(57)【要約】  各加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）に使用される周波数ｆの固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）が割り当てられる無線通信システム（１００，１２０）用の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）において、無線通信システム（１００）の少なくとも１つの周波数帯域（１０３）の使用の、時間−周波数表示（２００）を決定するための測定手段を含む帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）において、帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）は、固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）用のメモリ（３）と評価ユニット（４）とをさらに含み、評価ユニット（４）は、時間−周波数表示（２０）を固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）と矛盾しない部分（２０１）と、固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）と矛盾する部分（２０２）とに分割するように構成される。空間領域で使用される無線通信システム（１００，１２０）であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の少なくとも１つの帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）は、使用領域（１１０）の境界領域（１１１）、および／または使用領域（１１０）への入口（１１２）、および／または無線通信システム（１００，１２０）の中央基地局（１０１ａ，１２１ａ）近くに配設される無線通信システム（１００，１２０）。無線通信システム（３００）における計画された周波数使用と矛盾する周波数使用の部分（２０２）の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）による検出によって作動されて、制御システム（３００）を安全状態（３０３）に設定する分散型産業用制御システム（３００）。
2019533967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）に使用される周波数ｆの固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）が割り当てられる無線通信システム（１００，１２０）用の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）であって、無線通信システム（１００）の少なくとも１つの周波数帯域（１０３）の使用の、時間−周波数表示（２００）を決定するための測定手段を含む帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）において、帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）は、固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）用のメモリ（３）と評価ユニット（４）とをさらに含み、評価ユニット（４）は、時間−周波数表示（２０）を固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）と矛盾しない部分（２０１）と、固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）と矛盾する部分（２０２）とに分割するように構成されることを特徴とする帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項２】
帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）は、通信ユニット（５）を有し、該通信ユニットと共に、帯域モニタは、加入者（１０１ａ〜１０１ａ，１２１ａ〜１２１ｆ）として、無線通信システム（１００，１２０）内に搭載可能であることを特徴とする、請求項１に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項３】
帯域モニタ（１，１ａ〜１ｅ）は、無線通信システム（１００）とは異なる無線または有線通信ネットワーク（５０）に接続可能な通信ユニット（５）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項４】
測定手段（２）は、所与の時点で、それぞれ、周波数帯域（１０３）内の、固定周波数（１０４ａ〜１０４ｈ）、および／または部分周波数帯域（１０５ａ〜１０５ｈ）で敏感な、複数の同時に動作する受信機（２１ａ〜２１ｈ）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項５】
加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）の帯域モニタ（１）の位置において予想される信号特性のための追加のメモリ（６）が設けられ、評価ユニット（４）は、加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）の固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）に矛盾しない周波数使用の信号特性を、加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）によって受信された信号の予想される信号特性（１０６ａ〜１０６ｆ）と比較するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項６】
評価ユニット（４）は、加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）の身分を装うことによる無線通信システム（１００，１２０）への侵入試験として、信号特性（１０６ａ〜１０６ｆ）の予想信号特性からの偏差を検出するように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項７】
評価ユニット（４）は、時間−周波数表示（２０）から、固定シーケンス（１０２ａ〜１０２ｆ）を、および／または予想される信号特性（１０６ａ〜１０６ｆ）を確定する学習モードに切り替え可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項８】
測定手段（２）は、無線ネットワーク（１００）の側から少なくとも１人の加入者（１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆ）に割り当てられた、少なくとも１つの送信割込み中に、時間−周波数表示（２０）を記録するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項９】
評価ユニット（４）は、周波数使用が、ＩＯ−Ｌｉｎｋ規格、ＷＬＡＮ規格、および／またはBluetooth規格に一致する周波数使用として認識されるように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）。
【請求項１０】
空間領域で使用される無線通信システム（１００，１２０）であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の少なくとも１つの帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）は、使用領域（１１０）の境界領域（１１１）、および／または使用領域（１１０）への入口（１１２）、および／または無線通信システム（１００，１２０）の中央基地局（１０１ａ，１２１ａ）近くに配設されることを特徴とする無線通信システム（１００，１２０）。
【請求項１１】
少なくとも１つの無線通信システム（１００，１２０）を有する分散型産業用制御システム（３００）であって、無線通信システム（１００，１２０）は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の少なくとも１つの帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）を含み、制御システム（３００）の少なくとも１つの制御装置（３０１）が、帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）に結合され、無線通信システム（１００，１２０）における計画された周波数使用と矛盾する周波数使用の部分（２０２）の帯域モニタ（１，１ａ〜１ｄ）による検出によって作動されて、制御システム（３００）を、無線通信システム（１００，１２０）の妨害の影響が防止される安全状態（３０３）に設定するように構成されてなることを特徴とする制御システム（３００）。
【請求項１２】
安全状態（３０３）においては、無線通信システム（１００，１２０）における無線伝送の場合、最大許容待機時間を増加させることを特徴とする、請求項１１に記載の制御システム（３００）。
【請求項１３】
安全状態（３０３）においては、制御システム（３００）によって制御される少なくとも１つの装置（３０２）の動作速度を、通常の動作と比較して遅くすることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の制御システム（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム、特に工業環境においての無線センサ−アクチュエータネットワークにおける妨害源を検出するための帯域モニタ、無線通信システム、および制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
分散型産業用制御システムにおいて、無線通信システムは、センサやアクチュエータとの通信のための物理媒体としてますます使用されている。たとえば、ファクトリーオートメーションまたはプロセスオートメーションにおいて、１つ以上の中央基地局は、多数の他の加入者と通信する。そのようなネットワークは、たとえばＤＥ  １０  ２００９  ０５４  ５２７  Ａ１およびＤＥ  １０  ２００９  ０４６  ５０３  Ａ１から知られている。
【０００３】
制御プロセスは、通常タイムクリティカルである。つまり、一定の待機時間を厳守しなければならず、そうでなければ直接生産の停止時間や機器の損傷さえも脅かされる。たとえば、ＩＯ−Ｌｉｎｋ規格に従った有線ネットワークにおいては、巡回プロセスデータは、１０ｍｓの保証された待機時間内に中央基地局と１００の他の加入者との間において交換されなければならない。１０ｍｓを超える確率は、１０−９を超えてはならない。同じ仕様が工業環境における無線センサ−アクチュエータネットワークにも適用される。
【０００４】
無線チャネルは時変で周波数選択的であるので、単一の周波数が一時的に使用できなくなることが何度も起こり得る。したがって、各加入者にはホッピングアルゴリズムが割り当てられ、続いて各加入者は、短時間で、使用される周波数を変更する。ある周波数での妨害は、次の周波数の変化までしか影響を与えない。各加入者は、割り当てられた周波数、時間、および送信電力の範囲内でしか周波数スペクトルを占有できない（共存管理）。
【０００５】
これに関連して、重要な用途のための無線通信システムが、実用上および経済上の理由から、使用される周波数帯域を、他の多数の無線用途と共有しなければならないことが多いことが問題である。たとえば、特に好ましい２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯域は、ＷＬＡＮ、Bluetoothおよび他の短距離無線用途にも使用される。同時に、この帯域においては、通常の短距離無線用途よりも数桁高い出力を熱導入に使用する、電子レンジおよびその他のシステムも動作する。これらのシステムにおけるわずかの高周波周波数の漏洩は通信を著しく妨害する可能性がある。
【発明の概要】
【０００６】
課題および解決手段
したがって、本発明の目的は、無線通信システムにおいて、妨害を早期に検出することができ、それらの影響を最小限に抑えることが可能である、重要な用途のための手段を提供することである。
【０００７】
この目的は、主請求項に従った帯域モニタ、従属請求項に従った無線通信システム、およびさらなる従属請求項に従った制御システムによって達成される。さらなる有利な実施形態は、それらに従属する下位の請求項から明らかである。
【０００８】
発明の主題
本発明の範囲内において、各加入者に、使用される周波数の固定シーケンスが割り当てられる無線通信システム用の帯域モニタが開発された。固定シーケンスは、特に、周期的とすることが可能である、または周期的に繰り返すことが可能である。帯域モニタは、無線通信システムの少なくとも１つの周波数帯域の使用の、時間−周波数表示を決定するための測定手段を含む。時間および周波数に従って分解されて、特に、受信信号強度を記録することが可能である。しかしながら、原則的には、１時点で１つの周波数が使用されているか（１）使用されていないか（０）をバイナリ形式で記録することで十分である。
【０００９】
発明に従えば、帯域モニタは、固定シーケンス用のメモリと評価ユニットとをさらに含む。この評価ユニットは、時間−周波数表示を固定シーケンスと矛盾しない部分と、固定シーケンスと矛盾する部分とに分割するように構成される。したがって、帯域モニタは、ＭＡＣプロファイラ（ＭＡＣ＝Media Access Control、物理媒体無線チャネルへのアクセス制御）として機能する。
【００１０】
実際の周波数使用を個々の加入者に割り当てられた固定シーケンスと比較することは、特に、多数の加入者を有する無線通信システムにおいては、妨害検出のための信頼性があると同時に迅速に試験可能な基準であると認識されてきた。欧州電気通信標準化機構（ＥＴＳＩ）の側からは、並列システムに対しては、それらが共通のタイムベースに能動的に同期されてはならないことが定められている。システム内であっても、加入者のタイムベースは互いにばらばらになり得る。しかしながら、使用される周波数のシーケンスは、演奏されるタイミングとは関係なく広い範囲内で、メロディのように、各加入者にとって独特かつ容易に再認識され得るものであり、使用の時点から再認識される。
【００１１】
従来技術によれば、周波数スペクトルは、送信前に周波数が空いているかどうかを判定することが可能であるようにするために、無線通信システムの加入者によって、初歩的に分析されてきたにすぎない。帯域モニタは、周波数の使用を、典型的には、あきらかに速いタイムスケールにおいて分析する。
【００１２】
加入者は、一般的に互いに関連性のない情報源である。重ね合わせの原理が適用され、それに従って加入者の信号は線形的に重なり合う。たとえば、時間−周波数表示の、個々の加入者の固定シーケンスと矛盾しない部分は、個々の加入者の貢献の重み付き線形和としてモデル化することが可能である。この場合、たとえば、適合パラメータとしての時間軸の互いのずれに基づく、加入者間の重みおよび時間的オフセットが、可能な限り最良の一致へと最適化することが可能である。実際の時間−周波数表示と、矛盾しない部分との間の差は、固定シーケンスと矛盾する部分と見なすことができる。メモリに記憶された固定シーケンスは、帯域モニタに対して、次の時間（ｍｓからｓまでの範囲）のどの時点においてどの周波数が名目上占有されているかを示す。
【００１３】
互いに、共通の時間ベースに加入者の固定同期があるネットワークにおいて、予想される周波数使用は、行列として単純化して格納することが可能であり、その行列において、列は離散周波数チャネルを示し、行は周波数使用が検出される時間を示す。行列の各入力は、たとえば、予側される信号レベルを示すことが可能である。次に、各時点で、行列の行ごとにそれを分析して、予想される信号レベルが観測された信号レベルに対応するかどうかを判断できる。対応していれば、その周波数の使用は、各加入者に割り当てられたその固定シーケンスとまったく矛盾していない。それ以外の場合は、システム内に少なくとも１つのエラーまたは妨害源がある。
【００１４】
矛盾する部分の知見は、妨害に対抗するため、および／またはその影響を軽減するためにさまざまな方法において使用可能である。たとえば、特定の周波数が影響を受ける場合、１または複数の加入者によって使用される一連の周波数について、妨害された周波数を抜くようにしておくことが可能である。代替的にまたはこれと組み合わせて、妨害の原因を突き止め、それを最終的に排除するために、矛盾する部分をさらに評価することが可能である。さらに、装置を、与えられた待機時間を遵守しないことの影響が最小限に抑えられる安全状態に設定することが可能である。
【００１５】
有利には、帯域モニタは、通信ユニットを有し、該通信ユニットと共に、帯域モニタは、加入者として、無線通信システム内に搭載可能である。そして、帯域モニタは、無線通信システム内の他のセンサと同様に、同じ方法でパラメータ化されて構成されることが可能であるだけでなく、測定結果および評価結果を送信することが可能である。この目的のために、古典的な自動化技術の任意のエンジニアリングツールを使用することが可能である。たとえば、このようにして、固定シーケンスをメモリにロードすることが可能である。このようにして、帯域モニタは、たとえば、周波数帯域において、無線通信システムによって実際に使用されている部分領域のポジティブリスト（ホワイトリスト）、および／または無線通信システムによって使用されていない各部分領域のブラックリストも得ることが可能である。たとえば、複数のＷＬＡＮネットワークを有する無線産業用センサ−アクチュエータネットワークの並列動作において、無線センサ−アクチュエータネットワークは、ＷＬＡＮネットワークによって使用されるエリア間の空間内でのみ動作するように構成されてもよい。
【００１６】
特に、加入者として無線通信システムに少なくとも一時的に組み込まれている帯域モニタは、このシステムから、個々の加入者によって使用されるべき周波数および／または伝送時間の固定シーケンスを自動的に受け取ることが可能である。この目的のために、帯域モニタは、いくつかのそのようなシステムにも、加入者として組み込まれることが可能である。このようにして、帯域モニタは、自分の環境における、許可されたメディアアクセスに関するすべての情報を入手する。
【００１７】
本発明のさらなる有利な実施形態において、帯域モニタは、無線通信システムとは異なる無線または有線通信ネットワークに接続可能な通信ユニットを有する。このようにして、帯域モニタは、妨害に関する詳細情報が巨大であって、それを送信するための帯域モニタが、実際の無線通信システムをもはや使用することができないほどであっても、その妨害に関する詳細情報を送信することが可能である。
【００１８】
たとえば、帯域モニタを、既に無線通信システムの加入者であって、他の機能を実行する装置に統合させてもよい。たとえば、基地局における、またはセンサもしくはアクチュエータモジュールにおける追加の機能として統合されてもよい。しかしながら、有利には、帯域モニタは独立した装置である。特に、帯域モニタは、無線通信システムの実際の加入者が、妨害によって顕著な損失を被る前に、積極的に妨害を警告する場所に置くことが可能である。
【００１９】
帯域モニタは、たとえば、ファームウェアを交換することによって、周波数帯域の時間−周波数表示を決定するための、少なくとも、基本ハードウェア構成を有するセンサモジュールまたはアクチュエータモジュール、または他の加入者装置から製造することが可能である。このようにして、たとえば、もはや本来の機能を果たせなくなる可能性がある古いまたは欠陥のある装置を再使用することが可能である。しかしながら、有利には、帯域モニタは、特にこのタスクのためにハードウェアにあわせて最適化されている。
【００２０】
測定手段は、本発明の特に有利な実施形態において、所与の時点で、それぞれ、周波数帯域内の、固定周波数、および／または部分周波数帯域で敏感な、複数の同時に動作する受信機を含む。このようにして、時間−周波数表示は、特に高い時間分解能で決定することが可能である。たとえば、無線工業用センサ／アクチュエータネットワークにとって関心のある２４００ＭＨｚから２４８０ＭＨｚの周波数範囲の現在の使用は、それぞれ１ＭＨｚの部分帯域に敏感な８０個の受信機を用いて４５μｓ未満で記録することが可能である。このような測定手段は、たとえば、走査モードにおいて、広い周波数スペクトルにわたって６４μｓの持続時間の短いパルスを散発的に分配するBluetooth装置による妨害を検出するのに十分な速さを有している。ＷＬＡＮバースト信号は、スペクトラムアナライザのサンプリングレートが十分に速い場合にのみ検出できる、散発的な妨害である。
【００２１】
ただし、一度に１つの周波数しか受信できない掃引ベースのスペクトラムアナライザにおいて、２．４ＧＨｚ  ＩＳＭ帯域をスキャンするのに数ミリ秒かかる。この期間が経過した後に初めて、その周波数範囲の現在の占有についてのメッセージを出すことができる。妨害源のタイミングがとれている場合、および／またはそれが周波数アジャイルシステムの場合は、妨害源は、妨害源が現在送信している周波数において、同じ時点で、偶然にスペクトラムアナライザが測定している場合にしか明らかにならない。したがって、周波数アジャイル妨害源は、比較的掃引が遅いスペクトラムアナライザでは、不適切にしか解明されず、または時間をかけてしか解明できない。
【００２２】
いわゆるリアルタイムスペクトラムアナライザにおいて、周波数帯域全体を同時に記録または分析することができる。しかしながら、これらのアナライザは非常に高価であり、かなりの時間ギャップを伴うデータ解析のための高い計算努力に基づいてしか、周波数帯域を観察することができない。さらに、ＨＦ入力ブランチは、検査される受信範囲と少なくとも同じ大きさの帯域幅を有する。その結果、最も強い受信レベルを持つトランスミッタが、アナライザ全体のダイナミックレンジを決定する。したがって、弱い信号は強い信号と同時に測定できない可能性がある。それに対して、本発明の前記有利な実施形態に従った、複数の独立した受信機から構成される測定手段は、独立した受信機のそれぞれが独立して選択可能なダイナミックレンジを有するという利点を提供する。
【００２３】
本発明のさらなる、特に有利な実施形態において、加入者の帯域モニタの位置において予想される信号特性のための追加のメモリが設けられる。これらの信号特性は、特に信号強度を含むことが可能である。評価ユニットは、加入者の固定シーケンスに矛盾しない周波数使用の信号特性を、加入者によって受信された信号の予想される信号特性と比較するように構成されてなる。
【００２４】
このようにして、たとえば、加入者がシステム内において重複しているという動作エラーまたは誤設定を検出することが可能である。このようなエラーは、たとえば、ある場所においてデバイスが新しいデバイスに交換され、他の場所で古いデバイスが、前もってそのネットワーク設定を消去せずに再利用された場合に発生する可能性がある。
【００２５】
特に有利には、評価ユニットは、加入者の身分を装うことによる無線通信システムへの侵入試験として、信号特性の予想信号特性からの偏差を検出するように構成されている。必要とされる待機時間は非常に短く、同時に加入者機器は通常低い計算能力しか持たないので、無線通信システムにおける通信をＷＬＡＮにおけるのと同じ高い基準に暗号的に安全にすることは実際的でないことが多い。たとえば指向性アンテナを使用するなどして、場所を、十分に制限なく見れる場合、より離れたところへの侵入の試みが考えられる。ラジオレンジエクステンダによる同様の攻撃は、すでに乗用車のリモートキーにも存在する。
【００２６】
周波数使用の、個々の加入者に固定のシーケンス、および／または予想される信号特性は、通信ユニットによってアプリオリな知識としてそれぞれの記憶装置に供給することが可能である。固定シーケンスは中央で定義されており、したがって既知でなければならない。一方、システム内の任意の場所において予想される信号特性は、特に、工業用製造工場においての電波伝搬がシャドーイングや反射による不確実性の影響を受けるので、事前に予測するのは困難である。したがって、本発明の特に有利な実施形態において、評価ユニットは、時間−周波数表示から固定シーケンスを、および／または予想される信号特性を確定する学習モードに切り替え可能である。したがって、妨害のない通常状態の加入者によるさらなる動作なしで、それは自動的に検出されて、帯域モニタのメモリに記憶されるので、その後の変更は、帯域モニタによって登録されることが可能である。
【００２７】
そのような学習モードは、たとえば、１つまたは複数の無線通信システムへの時間的同期のために、すなわち、異なる周波数での既知の固定された送信シーケンスが、いつ正確に始まるべきかに関する情報を得るために使用可能である。そのとき帯域モニタは、いつでも、許可された送信周波数がわかっている。
【００２８】
本発明の特に有利な実施形態において、測定手段は、無線ネットワークの側から少なくとも１人の加入者に割り当てられた、少なくとも１つの送信割込み中に、時間−周波数表示を記録するように構成されてなる。たとえば、帯域モニタが、基地局から比較的遠く離れている加入者装置に非常に近く配設されている場合、この加入者装置は基地局に到達するようにかなり強い信号を送信している。帯域モニタの位置において、この信号は、他のより遠い加入者からの信号よりもかなり強くなり、部分的にそれらを不明瞭にすることが可能である。強い信号が止まると、より弱い信号をよりよく分解することが可能である。特に、測定手段は、無線通信システム全体を通して有効な送信休止中、時間−周波数表示を記録するように構成することが可能である。したがって、この時間中の周波数の使用は、全加入者の固定されたシーケンスに矛盾している、すなわち、妨害として、確定している。妨害がより早く検出されればされるほど、妨害を因果的に排除するか、あるいは少なくともその影響を軽減するための対策のための時間がより多く残る。
【００２９】
本発明のさらに特に有利な実施形態において、評価ユニットは、周波数使用が、ＩＯ−Ｌｉｎｋ規格、ＷＬＡＮ規格、および／またはBluetooth規格に一致する周波数使用として認識されるように構成されてなる。これらは、２．４ＧＨｚ帯域において共存する、３つの主要な短距離無線アプリケーションである。このタイプの妨害周波数使用が、このような方法で包囲されている場合は、最終的に妨害を終了させることは、実質的には簡単である。２．４ＧＨｚ帯域は非常に頻繁に使用されるが、３つの理由から、多くの場合、明らかに空の５ＧＨｚ帯域よりも有利である。
・特に送信機と受信機との間に、完全に自由な見通し線がない場合、同じ電力の場合に達成可能な範囲はより広い。
・５ＧＨｚ無線モジュールは、現在、２．４ＧＨｚ無線モジュールの約１０倍の電力を必要とする。
・５ＧＨｚ帯域の大部分は、一次使用レーダに割り当てられている。他の無線システムは、レーダ信号についてそれらのそれぞれの使用周波数を周期的に監視し、必要ならば、直ちに動作を停止しなければならない（ＤＦＳ技術）。
【００３０】
本発明は、工業用製造施設などの空間領域で使用される無線通信システムに関する。本発明に従えば、本発明に従った少なくとも１つの帯域モニタは、使用領域の境界領域および／または使用領域への入口に配設される。境界領域とは、特に、中央基地局からの距離が、基地局から最も遠く離れた加入者の基地局からの距離の少なくとも７５％である領域であると理解される。入口とは、特にたとえば、ホールなどの無線通信システムを収容する閉じられた空間に入ることが可能であるドアであり得る。
【００３１】
工業用施設の無線通信システムにおけるほとんどの妨害は、自動的に接続を確立しようとするＷＬＡＮまたはBluetooth対応機器などの外部妨害源によって引き起こされることが認識されている。帯域モニタを境界領域または入口に積極的に配設することにより、そのような妨害源を早期に検出することが可能である。たとえば、警報が発せられて、妨害源を携行する人には、まったく、またはごく少数の加入者しか妨害によって影響を受けていない時点において、さらなるアクセスを拒否することが可能である。それに対して、妨害源が中央基地局の近くに既に侵入している場合、それは最悪の場合、他のほとんどの加入者の信号をカバーすることが可能であり、その結果ネットワーク全体が機能しなくなる。
【００３２】
代替的に、またはこれと組み合わせて、無線通信システムの中央基地局において知覚可能な妨害は、高い確率において、すぐにネットワーク全体に影響を与えるので、無線通信システムの中央基地局の近くに帯域モニタを配設することも有利である。この位置の帯域モニタは、基地局と実質的に同じ信号を「聞き」、すなわち、基地局によって知覚される周波数使用を正確にコピーする。しかしながら、それは無線通信システムにおいて使用されるプロトコルの意味において信号を論理的に解釈するのではなく、信号から生じる可能性がある、制御モードへの悪影響を分析するだけである。
【００３３】
本発明はまた、本発明に従った少なくとも１つの帯域モニタを含む無線通信システムを有する分散型産業用制御システムに関する。本発明に従えば、制御システムの少なくとも１つの制御装置が、帯域モニタに結合され、無線通信システムにおける計画された周波数使用と矛盾する周波数使用の部分の帯域モニタによる検出によって作動されて、制御システムを、無線通信システムの妨害の影響が防止される安全状態に設定するように構成されてなる。コントローラは、たとえばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）とすることが可能である。
【００３４】
無線通信システムの妨害は、妨害の原因を修復することが可能であるよりも、ときにははるかに速く、制御されたプロセスの妨害、および／またはシステムの各部への損傷をもたらすことがあり得ることが知られてきた。制御システムを安全状態にすることによって、この障害を最小限に抑えることができ、特に恒久的な損傷を回避することができる。
【００３５】
たとえば、安全状態においては、無線通信システムにおける無線伝送の場合、最大許容待機時間を増加させることが可能である。この目的のために、好ましくは、たとえば、制御システムによって制御される装置の動作速度を通常の動作と比較して遅くすることが可能である。たとえば、飲料瓶詰め工場が、妨害がある間、低い処理量において操業するとしても、これは瓶の衝突によって、ガラス破片について工場全体を探さねばならないというよりは、悪くない。
【００３６】
本発明の主題は、図面を参照して、以下に説明されるが、本発明の主題はそれによって限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】帯域モニタ１の実施例、無線通信システム１００および制御システム３００への内蔵を示す。
【図２】複数の同時に動作する受信機２１ａ〜２１ｈからなる高速スペクトラムアナライザ２の実施例を示す。
【図３】時間−周波数表示２０の解析の実施例を示す。
【図４】妨害源９ａ，９ｂを可能な限り早く検出するための帯域モニタ１ａ〜１ｄの配置を示す。
【図５】２つの無線通信システム１００，１２０のための共通帯域モニタ１を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、帯域モニタ１の実施例を示す。帯域モニタ１は、測定手段２であって、周波数ｆｍｉｎとｆｍａｘとの間における、無線通信システム１００によって使用される周波数帯域１０３の使用の、時間−周波数表示２０を作る測定手段２を含む。この時間−周波数表示２０は、評価ユニット４に供給され、同時に評価ユニット４は、メモリ３から、加入者１０１ａ〜１０１ｆによって使用される周波数ｆの固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆを、メモリ６から、帯域モニタ１の場所において予測される、加入者１０１ａ〜１０１ｆの信号強度１０６ａ〜１０６ｆを得る。メモリ３および６からのアプリオリ情報１０２ａ〜１０２ｆ，１０６ａ〜１０６ｆは、評価ユニット４によって使用されて、時間−周波数表示を、加入者１０１ａ〜１０１ｆに由来する、それらの固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆと矛盾しない部分２０１と、これら固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆと矛盾する妨害部分２０２とに分解する。特に、周波数使用の信号特性が、加入者１０１ａ〜１０１ｆの固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆと矛盾しないかどうかを比較するとき、信号強度が信号特性として使用される。
【００３９】
図１に示す実施例において、第１加入者１０１ａは、無線通信システム１００の中央基地局である。加入者１０１ｂ〜１０１ｆはセンサ／アクチュエータモジュールである。さらに、無線通信システム１００に適合しない周波数使用がパターン９１に続く妨害源９も存在する。評価ユニット４は、まさにこの周波数使用９１を、固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆとの比較によって妨害として検出し、それを妨害成分２０２に割り当てる。
【００４０】
妨害成分２０２は、帯域モニタ１のインテリジェントディスプレイ８に表示され、同時に帯域モニタ１の通信ユニット５に送信される。この通信ユニット５は、妨害成分２０２に関する情報を、一方において、制御システム３００のプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）３０１に送信する。他方において、この情報はまた、無線通信システム１００とは別の通信ネットワーク５０を介して転送される。
【００４１】
ＰＬＣ３０１は、警報メッセージ３０３によって、ＰＬＣ３０１によって制御される機械３０２を、機械３０２を損傷させることなく、機械３０２の動作速度が減速され、無線通信システム１００におけるより大きな待機時間が許容される安全状態に置きかえる。論理的に無線通信システム１００に属し、よって、このシステム内に描かれているセンサ／アクチュエータ１０１ｂ〜１０１ｆは、機械３０２上に物理的に配設されている。見やすさの理由から、これは図１には示されていない。
【００４２】
図２は、８つの同時に動作する受信機２１ａ〜２１ｈからなる高速スペクトラムアナライザ２を示す。これらの受信機２１ａ〜２１ｈの各々は、中心周波数１０４ａ〜１０４ｈを有する周波数帯域１０３のサブ帯域１０５ａ〜１０５ｈに敏感である。全受信機２１ａ〜２１ｈからの情報は、周波数ｆおよび時間ｔにおける周波数使用の二次元図２０に組み立てられる。各受信機２１ａ〜２１ｈは、自動利得制御（ＡＧＣ）を介して他の受信機とは無関係にそのダイナミック範囲を制御する。このようにして、たとえば、受信機２１ａは、加入者１０１ｃの強い有用な信号を受信し、これによってほぼ飽和している間、受信機２１ｃは依然として弱い妨害源９を検出することが可能である。
【００４３】
図３は、例として、帯域モニタ１の評価ユニット４において行われる、時間−周波数表示２０の解析を示し、図３ａは、例として、時間−周波数表示２０の一部分を示している。この表示２０において細い線が描かれた領域は、無線通信システム１００に加えて、並列駆動される３つのＷＬＡＮネットワークに由来する。ＷＬＡＮネットワークのトラック間には、無線通信システム１００によって使用される周波数ｆがある。それぞれの受信電力Ｐを示す色情報は、図３ａにおいては省略されている。
【００４４】
図３ｂは、時間ｔiにおける、時間−周波数表示２０の断面図を示す。３つのＷＬＡＮネットワークの動作が、無線通信システム１００の設計において計画され、したがって、帯域モニタ１のメモリ３内の関連周波数ｆは無視されるべき周波数使用２０３としてマークされる。受信電力Ｐの残りの振幅は、無線通信システム１００によってＷＬＡＮトラック間において行われる周波数使用に由来し、したがって、加入者１０１ａ〜１０１ｆに割り当てられた周波数使用の固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆと矛盾しない、時間-周波数表示２０の部分２０１として、評価ユニット４によって評価される。
【００４５】
図４は、早期に妨害源９ａ、９ｂを認識するために、いくつかの帯域モニタ１ａ〜１ｄがどのように有意に使用されるかを示している。無線通信システム１００は境界領域１１１を有する領域１１０を管理する。それは、加入者１０１ａ〜１０１ｆを含み、加入者１０１ａは中央基地局であり、加入者１０１ｂ〜１０１ｆは、通常のセンサ／アクターモジュールである。このマスタ／スレーブ関係を分かりやすくするために、加入者１０１ｂ〜１０１ｆは、線を介して加入者１０１ａに星型に接続されている。
【００４６】
第１帯域モニタ１ａは、ここでは、製造セルである電力供給領域１１０の入口１１２に配設されている。２つのさらなる帯域モニタ１ｂおよび１ｃが、供給領域１１０の境界領域１１１内のさらなる位置に配設されている。基地局１０１ａの直近には、第４帯域モニタ１ｄが配設されている。
【００４７】
妨害源９ａが入力１１２に近づくと、帯域モニタ１ａが、まず最初に応答する。対応する警報が作動されると、たとえば、ドア１１２は閉じたままにすることができるか、または無線通信システム１００を含む制御システム３００を安全状態３０３にすることが可能である。
【００４８】
妨害源９ｂが供給領域１１０の左側境界に近づくと、帯域モニタ１ｂがまず最初に同様に応答する。したがって、妨害源９ａ，９ｂがどちらの方向から接近しているかが分かる。これにより、その妨害を因果的に修正することが容易になる。
【００４９】
基地局１０１ａの近くにある帯域モニタ１ｄは、基地局１０１ａが知覚する受信スペクトルの妨害を正確に監視する機能を有する。基地局１０１ａは、それが無線通信システム１００の機能に体系的に関連するという点において優れている。基地局１０１ａの位置においての無線受信が妨害されると、ネットワーク１００は完全に停止することが可能である。
【００５０】
図５は、ただ１つの帯域モニタ１を２つの無線通信システム１００，１２０にどのように統合可能であるかを示している。システム１００は加入者１０１ａ〜１０１ｆを含み、加入者１０１ａは中央基地局である。同様に、システム１２０は加入者１２０ａ〜１２０ｆを含み、加入者１２０ａは中央基地局である。帯域モニタ１は、追加の加入者として両方のシステム１００，１２０に登録されており、したがって、周波数ｆのどの固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆが、それぞれの加入者１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆにそれぞれ割り当てられているかについて自動的に知らされる。
【符号の説明】
【００５１】
１，１ａ〜１ｄ  帯域モニタ
２  測定手段
３  使用周波数ｆに対する固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆのためのメモリ
４  帯域モニタ１，１ａ〜１ｄの評価ユニット
５  帯域モニタ１，１ａ〜１ｄの通信ユニット
６  帯域モニタ１，１ａ〜１ｄの位置の予測信号用のメモリ
８  帯域モニタ１，１ａ〜１ｄのインテリジェントディスプレイ
９，９ａ，９ｂ  妨害源
２０  周波数使用の時間−周波数表示
５０  独立した通信ネットワーク
２１ａ〜２１ｈ  測定手段２の独立した受信機
９１  妨害源９による周波数使用
１００  第１無線通信システム
１０１ａ〜１０１ｆ  第１無線通信システム１００の加入者
１０２ａ〜１０２ｆ  加入者１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆに割り当てられた固定シーケンス
１０３  周波数帯域
１０４ａ〜１０４ｈ  周波数帯域１０３内の周波数
１０５ａ〜１０５ｈ  周波数帯域１０３内のサブ周波数帯域
１０６ａ〜１０６ｆ  加入者１０１ａ〜１０１ｆ，１２１ａ〜１２１ｆによる１，１ａ〜１ｄにおける信号強度
１１０  システム１００によって供給される領域
１１１  領域１１０の境界領域
１１２  領域１１０への入口
１２０  第２無線通信システム
１２１ａ〜１２１ｆ  第２無線通信システム１２０の加入者
２０１  固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆと矛盾しない周波数使用
２０２  固定シーケンス１０２ａ〜１０２ｆと矛盾する周波数使用
２０３  評価ユニット４から無視された周波数使用
３００  分散型産業用制御システム
３０１  システム３００のプログラマブルロジックコントローラ
３０２  制御システム３００によって制御される装置
３０３  安全状態
ｆ，ｆｍｉｎ，ｆｍａｘ  周波数
Ｐ  受信電力
ｔ  時間
ｔｉ  時間−周波数表示の解析の時間
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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