JP2012124895A

JP2012124895A - 既存のネットワークケーブルを使用してネットワークを同期させるための方法およびシステム

Info

Publication number: JP2012124895A
Application number: JP2011259728A
Authority: JP
Inventors: Bobrek Pavlo; パヴロ・ボブレク
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-06-28
Also published as: BRPI1105010A2; CN102546070A; CA2759440A1; EP2458772A2; US20120134428A1

Abstract

【課題】既存のケーブルを使用してネットワークを同期させる。
【解決手段】ローカルエリアネットワーク１０２の第１のエンドシステム１０４のマスタ物理インタフェースデバイス１３１のメッセージ送信機１３４およびメッセージ受信機１３８に通信で結合された同期用送信機１１２と、ローカルエリアネットワークの第２のエンドシステム１０）のスレーブデバイス１３２のメッセージ送信機１３６およびメッセージ受信機１４０に通信で結合された同期用受信機１１８とを含み、同期用送信機は、第１の差動ツイストペア接続１０８および第２の差動ツイストペア接続１１０を使用して、同期用受信機にタイミングメッセージを送信するように構成され、同期用送信機は、第１の差動ツイストペア接続および第２の差動ツイストペア接続を使用して、同期用受信機に同期用パルスを送信する。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は、一般にアビオニクスネットワーク通信に関し、より具体的には、複数のエンドシステムをエンドシステムのネットワーク内で時間的に同期させるための方法およびシステムに関する。

ＡＲＩＮＣ６６４ｐａｒｔ７ネットワークでは、差動ペアは、イーサネット（商標）ローカルエリアネットワークすなわちＬＡＮに類似したネットワークを介して、ホストおよびノードなどのエンドシステムとスイッチの間でメッセージを通信するために使用される。データの完全性を保証するには、共通のグローバルな時間（またはクロック）にネットワーク内のエンドシステムを同期させることが必要である。マイクロ秒程度の最小精度がきわめて望ましい。これは、データの鮮度の指標および送信元から送信先への経過時間を測定する手段を与える。

さまざまな理由で、パケット通信のみを使用してこの精度を達成することは非常に困難である。精度を向上させようとして、補助線を使用する帯域外信号方式が使用されてきた。

高精度時間プロトコル（ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴｉｍｅＰｒｏｔｏｃｏｌ）（ＩＥＥＥ１５８８）は、帯域内通信およびタイムスタンプハードウェアに依拠し、ノード間でほとんど変動がない。その正確さは、各方向の遅延がどの程度対称であるか、データ転送速度、および遅延変動（たとえば、予定のＦＩＦＯまたは通信順序）に左右される。マイクロ秒の正確さを達成するには、複数のメッセージが多数の状態を維持することが必要である。

米国特許第７６５６９５６号明細書

一実施形態では、ネットワーク同期用システムは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）の第１のエンドシステムのマスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイスのメッセージ送信機およびメッセージ受信機に通信で結合された同期用送信機と、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）の第２のエンドシステムのスレーブＰＨＹデバイスのメッセージ送信機およびメッセージ受信機に通信で結合された同期用受信機とを含み、同期用送信機は、第１の差動ツイストペア接続および第２の差動ツイストペア接続を使用して、同期用受信機にタイミングメッセージを送信するように構成され、同期用送信機は、第１の差動ツイストペア接続および第２の差動ツイストペア接続を使用して、同期用受信機に同期用パルスを送信するように構成される。

別の実施形態では、複数のエンドシステムをエンドシステムのネットワーク内で時間的に同期させる方法は、マスタエンドシステムから同期時刻を含む同期メッセージをスレーブエンドシステムによって受信するステップであって、この同期メッセージは、マスタエンドシステムとスレーブエンドシステムの間の第１のツイストペア物理インタフェース接続および第２のツイストペア物理インタフェース接続を介して受信される、ステップと、受信した同期用時刻を記憶するステップとを含む。この方法はまた、マスタエンドシステムから同期パルスをスレーブエンドシステムによって受信するステップであって、この同期パルスは、マスタエンドシステムとスレーブエンドシステムの間の第１のツイストペア物理インタフェース接続および第２のツイストペア物理インタフェース接続を介して受信される、ステップと、同期用時刻および同期パルスを使用してマスタエンドシステムにスレーブエンドシステムを時間的に同期させるステップとを含む。

さらに別の実施形態では、ネットワーク同期システムは、第１のエンドシステムとこの第１のエンドシステムに第１の差動ツイストペア接続および第２の差動ツイストペア接続を使用して通信で結合された第２のエンドシステムとを含む、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を含む。この同期システムはまた、第１の差動ツイストペア接続および第２の差動ツイストペア接続の少なくとも１つのセンタータップに通信で結合された同期送信機と、第１の差動ツイストペア接続および第２の差動ツイストペア接続の少なくとも１つのセンタータップに通信で結合された同期受信機とを含む。

図１および図２は、本明細書において説明する方法およびシステムの例示的な実施形態を示す。
本発明の例示的な実施形態によるネットワーク同期システムの概略ブロック図である。本発明の別の例示的な実施形態によるネットワーク同期システムの概略ブロック図である。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を限定ではなく例として説明する。本発明は、産業、商業、および住宅への適用におけるネットワーク同期の分析的かつ系統的な実施形態に対する一般的な適用を有することが企図されている。

本明細書では、単数形で列挙され単語「ａ」または「ａｎ」が前に付された要素またはステップは、明記されない限り、その要素またはステップの複数形を除外しないものとして理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」と言及する場合、列挙した特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外するとして解釈されることを意図するものではない。

本発明の実施形態は、たとえばネットワークのホストおよびノードであるがこれらに限定されないエンドシステムを含み、たとえばスイッチおよび／またはルータであるがこれらに限定されない中間システムも含むことができる。システムは、１つまたは複数のスイッチを介してネットワークを経由してそれぞれと通信する。種々の実施形態では、ネットワークはアビオニクス全二重交換イーサネット（商標）（ＡｖｉｏｎｉｃｓＦｕｌｌ−ＤｕｐｌｅｘＳｗｉｔｃｈｅｄＥｔｈｅｒｎｅｔ（商標））（ＡＦＤＸ）であり、ＡＦＤＸは、決定論的サービス品質（ＱｏＳ）を提供しながら、専用の帯域幅を利用するセーフティクリティカルアプリケーション用データネットワークである。ＡＦＤＸは、ＩＥＥＥ８０２．３イーサネット（商標）技術に基づいており、商用オフザシェルフ（ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｏｆｆ−ｔｈｅ−ｓｈｅｌｆ）（ＣＯＴＳ）コンポーネントを利用し、具体的にはＡＲＩＮＣ６６４規格のＰａｒｔ７に記載されている。この通信ネットワークは、たとえば１秒当たり１０メガビットまたは１秒当たり１００メガビットで送受信する２つの差動ワイヤペアを、１つは送信用、１つは受信用に使用する（１秒当たり１０００メガビットすなわちギガビットのＥｔｈｅｒｎｅｔ（商標）ｏｖｅｒｃｏｐｐｅｒは、全二重モードで４つのペアを使用する）。エンドシステムの物理インタフェース（ＰＨＹ）とスイッチの間の結合は、トランスを介する。ライン側にセンタータップを有するトランスを選択した場合、２つの信号ペアに対応するトランスのセンタータップを使用してコモンモード信号を送信することができる。この信号は、コモンモードとして送信されるので、イーサネット（商標）通信に使用される差動信号と直交し、これに干渉しない。加えて、別の実施形態によれば、絶縁トランスが使用される。

図１は、本発明の例示的な実施形態によるネットワーク同期システム１００の概略ブロック図である。この例示的な実施形態では、ネットワーク同期システム１００は、たとえば具体的にはＡＲＩＮＣ６６４規格のＰａｒｔ７に記載されているイーサネット（商標）ネットワークなどであるがこれに限定されないローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１０２と共に使用される。ネットワーク１０２は、第１のエンドシステム１０４と、第１のエンドシステム１０４に第１の差動ツイストペア接続１０８および第２の差動ツイストペア接続１１０を使用して通信で結合された第２のエンドシステム１０６とを含む。ネットワーク同期システム１００は、第１の差動ツイストペア接続１０８のセンタータップ１１４および第２の差動ツイストペア接続１１０のセンタータップ１１６の少なくとも一方に通信で結合された同期送信機１１２も含む。ネットワーク同期システム１００は、第１の差動ツイストペア接続１０８のセンタータップ１２０および第２の差動ツイストペア接続１１０のセンタータップ１２２の少なくとも一方に通信で結合された同期受信機１１８をさらに含む。例示的な実施形態では、第１のエンドシステム１０４および第２のエンドシステム１０６は、それぞれのトランス１２４、１２６、１２８、および１３０を使用して第１の差動ツイストペア接続１０８および第２の差動ツイストペア接続１１０に通信で結合される。種々の実施形態では、第１のエンドシステム１０４および第２のエンドシステム１０６は、それぞれのインダクタ（図１に図示せず）の両端で第１の差動ツイストペア接続１０８および第２の差動ツイストペア接続１１０に通信で結合される。トランス１２４、１２６、１２８、および１３０は、各トランスのライン側巻線にセンタータップ１１４、１１６、１２０、および１２２を含む。トランス１２４、１２６、１２８、および１３０の代わりにインダクタを使用する場合、センタータップ１１４、１１６、１２０、および１２２はそれぞれのインダクタのセンタータップである。

第１のエンドシステム１０４および第２のエンドシステム１０６はそれぞれ、物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３１および１３２を含む。各ＰＨＹデバイス１３１および１３２は、それぞれの送信セクション１３４および１３６ならびにそれぞれの受信セクション１３８および１４０を含む。例示的な実施形態では、ＰＨＹデバイス１３１は時刻マスタデバイスとして構成され、ＰＨＹデバイス１３２は時間スレーブデバイスとして構成される。マスタＰＨＹデバイス１３１は、第１の差動ツイストペア接続１０８を使用してスレーブＰＨＹデバイス１３２にメッセージを送信するように構成される。マスタＰＨＹデバイス１３１は、第２の差動ツイストペア接続１１０を使用してスレーブＰＨＹデバイス１３２からメッセージを受信するように構成される。具体的には、マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３１のメッセージ送信機１３４は、第１の差動ツイストペア接続１０８を使用してスレーブＰＨＹデバイス１３２のメッセージ受信機１４０に通信で結合され、マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３１のメッセージ受信機１３８は、第２の差動ツイストペア接続１１０を使用してスレーブＰＨＹデバイス１３２のメッセージ送信機１３６に通信で結合される。

例示的な実施形態では、マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３１は、トランス１２４を使用して第１の差動ツイストペア接続１０８にトランス結合され、かつトランス１３０を使用して第２の差動ツイストペア接続１１０にトランス結合されている。しかし、いくつかの実施形態では、トランス１２４およびトランス１３０の一方または両方はインダクタに置き換えてもよく、マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３１と第１の差動ツイストペア接続１０８および／または第２の差動ツイストペア接続１１０との間の接続はインダクタ（複数可）の両端に形成されてもよい。

また、例示的な実施形態では、スレーブ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３２は、トランス１２６を使用して第１の差動ツイストペア接続１０８にトランス結合され、かつトランス１２８を使用して第２の差動ツイストペア接続１１０にトランス結合されている。しかし、いくつかの実施形態では、トランス１２６およびトランス１２８の一方または両方はインダクタに置き換えてもよく、スレーブ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス１３１と第１の差動ツイストペア接続１０８および／または第２の差動ツイストペア接続１１０との間の接続はインダクタ（複数可）の両端に形成されてもよい。

例示的な実施形態では、同期用送信機１１２および／または同期用受信機１１８は、それぞれの結合トランス１２４、１２６、１２８、および１３０のセンタータップに通信で結合される。

ネットワーク１０２は、動作中に、第１のエンドシステム１０４と第２のエンドシステム１０６の間の通信リンクを提供する。加えて、ネットワーク１０２を使用して第１のエンドシステム１０４および第２のエンドシステム１０６と通信できる複数の他のエンドシステム（図示せず）があることがある。第１のエンドシステム１０４および第２のエンドシステム１０６のそれぞれは、それぞれのプロセッサ１４１および１４２を含むことができ、これらは、第１のエンドシステム１０４および第２のエンドシステム１０６の動作を制御するように構成されることができる。第１のエンドシステム１０４と第２のエンドシステム１０６を同期させるとき、同期用送信機１１２は、タイミングメッセージを生成し、これを、ネットワーク１０２を介して送信するようにプログラムされる。別の実施形態では、タイミングメッセージは、たとえばネットワーク１０２上で動作する任意のホスト、ノード、ルータ、またはスイッチであるがこれらに限定されないものによって生成されることができる。同期されているエンドシステムは、タイミングメッセージを記憶し、同期パルスを待機する。同期用送信機１１２は、同期パルスを生成し、これを、ネットワーク１０２を介して送信するようにプログラムされる。同期パルスは、エンドシステムによって受信されると、クロックを更新するかまたはタイミング処理（ｔｉｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）に適用されるオフセットを生成するようにエンドシステムをトリガし、タイミングメッセージおよび同期パルスを受信するすべてのエンドシステムが次にマイクロ秒未満（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄ）の公差に同期されるようにする。ネットワーク同期システム１００は、ネットワーク１０２上のデータ転送に影響することなく既存のネットワーク１０２を経由して送信されるコモンモードパルスを使用することによって、追加の配線を追加せずにマイクロ秒未満の同期を可能にする。別の実施形態では、同期パルスが送信された後に、すべてのエンドシステムにタイミングメッセージを送信することができる。

図２は、本発明の別の実施形態によるネットワーク同期システム２００の概略ブロック図である。ネットワーク同期システム２００は、ネットワーク同期システム１００（図１に示される）と実質的に類似しており、ネットワーク同期システム１００のコンポーネントと同一のネットワーク同期システム２００のコンポーネントは、図２において、図１で使用されるのと同じ参照番号を使用して識別される。例示的な実施形態では、同期用送信機１１２および／または同期用受信機１１８は、それぞれの結合トランス１２４、１２６、１２８、および１３０のセンタータップにトランス２０２および２０４を使用して通信で結合される。

プロセッサという用語は、本明細書では、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および本明細書において説明する機能を実行することが可能な他の任意の回路またはプロセッサを指す。

本明細書では、「ソフトウェア」および「ファームウェア」という用語は相互に置き換え可能であり、プロセッサ１４１および１４２によって実行するために、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、および不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含むメモリに記憶されている任意のコンピュータプログラムを含む。上記のメモリの種類は例示的なものに過ぎず、したがってコンピュータプログラムの記憶のために使用可能なメモリの種類について限定するものではない。

前述の明細書に基づいて理解されるように、本開示の上述の実施形態は、コンピュータプログラミング、または、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、もしくは任意の組み合わせもしくはそのサブセットを含むエンジニアリング技術を使用して実施することができ、その技術的効果は、追加の銅配線を導入することなくネットワークへのマイクロ秒未満の同期を提供することである。コンピュータが読み取り可能なコード手段を有する、結果として得られるそのような任意のプログラムは、１つまたは複数のコンピュータが読み取り可能な媒体内で実施または提供することができ、それによって、本開示の説明した実施形態によるコンピュータプログラム製品、すなわち１つの製品を作製することができる。コンピュータが読み取り可能な媒体は、たとえば、固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などの半導体メモリ、および／またはインターネットまたは他の通信ネットワークもしくはリンクなどの任意の送受信媒体であってよいが、これらに限定されない。コンピュータコードを含む製品は、ある媒体からコードを直接実行することによって、ある媒体から別の媒体にコードをコピーすることによって、またはネットワークを経由してコードを送信することによって、作製および／または使用することができる。

複数のエンドシステムをエンドシステムのネットワーク内で時間的に同期させる方法およびシステムの上述の実施形態は、追加の配線を追加することなく銅ベースのＡＲＩＮＣ６６４ｐａｒｔ７ネットワークを同期させるための費用効果が高く信頼性のある手段を提供する。より具体的には、本明細書において説明する方法およびシステムは、時間的な同期分解能を向上させながら、ネットワーク同期を実施するために必要なメッセージの数を減少させ、かつシステムの複雑さを低減させることを容易にする。その結果、本明細書において説明する方法およびシステムは、費用効果が高く信頼性のある方法でアビオニクスネットワークを動作させることを容易にする。

本明細書では、いくつかの例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、当業者であれば、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、任意の採用した方法を遂行することを含めて本発明を実施することができるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、請求項の書字言語と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の書字言語とのわずかな違いを有する等価な構造要素を含む場合、請求項の範囲内に含まれるものとする。

１００ネットワーク同期用システムまたはネットワーク同期システム
１０２ローカルエリアネットワーク
１０４第１のエンドシステム
１０６第２のエンドシステム
１０８第１の差動ツイストペア接続
１１０第２の差動ツイストペア接続
１１２同期用送信機または同期送信機
１１４センタータップ
１１６センタータップ
１１８同期用受信機または同期受信機
１２０センタータップ
１２２センタータップ
１２４結合トランス
１２６結合トランス
１２８結合トランス
１３０結合トランス
１３１マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス
１３２スレーブ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス
１３４メッセージ送信機または送信セクション
１３６メッセージ送信機または送信セクション
１３８メッセージ受信機または受信セクション
１４０メッセージ受信機または受信セクション
１４１プロセッサ
１４２プロセッサ
２００ネットワーク同期システム
２０２トランス
２０４トランス

Claims

ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）（１０２）の第１のエンドシステム（１０４）のマスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３１）のメッセージ送信機（１３４）およびメッセージ受信機（１３８）に通信で結合された同期用送信機（１１２）と、
ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）の第２のエンドシステム（１０６）のスレーブＰＨＹデバイス（１３２）のメッセージ送信機（１３６）およびメッセージ受信機（１４０）に通信で結合された同期用受信機（１１８）とを備え、
前記同期用送信機が、第１の差動ツイストペア接続（１０８）および第２の差動ツイストペア接続（１１０）を使用して、前記同期用受信機にタイミングメッセージを送信するように構成され、前記同期用送信機が、前記第１の差動ツイストペア接続および前記第２の差動ツイストペア接続を使用して、前記同期用受信機に同期用パルスを送信するように構成される、ネットワーク同期用システム（１００）。
前記マスタＰＨＹデバイス（１３１）の前記メッセージ送信機（１３４）が、前記第１の差動ツイストペア接続（１０８）を使用して前記スレーブＰＨＹデバイス（１３２）の前記メッセージ受信機（１４０）に通信で結合され、前記スレーブＰＨＹデバイスの前記メッセージ送信機（１３６）が、前記第２の差動ツイストペア接続（１１０）を使用して前記マスタＰＨＹデバイスの前記メッセージ受信機（１３８）に通信で結合される、請求項１記載のシステム（１００）。
前記マスタＰＨＹデバイス（１３１）の前記メッセージ送信機（１３４）のうちの少なくとも１つが、結合トランス（１２４）を使用して前記第１の差動ツイストペア接続（１０８）に通信で結合され、前記スレーブＰＨＹデバイス（１３２）の前記メッセージ送信機（１３６）が、結合トランス（１２８）を使用して前記第２の差動ツイストペア接続（１１０）に通信で結合され、前記マスタＰＨＹデバイスの前記メッセージ受信機（１３８）が、結合トランス（１３０）を使用して前記第２の差動ツイストペア接続に通信で結合され、前記スレーブＰＨＹデバイスの前記メッセージ受信機（１４０）が、結合トランス（１２６）を使用して前記第１の差動ツイストペア接続に通信で結合される、請求項１記載のシステム（１００）。
ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）（１０２）であって、
第１のエンドシステム（１０４）、および
前記第１のエンドシステムに、第１の差動ツイストペア接続（１０８）および第２の差動ツイストペア接続（１１０）を使用して、通信で結合された第２のエンドシステム（１０６）を備えるＬＡＮ（１０２）と、
前記第１の差動ツイストペア接続および前記第２の差動ツイストペア接続の少なくとも１つのセンタータップ（１１４、１１６）に通信で結合された同期送信機（１１２）と、
前記第１の差動ツイストペア接続および前記第２の差動ツイストペア接続の少なくとも１つのセンタータップ（１２０、１２２）に通信で結合された同期受信機（１１８）とを備える、ネットワーク同期システム（１００）。
マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３１）が、前記第１の差動ツイストペア接続（１０８）を使用してスレーブＰＨＹデバイス（１３２）にメッセージを送信するように構成され、前記マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイスが、前記第２の差動ツイストペア接続（１１０）を使用して前記スレーブＰＨＹデバイスからメッセージを受信するように構成される、請求項４記載のシステム（１００）。
前記マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３１）のメッセージ送信機（１３４）が、前記第１の差動ツイストペア接続（１０８）を使用して前記スレーブＰＨＹデバイス（１３２）のメッセージ受信機（１４０）に通信で結合される、請求項５記載のシステム（１００）。
前記マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３１）のメッセージ受信機（１３８）が、前記第２の差動ツイストペア接続（１１０）を使用して前記スレーブＰＨＹデバイス（１３２）のメッセージ送信機（１３６）に通信で結合される、請求項５記載のシステム（１００）。
マスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３１）が、前記第１の差動ツイストペア接続（１０８）および前記第２の差動ツイストペア接続（１１０）の少なくとも１つにトランス結合される、請求項４記載のシステム（１００）。
スレーブ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３２）が、前記第１の差動ツイストペア接続（１０８）および前記第２の差動ツイストペア接続（１１０）の少なくとも１つにトランス結合される、請求項４記載のシステム（１００）。
同期用送信機（１１２）および同期用受信機（１１８）の少なくとも１つが、結合トランス（１２４、１２６、１２８、１３０）のセンタータップ（１１４、１１６、１２０、１２２）に通信で結合され、前記結合トランスが、前記第１のエンドシステム（１０４）のマスタ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３１）と前記第２のエンドシステム（１０６）のスレーブ物理インタフェース（ＰＨＹ）デバイス（１３２）の間に通信で結合される、請求項４記載のシステム（１００）。