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TECHNISCHER BEREICH
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Diese Offenbarung betrifft die Verwaltung bidirektionaler Kommunikation in eingeschränkten Umgebungen.
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HINTERGRUND
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Die Kommunikation über drahtgebundene Medien kann auf der Grundlage standardisierter Protokolle definiert werden. Eine Familie solcher Protokolle ist Ethernet, wie von der IEEE 802.3-Arbeitsgruppe definiert. Diese Standards decken Aspekte der physikalischen Schicht (PHY) (auch als „Schicht 1“ bezeichnet) ab, die mit dem physikalischen Kommunikationsmedium verbunden ist, sowie die Medium-Zugriffs-Steuerungsschicht (MAC), die eine Unterschicht der Datenverbindungsschicht (auch als „Schicht 2“ bezeichnet) unterhalb der Unterschicht der logischen Verbindungssteuerung (LLC) ist. Verschiedene Versionen des Ethernet-Standards sind so ausgelegt, dass sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten und verschiedene Arten von physischen Kommunikationsmedien verwenden können. Beispielsweise sind einige Versionen von Ethernet, die mit 100 MBits pro Sekunde arbeiten (auch als „100BASE-TX“ bezeichnet), für die Verwendung mit einem Kabel ausgelegt, das für jede Richtung (Upstream und Downstream) separate Twisted-Pair-Übertragungsleitungen umfasst. Einige Ethernet-Versionen, die mit 1 Gbit pro Sekunde arbeiten (als „1000BASE-T1“ bezeichnet), sind für die Verwendung mit einer einzigen Twisted-Pair-Übertragungsleitung ausgelegt, die sowohl für die Upstream- als auch für die Downstream-Richtung verwendet wird, wobei die Echounterdrückung verwendet wird, um die Auswirkungen von Reflexionen auf der Übertragungsleitung zur Optimierung der verfügbaren Bandbreite zu mildern, die für die Upstream- und Downstream-Richtung gleichermaßen genutzt wird.
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Die obige Beschreibung wird als allgemeiner Hintergrund dargestellt, der für dieses technische Gebiet relevant ist, und sollte nicht als Eingeständnis ausgelegt werden, dass die darin enthaltenen Informationen den Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Patentanmeldung darstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Netzwerksystem zur bidirektionalen Übertragung von Daten umfasst in der Regel in einem Aspekt: ein Kommunikationsmedium, das eine Übertragungsleitung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst; einen ersten Knoten, der einen ersten Sendeempfänger umfasst, der mit der Übertragungsleitung in der Nähe des ersten Endes über eine erste bidirektionale Schnittstelle gekoppelt ist, die so konfiguriert ist, dass sie während einer bidirektionalen Kommunikationsphase elektromagnetische Signale an die Übertragungsleitung überträgt und elektromagnetische Signale von der Übertragungsleitung empfängt; und einen zweiten Knoten, der einen zweiten Sendeempfänger umfasst, der mit der Übertragungsleitung in der Nähe des zweiten Endes über eine zweite bidirektionale Schnittstelle gekoppelt ist, die so konfiguriert ist, dass sie während der bidirektionalen Kommunikationsphase elektromagnetische Signale an die Übertragungsleitung überträgt und elektromagnetische Signale von der Übertragungsleitung empfängt. Der erste Knoten und der zweite Knoten sind so konfiguriert, dass sie während der bidirektionalen Kommunikationsphase innerhalb von Zeitschlitzen kommunizieren, die Folgendes umfassen: eine Vielzahl von Upstream-Zeitschlitzen, in denen der erste Sendeempfänger Daten an den zweiten Sendeempfänger überträgt, eine Vielzahl von Downstream-Zeitschlitzen, in denen der zweite Sendeempfänger Daten an den ersten Sendeempfänger überträgt, wobei die Downstream-Zeitschlitze kürzer als die Upstream-Zeitschlitze sind, und eine Vielzahl von Leerlauf-Zeitschlitzen, die benachbarte Upstream- und Downstream-Zeitschlitze trennen.
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Die Aspekte können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
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Der erste Knoten umfasst des Weiteren: einen Anschluss, der so konfiguriert ist, dass er gesammelte Daten von einem Sensor bereitstellt, und eine erste Medium-Zugriffs-Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie die Zeitsteuerung des Zugriffs durch den ersten Sendeempfänger auf die Übertragungsleitung während der bidirektionalen Kommunikationsphase steuert; und der zweite Knoten umfasst des Weiteren eine zweite Medium-Zugriffs-Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie die Zeitsteuerung des Zugriffs durch den zweiten Sendeempfänger auf die Übertragungsleitung während der bidirektionalen Kommunikationsphase steuert.
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Das Netzwerksystem umfasst des Weiteren den Sensor, der mit dem Anschluss des ersten Knotens kommuniziert und so konfiguriert ist, dass er wenigstens einen Teil der gesammelten Daten während der bidirektionalen Kommunikationsphase sammelt.
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Während einer Vielzahl von Upstream-Zeitschlitzen überträgt der erste Sendeempfänger Daten, die wenigstens einen Teil der gesammelten Daten umfassen, an den zweiten Sendeempfänger.
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Die ersten und zweiten Medium-Zugriffs-Steuerungen sind so konfiguriert, dass eine Mindestdauer der Leerzeitschlitze wenigstens teilweise auf einer Terminierungscharakteristik der Übertragungsleitung basiert.
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Das erste Ende ist mit einer Impedanz abgeschlossen, die so konfiguriert ist, dass sie Reflexionen vom ersten Ende um wenigstens 80% reduziert, und das zweite Ende ist mit einer Impedanz abgeschlossen, die so konfiguriert ist, dass sie Reflexionen vom zweiten Ende um wenigstens 80% reduziert.
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Die ersten und zweiten Medium-Zugriffs-Steuerungen sind so konfiguriert, dass die Mindestdauer lang genug ist, damit sich eine Reflexion vom ersten Ende oder zweiten Ende über eine Hin- und Rückfahrt zwischen dem ersten Ende und zweiten Ende wenigstens zweimal ausbreiten kann.
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Die erste Medium-Zugriffs-Steuerung und die zweite Medium-Zugriffs-Steuerung sind so konfiguriert, dass sie während einer Einrichtungsphase Informationen durch den ersten Sendeempfänger bzw. den zweiten Sendeempfänger austauschen, und die Einrichtungsphase umfasst die Übertragung eines Wertes zwischen dem zweiten Knoten und dem ersten Knoten, der wenigstens eines der folgenden anzeigt: eine ausgewählte Zeitdauer der Upstream-Zeitschlitze oder der Downstream-Zeitschlitze oder ein ausgewähltes Zeitschlitzverhältnis zwischen den Upstream-Zeitschlitzen und den Downstream-Zeitschlitzen.
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Der erste Knoten umfasst ein erstes Zeitsteuerungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es ein erstes Zeitgebersignal zum Bestimmen von Zeitschlitzen bereitstellt, in denen unter Verwendung des ersten Sendeempfängers gesendet und empfangen werden soll, und der zweite Knoten umfasst ein zweites Zeitsteuerungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es ein zweites Zeitgebersignal zum Bestimmen von Zeitschlitzen bereitstellt, in denen unter Verwendung des zweiten Sendeempfängers gesendet und empfangen werden soll.
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Der erste Knoten und der zweite Knoten sind so konfiguriert, dass das erste Zeitsteuerungsmodul während der Einrichtungsphase mit dem zweiten Zeitsteuerungsmodul synchronisiert wird.
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Der zweite Knoten umfasst des Weiteren einen Kommunikationsanschluss, der mit einer Computervorrichtung in Verbindung steht, die so konfiguriert ist, dass sie wenigstens einen Teil der gesammelten Daten verarbeitet.
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Der zweite Knoten umfasst einen Netzwerk-Switch, der so konfiguriert ist, dass er wenigstens einen Teil der gesammelten Daten an die Computervorrichtung weiterleitet.
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Die erste Medium-Zugriffs-Steuerung und die zweite Medium-Zugriffs-Steuerung sind so konfiguriert, dass sie eine Kommunikationssitzung bereitstellen, bei der alle Downstream-Zeitschlitze die gleiche Dauer haben und alle Upstream-Zeitschlitze die gleiche Dauer haben.
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Ein Fahrzeug umfasst das Netzwerksystem, das so konfiguriert ist, dass es Daten zwischen Geräten überträgt, die in verschiedenen Teilen des Fahrzeugs angeordnet sind.
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In einem anderen Aspekt wird ein System für die bidirektionale Übertragung von Daten zwischen einem ersten Sendeempfänger und einem zweiten Sendeempfänger über eine Übertragungsleitung durch entsprechende bidirektionale Schnittstellen verwendet, die elektromagnetische Signale an die Übertragungsleitung übertragen und elektromagnetische Signale von der Übertragungsleitung empfangen. Das System umfasst: Kommunizieren zwischen dem ersten Sendeempfänger und dem zweiten Sendeempfänger während einer Einrichtungsphase, in der Informationen zwischen dem ersten Sendeempfänger und dem zweiten Sendeempfänger ausgetauscht werden, wobei die Informationen einen Wert umfassen, der wenigstens eines der folgenden anzeigt: eine ausgewählte Zeitdauer von Upstream-Zeitschlitzen und/oder Downstream-Zeitschlitzen oder ein ausgewähltes Zeitschlitzverhältnis zwischen Upstream-Zeitschlitzen und Downstream-Zeitschlitzen; und Kommunizieren zwischen dem ersten Sendeempfänger und dem zweiten Sendeempfänger während einer bidirektionalen Kommunikationsphase innerhalb von Zeitschlitzen, die entsprechend dem Wert bestimmt werden. Die Zeitschlitze umfassen: eine Vielzahl von Upstream-Zeitschlitzen, in denen der erste Sendeempfänger Daten an den zweiten Sendeempfänger überträgt, eine Vielzahl von Downstream-Zeitschlitzen, in denen der zweite Sendeempfänger Daten an den ersten Sendeempfänger überträgt, wobei die Downstream-Zeitschlitze kürzer als die Upstream-Zeitschlitze sind, und eine Vielzahl von Leerzeitschlitzen, die benachbarte Upstream-Zeitschlitze und Downstream-Zeitschlitze trennen.
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Die Aspekte können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
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Empfangen gesammelter Daten über einen Anschluss eines ersten Knotens, der den ersten Sendeempfänger umfasst.
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Übertragen von Daten, die wenigstens einen Teil der gesammelten Daten umfassen, vom ersten Sendeempfänger zum zweiten Sendeempfänger während mehrerer Zeitschlitze upstream.
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Die Kommunikation zwischen dem ersten Sendeempfänger und dem zweiten Sendeempfänger während der bidirektionalen Kommunikationsphase umfasst das Warten während der Leerzeitschlitze auf eine Mindestdauer der Leerzeitschlitze, die lang genug ist, damit sich eine Reflexion von einem ersten Ende oder zweiten Ende der Übertragungsleitung über einen Hin- und Rückweg zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende wenigstens zweimal ausbreiten kann.
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Während der Einrichtungsphase Synchronisieren eines ersten Zeitsignals zur Bestimmung von Zeitschlitzen, in denen mit dem ersten Sendeempfänger gesendet und empfangen werden soll, und eines zweiten Zeitsignals zur Bestimmung von Zeitschlitzen, in denen mit dem zweiten Sendeempfänger gesendet und empfangen werden soll.
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Die Synchronisierung umfasst das Einrasten des zweiten Zeitsignals auf das erste Zeitsignal.
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Aspekte können einen oder mehrere der folgenden Vorteile haben.
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Ethernet ist ein Beispiel für eine Kommunikationsform, die in eingeschränkten Umgebungen, wie beispielsweise im Automobilbereich, eingesetzt werden kann, in denen bestimmte Betriebsanforderungen (beispielsweise Anforderungen an elektromagnetisches Rauschen und/oder Temperaturanforderungen) erfüllt werden müssen und bestimmte physikalische Einschränkungen (beispielsweise Kabellänge) angenommen werden können. Einige frühere Ethernet-Protokolle weisen jedoch Eigenschaften auf, die eine Herausforderung für das Erreichen einer größeren Optimierung in einigen eingeschränkten Umgebungen darstellen. Einige Implementierungen verschiedener hier beschriebener Techniken sind in der Lage, einige oder alle dieser potenziellen Herausforderungen abzuschwächen, wofür im Folgenden Beispiele beschrieben werden.
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Einige Ethernet-Protokolle sind so konfiguriert, dass sie mit getrennten Kommunikationsmedien (beispielsweise getrennten Übertragungsleitungen) für die Upstream- und Downstream-Kommunikation in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung arbeiten. In einer Umgebung wie einem Automobil könnte jedoch das zusätzliche Gewicht, das sich aus der Verdoppelung der Anzahl der Übertragungsleitungen für jede Verbindung ergeben würde, sich nachteilig auf die Erfüllung der Gewichtsbeschränkungen auswirken. Beispielsweise kann das Gesamtgewicht der Kabel, die für Hunderte von Knotenpunkten innerhalb eines Autos verwendet werden, in der Größenordnung von hundert Kilogramm oder mehr liegen. Einige der hier beschriebenen Implementierungen verwenden ein gemeinsames Kommunikationsmedium zwischen den Knoten an beiden Enden einer Verbindung.
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Einige Ethernet-Protokolle sind so konfiguriert, dass sie mit einer symmetrischen Verbindung arbeiten, die die verfügbare Bandbreite auf einem gemeinsam genutzten Kommunikationsmedium (beispielsweise einer Punkt-zu-Punkt-Übertragungsleitung) gleichmäßig aufteilt. In einer Umgebung, wie beispielsweise einem Automobil, kann es einige Knoten geben (beispielsweise Sensorknoten oder Knoten, die Sensordaten upstream von Sensorknoten senden), die ein viel größeres Datenvolumen zu übertragen haben als andere Knoten (beispielsweise Steuerknoten oder Knoten, die Steuerinformationen downstream von Steuerknoten senden). In herkömmlichen Ethernet-Systemen sind die Komponenten so konfiguriert, dass sie sowohl in Upstream-Richtung als auch in Downstream-Richtung eine ausgewogene Bandbreitenkapazität bieten. Da Netzwerksysteme so ausgelegt sind, dass sie den Anforderungen der Richtung entsprechen, in der eine größere Kapazität benötigt wird, gibt es in der Regel ungenutzte Bandbreitenkapazität in der anderen Richtung.
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In der aktuellen Offenbarung wird ein System beschrieben, das von typischen Entwürfen für ausgewogene Bandbreitenkapazitäten abweicht und stattdessen die Möglichkeit bietet, eine ungleiche (oder „asymmetrische“) Aufteilung der gesamten verfügbaren Bandbreite festzulegen. In einigen Implementierungen kann diese ungleichmäßige Aufteilung durch eine Kommunikation während einer Einrichtungsphase erleichtert werden, die es einem der Knoten ermöglicht, dem anderen Knoten Informationen zu senden, die angeben, wie die Bandbreite aufgeteilt wird, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
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Einige Ethernet-Protokolle sind so konfiguriert, dass sie die Bandbreite über ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium zwischen Knoten an beiden Enden einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung in der Zeitmultiplex-Prozedur aufteilen. In solchen Protokollen wird die Echokompensation typischerweise verwendet, damit die abwechselnden Zeitschlitze für die Upstream- und Downstream-Kommunikation nahe beieinander liegen, ohne durch Echos von Reflexionen zwischen den Enden einer Übertragungsleitung, die nicht durch eine perfekt Impedanz-angepasste Last abgeschlossen werden, verzerrt zu werden. In einer Umgebung wie beispielsweise einem Automobil können jedoch das zusätzliche Gewicht, die Kosten, der Stromverbrauch und/oder die Komplexität, die sich aus der Verwendung einer solchen Echokompensationsschaltung ergeben würden, nachteilig sein. Anstelle der Echokompensation umfassen einige Implementierungen Leerlauf-Zeitschlitze zwischen den aktiven Zeitschlitzen, damit sich die Reflexionen zwischen den Enden lange genug ausbreiten können, um auf genügend niedrige Amplituden abzufallen, um signifikante Verzerrungen zu vermeiden. Die beschränkte Größe einer Automobilumgebung stellt sicher, dass die Zeit, die die Reflexionen benötigen, um die notwendigen Vielfachen der Hin- und Rücklaufstrecke zurückzulegen, und die daraus resultierenden Leerlaufzeiten klein genug sind, um einen relativ kleinen Teil der verfügbaren Bandbreite zu verbrauchen.
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In einigen Fällen erfordert die Echounterdrückung genügend Spielraum in den Kommunikationsschaltungen, damit sich die Signalstärken verdoppeln können (beispielsweise ein 1V-Signal und seine Reflexion, die sich auf der Übertragungsleitung zu 2V addiert). Durch die Vermeidung der Notwendigkeit einer Echokompensation kann ein weiterer Vorteil darin bestehen, dass der zusätzliche Spielraum für die Signalstärke zur Erhöhung der Standardsignalamplitude (beispielsweise 1,5V statt 1,0V) genutzt werden kann. Diese zusätzliche Signalstärke kann eine bedeutende Verbesserung in einer Umgebung wie beispielsweise einem Automobil sein, das einen erheblichen Pegel an elektromagnetischem Rauschen aufweisen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung sowie aus den Zahlen und Behauptungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Die Offenbarung lässt sich am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung verstehen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen nach gängiger Praxis nicht maßstabsgetreu sind. Im Gegenteil, die Dimensionen der verschiedenen Merkmale sind der Klarheit halber willkürlich erweitert oder reduziert.
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispielfahrzeugs.
- 2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kommunikationsverbindung in einem Kommunikationsnetz im Fahrzeug.
- 3 ist die Darstellung eines beispielhaften Kommunikationsmusters zwischen einem vor- und einem Downstream-Knoten im Kommunikationsnetz.
- 4 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Prozedur für bidirektionale Kommunikation im Kommunikationsnetz.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist eine bildliche Darstellung eines Beispiels von Fahrzeug 100, in dem verschiedene hier beschriebene Aspekte, Merkmale und Elemente in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Offenbarung implementiert sind. Das Fahrzeug 100 umfasst ein Kommunikationsnetzwerk (oder einfach „Netzwerk“), das die Kommunikation zwischen verschiedenen Subsystemen im Fahrzeug 100 ermöglicht. Das Netzwerk kann eine beliebige aus einer Vielzahl von Netzwerktopologien aufweisen. In einigen Implementierungen können einige Knoten über ein gemeinsames Kommunikationsmedium, wie beispielsweise einen Bus, mit dem verschiedene Knoten verbunden sind, verbunden werden. In einigen Implementierungen sind bestimmte Knoten (beispielsweise Sensorknoten) über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit anderen Knoten (beispielsweise einem Vermittlungsknoten) verbunden. Im Beispiel von 1 umfasst das Netzwerk mehrere Netzwerksegmente, die so konfiguriert sind, dass sie die Kommunikation und Steuerung über mehrere Zonen innerhalb des Fahrzeugs 100 ermöglichen. Ein vorderes Zonennetzwerksegment 102A umfasst einen Switch 104A, der als Gateway zum Netzwerksegment 102A dient, ein mittleres Zonennetzwerksegment 102B umfasst einen Switch 104B, der als Gateway zum Netzwerksegment 102B dient, und ein hinteres Zonennetzwerksegment 102C umfasst einen Switch 104C, der als Gateway zum Netzwerksegment 102C dient. In diesem Beispiel umfassen das vordere Zonennetzwerksegment 102A und das hintere Zonennetzwerksegment 102C entsprechende Steuermodule 106A und 106B, die Steuerfunktionen für verschiedene Subsysteme im Fahrzeug 100 über das Netzwerk bereitstellen. Zum Beispiel ist das Steuermodul 106A mit einer Netzwerksteuerung 108 verbunden, die das Steuermodul 106A über den Switch 104A an das Netzwerk koppelt. Die Netzwerksteuerung 108 ist so konfiguriert, dass sie über ein Kommunikationsprotokoll (beispielsweise ein Protokoll vom Typ Ethernet) kommuniziert, wie im Folgenden näher beschrieben. In diesem Beispiel ist das Netzwerksegment 102B der mittleren Zone so konfiguriert, dass es die Kommunikation mit verschiedenen Sensorvorrichtungen ermöglicht, umfasst jedoch kein dediziertes Steuermodul.
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Die Steuermodule können beispielsweise mit einem System-on-a-Chip (SoC) oder einer anderen elektronischen Schaltung mit einem oder mehreren Prozessorkernen implementiert sein. Ein bestimmter Prozessorkern kann als generalisierte Einheit, wie beispielsweise eine zentrale Recheneinheit (CPU), eine Spezialeinheit, wie beispielsweise eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), und/oder eine andere Form von Verarbeitungsschaltkreisen konfiguriert werden. Zum Beispiel können die Steuermodule mit einem oder mehreren Spezialprozessoren, einem oder mehreren digitalen Signalprozessoren, einem oder mehreren Mikroprozessoren, einem oder mehreren Controllern, einem oder mehreren Mikrocontrollern, einer oder mehreren integrierten Schaltungen, einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), einem oder mehreren feldprogrammierbaren Gate-Arrays, einem oder mehreren programmierbaren Logik-Arrays, einer oder mehreren programmierbaren Logik-Controllern, einer oder mehreren Zustandsmaschinen oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Die Steuermodule können Programme ausführen, die auf gespeichertem Code basieren, einschließlich des Codes, der in einem Speichermodul gespeichert ist, das ein materielles, nicht vorübergehendes, computerverwendbares oder computerlesbares Medium umfasst, das beispielsweise maschinenlesbare Befehle oder damit verbundene Informationen umfassen, speichern, übermitteln oder transportieren kann, zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Steuermodul. Das Speichermodul kann beispielsweise jede Form von flüchtigem oder nichtflüchtigem Speicher einschließlich eines oder mehrerer Festkörperlaufwerke, einer oder mehrerer Speicherkarten, eines oder mehrerer austauschbarer Medien, eines oder mehrerer Nur-Lese-Speicher, eines oder mehrerer Direktzugriffsspeicher, einer oder mehrerer Platten einschließlich einer Festplatte, einer Diskette, einer optischen Platte, einer magnetischen oder optischen Karte oder jeder Art von nichtflüchtigem Medium, das zur Speicherung elektronischer Informationen geeignet ist, oder einer beliebigen Kombination davon umfassen.
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Beispiele für die Art von Sensorvorrichtungen, die in jeder beliebigen Zone des Fahrzeugs eingebaut werden können, sind ein Abbildungs-/Navigationssensor 110A (beispielsweise Videokamera, Radar, LiDAR, Entfernungsmesser oder andere Näherungssensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungsmesser, Infrarot-Sensor, Akustik-Sensor (einschließlich Ultraschallsensoren), GPS usw.) und ein Umgebungs-/Benutzerschnittstellensensor 110B (beispielsweise Luftmassenstrom, Motordrehzahl, Beschleunigung, Bremsen, Traktion, Sauerstoff, Kraftstofftemperatur, Druck, Spannung, Lenkradposition, Sitzposition, Blickverfolgung usw.). Der Abbildungs-/Navigationssensor 110A liefert Daten an das Netzwerk über eine Kommunikationsbrücke 112A, und der Umgebungs-/Benutzerschnittstellensensor 110B liefert Daten an das Netzwerk über eine Kommunikationsbrücke 112B. Diese Kommunikationsbrücken können gemäß einem Kommunikationsprotokoll konfiguriert werden, um die Übertragung potenziell großer Mengen von Sensordaten an eines oder beide Steuermodule zu erleichtern, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Während dieses Beispiel einige Sensoren zeigt, die über zwei oder mehr Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über einen oder mehrere Switches mit einem der Steuermodule verbunden sind, können andere Sensoren über eine einzige Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem Steuermodul verbunden werden, ohne über dazwischenliegende Switches zu gehen, was für die „Kantenverarbeitung“ verwendet werden kann, die das Verschieben großer Datenmengen über das Fahrzeugnetzwerk vermeidet und so potenziell die Überlastung des Netzwerks verringert.
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Es gibt typischerweise eine große Anzahl von Teilsystemen des Fahrzeugs, die auch so konfiguriert sein können, dass sie einem oder mehreren der Steuermodule Daten liefern und/oder von diesen gesteuert werden. Einige dieser Teilsysteme können beispielsweise mit dem Fahrgestell, den Rädern oder dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden sein (beispielsweise einschließlich einer Stromquelle, Aufhängung, Antriebswelle, Achsen und Auspuffanlage). Die Energiequelle, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor, ein Elektromotor oder eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor, kann dazu dienen, kinetische Energie als Antriebskraft für eines oder mehrere der Räder bereitzustellen. Es kann auch eine große Anzahl von Bedienelementen für den Fahrer (beispielsweise für Anlassen/Zündung, Lenkung, Beschleunigung und Bremsen) und Anzeigen oder andere Eingabe- und Ausgabeelemente der Benutzerschnittstelle geben, die mit dem Netz in Verbindung stehen. Darüber hinaus können alternative Fahrzeugtypen, die keine Kraftfahrzeuge sind, andere Teilsysteme umfassen, einschließlich Teilsysteme für andere Antriebsarten, wie beispielsweise einen Propeller für Luftfahrzeuge. Bei einer Vielzahl von Modulen dieser Teilsysteme kann es sich um elektronisch steuerbare Module handeln, die wenigstens teilweise auf der Grundlage von Signalen gesteuert werden, die zu oder von einem oder mehreren der Steuermodule gesendet werden. Kommunikationsknoten, die diesen Subsystemen in verschiedenen Netzwerksegmenten zugeordnet sind, kommunizieren mit anderen Subsystemen, wie beispielsweise dem Antriebsstrang, den Rädern oder beiden, um beispielsweise das Fahrzeug 100 zu steuern, wie beispielsweise Beschleunigen, Abbremsen, Lenken oder anderweitig das Fahrzeug 100 zu steuern.
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Es kann verschiedene Arten von Kommunikationsmedien geben, die verschiedene Knoten des Netzwerks verbinden. Die Switches und Kommunikationsbrücken können durch Kabel miteinander verbunden werden, um kodierte Signale zu übertragen (beispielsweise Signale, die mit Amplitude und/oder Phase einer übertragenen Welle gemäß einem geeigneten Protokoll kodiert sind). In einigen Fällen kann es verschiedene Arten von Kabeln zwischen verschiedenen Arten von Knoten geben, von denen einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften wie Länge, Bandbreitenkapazität und/oder Abschirmmaterialien aufweisen können. Beispielsweise kann ein Kabeltyp 114 zwischen einer Sensorbrücke und einem Switch verwendet werden, und ein anderer Kabeltyp 116 kann zwischen verschiedenen Switches verwendet werden. Die Kabel können ein oder mehrere Kommunikationsmedien wie elektrische Verdrahtung und/oder Lichtwellenleiter umfassen. Die Switches und Kommunikationsbrücken können so konfiguriert werden, dass sie Schaltungen umfassen, die eine geeignete Funktionalität entsprechend bestimmter Kommunikationsprotokolle in einem geschichteten Protokollstapel bieten. Zum Beispiel kann ein PHY-Schichtprotokoll von einem Sendeempfänger verwendet werden, der eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen auf ein Kommunikationsmedium und eine Schaltungsanordnung zum Empfang von Signalen vom Kommunikationsmedium umfasst. In einigen Implementierungen gibt es getrennte Sender- und Empfängerschaltkreise und Schaltkreise zur Steuerung, ob der Sender oder Empfänger aktiv auf das Kommunikationsmedium zugreift. Eine MAC-Schicht kann von einer Medium-Zugriffs-Steuerung verwendet werden, die den Zugriff des Sendeempfängers auf das Kommunikationsmedium steuert. Medien-Zugriffssteuerung und/oder andere Schaltungen, die das Timing der Sendeempfänger steuern (beispielsweise Schaltungen in einer oder beiden der MAC-Schicht und/oder der PHY-Schicht), sind in der Lage, die Verbindung 118 zwischen dem Switch 104B und der Kommunikationsbrücke 112B so zu konfigurieren, dass eine ungleichmäßige Aufteilung der verfügbaren Bandbreite für große Mengen von Sensordaten für einen effizienten Fluss upstream bereitgestellt wird. Im Fahrzeug 100 können auch andere Arten von Kabeln eingebaut werden, wie beispielsweise Kabel für die Lieferung elektrischer Energie. Beispielsweise können die Steuerschalter, Steuermodule und Sensoren so konfiguriert werden, dass sie über ein Stromversorgungsnetz Strom vom Antriebsstrang erhalten.
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2 ist ein Schema, das ein Beispiel für eine Kommunikationsverbindung zwischen zwei Knoten eines Netzwerks in einer eingeschränkten Umgebung wie dem Fahrzeug 100 aus 1 zeigt. Eine elektrische Übertragungsleitung 200 (beispielsweise eine verdrillte Zweidrahtleitung mit zwei leitenden Drähten, die von miteinander verdrilltem Isoliermaterial umgeben sind) stellt eine gemeinsame Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem Downstream-Knoten 202A und einem Upstream-Knoten 202B her. Der Downstream-Knoten 202A umfasst einen Sendeempfänger 204A, der an das Ende (oder in der Nähe des Endes) der Übertragungsleitung 200 gekoppelt ist, und der Upstream-Knoten 202B umfasst einen Sendeempfänger 204B, der an das Ende (oder in der Nähe des Endes) der Übertragungsleitung 200 gekoppelt ist. Jeder Sendeempfänger umfasst eine bidirektionale Schnittstelle, die eine Senderschaltung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Signale (beispielsweise Spannungssignale) an die Übertragungsleitung 200 überträgt, und eine Empfängerschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Signale von der Übertragungsleitung 200 empfängt. Die Sendeempfänger und die Schnittstellenschaltung, die die Sendeempfänger mit der Übertragungsleitung 200 koppeln, sind in einigen Implementierungen in ein PHY-Gerät integriert, das so konfiguriert ist, dass es einem Standard der physikalischen Schicht entspricht. Der Downstream-Knoten 202A umfasst eine Medium-Zugriffs-Steuerung 206A, die zur Steuerung des Sendeempfängers 204A konfiguriert ist, und der Upstream-Knoten 202B umfasst eine Medium-Zugriffs-Steuerung 206B, die zur Steuerung des Sendeempfängers 204B konfiguriert ist. In diesem Beispiel steht der Downstream-Knoten 202A in Kommunikation mit einem Sensor 210, entweder direkt über eine Brücke oder indirekt über eine oder mehrere zusätzliche Verbindungen durch einen oder mehrere Switches; und der Upstream-Knoten 202B steht in Kommunikation mit einem Prozessor 212 (beispielsweise einem Prozessor in einem Steuermodul), entweder direkt über eine Netzwerksteuerung oder indirekt über eine oder mehrere zusätzliche Verbindungen durch einen oder mehrere Switches.
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Aufgrund der Datenmenge, die von den Sensoren erfasst wird, und der Geschwindigkeit, mit der diese Daten an einem Upstream-Knoten im Netzwerk, wie beispielsweise einem Steuermodul oder Prozessor, ankommen müssen, ist es sinnvoll, dass wenigstens einige der Verbindungen im Netzwerk so konfiguriert sind, dass ein wesentlich größerer Anteil der verfügbaren Bandbreite für die vorgeschaltete Richtung und ein kleinerer Anteil für die nachgeschaltete Richtung zur Verfügung steht. So kann das von den Knoten 202A und 202B verwendete Protokoll so konfiguriert werden, dass es einen größeren Anteil der Bandbreite vom Downstream-Knoten 202A zum Upstream-Knoten 202B bereitstellt, wie gezeigt. 3 ist ein Kontaktplan, der ein Beispiel für ein Kommunikationsmuster 300 zwischen einem Upstream-Knoten 302A und einem Downstream-Knoten 302B zeigt. Die Sensordaten 304 werden am Downstream-Knoten, beispielsweise einer Sensorvorrichtung, empfangen und können vorübergehend in einer Speichervorrichtung (beispielsweise einem flüchtigen und/oder nichtflüchtigen Speicher) gespeichert oder gepuffert werden, während sie upstream gesendet werden, oder direkt gestreamt werden, ohne dass eine Speicherung einer signifikanten Menge der Sensordaten 304 erforderlich ist. In einigen Fällen sammelt eine Sensorvorrichtung wenigstens einen Teil der Sensordaten 304 während einer bidirektionalen Kommunikation, bei der diese Sensordaten auf effiziente Weise (beispielsweise ohne Verschwendung von Bandbreite, die sonst ungenutzt bliebe) upstream gesendet werden.
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Nachdem der Downstream-Knoten 302B die Sensordaten 304 empfängt, gibt es eine Verbindungsaufbau-Phase, die in diesem Beispiel über einen anfänglichen Zeitraum 306 erfolgt. Der Downstream-Knoten 302B initiiert (308) den Verbindungsaufbau in diesem Beispiel, aber in anderen Beispielen kann der Upstream-Knoten 302A den Verbindungsaufbau initiieren. In einigen Implementierungen sind die Knoten so konfiguriert, dass ein Knoten (beispielsweise der Downstream-Knoten) als „Master“-Knoten und ein anderer Knoten (der Upstream-Knoten) als „Slave“-Knoten fungiert, wobei der Master-Knoten den Verbindungsaufbau initiiert. Die Einrichtungsphase kann nach einem „Handshake“-Protokoll ablaufen, in dem verschiedene Merkmale der Verbindung festgelegt werden. In diesem Beispiel umfassen diese Merkmale die Dauer eines Satzes von abwechselnd ab- und aufwärtsgerichteten Zeitschlitzen. Zeitschlitzinformationen 310 umfassen einen Wert, der eine ausgewählte Zeitdauer der Upstream-Zeitschlitze und der Downstream-Zeitschlitze angibt. Alternativ kann eine der Zeitschlitzdauern (beispielsweise die längere Upstream-Zeitschlitzdauer) vorgegeben werden, und die andere Zeitschlitzdauer (beispielsweise die kürzere Downstream-Zeitschlitzdauer) kann vom Master-Knoten bestimmt und an den Slave-Knoten gesendet werden. Alternativ kann der Master-Knoten ein ausgewähltes Zeitschlitzverhältnis zwischen den Upstream-Zeitschlitzen und den Downstream-Zeitschlitzen bestimmen und senden. Das Verhältnis kann so konfiguriert werden, dass in verschiedenen Fällen (beispielsweise 2:1, 50:1, 100:1, 1000:1 usw.) unterschiedliche Stufen der Bandbreitenaufteilung möglich sind, einschließlich einer gleichmäßigen Aufteilung der Bandbreite (d.h. ein Zeitschlitzverhältnis von 1:1) in einigen Fällen. Das Verhältnis kann für verschiedene Verbindungen unterschiedlich sein und/oder sich für verschiedene Sitzungen über dieselbe Verbindung ändern.
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Andere Link-Konfigurationen können während der Einrichtungsphase durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Master-Knoten dem Slave-Knoten ein mit einer Trainingssequenz kodiertes Signal senden. Außerdem können die Knoten eine Synchronisierungsprozedur durchführen, um ein Zeitsteuerungsmodul an einem Knoten mit einem Zeitsteuerungsmodul am anderen Knoten zu synchronisieren. Beispielsweise kann der Slave-Knoten eine Prozedur durchführen, um ein Zeitsteuerungssignal eines Slave-Zeitsteuerungsmoduls 214B (beispielsweise ein vom Sendeempfänger 204B verwendeter Taktgeber) mit einem Zeitsteuerungssignal eines Master-Zeitsteuerungsmoduls 214A (beispielsweise ein vom Sendeempfänger 204A verwendeter Taktgeber) zu synchronisieren. Das Sperren eines Taktes kann das Sperren einer Frequenz des Taktes umfassen. Bei einigen Implementierungen umfasst die Einrichtungsphase minimale Aktivitäten (beispielsweise die Reduzierung der Anzahl der Bestätigungsnachrichten oder anderer unnötiger Kommunikation), um die Latenz der Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs zu verringern und aus Sicherheitsgründen schnelle Reaktionen zu ermöglichen.
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In diesem Beispiel wird die Zeit, über die die Verbindung aktiv ist, in drei Arten von Zeitfenstern unterteilt. Ein Downstream-Zeitschlitz 312 ist lang genug, um genügend Bandbreite für die Befehls- und Steuerinformationen zu bieten, die von einem Steuermodul gesendet werden. Ein Upstream-Zeitschlitz 316 hat eine ausreichend lange Dauer, um einen signifikanten Anteil der Bandbreite für das Senden von Sensordaten von einer Sensorvorrichtung zu reservieren (beispielsweise in einigen Fällen mehr als 90% der Bandbreite oder mehr als 99% der Bandbreite). In einigen Implementierungen beträgt die Upstream-Bandbreite 10 Gbps und die Downstream-Bandbreite 100 Mbps. Die Downstream- und Upstream-Zeitschlitze wechseln sich ab, wobei zwischen den verschiedenen Arten von Zeitschlitzen jeweils ein Leerzeitschlitz 314 liegt. Die Sensordaten 304 können vom Upstream-Knoten 202B nach jedem Upstream-Zeitschlitz vom Upstream-Knoten 202B an den Prozessor 212 gesendet werden, möglicherweise über eine oder mehrere zusätzliche Verbindungen über das Netzwerk, oder sie können die Sensordaten 304 puffern, die nach Beendigung der Sitzung oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Zeitschlitzen oder einer vorgegebenen Zeitdauer gesendet werden sollen.
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Ein Zweck des Leerzeitschlitzes 314 ist es, genügend Zeit für Reflexionen von unvollständig terminierten Enden der Übertragungsleitung 200 zu lassen, um diese auf ausreichend niedrige Amplituden abzuschwächen. In einigen anderen Systemen werden die Reflexionen auf andere Weise behandelt, beispielsweise durch Echokompensation an den Schnittstellen zwischen den Sendeempfängern und der Übertragungsleitung. Aber die zusätzliche Komplexität, die Kosten und das Gewicht, die erforderlich wären, um die Echokompensation zu implementieren, sind bei einigen Systemen möglicherweise nicht angemessen. Bei einem Kommunikationsprotokoll, das für den Einsatz in einer Vielzahl von Umgebungen ausgelegt ist, ist es nicht immer praktikabel, genügend Zeit für das Abklingen der Reflexionen einzuplanen. Wenn jedoch von vornherein bestimmte Einschränkungen der Umgebung angenommen werden, wie beispielsweise eine maximale Längenanforderung an die Übertragungsleitung (beispielsweise weniger als 50 Meter oder weniger als oder gleich 15 Meter), dann kann ein Kommunikationsprotokoll für eine solche größenbeschränkte Umgebung optimiert werden.
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Signalverzerrungen können bei der Kommunikation auf einer Übertragungsleitung aufgrund von Reflexionen (auch „Echos“ genannt) von unvollständig terminierten Enden der Übertragungsleitung verursacht werden. Zum Beispiel kann ein Knoten über eine Schnittstelle eines Sendeempfängers oder einer anderen Komponente der physikalischen Schicht verfügen, die mit einem Ende einer Übertragungsleitung verbunden ist, die durch eine bestimmte Impedanz gekennzeichnet ist. Wenn diese Impedanz im Wesentlichen gleich der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung ist, dann wird dieses Ende der Übertragungsleitung als „Impedanz-angepasst“ bezeichnet. Bei einem Impedanzangepassten Abschluss einer Übertragungsleitung wird von einem Signal, das dieses Ende der Übertragungsleitung erreicht, wenig oder keine Leistung reflektiert. Wenn ein oder beide Enden der Übertragungsleitung nicht perfekt Impedanz-angepasst sind, kommt es zu einer Reflexion, die sich in die entgegengesetzte Richtung zum anderen Ende der Übertragungsleitung ausbreitet. Echokompensatoren sind so ausgelegt, dass solche Reflexionen durch zusätzliche Schaltungen an der Schnittstelle subtrahiert werden.
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Bei Implementierungen ohne Echounterdrückung (beispielsweise aus den oben genannten Gründen) ist es immer noch möglich, Verzerrungen durch Reflexionen zu vermeiden, indem ein ausreichend langes Leerzeitfenster zwischen Upstream- und Downstream-Zeitfenster erzwungen wird. Wenn beispielsweise jeder Hin- und Rücklauf (d.h. die Reflexion an beiden Enden der Übertragungsleitung) die Leistung in einem Signal auf 10% seiner Leistung vor diesem Hin- und Rücklauf reduziert, dann würden 3 Hin- und Rückläufe eine Leistungsreduktion auf 0,1% ergeben. Dieser Grad der Leistungsreduktion kann in einigen Protokollen erreicht werden, die für den Einsatz in einer Umgebung mit eingeschränkter Größe entwickelt wurden, die eine Übertragungsleitungslänge von 15 m oder weniger mit einem Leerlauf-Zeitschlitz annehmen, der lang genug für 3 Hin- und Rückläufe von 30 m ist. Bei einer angenommenen Übertragungsleitungslaufzeit von etwa 5ns/m (etwas größer als die etwa 3,3ns/m Laufzeit von Licht im Vakuum) sollte der Leerlauf-Zeitschlitz wenigstens etwa 450ns betragen. Das Protokoll kann also einen Leerlauf von etwa 0,5 - 1,0 Mikrosekunden im Zeitschlitz 314 zulassen.
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Unter Bezugnahme auf 4 ein Beispiel für eine Prozedur 400 zur bidirektionalen Übertragung von Daten zwischen Sendeempfängern über eine Übertragungsleitung, wie hier beschrieben. Die Prozedur 400 umfasst die Kommunikation zwischen einem ersten Sendeempfänger und einem zweiten Sendeempfänger während einer Einrichtungsphase 402, in der Informationen zwischen dem ersten Sendeempfänger und dem zweiten Sendeempfänger ausgetauscht werden (beispielsweise gemäß der MAC-Schicht). Die ausgetauschten Informationen umfassen einen Wert, der die relative Dauer von Zeitschlitzen angibt (beispielsweise wenigstens eine von einer ausgewählten Zeitdauer von Upstream-Zeitschlitzen oder Downstream-Zeitschlitzen oder ein ausgewähltes Zeitschlitzverhältnis zwischen Upstream-Zeitschlitzen und Downstream-Zeitschlitzen). Die Prozedur 400 umfasst die Kommunikation zwischen dem ersten Sendeempfänger und dem zweiten Sendeempfänger während einer bidirektionalen Kommunikationsphase 404 innerhalb von Zeitschlitzen, die entsprechend dem Wert bestimmt werden. Die Zeitschlitze umfassen Upstream-Zeitschlitze, in denen der erste Sendeempfänger Daten an den zweiten Sendeempfänger überträgt (406A), und Downstream-Zeitschlitze, in denen der zweite Sendeempfänger Daten an den ersten Sendeempfänger überträgt (406B). In einigen Fällen sind die Downstream-Zeitschlitze kürzer als die Upstream-Zeitschlitze. Es gibt auch ungenutzte Zeitschlitze, die benachbarte Upstream- und Downstream-Zeitschlitze trennen, in denen beide Sendeempfänger nach Upstream-Zeitschlitzen warten (408A) und nach Downstream-Zeitschlitzen warten (408B), ohne über die Übertragungsleitung zu übertragen. Zu jedem Zeitpunkt nach einer beliebigen Anzahl von Runden der Kommunikationsphase 404, beispielsweise nachdem eine bestimmte Menge an Sensordaten gesendet wurde, kann die MAC-Schicht die Kommunikationssitzung zwischen den Sendeempfängern beenden.
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Die hier beschriebenen Techniken können auf eine Weise implementiert werden, die mit einer Vielzahl von Protokolltypen kompatibel ist, einschließlich der Protokolle, die in einer PHY-Schicht, einer MAC-Unterschicht oder beiden verwendet werden, wie beispielsweise ein Ethernet-Protokoll oder jedes andere Protokoll, das die bidirektionale Kommunikation über ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium ermöglicht, das für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung verwendet wird. Die Übertragungsleitung kann unter Verwendung einer Vielzahl von Kabeltypen implementiert werden, die so ausgewählt werden können, dass sie geeignete Eigenschaften (beispielsweise Abschirmung, Erdung) für eine Vielzahl von eingeschränkten Umgebungen aufweisen. Zum Beispiel kann ein Signal als eine Spannung zwischen einem Drahtpaar in einer einseitigen Konfiguration übertragen werden, in der ein Draht geerdet ist und der andere Draht eine Spannung in Bezug auf den Erdungsdraht führt, um ein gewünschtes Spannungssignal zu erhalten, oder in einer differentiellen Konfiguration, in der beide Drähte komplementäre Spannungen führen, deren Differenz ein gewünschtes Spannungssignal ergibt.
