CN101512986A - 用于时间触发通信协议的智能星形耦合器以及使用时间触发协议在网络内的节点之间进行通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连接到使用基于时隙的时间触发协议的网络中的多个节点的星形耦合器。本发明还涉及一种包括具有至少一个节点的集群的网络。而且，本发明涉及一种使用时间触发协议来在网络中的节点之间进行通信的方法。为了提供一种能增加带宽并且能以低传输延迟来进行通信的星形耦合器，提出一种星形耦合器(11)，其包括开关(22)，该开关具有多个输入支路和输出支路，其中，提供了用于控制开关(22)的开关控制器；该耦合器还包括用于导出协议定时的相关信息的装置(14，15)，该信息用于在某个时隙将数据选择性地传送到至少一个预定输出端。

Description

用于时间触发通信协议的智能星形耦合器以及使用时间触发协议在网络内的节点之间进行通信的方法

技术领域

本发明涉及一种与使用基于时隙的时间触发协议的网络中的多个节点相连接的星形耦合器。本发明还涉及一种包括集群的网络，其中集群包括至少一个节点。而且，本发明涉及一种使用时间触发协议来在网络中的节点之间进行通信的方法。

背景技术

可靠的自动通信网络通常依赖于基于按照预定TDMA机制的传播方法的TTP/C或FlexRay之类的时间触发通信协议。提出了时间触发协议来用于例如汽车工业中的分布式实时通信系统。在SEAworld congress 2001中的“FlexRay-A Communication System foradvanced automate Control Systems”中描述了这种通信协议。

在这些系统中，媒体访问协议基于时间触发复用方法(timetriggered multiplex method)，比如在系统设计期间预先定义的具有稳定通信时间调度的TDMA(时分多址)。该通信调度对每个通信节点定义了在一个通信周期内可传送数据的时间点。这种网络可以包括多个不同的通信集群。每个集群包括至少一个节点，通过各种拓扑结构将节点互连。对于本发明来说，涉及了包含有源星形耦合器的拓扑结构。

有源星形耦合器是连接了多个节点的器件。星形耦合器通常将在它的一个输入支路上接收到的信息传送到其他全部连接节点或子网。通常在存在多个同时输入的数据流的情况下，服务最初到来的数据流。这个概念可以与中央总线监控器相结合。中央总线监控器通常包含用来获得通信集群调度的功能减小的协议引擎。中央总线监控器执行各种保护措施来防止发生干扰正常通信的故障。它通常只是在通信调度的每个时隙期间传送预定支路的信息，从而保护信道免于发生非法通信。总线监控器具有独立时间基准并且配备有调度器，使得仅在为通信节点保留的时隙(具有在这些时隙之前和之后的较短容限区域)内对媒体进行正确访问。如果总线包括中央总线监控器，总线建立尝试在为其保留的时间段以外的时间来访问数据总线的通信节点，则中央总线监控器将停止这种访问、报告这种状态并且永久阻止该通信节点的进一步访问。因此，确保了通信节点的故障沉默(fail silent)特性。通过使用中央总线监控器，可以阻止经常在其分配时隙以外的时间进行发送的单个故障节点(也被称为“混串音”(babblingidiot))。

传统星形耦合器概念被应用于单个网络集群中。星形耦合器在物理层上传送数据，由此全部连接的节点接收网络的任何输出支路上的相同数据。从协议方面来看，总线或星形拓扑结构之间没有区别。因此，在集群中可用的总带宽被时间触发协议所允许的带宽限制。

然而，下一代高速协议允许更高的带宽，但是需要在标准化、研发和现场测试方面的额外努力。具有服务更多节点的高带宽设备的集群在很多情况下比服务较少节点的低带宽设备的集群更有可能具有由较高传输速度引起的故障，并且由于故障传播，将更容易受到攻击。

对于这种带宽需要的另一个看上去容易的方案是定义分别的集群，并且通过使用网关将这些集群互连。然而，传统网关还必须使用复杂算法来对附接的时间触发通信集群进行同步，甚至必须接受通信消息的显著增加的传播延迟。当前，由于这些限制，安全相关应用中的时间关键(time-critical)通信不能通过网关进行。因此，在其中进行安全相关应用操作的汽车网络中应用传统网关是不可行的。

已知的星形耦合器概念能断开一个或多个连接支路与集群的余下支路的连接，但是不支持单独并联支路的分离操作。

US 2005/0094674 A1描述了有源星形耦合器，其中多个通信节点通过点到点连接而相连。利用在星形耦合器中的分配单元把由通信节点发送的数据传送到其他全部通信节点。

发明内容

由于带宽和延迟限制，本发明的目的在于提供一种星形耦合器，其能够增加带宽并且能以低传播延迟来传送相关数据。

由独立权利要求的特征解决了本发明的目的。

特别地，一种星形耦合器解决了上述目的，该星形耦合器连接了使用基于时隙的时间触发协议的网络内的多个节点，其中星形耦合器包括具有多个输入支路和输出支路的开关，其中开关控制器控制该开关，该星形耦合器还包括用于导出协议定时的相关信息的装置，该信息被用于在特定时隙内将数据选择性地传送到至少一个预定输出端。

本发明是基于上述想法而提供了一种所谓的开关式星形耦合器或智能星形耦合器，能容易对这种星形耦合器进行配置，使得它将在任意端口处的输入数据分配给其他全部端口。本发明的智能星形耦合器包括传统有源星形耦合器(例如，像同步节点)的全部特征并使用用于容错的多个冗余耦合器。

通过使用本发明的开关式智能星形耦合器，因为通信流的一部分可以并行传送而不会相互干扰，所以提供了较高的总可用带宽。因为通信流可以被分开并且输入数据可以被选择性地传送出去，所以还能提供防止故障传播的更好的保护。

使用基于时隙的时间触发协议在网络内的节点之间进行通信的方法解决了上述目的，该方法包括步骤：在星形耦合器的输入支路处接收输入数据；对数据内的通信元素进行解码并且从通信元素得到通信集群调度；将通信集群调度提供给开关控制器并且根据时隙来控制具有多个输入支路和输出支路的开关，其中根据开关控制器，开关可以将每个输入支路连接到一个或多个输出支路，其中多个输入支路在相同时隙内可以是激活的。

在各个从属权利要求中论述了本发明的更多的有利的实现方式和实施例。

本发明提供了一种能增加集群的可用带宽而无需对其他包含的部件的硬件或软件进行修改的智能有源星形耦合器。因此，有可能向单个通信集群分配更多的应用而不必借助不同的通信域上的复杂的方案，并且也不必将这些应用与昂贵的网关进行互连。而且，通过不使用任何网关减小了传播延迟。

根据本发明，开关被添加到有源星形耦合器，该开关由开关控制器控制。开关控制器从协议引擎和通信调度单元接收信息。该信息包括哪些输入支路在哪个时隙被连接到哪些输出支路。因此，如果n个支路附加到智能信息耦合器，则通信集群的数据通信量明显地增加了几乎n倍。而且，本发明完全与通信集群向后兼容。还增大了对通信媒体的保护，由此完全可用于安全相关应用中。通过将不同集群逻辑组合成单个集群，还进一步解决了以简单而直观的方式将多个时间触发集群彼此连接的难题。这对于FlexRay协议尤其适用。

智能星形耦合器几乎包括了在中央总线监控器中所包含的全部功能。因此，本发明的星形耦合器可以集成到中央总线监控器中。然而，它优选地可以单独运行，或者甚至可以替代中央总线监控器。本发明的星形耦合器的一个最重要部件在于星形耦合器包括用于导出在通信调度中的位置的装置。而且，在建立通信调度之前，应当在广播模式下运行(先到先得)。具体地说，当星形耦合器能比集群中的其他节点更快地得到通信集群调度时是有利的，但是这并不是必须的特征。

进一步有利之处是根据时隙数目来切换开关。然而，有些协议具有像周期数之类的附加标识，周期数可用于在不同周期的相同时隙内将输入支路与输出支路进行不同的连接。因此，连接的切换对于不同的周期数可能是不同的。

附图说明

以下将参考附加的示例图来具体说明本发明，其中：

图1示出了包括在本发明中使用的集群内的多个子网的网络；

图2示出了根据本发明的节点的结构；

图3示出了根据本发明的智能星形耦合器体系结构的实施例；

图4a到图4c示出了开关的结构调度的示例；

图5示出了根据本发明的动态协议数据段方案。

具体实施方式

图1示出了本发明中使用的网络。图1所示的集群被分成多个子网(A-D)，它们中的每一个都得到在连接拓扑结构中的无源总线或有源星形耦合器的支持。这些子网通过针对内部子网通信而提供的智能星形耦合器11互连。几个子网A-D连接到智能星形耦合器11。子网A-D具有不同的拓扑结构。具体地说，描绘了子网B包括无源总线。子网C包括具有星形耦合器和无源总线拓扑结构的混合拓扑结构。子网D包括有源星形拓扑结构，其中子网A仅包括单个节点。自然地，能够连接任意数量的子网。根据网络中使用的协议，限制仅有一个子网可以包含单个传统有源星形耦合器的拓扑结构是有可能的。

参考图2，具体描述在这种子网中的节点n。典型容错时间触发网络是由两个或多个连接到节点的通信信道组成。节点n中的每一个都包括总线驱动器17、通信控制器15和最终的用于每个总线驱动器的总线监控装置14以及应用程序主机13。总线驱动器17传送通信控制器15提供到其连接信道上的位和字节，并且反过来将其从信道Channel A、B接收到的信息提供给通信控制器15。通信控制器15连接到两个信道并且将相关数据传送到应用程序主机13并且从应用程序主机接收数据，即，反过来将帧进行组合并传送到总线驱动器17。子网内节点的实现方式对于本发明是不相关的。只是为了更好的了解本发明的概要说明了这种节点的结构。本发明并不限于在上述节点内的部件的存在或不存在。通信控制器15包含所谓的协议引擎18，该协议引擎18为节点n提供了用于第二层访问协议的设备。与本发明最相关的是用预定TDMA方案或通信调度来访问媒体的设备。在集群内用于每个节点n的通信调度必须被配置成在网络上传送数据时在节点n之间没有冲突。总线监控器14是具有独立配置数据集的装置，该装置仅允许在由配置集所指定的那些时隙期间在总线上进行传输。应用程序主机13包含数据源和数据目的地，并且通常与协议活动无关。应用程序主机13仅作出通信控制器15不能单独作出的决定。

在许多情况下，传统有源星形耦合器与集群中的各个节点n连接。与节点n通过无源总线相连的情况相比，其目的在于改善在通信线路上的信号品质。传统有源信息耦合器比无源总线允许在单个集群中连接更多的节点n。它还提供了断开故障节点与集群的连接从而限制通过集群进行错误传播的可能性。传统星形耦合器工作在物理层，将来自一个所选输入端口的数据一次传送到全部输出端口。在协议层，没显示出在总线和星形拓扑结构之间的差别。

节点n之间的同步是使得基于时间触发的TDMA访问网络的先决条件。每个节点n有其自身时钟，尽管这些时钟最初希望是一样的，但是由于温度、电压波动和生产公差导致该时间基准可以不同于其他节点n。

每个节点n中的通信控制器15包括同步机构，其中节点n监听它们附接的信道并且能适应同步或者影响公共时钟速率和偏移。

在单个集群中的网络启动由所谓的冷启动节点处理，其中一个节点启动集群中的通信周期并且其他节点应答。该节点是通过结构或某种算法选择的，该算法确定几个潜在节点中的哪一个来执行启动。在不能检测到现存调度时，该算法通常由在附加信道上的传送帧或类似的构造组成。冷启动节点的通信控制器15由此不得不监听全部附接的信道并且不得不在全部附接的潜在冗余信道上同时传送其启动数据。对于全部附接的信道来说，通信控制器15内只有一个用于启动的单个控制逻辑18。集群内的每个节点都监听其附接的信道。如果接收到指示启动的特定帧或类似构造，则采用来自观测到的通信的定时方案并且将该定时方案并入到系统中。

可以将中央总线监控器(未示出)添加到这样的集群中。随后该集群被分成单个节点或子网，这些单个节点或子网依次连接到中央总线监控器。该中央总线监控器预配置了有关其集群的通信调度的信息，这些信息关于其支路中的哪一个在通信调度的哪个时隙期间可以将数据传送到其他支路。有些实现方式还允许中央监控器在初始学习阶段得到其引脚中的哪一个被连接到哪个支路的相关信息，从而防止在安装期间的误连接。中央总线监控器还包含逻辑来根据从其支路接收的信息判断通信调度。这通常是一种在有些方面功能被减小而对于防止不同类型的故障(例如，防止不能启动的支路非法启动尝试，防止进行比任何可能合法时间更长时间的传输等)方面功能被增加的协议引擎。

根据图3，示出了根据本发明的智能星形耦合器体系结构。智能星形耦合器包括具有多个输入支路和多个输出支路的开关22。开关22连接到开关控制器23，该开关控制器控制开关22内的输入支路和输出支路的连接。而且，存在对通信元素进行解码的简化协议引擎24，其中通信元素是在协议规范中定义的信号序列。对于FlexRay协议来说，通信元素包括例如唤醒图案、防冲突符号、同步和启动帧以及数据帧。该集群具有预配置的由分成时隙的各种段组成的通信调度。在FlexRay中，时隙可以只分配给单个节点，而开关22使得多个节点能在时隙中进行传送。该通信调度必须被预配置到各种节点以及智能星形耦合器11中。在集群启动期间，节点与周期启动一致并且由此基本上与时隙位置一致。智能星形耦合器具有对于给定时隙哪个支路连接到其他哪个支路的先验信息，但是并不知道当前时隙是哪一个。这里，协议引擎24在图中示出，其对通信元素进行解码，由此导出在通信调度内的当前位置，并且将该信息提供给通信调度单元25和开关控制器23，随后开关控制器23可以相应地配置开关22。

根据解码后的通信元素，简化协议引擎24不断地导出在通信调度中的当前位置(即，当前是哪个时隙)。该信息被提供给通信调度单元25，通信调度单元25包含每个时隙的定义输入支路到一个或多个输出支路的所需连接的矩阵。通信调度单元25为开关控制器23提供了该矩阵和适合的开关定时。该矩阵包括在预定时隙内哪个输入端被连接到一个或多个输出支路。另外，在输入支路中，具有活动检测单元26。这些活动检测单元26尤其用于没有建立通信集群调度的时间段内。在该时间内，活动检测单元26监测输入支路并且将活动信息提供给用于控制开关22的开关控制器23。而且，在输出支路中，具有下面进行描述的位整形单元27。

智能星形耦合器11基于传统星形耦合器，包括用于导出协议定时的相关信息并且由此能够将在某个时隙发送的消息选择性地传送到特定输出支路的额外装置24、25。与传统有源星形耦合器相比，在单个时隙期间，多个输入支路可以是激活的。该特征使得可用带宽倍增而不会减少由传统有源星形耦合器提供的保护。

如图3所示，数据流由粗箭头加重。在星形耦合器11的左侧，输入线路通过箭头连接到右侧，用符号表示了到输出支路的数据连接。现在具体描述开关22的各种部件。在智能星形耦合器11的输入侧提供了活动检测单元26。在智能星形耦合器11还没有与通信调度同步时，活动检测单元26可以以“先来先服务”方式提供降级服务。将总是首先被激活的输入支路传送到全部输出支路。这些活动检测单元26还可以在FlexRay动态协议数据段期间使用。然而，活动检测单元26并不是必要特征，这是由于可以存在用于管理时间段的其他装置，在该时间段智能星形耦合器11还没有与通信调度同步。

开关控制器23控制开关22并且由此确定在给定时隙期间开关22的哪些输入支路被连接到哪些输出支路。开关控制器23从活动检测单元26和通信调度单元25接收信息。如上所述，尽管还没有建立通信调度，但是开关控制器23使用单独配置开关22的活动检测单元26，同时通信调度一旦建立，它就不再理会活动检测单元26。

智能有源星形耦合器11的协议引擎24通常应该接收由连接到输入支路的子网所交换的全部同步信息(即，同步/启动帧)，就像子网中的节点n的其他全部通信控制器15应该的一样。因此，无论何时在一个子网中传送这种帧，该帧将会被传送到除了其自身子网之外的其他全部子网，这是由于一方面该帧已经被初始节点传送到其自身子网，另一方面这种向自身子网的发送将引起干扰。协议引擎24仅在这种实现形式中被附加到一个输出支路，因此通过仅仅不将同步帧发送到该输出端，协议引擎24将会遗漏该帧。为了也使它接收到该同步帧，已经添加了额外的开关28从而能够把同步帧传送到协议引擎24，而防止了同步帧实际上被传送到其所源自的子网。

该构造的替代方案(未示出)将把额外输出端添加给开关22，由此将开关22从n×n增加为n×(n+1)开关。随后该额外的输出端在使用或不使用额外的位整形单元的情况下被连接到简化的协议引擎24。

开关22可以任意地将每个输入支路连接到一个或多个输出支路。然而，开关22不必将多个输入端连接到一个输出线路。开关22的优选实现方式是模拟纵横开关。可选地，可以使用不同的实现方式。以下将说明这种不同的开关实现方式。然而，由不同开关结构使用的传播延迟必须保持最小，这是由于在TDMA通信集群中的端对端传播延迟直接影响到有效使用带宽。

位整形单元27使用适当的算法来再生由于典型物理层效应而失真的通信元素。这些算法例如是通过对协议进行正常解码算法(FlexRay的过采样，多数表决和位选通)来对通信元素进行编码，随后对得到的比特流进行编码。实际上，信号被转换回数字形式并且随后被完全再生。影响比特流的典型物理层效应例如是电磁辐射、在收发器内的LOW/HIGH和HIGH/LOW转换中的非对称性、反射等。如果信号经过多个星形耦合器，则这种位整形防止非对称性累加的可能性。位整形单元27是可选部件。因此，还可以在没有位整形单元27的情况下来运行智能星形耦合器11。而且，位整形单元27还可以位于通过开关22之前或者甚至位于活动检测单元26之前。特别地，时钟控制的开关实现方式将受益于位于开关之前的位整形单元。

简化协议引擎24是依赖协议的单元，其能对通信元素进行解码并且从解码的通信元素得到集群的同步。协议引擎24通常可以使用标准协议IP，但是还可以被减少功能来反映出其实际上不需要发送数据并且仅被连接到单个信道的事实。协议引擎24为通信调度单元25提供了有关协议当前处于哪个时隙的必要信息。特别地，协议引擎24仅被连接到一个输出支路。然而，这就足够了，这是由于在没有集群通信调度可用或者集群没有被同步的时间内开关工作在第一接入的输出支路被连接到全部输出支路的方式。因此，同样地，第一输出支路将接收到在一个输入支路上接收的数据。

通信调度单元25包含通信调度矩阵，该矩阵包括在哪个时隙中哪个输出支路必须被连接到哪个输入支路。它甚至可以指示在某些时隙期间，可再次使用活动检测。这使得能够动态使用在不需要被保护的调度的专用数据段中的时隙。数据流可以在位整形单元27之前被观测或监测。

在下文中将参考图4a到图4c来说明开关结构。可以改变每个通信时隙的交叉点矩阵的结构。图4a到图4c示出了用于4×4智能星形耦合器的配置调度的示例。在图4a中，示出了根据传统时隙用法的矩阵，其中在特定时隙期间从子网A的输入支路上接收到的全部数据被传送到子网B、C和D的其他全部输出支路。图4a的示例对于在集群内达到同步之前的时间是有效的。

图4b示出了如何将子网A连接到子网C以及并行地将子网D连接到子网B。因此，在该时隙中的可用带宽得到有效加倍。容易看出在同一时隙内两个输入支路是并行激活的。这种多于一个输入支路的并行激活对于传统星形耦合器来说是不可能的。

图4c所示的示例示出了在特定时隙期间子网是如何可以与另一子网完全断开连接的。根据图4c所示的示例，子网A可以在内部传送其他子网不感兴趣的内容，而子网B与子网C和D共享信息。因此，在该时隙内的可用带宽得到有效加倍。

通过将信息提供给需要这些信息的那些子网，这种结构能够在每个时隙内实现最佳的带宽使用率。在极端情况下，智能星形耦合器11可以将全部子网彼此完全去耦，从而在具有n个附加的子网的情况下得到正常带宽的n倍的理论最大值。

至此的说明仅处理了单个通信信道。然而，本发明自然还可以用于使用多信道的通信系统，本发明没有在信道上强加任何要求。本发明可以用于单信道系统或者多信道系统。如果使用了多信道系统，智能星形耦合器可以仅用于可用信道的子集上或者全部信道上。这些智能星形耦合器不需要彼此通信，并且不需要被修改来适应多个信道使用。然而，在多信道的情况下，只有开关22，以及或许活动检测单元26和位整形单元27被重复实现，这是由于这些重复部件可以仅由一个协议引擎24、一个通信调度单元25以及一个开关控制器23来控制。具体地说，这三个部件24、25和23可以结合在用于单个或多个信道的一个电路模块中。

因此，本发明可以明显地集成到现有系统中并且不会引入额外的单个故障点。

如上所述，许多不同的开关实现方式可以用于智能星形耦合器，现在将以更具体的方式加以描述。优选的方案是模拟纵横开关，但是本发明还明确地包含不同的开关实现方式。

图3所示的体系结构示出了在输出支路具有位整形的模拟纵横开关。该体系结构产生了具有最小传输延迟的清楚再生的输出信号，由此不会影响到通信集群精度。模拟纵横开关自然还可以由更小的2×2开关组成。

可选地，可以使用数字纵横开关。数字纵横开关具有输入时钟，并且仅在时钟边沿处将其输出值与输入对齐。为了在输出线路上实现良好的信号品质，该时钟应该快于位时钟。对于FlexRay协议来说，具有8倍以上过采样的时钟是最小的(FlexRay采样时钟速度)。这样的数字纵横开关可能显著地受益于在开关之前布置位整形单元。在开关之前生成位减小了通过开关馈送过采样值的需要。用于生成的位值的小深度的小FIFO是足够的，从而开关可以仅用位时钟速度来进行时钟控制，由此减小实现成本。然而，这种方案可能会干扰正在讨论的协议的时钟校准算法，由此使得精度变坏并且由此显著地减小了可用带宽。这种影响能被计算出来并且通过增加传输之间的安全间隔可以被配置到集群中，从而除了稍微减小了可用带宽以外，不会发生功能降级。

而且，可以使用存储器开关，其中用于数字纵横开关的描述从原理上来说还可以适用于单个存储器开关。所有采样都被写入中央存储器，而不是纵横开关和FIFO中。而且，通过在开关之前放置位整形单元，存储器存取上的载荷可以被减小一个数量级，并且由此减小实现成本。

本发明的星形耦合器尤其可以结合FlexRay协议使用。FlexRay协议使用用于非安全相关通信的动态协议数据段。在此，动态判优方案用于更有效地使用可用带宽。无传输时隙被减小到最小，而传输时隙与传输帧紧密地配合。因此，对于全部时隙来说时隙长度不相等。而且，事先并不知道时隙何时开始以及何时结束。

将本发明的星形耦合器用于动态协议数据段通常使得开关22的切换变得复杂，这是由于时隙的长度是任意的。使事情变得更糟的是，节点中计数的时隙是基于以下假设：全部节点都看到附接信号线路上的相同信息。如果子网被去耦，那么它们的时隙将很快摆脱同步，从而防止了互相通信。因此，这种动态协议数据段必须以与通信周期的静态协议数据段不同的方式来处理，所以这里还要实现智能星形耦合器的改进的功能。为了解决在动态协议数据段中也使用本发明的星形耦合器的问题，给出了动态协议数据段问题的三种不同的方案。每种方案都给智能星形耦合器添加了更多的功能。

首先，在使用本发明的智能星形耦合器11时，应当保证仍然能够在动态协议数据段中进行通信。因此，最容易的是仅针对该动态协议数据段来复制传统有源星形耦合器的特性。这意味着对于动态协议数据段来说智能星形耦合器将起到传统星形耦合器的作用。无论哪个子网首先启动，传输都被传送到其他子网。利用活动检测单元26，这将被容易地实现。如上所述，本方案具有与传统有源星形耦合器相同的特性，并且因此对于动态协议数据段来说没有优势。

第二，由于智能星形耦合器包含简化协议引擎24，所以它可以加强一定程度的保护。它像集群内的其他全部节点一样能从观测到的流量中得到当前时隙，因此协议引擎24可能在该时隙内仅允许某些子网传输。然而，这种传输必须还要被传送到其他全部子网。如果子网试图在没有得到允许的时隙内进行传输，则其传输将被包含在该子网中。该子网随后可能由于包含该故障而与其他子网去同步。因此，针对该动态协议数据段的剩余部分，该子网能够可选择地被省略和阻止。在下一个通信周期中，根据已知的不同算法(例如，错误计数器等)，可允许或者不允许该子网再次传输。

为了同样在动态协议数据段中提供改进的带宽，提出了开关的一定程度的并行使用，并且由此可以实现有效的带宽增加。智能星形耦合器首先如在先前两种方案中的一种中所述的那样来运行。其简化协议引擎24与集群对准(align)，并且知晓集群当前处于哪个时隙。在定义的时隙边界处，星形耦合器11随后可以将某些子网去耦，由此建立同步的子集群。这些去耦的子集群随后保持不变直到动态协议数据段的末端为止。附接到智能星形耦合器的简化协议引擎24的子集群可以在后续的时隙边界被进一步细分。在子集群内，首先发送的子网被传送到该子集群的其他全部子网。如果子集群仅由单个子网组成，则不需要向其他子网进行传送。该子网随后可以将动态协议数据段的剩余部分有效地用于子网内的内部通信。附接到智能星形耦合器的简化协议引擎的子集群可以提供如上所述的额外保护(阻止节点、保持同步)。

将参考图5更具体地描述同样针对动态协议数据段使用本发明的星形耦合器的这种方案。图5示出了动态数据段带宽增加示例。用编号示出了智能星形耦合器11所知晓的时隙。对子集群的传送包括在颜色加重的图框中。带保护的时隙带有阴影。在这些时隙中，只有带阴影的子网可以进行发送。图5提供了具有5个子网A-E的智能星形耦合器11的示例。智能星形耦合器11的简化协议引擎24附接到子网A。在动态协议数据段的前4个时隙内，智能星形耦合器11仅允许子网D来发送帧(子网D的时隙带有阴影)。这保护了这些时隙不受来自其他子网的错误传输的影响。来自子网D的输入被传送到其他全部子网。从第5个时隙开始，子网D和E与其他子网A-C去耦并且耦合在一起。对动态协议数据段的剩余部分，子网D和E的任何传输按照先到先服务的方式被传送到其他子网。因此，开关22被开关控制器23分成两部分。上部分处理子网A-C，而下部分处理子网D和E。下部分起到传统开关的作用，而上部分操作如下。从第5个时隙到第7个时隙开始，仅有子网A可以向子网B和C进行传送，而从第8个时隙到第10个时隙开始，只有子网C被允许向子网A和B传送帧。

在第10个时隙之后，开关的矩阵被进一步划分。具体地说，子网C被去耦。从第11个时隙开始，从子网C的传输被包含在子网C中。为了节省存储量，从第11个时隙开始，在由子网A和B组成的子集群中没有提供进一步的保护。然而，在第20个时隙处，这些子网A和B也被去耦。作为这种方式的扩展，多于一个的简化协议引擎可被添加到智能星形耦合器中。这将会使得多于一个的子集群在动态协议数据段处理中被进一步细分和保护。

请注意FlexRay允许有源星形耦合器在传输进行的同时去除传输的开始部分。至少如果在信道中仅有另外一个有源星形耦合器，那么对于智能星形耦合器来说这仍是成立的。

因此，本发明提供了一种能在一个时隙内激活多于一个输入支路的智能星形耦合器。因此，并行传输是可行的。这将增大带宽。

Claims (21)

1.一种星形耦合器(11)，其与使用基于时隙的时间触发协议的汽车网络内的多个节点(n)连接，其中该网络内的信息流基于预定通信调度，该通信调度确定哪个节点(n)在预定时隙中进行发送，其中星形耦合器(11)包括具有多个输入支路和输出支路的开关(22)，其中支路连接到至少一个节点(n)，开关控制器(23)被提供来控制开关(22)；该星形耦合器(11)还包括用于导出协议定时的相关信息的装置(24，25)，该信息用于在特定时隙中将输入的数据选择性地传送到至少一个预定输出支路。

2.根据权利要求1所述的星形耦合器，其中在单个时隙内，开关(22)将星形耦合器(11)的两个或多个输入支路并行切换到两个或多个输出支路。

3.根据权利要求1或2所述的星形耦合器，其中开关(22)根据通信调度将每个输入支路切换到该开关(22)的一个或多个输出支路。

4.根据权利要求1-3之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器(11)包括协议引擎(24)，该协议引擎用于对通信数据中的通信元素进行解码并且导出在集群通信调度中的位置。

5.根据权利要求1-4之一所述的星形耦合器，其中协议引擎(24)被耦合到一个输出支路，其中在将数据输出到同一支路的情况下，开关装置(28)禁用各个输出支路。

6.根据权利要求1-4之一所述的星形耦合器，其中协议引擎(24)被耦合到具有n×(n+1)矩阵的开关(22)的附加输出支路，从而能够将每个输出支路与协议引擎(24)连接起来。

7.根据权利要求1-6之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器(11)包括位于输入支路上的用于检测某个输入支路上的数据流量的活动检测单元(26)，其中活动检测单元(26)耦合到开关控制器(23)，用于提供用于控制开关(22)的活动信息。

8.根据权利要求7所述的星形耦合器，其中只要没有建立通信调度，活动信息就被用来控制开关(22)。

9.根据权利要求1-8之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器(11)包括至少一个位整形单元(27)，该位整形单元(27)被布置在活动检测单元(26)之前或之后的输入支路处或者输出支路处，用于再生通信元素。

10.根据权利要求1-9之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器(11)包括通信调度单元(25)，该通信调度单元(25)包括在预定时隙期间哪个输入支路需要连接到哪个输出支路的信息和/或活动检测单元(26)将要被用在哪些时隙中的信息。

11.根据权利要求1-10之一所述的星形耦合器，其中开关(22)被实现为模拟纵横开关或使用时钟的数字纵横开关，其中数字纵横开关与FIFO单元相结合来使用，其中位整形单元(27)被布置在开关(22)之前。

12.根据权利要求1-10之一所述的星形耦合器，其中使用了包括存储器的存储器开关，该存储器用于存储全部输入数据并且读取输出数据。

13.根据权利要求1-12之一所述的星形耦合器，其中开关(22)被分配到单个通信信道，其中在网络中有多个信道的情况下，每个信道连接到一个开关(22)，其中协议引擎(24)、通信调度单元(25)和开关控制器(23)与多个开关(22)耦合以对多个开关(22)进行控制。

14.根据权利要求1-13之一所述的星形耦合器，其中FlexRay协议被用于在网络中进行通信。

15.根据权利要求14所述的星形耦合器，其中FlexRay协议包括静态协议数据段和动态协议数据段，其中在FlexRay协议的动态协议数据段期间，星形耦合器(11)被作为有源星形耦合器来控制，而不需要使用输入支路到输出支路的多重分配，其中首先服务连接到星形耦合器(11)的启动传输的子网(A-D)，并且最初进行传输的子网(A-D)的输入支路被连接到其他全部子网输出支路。

16.根据权利要求14或15所述的星形耦合器，其中FlexRay协议包括静态协议数据段和动态协议数据段，其中在FlexRay协议的动态协议数据段期间，星形耦合器(11)的协议引擎(24)观测接收到的通信量以识别出在通信调度中的位置，其中根据该观测以及预定通信调度，只允许在当前时隙中确定的输入支路进行发送。

17.根据权利要求14或15所述的星形耦合器，其中FlexRay协议包括静态协议数据段和动态协议数据段，其中在FlexRay协议的动态协议数据段期间，星形耦合器(11)的协议引擎(24)观测接收到的通信量以识别出在通信调度中的位置，其中当输入支路(A-D)在与预定通信调度相反地发送时，在当前周期中的剩余动态数据段内，协议引擎(24)将该输入支路(A-D)阻止。

18.根据权利要求14所述的星形耦合器，其中FlexRay协议包括静态协议数据段和动态协议数据段，其中在FlexRay协议的动态协议数据段期间，星形耦合器(11)的协议引擎(24)确定在通信调度中的位置，其中根据输入支路(A-D)之间的通信需要，控制开关(22)来对输入支路(A-D)中的一个或一部分进行去耦，使所述输入支路(A-D)中的一个或一部分与剩余输入支路不同步，从而在动态协议数据段期间允许在连接到一个去耦的输入支路的子网中或者在连接的节点之间或者去耦的输入支路(A-D)的子网之间进行数据的直接传送。

19.根据权利要求1-18之一所述的星形耦合器，其中根据时隙数和/或周期数来执行开关(22)的切换。

20.一种网络，包括具有至少一个节点(n)的集群，该网络基于利用时隙的时间触发来运行，其中集群内的多个节点(n)被耦合到如权利要求1-19之一所述的星形耦合器(11)。

21.一种使用基于时隙的时间触发协议在网络内的节点(n)之间进行通信的方法，其中节点(n)被耦合到星形耦合器(11)，该方法包括步骤：

在星形耦合器(11)的输入支路处接收输入数据；

对数据内的通信元素进行解码并且从通信元素导出在通信调度内的位置；

将通信调度提供给开关控制器(23)；

基于时隙来控制具有多个输入支路和输出支路的开关(22)，其中开关(22)根据开关控制器(23)将每个输入支路连接到一个或多个输出支路，其中多个输入支路可以在同一时隙内激活。

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