DE10116285A1

DE10116285A1 - Operational method for system with several nodal points and base station according to time division multiplex access (TDMA)

Info

Publication number: DE10116285A1
Application number: DE2001116285
Authority: DE
Inventors: Jan Endresen; Christoffer Apneseth; Harald Vefling
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-03-31
Filing date: 2001-03-31
Publication date: 2002-10-02

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. Zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes (TS.1...TS.n) wird der beim vorausgegangenen TDMA-Datenübertragungsblock für diesen Zeitschlitz eingestellte Verstärkungswert im Empfänger der Basisstation als Voreinstellwert übernommen und voreingestellt.A method for operating a system with several nodes (S.1 ... Sn) and a base station (BS) in accordance with TDMA (Time Division Multiple Access) is proposed, cyclical TDMA data transmission blocks (FR.1 ... FR. m) are transmitted and each TDMA data frame is composed of successively successive time slots (TS.1 ... TS.n), each time slot (TS.1 ... TS.n) belonging to a specific node (S.1. ..Sn) is assigned. At the beginning of each time slot (TS.1 ... TS.n), the gain value set for this time slot in the previous TDMA data transmission block is adopted and preset as a preset value in the receiver of the base station.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA, wobei zyklische TDMA-Datenüber tragungsblöcke übertragen werden und sich jeder TDMA-Datenübertragungsblock aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusammensetzt, wobei jeder Zeit schlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist.The invention relates to a method for operating a system with several Node and a base station according to TDMA, wherein cyclic TDMA data about blocks are transmitted and each TDMA frame out successively composed successive time slots, each time slot is assigned to a specific node.

Die Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl drahtloser Sen soren und/oder Aktoren (Knoten) und einer Basisstation verwendet werden, welches in einer Maschine oder Anlage, beispielsweise Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist. Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschal ter/Näherungssensoren, Temperaturmeßsensoren, Druckmeßsensoren, Strommeß sensoren oder Spannungsmeßsensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren verwendet werden.The invention can be used, for example, in a system with a large number of wireless sensors sensors and / or actuators (nodes) and a base station are used, which in a machine or system, for example industrial robots, production machines or Manufacturing machine is installed. Proximity scarf can be used as sensors or actuators ter / proximity sensors, temperature measuring sensors, pressure measuring sensors, current measuring sensors or voltage measurement sensors or micromechanical, piezoelectric, electrochemical, magnetostrictive, electrostatic or electromagnetic actuators be used.

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
In DE 199 26 799 A1, a system for a machine having a plurality of wireless proximity sensors, in particular a production machine, is proposed, wherein

- Each proximity sensor at least one for energy consumption from a medium fre quent magnetic field has suitable secondary winding,
- At least one primary winding fed by a medium-frequency oscillator for the wireless supply of the proximity sensors with electrical energy is seen
- And wherein each proximity sensor is equipped with a transmitter, which radio signals containing interesting sensor information to a central, with outputs a base station connected to a process computer of the machine.

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.Compared to conventional solutions, this wireless system is also eliminated Wire / cable connection for electrical power supply and for communication relatively high due to planning, material, installation, documentation and maintenance Cost factor of the wire / cable connections. Failures due to Ka broken or bad, for example corroded contacts occur.

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.DE 199 26 562 A1 describes a method and an arrangement for wireless Supply of a large number of actuators with electrical energy, one actuator and one primary development and a system for a large number of actuators Schine proposed, the proposed technology with respect to Energiever Supply and communication similar to that for DE 199 26 799 A1 given technology.

Für die Funkübertragung wird dabei vorzugsweise die TDMA-Technologie (Time Divisi on Multiple Access) eingesetzt, bei der die Informationen von/zu den Aktoren bzw. Sensoren (Knoten) in Form zyklischer TDMA-Datenübertragungsblöcke übermittelt wird, wobei jedem Sensor/Aktor ein bestimmter Zeitschlitz innerhalb eines Datenüber tragungsblockes zugeordnet ist. Aufgrund sehr unterschiedlicher Entfernungen der Sensoren bzw. Aktoren von der Basisstation ist prinzipiell die Gefahr gegeben, daß ein gerade während eines bestimmten Zeitschlitzes sendender Sender den Empfang der Nachricht des innerhalb des nachfolgenden Zeitschlitzes auszusenden Signals stört oder ganz verhindert.The TDMA technology (Time Divisi on multiple access) in which the information from / to the actuators or Transmit sensors (nodes) in the form of cyclic TDMA frames with each sensor / actuator over a specific time slot within a data support block is assigned. Due to very different distances of the In principle, sensors or actuators from the base station run the risk that a Transmitter transmitting the reception of the during a particular time slot Message of the signal to be sent within the subsequent time slot interferes or completely prevented.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA anzugeben, welches auch bei unterschiedlicher Entfernung der einzelnen Knoten von der Basisstation eine zu verlässige Kommunikation sicherstellt.The invention has for its object a method for operating a system to specify with multiple nodes and a base station according to TDMA, which also with different distances of the individual nodes from the base station one to ensures reliable communication.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes der beim vorausge gangenen TDMA-Datenübertragungsblock für diesen Zeitschlitz im Empfänger der Ba sisstation eingestellte Verstärkungswert als Voreinstellwert übernommen und voreinge stellt wird.This task is fiction, in connection with the features of the preamble resolved according to that at the beginning of each timeslot at the pre outgoing TDMA frame for this time slot in the receiver of the Ba sisstation set gain value as a preset value and preset is posed.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sehr un terschiedliche Einstellwerte der automatischen Verstärkungsregelung bei unmittelbar benachbarten Zeitschlitzen eingestellt werden können, ohne daß dabei die während eines Zeitschlitzes übertragenen Signale gestört werden.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that very un Different setting values of the automatic gain control at immediate Adjacent time slots can be set without the during a time slot transmitted signals are disturbed.

Mit anderen Worten verbessert die vorgeschlagene Maßnahme den Funk-Empfang und gestattet einen großen Variationsbereich hinsichtlich der Leistung der empfangenen Signale, ohne daß dabei die Gefahr gegeben ist, daß Nachrichten einzelnen Zeitschlit ze mangelhaft oder gar nicht empfangen werden.In other words, the proposed measure improves radio reception and allows a wide range of variations in the performance of the received Signals without there being a risk that messages will time slot ze poor or not received at all.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.Further advantages are evident from the description below.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiment shown in the drawing Examples explained. Show it:

Fig. 1 einen zyklischen TDMA-Datenübertragungsblock, Fig. 1 is a cyclic TDMA data transmission block,

Fig. 2 eine Folge von sukzessive aufeinanderfolgenden Datenübertragungsblöc ken, Fig. 2 ken a sequence of successive consecutive Datenübertragungsblöc,

Fig. 3 ein System mit einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und einer Ba sisstation. Fig. 3 shows a system with a variety of sensors and / or actuators and a base station.

In Fig. 3 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.In Fig. 3, a system with a plurality of nodes, preferably sensors and / or actuators (nodes) and a base station is shown. It is a multitude of sensors and / or actuators S.1, S.2, S.3. , , Sn (n = any integer positive number) are provided, which are installed, for example, within a system or are attached to a machine, in particular a production machine. It is always from sensors / actuators p.1 below. , , Sn, the individual component can be either a sensor or an actuator. In general, the sensors have a sensor head which detects the sensor environment with a downstream signal evaluation, and the actuators have an actuator unit (for example a compressed air valve or a contactor) and a control unit therefor.

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.The sensors and / or actuators p.1. , , S.n each have a communication device device, which contains the required radio transmitter and / or radio receiver in order such a wireless communication between the base station BS and the Senso ren / actuators p.1. , , To enable S.n. The processed sen reaches a sensor Sorsignal to a modulator / encoder with a downstream radio transmitter and antenna ne where it is sent to the base station BS. In the case of an actuator, this happens from the Base station BS sent control signal via an antenna, a radio receiver and a demodulator / decoder to the control unit.

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, von den Sensoren/Aktoren zur Basisstation) emp fängt, Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung der Aktoren abgibt und Signale zur Einstellung von spezifischen Parametern der Aktoren und Sensoren abgibt (downlink, von der Basisstation zu den Sensoren/Aktoren). Die Kommunikationseinrichtung der Basisstation BS weist eine Antenne auf, an welche ein Funkempfänger und ein Funk sender angeschlossen sind. Die Signale des Funkempfängers werden einem Demo dulator/Decodierer zugeführt und dem Funksender ist ein Modulator/Codierer vorge schaltet.The base station BS is expediently connected to a central computer (process computer, storage programmable controller) and has a communication direction on which sensor signals of the sensors and signal signals regarding the ac current state of actuators (uplink, from the sensors / actuators to the base station) emp catches, control signals for activating / deactivating the actuators and signals for Setting of specific parameters of the actuators and sensors (downlink, from the base station to the sensors / actuators). The communication facility of the Base station BS has an antenna to which a radio receiver and a radio transmitters are connected. The signals from the radio receiver become a demo dulator / decoder supplied and the radio transmitter is a modulator / encoder pre on.

In Fig. 1 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, TS.2 . . . TS.n zusammen. Jeder Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n ist einem bestimmten Sensor oder Aktor S.1 . . . S.n zugeordnet. Obwohl beispielsweise die Sensoren ihre Nachrichten in zufälligen Augenblicken generieren, erfolgt eine an den zugeordneten Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n angepaßte Übertragung. Um sicherzustellen, daß die in einem Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n enthaltene Information auch dem richtigen Aktor zugeordnet wird, bzw. um sicherzustellen, daß ein Sensor die der Basisstation zu übermittelnde Information wäh rend des richtigen Zeitschlitzes absendet, enthält jeder Zeitschlitz TS.1 . . . TS.n ein typi sches Synchronisationswort zur exakten Synchronisation zwischen Basisstation BS einerseits und Sensoren/Aktoren S.1 . . . S.n andererseits.In Fig. 1, a cyclic TDMA frame is shown, as used in the proposed system. Such a data transmission block or frame FR.1 is composed of n successive time slots TS.1, TS.2. , , TS.n together. Each time slot TS.1. , , TS.n is a specific sensor or actuator S.1. , , Assigned to Sn. For example, although the sensors generate their messages at random moments, the time slot TS.1 assigned to them occurs. , , TS.n adapted transfer. To ensure that the TS.1. , , Information contained in TS.n is also assigned to the correct actuator, or to ensure that a sensor sends the information to be transmitted to the base station during the correct time slot, each time slot contains TS.1. , , TS.n a typical synchronization word for exact synchronization between the base station BS on the one hand and sensors / actuators S.1. , , Sn on the other hand.

In Fig. 2 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 this context, FIG. 2 shows a sequence of successive successive data frames or frames FR.1, FR.2, FR.3. , , FR.m (m = any integer positive number).

Für die Basisstation BS ist es an sich wünschenswert, daß die Signale der unterschied lichen Sensoren/Aktoren mit etwa gleicher Signalintensität empfangen werden. Wenn zwei in verschiedenen Zeitschlitzen - beispielsweise TS.2 und TS.3 - eines Datenüber tragungsblockes bzw. Rahmens - beispielsweise FR.1 - sendende Sender von Senso ren/Aktoren (Knoten) jedoch unterschiedlichen Abstand zum Empfänger der Basisstati on BS aufweisen, ergeben sich zwangsläufig unterschiedliche Signalabschwächungen (Fading, Schwund) und die am Ort der Basisstation BS meßbaren Signalintensitäten sind unterschiedlich.For the base station BS, it is in itself desirable that the signals differ Lichen sensors / actuators are received with approximately the same signal intensity. If two in different time slots - for example TS.2 and TS.3 - of a data transfer support block or frame - for example FR.1 - transmitters from Senso ren / actuators (nodes) but different distance from the receiver of the base states on BS, different signal attenuations inevitably result (Fading, fading) and the signal intensities measurable at the location of the base station BS are different.

Die Basisstation BS weist eine automatische Verstärkungsregelung auf, um derartige unerwünschte Signalintensitäts-Unterschiede auszugleichen und um damit eine gleich bleibende Signal-Qualität zu erzielen. Kritisch wird es, wenn zwei in direkt benachbar ten Zeitschlitzen TS.1 . . . TS.n sendende Sensoren/Aktoren S.1 . . . S.n sehr unterschiedli chen Abstand zur Basisstation haben, denn dann werden unmittelbar aufeinanderfol gend sehr unterschiedliche Einstellwerte der automatischen Verstärkungsregelung beim Empfänger der Basisstation BS erforderlich. Die Einstellung sehr unterschiedli cher Einstellwerte der automatischen Verstärkungsregelung erfordert jedoch eine ge wisse Zeitspanne, um die Einstellung vom Wert für den gerade aktuellen Zeitschlitz auf den Wert für den nachfolgenden Zeitschlitz zu ändern.The base station BS has an automatic gain control to avoid such to compensate for unwanted signal intensity differences and thereby make an equal to achieve permanent signal quality. It becomes critical when two are directly adjacent th time slots TS.1. , , TS.n sending sensors / actuators p.1. , , S.n very different Chen distance from the base station, because then they follow each other immediately very different setting values of the automatic gain control required at the receiver of the base station BS. The setting is very different The setting values of the automatic gain control, however, require a ge know time span to set the value for the current time slot change the value for the subsequent time slot.

Benötigt der gerade aktuelle Zeitschlitz beispielsweise einen relativ niedrigen Verstär kungswert und der nachfolgende Zeitschlitz einen relativ hohen Verstärkungswert, so besteht die Gefahr, daß ein Teil der Nachricht des nachfolgenden Zeitschlitzes bereits gesendet wird, während sich der Verstärkungswert noch vom niedrigen zum ge wünschten hohen Wert hin ändert. Somit geht dieser Teil der Nachricht aufgrund zu geringer Verstärkung verloren. Benötigt umgekehrt hierzu der gerade aktuelle Zeit schütz beispielsweise einen relativ hohen Verstärkungswert und der nachfolgende Zeit schlitz einen relativ niedrigen Verstärkungswert, so besteht die Gefahr, daß ein Teil der Nachricht des nachfolgenden Zeitschlitzes bereits gesendet wird, während sich der Verstärkungswert noch vom hohen zum gewünschten niedrigen Wert hin ändert. Somit geht dieser Teil der Nachricht aufgrund von "Übersteuerung" verloren.For example, the current time slot requires a relatively low gain kungswert and the subsequent time slot a relatively high gain value, so there is a risk that part of the message of the subsequent time slot already exists is sent while the gain value is still from low to ge desired high value changes. So this part of the message is due to low gain lost. Conversely, this requires the current time protect, for example, a relatively high gain value and the subsequent time slit a relatively low gain value, there is a risk that part of the Message of the subsequent time slot is already being sent while the Gain value changes from the high to the desired low value. Consequently this part of the message is lost due to "clipping".

Der Empfänger der Basisstation BS kann aus der jedem Zeitschlitzes zugeordneten Nummer unverwechselbar den jeweiligen Sender, d. h. den relevanten Sensor/Aktor (Knoten) bestimmen. Die Entfernung zwischen Sender (Sensor/Aktor) und Empfänger (Basisstation) verändert sich nicht. Demzufolge ist es dem Empfänger möglich, zu Be ginn eines jeden Zeitschlitzes den beim vorausgegangenen Datenübertragungsblock bzw. Rahmen für diesen Zeitschlitz eingestellten Verstärkungswert als Voreinstellwert zu übernehmen und voreinzustellen. Da der Regelvorgang entfällt, erfolgt diese Vorein stellung sehr schnell. Der voreingestellte Verstärkungswert wird während des Empfangs der Nachricht des aktuellen Zeitschlitzes entsprechend den aktuellen Gegebenheiten mittels der Verstärkungsregelung korrigiert, um derart den optimalen Verstärkungswert einzustellen. Diese Korrektur ist in Relation zur erfolgten Voreinstellung relativ gering und verursacht deshalb keine Störungen mehr. The receiver of the base station BS can be assigned to each time slot Number unmistakably the respective broadcaster, d. H. the relevant sensor / actuator Determine (knot). The distance between the transmitter (sensor / actuator) and receiver (Base station) does not change. As a result, the recipient is able to start of each time slot that in the previous frame or frame for this time slot set gain value as a preset value to adopt and preset. Since the control process is omitted, this is done beforehand position very quickly. The preset gain value is during reception the message of the current time slot according to the current circumstances corrected by means of the gain control in order to obtain the optimal gain value adjust. This correction is relatively small in relation to the default setting and therefore no longer causes interference.

Alternativ kann zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes auch ein gemittelter Verstärkungs wert voreingestellt werden, welcher als Mittelwert mehrerer Verstärkungswerte (für die sen Zeitschlitz) der vorausgegangenen Datenübertragungsblöcke bzw. Rahmen be rechnet wird.Alternatively, an average gain can also be used at the beginning of each time slot value is preset, which is the average of several gain values (for the sen time slot) of the previous frames or frames is calculated.

Claims

1. Method for operating a system with several nodes (S.1... Sn) and a base station (BS) according to TDMA (Time Division Multiple Access), whereby cyclical TDMA frames (FR.1... FR.m ) are transmitted and each TDMA data frame is composed of successively successive time slots (TS.1... TS.n), each time slot (TS.1... TS.n) belonging to a specific node (S.1.. . Sn) is assigned, characterized in that in the receiver of the base station at the beginning of each time slot (TS.1... TS.n) the gain value set in the previous TDMA data transmission block for this time slot is adopted as a preset value and preset.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the recipient base station at the beginning of each time slot (TS.1... TS.n) an averaged Gain value is preset, which is the mean value of several gain values for previous data frames or frames for this time slot is calculated.

3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that the preset gain value while receiving the current message len time slot is corrected according to the current circumstances, in such a way to set the optimal gain value.