DE19933817A1 - 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 schmalbandiges Hochfrequenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer vorgeschlagen, wobei der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) das empfangene Hochfrequenzsignal gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA)-Verfahren codiert, moduliert und als Antwortsignal zur Basisstation (2) zurückreflektiert. Bei einer Vielzahl von Teilnehmern (1.1 bis 1.s) verknüpft jeder Teilnehmer die zurückgesteuerten Antwortsignale mit einem individuellen, der Basisstation (2) bekannten Zufallscode. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich insbesondere für ein Informationssystem für 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 eine Vielzahl von Sensoren 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 gelangen.

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 das empfangene Hochfrequenzsignal moduliert und zur Basisstation zu­ rück reflektiert, denn der Teilnehmer muß in einem solchen Fall zur Informationsüber­ tragung 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. Bei Übertragung kann auch ein frequenzselektiver Schwund in relativ hohem Maß auftreten. 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.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein schmalbandiges Hochfre­ quenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens einem Teilnehmer gelöst, wo­ bei der mindestens eine Teilnehmer das empfangene Hochfrequenzsignal gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert, moduliert und als Antwortsi­ gnal 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 schmalbandigen Hochfrequenzsignales und zur Reflexion ei­ nes modulierten Antwortsignales zur Basisstation aufweist und wobei der mindestens eine Teilnehmer eine Codier/Modulationseinrichtung aufweist, die empfangene Hoch­ frequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert.

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 schmalbandige Hochfrequenzsignale an die Sen­ soren und/oder Aktoren aussendet,
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Antenne/Rückstreueinrichtung zum Empfang des Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwortsignales zur Basisstation aufweist,
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Codier/Modulationseinrichtung aufweist, die empfangene Hochfrequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert und
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor die zurückgestreuten Antwortsignale mit einem individuellen, der Basisstation bekannten Zufallscode verknüpft.

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.

Die Erfindung ist insbesondere bei einem aus mindestens einer Basisstation und einer Vielzahl von Teilnehmern bestehenden Informationssystem (Netz) von großem Vorteil, denn sie erlaubt eine hohe Teilnehmerdichte und eine hohe Signaldichte und gewähr­ leistet eine hohe Genauigkeit und hohe Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung, wo­ bei eine gleichzeitige Informationsübertragung aller Teilnehmer des Informationssy­ stems möglich ist.

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.

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 schmalbandiges Hochfrequenzsignal zu den Teilnehmern 1.1 bis 1.s. Wenn vorstehend von "Hochfrequenzsignalen" die Rede ist, sind hierbei selbstverständlich auch Very- High-Frequency-Signale, Extremely-High-Frequency-Signale, Ultra-High-Frequency- Signale und Super-High-Frequency-Signale eingeschlossen.

Die einzelnen Teilnehmer 1.1 bis 1.s des Netzes antworten und senden mit entspre­ chenden Informationen (beispielsweise detektierte Sensorinformationen) versehene Antwortsignale an die Basisstation 2 zurück, indem sie das empfangene Hochfrequenz­ signal gemäß dem CDMA-Verfahren (Code Division Multiple Access) codieren, modu­ lieren und reflektieren. Zum CDMA-Verfahren wird allgemein auf das Fachkompendium "Informationstechnologie von A - Z", Aktuelles Nachschlagewerk für die berufliche Pra­ xis, Band 1, Interest GmbH, Augsburg, Februar 1999 hingewiesen. Dieses Mehrfach­ zugriffverfahren basiert auf dem Codemultiplexverfahren CDM (Code Division Multiplex) und ermöglicht ein Antworten aller Teilnehmer eines Netzes auf der gleichen Frequenz. Die Kennung und Unterscheidung der einzelnen Teilnehmer 1.1 bis 1.s wird dadurch vorgenommen, daß jeder Teilnehmer die zurückgestreuten Signale mit einem individu­ ellen Zufallscode verknüpft. Die mit unterschiedlichen Codes ausgestatteten Antwortsi­ gnale aller Teilnehmer überlagern sich und ergeben ein breitbandiges Spektrum (Spread Spektrum), das um den codeabhängigen Spreizungsfaktor größer ist als das ursprüngliche Signal. Der Spreizungsfaktor ist dabei ein Maß dafür, wieviel Signale überlagert werden können.

Die Basisstation 2 empfängt die entsprechenden Antwortsignale, erkennt aufgrund des jedem Teilnehmer 1.1 bis 1.s zugeordneten Zufallscodes, welcher der Teilnehmer je­ weils geantwortet hat und demoduliert das empfangene breitbandige, gespreizte Ant­ wortsignal, um die übermittelte Information zu erhalten. Gleichzeitig nimmt die Basis­ station 2 alle anderen Antwortsignale als Summen-Störleistung wahr. Dabei kann die Summen-Störleistung wesentlich größer sein als die Empfangsleistung des zu empfan­ genen Antwortsignals. Das einzelne Antwortsignal geht nur scheinbar im Rauschen des Summen-Störleistung unter.

Zur Spread Spectrum-Übertragungstechnik (gespreiztes Spektrum) wird allgemein auf das Fachbuch "Digitale Kommunikation über Funk: Methoden und Meßtechnik digitaler Nachrichtenübermittlung", von P, Hatzold, Franzis-Verlag, 1999, Seite 171 bis 182 hin­ gewiesen. Mit Spread Spectrum Signalen wird eine relative Breitbandigkeit der Aus­ sendungen erzeugt. Eine herausragende Eigenschaft dieser Signale ist es, daß die zu ihrer Übertragung 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 Lei­ stungsdichte. Dadurch sind die Signale im Rauschen schwer zu erkennen. Die Kapa­ zität, d. h. die Menge der übertragbaren Informationen, wächst linear mit der Bandbrei­ te. Eine weitere Eigenschaft dieser Signale ist ihre große Ähnlichkeit mit weißem Rau­ schen, die von der Verknüpfung der Basisbandsignale mit Pseudo-Random-Folgen rüh­ ren.

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. Natürlich muß in beiden Fällen den Teilnehmern die verwendete Pseudo-Zufallsfolge (Spreading Code) bekannt sein, so daß sie bei Fast Frequency Hopping die Empfangs­ frequenz der Zufallsfolge des Senders nachführen bzw. bei DS Spread Spectrum mit­ tels Korrelationstechniken sich das für sie bestimmte Signal aus dem Rauschspektrum aussieben können.

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 eine Codier/Modulationseinrichtung 5 auf. Weitere, hier nicht interessie­ rende Einheiten des Sensors, beispielsweise eine zur Energieversorgung geeignete Energieeinheit, sind nicht dargestellt. Der Sensorkopf gibt die detektierte Sensorinfor­ mation S an die Codier/Modulationseinrichtung 5, welche entsprechende Codier/Mo­ dulationssignale C generiert und der Antenne/Rückstreueinrichtung 3 zuleitet. Die An­ tenne/Rückstreueinrichtung 3 moduliert dis erhaltenen Eingangssignale E (Hochfre­ quenzsignale) und bildet dementsprechende auszusendende (rückzustreuende) Ant­ wortsignale A.

Bei Zellulärsystemen mit mehreren Zellen (Teilnetzen) mit jeweils einer Basisstation werden die einzelnen Netze vorzugsweise mit unterschiedlichen, jeweils einer Basis­ station zugeordneten Frequenzen betrieben. Es kann beispielsweise das Vielfachzu­ griff-Verfahren FDMA (Frequency Domain Multiple Access, Frequenzmultiplex) ver­ wendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen einer ein schmalbandiges Hochfrequenzsignal abstrahlenden Basisstation und mindestens ei­ nem Teilnehmer, wobei der mindestens eine Teilnehmer das empfangene Hochfre­ quenzsignal moduliert und zur Basisstation (2) zurück reflektiert, dadurch gekennzeich­ net, daß der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) das empfangene Hochfrequenz­ signal gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert, moduliert und als Antwortsignal reflektiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit einer Vielzahl von Teilnehmern (1.1 bis 1.s), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilnehmer die zurückgestreuten Antwortsi­ gnale mit einem individuellen, der Basisstation (2) bekannten Zufallscode verknüpft.

3. 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 schmalbandigen Hochfrequenzsi­ gnales und zur Reflexion eines modulierten Antwortsignales (A) zur Basisstation (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Teilnehmer (1.1 bis 1.s) eine Codier/Modulationseinrichtung (5) aufweist, die empfangene Hochfrequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert.

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

• - wobei mindestens eine Basisstation (2) schmalbandige Hochfrequenzsi­ gnale an die Sensoren und/oder Aktoren aussendet,
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Antenne/Rückstreueinrichtung (3) zum Empfang des Hochfrequenzsignales und zur Reflexion eines modulierten Antwort­ signales (A) zur Basisstation (2) aufweist,
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor eine Codier/Modulationseinrichtung (5) aufweist, die empfangene Hochfrequenzsignale gemäß dem Code Division Multiple Access (CDMA) Verfahren codiert und moduliert und
• - wobei jeder Sensor und/oder Aktor die zurückgestreuten Antwortsignale mit einem individuellen, der Basisstation (2) bekannten Zufallscode verknüpft.

5. Informationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Nä­ herungssensoren als Sensoren eingesetzt sind.