JP2006523391A - 冗長的な通信を伴う通信システム - Google Patents

Abstract

本発明は、通信システムのフォールトトレランスを向上させかつ高いダイナミクスを実現することを目的として、通信システムにおいて使用するための加入者局（１）と、少なくとも一部分で冗長的な通信を伴う前記通信システムに関する。該通信システムには、少なくとも一部に少なくとも２つの通信経路（１０，２０）が設けられており、該通信経路は有利には、２重リングトポロジとして構成されている。本発明による加入者局には通信経路ごとに、各通信経路を介して得られた情報信号の処理、および／または情報信号の生成および各通信経路（１０）を介しての送信を行うための処理ユニット（１１，２１）が設けられている。さらに該加入者局には、第１の通信経路（１０）と第２の通信経路（２０）との間に第１のアクティベート可能なカップリング（１３，２２）が設けられており、該第１のアクティベート可能なカップリングのアクティベート時には情報信号は第１の通信経路（１０）から取り出され、第２の通信経路（２０）へ供給荒れる。本発明では該アクティベート可能なカップリングの供給線は、加入者局において信号伝送方向で見て、第２の通信経路（２０）の処理ユニット（２１）より後方に配置されている。

Description

技術分野
本発明は、通信システムで使用するための加入者局と、該通信システムのエラー公差を向上させると同時に高いダイナミクスを実現するために少なくとも１つの区画で冗長的な通信を伴う形式の通信システムとに関する。

従来技術
通信システムは多くの技術で適用されている。中央または分散的に制御され分布されている通信システムが、たとえば分散的な制御／駆動技術のシステムを有するオートメーションシステムで使用され、その際には、多数の個別システムが時間的に同期して制御および駆動されることが多い。このような個別システムに、同期モータまたは非同期モータ等の駆動ユニットがある。この駆動ユニットは、相互に嵌合するかまたは相互に密接に結合されて動作する複数の軸のうち１つを駆動するためのものである。分散型の制御／駆動技術によるこのようなオートメーションシステムの典型的な適用例は、時間的に相互に適合されて動作する多数の搬送エレメントおよび作業エレメントを備えた印刷機器または工作機器、ならびにロボットシステムである。

分布型の通信システムには、少なくとも２つの加入者局が含まれている。しかしこの加入者局は、通常はそれを大幅に上回る数であり、有利には階層的に、中央加入者局として構成された加入者局および該通信システムの下位加入者局である他の加入者局に接続されている。このような階層的な構造は、たとえばマスタ‐スレーブ構造として知られている。このマスタ‐スレーブ構造では、中央加入者局が「マスタ」またはマスタ加入者局として設けられており、下位加入者局が「スレーブ」またはスレーブ加入者局として設けられている。通常、中央コンピュータが制御信号を生成し、この制御信号は通信線路を介して下位加入者局へ送信される。それとは逆に、下位加入者局も信号を生成して、他の下位加入者局または中央加入者局へ送信することができる。

このような通信システムは、リング構造で構成されていることが多い。中央加入者によって生成された信号は該中央加入者局から、加入者局を接続する通信線路へ供給された後、リング構造体を通過し、下位加入者局を連続的な順序で通過する。

本出願人から現在、このようなリング構造を有する通信システムが、ＳＥＲＣＯＳインタフェース（Ｒ）という名称で市販されている。この通信システムは、中央加入者局を介して下位加入者局に対する制御信号を生成して送信する。下位加入者局は通常、光導波路によって中央加入者局に接続されている。有利には該通信システムは、分布して配置されたモータ、たとえば同期モータまたは非同期モータを調整および制御するために使用される。その際、通信システムの下位加入者局はたとえば、各１つのモータを調整および制御するための制御装置として構成されるか、このような制御装置の中に組み込まれる。この通信システムは現在、とりわけ工作機器、印刷機器、織機および一般的なオートメーション技術の機器に広く普及している。有利には等間隔の時間幅で、中央加入者局は同期電文または同期信号を生成して通信リングに供給する。制御装置には同期電文または同期信号の受信部に、通常は時間パラメータを介して目標値／瞬時値処理部が結合されている。この目標値／瞬時値処理部は、各調整モータに対して制御パラメータおよび調整パラメータを決定および出力するのに使用される。

しかし、通信情報は１つの加入者局からそれぞれ後置された加入者局へ直列的な伝送方式で伝送されるので、このような市販のシステムは、区間に機能不全が発生した場合に、たとえば加入者局の欠落または２つの加入者局間の通信接続の欠落の場合に、該システムで後続の加入者局すべてが通信情報を得られなくなってしまうという欠点を有する。

ここでフォールトトレランスを向上させるために、論文『Fehlertolerantes Kommunikationssystem fuer hochdynamische Antriebsregelungen』（Stephan Schultze著、Darmstaedter Dissertation、１９９５年）で、２重リングトポロジを使用することが提案されている。

図２に示されているようにこの２重リングトポロジは、逆方向に動作する通信リング１１０，１２０を有する。各通信リング１１０，１２０は、中央加入者局１３０で開始して終了もする。両通信リング１１０，１２０ではそれぞれ、中央加入者局１３０から出発して、同一ひいては冗長的な通信情報が下位加入者局１００’，１００’’，１００’’’，１００’’’’へ送信される。情報信号はこのリングトポロジをそれぞれ、図２に示された通信経路に沿って通過する。中央加入者局を両リングに接続するためには、各通信リングごとに相互に独立してそれぞれ、送信ユニット１３１’，１３１’’および受信ユニット１３２’，１３２’’ が使用される。それに対して、下位加入者局１００’，１００’’，１００’’’，１００’’’’は通信経路１１０および１２０間に、それぞれ２つのカップリング接続部１１３’，１２３’；１１３’’，１２３’’，１１３’’’１２３’’’；１１３’’’’，１２３’’’’を「短絡カーブ（Kurzschlussbuegel）」の形態で有している。このことは、とりわけ図１を参照すると良好に理解できる。この短絡カーブはそれぞれ第１の端部では、各通信経路の下位加入者局の信号出力領域おいて一方の通信線路と直接接続されており、第２の端部では、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１１２’１２２’；１１２’’，１２２’’；１１２’’’，１２２’’’；１１２’’’’，１２２’’’’の第２の入力端に接続されている。マルチプレクサの第１の入力端にはそれぞれ、各通信経路の通信線路が接続されている。該通信システムの初期のコンフィギュレーションでは、各通信経路はマルチプレクサを介してスルーコネクションされている。マルチプレクサの後方には、それぞれ処理ユニットが配置されており、この処理ユニットには、それぞれマルチプレクサによってスルーコネクションされた信号が印加される。該処理ユニットは、ここではＨＤＬＣユニット１１１’，１２１’；１１１’’，１２１’’；１１１’’’，１２１’’’；１１１’’’’，１２１’’’’（ＨＤＬＣ＝High level data link control＝データ伝送のためのプロトコルの取り決め）である。ここで２つの下位加入者局間に、図３では下位加入者局１００’’と１００’’’との間に、たとえば図３に示されたような区間機能不全１５０が通信経路１１０の通信線路の遮断の形態で発生した場合、該当する通信経路に配置され信号伝搬方向で区間機能不全の部分に後置されている加入者局のマルチプレクサの入力端、ここでは下位加入者局１００’’’のマルチプレクサ１１２’’’の入力端が切り替えられ、短絡カーブに印加される他方の通信リング１２０の信号は、区間機能不全が発生した通信リング１１０の、マルチプレクサより後方の部分に印加される。このようにして、区間機能不全が発生した場合には通信システムを簡単に再構築して、通信システムの比較的大部分の持続的な欠落または通信システムの全体の欠落を防止することができる。

しかし、Stephan Schultzeによる論文で提案された解決手段は、高ダイナミックな通信システムで使用する際には制限付きでしか使用できないことが明らかになっている。とりわけ通信システムの伝送速度が非常に高い場合、両リングの信号の切り替えおよび信号監視を、特にそのために設けられたハードウェア回路によって行うのは問題的である。とりわけ、このことはたとえば、１つの通信リングの信号の冗長的な伝送を他の通信リングで行う場合、このような伝送が、高ダイナミックの制御システムの要件を満たすのに十分に高いダイナミクスで行われないという結果を招くことがある。

本発明の説明
したがって本発明の課題は、区間機能不全から保護するために冗長的な信号伝送を行うための通信システムの加入者局を提供することである。ここでは、とりわけ区間機能不全が発生した場合でも、加入者局のダイナミックな動作特性を従来技術と比較して改善しなければならない。さらに本発明の課題は、改善されたダイナミック特性を有する通信システムを提供することである。

前記課題は本発明では、請求項１記載の加入者局および請求項１５記載の通信システムによって解決される。本発明の別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

通信システムの加入者局として使用される本発明の加入者局は少なくとも、第１の通信経路および第２の通信経路を有する。該通信システムでは、これらの通信経路は有利には、目的に応じて逆方向に動作する２重リングトポロジで構成されている。第１の通信経路には加入者局に、該第１の通信経路を介して得られた情報信号を処理し、および／または情報信号を生成して第１の通信経路を介して送信するための第１の処理ユニットが配属されている。第２の通信経路には加入者局に、該第２の通信経路を介して得られた情報信号を処理し、および／または情報信号を生成して該第２の通信経路を介して送信するための第２の処理ユニットが配属されている。有利には、これらの処理ユニットはそれぞれ、各通信経路に中間接続されている。通信システムの第２の通信経路に発生した区間機能不全部を回避してバイパスするために、さらに加入者局に、第１の通信経路と第２の通信経路との間に第１のアクティベート可能なカップリングが配置される。カップリングがアクティベートされた場合には、第１の通信経路による情報信号が第２の通信経路に伝送され、情報信号は第１の通信経路によって取り出されて第２の通信経路に、区間機能不全が発生した通信経路に供給されるように構成される。第１のアクティベート可能なカップリングの給電は加入者局において、信号伝送方向で見て第２の通信経路の処理ユニットの後方で行われる。処理ユニットは本発明では、入力信号の有無を検査し、加入者局には、受信された情報信号の位相調整を行うための位相制御ループが設けられている。

さらに目的に応じて、第１のアクティベート可能なカップリングのタップも加入者局において、信号伝送方向で第１の通信経路の処理ユニットの後方に配置される。

このように本発明にしたがって構成された加入者局は、中央制御式または分散制御式の通信システムにおいて中央加入者局または下位加入者局として、たとえば１つの駆動ユニットまたは複数の駆動ユニットを調整または制御するために使用される。従来技術から公知になっているStephan Schultzeによる論文『Fehlertolelantes Kommunikationssystem fuer hochdynamische Antriebsregelungen』（Darmstadter Dissertation、１９９５年）から公知であるように、本発明の枠内でも、少なくとも一部で２重に構成された通信経路がフォールトトレランスの向上に使用される。特に有利には、該通信システムはこうするために、閉鎖的な２重リングトポロジで構成される。各通信路を介して加入者局へ、中央加入者局または下位加入者局から同一の制御命令または同一の制御信号が送信されるので、通信システムの初期のコンフィギュレーションでは、信号情報は各加入者局に対し、２重ひいては相互に冗長的に送信される。

通信経路を介して加入者局に入力された信号は、各通信経路に配属された処理ユニットで処理される。両通信経路を介して別個にかつ相互に独立して入力された情報信号の正当性および完全性を検査するためには、処理ユニットによって、入力された両信号の比較整合が行われた後に、入力された信号情報はたとえば制御信号の形態で、駆動制御装置へ伝送される。２重に構成された通信線路を有し通信が逆方向に動作する通信システムでは、両信号の整合によって信号確認が実現されることの他にとりわけ、両通信線路のうち１つまたは両通信線路を介して行われる通信が妨害された場合でも、第２の通信線路を介して制御信号および情報信号を加入者局に入力できるという利点を有する。したがって、２重リングトポロジで構成され目的に応じて逆方向に動作する通信システムのフォールトトレランスは、単一リングトポロジと比較して向上されている。

フォールトトレランスを向上させるためにはもちろん、通信システムの少なくとも一部に、２つ以上の通信経路を相互に並行して配置することもできる。３つ以上の通信経路をこのように配置することによって、信号伝送の冗長性は上昇され区間機能不全に対する脆弱性はさらに低減されるが、このような通信システムのコストは、所期の改善に対して過度に上昇してしまう。以下で、少なくとも一部で２重に構成された通信経路を有する通信システムに関して本発明を説明するが、本発明は決してこの種の通信システムに制限されることはなく、より多数の通信経路を通信システムの少なくとも一部に設けることもできる。したがって請求項で選択された表現には、少なくとも１つの部分において比較的多数の通信経路を有するこのようなシステムも含まれている。

本発明にしたがって構成された加入者局の第２の通信経路において区間機能不全が発生した場合、たとえば、第２の通信経路において信号伝送方向で見て当該の加入者局の前方に配置された別の加入者局の該第２の通信経路に組み込まれた構成部分が欠落した場合、または当該の加入者局に接続された信号線路が中断された場合に、区間機能不全が発生した場所に信号伝送方向で見て後置されている通信経路の部分に情報信号を新たに供給して該区間機能不全をほぼ解消するためには、第１のアクティベート可能なカップリングをアクティベートすることによって情報信号を第１の通信経路から取り出し、第２の通信経路に伝送する。したがって加入者局の第２の通信経路は、区間機能不全が発生した場合には通信システムにおける加入者局の動作中に、第１のアクティベート可能なカップリングをアクティベートすることによって再構築される。

情報信号を第２の通信経路へ伝送するための第１のアクティベート可能なカップリングの供給線は、本発明では加入者局に、信号伝送方向で見て第２の通信経路の処理ユニットの後方に配置される。さらに有利には、第１のアクティベート可能なカップリングのタップも加入者局に、信号伝送方向で見て第１の通信経路の処理ユニットの後方に配置される。

Stephan Schultzeの論文から公知の解決手段と比較して、前記のように本発明で構成された加入者局のダイナミック特性は格段に改善されていることが判明している。第１の通信経路を介して本発明による構成の加入者局へ供給され該加入者局に入力結合される情報は、第２の通信経路に区間機能不全が発生したか否かに依存せずに、信号の入力結合後に加入者局の第１の処理ユニットに直接供給され、該処理ユニットで信号処理される。ここで第２の通信経路に、該第２の通信経路の信号伝送方向で見て加入者局の前方に区間機能不全が発生した場合、本発明の構成によれば、信号伝送方向で見て加入者局の第２の処理ユニットの後方にある該第２の処理ユニットの第１のアクティベート可能なカップリングの給電場所には、通信経路の再構築後も継続して情報信号は供給されないままである。通常、入力信号の信号品質および有無が処理ユニットで検査される。したがって、信号の欠落は処理ユニットによって検出される。Stephan Schultzeの論文から公知の解決手段と比較して、このような信号検査は（マルチプレクサの前に）特別なロジックによって行わなければならないことが判明している。このことによって、コストが上昇する。

最適化された処理ユニットを使用すれば、プログラミング可能な論理モジュールの範囲内でロジックを専用で構築する場合よりも簡単に、このような特別なロジックを実現することができる。

したがって、ここでは第１の処理ユニットだけが、送信された情報信号を受け取るので、区間機能不全のない動作時には目的に応じて普通に行われるような、加入者局の両処理ユニットに入力された情報信号の整合が省略される。第１の処理ユニットに入力された情報信号は制御信号に直接変換され、その際には、情報信号が別の処理ユニットに入力されるまで待機してから受信信号を整合する必要はない。したがって、再構築の際にも加入者局のダイナミック特性が劣化することはない。それに対してStephan Schultzeの論文から公知の解決手段では、第１の通信経路で伝送される信号も、取り出されて第２の通信経路に供給される信号も、加入者局への入力結合後にまず、それぞれマルチプレクサを通過してから各処理ユニットに到達する。このような構成ではマルチプレクサの通過時にも、処理後に行われる整合によっても、信号の劣化に繋がる信号の影響が発生してしまう。

さらに、本発明の解決手段において有利には、加入者局にある第１のアクティベート可能なカップリングのタップも、信号伝送方向で見て第１の通信経路の処理ユニットの後方に配置されている。この配置によっても、ダイナミック特性が改善される。というのもたとえば、タップとして使用される信号分岐部の通過は、処理ユニットの後方で初めて行われるからである。また、このようにタップを処理ユニットの後方に配置することによって、処理前の情報信号に、第１のアクティベート可能なカップリングを介して発生する可能性のあるフィードバック作用によって誤差が発生するのを回避することもできる。目的に応じて第１のアクティベート可能なカップリングに、第１の通信経路と第２の通信経路とを接続するための中間接続線路と、該中間接続線路にも第２の通信経路にも中間接続された切り替えエレメントが設けられる。

加入者局間では情報信号は、通常は光学的な光信号として光導波路によって搬送されるのに対し、この情報信号は加入者局に入力される際に電気的信号に変換され、加入者局内部では電気的信号として搬送および処理される。その場合、中間接続線路は有利には、電流を流すための簡単な導体路として構成される。切り替えエレメントは有利には、２つの入力端および１つの出力端を有するマルチプレクサとして構成され、これらの入力端は選択的に、出力端に切り替えられる。したがってマルチプレクサを切り替えることにより、入力端は中間接続線路に切り替えられ、中間接続線路を介して電流は、第１の通信経路から第２の通信経路へ案内される。

本発明の有利な実施形態では、加入者局には１つの第１のアクティベート可能なカップリングの他に、別の第２のアクティベート可能なカップリングが通信経路間に配置される。これによって、第１のカップリングのアクティベート時には、一方の第１の通信経路による情報信号が他方の第２の通信経路へ伝送され、第２のカップリングのアクティベート時には、第２の通信経路による情報信号が第１の通信経路へ伝送されるように構成されている。ここでは第２のアクティベート可能なカップリングも、信号伝送方向で第２の通信経路の処理ユニットの後方に配置される。第２のアクティベート可能なカップリングの構成、動作および機能は、第１のアクティベート可能なカップリングに相応する。第１のアクティベート可能なカップリングは、第２の通信経路に区間機能不全が発生した場合にアクティベートされるのに対し、第２のアクティベート可能なカップリングは、第１の通信経路に区間機能不全が発生した場合にアクティベートされる。このようにして、加入者局の両通信経路は区間機能不全の発生から保護される。加入者局に入力された情報信号はすべて、入力結合後にまず、通信経路に配属された各処理ユニットをそれぞれ通過して、該処理ユニットで処理される。処理後に該情報信号は、一方のアクティベート可能なカップリングのタップ場所を通過し、他方のアクティベート可能なカップリングの入力場所を通過する。Stephan Schultzeによる論文から公知の解決手段と比較して、本発明による加入者局のダイナミック特性は、両アクティベート可能なカップリングがそれぞれ処理ユニットの後方に配置されていることにより、該通信システムの初期のコンフィギュレーションでも該通信システムの再構築時にも、格段に改善されている。

本発明による加入者局は下位加入者局として、集中方式の通信システムまたは分散方式の通信システムに配置される。本発明において有利には、通信システムの下位加入者局はすべて、全通信システムが区間機能不全に対して保護されるように構成される。しかし本発明によれば、特に有利な構成ではマスタ‐スレーブ通信システムの中央加入者局も、発生する可能性のある区間機能不全に対して保護されるように構成される。

加入者局において入力信号の有無を検査する際に、加入者局の入力信号が該加入者局においてエッジ識別によって検査される場合、実に低コストかつ簡単に構成することができ、たとえばカウンタを使用して構成することができる。１つの加入者局に、たとえば２つの独立したカウンタないしはエッジ識別部が設けられる。これらは受信側の信号成分タイミング（Empfangsschrittakt）によって増分され、入力されたエッジによってリセットされる。エラーのない動作時には、連続する２つのエッジ間の間隔は固定的なカウンタ状態に相応する。カウンタ状態が増加すると、区間機能不全が発生したことが推定される。これは、ウォッチドッグタイマの通常の動作にほぼ相応する。

加入者局が、すでに述べた信号の有無の検査の枠内で後続の加入者局に対してゼロビット電流を生成するように構成すると有利である。これを使用して、エラーに物理的に後続する加入者局のみをアクティブにし、入力信号が存在しない後続の加入者局によって該加入者局の切り替え機構をアクティベートせずに、該加入者局の入力端に直接存在しないエラーをこのような誤りとして解釈しないように構成される。さらに、所定のカウンタ状態から初めてゼロビット電流を送出して、一時的な信号中断を誤ってクリティカルなエラーとして扱わないようにする構成も有利である。本発明によるこの構成ではたとえば、１６のビット時間のカウンタ状態から初めて、ゼロビット電流がスイッチオンされる。このことは、１６ビット時間の間は入力端にエッジが存在しないことを意味する。技術的には、このゼロビット電流は連続的なエッジ交代（ＮＲＺＩ符号化）によって、後続の加入者局すべてのカウンタのリセットを引き起こすことにより、早期接続がアクティブにならないようにする（前記の欄も参照されたい）。その際には、エラーはより上位のプロトコル層に転送され、たとえば再構築等の措置が開始される。

別の側面では本発明は、該通信システムの加入者局間で方向性の通信を行うための通信システムに関連する。ここでは本発明による通信システムは、中央加入者局と少なくとも１つの下位加入者局とを有し、有利には多数の下位加入者局を有する。ここでは、中央加入者局のタスクが交代で下位加入者局に引き継がれる通信システムも含まれている。該通信システムの加入者局のうち少なくとも１つ、有利にはすべての下位加入者局が、特に有利にはすべての加入者局が、上記のようにアクティベート可能なカップリングとともに構成され、有利には、通信経路の数に相応する数のアクティベート可能なカップリングとともに構成されている。このような通信システムは、高ダイナミックの駆動調整を制御するために使用され、付加的に、作動中に発生する区間機能不全に対して高いフォールトトレランスが得られる。従来技術から公知の通信システムと比較して、本発明による通信システムのダイナミクスは改善されている。また、本発明による中央加入者局も、発生した区間機能不全から保護することもできる。

目的に応じて通信システムは、それぞれリング状に閉鎖された通信システムを有する２重リングトポロジで構成される。各通信経路を閉鎖することにより、通信経路に沿った方向性の通信が可能になり、かつ、各加入者局はそれぞれ別の加入者局と通信することができる。

さらに、加入者局から送信された情報信号は、信号を送信した加入者局に該情報信号が再び入力されるまで、このリングトポロジを完全に通過する。したがってこの送信する加入者局は、信号が再び入力された場合、信号が別のすべての加入者局を通過したか否かを検査する。

目的に応じて本発明による通信システムは、中央加入者局がマスタであり下位加入者局がスレーブであるマスタ‐スレーブ構造を有する分散方式の制御システムとして構成される。非常に良好なダイナミック特性およびフォールトトレランスのため、本発明による通信システムはとりわけ、相互に同期して動作する多数の駆動装置を制御および調整するのに適している。

図面の簡単な説明
本発明を以下で、実施例に基づいて図面と関連して詳細に説明する。

図面
図１ 従来技術から公知の通信システムの加入者局の原理図である。

図２ 従来技術から公知の通信システムのトポロジを示している。

図３ 区間機能不全のために再構築が行われる場合の図２の通信システムを示している。

図４ 本発明によって構成された通信システムの加入者局の構成を示す原理図である。

図５ 本発明によって構成された通信システムのトポロジを示している。

図６ 下位加入者局間に区間２重エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの第１の再構築接続を示している。

図７ 下位加入者局間に区間単独エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。

図８ 中央加入者局と下位加入者局との間に区間２重エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。

図９ 中央加入者局と下位加入者局との間で該中央加入者局の出力側に区間単独エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。

図１０ 中央加入者局と下位加入者局との間で該中央加入者局の入力側で区間単独エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。

図面には、本発明を理解するために重要な構成要素および構成部分が概略的に再現されている。同一または同機能の構成部分は、図面では全般にわたって同一の参照記号によって示されている。

本発明の実施例
図１には、Stephan Schultzeによる論文『Fehlertolerantes Kommunicationssystem fuer hochdynamische Antriebsregelungen』（Darmstadter Dissertation、１９９５年）から公知のスレーブ加入者局１００が示されている。このスレーブ加入者局１００は、冒頭ですでに参照されたものである。フォールトトレランスを向上するため、加入者局１００には２つの逆方向の通信経路１１０，１２０が実現されている。さらにこのスレーブ加入者局は、相互に別個に動作する信号処理用の２つの信号処理ユニットないしはデータ処理ユニット１１１，１２１を含んでいる。第１の処理ユニット１１１は第１の通信経路１１０に中間接続されており、第２の処理ユニット１２１は第２の通信経路１２０に中間接続されている。第１の通信経路１１０を介して入力される情報信号は第１の処理ユニット１１１で処理され、第２の通信経路１２０を介して入力された情報信号は第２の処理ユニット１２１で処理される。図１には示されていないが、これらの処理ユニットは、入力された情報信号を相互に整合し、２重に設けられた通信経路および２重の信号処理によって、スレーブ加入者局１００に対して入力される情報信号の冗長性が得られる。

さらに、スレーブ加入者局１００には２つのカップリング線路１１３，１２３が「短絡カーブ」の形態で２つの通信経路１１０，１２０間に配置されている。この短絡カーブ１１３，１２３は、それぞれ信号伝送方向で見て各通信経路１１０または１２０から各処理ユニット１１１，１２１の前方で分岐しており、他方の端部では、それぞれ別の通信経路１２０または１１０に組み込まれたマルチプレクサ（ＭＵＸ）１２２，１１２の第２の入力端に接続されている。各マルチプレクサ１１２，１２２のそれぞれ第１の入力端には、各通信経路１１０，１２０の通信線路１１０ａ，１２０ａが接続されている。

スレーブ加入者局の初期コンフィギュレーションでは、該通信リングの通信経路１１０，１２０はマルチプレクサ１１２，１２２を介してスルーコネクションされている。しかし、たとえば通信システムにおいて信号伝送方向で見て前方に配置された加入者局と当該の加入者局との間に区間機能不全が発生し、加入者局の入力端に信号が入力されなくなった場合、短絡カーブに印加される別の通信経路の信号が、マルチプレクサに後置された処理ユニットに割込接続される。このようにして区間機能不全が発生した場合には、通信システムの比較的大部分が持続的に欠落することも該通信システム全体の欠落が発生することもなく、通信システムは簡単に再構築される。

図２に、同じくStephan Schultzeによる論文『Fehlertolerantes Kommunikationssystem fuer hochdynamische Antriebsregelungen』に記載された通信システム１０５が示されている。該通信システム１０５は、中心加入者局である「マスタ」１３０といわゆる「スレーブ」である多数の下位加入者局１００’、１００’’、１００’’’および１００’’’’とを備えたマスタ‐スレーブ通信システムであり、２重リングトポロジで構成されている。スレーブはそれぞれ、図１に示された加入者局にしたがって構成されている。２重リングトポロジの両リング１１０，１２０を介してそれぞれ、マスタとスレーブとの間で方向性の通信を行う。通信信号の開始点および終了点は、ここでは常にマスタである。マスタから出発して、該マスタによって生成された第１の制御信号はリング１１０を反時計回りで通過するのに対し、第１の制御信号と時間的に同期して該マスタによって生成された第２の制御信号は、リング１２０を時計回りに通過する。スレーブに到達すると、送信された制御信号はその都度まず、各スレーブに入力結合された後に、所属の処理ユニット１１１’，１２１’；１１１’’，１２１’’；１１１’’’，１２１’’’および１１１’’’’，１２１’’’’で処理される。処理後、スレーブ１００’，１００’’，１００’’’および１００’’’’内の処理された制御信号はそれぞれ出力結合ユニットに供給され、そこから通信経路の中間接続線路を介して、信号伝送方向で見てそれぞれ次の加入者局に到達する。前記出力結合ユニットは、図２には示されていない。

しかし、たとえば図３に、リング１００におけるスレーブ１００’’とスレーブ１００’’’との間の通信線路の中断による単独区間エラー１５０の形態で示されているように、区間機能不全が発生した場合は通信システムは、全通信システムの欠落を起こすことなく、通信経路１１０および１２０の再構築を実行する機能を有する。こうするためには、区間機能不全部より信号伝送方向で見て後方に配置されたマルチプレクサに合流する短絡カーブのみが、該マルチプレクサを介して割込接続される。こうすることにより、区間機能不全が発生したリングによって案内される信号に対して冗長的でありそれぞれ別のリングで案内される信号のバイパス伝送が行われる。図３に、区間機能不全１５０の発生後のこのような再構築状態が示されている。第１のリング１１０に中間接続されたスレーブ１００’’のマルチプレクサ１１２’’は短絡カーブ入力端に切り替えられ、それによって、リング１２０を通過するスレーブ１００’’’の処理ユニット１１１’’’情報信号は、リング１１０に割込接続される。

その時点でアクティブな信号経路は、図３でも以下の図でも太線で示されている。その時点でイナクティブな信号経路は、それより細い線で示されている。

図４に、本発明にしたがって構成された通信システムの加入者局１の構成の原理が示されている。この加入者局１が通信システムで使用される場合、該加入者局１のダイナミック特性は従来技術から公知の加入者局と比較して改善されており、ひいては該加入者局１のリアルタイム性も改善されている。

ここに図示された加入者局１には、相互に並行して配置され逆方向に動作する２つの通信経路１０，２０が設けられている。図４の上側にある第１の通信経路１０では、情報信号は左側から右側へ搬送され、図４の下側にある第２の通信経路２０では、情報信号は右側から左側へ搬送される。したがって図４に示された加入者局１は、２重リングトポロジを有し方向性の通信を逆方向に行う通信システムで使用するのに適している。

両通信経路１０，２０にはそれぞれ、入力された情報信号を処理するための処理ユニット１１および２１が中間接続されている。これらの処理ユニット１１および２１は、ここではそれぞれ、通信プロトコル処理用のマイクロプロセッサシステムとして構成されており、有利にはＨＤＬＣ処理（ＨＤＬＣ＝’High Level Data Link Protokol’）用のマイクロプロセッサシステムとして構成されている。ここに図示された例では、各処理ユニットとしてST Microelectronics社のＳＥＲＣＯＮ８１６の名称で販売されているＡＳＩＣが使用される。

さらに、信号伝送方向で見て処理ユニット１１，２１の後方にはそれぞれ、本発明による加入者局１にマルチプレクサ１２および２２が配置され、各通信経路１０，２０に中間接続されている。マルチプレクサ１２，２２はそれぞれ、２つの入力端および１つの出力端を有し、これらの入力端は選択的に、出力端にスルーコネクションされる。マルチプレクサ１２，２２のそれぞれ第１の入力端は各通信経路１０，２０の各中間接続線路１０ａ，２０ａを介して、それぞれ前置接続された処理ユニット１１，２１の出力端に直接接続されている。マルチプレクサ１２，２２の各出力端はそれぞれ、該当する通信経路１０，２０のさらに延びている接続線路１０ｂ，２０ｂに接続されている。

加入者局１の初期コンフィギュレーションでは、マルチプレクサのそれぞれ第１の入力端がそれぞれ該マルチプレクサの出力端にスルーコネクションされている。これによって、各通信経路１０および２０に沿って一続きの信号伝送路が形成される。

区間機能不全の発生時に信号伝送路を再構築して、区間機能不全が発生した通信経路とはそれぞれ異なる通信経路で伝送される情報信号が、区間機能不全が発生した通信経路にバイパスされるようにするためには、マルチプレクサ１２，２２の第２の入力端はそれぞれ、別の中間接続線路２３，１３に接続される。中間接続線路１３，２３もまたそれぞれ別のターミナルで、それぞれ別の通信経路に接続されているので、それぞれ別の通信経路で伝送される情報信号は各中間接続線路１３または２３を介して、各マルチプレクサのそれぞれ第２の入力端に供給される。中間接続線路が通信経路と接続される接続場所はそれぞれ、通信経路１０および２０の各処理ユニット１１および２１と通信経路に中間接続されたマルチプレクサ１２および２２との間に設けられている。

したがって通信経路１０または２０において、信号伝送方向で見て本発明の加入者局１より前方または加入者局１内部に、各処理ユニット１１，２１までの領域で区間機能不全が、たとえば線路の中断または線路に中間接続された構成部分の欠落によって発生した場合、区間機能不全が発生した通信経路１０または２０において該区間機能不全の部分より後方に配置されたマルチプレクサ１２または２２が、識別フェーズの後に第２の入力端に切り替えられる。こうすることによって、通信経路においてマルチプレクサより後方に配置された部分に再び、別の通信経路から分岐された情報信号が印加されるようになり、後続の加入者局が正常に動作し続ける。したがって、通信経路に発生した区間機能不全は通常、該当する通信経路において区間機能不全の部分に直接後置された処理ユニットの動作を妨害するだけにとどまる。

Stephan Schutzeによる論文から公知であり図１に示された解決手段と比較して、図４に示された加入者局のダイナミック特性は改善されている。たとえば、図４の下側にある通信経路２０において加入者局１より前方の通信線路２０ｄに区間機能不全が発生した場合、下側の通信経路２０の下側の処理ユニット２１は情報信号を受信しなくなる。しかしこの情報信号は、異常のない上側の通信経路１０を介して以前のように加入者局１に到達し、ここで該加入者局への入力直後に、上側の処理ユニット１１で信号処理される。処理ユニット１１および２１で受信され処理された信号を、受信された情報信号に基づいて場合によっては処理ユニットで生成される制御信号の送信前に、１つまたは複数の接続された制御ユニット（たとえば、電動機を制御するための１つまたは複数の制御装置）に整合することは、この場合には制約によって省略される。このことによって、加入者局１のダイナミクスは区間機能不全が発生しても劣化されない。

さらに、上側の通信経路１０の情報信号はマルチプレクサ１２を、処理ユニット１１での処理後に初めて通過する。したがって、マルチプレクサ１２を通過する信号伝送によって引き起こされた遅延時間により、加入者局１で情報信号の処理の遅延が発生することはない。通信システムの加入者局ないしは該通信システムを本発明にしたがってこのように構成することにより、通信システムの安定性ないしは冗長性の頑強性が向上される。このようにして構成された通信システムは、４Ｍｂｉｔ／ｓないしは１６Ｍｂｉｔ／ｓを上回る伝送速度でも、十分な通信システムの安定性で使用することができる。

通常、加入者間の情報信号の伝送は光導波路を介して行われる。こうするためには、情報信号は送信ユニットから、光信号として伝播されて光導波路に供給される。しかし各加入者局の内部では、情報信号を電気的信号として伝送および処理するのが目的に適っている。情報信号を光学的信号から電気的信号に変換するためには、加入者局で各通信経路の入力領域に、目的に応じてそれぞれ、通信経路から加入者局に到着した情報信号を受信および入力結合するための受信器が配置されている。この受信器は、有利には光学的な受信器である。図４には、この受信器は示されていない。

さらに、本発明の加入者局の各通信経路には、該加入者局からの通信経路の出力側に目的に応じて、情報信号を該加入者から通信経路に出力結合するための出力結合ユニットが配置されている。この出力結合ユニットは有利には、駆動回路を有する発光ダイオードであり、これもまた図４に再現されていない。

図４に示されていないが、さらに加入者局の各通信経路には、付加的に目的に応じて、受信された情報信号を位相調整するための位相制御ループが、通常は各処理ユニットに配置されている。有利にはＤＰＬＬとして構成されるこの位相制御ループは、電気的な情報信号をオーバーサンプリングによって信号エッジ再生を行う。

Stephan Schultzeによる論文に記載された回路では、受信信号はまずマルチプレクサを通過した後に、処理ユニットで再生ないしは調製される。その際、マルチプレクサを通過する信号は劣化される。このことは、電気的信号に変換し戻された信号がこの場所で「最悪の」品質を有し、処理ユニットによる信号調製がさらなる劣化によって困難になるという点でクリティカルである。

図５には、本発明にしたがって構成された通信システム５のトポロジが示されている。ここに図示された通信システム５は、１つの中央加入者局１ｚおよび２つの下位加入者局１’，１’’を有している。３つすべての加入者局の構成は、ここでは図４に示された本発明の構成による加入者局１の構成に相応する。したがって、中央加入者局の機能を下位加入者局に移し、その逆に移すこともできる。

該通信システム５は、２重リングトポロジで構成される。すなわち、２つの通信経路１０および２０が設けられている。これらの通信経路１０および２０はそれぞれ、中央加入者局１ｚで開始および終了するので、それぞれ１つの閉鎖的なリングを形成する。１つのリング内部での通信は方向性で行われ、両リングの通信方向は相互に逆である。

加入者局間の接続線路１０’１０’’，１０’’’および２０’２０’’２０’’’として、ここでは光導波路が設けられている。この光導波路によって、高い伝送速度かつ非常に高い信号信頼性で信号の伝送を行うことができる。

図５に示された加入者局１ｚ，１’１’’はすべて、その都度の初期コンフィギュレーションの状態にある。すなわち、すべてのマルチプレクサ１２ｚ，２２ｚ；１２’，２２’および１２’’，２２’’はそれぞれ接続されており、通信経路１０，２０はスルーコネクションされ、閉鎖的なリング１０および２０に沿った各リング通信が可能になっている。

しかし区間機能不全が発生すると、信号伝送方向で見て区間機能不全の部分より後方に配置されたマルチプレクサはトポロジを再構築するために、その都度切り替えられる。

図６には、下位加入者局１’，１’’間に区間２重エラー３１が発生した場合の、本発明にしたがって構成された図５の通信システム５の前記のような再構築接続が再現されている。下位加入者局間の両通信経路１０’’，２０’’の接続線路は、ここでは妨害のために分断されている。したがって、一方の下位加入者局から他方の下位加入者局に直接到達する情報信号はない。それぞれ信号伝送方向で見て区間機能不全３１の場所より後方に配置されたマルチプレクサ２２’および１２’’は、区間機能不全を検出するための識別フェーズ後に切り替えられ、それぞれ別の通信経路の情報信号は各マルチプレクサ２２’および１２’’を介して、区間機能不全が発生した通信経路に、それぞれ信号伝送方向で見て区間機能不全３１の場所より後方に供給される。図６では、切り替えられたマルチプレクサはそれぞれ丸によって示されている。それぞれ有効な信号経路は、ここでも比較的太い線によって示されており、無効の経路は比較的細い線によって再現されている。

区間機能不全を識別するための識別フェーズでは、情報信号の少なくともクロック速度を介して、情報信号の入力まで待機してから、マルチプレクサは切り替えられる。適切な識別手法は、従来の技術から公知である。

図７には、下位加入者局間に区間単独エラー３２が発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続が再現されている。区間機能不全に対して応答する場合、ここでは第２の加入者局１’’の上側の丸で示されたマルチプレクサのみが切り替えられ、別の通信リング２０からの情報信号は通信経路１０に、信号伝送方向で見て区間機能不全３２の場所より後方に供給される。

図８には、中央加入者局１ｚと第１の下位加入者局１’との間に区間２重エラー３３が発生した場合の、図５の本発明の通信システム５の別の再構築接続が再現されている。ここでは、第１の下位加入者局１’の上側のマルチプレクサ１２’のみが切り替えられている。ここでは、情報信号は中央加入者局１ｚを超えて伝送されないので、信号伝送方向で区間機能不全の場所より後方に配置され中央加入者局１ｚにある下側の通信リング２０のマルチプレクサ２２ｚの切り替えは必要ない。確かに中央加入者局は、ここでは下側の通信リングに、本来送信される情報信号の再入力は行われないことを確認する。しかし通信システムの機能は、このことによって妨害されることはない。

図９には、中央加入者局１ｚと第１の下位加入者局１’との間に中央加入者局の出力側で区間単独エラー３４が発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続が再現されている。図８と同様に、ここでも第１の下位加入者局の上側のマルチプレクサ１２’が切り替えられている。

図１０には、第１の下位加入者局１’と中央加入者局１ｚとの間に該中央加入者局１ｚの入力側で区間単独エラー３５が発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続が再現されている。すでに図８で説明したように、ここではマルチプレクサの切り替えは行われない。

従来技術から公知の通信システムの加入者局の原理図である。 従来技術から公知の通信システムのトポロジを示している。 区間機能不全のために再構築が行われる場合の図２の通信システムを示している。 本発明によって構成された通信システムの加入者局の構成を示す原理図である。 本発明によって構成された通信システムのトポロジを示している。 下位加入者局間に区間２重エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの第１の再構築接続を示している。 下位加入者局間に区間単独エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。 中央加入者局と下位加入者局との間に区間２重エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。 中央加入者局と下位加入者局との間で該中央加入者局の出力側に区間単独エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。 中央加入者局と下位加入者局との間で該中央加入者局の入力側で区間単独エラーが発生した場合の、図５の本発明の通信システムの別の再構築接続を示している。

Claims (19)

1. 通信システムの加入者局（１）であって、
   第１の通信経路（１０）および第２の通信経路（２０）を有し、
   前記通信経路は通信システムにおいて、有利には、逆方向に動作する２重リングトポロジで構成されており、
   該加入者局（１）は、さらに第１の処理ユニット（１１）および第２の処理ユニット（２１）を有し、
   前記第１の処理ユニット（１１）は、該第１の通信経路（１０）を介して得られた情報信号を処理し、および／または情報信号を生成して該第１の通信経路を介して送信し、
   前記第２の処理ユニット（２１）は、該第２の通信経路（２０）を介して得られた情報信号を処理し、および／または情報信号を生成して該第２の通信経路を介して送信し、
   該加入者局（１）にはさらに、該第１の通信経路（１０）と第２の通信経路（２０）との間に、第１のアクティベート可能なカップリング（１３，２２）が配置されており、前記第１のアクティベート可能なカップリングのアクティベート時には、情報信号が該第１の通信経路（１０）から取り出されて該第２の通信経路（２０）へ供給され、
   前記第１のアクティベート可能なカップリングの供給線は該加入者局（１）に、信号伝送方向で見て該第２の通信経路（２０）の処理ユニット（２１）より後方に配置されている形式のものにおいて、
   該処理ユニット（１１，２１）は、入力信号の有無を検査し、
   該加入者局（１）には通信経路ごとに、受信された情報信号の位相調整を行うための位相制御ループが設けられていることを特徴とする加入者局。
2. 前記第１のカップリングのタップは該加入者局に、信号伝送方向で見て該第１の通信経路（１０）の処理ユニットより後方に配置されている、請求項１記載の加入者局。
3. 前記第１のアクティベート可能なカップリングは、該第１の通信経路（１０）と第２の通信経路（２０）とを接続するための第１の中間接続線路（１３）と、該第１の中間接続線路（１３）および第２の通信経路（２０）に中間接続された第１の切り替えエレメント（２２）とを有する、請求項１または２記載の加入者局。
4. 前記第１の切り替えエレメント（２２）は、２つの入力端および１つの出力端を有するマルチプレクサであり、
   前記入力端は選択的に、前記出力端に接続される、請求項３記載の加入者局。
5. 前記処理ユニット（１１，２１）は、プロトコル処理用のマイクロプロセッサシステムであり、たとえばＨＤＬＣ処理用のマイクロプロセッサシステムである、請求項１から４までのいずれか１項記載の加入者局。
6. 該第１の通信経路（１０）と第２の通信経路（２０）との間に、第２のアクティベート可能なカップリング（２３，１２）が配置されており、
   該第２のアクティベート可能なカップリングのアクティベート時には、情報信号は該第２の通信経路（２０）から取り出されて、該第１の通信経路（１０）へ供給され、
   該第２のアクティベート可能なカップリングの供給線は、信号伝送方向で見て該第１の通信経路（１０）の処理ユニット（１１）より後方に配置されており、
   該第２のアクティベート可能なカップリングのタップも目的に応じて、該加入者局において信号伝送方向で見て、該第２の通信経路（２０）の処理ユニット（２１）の後方に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の加入者局。
7. 前記第２のアクティベート可能なカップリングは、該第２の通信経路（２０）と第１の通信経路（１０）とを接続するための中間接続線路（２３）と、該中間接続線路（２３）および該第１の通信経路（１０）に中間接続された第２の切り替えエレメント（１２）とを有し、
   前記第２の切り替えエレメント（１２）は目的に応じて、第２の入力端およびぢあ１の入力端を有するマルチプレクサであり、
   前記入力端は選択的に、前記出力端に切り替えられる、請求項６記載の加入者局。
8. 該加入者局には通信経路ごとに、該通信経路から情報信号を受信して該加入者局へ入力結合するための受信器を有しており、
   前記受信器は、たとえば光学的な受信器である、請求項１から７までのいずれか１項記載の加入者局。
9. 該加入者局には通信経路ごとに、情報信号を該加入者局から該通信経路へ出力結合するための出力結合ユニットが設けられており、
   前記出力結合ユニットは、たとえば発光ダイオードである、請求項１から８までのいずれか１項記載の加入者局。
10. 該加入者局は、該通信システムの下位加入者局（１’，１’’）である、請求項１から９までのいずれか１項記載の加入者局。
11. 該加入者局は、該通信システムの中央加入者局（１ｚ）である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の加入者局。
12. 該加入者局は、アクチュエータおよび／またはセンサに組み込まれており、有利には駆動制御装置に組み込まれており、特に有利には調整モータの駆動制御装置に組み込まれている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の加入者局。
13. 加入者局の入力信号は、該加入者局にあるエッジ識別部によって有無に関して検査される、請求項１から１２までのいずれか１項記載の加入者局。
14. 加入者局は信号が入力端に存在しない場合、後続の加入者局に対してゼロビット電流を生成する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の加入者局。
15. 加入者局間で方向性の通信を行うための通信システム（５）であって、
    中央加入者局（１ｚ）および少なくとも１つの下位加入者局（１’、１’’）が設けられている形式のものにおいて、
    該加入者局のうち少なくとも１つが、請求項１から１４までのいずれか１項の記載にしたがって構成されていることを特徴とする通信システム。
16. 該通信システムは、それぞれリング状に閉鎖された２つの通信経路（１０，２０）を有する２重リングトポロジで構成されている、請求項１５記載の通信システム。
17. 情報信号の伝送は、２つの通信経路で逆方向に行われる、請求項１６記載の通信システム。
18. 該加入者局は、光導波路を介して相互に接続されている、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の通信システム。
19. 該通信システムは、マスタ‐スレーブ構造を有する分散制御システムであり、たとえば複数の調整モータを制御および調整するための分散制御システムである、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の通信システム。

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