DE19933816A1 - Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung, Anordnung für einen Teilnehmer hierzu und Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein Hochfrequenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer vorgeschlagen, wobei die Basisstation (2) ein in Spread Spectrum-Übertragungstechnik moduliertes breitbandiges Hochfrequenzsignal abstrahlt und wobei der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) das empfangene breitbandige Hochfrequenzsignal entsprechend zu übermittelnder Information moduliert und als Antwortsignal zur Basisstation (2) zurückreflektiert. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich insbesondere für ein Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere einen Fertigungsautomaten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Basisstation und mindestens einem Teilnehmer, auf eine Anordnung für einen Teilnehmer hierzu sowie auf ein Informationssystem für eine Vielzahl von Senso­ ren und/oder Aktoren aufweisende Maschine.

Die Erfindung kann insbesondere zur drahtlosen Informationsübertragung mittels Hochfrequenzsignalen bei einem Industrieroboter, einem Herstellungsautomaten oder Fertigungsautomaten verwendet werden, welcher eine Vielzahl von Näherungssenso­ ren/Näherungsschaltern und/oder Aktoren aufweist. Die Erfindung ermöglicht eine drahtlose Informationsübertragung zwischen einer Basisstation mit angeschlossenem Prozeßrechner und einer Vielzahl von Teilnehmern, hier Näherungssensoren/Nähe­ rungsschaltern und/oder Aktoren. Als Teilnehmer können beispielsweise auch Tempe­ raturmeßsensoren, Druckmeßsensoren, Strommeßsensoren oder Spannungsmeßsen­ soren, mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elek­ trostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren oder Anzeigeelemente verwendet werden.

Außer bei Industrierobotern, Herstellungsautomaten und Fertigungsautomaten kann die Erfindung auch bei Automationssystemen, Steuer/Regelsystemen, Fernsteuersyste­ men, Schutz- und Sicherheitssystemen (beispielsweise bei Freiluft- oder Innenraum- Schaltanlagen), Alarmsystemen, Zustandsüberwachungs-Systemen, in der Roboter­ technik oder ganz allgemein bei Maschinen/Maschinensystemen zum Einsatz gelan­ gen.

Die drahtlose Kommunikation zwischen einer Basisstation und einem Teilnehmer bzw. mehreren Teilnehmern erfolgt üblicherweise über einen schmalbandigen Hochfre­ quenzträger. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Teilnehmer zur Informations­ übertragung den empfangenen Hochfrequenzträger moduliert und zur Basisstation zu­ rück reflektiert, denn der Teilnehmer muß in einem solchen Fall zur Informationsüber­ tagung kein eigenes Hochfrequenzsignal erzeugen, sondern benutzt das Hochfre­ quenzsignal der Basisstation.

Die Demodulation des modulierten Hochfrequenzsignales ist unkritisch für die Basis­ station, beispielsweise hinsichtlich der zeitlichen Abstimmung, im Unterschied zur De­ modulation eines fremderzeugten, im Teilnehmer selbst produzierten Hochfrequenzsi­ gnales. Im Vergleich zur Fremderzeugung des Hochfrequenzsignales im Teilnehmer ist die Reflexion des Hochfrequenzsignales auch hinsichtlich des erforderlichen Energie­ verbrauches wesentlich günstiger. Insgesamt ergibt sich eine beträchtliche Kostenre­ duktion, sowohl hinsichtlich der Gestehungskosten als auch hinsichtlich der laufenden Betriebskosten.

Allerdings muß bei Bemessung der von der Basisstation aufzubringenden Leistung be­ achtet werden, daß aufgrund des Hin- und Rückweges des Hochfrequenzsignales von der Basisstation zum Teilnehmer und zurück eine doppelt so hohe Ausbreitungsdämp­ fung auftritt als dies bei Fremderzeugung des Hochfrequenzsignales im Teilnehmer der Fall sein würde. Aufgrund des doppelten Signalweges tritt auch ein frequenzselektiver Schwund in relativ hohem Maß auf. Insgesamt ist die Fähigkeit zur Störungsunterdrückung nicht in befriedigendem Maß gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur drahtlosen Informations­ übertragung zwischen einer Basisstation und mindestens einem Teilnehmer mit ver­ bessertem Signalausbreitungsverhalten anzugeben.

Ferner soll eine hierzu geeignete Anordnung für einen Teilnehmer vorgeschlagen wer­ den.

Des weiteren soll ein Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein Hochfrequenzsignal ab­ strahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer gelöst, wobei die Basissta­ tion ein in Spread Spectrum-Übertragungstechnik moduliertes breitbandiges Hochfre­ quenzsignal abstrahlt und wobei der mindestens eine Teilnehmer das empfangene breitbandige Hochfrequenzsignal entsprechend zu übermittelnder Informationen modu­ liert und als Antwortsignal zur Basisstation zurück reflektiert.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Anordnung erfindungsgemäß durch eine Anordnung für einen Teilnehmer eines Netzes zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Basisstation und dem mindestens einen Teilnehmer gelöst, wobei der mindestens eine Teilnehmer eine Antenne/Rückstreueinrichtung zum Empfang eines von der Ba­ sisstation abgestrahlten breitbandigen Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwortsignales zur Basisstation aufweist und wobei der mindestens eine Teilnehmer einen Modulator zur Modulation des Antwortsignales entsprechend zu übermittelnder Informationen aufweist.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Informationssystems erfindungsgemäß durch ein Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, gelöst,

• - wobei mindestens eine Basisstation breitbandige Hochfrequenzsignale an die Senso­ ren und/oder Aktoren aussendet,
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Antenne/Rückstreueinrichtung zum Empfang des breitbandigen Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwort­ signales zur Basisstation aufweist und
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor einen Modulator zur Modulation des Antwortsi­ gnales entsprechend zu übermittelnder Informationen aufweist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vor­ geschlagene Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Basis­ station und mindestens einem Teilnehmer bzw. die Anordnung bzw. das Informations­ system einen signifikant reduzierten frequenzselektiven Schwund aufweist. Die Stö­ rungsunterdrückung ist verbessert. Schmalbandige Störsignale werden gut unterdrückt. Die spektrale Leistungsdichte (PSD, Power Spectral Density) ist herabgesetzt. Auf­ grund der herabgesetzten spektralen Leistungsdichte erhöht sich die in gewissen Fre­ quenzbändern einsetzbare Gesamtleistung.

Die Erfindung ist insbesondere bei einem aus mindestens einer Basisstation und einer Vielzahl von Teilnehmern bestehenden Netz von großem Vorteil, denn sie erlaubt eine hohe Teilnehmerdichte und eine hohe Signaldichte und gewährleistet eine hohe Ge­ nauigkeit und hohe Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung.

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 Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Ba­ sisstation und einer Vielzahl von Teilnehmern,

Fig. 2 einen Sensor als Beispiel eines Teilnehmers mit zugeordneter Basisstation.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer Basisstation 2 und einer Vielzahl von Teilnehmern 1.1, 1.2, 1.3 . . . 1.s, vorzugsweise Sensoren oder Aktoren, dargestellt (Backscatter-System). Die Basisstation 2 sendet ein breitbandiges Hochfrequenzsignal zu den Teilnehmern 1.1 bis 1.s. Als breitbandiges Hochfrequenzsignal kann beispielsweise ein DSSS- (Direct Sequence Spread Spec­ trum) oder ein FHSS-(Fast Frequency Hopping Spread Spektrum)-Signal verwendet werden.

Wenn vorstehend von "Hochfrequenzsignalen" die Rede ist, sind hierbei selbstver­ ständlich auch Very-High-Frequency-Signale, Extremely-High-Frequency-Signale, Ul­ tra-High-Frequency-Signale und Super-High-Frequency-Signale eingeschlossen.

Zur Spread Spectrum-Übertragungstechnik (gespreiztes Spektrum) wird auf das Fach­ buch "Digitale Kommunikation über Funk: Methoden und Meßtechnik digitaler Nach­ richtenübermittlung", von P. Hatzold, Franzis-Verlag, 1999, Seite 171 bis 182 hinge­ wiesen. Mit Spread Spectrum Signalen wird eine Breitbandigkeit der Aussendungen erzeugt. Eine herausragende Eigenschaft dieser Signale ist es, daß die zu ihrer Über­ tragung verwendete Hochfrequenz-Bandbreite wesentlich größer ist als die Symbolrate des Datensignals. Dies führt zu einer Verteilung der Sendeleistung über einen weiten Frequenzbereich und damit zu einer äußerst geringen spektralen Leistungsdichte. Da­ durch sind die Signale im Rauschen schwer zu erkennen. Die Kapazität, d. h. die Men­ ge der übertragbaren Informationen, wächst linear mit der Bandbreite. Eine weitere Ei­ genschaft dieser Signale ist ihre große Ähnlichkeit mit weißem Rauschen, die von der Verknüpfung der Basisbandsignale mit Pseudo-Random-Folgen rühren.

Die Aufspreizung der Bandbreite kann dabei grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen. Entweder wird die Trägerfrequenz während der Dauer der Übertragung eines Symbols nach einer Pseudo-Zufallsfolge verändert (Fast Frequency Hopping) oder es werden die zu übertragenden Symbole, bevor sie den Hochfrequenz-Träger modulieren, mit einer Pseudo Random Bit Sequence (PRBS) erheblich höherer Taktrate verknüpft (DSSS). Natürlich muß in beiden Fällen den Teilnehmern die jeweils verwendete Pseu­ do Zufallsfolge (Spreading Code) bekannt sein, so daß sie bei Fast Frequency Hopping die Empfangsfrequenz der Zufallsfolge des Senders nachführen bzw. bei DS Spread Spectrum mittels Korrelationstechniken sich das für sie bestimmte Signal aus dem Rauschspektrum aussieben können.

Die einzelnen Teilnehmer 1.1 bis 1.s des Netzes antworten und senden mit entspre­ chenden Informationen (beispielsweise detektierte Sensorinformationen) versehende Antwortsignale an die Basisstation 2 zurück, indem sie das empfangene Breitbandsi­ gnal modulieren und reflektieren. Dies erfolgt beispielsweise mittels Binärer Phasen­ umtastung BPSK (Binary Phase Shift Keying), Quaternärer (4-) Phasenumtastung QPSK (Quaternary (Quadri) Phase Shift Keying) oder M-ärer Quadratur Amplituden Modulation QAM (Quadrature Amplituden Modulation). Hierzu wird auf das Fachbuch "Digitale Kommunikation über Funk: Methoden und Meßtechnik digitaler Nachrichten­ übermittlung", von P. Hatzold, Franzis-Verlag, 1999, Seite 96 bis 116 hingewiesen. Zweckmäßig enthalten die Antwortsignale die Adresse des Teilnehmers als Bestandteil der übermittelten Daten.

Die Basisstation 2 empfängt die entsprechenden Antwortsignals, demoduliert das empfangene breitbandige, gespreizte Antwortsignal, um die übermittelte Information zu erhalten und erkennt, welcher der Teilnehmer geantwortet hat. Gleichzeitig nimmt die Basisstation 2 alle anderen Antwortsignale der weiteren Teilnehmer als Summen- Störleistung wahr. Dabei kann die Summen-Störleistung wesentlich größer sein als die Empfangsleistung des zu empfangenen Antwortsignals. Das einzelne Antwortsignal geht nur scheinbar im Rauschen des Summen-Störleistung unter.

Fig. 2 zeigt hierzu einen Sensor, insbesondere Näherungssensor, als Beispiel eines Teilnehmers 1.1. Der Sensor weist eine Antenne/Rückstreueinrichtung 3, einen Sen­ sorkopf 4 und einen Modulator 5 auf. Weitere, hier nicht interessierende Einheiten des Sensors, beispielsweise eine zur Energieversorgung geeignete Energieeinheit, sind nicht dargestellt. Der Sensorkopf 4 gibt die detektierte Sensorinformation S an den Mo­ dulator 5, welcher entsprechende Modulationssignale M generiert und der Anten­ ne/Rückstreueinrichtung 3 zuleitet. Die Antenne/Rückstreueinrichtung 3 moduliert die erhaltenen Eingangssignale E (breitbandige Hochfrequenzsignale) und bildet dement­ sprechende auszusendende (rückzustreuende) Antwortsignale A.

Die Basisstation 2 weist neben weiteren, hier nicht interessierenden Einheiten einen Modulator/Codierer 6 und einen Demodulator/Decodierer 7 auf. Der Modulator/Codierer 6 bildet aus dem Hochfrequenzträger H das breitbandige (Pseudo Zufallsfolgen, Spreading Code) Hochfrequenzsignal, das den Teilnehmern als Eingangssignal E vor­ liegt. Der Demodulator/Decodierer 7 wiederum bildet aus den empfangenen Antwortsi­ gnalen A die von den einzelnen Teilnehmern, hier Sensoren, übermittelten Sensorin­ formationen S.

Bei einem aus mehreren Teilnetzen (Zellen) bestehenden Zellulärsystem - wobei jedes Teilnetz eine Basisstation und eine Vielzahl von Teilnehmern aufweist - können die Teilnetze getrennt werden, indem die Basisstation eines jeden Teilnetzes einen unter­ schiedlichen Spreading Code verwendet (Code Division).

Claims (7)

1. Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein Hochfrequenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer, wobei die Basisstation (2) ein in Spread Spectrum-Übertragungstechnik moduliertes breitbandiges Hochfrequenzsignal abstrahlt und wobei der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) das empfangene breitbandige Hochfrequenzsignal entsprechend zu über­ mittelnder Informationen moduliert und als Antwortsignal zur Basisstation (2) zurück reflektiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstati­ on (2) Direct Sequence Spread Spectrum Signale (DSSS) als Hochfrequenzsignale mit gespreiztem Spektrum sendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstati­ on (2) Fast Frequency Hopping Spread Spectrum Signale (FHSS) als Hochfrequenzsi­ gnale mit gespreiztem Spektrum sendet.

4. Anordnung für einen Teilnehmer eines Netzes zur drahtlosen Informa­ tionsübertragung zwischen einer Basisstation und dem mindestens einen Teilnehmer, wobei der mindestens eine Teilnehmer eine Antenne/Rückstreueinrichtung (3) zum Empfang eines von der Basisstation abgestrahlten breitbandigen Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwortsignales (A) zur Basisstation (2) aufweist und wobei der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) einen Modulator (5) zur Modu­ lation des Antwortsignales entsprechend zu übermittelnder Informationen aufweist.

5. Informationssystem für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat,

• - wobei mindestens eine Basisstation (2) breitbandige Hochfrequenzsignale an die Sensoren und/oder Aktoren aussendet,
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Antenne/Rückstreueinrichtung (3) zum Empfang des breitbandigen Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modu­ lierten Antwortsignales (A) zur Basisstation (2) aufweist und
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor einen Modulator (5) zur Modulation des Antwortsignales entsprechend zu übermittelnder Informationen aufweist

6. Informationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Nä­ herungssensoren als Sensoren eingesetzt sind.

7. Informationssystem nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem aus mehreren Teilnetzen bestehenden Zellulärsystem - wobei jedes Teilnetz eine Basisstation und eine Vielzahl von Teilnehmern aufweist - die Teilnetze getrennt werden, indem die Basisstation eines jeden Teilnetzes einen unterschiedlichen Spreading Code verwendet.