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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.
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Die
Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl
drahtloser Sensoren 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
Näherungsschalter/Näherungssensoren,
Temperaturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder Spannungsmesssensoren
bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive,
elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren verwendet werden.
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In
der
DE 199 26 799
A1 wird ein System für eine
eine Vielzahl von drahtlosen Näherungssensoren
aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,
wobei
- – jeder
Näherungssensor
mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld
geeignete Sekundärwicklung
aufweist,
- – wobei
mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste
Primärwicklung
zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren
mit elektrischer Energie vorgesehen 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.
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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 Kabelbrüchen
oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.
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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 Primärwicklung
hierzu sowie ein System für
eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen,
wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energieversorgung und
Kommunikation gleichartig der vorstehend für die
DE 199 26 799 A1 angegebenen
Technologie ist.
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Für die Funkübertragung
wird dabei vorzugsweise die TDMA-Technologie (Time Division 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
Datenübertragungsblockes zugeordnet
ist.
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Aus
der
DE 101 16 285
A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren
Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA (Time Division Multiple
Access) bekannt, wobei zyklische TDMA-Datenübertragungsblöcke übertragen
werden und sich jeder TDMA-Datenübertragungsblock
aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusammensetzt,
wobei jeder Zeitschlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist.
Zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes wird der beim vorausgegangenen
TDMA-Daten übertragungsblock
für diesen
Zeitschlitz eingestellte Verstärkungswert
im Empfänger
der Basisstation als Voreinstellwert übernommen und voreingestellt.
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Aus
der
DE 101 16 286
A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit mehreren
Knoten und einer Basisstation gemäß TDMA bekannt, wobei zyklische
TDMA-Datenübertragungsblöcke übertragen werden
und sich jeder TDMA-Datenübertragungsblock
aus sukzessive nacheinander folgenden Zeitschlitzen zusammensetzt,
wobei jeder Zeitschlitz einem bestimmten Knoten zugeordnet ist.
Zu Beginn eines jeden Zeitschlitzes wird der beim vorausgegangenen
TDMA-Datenübertragungsblock
für diesen Zeitschlitz
für die
Signal-Detektion eingestellte frequenzabweichungsbedingte Gleichstromanteil
oder die Phasendrehung im Empfänger
der Basisstation als Voreinstellwert übernommen und voreingestellt.
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Bei
Festlegung des Protokolls – genauer Kommunikationsprotokolls – (Vereinbarung über Verhaltensweisen
und Formate bei der Kommunikation unter entfernten Partnern, d.
h. ein Protokoll legt verbindlich fest, wie die Kommunikation zwischen
einem Sender und einem Empfänger
durchzuführen
ist) für die
vorstehend erwähnten
drahtlosen Systeme ist es notwendig, den Eingaben und Ausgaben eine
gewisse Datenlänge
zuzuordnen, beispielsweise 8 bit für Eingaben und 8 bit für Ausgaben.
Bei neueren (späteren)
Anwendungen ist es aber durchaus möglich, dass aufgrund zwischenzeitlich
erhöhter
Anforderungen für
einzelne Knoten eine größere Datenlänge – beispielsweise
32 bit – erforderlich
oder zumindest wünschenswert
ist.
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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, welches ein erweitertes Eingabe-/Ausgabevermögen einzelner Knoten
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass das erweiterte Eingabe/Ausgabevermögen einzelner Knoten ohne Änderung
von zugrundelie genden Strukturen des einmal (zu einem früheren Zeitpunkt)
festgelegten Kommunikationsprotokolls realisiert wird. Insgesamt
kann eine größere Datenmenge
im System drahtlos übertragen
werden. Es ist eine individuelle und flexible Anpassung an die für jeden
Knoten erforderliche Datenlänge
möglich.
Frühere
Knoten mit reduzierter Datenlänge
(beispielsweise 8 bit) können
im gleichen System zusammen mit neuen Knoten mit erhöhter Datenlänge (beispielsweise
32 bit) koexistieren. Die Management-Funktionen des Systems können im wesentlichen
unverändert
aufrecht erhalten werden. Zwar erfordern zusätzliche Funktionen auch neue Befehle,
jedoch bleibt die ursprüngliche
Struktur des Protokolls intakt.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
System mit einer Vielzahl von drahtlos mit einer Basisstation kommunizierenden Knoten,
-
2 einen
zyklischen TDMA-Datenübertragungsblock,
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3 eine
Folge von sukzessive aufeinanderfolgenden Datenübertragungsblöcken,
-
4 einen
Zeitschlitz eines TDMA-Datenübertragungsblocks.
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In 1 ist
ein System mit einer Vielzahl von drahtlos mit einer Basisstation
kommunizierenden Knoten, vorzugsweise Sensoren und/oder Aktoren, dargestellt.
Es ist eine Vielzahl von Knoten S.1, S.2, S.3, S.4.....S.k, S.k+1,
S.k+2, S.k+3, S.k+4.....S.I vorgesehen, welche beispielsweise innerhalb
einer Anlage installiert oder an einer Maschine, insbesondere einem
Fertigungsautomat befestigt sind, wobei
k = Laufindex eines
bestimmten Knotens und
I = (gesamte) Anzahl der Knoten.
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Bei
Ausbildung eines Knotens als Sensor weist dieser einen die Sensorumgebung
detektierenden Sensorkopf mit nachgeschalteter Signalauswertung
auf. Bei Ausbildung eines Knotens als Aktor weist dieser eine Aktoreinheit
(beispielsweise ein Druckluftventil oder ein Schütz) sowie eine Ansteuereinheit
hierfür
auf.
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Die
Knoten weisen jeweils eine Kommunikationseinrichtung auf, welche
den erforderlichen Funksender und Funkempfänger enthält, um derart eine drahtlose
Kommunikation zwischen der Basisstation BS und den Knoten (und umgekehrt)
zu ermöglichen. Bei
einem Sensor gelangt das aufbereitete Sensorsignal zu einem Modulator/Codierer
mit nachgeschaltetem Funksender und Antenne, wo es an die Basisstation
BS gesendet wird. Bei einem Aktor gelangt das von einer Basisstation
BS gesendete Ansteuersignal über
eine Antenne, einen Funkempfänger
und einen Demodulator/Decodierer zur Ansteuereinheit.
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Die
Basisstation BS ist zweckmäßig an ein Automatisierungsgerät AD (Speicherprogrammierbare
Steuerung) angeschlossen und weist eine Kommunikationseinrichtung
auf, welche Sensorsignale der Sensoren und Meldesignale betreffend
den aktuellen Zustand von Aktoren (uplink, von den Knoten zur Basisstation)
empfängt,
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 Knoten).
Die Kommunikationseinrichtung der Basisstation BS weist eine Antenne
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.
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In 2 ist
ein zyklischer TDMA-Datenübertragungsblock
dargestellt, wie er beim vorgeschlagenen System verwendet wird.
Ein derartiger Datenübertragungsblock
oder Rahmen FR.1 setzt sich aus N sukzessive nacheinanderfolgenden
Zeitschlitzen TS.1, TS.2.....TS.n.....TS.N zusammen, wobei
n
= Laufindex eines bestimmten Zeitschlitzes und
N = (gesamte)
Anzahl der Zeitschlitze eines Rahmens.
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Dabei
können
einem bestimmten Knoten ein oder mehrere Zeitschlitze zugeordnet
sein. Obwohl beispielsweise die Sensoren ihre Nachrichten in zufälligen Augenblicken
generieren, erfolgt eine an den zugeordneten Zeitschlitz bzw. die
zugeordneten Zeitschlitze angepasste Übertragung. Um sicherzustellen,
dass die in einem Zeitschlitz enthaltene Information 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 ein typisches
Synchronisationswort zur exakten Synchronisierung zwischen Basisstation
einerseits und Knoten andererseits.
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In 3 ist
eine Folge von sukzessive aufeinanderfolgenden TDMA-Datenübertragungsblöcken FR.1,
FR.2, FR.3.....FR.m bzw. Rahmen dargestellt, wie dies zur Realisierung
einer kontinuierlichen Signalübertragung
erforderlich ist, wobei m der Laufindex eines bestimmten Datenübertragungsblocks
ist.
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In 4 ist
ein Zeitschlitz eines TDMA-Datenübertragungsblocks
dargestellt. Der Zeitschlitz TS.1 setzt sich zusammen
- • aus
dem ersten Teil PR1 der Präambel,
welcher zur Bestimmung des Gleichstromanteils dient,
- • aus
dem zweiten Teil PR2 der Präambel,
welcher die zur Synchronisierung zwischen Funkempfänger und
Funksender erforderlichen Angaben umfasst,
- • aus
der Symbolfolge der eigentliche Nachricht (Payload) PL und
- • aus
einem Sicherheitsabstand (Guard Time) GT.
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Der
Empfänger
der Basisstation BS kann aus der jedem Zeitschlitz zugeordneten
Nummer unverwechselbar den jeweiligen Funksender, d. h. den relevanten
Knoten bestimmen.
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Wie
eingangs bereits geschildert, ergibt sich beim vorstehend beschriebenen
System ein Problem, wenn das einmal (zu einem früheren Zeitpunkt) festgelegte
Protokoll (Kommunikationsprotokoll) später entstehenden Ansprüchen hinsichtlich
der zu übertragenden
Datenlänge
je Eingabe oder Ausgabe nicht mehr genügt, da beispielsweise erweiterte
Möglichkeiten
abgedeckt werden sollen, ohne dabei jedoch die zugrundelie genden
Strukturen des Protokolls zu ändern.
Beispielsweise ist bei einem früher festgelegten
Protokoll für
die Symbolfolge der Nachricht (Payload) PL eine Datenlänge von
8 bit für
jede Eingabe und für
jede Ausgabe festgelegt worden. Wenn diese Datenlängen für später entstehende
Anwendungsfälle
nicht ausreichend sind, bereitet es Probleme, die 8 bit Datenlänge zu vergrößern. Sicherlich
wäre es
prinzipiell möglich,
ein neues Protokoll mit vergrößerter Datenlänge für jede Eingabe und
Ausgabe festzulegen, aber diese Maßnahme hätte zur Folge, dass dieses
neu geschaffene System nicht kompatibel mit dem früheren System
wäre. Wenn
die Strukturen des zugrundeliegenden Protokolls jedoch trotz erweiterten
Eingabe-/Ausgabevermögens
im wesentlichen unverändert
bleiben, können
außer
den früheren
Knoten (mit geringerer Anforderung an die Datenlänge) gleichzeitig nebeneinander
auch neuere Knoten (mit erhöhter
Anforderung an die Datenlänge)
im gleichen System betrieben werden. Vorteilhaft ist es dann nicht
erforderlich, die früheren
Knoten gegen neuere Knoten auszutauschen.
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Erfindungsgemäß wirkt
hinsichtlich des Protokolls ein einzelner Knoten in gleicher Weise
wie zwei oder mehr unterschiedliche Knoten bei der Datenübertragung,
obwohl es sich nach wie vor lediglich um eine einzige physikalische
Einheit, einen Sensor oder einen Aktor, handelt. Voraussetzungen
sind hierzu allerdings:
- • Der Knoten muss fähig sein,
in gleicher Weise wie zwei oder mehr separate Knoten während eines
einzigen TDMA-Datenübertragungsblockes zu
senden und zu empfangen, was erhöhte
Ansprüche
an die Dynamik von Sender und Empfänger stellt.
- • Ein
Datenübertragungsblock
muss mehr Zeitschlitze umfassen als Knoten innerhalb des Systems
vorhanden sind.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
stellt das Protokoll N Zeitschlitze pro Datenübertragungsblock (Rahmen) zur
Verfügung.
Es sind I Knoten vorhanden, wobei gilt: I<N.
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Jede
erfolgreiche Datenübertagung
eines Knotens muss durch den Empfänger der Basisstation BS bestätigt werden
(und umgekehrt), indem ein Empfangs-Bestätigungssignal kurz nach dem
Datenempfang abgesandt wird. Ein Knoten ist beispielsweise im Zeitschlitz
TS.n aktiv und sendet ein Signal aus, empfängt darauffolgend das Empfangs-Bestätigungssignal
der Basisstation BS im Zeitschlitz TS.n+6 (oder in beiden Zeitschlitzen
TS.n+6 und TS.n+7) und hat genügend
Zeit, im Zeitschlitz TS.n+16 (und möglicherweise auch im Zeitschlitz TS.n+32)
ebenfalls aktiv zu sein. Eine Begrenzung stellt lediglich die vorgegebene
Anzahl der Zeitschlitze N eines Datenübertragungsblocks (Rahmens)
dar.
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Die
vorstehend erwähnten
Zeitschlitze TS.n+6, TS.n+16, TS.n+32 sind lediglich beispielhaft, denn
die in einem System tatsächlich
benutzten, d. h. miteinander verknüpften Zeitschlitze hängen von
der Zeitdauer eines Zeitschlitzes, von der Leistungsfähigkeit
des Knotens bezüglich
der Datenverarbeitung und der Zeitdauer ab, welche erforderlich
ist, bei einem Knoten vom Empfangs-Betrieb zum Sende-Betrieb und
umgekehrt zu wechseln.
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Den
Knoten werden deshalb miteinander verknüpfte Zeitschlitze zugewiesen,
welche
- • einerseits
eine genügende
Zeitspanne für
den Wechsel zwischen Empfangs-Betrieb
und Sende-Betrieb und umgekehrt zur Verfügung stellen und
- • andererseits
möglichst
eng (zeitlich) innerhalb des Datenübertragungsblocks beabstandet
sind.
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Wenn
im System anstelle der vorstehend behandelten Einzelzeitschlitz-Formate
Doppelzeitschlitz-Formate verwendet werden
- • können zwei
unmittelbar aufeinanderfolgende Zeitschlitze miteinander verknüpft und
einem einzigen Knoten zugeordnet werden,
- • kann
das gemeinsame Empfangs-Bestätigungssignal – respektive
zwei Empfangs-Bestätigungsteilsignale – für die in
diesen beiden aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen übertragenen
Daten einem nachfolgenden Doppelzeitschlitz zugeordnet werden.
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Mit
anderen Worten treten die beiden Empfangs-Bestätigungssignale für den einzelnen
Knoten als gemeinsames Empfangs-Bestätigungssignal in einem einzigen
Doppelzeitschlitz auf.
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Beispielsweise
wird für
einen neuen Knoten eine Datenlänge
32 bit für
eine Eingabe und 32 bit für eine
Ausgabe benötigt.
Dieser Knoten ist beispielsweise in den Zeitschlit zen TS.1 und TS.2
aktiv und sendet Signale aus, empfängt darauffolgend das Empfangs-Bestätigungssignal
der Basisstation BS im Doppelzeitschlitz TS.6+7, hat genügend Zeit,
in den Zeitschlitzen TS.16 und TS.17 wiederum aktiv zu sein (respektive
Signale auszusenden) und empfängt darauffolgend
das Empfangs-Bestätigungssignal
der Basisstation BS im Doppelzeitschlitz TS.22+23.
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Die
Verwendung von Doppelzeitschlitzen erhöht vorteilhaft die Bandbreite.
Die Ausgabedaten für einen
drahtlos fernsteuerbaren Knoten (Aktor) können zusammen mit dem Empfangs-Bestätigungssignal
im selben Datenpaket präsent
sein (d. h. im selben Datenpaket von der Basisstation zum Knoten übertragen
werden).
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Nicht
miteinander verknüpfte
Zeitschlitze respektive Datenfelder können im Bedarfsfall (d. h. wenn
beispielsweise eine Messwertänderung
bei einem Sensor auftritt) mit verminderter Datenlänge, d. h.
in einem Einzelzeitschlitz (beispielsweise 8 bit) übertragen
werden, was vorteilhaft
- • die Übertragungszeit minimiert und
somit gut für geringe
Interferenzen im System ist,
- • dazu
verhilft, die Rate verlorener Telegramme zu verbessern (verringern),
da lediglich eine geringe Datenmenge korrekt zu übertragen ist (lediglich die
Hälfte
der Datenmenge bei Vergleich mit einem Doppelzeitschlitz).
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Miteinander
verknüpfte
Zeitschlitze respektive Datenfelder (Doppelzeitschlitze) können in
diesem Verfahren in gleicher Weise in Form von den unteren Protokollebenen
behandelt werden wie nicht miteinander verknüpfte Datenfelder, da die Kenntnis über die
Verknüpfungen
zwischen den einem einzigen Knoten zugeordneten Zeitschlitzen lediglich
in höheren
Ebenen des Protokolls erforderlich ist.
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- AD
- Automatisierungsgerät
- BS
- Basisstation
- FR.1,
FR.2, FR.3, FR.m
- TDMA-Datenübertragungsblock
- GT
- Sicherheitsabstand
(Guard Time)
- k
- Laufindex
eines Knotens
- I
- Anzahl
der Knoten
- m
- Laufindex
des TDMA-Datenübertragungsblocks
- n
- Laufindex
eines Zeitschlitzes
- N
- Anzahl
der Zeitschlitze
- PL
- Symbolfolge
der Nachricht (Payload)
- PR1
- erster
Teil der Präambel
- PR2
- zweiter
Teil der Präambel
- S.1,
S.2, S.3, S.4, S.k, S.k+1,
-
- S.k+2,
S.k+3, S.k+4, S.I
- Knoten
(Sensoren, Aktoren)
- TS.1,
TS.2, TS.n, TS.N
- Zeitschlitze
eines TDMA-Datenübertragungsblocks