DE69432691T2

DE69432691T2 - Abfrage und Antwort-Datenkommunikationsnetzwerk mit synchronem Zeitmultiplex mit Mehrfachzugriff

Info

Publication number: DE69432691T2
Application number: DE69432691T
Authority: DE
Inventors: James A. Kivett
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1994-08-18
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2014-08-19
Also published as: EP0643503A3; US5428603A; DE69432691D1; EP0643503B1; EP0643503A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft, Datenkommunikationsnetzwerke und insbesondere ein Netzwerk, das verkettete Sequenzen von Kommunikationseinrichtungen verwendet, um einen Duplexdatenbus zu bilden.
Asynchrone Abfrage-Antwort-Netzwerke ("I-R": Interrogate-Respond) werden für Anwendungen wie die Testbereichüberwachung verwendet, wobei diese Netzwerke jedoch allgemein auf eine einzige Weitergabestufe von der Steuerstation beschränkt sind. Die vorliegende Erfindung sieht für Anwendungen, bei denen eine einzige Weitergabestufe nicht ausreicht, weitere Weitergabestufen auf sehr effiziente Weise vor.
Ein synchrones Zeitschlitzsystem wie etwa das Position Location Reporting System (PLRS) und das Joint Tactical Information Distribution System (JTIDS), die durch das US- amerikanische Militär verwendet werden, sehen sowohl eine Kommunikation als auch eine Positionsbestimmung vor, wobei diese Systeme jedoch nicht gut angepasst sind, um Anwendungen zu steuern, in denen eine schnelle Änderungen der Steuerlast erforderlich sind.
Ein Verfahren und ein Netzwerk für die Datenkommunikation mit Zeitvielfachzugriff in einem Netzwerk, das speziell getrennte und auf einem Datenbus angeordnete Kommunikationseinrichtungen umfasst, sind in US-A-4 209 749 angegeben und kombinieren Zeitmultiplex mit einer Adresskanalnutzung, wobei der Signalaustausch zweckdienlich zwischen den Mobilstationen und den Haupt- und Zwischenstationen, die Übertragungsabschnitte wiedergeben, unter Verwendung der Zeitmultiplextechnik in dem Mehrfachzugriffsmodus mit einem festen Zeitrahmen und einer Adress-Kanal-Synchronisierung fortschreitet. In diesem Verfahren aus dem Stand der Technik wird die Frequenz durch eine Mobilstation gewechselt, wenn sie einen Übertragungsabschnitt durchläuft.
Patent Abstracts of Japan vol. 11 no. 65 (E-484) vom 27. Februar 1987 und JP-A-61 224754 geben ein Datenfluss-Steuersystem an, in dem eine Sendestation eine Übertragungsanforderung empfängt und ein Paket mit einer Sendezeit über eine ODER-Schaltung zu einer nächsten Weitergabestation sendet. Die Empfangsstation empfängt den Rahmen und eine Zeitstempel-Leseschaltung liest denselben und gibt das Ergebnis an eine Antwortrahmen-Erzeugungsschaltung aus, um einen Antwortrahmen zu erzeugen, der über die ODER-Schaltung zu der Sendestation gesendet wird. Die Sendestation empfängt den Antwortrahmen, die Zeitstempel-Leseschaltung liest den Zeitstempel und gibt eine Zwischen- Netzwerk-Fortpflanzungszeit in eine Berechnungsschaltung ein. Die Berechnungsschaltung liest die aktuelle Zeit aus einer Uhr, um die Fortpflanzungszeit als die Hälfte der Differenz zwischen der aktuellen Zeit und der Sendezeit zu berechnen. Eine Wartezeitschaltung empfängt diese berechnete Fortpflanzungszeit aus der Berechnungsschaltung, wobei der Wert als die Zwischennetzwerk-Fortpflanzungszeit eines neuen Paketes verwendet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Netzwerk vorzusehen, die Abfrage-Antwort-Transaktionen über einen einzelnen synchronen Datenbus mit vielen Weitergabeebenen und sich bewegenden Benutzern erlauben.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das Netzwerk nach Anspruch 12 gelöst.
Es wird eine Anordnung von koordinierten Zeitschlitz-Funktionszuweisungen vorgesehen, wobei eine vorbestimmte Kommunikationseinrichtung ein Datenpaket während eines bestimmten Zeitschlitzes entweder senden oder empfangen kann. Das Netzwerk pflanzt Datenpakete entlang des Busses in beiden Richtung fort, indem es sequentiell ein Datenpaket von einer Einrichtung zu einer benachbarten Einrichtung während eines ersten Zeitschlitzes weitergibt und das Datenpaket dann während des folgenden Zeitschlitzes von dieser benachbarten Einrichtung zu einer anderen darauf folgenden Einrichtung weitergibt. Die Zeitschlitzstruktur ist derart beschaffen, dass der Datenpaketfluss in beiden Richtungen entlang des Busses in einer zeitverschachtelten Weise vorgesehen wird, um einen Duplexdatenfluss vorzusehen.
Jede Einrichtung enthält einen Echtzeittakt, und es wird eine Zeitsynchronisation zwischen den Echtzeittakten der Einrichtungen vorgesehen.
Bestimmte Zeitschlitze werden den Kommunikationseinrichtungen innerhalb einer koordinierten Zeitschlitzstruktur zugewiesen, wobei eine vorbestimmte Kommunikationseinrichtung ein Datenpaket während eines bestimmten Zeitschlitzes entweder senden oder empfangen darf, wobei die Zeitschlitzzuweisungen vorgesehen sind, damit ein Datenpaket durch die Einrichtungen entlang des Busses in beiden Richtungen in einer verketteten Sequenz weitergegeben werden kann.
Datenpakete werden entlang des Busses in beiden Richtungen fortgepflanzt, indem das Datenpaket während eines ersten Zeitschützes von einer Einrichtung zu einer benachbarten Einrichtung weitergegeben wird und indem das Datenpaket während eines folgenden Zeitschlitzes von der benachbarten Einrichtung zu einer anderen folgenden Einrichtung weitergegeben wird, wobei der Datenpaketfluss in beiden Richtungen entlang des Busses in einer zeitverschachtelten Weise vorgesehen wird, um einen Duplexdatenfluss entlang des Busses vorzusehen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Kommunikationsnetzwerkes der Erfindung zum Vorsehen eines Duplexdatenflusses sowie einer Zeitschlitzzuweisung für das Netzwerk.
Fig. 2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform eines Netzwerkes gemäß der Erfindung, das ein Zeitdiagramm für die Wiederholungsperiode und die Wiederholungsdistanz des Netzwerkes umfasst.
Fig. 3 zeigt ein Kommunikationsnetzwerk, das einen Abfrage-Antwortmodus für nicht zum Bus gehörige Einrichtungen für den Betrieb gemäß der Erfindung umfasst.
Fig. 4 zeigt eine durch die Kommunikationseinrichtungen in dem Kommunikationsnetzwerk verwendete Taktsynchronisierung.
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Funktionsfensterzuweisung für ein Netzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt beispielhafte Weitergabe- und Endgerät-Fensterzuweisungen für ein Netzwerk gemäß der Erfindung.
Fig. 7 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm und ein Datenflussdiagramm für ein Kommunikationsnetzwerk, das konfiguriert ist, um einen redundanten Datenbusfluss vorzusehen,
Fig. 8 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm und ein Datenflussdiagramm eines Netzwerkes, das einen verzweigten Abfrage-Antwort-Datenbus verwendet.
Fig. 9 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm und ein Datenflussdiagramm, das einen Zwischennetzwerk-Datenfluss zwischen zwei Kommunikationsnetzwerken zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Ein vereinfachtes Zeitvielfachzugriff-(TDMA)-Kommunikationsnetzwerk 50 gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. In dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst das Netzwerk vier Kommunikationseinrichtungen 52, 54, 56 und 58, die entlang eines Kommunikationspfades 60 jeweils an Knoten N1-N4 angeordnet sind. Entsprechende Kommunikationsverbindungen 62, 64 und 66 erlauben eine Datenkommunikation jeweils zwischen den benachbarten Knoten N1-N2, N2-N3 und N3-N4. Eine beispielhafte Anwendung für das Netzwerk ist das Zugsteuerungs- und Positionsbestimmungssystem, das in der oben zitierten Patentanmeldung beschrieben wird. Die Kommunikationseinrichtungen in dem Netzwerk auf dem Bus umfassen in diesem Beispiel die an festen Positionen entlang den Schienen angeordneten Streckenfunkeinrichtungen.
Das TDMA-Netzwerk 50 verwendet synchrone Techniken und Abfrage-Antwort-Kommunikationstechniken zusammen mit paketierten Datenbustechniken. Die Kommunikationseinrichtungen 52-58 in dieser beispielhaften Netzwerkausführungsform sind Spreizspektrum-Hochfrequenz-Funkeinrichtungen, wobei die Kommunikationsverbindungen Antennen für die Funkübertragung von Hochfrequenzsignalen umfassen.
Gemäß der Erfindung ist das Netzwerk 50 eine synchrone Zeitschlitzstruktur, wobei die Zeitschlitzlänge(n) und die Sequenzierung jeder der Kommunikationseinrichtungen 52-58 bekannt sind. Das Netzwerk ist durch eine Anordnung von koordinierten Zeitschlitz- Funktionszuweisungen gekennzeichnet, die einen Duplexdatenfluss bei jeder Kommunikationseinrichtung vorsehen. In jedem Zeitschlitz kann eine Kommunikationseinrichtung ein Datenpaket senden oder empfangen. In jedem Zeitschlitz wird also ein Datenpaket von einer Kommunikationseinrichtung, d. h. von einem Knoten, zu einem anderen Knoten übertragen. Dasselbe (oder ein modifiziertes) Datenpaket wird zu dem nächsten Knoten in einer verketteten Sequenz entlang des Kommunikationspfades 60 in einem späteren Zeitschlitz übertragen.
Die Daten fließen in beiden Richtungen in einer zeitverschachtelten Weise, um einen Duplexdatenfluss oder Duplexdatenbus wie in Fig. 1 gezeigt vorzusehen. Das heißt, in dem Zeitschlitz 1 überträgt die Einrichtung 52 ein Datenpaket 70 zu der benachbarten Einrichtung 54 entlang des Pfades 60. In dem Zeitschlitz 2 überträgt die Einrichtung 58 das Datenpaket 72 in der entgegengesetzten Richtung zu der Einrichtung 56. In dem Zeitschlitz 3 überträgt die Einrichtung 54 erneut das Datenpaket 70 zu der benachbarten Einrichtung 56. In dem Zeitschlitz 4 überträgt die Einrichtung 56 erneut das Datenpaket 72 zu der Einrichtung 54. In dem Zeitschlitz 5 überträgt die Einrichtung 56 erneut das Datenpaket 70 zu der Einrichtung 58. In dem Zeitschlitz 6 überträgt die Einrichtung 54 erneut das Datenpaket 72 zu der Einrichtung 52. Auf diese Weise wird ein Duplexdatenfluss über das Netzwerk erreicht.
Der Datenfluss in jeder Richtung wird nach mehreren Zeitschlitzen wiederholt. In dem Beispiel von Fig. 2 mit den Kommunikationseinrichtungen 102-112 umfasst die Wiederholungsperiode acht Zeitschlitze, wobei die entsprechende Wiederholungsdistanz vier Knoten umfasst. Jedes Paket fließt sozusagen entlang eines sich bewegenden Fensters in einer Diagonale dieses zweidimensionalen Raums, wobei der Raum zwischen aufeinander folgenden Paketen als ein sich bewegendes Fenster betrachtet werden kann. Das heißt, das Datenpaket 120 fließt entlang der Diagonale 122, das Datenpaket 124 fließt entlang der Diagonale 126, das Datenpaket 128 bewegt sich entlang der Diagonale 130 und das Datenpaket 132 bewegt sich entlang der Diagonale 134. Der Fensterabstand ist dann gleich der Wiederholungsperiode bzw. der Wiederholungsdistanz. In einigen Implementierungen kann die Wiederholungsdistanz nur zwei Knoten umfassen.
Es ist deutlich, dass sich die Fensterzeitabfolge für jede Kommunikationseinrichtung 102-112 entlang des Datenpfades oder Busses 140 von Fig. 2 unterscheidet. Zum Beispiel tritt ein nach unten fließendes Fenster für die Einrichtung 108 vier Zeitschlitze später als für die Einrichtung 104 auf, während die Zeitbeziehung für ein nach oben fließendes Fenster umgekehrt ist. Wenn jedoch alle Einrichtungen auf dem Bus 140 einen gemeinsamen Zeitbezug haben, kann die Zeit für jedes Fenster einfach berechnet werden. Für diesen Bus können die Zuweisungen natürlich anhand der Fensternummer vorgenommen und gespeichert werden.
Im einfachsten Fall führt eine Einrichtung bzw. ein Knoten denselben Satz von Funktionen für jedes Fenster in derselben Richtung durch. In dem Beispiel von Fig. 2 empfängt die Einrichtung 104 in dem Zeitschlitz 1, und wenn ein gültiges Datenpaket empfangen wird, leitet die Einrichtung 104 das empfangene Datenpaket in dem Zeitschlitz 3 weiter. Die Einrichtung 104 führt dieselbe Sequenz von Funktionen in dem Zeitschlitz 109 beginnend durch und wiederholt diese nach jeweils acht Zeitschlitzen. Die Einrichtung 104 führt eine identische Sequenz, aber mit einem festen Zeitversatz von einem Zeitschlitz durch, um Datenpakete nach oben weiterzuleiten. Die Zeitschlitzzuweisungen für dieses Beispiel ergeben sich aus den folgenden Gleichungen:
Empfangen für die Weiterleitung nach oben in den Zeitschlitzen = 8w - 2L
Senden für die Weiterleitung nach oben in den Zeitschlitzen = 8w - 2L + 2 Empfangen für die Weiterleitung nach unten in den Zeitschlitzen = 8w + 2L - 11
Senden für die Weiterleitung nach unten in den Zeitschlitzen = 8w + 2L - 9
wobei w = Fensternummer und L = Stufennummer, wobei die Einrichtung 102 der Stufe 1 entspricht, die Einrichtung 104 der Stufe 2 entspricht, usw.
Für diese beispielhafte Busarchitektur sind die Zeitbeziehungen fixiert, was den Zuweisungsprozess vereinfacht. Wenn also die Einrichtung 104 zeitsynchronisiert wird und ihre Position entlang des Busses 140 kennt, braucht sie nur zugewiesen werden, um in allen Fenstern weiterzuleiten und einen spezifischen Übertragungscode und Frequenzkanal zu verwenden.
Ein Kommunikationsnetzwerk gemäß der Erfindung umfasst weiterhin eine Einrichtung zum Steuern der Richtung, Geschwindigkeit und Größe des Datenflusses. Es kann allgemein ein Zeit-, Frequenz- oder Codemultiplexen verwendet werden, um zu steuern, welche Paare von Einrichtungen in einem bestimmten Zeitschlitz miteinander kommunizieren. In dem beispielhaften Netzwerk von Fig. 2 empfängt die Einrichtung 104 in dem Zeitschlitz 1, während die Einrichtungen 102 und 110 senden. Wenn aufgrund von Geometrie und Fortpflanzung das an der Einrichtung 104 von der Einrichtung 110 ankommende Signal zu groß ist, kann eine zusätzliche Isolation erforderlich sein, um sicherzustellen, dass die Einrichtung 104 während dieses Zeitschlitzes nur von der Einrichtung 102 empfängt. In diesem Kontext ist ein an der Einrichtung 104 von der Einrichtung 110 ankommendes Signal zu groß, wenn es den Empfang des gleichzeitig an der Einrichtung 104 von der Einrichtung 102 ankommenden Signals stört oder blockiert. Wenn es die Fähigkeiten der Einrichtungen und die Frequenzzuweisungen erlauben, kann diese Isolation sichergestellt werden, indem eindeutige Frequenzkanäle für jede mögliche gleichzeitige Übertragung im selben Bereich verwendet werden. Wenn dies nicht praktikabel ist, kann eine Übertragungscodierung wie beispielsweise eine Spreizspektrums-Codierung mit einer direkten Sequenz verwendet werden, um die Schaltungsisolation sicherzustellen.
Das Kommunikationsnetzwerk umfasst eine Einrichtung zum Abfragen und Erhalten von Antworten von den Datenbuseinrichtungen bzw. Knoten sowie von anderen Kommunikationseinrichtungen, die keine Datenbusknoten sind, z. B. von Einrichtungen auf sich bewegenden Fahrzeugen. Steuerknoten können ein adressiertes Abfragepaket entlang des Datenbusses zu einer Knoteneinrichtung initiieren, und die Knoteneinrichtung antwortet mit einem Datenpaket wie in Fig. 3 gezeigt. Dabei umfasst das Kommunikationsnetzwerk 150 eine Vielzahl von Kommunikationseinrichtungen bzw. Kommunikationsknoten 152-158 entlang des Datenbusses 160, eine Steuereinrichtung bzw. einen Kommunikationsknoten 162 und eine nicht zum Bus gehörige Kommunikationseinrichtung 164. In diesem Beispiel ist die Steuereinrichtung 162 auf dem Bus 160 angeordnet. Für die in der oben zierten Anwendung beschriebene Implementierung kann die nicht zum Bus gehörige Kommunikationseinrichtung 164 eine Zugfunkeinrichtung sein, weil die Zugfunkeinrichtungen normalerweise keine Weitergabezuweisungen erhalten und weil sich die Weitergabestufe entlang des Busses kontinuierlich ändert. Die Steuereinrichtung 162 und die antwortende Einrichtung 164 initiieren beide einen Fluss auf dem Bus 160, indem sie ein Paket in einem Zeitschlitz senden, der der synchronen Übertragung in der gewünschten Richtung entspricht, d. h. das Paket wird in einem Zeitschlitz übertragen, für den die gewünschten Weitergabeeinrichtung(en) auf die mögliche Weitergabe in der richtigen Richtung warten. Zum Beispiel wartet in Fig. 3 die Einrichtung 154 in dem Zeitschlitz n auf ein Paket für die Weitergabe in der Richtung nach innen (unten). Die Einrichtung 164 sendet also in diesem Zeitschlitz, um die nach innen gerichtete Übertragung zu initiieren. Die Einrichtung 164 berechnet diesen Zeitschlitz auf der Basis von Vorwissen zu den Weitergabezuweisungen für die Einrichtung 154 und auf der Basis der erfolgten Empfangs von der Einrichtung 154. Wenn die Einrichtung 164 über eine zuverlässigere Verbindung zu der Einrichtung 152 verfügt hätte, hätte sich die Einrichtung 164 für ein Senden in dem Zeitschlitz n-2 entscheiden können, um dieselbe synchrone Übertragung zu erreichen.
Für die weitere Erläuterung des Weitergabebetriebes wird angenommen, dass die Steuereinrichtung 162 ein Abfragepaket 170 in dem Zeitschlitz 1 initiiert, das entlang der Diagonale 172 in aufeinander folgenden Zeitschlitzen 3 und 5 zu der Einrichtung 154 weitergegeben wird. Die Einrichtung 154 dagegen gibt das Abfragepaket zu der Einrichtung 164 entlang der Kommunikationsverbindung 166 in dem Zeitschlitz 7 weiter. Während eines folgenden Zeitschlitzes n wird ein Antwortpaket 180 zu der Einrichtung 154 übertragen, die das Paket wiederum entlang der Diagonale 182 in den folgenden Zeitschlitzen n + 2, n + 4 und n + 6 zu der Steuereinrichtung 162 überträgt. In diesem Beispiel muss die Steuereinrichtung 162 nicht die genaue Position oder "Konnektivität" der abgefragten Einrichtung 164 kennen; d. h. die Steuereinrichtung 162 muss nicht wissen, ob die beste Verbindung der Einrichtung 164 zu der Einrichtung 152, 154 oder 156 ist. Indem die Antwort dem gewünschten nach innen gerichteten Fenster zugewiesen wird, wählt die Einrichtung 164 die beste (zuverlässigste) Verbindung und sendet dann die Antwort in dem entsprechend berechneten Zeitschlitz. Auf diese Weise muss der Steuerknoten lediglich wissen, mit welchem Bus die nicht zum Bus gehörige Einrichtung verbunden ist, um das Antwortfenster zuzuweisen. Die antwortende Einrichtung kann den Zeitschlitz besser wählen, weil sie die lokalen Kommunikationen beobachtet und ihre eigene Konnektivität zu der Buseinrichtung kontinuierlich bewertet. Indem eine adressierte Abfrage in einem verfügbaren zugewiesenen Fenster gesendet wird und die Antwort zu einer später offenen Fensternummer angefordert wird, kann die antwortende Einrichtung 164 den Zeitschlitz für die Antwort berechnen, was für ihre lokale Perspektive auf das Netzwerk anwendbar ist.
Ein Netzwerk gemäß der Erfindung kann weiterhin eine Zeitsynchronisierung erfassen und aufrechterhalten. Ein Netzwerk gemäß der Erfindung umfasst gewöhnlich einen eingebauten Mechanismus für die Zeitsynchronisierung. Ein beispielhafter Mechanismus zum Implementieren dieser Funktion kann eine Zeitmessung für die Ankunft von Übertragungen durch jeden zuvor synchronisierten Knoten umfassen. Für die Erfassung und Synchronisierung können normale Datenpakete oder separate Pakete verwendet werden. Zum Beispiel kann jeder sechzehnte Zeitschlitz für spezielle Netzwerkfunktionen einschließlich eines anfänglichen Eintritts in das Netzwerk, der Erhaltung der Uhrzeit, der Verfeinerung der Zeitsynchronisierung, der Identifikation von lokalen Knoten (d. h. direkten Kommunikationen) und des Lernens der lokalen Netzwerkstruktur zugewiesen sein. Die Erfassung und Messung von Taktversätzen wird in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung 08/063,097 beschrieben.
Eine beispielhafte Taktsynchronisationssequenz ist in Fig. 4 gezeigt. In diesem Beispiel weist die erfassende Kommunikationseinrichtung auf dem Datenbus zu Beginn positive Takt- und Abweichungsversätze auf. Für die Taktkorrekturzyklen 2 und 3 ist der gemessene Versatz ausreichend groß, sodass sowohl Zeit- als auch Frequenzkorrekturen gemacht werden. Für spätere Korrekturzyklen wird nur eine kleine Frequenzkorrektur gemacht, um diese neu erfassende Einrichtung mit anderen Kommunikationseinrichtungen im Netzwerk zeitlich zu synchronisieren. Zum Beispiel verwendet jeder Korrekturzyklus zwei der für die Erfassung dedizierten Zeitschlitze. In dem ersten dieser Zeitschlitze sendet die erfassende Einrichtung, während eine bereits zeitlich stabilisierte Einrichtung in dem Netzwerk die Ankunftszeit des Signals misst. In dem zweiten dieser Zeitschlitze sendet die zeitlich stabilisierte Einrichtung die gemessene Ankunftszeit, während die erfassende Einrichtung die Ankunftszeit dieses Datenpakets misst. Die erfassende Einrichtung berechnet ihren Taktversatz unter Verwendung des in der Anmeldung mit der Seriennummer 08/063,097 beschriebenen Verfahrens. Wenn der berechnete Versatz größer als ein vorbestimmter Wert (z. B. 10 Mikrosekunden) ist, korrigiert die erfassende Einrichtung den Taktversatz und ihre Taktfrequenz. Wenn der Versatz dagegen kleiner als der vorbestimmte Wert ist, korrigiert die erfassende Einrichtung nur die Taktfrequenz. Wenn die Zeitversätze nach einigen wenigen Korrekturzyklen entsprechend klein werden, erklärt sich die erfassende Einrichtung selbst als zeitlich stabilisiert, wobei sie dann durch später erfassende Einrichtungen verwendet werden kann.
Blöcke von Zeitschlitzen werden bestimmten Kommunikationseinrichtungen und Schaltungen des Netzwerks gemäß der Erfindung zugewiesen. Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Zuweisung von Blöcken einer Zeit-Raum-Ressource für einen einfachen Bus mit zwölf Knoten und acht Fenstern zu einer Haupt- und drei Nebenschaltungen. In diesem Beispiel ist der Knoten 1 ein Hauptsteuerknoten, der die Mehrzahl der Ressourcen unter seiner Kontrolle hat. Außerdem wurden Ressourcenblöcke für Kommunikationen von dem Knoten 7 zu dem Knoten 12 (Block A), von dem Knoten 10 zu dem Knoten 12 (Block B) und von dem Knoten 5 zu dem Knoten 9 (Block C) zugewiesen. In Fig. 5 geben "Tu" und "Td" jeweils an, dass der Knoten einer Endpunkt für die Kommunikationen nach oben bzw. nach unten ist, während "R" angibt, dass der Knoten eine Weitergabepunkt für dieses Fenster ist. Außerdem wird angenommen, dass alle Zuweisungen für beide Flussrichtungen gelten, sodass sie in Fig. 5 nur einmal gezeigt werden und nur einen Befehl erfordern. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Fensternummerierung unter Verwendung einer Modulo 8-Arithmetik wiederholt wird.
Fig. 6 zeigt den Satz der Zuweisungen für den beispielhaften Bus von Fig. 5. In diesem Beispiel führen drei der Knoten (Stufen 1, 2 und 3) nur eine Funktionsklasse für eine Schaltung durch, sodass sie nur eine Zuweisung erhalten müssen. Es wird in diesem Beispiel angenommen, dass die verschiedenen Schaltungen einzigartige Übertragungscodes und/oder Frequenzkanäle zur Isolation verwenden. Die anderen Knoten benötigen jeweils drei oder vier Befehle.
Die Fensterzuweisung in den Beispielen von Fig. 6 kann durch die einzelnen Knoten einfach auf die Zeitschlitznutzung abgebildet werden. Jeder Befehl deckt 2n Fenster, die jeweils mit gleichmäßigen Abständen zueinander vorgesehen sind. Zum Beispiel deckt der erste Befehl für den Knoten bei der Stufe 5 (Knoten 5) alle vier gerade nummerierten Fenster. Der Knoten führt also sowohl nach oben wie nach unten gerichtete Weitergabefunktionen für jedes der gerade nummerierten Fenster durch.
Ein Netzwerk gemäß der Erfindung kann als Kommunikationseinrichtungen Funkeinrichtungen, die wie in der Anmeldung mit der Seriennummer 08/063,097 beschrieben eine Spreizspektrum-Signalisierung verwenden, für die Signalisolierung und zur Verbesserung der Zeitsynchronisierung einsetzen. Dies ist insbesondere wahrscheinlich, wenn die Positionsbestimmung wie in der zuvor zitierten gleichzeitig anhängigen Anmeldung Teil der beabsichtigten Anwendung ist.
Das Netzwerk gemäß der Erfindung kann einen synchronisierten Mix aus geplanten Übertragungen und Abfrage-Antwort-Datenübertragungen unter Verwendung desselben Busses umfassen. In dem Beispiel von Fig. 5 können Datenübertragungen innerhalb der Kästen A, B und C für synchrone Vollduplex-Datenschaltungen verwendet werden, während die Datenübertragungen innerhalb der Kästen D-G für eine Kombination von synchronen Simplexmeldungen von verschiedenen Knoten zu dem Steuerknoten (Knoten 1), Abfragen durch den Knoten 1 und die entsprechenden Antworten verwendet werden können.
Zwei oder mehr Zeitmultiplexdatenbusse können dieselben Knoten verwenden; z. B. können zwei unabhängige Steuerknoten einen Teilsatz derselben Knoten in einem Zeitmultiplexbetrieb gemeinsam nutzen. Zum Beispiel kann in Fig. 5 der Knoten 9 als ein Steuerknoten für den Block F eingerichtet werden und kann der Knoten 1 der Steuerknoten für die Blöcke D, E und G bleiben.
Redundante Datenbuskonfigurationen können für die Zuverlässigkeit verwendet werden. In einigen Fahrzeugsteueranwendungen sind sowohl die Meldungsübertragungszeit als auch die Zuverlässigkeit der Übertragung kritisch. In Fig. 7 umfasst ein Netzwerk 200 Kommunikationseinrichtungen 202-212 entlang des Datenbus 214. In dem Beispiel von Fig. 7 ist die Netzwerkgeometrie derart beschaffen, dass jeder Knoten direkt mit zwei in beiden Richtungen benachbarten Knoten verbunden werden kann, wobei jeder Knoten auf Übertragungen aus den zwei vorgeordneten Knoten wartet. Wenn beispielsweise ein Paket von der Einrichtung 202 zu der Einrichtung 212 gesendet wird, kann die Einrichtung 208 das Paket von der Einrichtung 204 in dem Zeitschlitz 3 und/oder von der Einrichtung 206 indem Zeitschlitz 5 empfangen. Die Übertragung von Daten von der Einrichtung 202 zu der Einrichtung 212 schreitet planmäßig fort, auch wenn eine einzelne Verbindung oder ein einzelner Einrichtungsknoten mit Ausnahme der Quellen- und Zielknoten ausfällt. Das heißt, die kurzfristige Leistung des Netzwerkes wird nicht durch einen Ausfall von einzelnen Komponenten beeinträchtigt. In Kombination mit einer Prozedur zum Feststellen, Berichten und Reparieren von ausgefallenen Elementen kann dies die Basis für einen sehr zuverlässigen Kommunikationsbus bilden.
Es können wie in Fig. 8 gezeigt verzweigte Datenbusse verwendet werden. Das Netzwerk 250 umfasst drei Datenbusse A, B und C. Der Datenbus A umfasst die Kommunikationseinrichtungen 252-260. Der Bus B umfasst die Einrichtungen 270, 272 und 256-260. Der Bus C umfasst die Einrichtungen 280-286 und 260. In diesem Beispiel fließt eine an die Einrichtung 270 adressierte Abfrage von der Steuereinrichtung 260 zu den Einrichtungen 252, 270 und 280 in der vierten Weitergabestufe. Weil nur die Einrichtung 270 adressiert wurde, fließt dann die Antwort von der Einrichtung 270 zurück zu der Steuereinrichtung 260. Die Routenwahl bei den Verzweigungspunkten kann eine Kombination aus Flooding, direkter Lenkung anhand von Indikatoren innerhalb der Datenpakete oder vorgeplanten synchronen Techniken sein. Wenn die Routenwahl von der Einrichtung 260 zu der Einrichtung 270 anhand eines adressierten Flooding erfolgt, dann initiiert nur die Einrichtung 270 (und nicht die Einrichtung 252 oder 280) eine Antwort. Es leiten also nur die Einrichtungen auf dem Bus B die Antwort weiter.
In einer größeren Systemanwendung können Zwischen-Netzwerk-Kommunikationen entweder über synchrone Schaltungen oder über Speicher-Weitergabe-Gateways eingerichtet werden, um eine Koordination zwischen Steuerknoten zu ermöglichen. In dem Beispiel von Fig. 9 tauschen der Steuerknoten A und der Steuerknoten H Daten aus, wobei sie den Knoten E zum Speichern und Weitergeben verwenden. In diesem Fall wird der Knoten E zugewiesen, um für die eine Hälfte der Zeit Teil des Datenbusses von Kontrollknoten A zu sein und für die andere Hälfte der Zeit Teil des Datenbusses von Kontrollknoten H zu sein. Von dem Datenbus von A zu dem Datenbus von H zu übertragende Pakete werden durch den Knoten E in einem zugewiesenen Fenster für den Datenbus von A empfangen und bis zum nächsten zugewiesenen Fenster für den Datenbus von H gespeichert. In Fig. 9 empfängt der Knoten E ein Datenpaket von dem Knoten A in dem Zeitschlitz 7 und speichert dieses bis zum Zeitschlitz 17, wenn er das Paket zu dem Knoten H weitergibt.
Die vorliegende Erfindung kombiniert jeweils die vorteilhaften Merkmale von asynchronen Abfrage-Antwort (I-R)- und synchronen Zeitschlitzsystemen mit paketierten Datenbustechniken, um einen wesentlichen Vorteil in mehreren Anwendungen vorzusehen. Die Erfindung erlaubt außerdem die Koexistenz von einer Kombination aus dedizierten synchronen Kommunikationsschaltungen und lokalen Netzwerken zusammen mit flexiblen I-R-Netzwerken, wobei dieselben Kommunikationseinrichtungen in der Zeit gemeinsam verwendet werden. Die synchrone Zeitschlitzarchitektur erlaubt die einfache und effiziente Integration einer Sicherheitsmaßnahme sowie die einfache Aufnahme von virtuellen Schaltungen. In diesem Kontext ist unter einer "virtuellen Schaltung" eine beliebige Gruppierung von Zeitmultiplex-Zeitschlitzzuweisungen zwischen Benutzerendgeräten zu verstehen, sodass die für Benutzer als physikalische Schaltung erscheint. Eine virtuelle Schaltung kann entweder für eine spezifische Zeitdauer aktiviert werden oder aktiviert bleiben, bis eine spätere Aktion zum Deaktivieren derselben durchgeführt wird. Die zweite Kategorie wird als eine permanente virtuelle Schaltung (PVC) bezeichnet. Die virtuellen Schaltungen können einfach entweder für fixe Perioden oder als permanente virtuelle Schaltungen (PVCs) eingerichtet werden.
Die Abfrage-Antwort-Architektur erlaubt eine schnelle Reaktion auf Änderungen in der Belastung sowie eine schnelle Umstrukturierung des Netzwerks. Sie ist insbesondere dann anwendbar, wenn eine schnelle Wiederherstellung nach ungeplanten Ereignissen von zentralisierten Steuerknoten aus erforderlich ist. Bei einem beispielhaften Datenbus, der für die Zugsteuerung ausgebildet ist, werden bei einer Spitzenbelastung ungefähr 75% der vom Steuerknoten nach innen liegenden Fenster als PVCs für Positions- und Statusdaten von den nicht zum Bus gehörigen Zügen zugewiesen, während die verbleibenden 25% für Antworten auf Abfragen verfügbar sind. Die PVCs sehen eine hohe Kapazität mit einem Minimum an dedizierten Ressourcen vor, wobei aber gelegentlich eine Meldung aufgrund der mobilen Funkverbindungen in einer rauschenden Umgebung verloren geht. Wenn eine Meldung verloren geht, fragt der Steuerknoten die Funkeinrichtung des Zuges unter Verwendung des ersten verfügbaren Fensters ab, um eine Wiederholung der Übertragung oder zusätzliche Daten zu erhalten. Die vorliegende Erfindung erlaubt die effiziente Integration dieser Kombination von PVCs in Abfrage-Antwort-Transaktionen über einen einzelnen synchronen Datenbus mit vielen Weitergabestufen und sich bewegenden Benutzern. Die Datenbustechniken gestatten eine im wesentlichen unbegrenzte Weitergabe ohne die Ineffizienz von Flooding-Techniken in Kauf nehmen zu müssen.

Claims

1. Verfahren für die Zeitvielfachzugriff-(TDMA)-Datenkommunikation in einem Netzwerk (50) aus räumlich getrennten und auf einem Datenbus (60) angeordneten Kommunikationseinrichtungen, wobei das Verfahren die Sequenz der folgenden Schritte umfasst:

Vorsehen eines Netzwerks (50) aus Kommunikationseinrichtungen (52, 54, 56, 58), die jeweils Datenpakete (70, 72) auf dem Bus (60) senden und empfangen können, wobei jede Einrichtung einen Echtzeittakt umfasst,

Aufrechterhalten einer Zeitsynchronisation zwischen den Echtzeittakten der Einrichtungen,

Zuweisen von bestimmten Zeitschlitzen (1, 2, 3, 4, 5, 6) zu den Kommunikationseinrichtungen innerhalb einer koordinierten Zeitschlitzstruktur, wobei eine vorbestimmte Kommunikationseinrichtung ein Datenpaket während eines bestimmten Zeitschlitzes senden oder empfangen kann, wobei die Zeitschlitzzuweisungen derart vorgesehen werden, dass ein Datenpaket durch die Einrichtungen entlang des Busses (60) in beiden Richtungen in einer verketteten Sequenz weitergegeben werden kann, und

sukzessives Fortpflanzen in alternierenden Zeitschlitzen eines ersten Datenpakets (70) entlang des Datenbusses in einer ersten Richtung von einer Einrichtung zu einer benachbarten Einrichtung sowie Fortpflanzen eines zweiten Datenpakets (72) entlang des Datenbusses in einer zweiten Richtung von einer Einrichtung zu einer benachbarten Einrichtung in einer mehrstufigen Datenweitergabe, wobei der Fortpflanzungsschritt umfasst:

Weitergeben des ersten Datenpakets (70) von einer ersten Einrichtung (52) zu einer benachbarten vierten Einrichtung (54) während eines ersten Zeitschlitzes (1), wobei das Weitergeben des ersten Pakets in einer ersten Richtung entlang des Datenbusses erfolgt,

Weitergeben des zweiten Datenpakets (72) von einer zweiten Einrichtung (58) zu einer dritten Einrichtung (56), die zu der zweiten Einrichtung und zu der vierten Einrichtung benachbart ist, während eines zweiten Zeitschlitzes (2), der auf den ersten Zeitschlitz (1) folgt, wobei die Weitergabe des zweiten Pakets in einer zweiten Richtung entlang des Datenbusses erfolgt,

Weitergeben des ersten Datenpaketes (70) in der ersten Richtung entlang des Datenbusses während eines dritten Zeitschlitzes (3), der auf den zweiten Zeitschlitz (2) folgt, zu der dritten Einrichtung (56), und

Weitergeben des zweiten Datenpakets (72) in der zweiten Richtung entlang des Datenbusses während eines vierten Zeitschlitzes (4), der auf den dritten Zeitschlitz (3) folgt, zu der vierten Einrichtung,

wobei der Datenpaketfluss in beiden Richtungen entlang des Datenbusses in einer zeitverschachtelten Weise erfolgt, um einen mehrstufigen Duplex-Datenfluss entlang des Datenbusses vorzusehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitschlitz-Zuweisungsstruktur sich wiederholende Fenster umfasst, die jeweils einen Block von Zeitschlitzen (1, ... 4) umfassen, wobei der Datenfluss in beiden Richtungen entlang des Busses (60) nach einer Wiederholungsperiode wiederholt wird, die durch die Anzahl der Zeitschlitze (1, ... 4) seit dem Start der Fenster definiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 die Zeitschlitzstruktur derart gewählt ist, dass der Datenfluss in beiden Richtungen entlang des Busses (60) nach einer Wiederholungsdistanz von wenigstens drei Einrichtungen (Knoten N1, N2, N3) entlang des Busses wiederholt wird, wobei während desselben Zeitschlitzes eine der Einrichtungen senden und die benachbarte Einrichtung empfangen darf.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Senden und Empfangen der Datenpakete (70, 72) über eine Hochfrequenz-Funkkommunikationsverbindung vorgenommen wird und wobei das gleichzeitige Senden oder Empfangen während eines bestimmten Zeitschlitzes unterschiedlichen Hochfrequenzkanälen für die Weitergabe der Datenpakete während desselben Zeitschlitzes zugewiesen wird, um zu verhindern, dass ein durch eine der zwei Einrichtungen gesendetes Datenpaket während des Zeitschlitzes innerhalb eines bestimmten Bereiches durch eine andere als die beabsichtigte Kommunikationseinrichtung empfangen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Senden und Empfangen der Datenpakete über eine Hochfrequenz-Funkkommunikationsverbindung vorgenommen wird, die eine Übertragungscodierung zum Senden von Datenpaketen von einer Einrichtung zu einer anderen Einrichtung innerhalb eines bestimmten Bereiches verwendet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Übertragungscodierung eine Spreizspektrumscodierung mit einer direkten Sequenz umfasst.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das weiterhin Schritte zum Abfragen und Erhalten von Antworten von besonderen Kommunikationseinrichtungen (152, 154, 156, 158) umfasst, wobei eine Steuereinrichtung (162) ein Abfragedatenpaket (170) ausgibt, das an eine bestimmte abgefragte Kommunikationseinrichtung (164) adressiert ist, wobei das Abfrage-Datenpaket entlang des Datenbusses (160) zu der bestimmten Einrichtung weitergegeben wird und wobei die abgefragte Einrichtung (164) ein Antwort-Datenpaket (180) in einem folgenden Zeitschlitz in einer rückwärts gerichteten Datenfortpflanzungsrichtung ausgibt, wobei das Antwort-Datenpaket entlang des Datenpfades zurück zu der Steuereinrichtung fortgepflanzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Abfrage-Datenpaket (170) eine Datenpaket- Adresse umfasst, welche die abgefragte Kommunikationseinrichtung (164) identifiziert.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die abgefragte Kommunikationseinrichtung (164) nicht zu dem Datenbus (160) gehört und nicht zu Zeitschlitzen in dem Netzwerk (150) zugewiesen wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schrift zum Aufrechterhalten einer Zeitsynchronisation zwischen den Kommunikationseinrichtungen das Zuweisen eines bestimmten periodischen Zeitschlitzes zu der Übertragung der Zeitsynchronisations-Datenpakete, das Messen der Ankunftszeit der Synchronisationspakete und das Berechnen von Zeittaktversätzen in Abhängigkeit von den Ankunftszeitmessungen für das Korrigieren der Echtzeittakte umfasst.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Einrichtung auf Übertragungen von zwei vorgeordneten Einrichtungen während der ihr zugewiesenen Zeitschlitze wartet, wodurch eine redundante Datenbuskonfiguration vorgesehen wird.

12. Datenkommunikationsnetzwerk (50) mit:

einem Netzwerk (50) aus Kommunikationseinrichtungen für die Kommunikation über ein Kommunikationsmedium, wobei die Einrichtungen räumlich voneinander getrennt sind und entlang eines Kommunikationsbusses (60) angeordnet sind,

einer Einrichtung zum Aufrechterhalten einer Zeitsynchronisation zwischen den Kommunikationseinrichtungen (52, 54, 56, 58),

einer Anordnung von koordinierten Zeitschlitzen, wobei eine vorbestimmte Kommunikationseinrichtung ein Datenpaket (70, 72) während eines bestimmten Zeitschlitzes (1, 2, 3, 4) senden oder empfangen kann,

einer Einrichtung zum sukzessiven Fortpflanzen in alternierenden Zeitschlitzen eines ersten Datenpakets (70) entlang des Busses (60) in einer ersten Richtung von einer Einrichtung zu einer benachbarten Einrichtung sowie zum Fortpflanzen eines zweiten Datenpakets (72) entlang des Busses (60) in einer zweiten Richtung von der Einrichtung zu einer benachbarten Einrichtung in alternierenden Zeitschlitzen in einer mehrstufigen Datenweitergabe, wobei die Fortpflanzungseinrichtung umfasst:

eine Einrichtung zum Weitergeben des ersten Datenpakets (70) von einer ersten Einrichtung (52) zu einer benachbarten vierten Einrichtung (54) während eines ersten Zeitschlitzes (1), wobei das Weitergeben des ersten Pakets in einer ersten Richtung entlang des Busses (60) erfolgt,

eine Einrichtung zum Weitergebendes zweiten Datenpakets (72) von einer zweiten Einrichtung (58) zu einer dritten Einrichtung (56), die zu der zweiten Einrichtung und zu der vierten Einrichtung benachbart ist, während eines zweiten Zeitschlitzes (2), der auf den ersten Zeitschlitz (1) folgt, wobei das Weitergeben des zweiten Pakets in einer zweiten Richtung entlang des Busses (60) erfolgt,

eine Einrichtung zum Weitergeben des ersten Datenpakets (70) in der ersten Richtung entlang des Busses (60) während eines dritten Zeitschlitzes (3), der auf den zweiten Zeitschlitz (2) folgt, zu der dritten Einrichtung (56), und

eine Einrichtung zum Weiterleiten des zweiten Datenpakets (72) in der zweiten Richtung entlang des Busses (60) während eines vierten Zeitschlitzes (4), der auf den dritten Zeitschlitz (3) folgt, zu der vierten Einrichtung (54),

wobei ein Datenpaketfluss in der ersten und der zweiten Richtung entlang des Busses (60) in einer zeitverschachtelten Weise erfolgt, um einen mehrstufigen Duplexdatenfluss vorzusehen.