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Title:
METHOD FOR OPERATING A SYSTEM COMPRISING A PLURALITY OF NODES AND A BASE STATION ACCORDING TO TDMA, AND ASSOCIATED SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/023419
Kind Code:
A2
Abstract:
Disclosed is a method for operating a system according to time division multiple access (TDMA), comprising a plurality of wireless sensors and/or actuators as nodes (S.1 ... S.n) and a base station (BS), said system being installed in a machine or an installation, such as an industrial robot, automatic production or fabrication machine. Cyclical TDMA data transmission blocks are transmitted, each TDMA data transmission block being composed of successive time slots, each of which is assigned to a specific node. The uplink signals (UL.1 ... UL.n) from the different nodes (S.1 ... S.n) to the base station (BS) can be simultaneously transmitted on two, three or more different frequencies (f1, f2, f3) while the downlink signals (DL) from the base station (BSA) to the different nodes (S.1 ... S.n) are transmitted on a single frequency that is different from the uplink frequencies. The time slots and the different uplink frequencies are defined once and are subsequently maintained.

Inventors:
Apneseth, Christoffer (Conradisgatan 3A, Oslo, N-0559, NO)
Vefling, Harald (Gipoveien 37, Borgheim, N-3140, NO)
Endresen, Jan (Engelsrudlia 57, Asker, N-1385, NO)
Dzung, Dacfey (Albisstrasse 1, Wettingen, CH-5430, CH)
Application Number:
PCT/EP2003/008691
Publication Date:
March 18, 2004
Filing Date:
August 06, 2003
Export Citation:
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Assignee:
ABB RESEARCH LTD. (Affolternstrasse 52, Zürich, CH-8052, CH)
Apneseth, Christoffer (Conradisgatan 3A, Oslo, N-0559, NO)
Vefling, Harald (Gipoveien 37, Borgheim, N-3140, NO)
Endresen, Jan (Engelsrudlia 57, Asker, N-1385, NO)
Dzung, Dacfey (Albisstrasse 1, Wettingen, CH-5430, CH)
International Classes:
G05B19/414; H04J4/00; (IPC1-7): G08C/
Foreign References:
EP1022674A22000-07-26
US5748103A1998-05-05
US4614945A1986-09-30
Attorney, Agent or Firm:
Miller, Toivo (ABB Patent GmbH, Wallstadter Strasse 59, Ladenburg, 68526, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Systems gemäß TDMA (Time Division Multiple Access) mit einer Vielzahl drahtloser Sensoren und/oder Aktoren als Knoten (S. 1... S. n) und einer Basisstation (BS), welches in einer Maschine oder Anlage, wie Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist, wobei zyklische TDMADatenübertragungsblöcke übertragen werden und sich jeder TDMA Datenübertragungsblock aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusam mensetzt, wobei jeder Zeitschlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die uplink Signale (UL. 1... UL. n) von den unterschiedlichen Knoten (S. 1... S. n) zu der Basisstation (BS) gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unter schiedlichen Frequenzen (f1, f2, f3) gesendet werden können, während die downlink Signale (DL) von der Basisstation (BSA) zu den unterschiedlichen Knoten (S. 1... S. n) auf lediglich einer, von den uplink Frequenzen unterschiedlichen Frequenz gesendet werden, wobei die Zeitschlitze und die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unter schiedlichen Knoten einmal festgelegt und danach beibehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unter schiedlichen uplink Frequenzen der unterschiedlichen Sensoren und/oder Aktoren (S. 1... S. n) und die downlink Frequenz derart festgelegt werden, dass Interferenzen möglichst vermieden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequency Hopping Verfahren verwendet wird.
4. System mit einer Vielzahl drahtloser Sensoren und/oder Aktoren als Knoten (S. 1... S. n) und einer Basisstation (BS), welches in einer Maschine oder Anlage, wie Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist, wobei zwischen der Basisstation und den Knoten sowie zwischen den Knoten und der Basis station zyklische TDMADatenübertragungsblöcke übertragen werden, dadurch ge kennzeichnet, dass die uplink Signale (UL. 1... UL. n) von den unterschiedlichen Knoten (S. 1... S. n) zu der Basisstation (BS) gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschied lichen Frequenzen (f1, f2, f3) gesendet werden können, während die downlink Signale (DL) von der Basisstation (BSA) zu den unterschiedlichen Knoten (S. 1... S. n) auf ledig lich einer, von den uplink Frequenzen unterschiedlichen Frequenz gesendet werden, wobei die Zeitschlitze und die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unterschied lichen Knoten einmal festgelegt und danach beibehalten werden.
Description:
Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer Vielzahl Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA und System hierzu Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Systems gemäß TDMA (Time Division Multiple Access) mit einer Vielzahl drahtloser Sensoren und/oder Akto- ren als Knoten und einer Basisstation, welches in einer Maschine oder Anlage, wie Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist, wobei zyklische TDMA-Datenübertragungsblöcke übertragen werden und sich jeder TDMA- Datenübertragungsblock aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusam- mensetzt, wobei jeder Zeitschlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist. Die Erfin- dung bezieht sich des weiteren auf ein System hierzu.

Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren, Tempe- raturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder Spannungsmess- sensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostrik- tive, elektrostatische oder elektromagnetische 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 mittel- frequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist, - wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwick- lung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vorge- sehen 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 Maschine 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 Division Multiple Access) eingesetzt, bei der die Signale (Informationen) von der Basisstation zu den Aktoren bzw. Sensoren (Knoten) als downlink Signale und von den Aktoren bzw. Sensoren (Knoten) zur Basisstation als uplink Signale jeweils in Form zyklischer TDMA-Datenübertragungsblöcke übermittelt werden, wobei jedem Sensor/Aktor (Knoten) ein bestimmter Zeitschlitz innerhalb eines Datenübertragungs- blockes zugeordnet ist. Beim Stand der Technik wird die Anzahl mit einer Basisstation kommunikationsfähiger Knoten (Sensoren/Aktoren) durch die Anzahl der Zeitschlitze eines Datenübertragungsblockes festgelegt und damit begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer Vielzahl Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anzahl der mit der Basisstation kommunikationsfähigen Knoten erhöht ist. Des weiteren soll ein System hierzu angegeben werden.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die uplink Signale von den unterschiedlichen Knoten zu der Basisstation gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen gesendet werden können, während die downlink Signale von der Basisstation zu den unterschiedlichen Knoten auf lediglich einer, von den uplink Frequenzen unterschiedlichen Frequenz gesendet werden, wobei die Zeitschlitze und die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unterschiedlichen Knoten einmal festgelegt und danach beibehalten werden.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Systems mit einer Basisstation und einer Vielzahl Knoten dadurch gelöst, dass die uplink Signale von den unterschiedlichen Knoten zu der Basisstation gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen gesendet werden können, während die downlink Signale von der Basisstation zu den unterschiedlichen Knoten auf lediglich einer, von den uplink Frequenzen unterschied- lichen Frequenz gesendet werden, wobei die Zeitschlitze und die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unterschiedlichen Knoten einmal festgelegt und danach beibe- halten werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Kapa- zität des Systems mit einer Vielzahl von Knoten und einer Basisstation vergrößert wird, d. h. die Anzahl der möglichen, mit einer Basisstation kommunikationsfähigen Knoten wird bei Verwendung von zwei unterschiedlichen uplink Frequenzen verdoppelt, bei Verwendung von drei unterschiedlichen uplink Frequenzen verdreifacht usw. Der Ein- satz zusätzlicher, mit eigenen downlink Frequenzen zu betreibender Basisstationen wird vermieden, wodurch zum einen vorteilhaft durch mehrere downlink Frequenzen verursachte Interferenzen verhindert werden, welche im allgemeinen bei Systemen mit mehreren Basisstationen auftreten und was zum anderen vorteilhaft Kosteneinsparun- gen zur Folge hat.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispieles erläutert. In der einzigen Figur ist ein System mit einer Vielzahl von Knoten S. 1, S. 2... S. n (n = beliebige ganze positive Zahl), vorzugsweise Sensoren und/oder Aktoren (Knoten) und einer Basisstation BS dargestellt. Die Sensoren und/oderAktoren S. 1, S. 2... S. n sind beispielsweise innerhalb einer Anlage installiert oder an einer Maschine, insbesondere einem Fertigungsautomat befestigt. Es ist nachfolgend stets von Sensoren/Aktoren S. 1... S. n die Rede, wobei es sich beim einzelnen Bauteil wahlweise um einen Sensor oder um einen Aktor handeln kann. Im allgemeinen weisen die Sensoren einen die Sensor-Umgebung detektierenden Sensor- kopf mit nachgeschalteter Signalauswertung sowie die Aktoren eine Aktoreinheit (bei- spielsweise 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 Funkempfänger enthält, um derart eine drahtlose Kommunikation zwischen der Basisstation BS und den einzelnen 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 Kommunikations- einrichtung auf, welche Sensorsignale der Sensoren und Meldesignale betreffend den aktuellen Zustand von Aktoren in Form von uplink Signalen UL, 1, UL. 2... UL. n (uplink = "in Aufwärtsrichtung"= von den Sensoren/Aktoren zur Basisstation) empfängt, Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung der Aktoren in Form von downlink Signalen DL (downlink ="in Abwärtsrichtung"= von der Basisstation zu den Senso- ren/Aktoren) abgibt und Signale zur Einstellung von spezifischen Parametern der Akto- ren und Sensoren ebenfalls in Form von downlink Signalen DL abgibt. Die Kommunika- tionseinrichtung der Basisstation BS weist zumindest eine Antenne auf, an welche ein Funkempfänger und ein Funksender angeschlossen sind. Die Signale des Funk- empfängers werden einem Demodulator/Decodierer zugeführt und dem Funksender ist ein Modulator/Codierer vorgeschaltet.

Beim TDMA-Verfahren sendet die Basisstation BS zur kontinuierlichen Signalüber- tragung eine Folge von sukzessive aufeinanderfolgenden TDMA-Datenübertragungs- blöcken bzw. Rahmen in Abwärtsrichtung aus, die von jedem Sensor/Aktor S. 1... S. n empfangen werden können. Ein zyklischer TDMA-Datenübertragungsblock oder Rah- men setzt sich aus m (m = beliebige ganze Zahl) sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusammen. Jeder Zeitschlitz ist einem bestimmten Sensor oder Aktor S. 1... S. n zugeordnet.

Um sicherzustellen, dass die in einem Zeitschlitz enthaltene Information auch dem richtigen Aktor zugeordnet wird, bzw. um sicherzustellen, dass ein Sensor die der Basisstation BS zu übermittelnde Information während des richtigen Zeitschlitzes absendet, enthält jeder Zeitschlitz ein typisches Synchronisationswort zur exakten Synchronisation zwischen Basisstation BS einerseits und Sensoren/Aktoren S. 1... S. n andererseits : Ein Zeitschlitz eines TDMA-Datenübertragungsblocks setzt sich zusam- men aus einer Synchronisations-Präambel, aus der Symbolfolge der eigentlichen Nachricht (Payload) und aus einem Sicherheitsabstand (Guard Time). Die Synchronisa- tions-Präambel enthält die zur Synchronisierung zwischen Funkempfänger und Funk- sender erforderlichen Angaben.

Obwohl beispielsweise die Sensoren ihre Nachrichten in zufälligen Augenblicken generieren, erfolgt eine an den zugeordneten Zeitschlitz angepasste Übertragung der Daten. Ein Sensor/Aktor S. 1... S. n sendet seinen Datenübertragungsblock in Aufwärts- richtung (uplink Signal) nach Ablauf einer festen Zeitspanne, nachdem er die Informa- tion im zugehörigen Zeitschlitz in Abwärtsrichtung (downlink Signal) empfangen hat.

Der Empfänger der Basisstation BS kann aus der jedem Zeitschlitz zugeordneten Nummer und Frequenz unverwechselbar den jeweiligen Funksender, d. h. den relevanten Sensor/Aktor (Knoten) S. 1... S. n bestimmen.

Wesentliches Kriterium der Erfindung ist es, dass die uplink Signale UL. 1, UL. 2... UL. n von den unterschiedlichen Sensoren/Aktoren S. 1... S. n gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen gesendet werden, d. h. während eines uplink Zeitschlitzes werden gleichzeitig auf zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Frequen- zen die Daten von unterschiedlichen Sensoren/Aktoren S. 1... S. n gesendet. Ein Ausfüh- rungsbeispiel hierzu : Knoten S. 1 sendet während des ersten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f1, Knoten S. 2 sendet während des ersten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f2 Knoten S. 3 sendet während des ersten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f3, 'Knoten S. 4 sendet während des zweiten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f1, Knoten S. 5 sendet während des zweiten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f2, 'Knoten S. 6 sendet während des zweiten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f3, Knoten S. 7 sendet während des dritten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f1, Knoten S. 8 sendet während des dritten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f2, Knoten S. 9 sendet während des dritten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f3, 'Knoten S. 10 sendet während des vierten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f1, Knoten S. 11 sendet während des vierten Zeitschlitzes eines Datenübertragungsblockes auf der Frequenz f2 usw.

Die downlink Signale DL werden im Unterschied hierzu auf lediglich einer einzigen Frequenz gesendet, d. h. während eines jeden downlink Zeitschlitzes werden die Daten an zwei, drei oder mehr Sensoren/Aktoren S. 1... S. n gleichzeitig gesendet, was durch geeignetes Packen der Daten erfolgt. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass insgesamt weniger Frequenzen durch das System belegt werden.

Die Funktionsweise der Basisstation BS ermöglicht dementsprechend den gleich- zeitigen Empfang von zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen entspre- chend den Frequenzen der uplink Signale. Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass zwei, drei oder mehr separate Empfänger-jeweils zum Empfang einer festen Frequenz eingestellt-vorgesehen sind. Jeder Empfänger kann eine eigene Empfangs- antenne aufweisen. Alternativ kann eine gemeinsame Empfangsantenne für alle Empfänger vorgesehen sein. Des weiteren ist es realisierbar, dass bestimmte analoge und/oder digitale Baukomponenten gemeinsam für alle Empfangsfrequenzen vorge- sehen sind, während andere Baukomponenten empfangsfrequenzspezifisch ausge- bildet sind.

Selbstverständlich werden die uplink Signale nur dann gebildet und gesendet, wenn die entsprechenden Knoten entsprechende Informationen, beispielsweise Sensor-Daten oder Empfangsbestätigungen, zu senden haben, d. h. es ist selbstverständlich nicht zwingend erforderlich, dass jeder Knoten während eines jeden ihm zugeordneten Zeitschlitzes sendet.

Die uplink Zeitschlitze werden frequenz-orthogonal (einander nicht beeinflussend, nicht überlappend) benutzt, d. h. die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unterschied- lichen Sensoren/Aktoren werden derart festgelegt, dass Interferenzen innerhalb des Systems möglichst vermieden werden. Ebenso ist die downlink Frequenz orthogonal zu den verwendeten uplink Frequenzen.

Dabei werden die Zeitschlitze und die unterschiedlichen uplink Frequenzen der unter- schiedlichen Knoten einmal-während der Konfiguration des Systems-festgelegt und danach beibehalten.

Aufbauend auf den und unter Beachtung der vorstehenden Erläuterungen ist es auch möglich, das aus einer Basisstation und einer Vielzahl Knoten bestehende System sowohl für die uplink Signale als auch für die downlink Signale nach dem Frequency Hopping Verfahren zu betreiben, um derart die Qualität der drahtlosen Kommunikation zu erhöhen.

Frequency Hopping FH ist ein bekanntes Verfahren auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation, um frequenz-selektivem Fading und Interferenzen entgegenzuwirken.

Die Übertragungsfrequenz (Trägerfrequenz) springt dabei über einem weiten Frequenz- band gemäß einer festgelegten Sprung-Frequenzfolge (Frequency Hopping Frequenz- folge), welche sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt ist. Für Übertra- gungskanäle mit frequenzabhängigen Übertragungsbedingungen und relativ hohen Fehlerraten kann mittels Frequency Hopping sichergestellt werden, dass eine Über- tragung mit ausreichender Qualität und ausreichend niedriger Fehlerrate erfolgt. In Verbindung mit Fehlerüberwachungsverfahren-wie beispielsweise FEC (Forward Error Correction) oder ARQ (Automatic Repeat Request) -ist vielfach mittels eines Frequency Hopping Systems eine zuverlässige Kommunikation erzielbar.

Die Grundlagen des Frequency Hopping sind beispielsweise aus J. G. Proakis, Digital Communications, McGraw Hill, 1983, Section 8.3, pp. 580-587 bekannt.

Des weiteren wird auf das Fachbuch K. Dostert, Powerline Kommunikation, Francis Verlag GmbH Poing, 2000, Seiten 116-123 hingewiesen.

Der Wechsel der gemäß der Frequency Hopping Frequenzfolge festgelegten Frequen- zen erfolgt dabei vorzugsweise rahmenweise. Die Erzeugung der Frequency Hopping Frequenzfolge erfolgt beispielsweise auf Basis der Taktgebersignale der Basisstation, welche den Knoten mittels der downlink Signale zugeleitet werden.

Die Frequency Hopping Frequenzfolgen sind dabei vorteilhaft derart festgelegt, dass die uplink Frequenzen und die downlink Frequenzen das gleiche Gesamt-Frequenzband benutzen, dass die Frequenzfolgen nur geringe Korrelation aufweisen, dass alle Frequenzen des zugewiesenen Frequenzbandes verwendet werden, dass unmittelbar aufeinanderfolgende Frequenzsprünge einen möglichst weiten Abstand aufweisen, dass die unterschiedlichen, gleichzeitig auftretenden uplink Frequenzen sowie die gleichzeitig auftretende downlink Frequenz keine Interferenzen verursachen.

Es ist dabei jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Frequency Hopping Frequenzfolgen alle vorstehend angeführten Kriterien erfüllen.