JP2010503305A - タイムトリガ通信用インテリジェントスターカプラ及びタイムトリガプロトコルを用いるネットワーク内のノード間で通信を行う方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、タイムスロットに基づく時間駆動プロトコルを用いるネットワーク内で複数のノードに接続されたスターカプラに関するものである。本発明は更に、少なくとも１つのノードを有するクラスタを含むネットワークにも関するものである。本発明は更に、時間駆動プロトコルを用いるネットワーク内のノード間で通信を行う方法にも関するものである。帯域幅を増大させることができるとともに、関連のデータを通信するための伝搬遅延を低減させて通信を行いうるようにしうるスターカプラを提供するために、複数の入力ブランチ及び複数の出力ブランチを有するスイッチ（２２）を具えるとともにこのスイッチ（２２）を制御するスイッチコントローラ（２３）が設けられているスターカプラであって、このスターカプラが更に、プロトコルタイミングに関する知識を取り出して、あるタイムスロット中に少なくとも１つの予め決定した出力端にデータを選択的に転送するのに前記知識を用いるようにする手段（２４、２５）を具えている当該スターカプラを提供する。

Description

本発明は、タイムスロットに基づくタイムトリガプロトコルを用いるネットワーク内の複数のノードに接続されたスターカプラに関するものである。本発明は更に、少なくとも１つのノードを有するクラスタを具えるネットワークに関するものである。本発明は更に、タイムトリガプロトコルを用いるネットワーク内のノード間で通信を行う方法に関するものである。

信頼性のある自動通信ネットワークは代表的に、予め決定したＴＤＭＡの状況に応じた放送法に基づくFlexRay のＴＴＰ／Ｃのような時間駆動（タイムトリガ）型の通信プロトコルに依存している。時間駆動型のプロトコルは、例えば、自動車産業で用いられているような配分式の実時間通信に対して提案されている。この種類の通信プロトコルは、学術論文FlexRay - A communication System for advanced automate Control Systems, SEA world congress 2001に記載されている。

これらのシステムでは、媒体（メディア）アクセスプロトコルは、システム設計に際して予め規定された一定の通信時間スケジュールを有するＴＤＭＡ（時分割多元接続）のような時間駆動型の多重法に基づいている。この通信時間スケジュールは、各通信ノードに対し、この通信ノードが通信サイクル内でデータを伝送しうる時間点を規定する。このようなネットワークには、複数の異なる通信クラスタを設けることができる。各クラスタは、種々のトポロジーにおいて相互接続される少なくとも１つのノードを有している。この場合、アクティブスターカプラを有するトポロジーが適切である。

アクティブスターカプラは、複数のノードが接続されている装置である。スターカプラは一般に、その入力ブランチの１つで受けた情報を、接続された他の全てのノード又はサブネットに転送する。複数のデータ流が一斉に到来する場合には、最初に到来するデータ流が用いられる。この概念はセントラルバスガーディアンと組み合わせることができる。

セントラルバスガーディアンには一般に、通信クラスタスケジュールを取り出す機能を減らしたプロトコルエンジンが設けられている。このセントラルバスガーディアンは、通常の通信に妨害を及ぼす故障を阻止するための種々の保護測定を実施する。このセントラルバスガーディアンは一般に、通信スケジュールの各タイムスロット中に、予め決定したブランチの情報を転送し、これによりチャネルを不正通信から保護するだけである。セントラルバスガーディアンは、独立した時間基準を有しており、このセントラルバスガーディアンには、通信ノードに対し予約されたタイムスロット中と、これらのタイムスロットの前後の短い公差領域中とのみに媒体に正しいアクセスを行いうるようにするスケジューラが設けられている。バスがセントラルバスガーディアンを有し、これに対し予約された期間外で、データバスのアクセスを試みる通信ノードが確立される場合には、このセントラルバスガーディアンがこのアクセスを停止させ、この状態を報告し、この通信ノードによる更なるアクセスを永久的に阻止する。従って、通信ノードのフェールサイレント（故障時に何の信号も送らない）特性が確立される。セントラルバスガーディアンを用いることにより、割り当てられたタイムスロット外で常に伝送する“バブリングイディオット（babbling idiot）”としても知られた単一の欠陥ノードを阻止しうる。

通常のスターカプラの概念は、単一のネットワーククラスタに適用するためのものである。スターカプラはデータを物理レベルで転送し、これにより、接続された全てのノードがネットワークのいかなる出力ブランチにおいて同じデータを受けるようにする。プロトコルの観点からは、バストポロジーとスタートポロジーとの間に相違はない。従って、クラスタで得られる全帯域幅は、時間駆動されるプロトコルが何を許容するかによって制限される。

しかし、次世代の高速プロトコルは、帯域幅を大きくするが、標準化、開発及びフィールドテストにおいて更なる努力を必要とする。更に多くのノードに作用するように帯域幅のフアシリティを高めたクラスタは、多くの場合、少ないノードに作用するように帯域幅のフアシリティを低めたクラスタよりも、伝送速度を高めることにより故障を生ぜしめる可能性を高めるとともに、故障伝搬に対する影響を一層受けやすくなる。

この帯域幅の必要性に対する一見して容易な他の解決策は、別々のクラスタを規定し、ゲートウェイを用いてこれらのクラスタを相互接続する方法である。しかし、通常のゲートウェイは、時間駆動される帰属の通信クラスタを同期化するのに複雑なアルゴリズムを用いる必要もあり、しかもこの場合、通信されたメッセージの伝搬遅延が著しく増大するのを受け入れる必要がある。現在、安全性に関連したアプリケーションに対するタイムクリティカル通信はこれらの制限の為にゲートウェイを通過し得ない。従って、安全性に関連したアプリケーションが動作している自動車用ネットワーク内に通常のゲートウェイを適用しえない。

既知のスターカプラの概念は、接続されたブランチの１つ以上をクラスタの残りの部分から分断しうるが、並列の個々のブランチの分離動作を支援しない。

米国公開特許US2005/0094674A1の明細書には、複数の通信ノードが２地点間接続を介して接続されるアクティブスターカプラが開示されている。通信ノードにより伝送されるデータは、スターカプラにおける配分ユニットを用いて他の全ての通信ノードに送られる。

米国公開特許US2005/0094674A1

FlexRay - A communication System for advanced automate Control Systems, SEA world congress 2001

帯域幅及び遅延に限界がある為、本発明の目的は、帯域幅を増大しうるとともに関連のデータを通信するための伝搬遅延を少なくして通信しうるようにするスターカプラを提供することにある。

この本発明の目的は、独立請求項に記載した特徴事項により解決する。
特に、本発明の目的は、タイムスロットに基づく時間駆動型のプロトコルを用いるネットワーク内の複数のノードに接続されたスターカプラであって、このスターカプラは、複数の入力ブランチ及び複数の出力ブランチを有するスイッチと、このスイッチを制御するスイッチコントローラと、データをあるタイムスロット内で少なくとも１つの予め決定した出力に選択的に転送するのに用いる、プロトコルタイミングに関する知識を取り出す手段とを具えているスターカプラにより達成される。

本発明は、いかなるポートにもおける到来データを他の全てのポートに配分するように容易に設定しうる、いわゆる切換式のスターカプラ又はインテリジェントスターカプラを提供するという考えに基づくものである。本発明のインテリジェントスターカプラは、通常のアクティブスターカプラのあらゆる特徴、例えば、耐故障性（フォールトトレラント）のために複数の冗長カプラを適用したり、ノード間の同期を達成したりするような特徴を有している。

本発明の切換式のインテリジェントスターカプラを用いることにより、得られる全帯域幅は大きくなる。その理由は、通信の流れの一部が、互いに妨害を受けることなく並列に転送されうる為である。又、故障伝搬に対する保護を良好にすることもできる。その理由は、通信の流れを分断し、到来データを選択的に転送しうる為である。

本発明の目的は、タイムスロットに基づく時間駆動型プロトコルを用いるネットワーク内のノード間で通信を行う通信方法であって、この通信方法が、スターカプラの入力ブランチで入力データを受ける工程と、この入力データ内の通信要素を復号し、通信クラスタスケジュールをこれらの通信要素から取り出す工程と、通信クラスタスケジュールをスイッチコントローラに提供する工程と、複数の入力ブランチ及び複数の出力ブランチを有するスイッチをタイムスロットに基づいて制御する工程とを具え、前記スイッチが、前記スイッチコントローラに応じて、各入力ブランチを１つ又は複数の出力ブランチに接続し、複数の入力ブランチを同じタイムスロット内でアクティブとしうるようにする通信方法によっても達成される。

本発明の更なる構成及び実施例は、それぞれの従属請求項に記載してある。

本発明によれば、他の関連する構成素子のハードウェア又はソフトウェアを変更することなく、クラスタの可能な帯域幅を増大させるインテリジェントスターカプラを提供するものである。従って、異なる通信領域に亘って複雑な解決策に頼ることなく、しかもこれらの通信領域を拡張可能なゲートウェイを用いて相互接続することなく、単一の通信クラスタに多くのアプリケーションを割り当てることができる。更に、如何なるゲートウェイをも用いることなく、伝搬遅延が低減される。

本発明によれば、スイッチコントローラにより制御されるスイッチをアクティブスターカプラに加える。このスイッチコントローラは、プロトコルエンジン及び通信スケジュールユニットから情報を受ける。この情報には、どのタイムスロットで、どの入力ブランチが、どの出力ブランチに接続されるかを含んでいる。これにより、ｎ個のブランチがインテリジェントスターカプラに取り付けられている場合に、通信クラスタのデータ処理能力がほぼｎ倍に劇的に増大する。更に、本発明は、通信クラスタに対し完全に下位互換性がある。又、本発明は、通信媒体に対する保護を拡大し、これにより安全関連のアプリケーションに対し完全に用いうるようになる。更に、本発明によれば、異なるクラスタを１つに論理的に組み合わせることにより、複数の時間駆動クラスタを互いに容易に且つ直感的に接続する困難な問題を解決する。本発明は特に、FlexRay プロトコルに適用しうる。

インテリジェントスターカプラは、セントラルバスガーディアンに含まれる全ての機能をほぼ有している。従って、本発明のスターカプラはセントラルバスガーディアン内に一体化しうる。しかし、本発明のスターカプラは完全にこのスターカプラのみで動作するように、すなわち、セントラルバスガーディアンに代えて動作するようにしうる。

本発明のスターカプラの最も重要な構成素子の１つとして、本発明のスターカプラは、通信スケジュール内の位置を取り出す手段を有する。更に、スターカプラは、通信スケジュールが確立する前では放送モード（先着順サービス）で動作する必要がある。特に、スターカプラはクラスタ内の他のノードよりも高速に通信クラスタスケジュールを取り出しうるようにするのが有利であるが、このことは必要条件ではない。

更に、タイムスロット数に応じてスイッチを切り換えるようにするのが有利である。しかし、幾つかのプロトコルは、同じタイムスロット内であるが異なるサイクルで入力ブランチを出力ブランチに種々に接続するのに用いうる、サイクル数のような追加の識別子を有する。従って、接続の切り換えを異なるサイクル数で異ならせることができる。

図１は、本発明に用いるクラスタ内に複数のサブネットを有するネットワークを示す線図である。 図２は、本発明によるノードの設定を示す線図である。 図３は、本発明によるインテリジェントスターカプラの構造の一実施例を示すブロック線図である。 図４ａは、スイッチの設定スケジュールの一例を示す線図である。 図４ｂは、スイッチの設定スケジュールの他の例を示す線図である。 図４ｃは、スイッチの設定スケジュールの更に他の例を示す線図である。 図５は、本発明によるダイナミックプロトコルセグメントに対する解決策を示す線図である。

本発明を以下に添付図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に用いるネットワークを示す。この図１に示すクラスタは、多数のサブネット（Ａ〜Ｄ）に分割されており、各サブネットは接続トポロジーのパッシブバス又はアクティブスターカプラによりサポートされている。これらのサブネットは、インターサブネット通信に対して設けられるインテリジェントスターカプラ１１により相互接続されている。図１では、数個のサブネットＡ〜Ｄがインテリジェントスターカプラ１１に接続されている。これらのサブネットＡ〜Ｄは互いに異なるトポロジーを有する。特に、サブネットＢはパッシブバスを有することを示している。サブネットＣは、スターカプラを有するハイブリッドトポロジーと、パッシブバストポロジーとを具えている。サブネットＤはアクティブスタートポロジーを具え、サブネットＡは１つのみのノードを有する。当然、任意の個数のサブネットを接続しうるものである。ネットワークに用いられているプロトコルに応じて、１つのみのサブネットが１つの通常のアクティブスターカプラを有しうるようにトポロジーを制限しうる。

このようなサブネットに用いられるノードｎを、図２を参照して詳細に説明する。代表的な耐故障性で時間駆動型のネットワークは、２つ以上の通信チャネルより成り、これらの通信チャネルにノードが接続されている。これらのノードｎの各々は、バスドライバ１７と、通信コントローラ１５と、各バスドライバに対するバスガーディアンデバイス１４及びホストアプリケーション１３とより成る。バスドライバ１７は、通信コントローラ１５が生じるビット及びバイトを、その接続されたチャネルに伝送するとともに、チャネルＡ及びＢから受ける情報を、通信コントローラ１５に供給する。通信コントローラ１５は双方のチャネルに接続されており、関連のデータをホストアプリケーション１３に供給するとともにこのホストアプリケーション１３からデータを受けてフレームにアセンブリングして、バスドライバ１７に供給する。サブネット内でのノードの具現化は本発明に関連するものではない。このようなノードの設定は、本発明を全体的に理解するのを良好にするだけの目的でのみ説明するものである。本発明は、説明したノード内に回路要素が存在するかしないかによって限定されるものではない。通信コントローラ１５には、いわゆるプロトコルエンジン１８が含まれており、このプロトコルエンジンは、レイヤー２アクセスプロトコルに対する機能をノードｎに提供する。本発明にとって最も重要なのは、予め決定したＴＤＭＡスキームで、すなわち、通信スケジュールをもって媒体をアクセスする機能である。クラスタ内の各ノードｎに対する通信スケジュールは、ネットワークでデータを伝送する際に、ノードｎ間にコンフリクトが生じないように設定する必要がある。バスガーディアンデバイス１４は、独立したコンフィギュレーション（設定）データセットを有するデバイスであり、このコンフィギュレーションデータセットはこれにより特定されるスロット中のみにバスで伝送を行いうるようにする。ホストアプリケーション１３は、データソース及びデータシンクを有し、一般にはプロトコルアクティビティと関連しない。ホストアプリケーション１３によっては、通信コントローラ１５がそれ自体で達成できない決定のみが行われる。

多くの場合、通常のアクティブスターカプラがクラスタ内のノードｎを接続する。その目的は、ノードｎがパッシブバスを介して接続されている状態に比べて、通信ライン上の信号品質を改善することにある。通常のアクティブスターカプラは、１つのクラスタ内で接続されるノードｎをパッシブバスよりも多くしうる。更に、通常のアクティブスターカプラは、クラスタを介する故障の伝搬を制限するために、故障中のノードｎをクラスタから分離する可能性を与える。通常のアクティブスターカプラは、選択された１つの入力ポートから全ての出力ポートに同時にデータを転送する物理レベルで動作する。プロトコルレベルでは、バストポロジーとスタートポロジーとの間に相違はない。

ノードｎ間の同期は、ネットワークに対する時間駆動型のＴＤＭＡに基づくアクセスを可能にするための必須条件である。それぞれのノードｎは独自のクロックを有しており、これらのクロックの時間基準は元来等しくするものであるが、温度及び電圧の変動や、製造誤差により、他のノードｎと異なるおそれがある。

各ノードｎ内の通信コントローラ１５は同期機構を有しており、この動機機構で、ノードｎがこれらの帰属のチャネルに対しリッスン（待ち受け）するとともに、同期を達成する、又は、共通クロックレート及びオフセットを制御するようにする。

１つのクラスタにおけるネットワークの起動は、１つのノードがクラスタにおける通信サイクルを開始し、他のノードがこれに応答する、いわゆるコールド起動ノードにより行われる。この１つのノードは、可能性のある複数のノードのうちのどのノードが起動を実行するかを決定する設定又はあるアルゴリズムにより選択される。現存するスケジュールが検出できない場合には常に、このアルゴリズムは一般に、帰属のチャネルを介して伝送されるフレーム又は同様な機構より成る。従って、コールド起動ノードの通信コントローラ１５は全ての帰属のチャネルに対しリッスンする必要があるとともに、その起動データを全ての、場合によっては冗長であるチャネルで同時に伝送する必要がある。通信コントローラ１５内には、起動用の１つのみの信号制御論理回路（プロトコルエンジン）１８が全ての帰属のチャネルに対して設けられている。クラスタ内の各ノードはその帰属のチャネルに対しリッスンしている。ノードは、起動を表す特定のフレーム、又は同様な機構を受けると、注視している通信からタイミングスキームを採用し、システムに入り込む。

上述したクラスタには、セントラルバスガーディアン（図示せず）を加えることができる。この場合、クラスタをそれぞれの単一のノード又はサブノードに分割し、これらをセントラルバスガーディアンに接続する。このセントラルバスガーディアンには、そのクラスタの通信スケジュールに関する情報であって、この通信スケジュールのタイムスロット中にそのどのブランチがデータを他のブランチに伝送しうるかに対する情報が予め設定されている。又、ある実施を行うことにより、設定中の誤接続を回避するために、バスガーディアンが、最初の学習フェーズ中にそのどのピンをどのブランチに接続するかに関する知識を獲得するようにしうる。又、セントラルバスガーディアンは、そのブランチから受ける情報から通信スケジュールを決定する論理回路をも有する。この論理回路は通常、ある点の機能を減らし、異なる種類の故障に対する保護（例えば、起動を行えないブランチからの不正起動の試みに対する保護や、合法的な何かよりも長い伝送に対する保護等）機能を追加したプロトコルエンジンである。

図３に、本発明によるインテリジェントスターカプラを示す。このインテリジェントスターカプラは、複数の入力ブランチ及び複数の出力ブランチを有するスイッチ２２を具えている。スイッチ２２は、このスイッチ２２内で入力ブランチから出力ブランチへの接続を制御するスイッチコントローラ２３に接続されている。更に、通信要素を復号する簡易プロトコルエンジン２４がある。これらの通信要素は、プロトコル仕様に規定された信号列である。FlexRay プロトコルの場合、通信要素に、例えば、ウェークアップパターンと、コリジョン（衝突）回避シンボルと、同期及び起動フレームと、データフレームとが含まれている。クラスタは、スロット等に分割された種々のセグメントより成る予め設定した通信スケジュールを有する。FlexRay プロトコルでは、タイムスロットを単一のノードのみに割り当てることができ、スイッチ２２は、複数のノードがタイムスロット内で伝送を行いうるようにする。この通信スケジュールは、種々のノード及びインテリジェントスターカプラ１１内に予め設定する必要がある。クラスタの起動中、ノードは、サイクルの開始時に、従って、基本的にタイムスロットの位置に一致する。インテリジェントスターカプラは、何れかの所定のタイムスロットに対しどのブランチを他のどのブランチに接続する必要があるかの先験的な知識を有するが、現在どのタイムスロットであるかの知識は有していない。この場合、プロトコルエンジン２４は、通信要素を復号し、これから通信スケジュール内の現在の位置を取り出し、この情報を通信スケジュールユニット２５及びスイッチコントローラ２３に提供し、これに応じてこのスイッチコントローラ２３がスイッチ２２を設定しうるようにする役割を有する。

簡易プロトコルエンジン２４は常に、復号された通信要素に基づいて、通信スケジュールにおける現在の位置（すなわち、現在どのタイムスロットであるか）を導出する。この情報は、通信スケジュールユニット２５に与えられる。この通信スケジュールユニット２５は、各タイムスロットに対し、１つ以上の出力ブランチへの入力ブランチの必要とする接続を規定するマトリックスを有している。通信スケジュールユニット２５は、このマトリックスと、適切なスイッチング時間とをスイッチコントローラ２３に供給する。このマトリックスは、予め決定したタイムスロットに対し、どの入力ブランチを１つの又は複数の出力ブランチに接続するかの情報を有する。更に、入力ブランチには、アクティビティ検出ユニット２６がある。これらのアクティビティ検出ユニット２６は特に、通信クラスタスケジュールが設定されていない期間中に用いられる。この期間中、アクティビティ検出ユニット２６が入力ブランチを監視し、アクティビティ情報を、スイッチ２２を制御するスイッチコントローラ２３に供給する。更に、出力ブランチには、以下に説明するビット再整形ユニット２７が存在する。

インテリジェントスターカプラ１１は、通常のスターカプラに基づくものであり、プロトコルのタイミングに関する知識を取り出すための、従って、あるタイムスロット中に送られてくるメッセージを特定の出力ブランチに選択的に転送する能力を有する追加の手段２４及び２５を有している。通常のアクティブスターカプラと相違し、１つのタイムスロット中に１つよりも多い入力ブランチをアクティブ（能動状態）としうる。この特徴により、通常のアクティブスターカプラにより得られる保護を低減させることなく、得られる帯域幅を増大させる。

図３では、データの流れを矢印で示している。スターカプラ１１の左側から右側への矢印による入力ラインの接続は、出力ブランチへのデータ接続のためのものである。スイッチ２２の種々の素子を以下に詳細に説明する。アクティビティ検出ユニット２６はインテリジェントスターカプラ１１の入力側に設けられている。インテリジェントスターカプラ１１がまだ通信スケジュールに同期されていない間は、アクティビティ検出ユニット２６は“先着順サービス”の態様で劣ったサービスを提供しうる。どの入力ブランチが最初に起動されたかが全ての出力ブランチに提供される。これらのアクティビティ検出ユニット２６は、FlexRay ダイナミックプロトコルの部分中にも用いうる。しかし、アクティビティ検出ユニット２６は必須の特徴部ではない。その理由は、インテリジェントスターカプラ１１がまだ通信スケジュールに同期されていない期間を管理する他の手段を存在させうる為である。

スイッチコントローラ２３はスイッチ２２を制御し、これにより、所定のタイムスロット中にスイッチ２２のどの入力ブランチをどの出力ブランチに接続するかを決定する。このスイッチコントローラ２３は、アクティビティ検出ユニット２６と通信スケジュールユニット２５との双方から情報を受ける。上述したように、スイッチコントローラ２３は、通信スケジュールがまだ確立されていない間、スイッチ２２を設定するためにのみアクティビティ検出ユニット２６を用い、通信スケジュールが確立されると直ちに、アクティビティ検出ユニット２６を無視する。

インテリジェントスターカプラ１１のプロトコルエンジン２４は一般に、サブネット内のノードｎの全ての他の通信コントローラ１５がそうであるように、入力ブランチに接続されたサブネットにより交換される全ての同期情報（すなわち、同期／起動フレーム）を受ける必要がある。従って、このようなフレームがサブネットの１つに伝送されている時には常に、このフレームがこのフレーム自身のサブネットを除いた他の全てのサブネットに転送される。その理由は、第１に、このフレーム自身のサブネットには元のノードによりこのフレームが既に伝送されており、第２に、このようにしないと混信を生ぜしめる為である。プロトコルエンジン２４は、本例の設置形態では１つの出力ブランチのみに帰属しており、従って、同期フレームがこの出力ブランチに伝送されないと、プロトコルエンジン２４はこの同期フレームを受けることがない。この同期フレームを受けうるようにするためにも、追加のスイッチ２８を加えて、同期フレームをプロトコルエンジン２４に転送しうるようにするが、この同期フレームを生じたサブネットにはこの同期フレームが実際に伝送されないようにする。

この構成に対する変形例（図示せず）では、追加の出力端をスイッチ２２に加え、これにより、スイッチ２２をｎ×ｎスイッチからｎ×（ｎ＋１）スイッチに大きくする。この場合、この追加の出力端を、追加のビット再整形ユニットを有する又は有さない簡易プロトコルエンジン２４に接続する。

スイッチ２２は、適宜に各入力ブランチを１つ以上の出力ブランチに接続することができる。しかし、必ずしも複数の入力端を１つの出力ラインに接続することができない。スイッチ２２の好適な構成例は、アナログクロスバースイッチである。或いはまた、他の構成のスイッチを用いることができる。これらの他の構成のスイッチを以下に説明する。しかし、これらの他の構成のスイッチにより用いられる伝搬遅延は最小に保つ必要がある。その理由は、ＴＤＭＡ通信クラスタにおけるエンドツーエンド伝搬遅延が、有効に用いられる帯域幅に直接影響を及ぼす為である。

ビット再整形ユニット２７は、代表的な物理層効果により歪まされた通信要素を再生させるために適切なアルゴリズムを用いる。これらのアルゴリズムは、例えば、プロトコルの通常の復号化アルゴリズムを介する通信要素の復号化（FlexRay の場合、オーバーサンプリング、多数決及びビットストローブ）であって、これに続いて、得られたビット流を符号化するものである。実際には、信号はデジタル形態に戻るように変換され、その後明確に再生される。ビット流に影響を及ぼす代表的な物理層効果は、例えば、電磁放射、トランシーバ内のロー／ハイ及びハイ／ロー遷移、反射等である。上述したビット再整形により、信号が複数のスターカプラを通る場合に生じるおそれのある非対称性の累積を回避する。ビット再整形ユニット２７は、設けるのが随意の構成素子である。従って、インテリジェントスターカプラ１１は、ビット再整形ユニット２７がない状態でも動作させることができる。更に、ビット再整形ユニット２７はスイッチ２２の前に、又はアクティビティ検出ユニット２６の前にも配置することができる。特に、クロック式スイッチは、ビット再整形ユニットをスイッチの前に配置する場合に有利である。

簡易プロトコルエンジン２４は、通信要素を復号しうるとともに、これからクラスタの同期情報を取り出しうるプロトコル依存ユニットである。このプロトコルエンジン２４は一般に標準のプロトコルＩＰを用いることができるが、このプロトコルエンジン２４は実際にデータを送る必要がなく１つのみのチャネルに接続されるという事実を反映させるために、このプロトコルエンジン２４を機能的に縮小させることができる。このプロトコルエンジン２４は通信スケジュールユニット２５に、プロトコルが現在入っているのがどのタイムスロットであるかに関する必要情報を供給する。特に、このプロトコルエンジン２４は１つのみの出力ブランチに接続されている。しかし、このようにすることで充分である。その理由は、クラスタ通信スケジュールが得られないか又はクラスタが同期されていない時間中は、最初に到来する入力ブランチが全ての出力ブランチに接続されるようにスイッチが動作している為である。従って、第１の出力ブランチは１つの入力ブランチで受けるデータをも受ける。

通信スケジュールユニット２５は、どのタイムスロット中にどの入力ブランチをどの出力ブランチに接続する必要があるかを含む通信スケジュールマトリックスを有している。この通信スケジュールマトリックスは、あるタイムスロット中にアクティビティ検出を再び用いる必要があるということを表すこともできる。これにより、保護する必要がないスケジュールの専用セグメントにダイナミックスロットを用いうるようにする。データの流れは、ビット再整形ユニット２７の前でも観察又はモニタリングしうる。

スイッチ設定を以下に図４ａ〜４ｃを用いて詳細に説明する。クロスポイントマトリックスの設定はあらゆる通信タイムスロットに対し変更することができる。図４ａ〜４ｃは、４×４のインテリジェントスターカプラに対する設定スケジュールの例を示す。図４ａでは、特定のタイムスロット中、サブネットＡからの入力ブランチで受けた全てのデータをサブネットＢ、Ｃ及びＤの全ての他の出力ブランチに転送する通常のスロット使用によるマトリックスを示している。図４ａの例は、クラスタ内で同期が達成される前の時間の間有効である。

図４ｂは、サブネットＤをサブネットＢと接続するのと並列に、サブネットＡをサブネットＣと如何に接続するかを示す。この場合、このタイムスロットで得られる帯域幅を能動的に２倍にする。２つの入力ブランチは同じタイムスロット中で並列にアクティブ（能動的）となること容易に認識しうるであろう。１つよりも多い入力ブランチのこのような並列なアクティビティは通常のスターカプラでは可能とならない。

図４ｃの例は、特定のタイムスロット中に、サブネットを他のサブネットから如何にして完全に分離しうるかを示している。図４ｃに示す例によれば、サブネットＢが情報をサブネットＣ及びＤに伝えている間に、サブネットＡが他のサブネットにとって関心のない何かを内部的に通信しうる。従って、このタイムスロット内で得られる帯域幅は事実上２倍となる。

この設定によれば、情報を必要とするサブネットに、これらの情報を供給することにより、各タイムスロットで最適な帯域幅の利用を達成しうる。極端な場合、インテリジェントスターカプラ１１により全てのサブネットＡ〜Ｄを互いに完全に分離させ、帰属のサブネットをｎ個とした場合に理論的に最大で通常の帯域幅のｎ倍の帯域幅を達成しうる。

上述した説明は、単一の通信チャネルのみに対応したものである。しかし、本発明は、多重チャネルを用いる通信システムに対しても用いうること当然である。その理由は、本発明によれば、これらのチャネルに如何なる条件をも課さない為である。従って、本発明は、単一チャネルシステム及び多重チャネルシステムの双方に用いうる。多重チャネルシステムを用いる必要がある場合には、得られるチャネルのサブセットのみに又は全てのチャネルに対してインテリジェントスターカプラを用いることができる。これらのインテリジェントスターカプラは互いに通信する必要がなく、多重チャネルに用いるように適合するために変更する必要がない。しかし、多重チャネルの場合には、スイッチ２２のみを、場合によっては、アクティビティ検出ユニット２６及びビット再整形ユニット２７をも多重形成する。その理由は、これらの多重素子を１つのプロトコルエンジン２４と、１つの通信スケジュールユニット２５と、１つのスイッチコントローラ２３とのみにより制御しうる為である。特に、これらの３つの素子２４、２５及び２３は、単一チャネルの場合に且つ多重チャネルの場合にも１つの回路ブロック内で組み合わせることができる。

従って、本発明は、ユーザに気づかれずに現存のシステム内に一体化することができ、単一障害点を導入することがない。

上述したように、インテリジェントスターカプラに対し、多数の異なるスイッチ構成を用いることができ、これらのスイッチ構成を以下に詳細に説明する。好適な解決策は、アナログクロスバースイッチであるが、本発明は種々の構成のスイッチをも包含するものであること明らかである。

図３に示す構造は、出力ブランチでビット再整形を行うアナログクロスバースイッチを示す。この構造によれば、伝搬遅延が最小で明らかに再生された出力信号を生じるが、これにより通信クラスタの精度に影響を及ぼさない。アナログクロスバースイッチは、小型の２×２スイッチからも構成しうること勿論である。

或いはまた、デジタルクロスバースイッチを用いることができる。デジタルクロスバースイッチは入力クロックを有し、クロックエッジのみにおける出力値をその入力に対し整列させる。出力ラインにおける信号品質を良好にするには、このクロックをビットクロックよりも高速にする必要がある。FlexRay プロトコルの場合、８倍よりも多いオーバーサンプリングを有するクロックが最小である（FlexRay サンプルクロック速度）。このようなデジタルクロスバースイッチでは、ビット再整形ユニットをスイッチの前に配置するのが極めて有利である。スイッチの前でビットを発生させることにより、オーバーサンプル値を、スイッチを介して供給する必要性を低減させる。発生されたビット値に対しては深さの小さい小型のＦＩＦＯで充分である為、スイッチをビットクロック速度でのみクロック制御でき、従って、構成費用を低くしうる。しかし、このような解決策は、関連のプロトコルのクロック補正アルゴリズムを妨害し、これにより精度を悪化させ、これにより得られる帯域幅を事実上低減させるおそれがある。伝送間の安全間隔を増大させることにより、影響を計算してクラスタ内に設定し、得られる帯域幅が僅かに減少されることを除いて機能的な悪化が生じないようにしうる。

更に、メモリスイッチを用いることができ、単一のメモリスイッチにも原理的に、デジタルクロスバースイッチに対する上述した説明を適用しうる。ＦＩＦＯ及びクロスバースイッチに代えて、中央メモリにあらゆるサンプルを書き込むようにする。この場合も、ビット再整形ユニットをスイッチの前に配置することにより、メモリアクセスに関する負荷を著しく低減させ、これにより構成費用を低減させることができる。

本発明によるスターカプラは特に、FlexRay プロトコルと組み合わせて用いることができる。FlexRay プロトコルは、安全性に関連しない通信に対するダイナミックプロトコルセグメントを用いる。この場合、得られる帯域幅をより有効に用いるために、ダイナミック仲裁スキームを用いる。伝送のないスロットは最小限に短くされ、伝送のあるスロットは伝送されたフレームを囲んでしっかり設定される。従って、スロットの長さは、全てのスロットに対し等しくない。更に、スロットの長さは、スロットが開始したり、終了したりする際には、前もって分からない。

本発明によるスターカプラをダイナミックプロトコルセグメントに対し用いると一般に、スイッチ２２の切り換えを複雑にする。その理由は、スロットの長さが随意である為である。事態を一層悪くするに、ノードに含まれるスロットは、全てのノードが帰属の信号ラインで同じ情報を見るという仮定に基づいている。サブネットが分断されると、これらのスロットは迅速に同期外れとなり、相互通信を阻止する。従って、このダイナミックプロトコルセグメントは、通信サイクルのスタティックプロトコルセグメントとは異なるように処理し、これによりインテリジェントスターカプラの機能性がこの場合も改善されるようにする必要がある。ダイナミックプロトコルセグメントにおいても本発明のスターカプラを用いる際の問題を解決するためには、３つの異なる解決策がある。各解決策は、インテリジェントスターカプラに更なる機能性を加えるものである。

第１に、本発明のインテリジェントスターカプラ１１を用いた場合、ダイナミックプロトコルセグメントで依然として通信を行ないうるようにすることを保証する必要がある。従って、このダイナミックプロトコルセグメントに対しては、通常のアクティブスターカプラの動作を単に再現するのが最も容易である。このことは、ダイナミックプロトコルセグメントに対しては、インテリジェントスターカプラは通常のスターカプラとして作用することを意味する。何れのサブネットが最初に起動しても、他のサブネットに伝送転送が行なわれる。この伝送転送は、アクティビティ検出ユニット２６を用いることにより、容易に実行しうる。上述したように、この解決策は、通常のスターカプラと同じ動作を行なうものであり、従って、ダイナミックプロトコルセグメントに対する利点を有さない。

第２に、インテリジェントスターカプラは簡易プロトコルエンジン２４を有している為、これによりある程度の保護を達成することができる。このプロトコルエンジン２４は、クラスタ内の他の全てのノードと同様に、監視しているトラフィックから現在のタイムスロットを取り出すことができ、従って、このプロトコルエンジン２４は、このタイムスロット内であるサブネット伝送のみを可能にしうる。しかし、この伝送は、依然として他の全てのサブネットに転送する必要がある。あるサブネットが、許容されていないタイムスロット中で伝送を試みた場合、この伝送はこのサブネットに封じ込められる。従って、このサブネットは、この誤った封じ込めの為に、他のサブネットと非同期となるおそれがある。従って、このサブネットは、任意ではあるが、このダイナミックプロトコルセグメントの残りの部分を無視し且つ遮断することができる。次の伝送サイクルでは、このサブネットは、種々の周知のアルゴリズム（例えば、エラーカウンタ等）に応じて再び伝送が許容されたり、許容されなかったりしうる。

ダイナミックプロトコルセグメントにおいても帯域幅を改善するためには、スイッチをある程度並列に使用し、これにより実効的な帯域幅の増大を達成しうるようにする。インテリジェントスターカプラは、上述したように第１に、前述した２つの解決策の一方で動作させる。その簡易プロトコルエンジン２４はクラスタに対し配列されており、このクラスタが現在どのスロットにあるかを知りうるものである。その後、規定のタイムスロットの境界で、スターカプラ１１はあるサブネットを分断し、これにより同期化したサブクラスタを生成するようにしうる。この場合、分断されたこれらのサブクラスタは、ダイナミックプロトコルセグメントの終了まで変更されない状態に保たれる。インテリジェントスターカプラの簡易プロトコルエンジン２４が設けられたサブクラスタは、後続のスロット境界において更に細分しうる。サブクラスタ内では、どのサブネットが最初に伝送するかがこのサブクラスタの他の全てのサブネットに転送される。サブクラスタが１つのみのサブネットから成っている場合には、他のサブネットへの転送は不必要である。この場合、このサブネットは、このサブネット内での内部通信に対しダイナミックプロトコルセグメントの残りの部分を有効に用いうる。インテリジェントスターカプラの簡易プロトコルエンジンが設けられているサブクラスタは、上述したように追加の保護（ノードの遮断、同期の保持）を達成しうる。

ダイナミックプロトコルセグメントに対しても本発明のスターカプラを用いるこの解決策を、図５を用いて詳細に説明する。図５は、ダイナミックセグメントの帯域幅が増大する例を示す。インテリジェントスターカプラ１１が分かっているスロットを、番号を付して示してある。通信を行うサブクラスタを太線のボックスに入れてある。保護を行うスロットに斜線を付してある。これらのスロット内では、斜線を付したサブネットのみが伝送を行うことができる。図５は、５つのサブネットＡ〜Ｅを有するインテリジェントスターカプラ１１の例を示している。インテリジェントスターカプラ１１の簡易プロトコルエンジン２４はサブネットＡに設けられている。ダイナミックプロトコルセグメントの最初の４つのスロット中は、インテリジェントスターカプラ１１は、サブネットＤのみがフレームを伝送しうるようにする（サブネットＤのスロットに斜線を付してある）。これにより、これらのスロットを、他のサブネットからの間違った伝送から保護する。サブネットＤからの入力は、他の全てのサブネットに転送される。５番目のスロットからは、サブネットＤ及びＥが、他のサブネットＡ〜Ｃから分離され、互いに結合される。サブネットＤ及びＥの如何なる伝送も、ダイナミックプロトコルセグメントの残りの部分に対し先着順サービスの態様で他のサブネットに転送される。従って、スイッチ２２は、スイッチコントローラ２３により２部分に分割される。スイッチの上側部分はサブネットＡ〜Ｃに対処し、下側部分はサブネットＤ及びＥに対処する。下側部分は通常のスイッチのように作用し、上側部分は以下のように動作する。５番目のスロットから７番目のスロットまでは、サブネットＡのみがサブネットＢ及びＣのみにフレームを伝送でき、８番目のスロットから１０番目のスロットまでは、サブネットＣのみがサブネットＡ及びＢにフレームを伝送しうる。

１０番目のスロット後は、スイッチのマトリックスが更に分割される。特に、サブネットＣが分離される。１１番目のスロットからは、サブネットＣからの伝送はこのサブネットＣ内に封じ込められる。メモリを節約するために、１１番目以降のスロットからはサブネットＡ及びＢより成るサブクラスタで更なる保護を行わない。しかし、２０番目のスロットにおいて、これらのサブネットＡ及びＢも分離される。本例の拡張例として、１つよりも多い簡易プロトコルエンジンを、インテリジェントスターカプラに加えることができる。これにより、１つよりも多いサブクラスタをダイナミックセグメントの進展において更に細分し保護することができる。

FlexRay は、アクティブスターカプラが伝送の開始の一部を伝送中に除外するようにしうることに注意すべきである。このことは、少なくとも１つのみの他のアクティブスターカプラがチャネルに存在する場合に、インテリジェントスターカプラにとって依然として正しいことである。

従って、本発明は、１つよりも多い入力ブランチを１つのタイムスロット内で動作させることができるインテリジェントスターカプラを提供する。これにより、並列伝送が可能となる。これにより帯域幅を増大させる。

Claims (21)

1. タイムスロットに基づく時間駆動型のプロトコルを用いる自動車用ネットワーク内の複数のノードに接続されたスターカプラであって、このネットワーク内の情報の流れは、どのノードが予め決定したタイムスロット内で伝送を行ないうるかを決定する予め決定した通信スケジュールに基づかせ、前記スターカプラは、少なくとも１つのノードにそれぞれ接続しうる複数の入力ブランチ及び複数の出力ブランチを有するスイッチと、このスイッチを制御するスイッチコントローラと、到来データをあるタイムスロット内で少なくとも１つの予め決定した出力ブランチに選択的に転送するのに用いる、プロトコルタイミングに関する知識を取り出す手段とを具えているスターカプラ。
2. 請求項１に記載のスターカプラにおいて、前記スイッチは、単一のタイムスロット中に、前記スターカプラの２つ以上の入力ブランチを並列で２つ以上の出力ブランチに切り換えうるようになっているスターカプラ。
3. 請求項１又は２に記載のスターカプラにおいて、前記スイッチは、通信スケジュールに応じて、各入力ブランチを前記スターカプラの１つ又は複数の出力ブランチに切り換えうるようになっているスターカプラ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、このスターカプラは、通信データ内の通信要素を復号するとともに、クラスタ通信スケジュール内の位置を導出するプロトコルエンジンを具えているスターカプラ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、前記プロトコルエンジンは１つの出力ブランチに結合されており、これと同じブランチにデータを出力する場合に、それぞれの出力ブランチをスイッチング手段により無効にするようになっているスターカプラ。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、前記プロトコルエンジンは、出力ブランチの各々を前記プロトコルエンジンに接続しうるｎ×（ｎ＋１）マトリックスを有する前記スイッチの追加の出力ブランチに結合されているスターカプラ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、このスターカプラは、ある入力ブランチにおけるデータトラフィックを検出するアクティビティ検出ユニットを入力ブランチに具えており、これらアクティビティ検出ユニットは、前記スイッチを制御するのに用いられるアクティビティ情報を生ぜしめるために前記スイッチコントローラに結合されているスターカプラ。
8. 請求項７に記載のスターカプラにおいて、通信スケジュールが確立されていない間、前記アクティビティ情報は、前記スイッチを制御するのに用いるようになっているスターカプラ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、このスターカプラは、通信要素を再生するために、前記アクティビティ検出ユニットの後又は前で入力ブランチに、或いは出力ブランチに配置しうる少なくとも１つのビット再整形ユニットを具えているスターカプラ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、前記スターカプラは、予め決定したタイムスロットに対しどの入力ブランチをどの出力ブランチに接続する必要があるかの情報と、どのタイムスロットで前記アクティビティ検出ユニットを用いる必要があるかの情報との双方又は何れか一方を有する通信スケジュールユニットを具えているスターカプラ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、前記スイッチは、クロックを用いたアナログクロスバースイッチ又はデジタルクロスバースイッチとして構成され、デジタルクロスバースイッチはＦＩＦＯユニットと組み合わせて用いられ、この場合前記ビット再整形ユニットが前記スイッチの前に配置されているスターカプラ。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、入力された全てのデータを記憶するとともに出力データを読み取るメモリを有するメモリスイッチを用いているスターカプラ。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、１つの通信チャネルに１つのスイッチが割り当てられており、前記自動車用ネットワーク内の通信チャネルが複数ある場合には、各通信チャネルが１つのスイッチに接続されており、複数のスイッチを制御するために、これらの複数のスイッチに、前記プロトコルエンジンと、前記通信スケジュールユニットと、前記スイッチコントローラとが結合されているスターカプラ。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、前記自動車用ネットワーク内の通信のためにFlexRay プロトコルが用いられているスターカプラ。
15. 請求項１４に記載のスターカプラにおいて、前記FlexRay プロトコルがスタティックプロトコルセグメントと、ダイナミックプロトコルセグメントとを有し、このFlexRay プロトコルのダイナミックプロトコルセグメント中、出力ブランチに対する入力ブランチの多重割当てを用いることなく、前記スターカプラがアクティブスターカプラとして制御され、前記スターカプラに接続された、伝送を開始するサブネットが最初に用いられ、この最初に伝送するサブネットの入力ブランチが他の全てのサブネットの出力ブランチに接続されるようになっているスターカプラ。
16. 請求項１４又は１５に記載のスターカプラにおいて、前記FlexRay プロトコルがスタティックプロトコルセグメント及びダイナミックプロトコルセグメントを有し、このFlexRay プロトコルのダイナミックプロトコルセグメント中、スターカプラのプロトコルエンジンが、通信スケジュール内の位置を認識するために受けたトラフィックを観察し、この観察及び予め決定した通信スケジュールに基づいて、現在のタイムスロット内で決定された入力ブランチのみが伝送することを許可するようにしたスターカプラ。
17. 請求項１４又は１５に記載のスターカプラにおいて、前記FlexRay プロトコルがスタティックプロトコルセグメント及びダイナミックプロトコルセグメントを有し、このFlexRay プロトコルのダイナミックプロトコルセグメント中、スターカプラのプロトコルエンジンが、通信スケジュール内の位置を認識するために受けたトラフィックを観察し、入力ブランチが予め決定した通信スケジュールに反して伝送されている場合に、この入力ブランチが現在のサイクル内の残りのダイナミックセグメントに対しプロトコルエンジンにより阻止されるようになっているスターカプラ。
18. 請求項１４に記載のスターカプラにおいて、前記FlexRay プロトコルがスタティックプロトコルセグメント及びダイナミックプロトコルセグメントを有し、このFlexRay プロトコルのダイナミックプロトコルセグメント中、スターカプラのプロトコルエンジンが通信スケジュール内の位置を決定し、入力ブランチ間での通信の必要性に応じて前記スイッチを制御して、これら入力ブランチの１つ又は一部の、残りの入力ブランチとの同期を外し、ダイナミックプロトコルセグメント中、この同期が外された１つの入力ブランチに接続されたサブネット間又はこの同期が外された複数の入力ブランチの接続されたノード或いはサブネット間でのデータの直接転送を行いうるようにしたスターカプラ。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載のスターカプラにおいて、前記スイッチのスイッチングが、タイムスロット数及びサイクル数の双方又は何れか一方に基づいて行われるようになっているスターカプラ。
20. 少なくとも１つのノードを有するクラスタを具えるネットワークであって、タイムスロットを用いた時間駆動に基づいて動作する当該ネットワークにおいて、前記クラスタ内の複数のノードが請求項１〜１９のいずれか一項に記載のスターカプラに結合されているネットワーク。
21. タイムスロットに基づく時間駆動型プロトコルを用いるネットワーク内のノード間で通信を行う通信方法であって、前記ノードはスターカプラに結合されている通信方法において、この通信方法が、
    ‐ 前記スターカプラの入力ブランチで入力データを受ける工程と、
    ‐ この入力データ内の通信要素を復号し、通信スケジュール内の位置をこれらの通信要素から取り出す工程と、
    ‐ 通信スケジュールをスイッチコントローラに提供する工程と、
    ‐ 複数の入力ブランチ及び複数の出力ブランチを有するスイッチをタイムスロットに基づいて制御する工程と
    を具え、前記スイッチが、前記スイッチコントローラに応じて、各入力ブランチを１つ又は複数の出力ブランチに接続し、複数の入力ブランチを同じタイムスロット内でアクティブとしうるようにする通信方法。

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