(57)【要約】  複数のノードと、１つまたは複数のハブであって、各ハブが、前記複数のノードとの通信リンクを有する１つまたは複数のハブと、１つまたは複数のガーディアンとを含む寄生時間同期化ネットワークを提供する。各ノードが、データを送信し、受信するように適合され、前記１つまたは複数のハブを介して他のすべてのノードと通信するように適合される。いずれか１つのハブと前記複数のノードとの間の前記通信リンクが、通信チャネルを定義する。各ガーディアンは、１つの通信チャネルに関連する。各ノードは、その中で前記１つまたは複数のハブのうちの関連するハブを介してデータを送信することを許可されるタイムスロットを割り当てられる。関連するチャネルのガーディアンは、前記関連するハブを介する前記複数のノードの間のデータ伝送の伝搬をブロックし、前記複数のノードのうちの１つからのデータ伝送だけを許可し、前記ガーディアンは、前記複数のノードのうちの複数によって生成されたビーコンのクラスタを周期的に受信する。
2007511987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ノード（２０２−１から２０２−Ｎ）が、データを送受信するように適合されている複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）と、
各ハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）が、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）との通信リンクを有する、１つまたは複数のハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）と、
各ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は１つの通信チャネルに関連する、１つまたは複数のガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）と、
を備え、
各ノード（２０２−１から２０２−Ｎ）は、前記１つまたは複数のハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）を介して他のすべてのノード（２０２−１から２０２−Ｎ）と通信するように適合され、
いずれか１つのハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）と前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）との間の前記通信リンクは、通信チャネルを画定し、
各ノード（２０２−１から２０２−Ｎ）は、前記１つまたは複数のハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）のうちの関連するハブを介してデータを送信することを許可されるタイムスロットを割り当てられ、
関連するチャネルのガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、前記関連するハブを介する前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）間のデータ伝送の伝搬をブロックし、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの１つからのデータ伝送だけを許可し、
前記ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの複数によって生成されたビーコンのクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を周期的に受信し、
前記ガーディアンは、ビーコンの前記クラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を観察することによって、いつタイムスロットの開始が発生したか知るように適合されている、
寄生時間同期化ネットワーク。
【請求項２】
前記ネットワークはＴＤＭＡネットワークであり、前記タイムスロットはＴＤＭＡスロットである、請求項１に記載のネットワーク。
【請求項３】
前記ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は第１のビーコン（３２２）の受信を観察するようにさらに適合され、
前記ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、事前定義の時間間隔ｔ以内に第ｎのビーコン（３２６）の受信を観察するとき、前記ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、前記第１のビーコン（３２２）、前記第ｎのビーコン（３２６）、および前記第１のビーコン（３２２）と前記第ｎのビーコン（３２６）との間に受信されたすべてのビーコンが、タイムスロットの開始を示すビーコンのクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を含むと結論する、ここでｎは２以上である、
請求項１に記載のネットワーク。
【請求項４】
タイムスロットの始めを示すビーコンの前記クラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を識別したとき、事前定義の時間遅れ（３３５）の後に、前記ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）が、送信ウィンドウ（３４０）を開き、前記送信ウィンドウは、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの１つからのデータ送信の伝搬を許可する、請求項３に記載のネットワーク。
【請求項５】
前記事前定義の時間遅れ（３３５）は、ビーコンの前記クラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）の前記第ｎビーコン（３２６）の受信時に開始される、請求項４に記載のネットワーク。
【請求項６】
１つまたは複数のハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）と、
各ノードが、前記１つまたは複数のハブ（２０４−１から２０４−Ｈ）を介してすべての他のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）と通信するように適合されている、複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）と、
ネットワーク内でイネーブルされる同期化機能とを含むネットワークであって、
前記同期化機能は、
中央ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）と、
前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの複数によって前記中央ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）に送信され、ビーコンの複数のクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）のうちの１つを受信したことに基づいて、前記中央ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）が、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの１つに対して送信ウィンドウを開き、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの前記１つからのデータ送信が他のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）に伝搬することを許可する、ビーコンの複数のクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）とを含む、ネットワーク。
【請求項７】
前記中央ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、第１のビーコン（３２２）の受信を観察することによってビーコンの前記複数のクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）のうちの前記１つと、１つまたは複数のアウトライアービーコン（３１１、３１３、および３１４）との間を区別し、前記ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、事前定義の時間間隔ｔ以内に第ｎのビーコン（３２６）の受信を観察するとき、前記中央ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、前記第１のビーコン（３２２）、前記第ｎのビーコン（３２６）、および前記第１のビーコン（３２２）と前記第ｎのビーコン（３２６）との間に受信されたすべてのビーコンが、ビーコンの１つのクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を含むと結論する、ここでｎは２以上である、請求項６に記載のネットワーク。
【請求項８】
ビーコンの１つのクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を識別したとき、事前定義の時間遅れ（３３５）の後に、前記中央ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）は、送信ウィンドウ（３４０）を開き、前記送信ウィンドウ（３４０）は、前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの１つからのデータ送信の伝搬を許可し、前記事前定義の時間遅れ（３３５）は、ビーコンの前記１つのクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）の前記第ｎのビーコン（３２６）の受信時に開始される、請求項７に記載のネットワーク。
【請求項９】
第１のビーコン（３２２）の受信を観察するステップと、
ｎが２以上である、事前定義の時間間隔ｔ以内の第ｎのビーコン（３２６）の受信を観察するステップと、
前記第１のビーコン（３２２）、前記第ｎのビーコン（３２６）、および前記第１のビーコン（３２２）と前記第ｎのビーコン（３２６）との間に観察されたすべてのビーコンが、ビーコンのクラスタ（３２０−１から３２０−Ｒ）を含むと結論するステップと、
前記第ｎのビーコン（３２２）の受信は、前記事前定義の時間間隔ｔ以内に発生するとき、前記第ｎのビーコン（３２６）の受信をタイムスロットの開始として定義するステップと、
を含む、集中ガーディアン（２０３−１から２０３−Ｈ）をネットワークの複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）に同期化させる方法。
【請求項１０】
前記タイムスロットの前記開始の後に事前定義の時間遅れ（３３５）を待つステップと、
前記複数のノード（２０２−１から２０２−Ｎ）のうちの１つのノードのために送信ウィンドウ（３４０）を開くステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００３年１１月１９日出願の米国特許仮出願第６０／５２３７８３号、表題「ＰＡＲＡＳＩＴＩＣ  ＴＩＭＥ  ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ  ＦＯＲ  Ａ  ＣＥＮＴＲＡＬＩＺＥＤ  ＴＤＭＡ  ＢＡＳＥＤ  ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ  ＧＵＡＲＤＩＡＮ（集中ＴＤＭＡベースの通信ガーディアン用の寄生時間同期）」、２００３年１１月１９日出願の米国特許仮出願第６０／５２３８９６号、表題「ＶＯＴＩＮＧ  ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ  ＦＯＲ  ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ  ＳＣＨＥＤＵＬＥ  ＥＮＦＯＲＣＥＭＥＮＴ（伝送スケジュール実施用の投票機構）」、および２００３年１１月１９日出願の米国特許仮出願第６０／５２３７８５号、表題「ＰＲＩＯＲＩＴＹ  ＢＡＳＥＤ  ＡＲＢＩＴＲＡＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＴＤＭＡ  ＳＣＨＥＤＵＬＥ  ＥＮＦＯＲＣＥＭＥＮＴ  ＩＮ  Ａ  ＤＵＡＬ  ＬＩＮＫ  ＳＹＳＴＥＭ（２重リンクシステムにおけるＴＤＭＡスケジュール実施用の優先順位ベースのアービトレーション）」に関連し、これらの出願日の利益を主張するものであり、これらの米国特許仮出願のすべてが、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本願は、本願と同時に出願された次の同時係属の特許出願にも関連し、これらのすべてが、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００３】
米国特許出願第＿＿／＿＿＿＿号（弁理士整理番号第Ｈ０００５４５９−１６３３号、表題「ＰＲＩＯＲＩＴＹ  ＢＡＳＥＤ  ＡＲＢＩＴＲＡＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＴＤＭＡ  ＳＣＨＥＤＵＬＥ  ＥＮＦＯＲＣＥＭＥＮＴ  ＩＮ  Ａ  ＭＵＬＴＩ−ＣＨＡＮＮＥＬ  ＳＹＳＴＥＭ（マルチチャンネルシステムにおけるＴＤＭＡスケジュール用の優先順位ベースのアービトレーション）」）、以下では、’５４５９出願とも称する；
米国特許出願第＿＿／＿＿＿＿号（弁理士整理番号第Ｈ０００５０６５−１６３３号、表題「ＶＯＴＩＮＧ  ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ  ＦＯＲ  ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ  ＳＣＨＥＤＵＬＥ  ＥＮＦＯＲＣＥＭＥＮＴ（伝送スケジュール実施用の投票機構）」）、以下では、’５０６５出願とも称する。
【０００４】
次の説明は、全体的には通信システムに関し、具体的には、分散フォールトトレラント通信システムに関する。
【背景技術】
【０００５】
分散フォールトトレラント通信システムは、たとえば、故障がおそらくは１人または複数の人の怪我または死につながる可能性があるアプリケーションで使用される。そのようなアプリケーションを、本明細書では「セーフティクリティカルアプリケーション」と称する。セーフティクリティカルアプリケーションの一例が、自動車、航空機エレクトロニクス、産業制御、および類似物の分野に含まれるセンサおよびアクチュエータの監視および管理に使用されるシステムである。
【０００６】
セーフティクリティカルアプリケーションについて検討されるアーキテクチャは、一般に、タイムトリガドアーキテクチャであり、この場合に、ノードは、同期化された時間を使用して、通信バスなどの共通リソースへのアクセスを調整する。そのようなセーフティクリティカルアプリケーションで使用について通常検討されるアーキテクチャの１つが、タイムトリガドアーキテクチャ（ＴＴＡ）である。ＴＴＡシステムでは、複数のノードが、たとえばＴｉｍｅ−Ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ／Ｃ（ＴＴＰ／Ｃ）などのタイムトリガドプロトコルを使用して、２つの複製された高速通信チャネルを介して互いに通信する。
【０００７】
各ノードが時分割多元接続（ＴＤＭＡ）スロットと称するある固定された量の時間の間にバスの完全な伝送容量を周期的に利用することを許可される、媒体アクセス戦略としてＴＤＭＡを使用するフォールトトレラントプロトコル（たとえば、ＴＴＰ／Ｃ）。各ノードがその統計的に割り当てられたＴＤＭＡスロットだけを使用する限り、バスに対する、衝突のないアクセスを確保することができる。
【０００８】
ＴＤＭＡネットワーク内のノードによるメッセージの伝送は、各ＴＤＭＡスロットにどのノードが送信を許可されるかを決定し、ＴＤＭＡスロットの開始時間および持続時間をも定義するスケジュールテーブルによって制御される。この開始時間および持続時間が、ノードが許可される送信ウィンドウを定義する。ノードの送信器は、そのウィンドウの開始の後にそのメッセージの送信を開始し、そのウィンドウが終了する前に終了しなければならない。送信の許可を有しないノードは、ＴＤＭＡスロットが始まるとき、持続時間が経過するまで送信を聴取する。ノードが送信し、受信するタイミングは、分散クロック同期化アルゴリズムによってシステム内の他のノードに同期化された、ノードのローカルクロックによって制御される。実際には、すべてのノードクロックの完全な同期化は不可能であり、その結果、各ノードのクロックは、互いにわずかにスキューを有する。そのため、あるノードの送信器が、受信側ノードのうちの１つまたは複数が聴取の準備ができる前にメッセージの送信を開始する可能性がある。同様に、あるノードが、他のノードが聴取を停止した後に送信を継続することがありえる。さらに、劣化したノードが、それに割り当てられたウィンドウの外側でよく送信を試みる場合がある。
【０００９】
集中ガーディアンは、そのような故障の伝搬を制限すると考えられてきた。ガーディアン（または中央ガーディアン）は、劣化したノード送信器がそれに割り当てられたウィンドウの外側のネットワークに同報通信できないことを保証する。ＴＤＭＡスロットの始めに、事前定義の遅延の後に、ガーディアンは、ノードがネットワークにメッセージを送信することを許可するウィンドウを開く。ノードが正しく動作している場合に、そのノードは、ガーディアンのウィンドウが開かれた直後に送信を開始し、ウィンドウが閉じられる前に送信を完了する。理想的には、受信側ノード（すなわち聴取するノード）は、ＴＤＭＡスロットの始めに、ガーディアンのウィンドウが閉じるまで聴取を開始する。ガーディアンは、送信ウィンドウ内で発生しない、ノードからの送信をブロックする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ガーディアンの技術的現状に関する１つの問題は、ガーディアン機能の実現が、ＳＯＳ故障を含むのに必要なクロック同期化の必要な度合を達成するために、ノードで実装されるプロトコルロジックエンジンを複製する必要があることである。ガーディアン内のプロトコルロジックエンジンの実装は、非常に複雑なガーディアン設計につながる。ネットワークデータフローに関するガーディアンの役割の集中化に伴って、ガーディアン自体が、クリティカルなアーキテクチャ構成要素になってきた。ガーディアン設計の複雑さは、セーフティクリティカルアプリケーションでの設計の市場バイアビリティに関する重要な問題である。たとえば、いくつかの場合に、ゲートレベル故障分析が、ガーディアン設計をセーフティクリティカルアプリケーションに使用する前に必要である。この場合に、そのようなガーディアンの故障分析を実行することの複雑さが、製品開発コストに関する著しく財政に影響する。いくつかのアプリケーションで、ガーディアン回路が、それ自体の健全さを確かめるために自己テストを実行することを要求される場合がある。これらの自己テストの複雑さも、ガーディアンの複雑さに直接に関係する。
【００１１】
もう１つの問題は、内部で実装されるプロトコルロジックエンジンに基づく現在のガーディアン設計が、ネットワーク内のガーディアンを一緒に結合することを必要とすることである。本発明の実施形態は、この要件を除去する。
【００１２】
上述の理由および本明細書を読み、理解したとき当業者に明白になる、下記で述べる他の理由から、当技術分野では、単純化されたガーディアン設計の必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態は、ＴＤＭＡベースプロトコル通信ネットワークの中央ガーディアン内で単純な同期化機構を実現できるようにする。フルプロトコル同期化の代わりに、本発明の実施形態は、中央ガーディアンが、それ自体が相互フォールトトレラント同期化を実行しているシステムのメンバノードからタイムベースを寄生的に盗むことを可能にする。
【００１４】
複数のノードと、各ハブが前記複数のノードとの通信リンクを有する１つまたは複数のハブと、１つまたは複数のガーディアンとを含む寄生時間同期化ネットワークを提供する。各ノードが、データを送信し、受信するように適合され、前記１つまたは複数のハブを介して他のすべてのノードと通信するように適合される。いずれか１つのハブと前記複数のノードとの間の前記通信リンクが、通信チャネルを画定する。各ガーディアンが、１つの通信チャネルに関連する。各ノードが、それがその中で前記１つまたは複数のハブのうちの関連するハブを介してデータを送信することを許可されるタイムスロットを割り当てられる。関連するチャネルのガーディアンが、前記関連するハブを介する前記複数のノードの間のデータ伝送の伝搬をブロックし、前記複数のノードのうちの１つからのデータ伝送だけを許可する。前記ガーディアンが、前記複数のノードのうちの複数によって生成されたビーコンのクラスタを周期的に受信する。
【００１５】
もう１つの実施形態では、ネットワークが提供される。前記ネットワークが、１つまたは複数のハブと、複数のノードとを含む。各ノードが、前記１つまたは複数のハブを介してすべての他のノードと通信するように適合される。ネットワーク内でイネーブルされる同期化機能が、中央ガーディアンと、前記複数のノードのうちの複数によって前記中央ガーディアンに送信されるビーコンの複数のクラスタとを含む。ビーコンの前記複数のクラスタのうちの１つを受信したことに基づいて、前記中央ガーディアンが、前記複数のノードのうちの１つのために送信ウィンドウを開き、前記複数のノードのうちの前記１つからのデータ送信が他のノードに伝搬することを許可する。
【００１６】
もう１つの実施形態では、集中ガーディアンをネットワークの複数のノードに同期化させる方法が提供される。前記方法が、第１のビーコンの受信を観察するステップと、事前定義の時間間隔ｔ以内の第ｎのビーコンの受信を観察するステップであって、ｎが２以上である、ステップとを含む。前記方法が、さらに、前記第１のビーコン、前記第ｎのビーコン、および前記第１のビーコンと前記第ｎのビーコンとの間に観察されたすべてのビーコンが、ビーコンのクラスタを含むと結論するステップと、前記第ｎのビーコンの受信が、前記事前定義の時間間隔ｔ以内に発生するとき、前記第ｎのビーコンの受信をタイムスロットの始めとして定義するステップとを含む。
【００１７】
もう１つの実施形態では、ネットワークが提供される。前記ネットワークが、集中ガーディアンをネットワークの複数のノードに同期化させる手段を含む。前記ネットワークが、さらに、第１のビーコンの受信を観察する手段と、事前定義の時間間隔ｔ以内の第ｎビーコンの受信を観察する手段であって、ｎが２以上である、手段とを含む。前記ネットワークが、さらに、前記第１のビーコン、前記第ｎのビーコン、および前記第１のビーコンと前記第ｎのビーコンとの間に観察されたすべてのビーコンが、ビーコンのクラスタを含むと結論する手段と、前記第ｎのビーコンの受信が、前記事前定義の時間間隔ｔ以内に発生するとき、前記第ｎのビーコンの受信をタイムスロットの始めとして定義する手段とを含む。
【００１８】
もう１つの実施形態では、集中ガーディアンをネットワークの複数のノードに同期化させる方法を実行するコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体が提供される。前記方法が、第１のビーコンの受信を観察するステップと、ｎは２以上である、事前定義の時間間隔ｔ以内の第ｎのビーコンの受信を観察するステップとを含む。前記方法が、さらに、前記第１のビーコン、前記第ｎのビーコン、および前記第１のビーコンと前記第ｎのビーコンとの間に観察されたすべてのビーコンが、ビーコンのクラスタを含むと結論するステップと、前記第ｎのビーコンの受信が、前記事前定義の時間間隔ｔ以内に発生するとき、前記第ｎのビーコンの受信をタイムスロットの始めとして定義するステップとを含む。
【００１９】
好ましい実施形態の説明および添付図面に鑑みて検討されるとき、本発明をより容易に理解することができ、本発明のさらなる利益および使用が、より容易に明白になる。
【００２０】
一般的な慣例に従って、述べられているさまざまな特徴は、原寸に比例して示されておらず、本発明に関連する特徴を強調するように図示されている。符号は、複数の図面および本文全体を通じて同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付図面を参照し、添付図面には、本発明を実施できる特定の例示的実施形態が例として示されている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されており、他の実施形態を利用することができること、論理的、機構的、および電気的変更を本発明の精神および範囲から逸脱せずに加えることができることを理解されたい。したがって、次の詳細な説明を制限的な意味で解釈すべきでない。
【００２２】
本発明の実施形態は、ＴＤＭＡベースプロトコル通信ネットワークの中央ガーディアン内で単純な同期化機構を実現できるようにする。ガーディアン内のフルプロトコルエンジンの代わりに、本発明の実施形態は、中央ガーディアンが、各ノードが自らフルプロトコルエンジンを既に実装しているシステムのメンバノードから時間を寄生的に盗むことを可能にする。提示される同期化の方法は、中央ガーディアンが、同期化の許容誤差すなわちタイムベース精度以外には、ネットワークによって使用されるベースになるプロトコルタイミングについて何も知ることを必要としない。しかし、本発明を使用して達成される同期化精度は、フルプロトコル対応同期化を実行するガーディアンの同期化精度と同等である。プロトコル挙動の特定の知識を要求しないことによって、この方法は、非常に単純な同期化ロジックの実現を可能にする。
【００２３】
本発明は、ノードのプロトコルロジックエンジンをガーディアン内で複製せずに、ガーディアンの同期化を容易にするので、以前のシステムと異なる。これは、はるかに複雑さが少ない同期化実装およびセーフティクリティカルドメインに関する単純化されたガーディアン故障分析を含む、現在の実践に対する利益を有する。さらに、複数ガーディアンネットワーク（たとえば、二重冗長通信チャネルを有するセーフティクリティカルネットワーク）で、本発明は、ガーディアンが、互いに完全に独立のままであることを可能にし、活用されたプロトコルレベル同期化の場合のようにガーディアンを一緒に結合することを必要としない。本明細書を読んだ時に、当業者は、本発明の実施形態が、タイムトリガドメッセージおよび非同期メッセージを共用できるハイブリッドＴＤＭＡプロトコル（たとえば、Ｆｌｅｘ−ｒａｙ）を含むＴＤＭＡプロトコルを実装するすべてのネットワークに適用可能であることをすぐに認めるであろう。
【００２４】
図１は、本発明の教示による、全体的に１００に示された、単一ハブベースネットワークの一実施形態のブロック図である。この実施形態では、ネットワーク１００には、それぞれハブ１０４に結合された複数のノード１０２−１から１０２−Ｎが含まれる。データは、フレーム内で、１つのノード１０２−１ないし１０２−Ｎからネットワーク１００内の別のノードに、ハブ１０４を介して送信される。図１には、わかりやすくするために単一ハブネットワークが図示されている。マルチチャネルネットワークに、通常は複数のハブが含まれ、各ノードが、独立のリンクを介して各ハブと通信するが、本発明の実施形態は、本明細書を読んだ時に当業者がすぐに認め、理解するように、マルチハブネットワークまたはマルチチャネルネットワークだけに制限されない。一実施形態では、ネットワーク１００は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ベース通信プロトコルで動作し、ここで、各ノード１０２−１から１０２−Ｎは、送信スロット順序（すなわち、ＳＲＵスロット）を割り当てられる。ハブ１０４は、劣化したノード１０２−１から１０２−Ｎ送信器が割り振られたウィンドウの外でネットワーク１００内でメッセージを同報通信できないことを保証する中央ガーディアン１０３を含む。一実施形態では、１つまたは複数の電子デバイス１０６−１から１０６−Ｐが、ノード１０２−１から１０２−Ｎに接続される。一実施形態では、電子デバイス１０６−１から１０６−Ｐは、センサ、プロセッサ、アクチュエータ、コントローラ、入力デバイス、およびネットワーク１００上でデータフレームを通信する類似物を含む。
【００２５】
一実施形態では、ネットワーク１００内のガーディアン１０４の同期化は、次のように達成される。事前定義の周期的な時点に、ネットワーク１００内のすべてのノード１０２−１から１０２−Ｎが、各ノード１０２−１から１０２−Ｎ内のプロトコルエンジンによって生成される通信スケジュールに従って、ガーディアン１０４にビーコン信号（パルス、またはＴＴＰネットワークではアクションタイム信号とも称する）を送信する。一実施形態では、ビーコンは、ＴＤＭＡスロットの始めに各ノード１０２−１から１０２−Ｎによって送信される。もう１つの実施形態では、ビーコンは、ＴＤＭＡスロットの始めにノード１０２−１から１０２−Ｎのサブセットだけによって送信される。各ノード１０２−１から１０２−Ｎが、通信スケジュールに正しく従っている場合に、ノード１０２−１から１０２−Ｎによるビーコンの送信は、同一の時点に行われなければならない。前に述べたように、各ノード１０２−１から１０２−Ｎの内部クロックは、名目上は互いに同期化されているが、この同期は、完全ではなく、その結果、各ノード１０２−１から１０２−Ｎのクロックは、互いにわずかにスキューを有する。したがって、各ノード１０２−１から１０２−Ｎによって送信されるビーコンは、互いにわずかにスキューを有する。しかし、すべての正しく動作するノード１０２−１から１０２−Ｎが、互いに既知の許容誤差以内の同期化を維持することがわかっているので、すべての故障していないノード１０２−１ないし１０２−Ｎからのビーコン信号が、有限の時間間隔内に発生すると演繹することができる。この有限の時間間隔は、システムのベースになる同期化精度を表し、プロトコルによって実行されるフォールトトレラントクロック同期化アルゴリズムの特性と共に、ドリフトレートなどのクロックの属性を知ることによって計算することができる。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、中央ガーディアン１０４は、ノード１０２−１ないし１０２−Ｎからのビーコン信号の送信を観察することによる寄生時間同期化を介して、ベースになるシステムタイムベースにそれ自体を効果的に同期化する。図３は、図１に関して説明したネットワーク１００などのネットワークのクロック同期化の一実施形態の図である。図３には、それぞれがノード１０２−１ないし１０２−Ｎから受信されたビーコン３２１−１から３２１−Ｐのクラスタからなる複数の同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒが含まれる。同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒ内で、ビーコン３２１−１から３２１−Ｐが、時間πの有限の間隔内に受信される。前に述べたように、時間πの有限の間隔は、正しく動作するノード１０２−１ないし１０２−Ｎから受信されたビーコン３２１−１から３２１−Ｐが有すると期待される最大スキューを表す。一実施形態では、ネットワーク１００が、ＴＴＰ／Ｃネットワークであり、ビーコン３２１−１から３２１−Ｐが、アクションタイム信号である。
【００２７】
ベースになるシステムタイムベース（すなわち、複数のノード１０２−１から１０２−Ｎ）と同期化するために、ガーディアン１０３は、時間間隔ｔ内に受信された１つまたは複数のビーコンを調べて、これらのビーコンが同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒを表すかどうか、またはこれらのビーコンが故障したノードもしくはネットワークノイズによって生成されたかどうかを決定する。一実施形態では、ガーディアン１０３は、必ず、第１のビーコン３２２からｔ以内に送信された第２のビーコン３２４を探す。第２のビーコン３２４が、第１のビーコン３２２からｔの時間間隔以内に受信されたときは、ガーディアン１０３は、この２つのビーコンが、同期化グループ３２０−２など、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒの一部であると仮定する。これが発生するとき、ガーディアン１０３は、第２のビーコン３２４が受信された時から開始して、事前定義の時間遅れ３３０をカウントし始める。事前定義の時間遅れ３３０の終りに、ガーディアン１０３は、ノード１０２−１から１０２−Ｎのうちの１つのノードのための送信ウィンドウ３２８を開き、この送信ウィンドウ３２８は、そのノードがネットワーク１００にメッセージを送信するのを許可する。図３には、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒの境界の外側で受信された漂遊パルス３１１も示されている。パルス３１１からｔ以内の第２パルスがないので、ガーディアン１０３は、パルス３１１を、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒ内にないアウトライアービーコンとみなし、したがって、不良信号とみなす。ガーディアン１０３は、アウトライアーパルス３１１に基づいて送信ウィンドウを開くことはしない。一実施形態では、ガーディアン１０３は、どのノード１０２−１から１０２−Ｎがパルス３１１を生成したかを識別し、そのノードを故障と宣言することができる。一実施形態では、故障と宣言されたノードによって生成されたビーコンは、その後、ガーディアン１０３のネットワーク１００との同期化において無視される。一実施形態では、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒの存在を検証するためにガーディアン１０３によって使用される時間期間ｔは、非アウトライアービーコンから期待される最大スキューを表す有限の間隔時間πと等しい。
【００２８】
一実施形態では、ガーディアン１０３が、ノード１０２−１から１０２−Ｎのうちの１つのノードのために送信ウィンドウ３２８を開く時に、このノードは、ベースになるネットワークプロトコルによって指示されるスロットシーケンスのガーディアンの知識によって決定される。一実施形態では、ベースになるネットワークプロトコルが、ＴＤＭＡプロトコルであり、ガーディアンは、ビーコンのクラスタを受信したことに基づいてＴＤＭＡスケジュール位置を増分する。一実施形態では、ベースになるネットワークプロトコルは、タイムトリガドプロトコル（ＴＴＰ）を使用する。他の実施形態では、ガーディアン１０３は、ベースになるネットワークプロトコルによって指示されるスロットシーケンスの知識を有しない。１つのそのような実施形態では、ガーディアン１０３が、ノード１０２−１から１０２−Ｎのうちの１つのノードのために送信ウィンドウ３２８を開く時に、どのノードが送信を許可されるかは、参照によって本明細書に組み込まれている’５４５９出願に詳細に示されている優先順位ベース調停によって決定される。もう１つのそのような実施形態では、各ビーコンが情報を搬送することができ、その結果、ガーディアン１０３が、ノード１０２−１から１０２−Ｎのうちの１つのノードのために送信ウィンドウ３２８を開く時に、どのノードが送信を許可されるかは、参照によって本明細書に組み込まれている’５０６５出願に詳細に示されている送信スケジュール実施用の投票機構によって決定される。一実施形態では、ビーコンは、’５０６５出願に詳細に示されているスケジュール知識メッセージを搬送する。
【００２９】
一実施形態では、複数の同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒが、他のネットワークプロセスを実装するかシステム故障に対して保護するためにガーディアン１０３が利用できる、ガーディアン１０３の独立の時間のベースを定義する。たとえば、米国特許出願第２００４／００３０９４９号（Ｋｏｐｅｔｚ他）に、ＳＯＳ（ｓｌｉｇｈｔｌｙ  ｏｆｆ  ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ（僅かに離れた仕様））故障を扱う方法が記載されている。本発明の一実施形態では、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒが、Ｋｏｐｅｔｚに記載の中央ガーディアンなどの中央ガーディアンが本発明の方法を実装するための独立のタイムベースを提供する。
【００３０】
一実施形態では、パルス３１３および３１４などの２つのアウトライアービーコンを許容する、ダブルフォールトトレラントシステムが実装される。第１のビーコン３２２の受信時に、ガーディアン１０３は、第１のビーコン３２２からｔの時間間隔内に、第２のビーコン３２４および第３のビーコン３２６の送信を探す。第３のビーコン３２６が、第１のビーコン３２２からｔの時間間隔内に受信されたとき、ガーディアン１０３は、第３のビーコンが、同期化グループ３２０−２など、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒの一部であると仮定する。これが発生するとき、ガーディアン１０３は、第３のビーコン３２６が受信された時から開始して、事前定義の時間遅れ３３５のカウントを開始する。事前定義の時間遅れ３３５の終りに、ガーディアン１０３は、ノード１０２−１から１０２−Ｎのうちの１つのノードのために送信ウィンドウ３４０を開き、この送信ウィンドウ３４０は、そのノードがネットワーク１００にメッセージを送信することを許可する。図３に、さらに、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒの境界の外側で受信された漂遊パルス３１３および３１４が示されている。パルス３１３および３１４からｔ以内の第３のパルスがないので、ガーディアン１０３は、パルス３１３および３１４が同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒ内にないアウトライアーであるとみなし、したがって、不良信号であるとみなす。ガーディアン１０３は、アウトライアーパルス３１３および３１４に基づいて送信ウィンドウを開くことはしない。一実施形態では、ガーディアン１０３は、どのノード１０２−２から１０２−Ｎがパルス３１３および３１４を生成したかを識別し、それらのノードを故障と宣言することができる。一実施形態では、故障と宣言されたノードによって生成されたビーコンは、その後、ガーディアン１０３のネットワーク１００との同期化において無視される。
【００３１】
他の実施形態では、ガーディアン１０３は、ビーコンが同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒを構成すると仮定する前に、第４のビーコン、第５のビーコン、または任意の個数のビーコンを受信するまで待つことができる。
【００３２】
図２は、本発明の教示による、全体的に２００に示された、複数ハブベースネットワークの一実施形態のブロック図である。この実施形態では、ネットワーク２００には、それぞれが複数のハブ２０４−１から２０４−Ｈに結合された複数のノード２０２−１から２０２−Ｎが含まれる。一実施形態では、個々のハブおよび複数のノード２０２−１から２０２−Ｎの間の通信リンクを含む各サブネットワークが、単一のネットワークチャネル（０、１からＨ）を定義し、これらのネットワークチャネルは、図１および図３の実施形態で説明した単一ハブネットワーク１００と同一のベースで動作する。一実施形態では、１つまたは複数の電子デバイス２０６−１から２０６−Ｐが、ノード２０２−１から２０２−Ｎに接続される。一実施形態では、電子デバイス２０６−１から２０６−Ｐは、センサ、プロセッサ、アクチュエータ、コントローラ、入力デバイス、およびネットワーク２００上でデータフレームを通信する類似物を含む。
【００３３】
データは、ネットワーク２００内の１つのノード２０２−１ないし２０２−Ｎから別のノードにハブ２０４−１から２０４−Ｎを介してフレームで送信される。図１のネットワーク１００に関して説明したように、一実施形態では、ネットワーク２００は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ベース通信プロトコルで動作し、ここで、各ノード２０２−１から２０２−Ｎに、チャネル内の送信スロット順序（すなわち、ＴＤＭＡスロット）が割り当てられる。ハブ２０４−１から２０４−３のそれぞれは、劣化したノード２０２−１から２０２−Ｎ送信器が割り振られたウィンドウの外で関連するネットワークチャネル上でメッセージを同報通信できないことを保証する中央ガーディアン２０３−１から２０３−Ｈを含む。ネットワーク２００内のチャネルごとに、関連するガーディアン２０３−１から２０３−Ｈは、ノード２０２−１から２０２−Ｎによって送信されたビーコンを介してネットワーク２００と同期化され、図３で説明したようにノードのために送信ウィンドウを開く。
【００３４】
図４は、上で図２および図３に関して説明したネットワーク２００などのネットワーク４００の単一チャネルの一実施形態のブロック図である。ハブ４０４には、集中ガーディアン４０３が含まれる。集中ガーディアン４０３には、上で図３に関して説明したガーディアン４０３同期化を実行するために、複数のパルスが時間間隔ｔ以内にガーディアン４０３によって受信されたかどうかを決定するためにカウンタ４２５が含まれる。一実施形態では、ハブ４０４は、各ノード４０２−１ないし４０４−Ｘからの専用信号線を利用して同期化ビーコンを受信し、各ノード４０２−１ないし４０４−Ｘからの別々の信号線を使用してデータ信号送信を受信する。もう１つの実施形態では、チャネルごとに、ビーコン信号が、データ信号を搬送する信号線に多重化され、各ノード４０２−１から４０４−Ｘとハブ４０４の間の組み合わされた信号線４４２が可能になる。この実施形態では、上述の同期化は、ノード４０２−１から４０２−Ｘがそれに関連する組み合わされた信号線４４２でガーディアン４０３にビーコンを送信し、各ノードがいつ新しいＴＤＭＡスロットが始まると考えるか示すことを含む。一実施形態では、各ノード４０２−１から４０２−Ｘは、そのＴＤＭＡスロットが始まってから事前定義の時間遅れの後に限ってデータ信号の送信を開始するように適合され、その結果、同一ノードからのビーコン信号およびデータ信号が衝突しないようになっている。これによって、追加の配線オーバーヘッドなしで本発明の同期化を利用することが可能になる。組み合わされた信号線４４２は、ハブ４０４がもはやノード４０２−１から４０２−Ｘの２つの別々の信号線を監視することを要求されないので、２つの専用信号線に対するさらなる利益を有する。ビーコン信号およびデータ信号が多重化される実施形態では、集中ガーディアン４０３は、スロット長の先験的知識を有する。
【００３５】
図３に関して説明したように、一実施形態では、カウンタ４２５は、ノード４０２−１ないし４０２−Ｘからのビーコン信号の受信時にカウントを開始する。第２ビーコン信号が、カウンタ４２５でｔが経過する前に別のノード４０２−１ないし４０２−Ｘから受信されたとき、ガーディアン４０３は、それらのビーコンが、同期化グループ３２０−１から３２０−Ｒを表すと仮定し、第２ビーコンが受信されてから事前定義の時間遅れの後に、ノード４０２−１などの１つのノードのために送信ウィンドウ３２８を開き、この送信ウィンドウ３２８は、ノード４０２−１がハブ４０４に関連するチャネル上でメッセージを送信することを許可する。送信ウィンドウ３２８がノード４０２−１のために開かれている間に、ノード４０２−１から４０２−Ｘの他のノードのそれぞれは、それに関連する受信信号線４４４を介して、ノード４０２−１によって送信されるデータ信号を聴取する。もう１つの実施形態では、ガーディアン４０３は、第ｎのビーコンが受信されてから事前定義の時間遅れ３３０の後に、ノード４０２−１のために送信ウィンドウ３２８を開き、ここで、ｎ≧２である。
【００３６】
上述の利益のほかに、本発明の寄生時間同期化を使用することによって、個々のノードクロックドリフトがガーディアンウィンドウの同期化およびネットワーク全体にまたがるデータの伝送に対して有する影響が減少する。さらに、寄生時間同期化は、マルチハブネットワーク内のハブをネットワーク故障分析の目的に関して独立して保つのに寄与する。というのは、各ハブが、ネットワーク内の複数のハブの間のリンクを介してではなく、それに関連するチャネルのノードによって同期化されるからである。その結果、ガーディアンの同期化が、より単純になり、ハブの間の独立性をサポートする。
【００３７】
もう１つの実施形態では、上の図で説明したガーディアンなどの中央ガーディアンによるビーコンクラスタの受信を、中央ガーディアンによって使用して、ネットワークが同期動作しているかどうかなど、ネットワークの動作モードを決定することができる。
【００３８】
図５に、本発明の一実施形態の、集中ガーディアンをネットワークの複数のノードに同期化する方法５００を示す。この方法には、第１のビーコンの受信を観察すること（５２０）と、事前定義の時間間隔ｔ内の第ｎのビーコンの受信を観察すること（５３０）が含まれ、ここで、ｎは、２以上である。第ｎのビーコンの受信が、事前定義の時間間隔ｔ内に発生したとき、この方法は、さらに、タイムスロットの始めとして第ｎのビーコンの受信を定義すること（５４０）を含む。一実施形態では、この方法は、タイムスロットの始めの後に遅延期間を待つこと（５５０）および複数のノードのうちの１つのノードのために送信ウィンドウを開くこと（５６０）に継続する。第ｎのビーコンの受信が事前定義の時間間隔ｔ内に発生しない時には、受信された１つまたは複数のビーコンをアウトライアーとして無視する（５７０）。
【００３９】
本発明の集中ガーディアン同期化を実装する複数の形が使用可能である。これには、ディジタルコンピュータシステム、プログラマブルコントローラ、またはフィールドプログラマブルゲートアレイが含まれるが、これに制限はされない。したがって、本発明の他の実施形態は、そのようなネットワークによって実装される集中ガーディアンにコントローラが本発明の実施形態を実装することを可能にする、コンピュータ可読媒体に存在するプログラム命令である。コンピュータ可読媒体には、磁気ディスク、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、任意の光データ記憶システム、フラッシュＲＯＭ、不揮発性ＲＯＭ、またはＲＡＭを含むがこれらに制限されないすべての形のコンピュータメモリが含まれる。
【００４０】
特定の実施形態を図示し、本明細書で説明したが、当業者は、同一の目的を達成するように計算されたすべての配置が、示された特定の実施形態を置換できることを諒解するであろう。本明細書は、本発明のすべての適合または変形形態を含むことが意図されている。したがって、明らかに、本発明が、請求項およびその同等物だけによって制限されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の教示による単一ハブネットワークの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の教示によるマルチハブネットワークのもう１つの実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の図１に関して説明したネットワーク１００または図２に関して説明したネットワーク２００などのネットワークのガーディアン同期化の一実施形態を示す図である。
【図４】本発明の図２に関して説明したネットワーク２００の単一チャネルを表すネットワークの部分の一実施形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態の方法を示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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