JP2023552627A - イーサネットネットワークにおける部分ネットワーク動作においてセンサネットワークにおける転送データレートを最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

本方法は、ａ）ヘッドノードを用いてアクティブノードの数を特定するステップと、ｂ）ヘッドノードを用いて、イーサネットネットワーク通信を優先順位付けするために、検出されたノードを２つ以上の分類のノードに分類するステップと、ｃ）ヘッドノードによって、複数のノードのうちの少なくとも幾つかから予約要求を受信するステップと、ｄ）予約要求に対する応答として、来たる通信ウィンドウ内の１つ以上のノードにタイムスロットを割り当てるステップと、を含み、割当は、ノードの優先度に基づき、優先度は、ノードの分類に従ってそれらに割り当てられ、アクティブノードの数が特定されると、バスサイクル長が計算され、スリープ状態又は非アクティブ又は欠陥ノードの数が特定され、ビーコンバスサイクルは、バスサイクル長をどれだけ短縮することができるかを見出すことによって特定される。

Description

本発明は、自動車のイーサネット車載ネットワーク内の部分ネットワーキングにおいてセンサネットワークにおける伝送データレートを最適化するための方法、制御装置、及びイーサネット車載ネットワークに関する。

１０Ｍビット／秒（ＩＥＥＥ８０２．３ｃｈ）に加えて、１００Ｍビット／秒、１０００Ｍビット／秒、及び現行のマルチギガビット標準化と共に、別のイーサネット規格が自動車用途に対して利用可能になる。

新しい規格の１つの変形例は、ＣＳＭＡ／ＣＤベースのマルチドロップモードである。これは、イーサネットをよりコスト効率よく設計することができ、従って、より単純な制御装置に対処することもできるという目的を追求するため、他のイーサネットの変形例（＞１０Ｍビット／秒）とは大きく異なっている。この規格は、任意のスイッチ（スイッチＩＣ）を必要とせず、（ＣＡＮと同様に）バスとして設計される。これは、必要なＰＨＹ（トランシーバ）の数を約半分にする。イーサネットは、従って、システムコストを大幅に削減することができるため、ＣＡＮ／ＣＡＮ－ＦＤ及びＦｌｅｘＲａｙに対する手強い競合相手になりつつある。更に、ｘＭＩＩの代わりにＳＰＩ等の典型的な自動車インターフェースも、コントローラと物理トランシーバ（ＰＨＹ）との間の通信に対して可能である。

図１は、スイッチドイーサネットと、ＩＥＥＥ規格ＩＥＥＥ Ｐ８０２．３ｃｇにおいて定義されているような「バスイーサネット」（マルチドロップ）との本質的な特徴を比較している。ここでの最も大きな違いは、リソースであるバスアクセスが、スイッチドイーサネット専用に利用可能であることであり、これは、任意のイーサネットノード（ＥＣＵ）が、プロセス中に衝突が発生することなくいつでも送信することができることを意味する。共有媒体（「ｓｈａｒｅｄ ｍｅｄｉａ」）は、マルチドロップモードを有する新しいイーサネットバス実装において用いられ、即ち、このリソースが利用可能になるまでバスアクセスを見合わせる必要がある。

ＩＥＥＥ Ｐ８０２．３ｃｇ規格は、とりわけ、バスアクセス中の衝突を回避し、公平なアクセスを実装するために新たに定義された機構（ＰＬＣＡ－物理層衝突回避）を用いている。この場合、正確に１つのＰＨＹ（物理トランシーバ）のみが、任意の一時点でバスへのアクセスを受信する。これにより、衝突を回避することができる。アクセスは、いわゆるラウンドロビン方式で行われる。バス上の各ＥＣＵ（ノード）は、定義されたサイクル（又は順序）内で１回送信する機会を有する。

ネットワークコントローラの機能を担うヘッドノードとして公知のものは、この場合、サイクルを特定し、バス上で繰り返し「ビーコン」を送信する。ノードは、従って、それらの以前に定義された識別ＩＤに基づいてタイマを開始し、タイマは、ノードがいつ送信を許可されるかに関する順序を特定し、前記タイマが期限切れになり、ノードが次のノードであることが認識された後、ノードが送信を許可される。

図２は、イーサネットバス上の通信の基本的なフローを示している。ビーコンが送信された後、最初にノード０の順番があり、それがその送信を終了した場合、次のノードが送信を許可される（通常、各場合において単一のイーサネットフレームのみがスロット内で送信されてもよい）。

図３は、スタブを有するイーサネットバスの物理的表現を示している。

欧州特許出願公開第２５８５９４０Ａ１号明細書は、管理されたネットワークにおいてネットワーク通信をスケジューリングするためのシステム及び方法が、複数のネットワークノードを認識するネットワークコントローラを備えてもよく、ネットワークコントローラは、ノードレベルでネットワーク通信に優先順位を付けるために、認識されたネットワークノードを２つ以上の分類のノードに分類し、ネットワークコントローラは、複数のネットワークノードのうちの少なくとも幾つかから予約要求を受信し、予約要求は、来たる通信ウィンドウにおけるそれらそれぞれのネットワークノードに対して１つ以上のタイムスロットを要求し、ネットワークコントローラは、予約要求に応答して、来たる通信ウィンドウにおけるタイムスロットを１つ以上のネットワークノードに割り当て、割当は、ネットワークノードの優先度に基づき、優先度は、それらの分類に従ってノードに割り当てられる、ことを説明している。その特許出願は、ネットワークノードのアクセス動作が各サイクルにおいて定義されるサイクリック媒体アクセスプラン（ＭＡＰ）を、ネットワークコントローラが作成することを説明している。基本原理は、必要とされるサービス品質、それぞれのノードからの予約要求、及びそれらの優先順位／より低い優先順位であり、そこからネットワークコントローラがＭＡＰを作成する。ネットワークコントローラはまた、予約要求なしにＭＡＰメッセージを自動的に送信してもよい。

米国特許出願公開第２００５ ２１３ ５０３Ａ１号明細書において、ある特定の説明された実装に従って、調整装置は、以前に満たされなかった帯域幅割当要求からの情報に基づいて帯域幅割当手順を実行し、現在の帯域幅割当要求に応答する。現在の帯域幅割当要求は、複数のストリームに対して現在要求されている帯域幅量を指定し、現在の帯域幅割当要求は、複数のストリームを有する複数のエンティティから受信されてもよい。現在要求されている帯域幅量に対して複数のエンティティからの複数のストリーム間で利用可能な帯域幅を割り当てる場合、以前に満たされなかった帯域幅割当要求からの情報が考慮される。ネットワークノードのバスアクセスを計画する場合、以前のサイクルからの「未対応」アクセス予約もヘッドノードによって考慮される。

スイッチドネットワーク（１００／１０００等のＭビット／秒のような）とは対照的に、１０Ｍビット／秒では、説明したように、バスに直ちにアクセスすることはできず、それぞれの時間を待つ必要がある。

部分ネットワーキング（スリープ／ウェイクアップとも呼ばれる）は、自動車にとって、また例えばイーサネットバスにとっても、ますます重要な機能となってきている。この場合、制御装置は、例えばエネルギーを節約するために、又は制御装置を起動するために、必要に応じて（同様にバスを介して）起動されるか、又はスリープ状態にされる。

他のイーサネットタイプと比較して、１０Ｍビットバスは、著しく低いデータレートを提供し、そのため、データ伝送の効率、伝送の待ち時間、及びアクセス時間に対しても特別な考慮がなされなければならない。セキュリティも１０Ｍビット／秒システムの一部になる場合、現在のＣＡＮ－ＦＤ実装の場合と同様に、ペイロードデータのための残りのデータレートはほとんどない。

部分ネットワーキング機能では、規格では考慮されていなかった新しいシナリオであるため、バスのアクセス時間及び効率を更に考慮する必要がある。

図４は、一般的な問題を示している。スリープ状態又は欠陥ノード（制御デバイス）について、帯域幅は、全てのノードに対して浪費される／利用可能に保たれる。これは、バスの帯域幅を制限し、リソースを不必要に消費する。

現在の問題は、規格がサイクル毎に１つのフレームのみを送信することを可能にし、従って、それぞれのノード（ここでは具体的にマスタノード又はヘッドノード）の残りのデータレートが、バス上の参加者の数が増加するにつれて減少することである。

ヘッドノードは、ヘッドユニット、ゲートウェイ、融合ユニット、又は一般にゾーンコントローラのいずれかにおいて、即ち、通常、更新又は診断クエリも発する同じ制御ユニット上で実装される。

ノードがそのサイクル中に最大で２５５個のパケットを送信することができるバーストモードとして公知のものを用いることが知られているが、このモードは、静的に事前設定され、維持される必要がある。

部分的に自動化された運転及び高度に自動化された運転において、航空機又は産業オートメーションにおいて現在既に存在するように、伝送ネットワーク及びプロトコルからのハードリアルタイムサポートを必要とする車両に対する要求が高まっている。

また、車載電気システムは、将来的には今日よりもはるかに柔軟になるであろう。ノードは、必要とされない場合、動作中に非アクティブ化される（これは、部分ネットワーキングとも呼ばれる）。これは、ひいては、車載電気システムが実行時に極めて大きく動的に変化することを意味する。これらの機能は、既に２０２０年に実装され、大量生産されている。

本発明の目的は、新しいイーサネット技術を、コスト最適化された方法で、且つ低い実装労力で適応させることにある。

目的は、請求項１に記載の方法、請求項４に記載の制御装置、及び請求項６に記載のイーサネットネットワークの特徴によって達成される。

本発明は、有利には、新しいイーサネット技術を、コスト及び実装労力に関して、自動車での使用に対して適合させる。

本発明は、バスサイクルをヘッドノードのデータレート要件に適合させる方法を提案する。言い換えれば、より多くの帯域幅を、必要に応じてヘッドノードに動的に割り当ててもよい。本発明は、送信されるデータサイズに応じて、送信時間に関するダウンロード／更新要件が侵害されないようにバスサイクルを適合させる方法を提案する。この場合の方法は、どの時点でどれだけの帯域幅を提供しなければならないかを計算する。しかし、このプロセスにおける方法は、常に規格を考慮し、他のノードに介入する必要はない。

本発明の通知は、図５に示すように、ビーコンの「バスサイクル」又は送信時間を現在及び将来のネットワーク挙動に動的に適合させる方法を提案する。換言すれば、バスは、図６に示すように、他のノードが、従って、バスへのより速いアクセスを受信するように、未使用の送信スロットを削除し、それらを移動させることによって、それに応じて適合される。これは、現在まで提供されていないが、新規のハードウェアを用いることなく、ソフトウェア及び構成のみを用いて、追加の労力なしに実装されてもよい。

本発明による方法の解決策及び利点は、スケジュール又はバスサイクルの個々の短縮及び適応にある。図６に「Ｂ」として示すビーコンフレームをより早く送信することによって、後続のバスサイクルを常により早く実行することができる。個々のノードの送信スロットは、６４～１５２２バイトの間のサイズであってもよく、単に簡略化のために、常に同じサイズで示している。

センサベースのアプリケーション（例えば、自動運転、データロガー、診断）の実行の品質は、本発明によって有利に向上する可能性がある。概念は、追加の金銭的支出（ハードウェアコスト）なしに、規格に準拠しながら実装される可能性がある。

自動車における新しく導入されたイーサネットプロトコルの使用は、高価な実装及び更に追加のハードウェアなしに実施できるようにするために、単純な技法及び技術の所定の特性を利用する機構を必要とする。本発明によるネットワークシステムは、信頼性の点で改善されている。ソフトウェアベースの方法によって、Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌは、そのＥＣＵ又はネットワークから最良のものを得ることができ、顧客により多くの機能性を提供することができる。

より正確且つ予測可能な遅延のアプリケーション特有の特定の利点は、車両における通信のスケジューリング及び実行の改善である。これは、既存のバスシステムをより効率的に用いることができ、より高い帯域幅を有する高価な技術への飛び乗りを回避できることを意味する。これはまた、必要とされるバッファストレージに影響を及ぼす可能性があり、その場合、バッファストレージを不要にするか、又はより小さくされる可能性がある。例えば、超音波、レーダ、又はマイクロフォンの異なるデータの融合は、これにより改善され、より正確にされる可能性がある。更に、データのロギングをより一層正確にする可能性がある。

今日、アプリケーションは、プラットフォームに合わせて調整され、適合される。本発明は、ソフトウェアをある程度柔軟に設計することを可能にし、予めソフトウェアに恒久的にプログラムする必要なく、基礎となるシステムを最大限に活用する方法を説明する。出発点は、リソース及び金銭を浪費し、品質を損なう最悪の場合として知られるものである。本発明は、ソフトウェア開発者及びソフトウェア設計者が、より柔軟に、及びより正確にアプリケーション事例の要件に合わせることができるソフトウェア／アプリケーションを提供することを可能にする。前述の方法をソフトウェアに組み込むことにより、事例毎に、又は制御装置内で最適化を実施することが可能となる。これは、ソフトウェアがよりプラットフォームに依存した形で開発される可能性があることを意味する。

システム機能としての部分ネットワーキングは、例えば、バスの効率がそれによって影響される可能性があり、制御装置が「待機」時間をもはや無駄にすることがなくなれば、システム全体に対して更に大きな影響を及ぼすが、残念ながら１０Ｍビット／秒技術では必要である。

新しい技術は、もはや自動車のみにとどまり得ない。ＩＰ、ＡＶＢ及びＴＳＮなどのプロトコルには、何千ページもの仕様及びテストスイートがある。これらの新しいプロトコルが自動車において制御可能であることは、現在ところ既知の事実ではない。

本発明の１つの利点は、通常のハードウェアを変更する必要がなく、既存のハードウェアを使用し続けることができる点である。新しい方法は、既存の装置を損なうことなく、既存のネットワークに組み込むことができる。既存のプロトコルを使用できるため、規格に反することはない。これらのセンサは、特に、量販市場に供給するために、できるだけ安価であるべきである。ケーブル／プラグ等のより高価なインターフェースを不要にすることができれば、これは大きな付加価値を意味する。加えて、データの品質は、データがバスに到達するのが速ければ速いほど、また、必要とされる待機及び／又はストレージが少なければ少ないほど、向上する。

提案は、ビーコンサイクル時間がバス及びその構成にのみ依存し、個々のノード又はその要件には依存しないという問題を解決する。新しいアーキテクチャの根本的な変革は、より少ない計算ユニットにソフトウェアを集中させることを特徴とする。これらのいわゆるサーバ又は中央コンピュータは、もはやただ１つのμＣ又はμＰからなるのではなく、複数のμＣ、μＰ、ＳＯＣ、及び多数のポートを有するイーサネットスイッチも含んでいる。それらは、それぞれが個別のソフトウェアを有する別々のローカルエリアネットワークを表し、それはまた、それぞれのソフトウェアコンポーネントが、それらが例えば同じハウジング内に位置するコンポーネントと通信していることを知らない（知ることができない）ことを意味する。中央サーバを有するゾーンアーキテクチャが知られている。ここで、一方では、サーバは多くの強力なプロセッサを含み、他方では、多くのソフトウェア又はアプリケーションがサーバ上で実行される。制御装置内の通信労力は膨大であり、これは別々のローカルエリアネットワークを表す。車両のソフトウェアの全ては、将来、ここで実行され、各コントローラは、異なるサプライヤによって提供されるそれ自体のソフトウェアスタックを有する。

機能及びアプリケーションを他の制御装置／プロセッサに動的に転送するための、即ちそれらを最適化するための概念が知られている。これは、ライブマイグレーション、再割当、又はマイグレーションと呼ばれる。ソフトウェアを他のＥＣＵ／プロセッサに転送するための直列アプリケーションが知られている。

新しいアーキテクチャのおかげで、ハードウェアがより一般化され、ソフトウェアがプラットフォームに依存しなくなってきているため、ここで初めて異なるＥＣＵ上にソフトウェアを実装する可能性が存在するが、これまでは、これは全ての機能及びＥＣＵで実現できなかった。従って、どの制御装置（サーバ）上でどのようなソフトウェアが動作するかは、システムを設計した時点で必ずしも確定しているわけではない。しかし、ソフトウェアの移行は、ここでは、ＥＣＵ対ＥＣＵの動作に限定されず、同じＥＣＵ内のコントローラ対コントローラの動作にも適用される。

概念は、ハードウェアコスト等の追加の金銭的支出なしに、規格に準拠しながら実装される可能性がある。自動車における新しく導入されたイーサネットプロトコルの使用は、高価な実装及び更に追加のハードウェアなしに実施できるようにするために、単純な技法及び技術の所定の特性を利用する機構を必要とする。本発明によるネットワークシステムは、信頼性の点で改善されている。

より正確且つ予測可能な遅延のアプリケーション特有の特定の利点は、車両における通信のスケジューリング及び実行の改善である。これは、既存のバスシステムをより効率的に用いることができ、高価な技術（より高い帯域幅）への飛び乗りを回避できることを意味する。これはまた、必要とされるバッファストレージに影響を及ぼす可能性があり、その場合、不要にする（又はより小さくされる）可能性がある。異なるデータの融合（例えば、超音波＋レーダ、又はマイクロフォン）は、これにより改善され、より正確にされる可能性がある。更に、データのロギングをより一層正確にすることができる。

ソフトウェア更新の場合、より現実的な時間ウィンドウが本発明を通じて報告される可能性があり、最悪の場合を想定する必要はない。従って、そうでなければ決して開始されないか、又は後に開始されるダウンロード／更新が可能である。

本発明による方法の使用は、例えば、産業オートメーション等の、１０Ｍビット／秒イーサネットを用いる他の産業分野で用いられてもよい。

この目的は、有利には、イーサネットネットワークにおける部分ネットワーキングにおいてセンサネットワークにおける伝送データレートを最適化するための方法によって解決され、方法は、
ａ）ヘッドノードがアクティブノードの数を特定することと、
ｂ）ヘッドノードが、イーサネットネットワーク通信を優先順位付けするために、識別されたノードを２つ以上の分類のノードに分類することと、
ｃ）ヘッドノードが、複数のノードのうちの少なくとも幾つかから予約要求を受信することと、
ｄ）予約要求に応答して、来たる通信ウィンドウ内の１つ以上のノードにタイムスロットを割り当てることであって、割当は、ノードの優先度に基づき、優先度は、ノードの分類に従ってそれらに割り当てられる、ことと、を含み、アクティブノードの数が特定された後、バスサイクル長が計算され、スリープ状態又は非アクティブ又は欠陥ノードの数が特定され、ビーコンバスサイクルは、バスサイクル長をどれだけ短縮することができるかに関して特定される。

本方法の有利な一実施形態において、バス負荷が連続的に監視され、後続のバスサイクルがビーコン（Ｂ’）の早期の送信によって早期に実行される。

本方法の更に有利な実施形態は、スリープ状態ノードのバス位置（ノードＩＤ）の特定に続いて、アクティブではないスリープ状態ノードを表していないより高いバス位置（ノードＩＤ）を有するノードが存在するかどうかを特定するためのチェックが実行され、アクティブノードのバス位置（ノードＩＤ）が最適化されることを特徴とする。

本方法の更なる有利な実施形態は、必要なダウンロードデータレートの特定に続いて、イーサネットネットワークの最後のバスサイクル（Ｄ_ｆｒｅｉ）におけるイーサネットネットワーク内の現在の空きデータレートが特定され、バスサイクル当たりの必要データレート（Ｄ_ｚｕｓ）が特定され、イーサネットネットワークの最後のバスサイクル（Ｄ_ｆｒｅｉ）におけるイーサネットネットワーク内の空きデータレートがバスサイクル当たりの必要データレート（Ｄ_ｚｕｓ）以上である場合、次のバスサイクルにおいて変更が行われず、イーサネットネットワークの最後のバスサイクル（Ｄ_ｆｒｅｉ）におけるイーサネットネットワーク内の空きデータレートがバスサイクル当たりの必要データレート未満である場合、次のバスサイクルにおいて変更が行われることを特徴とする。

特に有利なことは、イーサネットネットワークのための制御ユニットであって、第１のノードとして、イーサネット車載ネットワークの第２の制御ユニットに信号を送信し、第２の制御ユニットから信号を受信し、第２の制御ユニットに対する接続経路上の信号の伝播時間を特定し、伝播時間に基づいて、接続経路の最大速度を特定し、最大速度に基づいて、接続経路の伝送媒体の種類を特定する、よう、制御ユニットとして設計され、少なくとも、マイクロプロセッサと、揮発性メモリ及び不揮発性メモリと、少なくとも２つの通信インターフェースと、同期可能タイマと、を備え、不揮発性メモリは、マイクロプロセッサによって実行される場合、本発明による方法の少なくとも１つの実施形態を実装し、実行することができるプログラム命令を含む、制御ユニットによる実装である。

特に有利なことは、第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットを有する、自動車用のイーサネットネットワークであって、制御ユニットは、少なくとも１つの接続経路を介して互いに接続され、第１の制御ユニットは、本発明による方法を実行するよう設計される、イーサネットネットワークによる実装である。

イーサネット車載ネットワークの特に有利な一実施形態は、イーサネットネットワークが、第１の制御ユニットに間接的にのみ接続され、第３の接続経路を介して第２の制御ユニットに直接接続される第３の制御ユニットを有し、第３の制御ユニットは、第３の接続経路上の第３の信号の伝播時間を特定するよう設計され、第１の制御ユニットが、第３の制御ユニットへのサービスメッセージを介して第３の信号の伝播時間の特定をトリガするよう設計されることを特徴とする。

本発明によって開示される方法を実装することによって、より高い品質及び耐久性を有するプラットフォーム非依存のソフトウェアを用いることが可能である。本発明は、クロック同期コンポーネント及び組み込みシステムを有する他の通信システムにおいて用いられてもよい。

本発明の例示的な実施形態を図面に示し、以下でより詳細に説明する。

イーサネットバス（１０Ｍビット／秒）とスイッチドネットワークとの間の違いの略図を示す。 イーサネットバス上の通信の基本的なフローを示す。 スタブを有するイーサネットバスの物理的表現を示す。 スリープ状態のノードの場合、バスが帯域幅を大量に浪費するだけでなく、他のノードの待ち時間を無駄に増やしていることを示す。 送信時間ウィンドウの動的適応を示す。 スケジュール又はバスサイクルを個々に短縮し、適応することの解決策及び利点を示す。 ここで提案する最適化なし（上）及び最適化／短縮後（下）の不必要に長いスケジュールを短縮することの更なる実施例を示す。 最小値及び最大値を有する次のビーコンサイクルの計算を示す。 アクティブ／スリープ状態ノードの位置（ここではノードＩＤ）に基づくビーコンの送信時間の特定を示す。 バスの「端部」における排他的に非アクティブな参加者（最も高いノードＩＤ）の場合における、次のビーコンフレームの遅延送信によるサイクル時間の短縮及び最適化を示す。 ただ１つのスリープ状態ノード（ＩＤ２）の実施例を用いて、バスサイクルを最適化するための様々なオプションを示す。

図１は、イーサネットバス（１０Ｍビット／秒）とスイッチドネットワークとの間の違いの略図を示している。

本発明の通知は、自動車の１０Ｍビット／秒バス上のデータ伝送の効率を最適化し、ノードに対するバスアクセス時間を短縮する新規の方法を提案する。

図２は、イーサネットバス上の通信の基本的なフローを示している。ビーコンが送信された後、最初にノード０の順番があり、それがその送信を終了した場合、次のノードが送信を許可される（通常、各場合において単一のイーサネットフレームのみがスロット内で送信されてもよい）。

本発明による方法の基本的な考え方は、バスサイクルの動的適応を説明している。ＦｌｅｘＲａｙとは異なり、これは負の又は不適当な効果を有していない。ノードは、固定して定義された時間ウィンドウを有しておらず、あくまで順序に従う。ヘッドノードはまた、どのデータがノードによって事前に送信されるかを知らない。

図３は、スタブを有するイーサネットバスの物理的表現を示している。

本方法は、最初に、バス上の全ての参加者を特定する。これは通常、ヘッドノードがフローをスケジューリングするようこの参加者の数を知る必要があるため、静的に事前設定される。

図４は、スリープ状態のノードの場合、バスが帯域幅を大量に浪費するだけでなく、他のノードの待ち時間を無駄に増やしていることを示している。

図５は、送信時間ウィンドウの動的適応を示している。ヘッドノードは、次いで、バス上の全てのスリープ状態ノード又は欠陥ノード又は非アクティブノードを特定する。区別は、ここで、それらが現在スリープ状態であるかどうか、又はノードが非アクティブである場合に将来の時間がわかっているかどうかに関して行われてもよく、これに関して、スリープ状態又は非アクティブとは、それらがバス通信に参加していない（アクティブな送信ユーザデータでもパッシブな受信ユーザデータでもない）ことを意味する。ヘッドノードは、例えば、ネットワーク管理者からの要求、プロトコルのチェック、ノード上のレジスタの読み取りを通じて、バス上の１つ又は参加者からのメッセージ、例えば、ノードのエラー状態によるスリープ／ウェイクアップ信号への応答、によって通信される上位ソフトウェア層又はアプリケーションを介してのどちらかでこの知識を受信する。

図６は、スケジュール又はバスサイクルを個々に短縮し、適応することの解決策及び利点を示している。「Ｂ」として示すビーコンフレームをより早く送信することによって、後続のサイクルを常により早く実行することができる。個々のノードの送信スロットは、６４～１５２２バイトの間のサイズであってもよく、単に簡略化のために、常に同じサイズで示している。

図７は、ここで提案する最適化なし（上）及び最適化／短縮後（下）の不必要に長いスケジュールを短縮することの更なる実施例を示している。

図８は、最小値及び最大値を有する次のビーコンサイクルの計算を示している。

ビーコンサイクル（即ち、次のビーコンが送信される時、又はバス上でアクティブなノードの数）は、スリープ状態又は欠陥又は非アクティブ参加者の数を特定することによって計算されてもよい。それ自体、アクティブノードの残りの数により、それらがどのＩＤを有するかに関わらず、バス上でどれだけの時間を節約することが可能であるか、又はどれだけバスサイクルを短縮することができるかを最初に計算してもよい。

以下の通常モードにおけるサイクル長、
Ｚ＝参加者×（送信ウィンドウ＋フレームサイズ）
は、従って、一般に、以下に短縮される。
Ｚ’＝（参加者－非アクティブ参加者）×（送信ウィンドウ＋フレームサイズ）

図９は、アクティブ／スリープ状態ノードの位置（ここではノードＩＤ）に基づくビーコンの送信時間の特定を示している。

バス上の全てのノードは、固有のＩＤを有している。本方法は、ノードの総数及びＩＤを用いて、バスサイクル毎のスリープ状態の参加者の位置を特定する。自動車１０Ｍビット／秒イーサネットバス上の参加者の数は、バストポロジによって制限され、従って、スリープ状態又は場合によっては故障ノードの「後ろに」アクティブノードがあるかどうかの概要を得ることは容易である（ＩＤｓｌｅｅｐｉｎｇｎｏｄｅ＜ＩＤａｃｔｉｖｅｎｏｄｅ）。

最も高いＩＤまで更なるアクティブノードが存在しない場合、ビーコンサイクルは、ビーコンが、前にアクティブノードを有し、後ろにスリープノードを有するだけの第１のスリープノードの送信スロット、いわゆる送信機会の前に設定されるように適合される。この方法は、図１０に示すように、スリープ状態ノード、即ちより高いＩＤの後ろに、更なるアクティブノード、又はＥＣＵ、センサがないことを前提としている。自動車環境における１０Ｍビット／秒イーサネットバスシステムは、今日では、通常、８つのＥＣＵ用に設計されているため、この確率は比較的高い。

図１０は、バスの「端部」における排他的に非アクティブな参加者、従って最も高いノードＩＤの場合における、次のビーコンフレームの遅延送信によるサイクル時間の短縮及び最適化を示している。

しかし、小さいＩＤを有するノードがもはやバス上に参加しなくなった場合、本発明は、参加者のＩＤを適合又は最適化することを提案する。

この点に関して、図１１に示すように、本発明による幾つかの提案がある。方法の選択又は組合せは、適用事例に応じて適合させてもよい。

より高いＩＤを有するバス上の全てのアクティブな参加者のＩＤは、スリープ状態ノードの数だけ事前に低減される。例えば、ＩＤ３がスリープ状態である場合、ＩＤ４は１だけ低減される。これは、バス参加者の送信順序を維持する。

別の可能性は、最も高いＩＤを有する参加者でスリープ状態のＩＤを埋めることである。ＩＤ３がスリープ状態にある場合、このＩＤは、最も高いＩＤ（例えば、ＩＤ８）に再割当される。これはバス参加者の順序を変更するが、設定し直す必要のあるバス参加者は少ない。

図１１は、ただ１つのスリープ状態ノード（ＩＤ２）の実施例を用いて、バスサイクルを最適化するための様々なオプションを示している。

バスサイクルの無用な最適化又は適応を回避するために、本方法は、現在のバス負荷を特定することを提案する。現在の負荷は、最後のビーコンの時間差及び参加ノードの数によって特定されてもよい。バス負荷が低い場合、次のサイクルに向かって急激に増加することはないと統計的に仮定してもよい。しかし、バス負荷を連続的に監視することが提案されているため、依然としていかなる変化にも反応することが可能である。

最後のステップにおいて、バスサイクルは、必要なデータレートに関して適合される。このために、２つの可能性が後に提案される。

１つの有利なサブステップにおいて、必要なデータレートを現在のバス容量と比較する方法が特定されてもよい。まず、必要なダウンロードデータレートが１０Ｍビットバスに関してここで計算される。次いで、アクティブノードの数がヘッドノードによって特定される。エラー状態又はスリープモードにおいてどちら一方で受動的にリスニングしているだけの非アクティブな参加者のスロットが特定され、Ｄ_ｆｒｅｉと称するヘッドノードのために本方法によって利用可能にされる。

これは、既に、進行中の通信に積極的に介入するプロセスにおいて又はノードをミュートするプロセスを欠いて、バスの最適化をもたらす。実際のデータレートは、次いで、常に最悪の場合を想定するプロセスを欠いて、アプリケーションに報告されてもよい。これは、メモリを節約し、アプリケーションに、場合によってはドライバにも、リアルタイムウィンドウを返す。この方法は、サイクルを最適化するための第一歩である。

別の可能な最適化ステップは、ヘッドノードにおける計算された必要なデータレートに基づいて、バス上の他の参加者（無論、ヘッドノードを除く）のサブセット（又は全ても）が送信することを防止し、従って、ダウンロード（又はセキュリティ更新）目的のためのサイクル時間を低減し、その結果、ヘッドノードは、通常のバス動作に従って、利用可能な十分な帯域幅がない場合でも、その必要なデータレートを供給することができるよう説明される。この目的のために、ヘッドノードが現在のサイクルにおいて依然として送信しなければならないデータ量は絶えず比較され、この値は、このサイクルにおいて０を下回ってはならず、そのため、サイクルが次のビーコンの送信によって前に終了することになる限界値とみなされる。この方法は、ある特定の許容範囲内でのみ、必要とされるだけの帯域幅がヘッドノードに用いられ、残りは後続のノードによる使用のために依然として利用可能であるため、他のバス参加者に対して可能な限り高い公平性をもたらす。各バス参加者は、０（データを全く送信しない）、６４（最小イーサネットフレームを送信する）、及び１５２２バイト（最大イーサネットフレームを送信する）の間にある可能性があるため、この残りの帯域幅に起因してサイクル中に依然として送信する可能性があるノードの量は、正確に予測することができない。

公平性を更に高めるために、ノードがもはや送信することができず、サイクルが次のビーコンによって終了する場合（そのスロットにおける残りの必要なデータレートが潜在的な最大イーサネットフレームを下回るため）、「残りの帯域幅」は、次のサイクルに繰り越され、次のサイクルにおける他のバス参加者による使用のために解放されることが提案される。このようにして、ヘッドノードにおける帯域幅要件が満たされているにも関わらず、一種の「クレジット」が蓄積される可能性がある。

しかし、クレジットが過度に増加し、従って、他のバス参加者の多くが妨害されずに大量のデータを送信することができる大きなデータバーストを潜在的に引き起こすことを防止するために、秒単位の設定可能な期間の後にクレジットを飽和又はリセットすることによって、又は、設定可能な数のバスサイクルの後にクレジットを飽和又はリセットする場合のサイクルカウンタによってのどちらか一方の時間的にクレジットの増加を制限することが同様に提案される。

この種類のサイクル最適化は、考えられる唯一のものではない。「公平性なし」と「最大限可能な公平性」との間の中間の解決策は、例えば、ヘッドノードのみが幾つかのサイクルにわたって送信することを許可され、それに応じて大きなクレジットが迅速に蓄積する、より単純な方法であり得る。ある特定の閾値の後、これは、次いで、全てのノードがある特定の数のサイクルの間に再び「休止」しなければならない前に送信する機会を与えられるサイクルを挿入することによって、一度に低減されてもよい。必要であれば、方法を簡略化するために、この変形例は、クレジットを全く考慮せずに、単にサイクル数に従って、例えば「ヘッドノードのみが９９サイクル送信し、次いで全てのノードが１サイクル送信する」ように実施されてもよい。しかし、この場合、ヘッドノードのデータレートにおけるある特定のジッタ（変動）を排除することができない。

本発明による方法は、アクティブノードの数を特定した後に、未使用の送信可能性を特定し、それによってヘッドノードのための絶対データレートが時間単位毎に計算される、代替の方法ステップによって実行されてもよい。

以下において、本発明は、通信相手又はそのアプリケーションの信頼性を特定する既に提示された方法を提案する。この信頼性が特定されるという条件で、機密データの交換が実行されてもよい。

サーバ上のヘッドノードは、例えば、通常、ＭＩＩ（媒体独立インターフェース）又はＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓを介してＰＣＢ（プリント回路基板）上に接続され、従って、トランシーバ（ＰＨＹ）を欠いて常に管理してもよい。

イーサネットトランシーバ（ＰＨＹ）は、３桁のナノ秒範囲の遅延を引き起こす。これは小さなことに聞こえるが、層２（ＭＡＣ）上の遅延は、測定の分解能がどれほど高いかにもよるが、約１桁のナノ秒範囲であるか、又は０に向かう傾向がある。

方法はまず、データが交換される（受信される、送信される、又はその両方）アプリケーションのアドレスを特定する。

本方法は、次いで、この成分に対する伝播時間測定を開始する。例えば、ｇＰＴＰプロトコル（又は８０２．１ＡＳ）のＰＤｅｌａｙ＿Ｒｅｑｕｅｓｔメソッドをここで用いてもよい。それに応答して２つの応答が送り返され、ハードウェアタイムスタンプを用いてメッセージの伝播時間を特定してもよい。（ハードウェアタイムスタンプを有するプロトコルの使用は重要であり、従って、例えば、ＮＴＰは、分解能があまりに不正確であるため除外される）。

この計算された値を用いて、本方法は、この参加者までの物理的距離を計算する。距離を、ここでは、例えば、メートル又はセンチメートル等の測定単位によって直接表現しないが、この遅延が実際のケーブル上の遅延とは対照的に大きいため、接続の一部であるコンポーネント（ＰＨＹ、スイッチ）の数に変換してもよい。

代替として、本方法は、伝播時間測定（例えば、ＰＴＰプロトコルの一部）を開始し、そこからこの参加者までの距離を計算することによって、参加者／アドレスへの伝播時間を測定する。

測定された伝播時間は、位置の表示を提供するために最初に評価されなければならない。ソフトウェアは、パートナーが同じＥＣＵ内に位置するか否かを知ることができず、理想的には、特別なバージョンではなく一般化されたＳＷが用いられているかどうかを知らなければならず、加えて、ＩＰアドレスが改竄又は変更される可能性がある。ＭＩＩベース接続の伝播時間は、ＰＨＹ（トランシーバ）を必要としない。しかし、時間同期ソフトウェアも、この調査を委託する実際のアプリケーションも、これを知らない。ＰＨＹは、データを電気信号に変換し、それらを符号化するが、これは、２つのイーサネットＭＡＣがＭＩＩベースの回線を介して互いに通信する場合よりもはるかに多くの時間を要する。

提示する方法はまた、参加者が要求側参加者に直接接続されているかどうかも認識する。そうでない場合、待ち時間に応じて、それぞれ適切なプロトコルを選択してもよい。例えば、ＭＡＣ－Ｓｅｃ又はＩＰ－Ｓｅｃは、車両内部で適用される待ち時間のために用いることができ、他のＩＰ／ＴＣＰベースの方法は、待ち時間が極めて高く、参加者が疑いなく車両の外側にいる場合に用いることができる。

Claims (9)

1. イーサネットネットワークにおける部分ネットワーキングにおいてセンサネットワークにおける伝送データレートを最適化するための方法であって、
   ａ）ヘッドノードがアクティブノードの数を特定することと、
   ｂ）前記ヘッドノードが、イーサネットネットワーク通信を優先順位付けするために、識別されたノードを２つ以上の分類のノードに分類することと、
   ｃ）前記ヘッドノードが、前記複数のノードのうちの少なくとも幾つかから予約要求を受信することと、
   ｄ）予約要求に応答して、来たる通信ウィンドウ内の１つ以上のノードにタイムスロットを割り当てることであって、前記割当は、前記ノードの優先度に基づき、前記優先度は、前記ノードの分類に従ってそれらに割り当てられる、ことと、を含み、
   アクティブノードの数が特定された後、バスサイクル長が計算され、スリープ状態又は非アクティブ又は欠陥ノードの数が特定され、ビーコンバスサイクルは、前記バスサイクル長をどれだけ短縮することができるかに関して特定されることを特徴とする、方法。
2. バス負荷が連続的に監視され、後続のバスサイクルがビーコン（Ｂ’）の早期の送信によって早期に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記スリープ状態ノードのバス位置（ノードＩＤ）の特定に続いて、アクティブではないスリープ状態ノードを表していない、より高いバス位置（ノードＩＤ）を有するノードが存在するかどうかを特定するためのチェックが実行され、前記アクティブノードの前記バス位置（ノードＩＤ）が最適化されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. イーサネットネットワークのための制御ユニットであって、第１のノードとして、
   － イーサネット車載ネットワークの第２の制御ユニットに信号を送信し、前記第２の制御ユニットから前記信号を受信し、
   － 前記第２の制御ユニットに対する接続経路上の前記信号の伝播時間を特定し、
   － 前記伝播時間に基づいて、前記接続経路の最大速度を特定し、
   － 前記最大速度に基づいて、前記接続経路の伝送媒体の種類を特定する、よう、制御ユニットとして設計され、
   前記制御ユニットは、少なくとも、
   － マイクロプロセッサと、
   － 揮発性メモリ及び不揮発性メモリと、
   － 少なくとも２つの通信インターフェースと、
   － 同期可能タイマと、を備え、
   前記不揮発性メモリは、前記マイクロプロセッサによって実行される場合、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の方法の少なくとも１つの実施形態を実装し、実行することができるプログラム命令を含む、ことを特徴とする、
   制御ユニット。
5. 第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットを有する、自動車用のイーサネットネットワークであって、前記制御ユニットは、少なくとも１つの接続経路を介して互いに接続され、前記第１の制御ユニットは、請求項４に記載したように設計される、イーサネットネットワーク。
6. 前記イーサネットネットワークが、前記第１の制御ユニット（３）に間接的にのみ接続され、第３の接続経路を介して前記第２の制御ユニットに直接接続される第３の制御ユニット（５）を有し、前記第３の制御ユニットは、前記第３の接続経路上の第３の信号の伝播時間を特定するよう設計され、前記第１の制御ユニットが、前記第３の制御ユニットへのサービスメッセージを介して前記第３の信号の前記伝播時間の前記特定をトリガするよう設計されることを特徴とする、請求項５に記載のイーサネット車載ネットワーク。
7. コンピュータによってプログラムが実行されると、請求項１～３のいずれか一項に記載の前記方法（２００）を前記コンピュータに実行させるコマンドを備える、コンピュータプログラム製品。
8. 請求項７に記載のコンピュータプログラム製品が格納されるコンピュータ読取可能媒体。
9. 請求項４に記載の複数の制御ユニットを備えるイーサネット車載ネットワークを有する車両。

Images