ganze positive Zahl) dargestellt.

In Fig. 1 ist eine mit mehreren Antennen versehene Basisstation dargestellt. Im Ausfüh­ rungsbeispiel weist die Basisstation BS vier Antennen A.1, A.2, A.3, A.N (N = beliebige ganze positive Zahl) auf. Über einen Antennen-Umschalter 3 ist jede dieser Antennen A.1 . . . A.N wahlweise mit einem Sender 1 oder mit auch einem Empfänger 2 der Basisstation BS verbindbar. Die koordinierte Verbindung zwischen Antenne einerseits und Sender oder Empfänger andererseits während einer bestimmten Zeitspanne erfolgt unter Einsatz einer Ansteuerung 4.

Der Sender 1 der Basisstation BS hat keinerlei Information über die Empfangsverhält­ nisse an den Knoten. Deshalb wird das übertragene downlink-Signal entsprechend ei­ ner festgelegten periodischen Sequenz zwischen den N verschiedenen Antennen A.1 . . . A.N umgeschaltet. Dabei findet die Umschaltung jeweils zwischen den einzelnen TDMA-Datenübertragungsblöcken FR.1 . . . FR.m statt, so daß der verwendete downlink- Kanal zwischen der Basisstation BS und einem bestimmten Knoten in von der Sequenz vorgegebenen Art und Weise am Ende eines Datenübertragungsblocks wechselt.

Diese durch die Sequenz vorgegebene und bestimmte Auswahl der Schaltaugenblicke erleichtert die Implementation am Sender 1 der Basisstation BS und erhöht die Wahr­ scheinlichkeit beträchtlich, daß jeder Knoten aus den N verschiedenen downlink- Signalen mit Datenübertragungsblöcken zumindest ein gutes downlink-Signal mit Da­ tenübertragungsblock erhält. Selbstverständlich sind die verschiedenen Antennen A.1 . . . A.N der Basisstation BS derart passend anzuordnen, daß die Fading-Bedingun­ gen zwischen der Antenne eines bestimmten Knotens und den verschiedenen Anten­ nen A.1 . . . A.N der Basisstation BS statistisch unabhängig sind.

Hinsichtlich des uplink-Kanals gibt: es mehrere Möglichkeiten der Realisierung von An­ tennen-Diversitäten bezüglich des Empfängers 2 der Basisstation BS. Die Leistung des Systems kann erhöht werden, indem mehrere parallele, unterschiedlich positionierte Antennen an der Basisstation BS implementiert werden, wobei die Signale dieser An­ tennen entweder auf der Ebene des Basisbandes selektiert bzw. miteinander kombi­ niert werden oder alternativ hierzu nach erfolgter Dekodierung der gesamten Nachricht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das uplink-Signal von denselben N Antennen A.1 . . . A.N empfangen, welche auch zum Senden des downlink-Signals die­ nen, jedoch erfolgt die Antennen-Umschaltung zwischen den einzelnen TDMA- Datenübertragungsblöcken gemäß einer zum downlink-Kanal unterschiedlichen und hiermit nicht überlappenden Sequenz. Diese bevorzugte Ausführungsform erlaubt eine Trennung von "Sender-Antennen" und "Empfänger-Antennen" und erfordert keine ad­ aptiven Antennen-Diversitäten an der Basisstation BS. Einerseits wird hierdurch die Implementierung beträchtlich erleichtert, andererseits wird hierdurch zuverlässig sicher­ gestellt, daß der logische uplink-Kanal nicht aufgrund von Schwund (Fading) zwischen der sendenden Antenne eines Knotens und einer der empfangenden Antennen der Ba­ sisstation signifikant verschlechtert wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der Nachrichten-Übertragung erzielt, indem die Dauer T_FR eines TDMA-Datenüber­ tragungsblocks unter Berücksichtigung der Anzahl N der Antennen derart ausgewählt wird, daß das Produkt N.T_FR kleiner ist als die höchtstzulässige Übertragungsverzöge­ rung bezüglich der Signalübertragung zwischen Knoten und Basisstation, wobei eine geeignete Wiederholung der zu übertragenden Nachrichten erfolgt.

Im Falle nicht zufriedenstellender Signalübertragung eignet sich das vorgeschlagene Verfahren zur Antennen-Umschaltung vorteilhaft für eine Kombination mit Verfahren zur automatischen Wiederholungsaufförderung (ARQ, automatic request for repeat), bei denen bedarfsweise, d. h. im Falle nicht zufriedenstellender Signalübertragung, einzel­ ne TDMA-Datenübertragungsblöcke wiederholt und damit mehrfach übertragen wer­ den. Wesentlich dabei ist es, daß die vom Knoten abgesandte Wiederholungsaufforde­ rung von einer Antenne der Basisstation empfangen wird, welche nicht an der zuvor mangelhaften Signalübertragung beteiligt gewesen ist. Des weiteren ist es wesentlich, daß die den TDMA-Datenübertragungsblock wiederholt sendende Antenne der Basis­ station nicht diejenige Antenne ist, welche an der zuvor mangelhaften Signalübertra­ gung beteiligt gewesen ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten (S. 1 . . . S. n) und einer Basisstation (BS) gemäß TDMA (Time Division Multiple Access),
wobei zyklische TDMA-Datenübertragungsblöcke (FR.1 . . . FR.m) übertragen werden und sich jeder TDMA-Datenübertragungsblock aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen (TS.1 . . . TS.n) zusammensetzt,
wobei jeder Zeitschlitz (TS.1 . . . TS.n) einem bestimmten Knoten (S. 1 . . . S. n) zugeordnet ist,
wobei die Basisstation (BS) die zu übermittelnden Signale gemäß einer vorgegebenen ersten Sequenz derart von verschiedenen Antennen (A.1 . . . A.N) absen­ det, daß eine Antennen-Umschaltung stets zwischen zwei TDMA-Datenübertragungs­ blöcken (FR.1 . . . FR.m) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstation (BS) für den Empfang von Si­ gnalen gemäß einer zweiten vorgegebenen, von der ersten Sequenz unterschiedlichen, nicht überlappenden Sequenz zwischen verschiedenen Antennen (A.1 . . . A.N) umschal­ tet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Absenden und zum Empfang von Signalen dieselben Antennen (A.1 . . . A.N) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle nicht zufriedenstellender Signalübertragung eine automatische Wiederholungs­ aufforderung erfolgt,
wobei die vom Knoten abgesandte Wiederholungsaufforderung von einer Antenne der Basisstation empfangen wird, welche nicht an der zuvor mangelhaften Si­ gnalübertragung beteiligt gewesen ist und
wobei die den TDMA-Datenübertragungsblock wiederholt sendende Anten­ ne der Basisstation nicht diejenige Antenne ist, welche an der zuvor mangelhaften Si­ gnalübertragung beteiligt gewesen ist.