CZ2017517A3

CZ2017517A3 - Systém počítačové sítě typu CAN ( Controller Area Network ) s přenosem dat po optických vláknech

Info

Publication number: CZ2017517A3
Application number: CZ2017-517A
Authority: CZ
Inventors: Věra Havlíčková
Original assignee: METROMAT spol. s r.o.
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-13

Abstract

Systém počítačové sítě typu CAN (Controller Area Network) s přenosem dat po optických vláknech, zahrnuje optická vlákna spolu s aktivními nebo pasivními prvky na fyzické vrstvě sítě, vytvářející prostředí, které propojuje všechny uzle (NODE 1 až N) sítě, ve které se světlo šíří od libovolného uzlu (Node 1 až N) ke všem uzlům (NODE 1 až N) sítě. Každý uzel (NODE 1 až N) přiřazuje intenzitě tohoto světla jeden ze dvou logických stavů, z nichž jeden je dominantní a druhý recesivní, pro detekci všemi uzly (NODE 1 až N) sítě. Fyzická vrstva sítě zahrnuje sdílenou fyzikální veličinu tvořenou světlem, kde dominantním logickým stavem je vyšší intenzita světla a recesivním stavem nižší intenzita světla.

Description

Dosavadní stav techniky

V současné době je známa počítačová síť typu CAN (Controller Area Network) se sériovou datovou sběrnicí, která je využívaná jako vnitřní komunikační síť senzorů a funkčních jednotek v automobilech. Elektrické parametry fyzické vrstvy této sběrnice CAN jsou specifikované normou 1SO 11898, maximální teoretická přenosová rychlost po sběrnici CAN je 1 Mb/s, maximální délka sběrnice je 40m.

Fyzickou vrstvu sítě CAN tvoří dva souběžné metalické vodiče, mezi nimiž je elektrické napětí. Síť CAN s takto realizovanou fyzickou vrstvou může mít sběmicovou topologii, přitom napětí mezi vodiči může být ovládáno kterýmkoli zařízením k těmto vodičům připojeným (dále jen uzlem sítě). Každým uzlem sítě je napětí mezi vodiči také vyhodnocováno a podle jeho velikosti uzel sítě rozlišuje dva logické stavy. Elektrické napětí je fyzikální veličina, která se dostatečně rychle šíří po celé délce dvojice vodičů a ty tím vytvářejí prostředí vhodné pro to, aby napětí bylo sdíleno všemi uzly sítě. Sdílení použité fyzikální veličiny je podstatnou vlastností fýzické vrstvy a spočívá ve schopnosti distribuovat tuto veličinu od každého uzlu sítě ke všem uzlům sítě. Prostředí fyzické vrstvy, které umožňuje sdílet použitou fyzikální veličinu, dělá z této veličiny veličinu sdílenou.

Ve vyšších vrstvách sítě CAN jsou definovány zprávy s identifikátorem na začátku každé zprávy a také protokol přenosu těchto zpráv. Je rovněž definována bezeztrátová arbitráž. V systému sítě CAN jsou priorita a přístupová práva zprávy určovány pomocí identifikátoru zprávy. Ve výsledku mají zprávy s vysokou prioritou krátký latentní čas bez ohledu na zatížení sběrnice datovým tokem.

V současné době se v optických telekomunikačních spojích používají obousměrné elektrooptické převodníky, které jsou označovány jako BiDi transducery nebo též BiDi moduly. Příkladem takového převodníku je V23875-S2310-x300, jehož schéma je na obr. 2. BiDi modul umožňuje současnou obousměrnou komunikaci mezi dvěma komunikujícími zařízeními, a to po jednom optickém vlákně. Šířka pásma této komunikace je 1,25 až 2,4 GHz. BiDi modul využívá ke komunikaci dvě rozdílné vlnové délky světla. První vlnová délka λι leží v komunikačním okně 1310 nm, druhá λ₂ leží v okně 1550 nm. Světlo vlnové délky λι je modulem používáno pro jeden směr přenosu optického signálu a světlo vlnové délky λ₂ pro opačný směr. Při použití BiDi modulů je každý ze dvou konců optického vláknového spoje osazen jedním BiDi modulem a tyto dva moduly musí být z hlediska použitých vlnových délek světla vzájemně komplementární. To znamená, že jeden modul vysílá na vlnové délce λι a přijímá na vlnové délce λ₂ a kněmu komplementární modul vysílá na vlnové délce λ₂ a přijímá na vlnové délce λι

V současné době je základní teoretickou nevýhodou stavu techniky u sítě CAN to, že se sice na fyzické vrstvě sítě CAN běžně pracuje s napětím mezi dvěma vodiči, avšak v tomto napětí není rozpoznána sdílená fyzikální veličina a není tak ani pojmenována.

Praktickou nevýhodou dosavadního stavu techniky u sítě CAN je způsob realizace fýzické vrstvy sítě CAN pomocí metalických vodičů a elektrického napětí mezi nimi, který vede k tomu, že tato síť po třiceti letech od svého vzniku nesplňuje stále se zvyšující nároky a požadavky na rozlehlost sítě, přenosovou rychlost a odolnost proti rušivým elektromagnetickým polím. Pro výrazné zlepšení těchto vlastností se nabízí zřejmá možnost použít k propojení uzlů sítě optické vlákno.

V minulosti byly učiněny pokusy zdokonalit síť CAN pomocí přenosu signálů po optickém vlákně, ale tyto pokusy zůstaly v rovině přenosu informací po optickém vlákně a pominuly logiku sdílené fyzikální veličiny v základu fyzické vrstvy sítě CAN. Proto tyto pokusy vedly ke

- 1 CZ 2017 - 517 A3 složitému řešení, které se v praxi nerozšířilo. Příkladem takového pokusu je práce popsaná v článku High Speed Optical Controller Area Network (CAN) autorů Stephan Rohr a Herbert Kabza, University of Ulm, zveřejněná na adrese htip://www.canPodstata vynálezu

Cílem tohoto vynálezu je umožnit snadný přechod od počítačové sítě s metalickým propojením k levné síti, ve které jsou data přenášena po optických vláknech.

Předmětem vynálezu je systém počítačové sítě typu CAN (Controller Area Network) s přenosem dat po optických vláknech. Podstata vynálezu spočívá v tom, že tato optická vlákna spolu s aktivními nebo pasivními prvky na fyzické vrstvě sítě vytvářejí prostředí, které propojuje všechny uzly sítě, ve kterém se světlo šíří od libovolného uzlu ke všem uzlům sítě a kde každý uzel přiřazuje intenzitě tohoto světla jeden ze dvou logických stavů, z nichž jeden je dominantní a druhý recesivní, pro detekci všemi uzly sítě, přičemž fyzická vrstva sítě zahrnuje sdílenou fyzikální veličinu tvořenou světlem, kde dominantním logickým stavem je vyšší intenzita světla a recesivním stavem nižší intenzita světla.

Tímto řešením je takové uspořádání fyzické vrstvy počítačové sítě s přenosem dat po optických vláknech, kde jsou metalické vodiče a elektrické napětí mezi nimi nahrazeny optickými vlákny a intenzitou světla a současně je při této náhradě zachován princip sdílené fyzikální veličiny, jejíž roli nově přebírá světlo.

Systém pro přenos dat po optických vláknech podle tohoto vynálezu zahrnuje obousměrné elektrooptické převodníky, které jsou zapojeny do sítě s optickými vlákny, která zajišťuje distribuci světla od libovolného uzlu sítě ke všem uzlům sítě.

Uzly sítě jsou s výhodou opatřeny jednosměrnými nebo obousměrnými elektrooptickými převodníky, které jsou zapojeny v topologii do hvězdy a připojeny do pasivní odbočnice pro distribuci světla od libovolného uzlu ke všem uzlům sítě.

Objasnění výkresů

Na připojeném obr. 1 je příklad provedení pasivní optické sítě podle tohoto vynálezu představující uspořádání, kterým je světlu poskytnuto prostředí, kde světlo může být sdílenou fyzikální veličinou, přičemž se využívá pouze jednosměrný přenos signálu optickým vláknem. Na tomto výkresu je síť s osmi uzly a uspořádáním do hvězdy. Každý uzel je vybaven optickým výstupem a také optickým vstupem. V centru sítě jsou dvě odbočnice. Výstupní signály všech uzlů jsou vedeny k první odbočnici, která sečte a svede všechny tyto signály do jednoho vlnovodu. Dále je světlo vedeno k další odbočnici, která zajistí distribuci tohoto součtového signálu a umožní jej vést zpět k optickým vstupům všech uzlů.

Na připojeném obr. 2 je ve schematickém provedení zobrazen v současné době známý obousměrný elektrooptický převodník popsaný výše.

Na připojeném obr. 3 je příklad provedení pasivní optické sítě podle tohoto vynálezu představující uspořádání, kterým je světlu poskytnuto prostředí, kde světlo může být sdílenou fyzikální veličinou. V tomto příkladu je síť s osmi uzly využívající obousměrný přenos signálů po optickém vlákně, což výrazně zjednodušuje konfiguraci optické části sítě. Jedná se o uspořádání sítě do hvězdy s odbočnici jako centrálním prvkem. Za touto odbočnici je umístěn odrazný prvek (v obrázku označený jako mirror). Důsledkem použití odrazného prvku, který u odraženého signálu zachovává jeho vlnovou délku, je, že uzly sítě musí být osazeny BiDi moduly používající světlo stejné vlnové délky k přenosu signálů v obou směrech. Výstupní signály všech

-2CZ 2017 - 517 A3 uzlů jsou vedeny k odbočnici, která sečte a svede všechny tyto signály do jednoho vlnovodu. Na tomto vlnovodu je umístěn odrazný prvek, který světlo vrací do téže odbočnice v obráceném směru a ta potom zajistí distribuci světla a umožní je vést ke všem uzlům.

Na připojeném obr. 4 je příklad provedení pasivní optické sítě podle tohoto vynálezu představující uspořádání, kterým je světlu poskytnuto prostředí, kde světlo může být sdílenou fyzikální veličinou. V tomto příkladu je síť s osmi uzly osazenými BiDi moduly využívajícími obousměrný přenos signálů po optickém vlákně s využitím dvou různých vlnových délek světla, každou pro jeden směr šíření signálu v optickém vlákně. Jedná se o uspořádání sítě do hvězdy s odbočnici jako centrálním prvkem. Za touto odbočnici je umístěn BiDi modul komplementární ke všem BiDi modulům v uzlech, (v obrázku označený jako NODE 0). Tento BiDi modul je zapojen tak, že pouze kopíruje optické signály na svém vstupu do svého výstupu. Tím kromě funkce zrcadlícího prvku přináší do sítě také funkci zesilovače umístěného ve středu sítě. Důsledkem použití BiDi modulu v pozici odrazného prvku je také převod optického signálu z jedné používané vlnové délky do druhé. Výstupní signály všech uzlů jsou vedeny k odbočnici, která sečte a svede všechny tyto signály do jednoho vlákna. Na tomto vláknu je umístěn komplementární BiDi modul, který součtový optický signál převede do jiné vlnové délky a vrací ho zesílený do téže odbočnice v obráceném směru, takže odbočnice zajistí distribuci součtového signálu ke všem uzlům.

Příklady uskutečnění vynálezu

Topologie sítě, která poskytuje světlu prostředí, ve kterém světlo může být sdílenou fyzikální veličinou, se výrazně zjednoduší, pokud jsou použity obousměrné elektrooptické převodníky. Jak ukazuje Příklad 1, použití obousměrných elektrooptických převodníků není nutné, ale síť zjednodušuje, jak ukazuje Příklad 2 a Příklad 3. Ve všech uvedených případech je v síti pro sčítání a distribuci světelných signálů použita klasická odbočnice, ale prostředí vhodné pro distribuci světla jako sdílené veličiny je možné vytvořit i s použitím jiných druhů odbočnic nebo cirkulátoru.

Příklad 1 - CAPON

Toto řešení, předpokládá, že v uzlech sítě jsou použity jednosměrné elektrooptické převodníky, typicky laserové diody pro vysílání optického signálu a PIN diody pro jeho příjem. Konfiguraci dle tohoto příkladu lze pojmenovat jako CAPON (Controller Area Pasive Optical Network), protože kromě uzlů mohou být všechny prvky sítě pasivní. Schéma takové sítě pro N=8 uzlů je na obr. 1. Všechny uzly (NODE 1 až NODE N) sítě CAN jsou zapojeny v topologii do hvězdy a připojeny do odbočnice (SPLITTER 1), která je pasivní a společným vývodem vede součtový světelný signál k další odbočnici (SPLITTER 2), která je také pasivní, má stejný počet odboček a zajišťuje distribuci součtového signálu ke všem uzlům.

Toto řešení má nevýhodu spočívající ve velkém útlumu, který se projeví hlavně u sítí s větším počtem uzlů, kde je nutné použít odbočnici typu 1x32 nebo 1x64. Útlum v odbočnici se uplatňuje při průchodu světla odbočnici v obou směrech přibližně stejně a tento útlum je u odbočnice typu 1x32 asi -18dB a u odbočnice typu 1x64 asi -22dB. Vzhledem k dynamickému rozsahu, který má kombinace laserové diody jako vysílače a PIN diody jako přijímače a který je typicky 50 až 60 dB, zbývá v takto řešené síti jenom 6 - 14 dB na útlum ve vláknech a konektorech. V případě sítě s odbočnici typu 1x64 je útlum na odbočnicích -22dB + -22dB = -44 dB. V případě sítě s odbočnici typu 1x32 je útlum na odbočnicích -18dB + -18dB = -36 dB. Další odborníkům zřejmé možnosti zdokonalující zapojení sítě dle tohoto příkladu jsou umístění optického zesilovače do úseku se součtovým signálem mezi odbočnicemi, nebo realizace obou odbočnic na jednom substrátu.

Příklad 2 - CAPON

-3CZ 2017 - 517 A3

Toto řešení, předpokládá, že v uzlech sítě jsou použity obousměrné elektrooptické převodníky využívající pro vysílání i příjem stejnou vlnovou délku světla. Konfiguraci dle tohoto příkladu lze pojmenovat jako CAPON (Controller Area Pasive Optical Network), protože kromě uzlů mohou být všechny prvky sítě pasivní. Schéma takové sítě pro N=8 uzlů je na obr. 3. Všechny uzly (NODE 1 až NODE N) sítě CAN jsou zapojeny v topologii do hvězdy a připojeny do odbočnice (SPLITTER), která je pasivní a v jejímž společném vývodu je umístěn odrazný prvek (MIRROR). Tento odrazný prvek může být s výhodou realizován ještě na substrátu odbočnice pomocí Braggovy mřížky. Odrazný prvek vrací součtový světelný signál zpět do odbočnice a ta optický signál distribuuje ke všem uzlům.

Stejně jako řešení v příkladu 1 má toto řešení také nevýhodu, která spočívá ve velkém útlumu u sítí s odbočnicemi typu 1x32 nebo 1x64. Výpočet útlumu na odbočnicích je stejný, jako v příkladu 1. Rozdíl je v tom, že v tomto příkladu zbývá 6 - 14 dB na útlum ve vláknech, konektorech a na zrcadlícím prvku. Ve srovnání s Příkladem 1 zde není propojení odbočnic a topologie celé sítě je jednodušší.

Příklad 3 - CAON

Toto řešení předpokládá, že v uzlech sítě jsou použity obousměrné elektrooptické převodníky využívající pro vysílání jinou vlnovou délku světla než pro příjem. Konfiguraci dle tohoto příkladu lze pojmenovat jako CAON (Controller Area Optical Network). Schéma takové sítě pro N=8 uzlů je na obr. 4. Schéma takové sítě pro N=8 uzlů je na obr. 4. Všechny uzly (NODE 1 až NODE N) sítě CAN jsou zapojeny v topologii do hvězdy a připojeny do odbočnice (SPLITTER), která je pasivní a v jejímž společném vývodu je umístěn BiDi modul (NODE 0) komplementární k BiDi modulům ve všech uzlech. Tento modul je zapojen tak, že pouze kopíruje signál ze svého vstupu na svůj výstup. Tím plní funkci zrcadlícího elementu a kromě toho slouží také jako zesilovač optického signálu a převodník optického výkonu z jedné používané vlnové délky světla na druhou používanou vlnovou délku. Tento modul vrací součtový světelný signál zpět do odbočnice, takže součtový optický signál je distribuován ke všem uzlům.

U tohoto řešení je zesílením signálu modulem NODE 0 výrazně potlačena nevýhoda malé rezervy pro útlum na vláknech a konektorech.

V tomto příkladu jsou Všechny uzly (NODE 1 až NODE N) sítě zapojeny v topologii do hvězdy a připojeny do odbočnice (SPLITTER), která je pasivní a v jehož společném vývodu je umístěn pomocný BiDi modul (označený jako NODE 0). Tento modul musí být komplementární k BiDi modulům použitým v uzlech NODE 1 až NODE N a vrací součtový světelný signál zpět do odbočnice a tou je signál distribuován ke všem uzlům.

Ve všech uvedených případech obecně platí, že při použití planámí odbočnice je počtem uzlů sítě determinován typ použité odbočnice, na typ lxN, kde N= 2, 4, 8, 16, 32 a 64. Zřejmým řešením realizace sítě s jiným počtem uzlů než 2, 4, 8, 16, 32 a 64 je použití odbočnice s větším počtem odboček, než je žádaný počet uzlů v síti a ponechání jedné nebo více odboček této odbočnice nepoužitých.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Systém počítačové sítě typu CAN (Controller Area Network) s přenosem dat po optických vláknech, vyznačující se tím, že tato optická vlákna spolu s aktivními nebo pasivními prvky na fyzické vrstvě sítě vytvářejí prostředí, které propojuje všechny uzly (NODE 1 až N) sítě, ve kterém se světlo šíří od libovolného uzlu (Node 1 až N) ke všem uzlům (NODE 1 až N) sítě a kde každý uzel (NODE 1 až N) přiřazuje intenzitě tohoto světla jeden ze dvou logických stavů, z

-4CZ 2017 - 517 A3 nichž jeden je dominantní a druhý recesivní, pro detekci všemi uzly (NODE 1 až N) sítě, přičemž fyzická vrstva sítě zahrnuje sdílenou fyzikální veličinu tvořenou světlem, kde dominantním logickým stavem je vyšší intenzita světla a recesivním stavem nižší intenzita světla.

2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro přenos dat po optických vláknech zahrnuje obousměrné elektrooptické převodníky propojené pasivním optickým systémem, který optickými vlákny propojuje všechny uzly (NODE 1 až N) sítě, které jsou uzpůsobeny pro ovládání fyzické vrstvy sítě k nim připojenými zařízeními.

3. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že uzly (NODE 1 až N) sítě jsou opatřeny jednosměrnými nebo obousměrnými elektrooptickými převodníky, které jsou zapojeny v topologii do hvězdy a připojeny do pasivní odbočnice pro distribuci světla od libovolného uzlu (NODE 1 až N) ke všem uzlům (NODE 1 až N) sítě.

4. Systém podle nároku 3, vyznačující se tím, že ve společném vývodu pasivní odbočnice je umístěn pomocný obousměrný elektrooptický převodník (NODE 0), komplementární k modulům v uzlech (NODE 1 až N) sítě, který je uzpůsobený pro příjem světla vlnové délky λι a vysílání světla odlišné vlnové délky a kopírování optického signálu ze svého vstupu na výstup a tím zajištění funkce zrcadlícího prvku, funkce mostu mezi používanými vlnovými délkami a funkce zesilovače.