DE102014219843A1

DE102014219843A1 - Verfahren, Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung zur Datenübertragung über Stromnetze

Info

Publication number: DE102014219843A1
Application number: DE102014219843.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hüttner; Andreas Ziroff; Robert Baumgartner; Gerhard Metz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung über Stromnetze auf Grundlage zumindest einer als Kopplung durch modulierte Rückstreuung, vorzugsweise nach Art der „Backscatter“ ausgestalteten, insbesondere durch mindestens eine Radio Frequency Identification, „RFID“-Einrichtung gebildeten, Anordnung, bei denen die Anordnung, insbesondere in einem Niederfrequenzbereich, als so genanntes, „Low Frequency“, LF-RFID betrieben, Informationsbits darstellende Signale emittiert, die die zu emittierenden, Informationsbits darstellenden, Signale einer Amplitudenmodulation unterworfen werden, die amplitudenmodulierten Signale mindestens einer Kodierung derart unterworfen werden, dass sie empfangsseitig nach einer Amplitudendemodulation einer Dekodierung, insbesondere in Form einer auf Korrelation mit dem Code basierender Detektion, zur Erzeugung der Informationsbits zugeführt werden. Sie betrifft ferner eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung, die Mittel zur Durchführung des Verfahrens aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung über Stromnetze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Sendeeinrichtung zur Datenübertragung über Stromnetze gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 6, sowie eine Empfangseinrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 7.
Zur Datenübertragung über Stromnetze gibt es bereits verschiedene Ansätze. Einer basiert auf der Radio Frequency Identification „RFID“ Technologie. Ein solches System besteht beispielsweise aus einer Ausleseeinheit und mindestens einem Backscatter, wie es in der 1 dargestellt ist.
Verwendet man beispielsweise ein Standard Low Frequency „LF“-RFID Verfahren, moduliert der Backscatter dabei das Signal einer Amplitudenmodulation im Basisband. Mögliche Einflüsse auf der Leitung durch angeschlossene Geräte können hierbei leicht das Signal stören und das Signal verfälschen, wie es in der 2 zu erkennen ist, welches ein Zeitsignal nach der Modulation am Backscatter und an einem RFID-Tag zeigt.
Desweiteren ist ein zweiter Störeffekt beobachtbar. Schließt man beispielsweise eine Signalquelle mit niedrigem Rauschen an eine Stromleitung an, kommt es durch angeschlossene Geräte z.B. durch Schaltnetzteile ebenfalls zu einer Modulation dieses Signals. Als Beispiel ist hier in 3 ein Spektrum vor und nach dem Anschluss an das Netz aufgezeigt. Es ist zu erkennen, dass damit im trägernahen Bereich der Störpegel erheblich zugenommen hat und sich somit sich ein Signal zu Rausch Verhältnis verschlechtert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die Nachteile der vorgenannten Lösungen überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst ausgehend von dem Verfahren zur Datenübertragung über Stromnetze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale, sowie ausgehend von der Sendeeinrichtung zur Datenübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ausgehend von der Empfangseinrichtung zur Datenübertragung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Datenübertragung über Stromnetze auf Grundlage zumindest einer als Kopplung durch modulierte Rückstreuung, vorzugsweise nach Art der „Backscatter“ ausgestalteten, als Radio Frequency Identification, „RFID“-Einrichtung gebildeten, Anordnung, weist Schritte auf, bei denen

– durch die Anordnung, insbesondere in einem Niederfrequenzbereich, als so genanntes „Low Frequency“, LF-RFID betrieben, Informationsbits darstellende Signale emittiert werden,
– die Anordnung die zu emittierenden Informationsbits darstellenden Signale einer Amplitudenmodulation unterworfen werden,
– die amplitudenmodulierten Signale mindestens einer Kodierung derart unterworfen werden, dass sie empfangsseitig nach einer Amplitudendemodulation einer Dekodierung, insbesondere in Form einer auf Korrelation mit dem Code basierender Detektion, zur Erzeugung der Informationsbits zugeführt werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch geeignete Kodierverfahren, insbesondere durch Spreizung des zu übertragenden Signals, eine Störungsresistenz erreicht wird, die der Anwendung im rauschanfälligen Stromnetzwerkbereich Rechnung tragen. Insbesondere RFID ist als weitverbreitete, kostengünstige Backscattervariante von Vorteil. Alternative, die die Backscatterfunktionalität bereitstellen sind jedoch erfindungsgemäß auch umfasst. Beispielsweise, wenn man proprietäre und/oder hochangepasste Implementierungen realisieren will. Ein Einsatz im Niederfrequenzbereich, der bei RFID nahe 125kHz liegt, bietet sich im Niedrigfrequenzbereich des Stromnetzes an, auch weil dies für längere Übertragungsstrecken sehr gut geeignet ist. Denkbar ist auch eine Übertragung auf kurzen Strecken und/oder die Verwendung der Erfindung in Höheren Frequenzbändern der Datenübertragung über Stromnetzt (Power Line Communication, PLC). Hierfür wäre dann auch eine Backscatteranordnung erfindungsgemäß vorgesehen, die im entsprechend höheren Frequenzbereich angesiedelt ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich, wenn die amplitudenmodulierten und gemäß erster Kodierung erzeugten Signale mindestens einer zweiten Kodierung derart unterworfen werden, dass nach der Dekodierung, insbesondere in Form einer auf Korrelation mit einem Code basierender Detektion, die Informationsbits erzeugt werden.
Eine zweite Kodierung erhöht den Freiheitsgrad bei der Optimierung der Übertragung bzgl. der Robustheit. Er ist speziell für die Form von Rauschen geeignet, die durch andere, insbesondere mit dem ersten Kodierverfahren kodierter, Übertragungen verursacht werden.
Vorzugsweise erfolgt gemäß einer Weiterbildung die erste Kodierung durch Modulation mit einer, insbesondere eine Länge von 31 Bits aufweisende, aus einer endlichen Menge von Zufallsfolgen gewählte, Pseudozufallsfolge, wobei die Dekodierung derart erfolgt, dass sie auf Grundlage einer Korrelation der empfangenen und amplitudendemodulierten Signale mit, empfangsseitig nach dem gleichen Algorithmus aus der endlichen Menge gewählten, Pseudozufallsfolge derart unterworfen werden, dass nach der Dekodierung Informationsbits detektiert werden, wobei hierzu senderseitig anfallende Informationsbits zu einer Folge derart zusammengesetzt werden, dass sie der Länge der Pseudozufallsfolge entspricht.
Diese Weiterbildung zeichnet sich durch sehr gute Robustheit gegenüber Rauschen aus. Ferner sind gute Algorithmen bzw. Ansätze zum Auffinden pseudozufälliger Folgen bekannt, so dass die dabei berücksichtigten Parameter eine Optimierung der Spreizung der zu übertragenden Informationsbits ermöglicht.
Bevorzugt werden hierfür als Pseudozufallsfolgen zueinander orthogonale Folgen verwendet. Hierdurch können mehrere Bits einer Sequenz korreliert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die zweite Kodierung als so genannte Binary Offset Carrier, BOC, Kodierung durchgeführt, insbesondere mit einer BOC (1,1) Kodierung, wobei der erste Wert „1“ einen Parameter angibt, der das Verhältnis der Länge einer Folge, auf die der BOC angewendet wird, zu einer Grundfrequenz angibt und wobei der zweite Wert „1“ einen Parameter angibt, der mit dem die Grundfrequenz multipliziert wird.
Es wird also genau der Bittakt (Grundfrequenz) als zusätzliche Modulation verwendet. Hierdurch wird im Besonderen bei Kombination mit der Kodierung durch Pseudozufallsfolge ein Versatz der Mittenfrequenz des sich durch die Pseudozufallsfolge ergebenden Sendespektrums erreicht. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Robustheit der Datenübertragung.
Bei der erfindungsgemäßen Empfangsseinrichtung zur Datenübertragung über Stromnetze und der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung zur Datenübertragung über Stromnetze, bereitgestellt, werden Mittel zur Verfügung gestellt, die es ermöglichen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Weiterbildungen seine Vorteile entfalten kann.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile ausgehend von der in den 1 bis 3 gezeigten Situation gemäß dem Stand der Technik anhand des in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiels sowie dessen in 5 dargestellter Wirkung näher erläutert. Dabei zeigt die
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausleseeinheit, aufweisend mindestens einen Backscatter,
2 ein sich bei Stand der Technik gemäßem Einsatz von LF-RFID ergebendes Zeitsignal nach der Modulation am Backscatter,
3 Spektren, wie sie sich vor und nach Anschluss an ein Stromnetz ergeben,
4 ein Ausführungsbeispiel gemäß Erfindung als schematische Darstellung,
5 ein Spektrum, wie es sich bei Anwendung des Ausführungsbeispiels ergibt.
Ausgehend von der in den 1 bis 3 dargestellten und in der Einleitung beschriebenen Situation gemäß dem Stand der Technik greift die Erfindung derart zur Erhöhung der Robustheit ein, dass die die Anwendung einer Kodierung des AM Signals vorgenommen wird.
Dies erfolgt durch eine Pseudo-Rausch-Sequenz (PN-Sequenz). Die Datenbits werden nun nicht mehr direkt übertragen, sondern sie werden in einer Kodierungssequenz zusammengefasst. Durch die Korrelation mit einer entsprechenden Sequenz im Empfänger wird ein zusätzlicher Prozessierungsgewinn erzielt. Verwendet man orthogonale Sequenzen, können somit mehrere Bits in einer Sequenz kodiert werden: z.B. eine PN-Sequenz der Länge 31 hat 33 orthogonale Sequenzen.
Die entsprechende Empfängerarchitektur ist in 4 dargestellt. Sie zeigt, dass das empfangene Signal nach einer Filterung demoduliert wird. Das demodulierte Signal wird mit einer PN-Sequenz korreliert. Schließlich wird entschieden, ob es sich bei dem korrelierten Ergebnis um eine bzw. um welche PN-Sequenz es sich handelt.
Der zweite Effekt, der der trägernahen Störeinflüsse, kann ebenfalls durch eine entsprechende Kodierung adressiert werden. Betrachtet man sich das Spektrum eines PN-modulierten Signals, so ist ein Hauptteil der Energie direkt um den Träger verteilt, also dort, wo auch mit Störeinflüssen zu rechnen ist. Wendet man ein Binary Offset Coding BOC (1,1) auf die PN-Sequenz an, kann der Großteil der Energie vom Träger weg geschoben werden. Am Träger selbst ist eine Nullstelle. Somit erhöht sich die Robustheit der Datenübertragung. (Siehe die beschriebenen Effekte auf das Spektrum in 5).
Die Kodierung entspricht dabei der Multiplikation mit einer 1 0 Sequenz mit gleicher Bitrate. D.h. aus 1 wird 10 und aus 0 wird 01.
Der erfinderische durch die Ansprüche beschriebene Kern liegt u.a. in der Anwendung geeigneter Kodierungsverfahren zur Unterdrückung von Störeinflüssen. Zum einen kann ein erheblicher Prozessierungsgewinn durch die Anwendung der Kodierung erzielt werden und dadurch das SNR verbessert werden. Zum anderen können die Effekte der trägernahen Störeinflusse durch die BOC reduziert werden.

Claims

Verfahren zur Datenübertragung über Stromnetze auf Grundlage zumindest einer als Kopplung durch modulierte Rückstreuung, vorzugsweise nach Art der „Backscatter“ ausgestalteten, insbesondere durch mindestens eine Radio Frequency Identification, „RFID“-Einrichtung, gebildeten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die Anordnung, insbesondere in einem Niederfrequenzbereich, als so genanntes, „Low Frequency“, LF-RFID betrieben, Informationsbits darstellende Signale emittiert werdden, – die durch die Anordnung zu emittierenden, Informationsbits darstellenden, Signale einer Amplitudenmodulation unterworfen werden, – die amplitudenmodulierten Signale mindestens einer ersten Kodierung derart unterworfen werden, dass sie empfangsseitig nach einer Amplitudendemodulation eine Dekodierung, insbesondere in Form einer auf Korrelation mit einem Code basierender Detektion, zur Erzeugung der Informationsbits zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die amplitudenmodulierten und gemäß erster Kodierung erzeugten Signale mindestens einer zweiten Kodierung derart unterworfen werden, dass nach der Dekodierung, insbesondere in Form einer auf Korrelation mit einem Code basierender Detektion, die Informationsbits erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kodierung durch Modulation mit einer, insbesondere eine Länge von 31 Bits aufweisende, aus einer endlichen Menge von Zufallsfolgen gewählte, Pseudozufallsfolge erfolgt und die Dekodierung auf Grundlage einer Korrelation der empfangenen und amplitudendemodulierten Signale mit, empfangsseitig nach dem gleichen Algorithmus aus der endlichen Menge gewählten, Pseudozufallsfolge derart unterworfen werden, dass nach der Dekodierung die Informationsbits erzeugt werden, wobei hierzu senderseitig anfallende Informationsbits zu einer Folge derart zusammengesetzt werden, dass sie der Länge der Pseudozufallsfolge entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Pseudozufallsfolgen zueinander orthogonale Folgen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kodierung als so genannte Binary Offset Carrier, BOC, Kodierung durchgeführt wird, insbesondere mit einer BOC (1,1) Kodierung, wobei der erste Wert „1“ einen Parameter angibt, der dem Verhältnis der Länge einer Folge auf die der BOC angewendet wird, zu einer Grundfrequenz angibt und wobei der zweite Wert „1“ einen Parameter angibt, mit der die Grundfrequenz multipliziert wird.
Sendeeinrichtung zur Datenübertragung über Stromnetze, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass zur Durchführung der senderseitig erfolgenden Schritte gemäß Anspruch 1 durchführt werden.
Empfangseinrichtung zur Datenübertragung über Stromnetze, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass zur Durchführung funktional zu den senderseitig gemäß Anspruch 1 erfolgenden Schritten reziproke Schritte durchführt werden.