JP2007525892A - 802.3afでの同期の方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

802.3AFの‘パワー・オーバーLAN’方式を使用してEthernet(登録商標)プロトコルで複数のアクセスポイント及び/又は更なる同期ユニットのタイミングを同期させる方法及び装置は、(a)ネットワークの2つ以上の固定アクセスポイント(AP)及び/又は同期ユニット(SU)の間に接続された少なくとも4対のツイスト線を有するケーブルを構成するステップと、(b)正のD.C.レール電圧を運ぶ少なくとも4対のツイスト線のうち第1の対を、少なくとも1つのAP又はSUに割り当てるステップと、(c)負のD.C.レール電圧を運ぶ少なくとも4対のツイスト線のうち第2の対を、少なくとも1つのAP又はSUに割り当てるステップと、(c)複合信号を供給するように、同期源から生成されて第1及び第2の対のツイスト線に静電結合された一連の同期パルスを、第1及び第2の対のレールに提供するステップと、(e)少なくとも1つのAP又はSUにより、正及び負のD.C.電圧のパルスを検出することにより、生成された同期パルスを再構成するステップとを有する。このように、電力レール電圧及び同期パルスは、2対の同じケーブル(通常では4、5及び7、8)に提供され、これにより、従来のカテゴリ5ケーブル及びRJ-45のEthernet(登録商標)接続が依然として使用され得る。WMTSユニットは、WLANの全ての複数のアクセスポイントに送信するために、レール電圧を受信又は生成して電力と同期パルスとを静電結合する全てのハードウェアを有し、無線装置が1つのアクセスポイントの制御から次に移動したときにスムーズなハンドオフを確保するようにタイミングを同期させる。

Description

本発明は、時分割多重アクセス(TDMA:time division multiple access)を使用して固定の複数の無線局又はアクセスポイントと通信することができるポータブル無線装置に関し、典型的にはアクセスポイントはEthernet(登録商標)型プロトコルIEEE802.3で相互に配線されている。特に、本発明は、TDMAシステムで1つのアクセスポイントから他のものへのポータブル無線装置のハンドオフを容易にするように、複数のアクセスポイントのタイミングを同期させることに関する。説明する方法は、草案標準IEEE802.3AF及びその後続に記載されているパワー・オーバー・Ethernet(登録商標)方式に適合する。
802.3AFは、IEEEの非常に普及して成功している一連の802.3Ethernet(登録商標)標準に対する近年の追加である。802.3AF標準は、同じケーブルを使用したデータ伝送及び電力配送に関するEthernet(登録商標)インタフェースを標準化している。
Ethernet(登録商標)を介した電力配送は、例えば雑音及び/又は他の種類の干渉を追加することにより、データ伝送信号に悪影響を及ぼさないように設計されなければならない。802.3AFでのEthernet(登録商標)標準は、Ethernet(登録商標)装置を接続するために、48VDCの“低電圧”を配送する。
典型的には、通信用インフラストラクチャは、一般的には静止(固定)した複数のアクセスポイント(AP:Access Point)を備えたサーバと、少なくとも1つのAPと無線通信可能な複数の装置(局又はSTA)とを有するIEEE802.3LANの基本サービスセット(BSS:Basic Service Set)を有する。APは、残りのインフラストラクチャに局を接続し、局がインフラストラクチャと通信することを許容する。局は、時分割多重アクセス(TDMA)方式を使用して通信し、この時分割多重アクセス(TMDA)方式は、接続毎に帯域を保証する。
STAの位置の変更は、隣接APの1つへのその無線リンクのハンドオフを必要とする。特に装置がWMTS(Wireless Medical Telemetry Systems)に含まれており、特定の生命徴候を監視するために場合によって患者に取り付けられ得るポータブル装置である場合に、このような装置の切断は、望ましくない結果を有する可能性がある。
ハンドオフの処理は、複数のアクセスポイントの悪いタイミングにより悪影響を及ぼされ得る。このことは、タイミングが適切に同期していない場合、1つのAPから他のものへの無線ポータブル装置のシームレスなハンドオーバを可能にすることが困難になることを意味する。
図1に示すように、サーバ103は、カテゴリ5ケーブル105、106を介したEthernet(登録商標)ローカルエリアネットワーキングを使用して、ローカルエリアネットワーク104を介してアクセスポイント107、115に接続している。次に、アクセスポイントは、一連の移動局105aと無線で交信している。アクセスポイント107はエリア110にサービス提供し、アクセスポイント115はエリア120にサービス提供する。ケーブル105、106は、電力及び同期情報と、データとを運ぶ。
装置/局(STA)105aのうち1つ/いくつかが、AP107の第1のサービスエリア110からAP115の第2のサービスエリア120に移動すると、STA105aのパケットは、新しく関連付けられたAP115にハンドオフされ、この他方のアクセスポイント115と通信するときに105bとしてみなされる。
図1に示す特定の例では、STA105aがその関連のAP107の範囲外に移動すると、AP107からハンドオフされ、115に関連付けられる。APが同期することを確保するための適切な手段が取られない場合には、STAは直ちに通信を中止し、関連付ける他のAPを探さざるを得なくなるため、ハンドオフされたSTAはハンドオフ中にサービス中断及びパケットの損失を被る可能性がある。
ポータブルSTAは、実地調査を定期的に実行する。実地調査は、隣接情報の全体像を提供し、隣接APのリストを有し、リストの隣接APは、ハンドオフが必要な場合にSTAが関連付けようとするものである。ハンドオフは各STAの制御下にあり、受信する信号の品質と、強い(従って良好な)信号が他のAPから利用可能であるか否かとについて、個々に独立した判断を行う。ハンドオフを実行するために、STAはTDMA方式の異なるタイムスロットで新しいAPに接続し、通信を確立し、古いAPとの接続を解放する。これによって、1つのAPから次のものへのシームレスな遷移を実行する。
しかし、APのタイミングが同期していない場合、接続の損失が生じ得る可能性が大きくなる。その結果、例えばWMTSでは、患者が1つの病棟から他の病棟に移送されるときに、受信局との接続が失われた場合にその生命徴候が監視されなくなる。
従って、更なる複雑な回路を必要としないタイミング同期システム、又は大きいコストをシステムに追加しないタイミング同期システムについて、当該技術分野におけるニーズが存在する。
本発明は、特にIEEE802.3AF標準での電力ケーブル構成で使用されるときに、LANの既存のケーブルを使用した時分割多重(TDMA)システムの正確なタイミング同期を提供する。
本発明は、1つのアクセスポイントから他のものへのポータブル無線装置のハンドオフがシームレスに生じ得るように、802.3での複数のアクセスポイントの同期方法を提供する。この方法は、所定数の対が電力及び同期情報を配送するために使用され、他の2つの対がデータを配送するために使用されるような、カテゴリ5(以下“Cat-5”という)ケーブルの特定数の割り当てを有する。
本発明はまた、無線医療遠隔測定システム(WMTS:Wireless Medical Telemetry System)同期ユニット(SU:Synchronization Unit)を提供する。典型的にはSUはRJ-45コネクタのブロックを有し、‘パワー・オーバー・Ethernet(登録商標)ユニット’(スイッチ又はハブに含まれてもよい)を介してEthernet(登録商標)スイッチ又はハブの複数の出力に接続可能な第1の所定数のコネクタは、IEEE P802.3AF標準に適合する。第2の所定数のコネクタは、複数のAP及び/又はスレーブSUに接続され、Cat5ケーブルを介してEthernet(登録商標)データと電力と同期信号とを配送してもよい。SU及びAPのネットワークでは、1つのSUがマスターWMTS同期ユニットと指定され、複数のスレーブSUのそれぞれの適切な‘マスター入力’ソケットに接続する。次に、スレーブSUはAP又は更なるスレーブSUに供給する。
WMTS SUは、10MHz基準周波数を含み、これに限定されない外部の周波数標準を対象としたソケットを有してもよい。従って、所定のSUは、自由に動作してもよく、外部の周波数標準に対するスレーブでもよく、遠隔“マスター”に対するスレーブでもよい。
本発明の1つの利点は、無線医療遠隔測定システム(WMTS:Wireless Medical Telemetry System)の同期が失敗した場合に、電力が依然としてその回路を通じてAPに提供され得るという点にある。更に、個々のスレーブSUは、APの島を同期させて、自由動作を継続することができる。
以下の説明は説明目的に提供されており、限定目的ではないことが、当業者にわかる。本発明の要旨及び特許請求の範囲内にある多数の変更が存在することを、当業者は理解する。本発明の要点をあいまいにしないように、既知の機能及び動作の不要な詳細は、この説明から省略されることがある。
本発明による方法の基本ステップは、以下を有してもよい。
(a)Ethernet(登録商標) LANとネットワークの各固定アクセスポイント(AP)及び/又は近くの同期ユニット(SU)との間、並びにマスターとスレーブSUとの間に接続された少なくとも4対のツイスト線を有するケーブルを構成し、
(b)正のD.C.レール電圧(D.C. rail voltage)を運ぶ4対のツイスト線のうち第1の対を、少なくとも1つのAP又はSUに割り当て、
(c)負のD.C.レール電圧を運ぶ4対のツイスト線のうち第2の対を、AP又はSUに割り当て、
(d)複合信号を供給するように、同期源から生成されて第1及び第2の対のツイスト線の第1の端点に静電結合された一連の同期パルスを、少なくとも1つの第1及び第2の対のレールに提供し、
(e)この少なくとも1つのAP又はSUにより第2の端点で正及び負のD.C.電圧レールでのパルスを検出することにより、生成された同期パルスを再構成する。
以下の説明では、前記のステップを詳しく述べるが、本発明は単に説明目的でこの用途で提供される詳細に限定されないことが強調される。
図2はカテゴリ5ケーブル201(又は“Cat-5”)を示し、通常では色分けされた4つのツイストペアの導線205、207、209、211を有する特定の種類のネットワークケーブルである(それぞれの対は、オレンジ色、茶色、緑色又は青色のようなベタ色を備えた1つの線を有する)。Cat-5ケーブルは、100MHzまでの周波数及び1000Mbpsの速度をサポート可能であり、典型的にはATM、トークンリング、1000Base-T、100Base-T及び10Base-Tネットワーキングに使用される。Cat-5ケーブルがここで使用されるが、少なくとも4対のツイスト線を有し、最小の周波数要件を処理することができる如何なる複数のツイストペアが、相互に複数の静止アクセスポイントを接続するために使用されてもよい。
この用途では、RJ-45コネクタは、図3のコネクタ305及び配線図310で示すように、“ストレート(straight through)”コネクタで配線されている。しかし、配線図360に示すようなクロスオーバ構成がコネクタ355の配線になることも可能である。
RJ-45のピン4、5、7、8は未使用であることが通常である。しかし、IEEE802.3AF標準は、ピン4及び5が相互に接続されて48V電源の正のレールを運び、ピン7及び8が相互に接続されて48V電源の負のレールを運ぶ用法を採用している。本発明によれば、電力及び同期情報は、ネットワーク配線内の同じ導体で送信される。48ボルトは、IEEE802.3AF標準に適合する電力ハブ(Ethernet(登録商標)ハブ又はスイッチと別々でもよく、これに含まれてもよい)により供給される。
本発明によれば、同期パルスは、電力レールに静電結合される。電力レールは、小さいインダクタにより電力ハブから隔離される。この結合方式により、同期パルスは、交互の正及び負の微分パルスとして送信される。パルスレシーバは、48V電源の正及び負のレールでこれらのパルスを検出し、電圧コンパクタ及びD型フリップフロップを使用して同期信号を再構成する。
特にIEEE802.3AF方式で動作し、電力を印加する前に関連のケーブルの端点で正確な負荷の存在を検出するときに、同期パルスは電圧レールの正確な動作に干渉しない。P802.3AF検出システムの妨害を回避するために、電力ハブからの各入力の電力検出回路は、少なくとも200msの間に少なくとも36ボルトが検出された後にのみ、同期パルスが送信されることを確保する。
図4Aは、AP/SUでの同期パルスの線図を示している。図4Aに示す通常の動作では、次の3つのパルス幅が生成可能である。
(1)標準のフレームパルス401は、典型的には150us+/-50usの高い持続時間を有する。
(2)PSCN(Primary receiver Scan Carrier Number)同期パルスではないマルチフレームパルス403は、2ms+/-50usの高い持続時間を有する。
(3)PSCN同期パルスであるマルチフレームパルス405は5ms+/-50usの高い持続時間を有する。
同期信号は、ピン4、5(一緒に)で正の向きに、ピン7、8で負の向きに疑似微分的に送信されてもよい。出力がマスターSU入力又はAPの入力に接続されているときに、パルス振幅は100ns+/-25の隆起時間で2V+/-10%である。
この回路は、2.4kVの絶縁耐力で、標準IEEE802.3セクション14.3.1.1に従って、少なくとも2MオームのDC抵抗に対してWMTS同期ユニットの残りからガルバニック的に(galvanically)隔離される。この隔離はまた、電力ハブ自体について仮定(例えば、何の線にスイッチするか、何のレールを検出のために一般的であるとみなすか等)が行われないことを確保するように、インタフェース間に提供される。
同期パルスは、WMTS又は他の通信システムにおける異なるフレーム長及び搬送波数に適合するように変更されてもよい。
ダウンストリームの同期パルスに問題が存在する場合には、アラームパルス(図4Aの414、図4Bの444)が送信されてもよい。
図5は、本発明によるWMTS同期ユニット(SU)の一部のレイアウトを示している。ここに提示された図は説明目的であり、限定目的でないことが、当業者にわかる。当業者が形状、矢印の数、位置、アイテムの構成又は回路の詳細を変更しても、依然として本発明の要旨及び特許請求の範囲内にあることが明らかである。
まず、WMTS SU500は、低コストで分割チェーン(divider chain)及びパルス生成と、何らかの故障状態を検出する機能とを提供するために、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA:field-programmable gate array)を有することが好ましいため、マイクロプロセッサ又はソフトウェアを必要としない点に留意すべきである。PFGAを有する機能ブロックは、入力調整モジュール632と、分割チェーン及び遅延補償モジュール634と、基準入力選択637と、LEDドライバ639と、周波数ロックループ645とを有する。
この特定の例では、前面パネルに2つのブロックのRJ-45コネクタ505、515が存在する(背面パネル、側面パネル等に存在してもよい点に留意されたい)。下部の12のRJ-45ソケット(AP/SU1〜12)は、AP及び/又はスレーブSUに接続可能である。これらのRJ-45コネクタから生じる信号はEthernet(登録商標)であり、他のSUの‘マスターSU’入力又はAPに接続されると、48ボルト+同期信号である。上部の12のソケット525、530は、IEEE802AF方式に従ってLANで電力を配送する電力ハブ(又はIEEE802.3AF電力方式を有するEthernet(登録商標)スイッチ若しくはハブ)555に接続する。12対のEthernet(登録商標)ソケットのそれぞれと残りのWMTS SUとの間に隔離境界が提供される。
SUはまた、スレーブSUにWMTS同期パルスのみを供給するように設計された‘スレーブSU’と呼ばれる更なる同期出力535を有する(この出力はAPに適用できない)。これは、スレーブSUの‘マスターSU’ソケット545に接続する。スイッチ550は、WMTS SUをマスターモード又はスレーブモードのうち一方に設定する。遠隔マスターのWMTS SUとスレーブWMTS SUの‘マスターSU’入力との間でCat5ケーブルの長さの補償遅延を調整するためのスイッチ又は等価な機能を有してもよい調整ユニット560が含まれる。
WMTS SUは、自由に動作してもよく、外部の10MHz源に対してスレーブでもよく、遠隔マスターに対してスレーブでもよい。10MHz源及び遠隔マスターSU源が共に利用可能である場合、選択は自動的に行われ、SUの出力が後者に対してスレーブになる。大規模設置のひと続きの始めにマスターSUが外部の10MHz周波数から供給され、他のSUがマスターSUからの同期パルスを使用してスレーブモードで動作することが好ましいが、必ずしも必要であるとは限らない。
図6に示すように、電源モジュール610は、+5V、+12V及び-12Vのレールを提供する。WMTS同期ボードの線形サブレギュレータ620は、FPGA及び他のデジタル回路に+3.3B及び+2.5Vを提供する。マスターSU545からの入力電力(ラインレシーバ630)は、それぞれピン4、5及び7、8による+48V及び-48Vを有する。外部10MHz入力信号受信ユニット635は、BNC又は他の同軸接続であることが好ましい。この特定の場合の時間ベースVCXO640は、20MHz+/-15ppmの温度補償・電圧制御水晶発振子を使用するが、当業者はニーズ及びコストに応じて置き換えてもよい。複数のユニットが相互につながれていることを仮定すると、VCXOは、WMTS SUのチェーンにおける中断の崩壊効果を最小化するために、20MHzの周波数ロックループを供給する。
ボックス655(同期パルス注入ユニット)に示すように、電力及び同期パルス情報は、ネットワーク配線内の同じ導体で送信される。ピン4、5及び7、8(又はRJ-45コネクタ)はそれぞれ+48Vレールに相互に接続されており、-48Vレールはコンデンサ656を介して電力レールに静電結合されているため(高周波数パルスはコンデンサからあまりインピーダンスを受けない)、次に小さいインダクタにより電力ハブから隔離される(高周波数はインダクタで高インピーダンスを受けない)。
本発明の要旨及び特許請求の範囲を逸脱することなく、本発明に様々な変更が行われ得る。例えば、カテゴリ5ツイスト線のようなケーブル及びRJ-45のようなコネクタが望ましいが、本発明を実施するためにいずれも必須ではない。線はストレートでもよく、ケーブルのカテゴリは異なってもよい。48ボルトのレール電圧が標準になっているが、標準及び/又は電圧が、何らかの量になり得るように必要に応じて変更されてもよい。ケーブルの線の対の数は4より大きくてもよく、小さくてもよい。RJ-45コネクタが好ましいが、同様の目的を提供するRJ-45コネクタと等価なもの又は後続が使用されてもよい。外部のタイミング源は10MHzより小さい又は10MHzより大きい周波数でもよく、必要に応じて、この10MHzの値の一部からこの倍数までのいずれの範囲になってもよい。接続はBNCコネクタを必要としない。図5及び6に示すアイテムの代わりに、機能的に等価な回路が使用されてもよい。また、図4A及び4Bに示す同期パルスの電圧値及び周波数は、説明目的で提供されており、長さ及び/又は繰り返し周波数で長くてもよく、短くてもよく、電圧で小さくてもよく、大きくてもよい。
2つ以上のアクセスポイントと、特定のアクセスポイントと通信する複数の局/装置とを有するシステム 4つのツイストペアの線を有するカテゴリ5ケーブル 本発明による配線構成を提供する2種類のRJ-45コネクタ 本発明によるAP/SUでの同期パルスの線図 スレーブSUの出力での同期パルスの線図 本発明によるWMTS同期ユニット(SU)の一部のレイアウト 本発明によるWMTS同期ユニット(SU)のブロック図

Claims (22)

  1. Ethernet(登録商標)関係のプロトコルで通信するネットワークにおいて、複数の固定無線アクセスポイント及び/又は同期ユニットのタイミングを同期させる方法であって:
    (a)Ethernet(登録商標) LANとネットワークの複数の固定アクセスポイント(AP)及び/又は同期ユニット(SU)との間に接続された少なくとも4対のツイスト線を有するケーブルを構成するステップと;
    (b)正のD.C.レール電圧を運ぶ前記少なくとも4対のツイスト線のうち第1の対を、少なくとも1つのAP又はSUに割り当て、負のD.C.レール電圧を運ぶ前記少なくとも4対のツイスト線のうち第2の対を、前記少なくとも1つのAP又はSUに割り当てるステップと;
    (c)少なくとも1対の前記第1及び第2の対のツイスト線の第1の端点に複合信号を供給するように、同期源から生成されて前記少なくとも1対のツイスト線に静電結合された一連の同期パルスを、少なくとも1対の前記第1及び第2の対のツイスト線に提供するステップと;
    (d)前記少なくとも1つのAP又はSUにより、前記少なくとも1対のツイスト線の第2の端点で正及び負のD.C.電圧レールでのパルスを検出することにより、生成された同期パルスを再構成するステップと;
    を有する方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、
    それぞれの第1及び第2の対の各線は、それぞれの対のコネクタ及び物理接続のうち1つにより相互に接続される方法。
  3. 請求項1に記載の方法であって、
    LAN電源方式は、草案標準IEEE P802.3AFのうち1つに記載されたものを有する方法。
  4. TDMAシステムで動作する請求項1に記載の方法であって、
    各APは、複数のポータブル無線装置と通信し、
    ポータブル無線装置は、複数のAPの間でハンドオフして、順に複数のAPに関連付け得る方法。
  5. 請求項4に記載の方法であって、
    各APは、WMTS(Wireless Medical Telemetry System)で複数のポータブル装置と通信する方法。
  6. 請求項2に記載の方法であって、
    RJ-45コネクタを介して前記ケーブルを前記AP又はSUに接続することを更に有する方法。
  7. 請求項1に記載の方法であって、
    前記正のD.C.レール電圧は、RJ-45コネクタのピン4及び5に印加される方法。
  8. 請求項1に記載の方法であって、
    前記負のD.C.レール電圧は、RJ-45コネクタのピン7及び8に印加される方法。
  9. 請求項1に記載の方法であって、
    前記少なくとも4対のツイスト線のうち第3の対が、前記APにデータを運ぶことを更に有する方法。
  10. 請求項9に記載の方法であって、
    前記少なくとも4対のツイスト線のうち第4の対が、前記APからデータを運ぶことを更に有する方法。
  11. 請求項1に記載の方法であって、
    前記ネットワークは、1つより多くの同期ユニットを有し、
    前記同期源は、マスターSUから同期パルスを受信するスレーブとして、前記ネットワークで更なるSUを指定するマスターを有する方法。
  12. WLANの複数のアクセスポイントのタイミングを同期させる無線医療遠隔測定システム(WMTS)同期ユニットであって、
    外部タイミング信号を受信する受信ユニットと;
    前記WMTSユニットがスレーブユニットとして指定されたときに、マスター同期ユニットから少なくとも4対の線を有するケーブルを受け入れるように適合された入力ソケットを有し、前記少なくとも4対の線のうち2対は、前記マスター同期ユニットからの同期パルスを有するラインレシーバと;
    電力ハブからレール電圧を受信し、所定の電圧レベルの出力を提供するように適合された電力モジュールと;
    前記WMTSがマスター同期ユニットであるときに、同期パルスを生成する同期源ユニットと;
    共通の2対の線で同期パルスとレール電圧とを送出し、前記同期パルスは前記共通の2対の線で前記レール電圧に静電結合される複数の同期パルス注入ユニットと;
    を有する同期ユニット。
  13. 請求項12に記載の装置であって、
    前記ソケットは、カテゴリ5ツイスト線ケーブルに接続されたRJ-45コネクタを受け入れるように適合された装置。
  14. 請求項12に記載の装置であって、
    プロセッサ又はマイクロプロセッサの代わりのフィールド・プログラム・ゲート・アレイ、LEDドライバ及び周波数ロックループ制御機能を有する装置。
  15. 請求項12に記載の装置であって、
    データの出力及び同期パルスを1つ以上のスレーブ同期ユニットに提供するように適合された出力コネクタのブロックを更に有する装置。
  16. 請求項12に記載の装置であって、
    データの出力と、レール電圧の組み合わせと、静電結合された同期パルスとを、複数のアクセスポイントに提供するように適合された出力コネクタのブロックを更に有する装置。
  17. 請求項12に記載の装置であって、
    マスター/スレーブ選択スイッチを更に有する装置。
  18. 請求項12に記載の装置であって、
    使用されるケーブルの長さを補償するケーブル遅延調整ユニットを更に有する装置。
  19. 請求項12に記載の装置であって、
    前記同期パルス注入ユニットは、前記同期パルスを電力レールに接続された電力ケーブルに結合する容量性要素を有する装置。
  20. 請求項15に記載の装置であって、
    前記出力同期パルスは、少なくとも1つの標準のフレームパルスを有する標準フのレームパルスと、PSCN(Primary receiver Scan Carrier Number)同期パルスではないマルチフレームパルスと、PSCN同期パルスを有するマルチフレームパルスとのうち少なくとも1つを有する装置。
  21. 請求項16に記載の装置であって、
    前記レール電圧は、同期パルスの失敗が生じた後に、前記コネクタを介して前記アクセスポイントに出力され続ける装置。
  22. 請求項16に記載の装置であって、
    前記同期パルスは、所定のレール電圧が検出された後にのみ出力される装置。
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