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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung
eines Zeitgebers sowie ein zugehöriges
Bussystem und ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung oder
einem derartigen Bussystem.
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Ein
sogenanntes Precision Time Protokoll (PTP) ist bekannt aus IEEE
1588. Das PTP ist ein Protokoll, das die Synchronizität von Uhrzeiteinstellungen
mehrerer Geräte
in einem Netzwerk ermöglicht.
Mit dem PTP ist es möglich,
in Hardware-Ausführung
eine Genauigkeit im Bereich von Nanosekunden und in Software-Ausführung im
Bereich weniger Mikrosekunden zu erreichen. Bei dem PTP wird insbesondere
von den teilnehmenden Geräten
dasjenige ermittelt, das angibt, die genauste Zeit zu haben. Anschließend wird
von diesem Gerät (Grandmaster
Clock) die Zeit an die anderen Geräte (Slave Clocks) verteilt,
wobei die Signallaufzeiten kompensiert werden. Die Kompensation
basiert auf der Annahme, dass in dem Netzwerk der Hin- und Rückweg von
Synchronisierungsnachrichten, insbesondere gemittelt über mehrere
Schritte, die gleiche Laufzeit aufweisen.
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Insofern
wird ein (Einweg-)Zeitverzug T
EW zwischen
einem ersten Gerät
(Master) und einem zweiten Gerät
(Slave) mittels eines Zeitverzugs T
MS zwischen
dem ersten und dem zweiten Gerät
und eines Zeitverzugs T
SM zwischen dem zweiten
und dem ersten Gerät
ermittelt zu:
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Der
Zeitverzug TMS wird von dem zweiten Gerät ermittelt
und der Zeitverzug TSM wird von dem ersten Gerät bestimmt
und dem zweiten Gerät
mitgeteilt. Somit kann das zweite Gerät einen Durchschnittswert für den Zeitverzug
TEW bestimmen. Dieser Wert wird von dem
zweiten Gerät
dazu benutzt, die eigene Uhrzeiteinstellung anzupassen.
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Der
vorliegende Ansatz benötigt
symmetrische Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Gerät. Bei unsymmetrischen
Verbindungen, wie sie beispielsweise in Ringstrukturen vorkommen,
ist diese Bedingung nicht erfüllt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile
zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zur Synchronisation
in Ringstrukturen, z. B. in Ringnetzwerken, anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen
der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Verfahren zur Einstellung eines Zeitgebers
in einem Knoten eines asymmetrischen Netzwerks angegeben, umfassend
die Schritte:
- (a) Ermittlung einer ersten Verzögerung für eine Nachricht
durch das Netzwerk;
- (b) Ermittlung einer zweiten Verzögerung basierend auf einer
von einem Empfänger
erhaltenen Nachricht anhand eines Zeitstempels der Nachricht sowie
einer Empfangszeit der Nachricht;
- (c) Versenden der ersten Verzögerung und/oder der zweiten
Verzögerung,
insbesondere einer dritten Verzögerung
als Differenz zwischen der ersten Verzögerung und der zweiten Verzögerung,
an den Empfänger.
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Hierbei
ist es von Vorteil, dass effektiv die Asymmetrie des Netzwerks kompensiert
wird und insbesondere auf dem Empfänger ein herkömmliches
(oder ein erweitertes) Precision Time Protokoll (PTP) ablaufen kann.
Insoweit kann der Ansatz in Kommunikationsnetzwerken mit Ringstruktur
oder Ringtopologie eingesetzt werden.
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Eine
Weiterbildung ist es, dass nach dem Schritt (a) eine Synchronisationsnachricht
an den Empfänger
mit einem Zeitstempel versandt wird.
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Somit
kann der Empfänger
den erhaltenen Zeitstempel mit dem Empfangszeitpunkt vergleichen
und eine entsprechende Differenz feststellen.
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Eine
andere Weiterbildung ist es, dass der Zeitgeber eine Uhr und/oder
einen Taktgeber umfasst.
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Insbesondere
kann als Zeitbasis für
den Zeitgeber eine absolute oder eine relative Zeit dienen.
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Auch
kann das vorliegende Verfahren iterativ angewandt und somit die
Genauigkeit der Synchronizität der
Zeitgeber erhöht
werden.
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Insbesondere
ist es eine Weiterbildung, dass das asymmetrische Netzwerk ein Ringnetzwerk
ist.
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Auch
ist es eine Weiterbildung, dass der Knoten ein Master-Knoten eines Ringnetzwerks
ist.
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Insbesondere
kann ein Ringnetzwerk einen Master-Knoten und eine Vielzahl gleichberechtigter
Slave-Knoten aufweisen.
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Ferner
ist es eine Weiterbildung, dass der Zeitstempel der Nachricht einen
Absendezeitpunkt der Nachricht umfasst.
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Im
Rahmen einer zusätzlichen
Weiterbildung werden zusätzlich
Verarbeitungszeiten in den Knoten berücksichtigt.
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Dabei
kann es sich um interne Verarbeitungszeiten in den Knoten, insbesondere
für den
Empfang bzw. für
das Versenden von Nachrichten handeln.
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Eine
nächste
Weiterbildung besteht darin, dass in mindestens einem weiteren Knoten
des asymmetrischen Netzwerks Schritte eines Precision Time Protokolls
ausgeführt
werden.
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Insbesondere
ist das PTP in den Slave-Knoten des Ringnetzwerks unverändert ablauffähig.
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Eine
Ausgestaltung ist es, dass das asymmetrische Netzwerk ein Netzwerk
in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug ist.
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Die
vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung umfassend
eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete
oder logische Schaltungsanordnung, die derart eingerichtet ist,
dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist.
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Weiterhin
wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Bussystem umfassend
eine derartige Vorrichtung.
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Auch
ist es eine Lösung
der Aufgabe, dass ein Fahrzeug vorgesehen ist, das eine derartige
Vorrichtung und/oder ein derartiges Bussystem aufweist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt
und erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
unidirektionale Ringstruktur umfassend einen Master-Knoten und drei
Slave-Knoten;
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2 Kommunikationspfade
in der Ringstruktur gemäß 1 zur
Veranschaulichung der globalen und der asymmetrischen Verzögerungen;
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3 basierend
auf der Ringstruktur gemäß 1 unterschiedliche
Verzögerungen
zwischen dem Master-Knoten
und den einzelnen Slave-Knoten;
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4 ein
Nachrichtenflussdiagramm zwischen dem Master-Knoten und dem Slave-Knoten zur Synchronisation
der Zeitgeber;
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5 die
Ringstruktur gemäß 2,
wobei die globale Verzögerung
bestimmt ist durch die Verzögerungen
der Kommunikationspfade sowie durch die jeweiligen Verarbeitungszeiten
in den Netzwerkknoten.
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Der
vorliegende Ansatz ermöglicht
die Synchronisation von in einer asymmetrischen Struktur verteilt angeordneten
Netzknoten. Ein Beispiel für
eine derartige asymmetrische Struktur ist eine Ringstruktur oder eine
Ringtopologie.
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Die
Ringstruktur umfasst mehrere Knoten, von denen ein Knoten (zumindest
zeitweise) eine Masterfunktionalität (”Master-Knoten”) aufweist.
Die übrigen
Knoten (”Slave-Knoten”) der Ringstruktur
sind untereinander gleichberechtigt und dem Knoten mit der Masterfunktionalität untergeordnet.
Dieser Master-Knoten umfasst eine Haupt-Uhr (”Master-Clock”), wobei
die Slave-Knoten
eigene Uhren (”Slave-Clocks”) aufweisen.
Derartige (Haupt-)Uhren können
auch als Zeitgeber bezeichnet werden und beispielsweise als Taktgeneratoren ausgestaltet
sein.
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Das
Ziel besteht insbesondere darin, die Zeitgeber bzw. Uhren in der
Ringtopologie zu synchronisieren und somit eine für alle Knoten
gleichermaßen
gültige
im wesentlichen einheitliche Zeitbasis zu schaffen.
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1 zeigt
eine unidirektionale Ringstruktur umfassend einen Master-Knoten
M und drei Slave-Knoten S1, S2 und S3. Ein Nachrichtenfluss verläuft dabei
in der Richtung M → S1 → S2 → S3 → M.
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Entsprechend
besteht hinsichtlich der Kommunikationspfade in der Ringstruktur
eine Asymmetrie: Der Master-Knoten M erreicht den Slave-Knoten S1
direkt über
einen Kommunikationspfad 101, wohingegen der Slave-Knoten
S1 den Master-Knoten M über
einen davon verschiedenen Kommunikationspfad 102 erreicht.
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Durch
diese Asymmetrie funktioniert der eingangs erwähnte Ansatz gemäß dem Precision
Time Protokoll (PTP) nicht.
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Insbesondere
modifiziert der vorliegende Ansatz das PTP derart, dass eine Asymmetrie
der Netzstruktur effizient kompensiert wird und somit die Uhren
in den Netzwerkknoten synchronisiert werden können.
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Vorteilhaft
erlaubt die hier vorgestellte Lösung,
dass lediglich ein PTP in dem Master-Knoten modifiziert wird, wobei
die PTP-Implementierungen in den Slave-Knoten unverändert beibehalten
werden können.
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Die
Asymmetrie der Ringstruktur wird vorzugsweise mittels einer globalen
Verzögerung
TG korrigiert. Hierzu prüft der Master-Knoten wiederholt
(z. B. periodisch) das Netzwerk hinsichtlich der Zeitdauern für die globale
Verzögerung
TG. Diesbezüglich kann der Master-Knoten
beispielsweise eine Nachricht an sich selbst schicken und die globale
Verzögerung
anhand seiner eigenen Systemuhr bestimmen.
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In
der Ringstruktur gilt allgemein: TG = TMS + TSM (1),wobei
TMS den Zeitverzug bzw. die Verzögerung zwischen
Master-Knoten und Slave-Knoten und TSM den
Zeitverzug bzw. die Verzögerung
zwischen Slave-Knoten und Master-Knoten bezeichnen.
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Dieser
Zusammenhang folgt auch aus 2. Die globale
Verzögerung
TG 203 ergibt sich aus den Verzögerungen
TMS 201 und TSM 202.
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In 3 sind
basierend auf der Ringstruktur gemäß 1 die unterschiedlichen
Verzögerungen 301 bis 303 zwischen
dem Master-Knoten M und den Slave-Knoten S1 bis S3 dargestellt.
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Somit
kann die Verzögerung
TSM zwischen dem Slave-Knoten und dem Master-Knoten
wie folgt bestimmt und hieraus die auf der Ringstruktur basierende
Abweichung korrigiert werden: TSM = TG – (TM2 – TS2) (2),wobei
TM2 eine Empfangszeit bei dem Master-Knoten
M und TS2 eine Sendezeit des Slave-Knotens
S1 bezeichnen. Insbesondere wird die Sendezeit TS2 dem
Master-Knoten mitgeteilt.
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Der
Master-Knoten M bestimmt vorzugsweise iterativ (periodisch oder
zu vorgegebenen Zeitpunkten) die Verzögerung TSM gemäß Gleichung
(2).
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Der
Slave-Knoten S1 erhält
gemäß PTP die
Verzögerung
T
SM als den von dem Master-Knoten M bestimmten
Parameter mitgeteilt und stellt somit die eigene Uhr gemäß der PTP-Regeln ein:
wobei T
M1 eine
Sendezeit des Master-Knotens M, die an den Slave-Knoten S1 übermittelt
wird, und T
S1 eine Empfangszeit bei dem
Slave-Knoten S1 bezeichnen.
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4 zeigt
ein Nachrichtenflussdiagramm zwischen dem Master-Knoten M und dem
Slave-Knoten S1 gemäß dem hierin
beschriebenen Ansatz.
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Zunächst übermittelt
der Master-Knoten M an sich selbst über den Slave-Knoten S1 eine
Nachricht 401 und bestimmt anhand eines Sendezeitpunkts
TMG1 und eines Empfangszeitpunkts TMG2 die globale Verzögerung TG mit TG = TMG2 – TMG1 (4).
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Zu
einem Zeitpunkt TM1 überträgt der Master M eine Nachricht ”Sync (TM1)” an
den Slave-Knoten S1. Diese Nachricht umfasst den Zeitpunkt TM1 und wird zu einem Zeitpunkt TS1 von
dem Slave-Knoten S1 empfangen. Die Verzögerung TMS ergibt
sich zu TMS =
TS1 – TM1 (5).
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Der
Slave-Knoten S1 übermittelt
eine Nachricht ”Delay_Request
(TS2)” mit
dem Zeitpunkt TS2 an den Master-Knoten M. Der Master-Knoten
M extrahiert aus der Nachricht den Zeitpunkt TS2 und
bestimmt die Verzögerung
TSM zu TSM = TM2 – TS2 (6).
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Der
Master-Knoten M schickt eine Antwort-Nachricht ”Delay_Response (TG – TSM)” mit
dem Parameter ”TG – TSM” an
den Slave-Knoten S1.
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Somit
kann der Slave-Knoten S1 den (Einweg-)Zeitverzug TEW gemäß Gleichung
bestimmen gemäß Gleichung
(3).
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Der
vorstehend beschriebene Ansatz kann entsprechend erweitert werden
um Zeitdauern für
die Verarbeitung von Nachrichten in den jeweiligen Knoten.
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Somit
kann zusätzlich
zu der für
die reine Datenübertragung
benötigten
Zeit oder Verzögerung
noch eine Verzögerung
bedingt durch das Versenden und/oder das Empfangen der Nachricht(en)
berücksichtigt werden.
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Hierbei
kann die Verarbeitung der Nachrichten zu einer signifikanten Verzögerung führen, die
im Rahmen der Synchronisation zu beachten ist.
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Um
die Genauigkeit der Synchronisation zu erhöhen, können insbesondere Zeiten für die Verarbeitung von
Nachrichten in den einzelnen Knoten berücksichtigt werden derart, dass
der jeweilige Slave-Knoten (bzw. die in dem Slave-Knoten für die Nachricht
benötigte
Verarbeitungszeit) bei der Bestimmung der globalen Verzögerung TG miteinbezogen wird.
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5 zeigt
die Ringstruktur gemäß 2,
wobei die globale Verzögerung
TG bestimmt ist durch die Verzögerungen 501 und 502 sowie
die jeweiligen Verarbeitungszeiten 503 bis 506.
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Insbesondere
kann das auf dem Slave-Knoten S1 ablaufenden Protokoll sicherstellen,
dass eine eingehende Synchronisationsnachricht umgehend eine ”Delay_Request”-Nachricht auslöst, so dass
die Verzögerung
entsprechend von dem Master-Knoten M bestimmt werden kann. Die globale
Verzögerung
TG kann ermittelt werden, indem der Master-Knoten M den an den
Slave-Knoten übermittelten
Zeitstempel vergleicht mit dem Zeit-Stempel der eingehenden ”Delay_Request”-Nachricht
(dies entspricht der Zeitdifferenz TM2 – TM1 gemäß 4).
Somit kann auch in diesem Fall das auf dem Slave-Knoten ablaufende
Protokoll unverändert
bleiben, die Korrektur der Asymmetrie (hier bedingt durch die Ringstruktur)
erfolgt bei dem Master-Knoten.
