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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Synchronisierung von Vorrichtungen, die an ein Kommunikationsnetz
mit drahtlosen Verbindungen angeschlossen sind. Sie ist insbesondere
anwendbar im Rahmen eines Heim-Kommunikationsnetzes. Die Erfindung
betrifft außerdem
Vorrichtungen zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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In einem Bus vom Typ IEEE 1394, der
in der Norm IEEE 1394-1995 beschrieben ist, "stempelt" oder markiert jede mit dem Bus verbundene
Vorrichtung ("Knoten") die isochronen
Pakete, die sie überträgt, mit
einer Zeitinformation, die den Zeitpunkt anzeigt, bei dem das Paket
durch die Empfängervorrichtung
zurückgewonnen
werden muß.
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Jede mit dem Bus verbundene Vorrichtung (oder "Knoten") enthält ein 32-Bit-Taktregister, das bei
der Taktfrequenz des Bus inkrementiert wird, nämlich 24,576 MHz. Dieses Register
(in der Norm IEEE 1394-1995 mit "Cycle
Time Register" bezeichnet)
ist in drei Bereiche aufgeteilt (die 12 gringstwertigen Bit, die
13 mittelwertigen Bit und die 7 höchstwertigen Bit), die daher
bei Frequenzen von 24,576 MHz, 8 KHz bzw. 1 Hz inkrementiert werden.
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Bei der Anwesenheit von Vorrichtungen,
die an dem isochronen Verkehr teilnehmen können, und zur Synchronisierung
dieser Vorrichtungen wird eine der beiden als "Vorrichtung" oder als "Haupt-Vorrichtung- oder Zylkus-Knoten" ("Cycle master" gemäß der IEEE
1394-Therminologie) gewählt.
Die Zyklus-Mastervorrichtung erzeugt alle 125 μs ein isochrones Rahmen- oder
Zyklus-Startpaket, was einer Frequenz von 8 KHz entspricht. Dieses
Paket enthält den
Wert des 32-Bit-Taktregisters der Zyklus-Mastervorrichtung im Zeitpunkt der Übertragung.
Eine Paket-Empfängervorrichtung
bedient sich seines eigenen 32-Bit-Registers für Werte, die von der Zyklus-Mastervorrichtung
empfangen werden.
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Das oben genannte Dokument IEEE 1394-1995
betrifft den Aufbau des seriellen Bus. Eine zusätzliche Norm, die die Verbindung
mehrerer Busse über
Brücken
betrifft, ist derzeit in der Entwicklung. Die letzte Version dieses
Projekts, die derzeit von der IEEE verfügbar ist, trägt die Bezeichnung P1394.1
Draft 0,04 und datiert vom 07. Februar 1999, und die vorangehende
Version datiert vom 18. Oktober 1997.
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Wenn man mehrere Busse über eine
Brücke verbindet,
ist es für
eine richtige Interpretation der Zeitmarkierungen der Pakete und
die Korrektur der Taktabweichungen oder eine sogenannte Taktdrift unerläßlich, auf
beiden Seiten der Brücke
denselben Takt anzuwenden.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Synchronisierung in einem Kommunikationsnetz mit
wenigstens zwei Bussen, die durch ein drahtloses Kommunikationsnetz
miteinander verbunden sind, wobei jeder Bus über ein Portal mit dem drahtlosen
Kommunikationsnetz verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- – Bestimmung
eines sogenannten Zyklus-Server-Portals, dessen eigener Takt als
Referenz für die
anderen Portale dient,
- – Übertragung
eines Synchronisiersignals über
jedes Portal bei einem vorbestimmten Zeitpunkt relativ zu dem Start
eines Rahmens und gekennzeichnet durch jedes Portal, wobei dieser
Rahmen bezüglich
jedes zu jedem Portal gehörenden Taktes
definiert ist und das Synchronisiersignal durch Einfügung eines
Steuerfensters gebildet wird,
- – Detektion
der Steuerfenster der anderen Portale durch jedes Portal und Auswahl
eines der detektierten Fenster für
die Synchronisierung des Taktes des Empfängerportals mit dem Takt des
Zyklus-Server-Portals, wobei das gewählte Fenster einem Portal entspricht,
dessen Takt mit dem des Zyklus-Server-Portals bereits synchronisiert
ist.
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Der Takt wird derart graduell unter
den Portalen verbreitet, die einer nach dem anderen auf den Takt
des Zyklus-Servers oder auf den eines Portals verriegelt werden,
das näher
zu dem letzteren liegt und dessen Takt bereits wenigstens teilweise
synchronisiert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung enthält
ein Steuerfenster wenigstens einen Teil eines Wertes des Taktes
des Senderportals des Steuerfensters, und der Wert ist derjenige des
Taktes im Zeitpunkt der Übertragung
des Steuer fensters, und der übertragene
Wert wird durch das Empfängerportal
dafür benutzt,
den Wert seines eigenen Taktes zu aktualisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
der durch ein Portal übertragene
Taktwert eine Korrektur für
die Kompensation der Verarbeitungszeit des Steuerfensters bei der Übertragung.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird der durch ein Portal empfangene Taktwert vor
der Aktualisierung des Wertes seines eigenen Taktes korrigiert,
um die Verarbeitungszeit des Portals beim Empfang zu berücksichtigen.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird der Taktwert in mehrere Gruppen von Bit aufgespalten,
die über
aufeinanderfolgende Steuerfenster übertragen werden, die durch
ein und dasselbe Portal übertragen
werden.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Verfahren außerdem
den Schritt der Bestimmung seines Abstands zu dem Zylkus-Server-Portal
durch jedes Portal, und der Abstand eines bestimmten Portals wird
als die Minimalzahl von Wiederholerportalen bestimmt, die benötigt werden,
damit ein Datenwort von dem Zyklus-Server-Portal das bestimmte Portal
erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Steuerfenster, das durch ein bestimmtes Portal
für seine
eigene Synchronisierung gewählt wird,
das Steuerfenster eines Portals, das den kürzesten Abstand unter den durch
das bestimmte Portal empfangenen Steuerfenstern aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Verfahren außerdem
den Schritt der Verriegelung einer phasenverkoppelten Schleife eines
Empfängerportals
auf den Zeitpunkt des Empfangs des gewählten Steuerfensters, und die
phasenverkoppelte Schleife dient zur Inkrementierung eines Registers,
das den Taktwert dieses Portals enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Verfahren außerdem
den Schritt der Wahl eines Zyklus-Master-Knotens des gesamten Kommunikationsnetzes aus
den Knoten, die mit dem Netz verbunden sind, und das Zyklus-Server-Portal ist
das Portal, das mit dem Bus verbunden ist, mit dem der Zyklus-Master-Knoten
des Netzes ebenfalls verbunden ist, und das Zyklus-Server-Portal
synchronisiert seinen eigenen Takt auf einen Takt des Zyklus-Master-Knotens
des Netzes.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Kommunikationsbus vom Typ IEEE 1394, und die
Synchronisierung des Zyklus-Server-Portals auf den Zyklus-Master-Knoten des
Netzes erfolgt durch Zyklus-Startpakete, die durch den Knoten übertragen
werden, und die Frequenz der Übertragung
von Rahmen über
den drahtlosen Teil des Netzes ist ein Untervielfaches der Frequenz
der Übertragung
der Zyklus-Start-Pakete.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dient ein Takt für
ein Portal, das nicht das Zyklus-Server-Portal ist, zur Synchronisierung
des Bus, mit dem das Portal verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine
Vorrichtung zur Schnittstellenbildung für einen Kabelbus und einen
drahtlosen Kommunikationsnetz, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- – diesen
Kabelbus benutzende Mittel zur Taktrückgewinnung, wobei diese Rückgewinnungsmittel
eine phasenverkoppelte Schleife zur Verkopplung auf ein periodisches
Signal und einen Zähler
zum Zählen
eines takt-eigenen Absolutwertes enthalten und der Zähler mit
einem Takt verbunden ist, der aus der phasenverkoppelten Schleife
zur Inkrementierung des Zählers
abgeleitet ist, und wobei der Absolutwert des Zählers mit demjenigen eines
mit dem Kabelbus verbundenen Knotens synchronisiert ist,
- – Mittel
zur periodischen Übertragung
eines Steuerfensters zu dem drahtlosen Kommunikationsnetz, wobei
das Steuerfenster als Zeitreferenz für die anderen mit dem drahtlosen
Netz verbundenen Vorrichtungen dient, die Erzeugung des Steuerfensters
mit dem Zustand des Zählers
verknüpft ist,
das Steuerfenster ein Datenwort für den Zustand des Zählers im
Zeitpunkt der Übertragung des
Steuerfensters enthält.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine
Vorrichtung zur Schnittstellenbildung zwischen einem Kabelbus und
einem drahtlosen Kommunikationsnetz, gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- – Mittel
zur Taktrückgewinnung
aus einem über das
drahtlose Kommunikationsnetz übertragenen Signal,
wobei die Rückgewinnungsmittel
eine phasenverkoppelte Schleife und ein takteigenes Register enthalten,
- – Mittel
(μ') zur Wahl eines
Steuerfensters aus mehreren über
das drahtlose Netz übertragenen Steuerfenstern,
- – Mittel
zur Extrahierung einer Synchronisierung des Steuerfensters zur Speisung
der phasenverkoppelten Schleife,
- – Mittel
zur Extrahierung von Datenwörtern
für den
Absolutwert eines Referenztaktes des Steuerfensters und zur Aktualisierung
des takteigenen Registers.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines besonderen, nicht-einschränkenden
Ausführungsbeispiels, das
in den beigefügten
Figuren dargestellt ist:
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1 ist
ein Diagramm und zeigt drei IEEE 1394 Busse, die über eine
Brücke
verbunden sind, die aus den drei über die drahtlose Übertragung
kommunizierenden Portalen bestehen,
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2 ist
ein Diagramm und zeigt den durch die Übertragung eines asynchronen
Pakets eingeführten
Phasenfehler oder Phasenjitter,
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3 ist
ein Funktionsschema der Schaltungen einer Brücke, die Daten von einem Bus
empfängt und
sie zu dem "drahtlosen" Netz überträgt,
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4 ist
ein Funktionsschema der Schaltungen einer Brücke, die Daten von dem "drahtlosen" Netz empfängt und
sie zu einem Bus überträgt,
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5 ist
ein Schaltbild zur Wiederherstellung eines Takts mit 8 KHz aus einem
Takt mit 8/N KHz, und
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6 ist
ein Diagramm eines in dem Ausführungsbeispiel
benutzten Rahmens.
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Wenngleich das Ausführungsbeispiel
Busse IEEE 1394 betrifft und die Beschreibung bestimmte Ausdrücke aus
der Terminologie für
diesen Bustyp verwendet, ist die Erfindung nicht auf den IEEE 1394-Bus
beschränkt
und kann auf anderen Gebieten angewendet werden.
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Das Netz von 1 enthält drei Busse vom Typ IEEE
1394, bezeichnet mit 1, 2 und 3, die über ein
drahtloses Netz miteinander verbunden sind, an das die Busse jeweils über als "Portale" bezeichnete Knoten
angeschlossen sind ("Portale" gemäß der Terminologie
in dem Dokument P1394.1) WL1, WL2 und WL3. Die Portale kommunizieren
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
miteinander über eine
drahtlose Übertragung
bei Hochfrequenzen. Es wird angenommen, dass die Vereinigung der
Portale das darstellt, was im folgenden als eine drahtlose "Brücke" bezeichnet wird,
die die Busse miteinander verbindet.
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Diese Portale sind jedes außerdem Mitglieder
eines der Kabelbusse und bilden daher Knoten in der Bedeutung der
Norm IEEE 1394 in demselben Sinne wie die anderen mit den Bussen
verbundenen Vorrichtungen. Zum Zweck der Synchronisierung des gesamten
Netzes wird eine der mit einem der Busse verbundenen Vorrichtungen
als die "Netz-Zyklus-Mastervorrichtung" (oder "reiner Zyklus-Master") gewählt. Es
sei bemerkt, dass dieses Konzept weiter ist als das des "Zyklus-Masters" (cycle master),
das auf einen Bus beschränkt
ist. Diese Vorrichtung trägt
in 1 die Bezugsziffer 4.
Die Zyklus-Mastervorrichtung des Netzes, die auch eines der Portale
sein kann, wird durch den Verwalter der Brücke ("prime portal" gemäß der IEEE
P1394.1-Terminologie) aus den Zyklus-Mastervorrichtungen der verschiedenen
Kabelbusse bestimmt. Die Zyklus-Mastervorrichtung des Netzes kann,
als Beispiel, diejenige der Vorrichtungen sein, die möglicherweise
diese Kapazität
haben und die höchste Serien-
oder Identifizierungsnummer besitzen.
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Das Portal, das die Netz-Zyklus-Mastervorrichtung
ist, oder das Portal, das mit dem Bus verbunden ist, mit dem die
Netz-Zyklus-Mastervorrichtung verbunden ist, wird mit "cycle server" bezeichnet. Es ist
der "cycle server", dessen Aufgabe
es ist, den von der Netz-Zyklus-Mastervorrichtung stammenden Takt
zu den anderen Portalen zu übertragen.
Die Zyklus-Mastervorrichtungen der anderen Busse werden auf die
von ihren Portalen empfangenen Takt blicken.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist jeder Knoten mit einem Register versehen, von dem
zwei Markierungen in dem Fall der ersten Markierung anzeigen, ob
der Knoten der Zyklus-Master des Bus ist, und in dem Fall der zweiten Markierung
anzeigen, ob der Knoten der Zyklus-Master des Netzes ist. Für jedes
Portal ist es ausreichend, dieses Register auf den Zyklusmaster seines
Busses zu lesen (der Knotenidentifizierer, bezeichnet mit "node_id", des Zyklusmasters
ist bekannt und hat den Wert 0). Das Portal, das bestimmt, dass
der Zyklusmaster seines Bus der Zyklusmaster des Netzes ist, wird
dann der ZyklusMaster des drahtlosen Netzes.
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Das drahtlose Netz benutzt einen
TDMA-Mechanismus (für "Time Division Multiplex
Access") für den Zugriff
zu dem Übertragungskanal.
Dieser Zugriffsmechanismus ist Gegenstand einer französischen
Patentanmeldung, angemeldet auf den Namen des Anmelders an demselben
Tag wie die Prioritätsanmeldung
der vorliegenden Anmeldung (21.04.1998), und angemeldet unter der
Nummer FR 9804983. Parallel dazu wird der Mechanismus für den Zugriff
zu einem IEEE 1394 Bus von einem Knoten selbst in einer genaueren
Weise in der IEEE-Dokumentation für diese Norm bestimmt, auf
die man sich im Bedarfsfall beziehen kann.
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Ein TDMA-Rahmen ist in Fenster unterteilt, während der
die Portale übertragen
können.
Die Zuordnung eines oder mehrerer Fenster zu einem Portal erfolgt
durch einen Reservierungsmechanismus, der es ermöglicht, dass ein Portal seine Übertragungsanforderungen
ausdrückt
und sie mit den Anforderungen der anderen Portale für eine optimale Beteiligung
an dem drahtlosen Kanal konfrontiert. Die Reservierung erfolgt durch
die sogenannten Steuerfenster. Ein Fenster, entweder ein Steuerfenster
oder ein Datenfenster, ist ein vorbestimmtes Zeitintervall, dessen
Beginn relativ zu dem Beginn des Rahmens definiert ist. Ein Steuerfenster
je Rahmen wird jeder an der Übertragung
beteiligten Vorrichtung zugeordnet. Die Informationen, die durch
ein Portal in seinem Steuerfenster übertragen werden, werden in den
Steuerfenstern der anderen Portale wieder benutzt und verbreitet.
Auf diese Weise werden, selbst bei einer unvollständigen Verbindung
(nämlich,
wenn es keine direkte Verbindung zwischen wenigstens zwei Portalen
gibt), die Steuerinformationen in dem drahtlosen Netz verbreitet.
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6 zeigt
das Format eines Rahmens und eines Steuerfensters unter denen, die
in dem Rahmen anwesend sind.
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Der Rahmen TDMA enthält einen
Bereich von n Steuerfenstern FCm und einen Bereich von Datenfenstern
D, wobei n die Zahl der Portale der drahtlosen Brücke ist.
Jedes Steuerfenster FCm enthält
ein sogenanntes festes Fenster F, gefolgt von sogenannten wiederholten
Fenstern Cm, p. Die wiederholten Cm, p in einem Steuerfenster haben
dieselbe Reihenfolge wie die Steuerfenster in einem Rahmen. In anderen
Worten, wenn ein Portal X das Steuerfenster FC2 überträgt, dann werden die wiederholten Fenster
Cm,2 der anderen Steuerfenster für
die Wiederholung der Steuerdaten des Portals X reserviert.
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Wenngleich alle Steuerfenster in
dem in 6 dargestellten
Beispiel aneinandergrenzend sind, so ist das nicht notwendiger Weise
immer der Fall: die Steuerfenster und die Datenfenster können verschachtelt
sein. Die Hauptbemühung
besteht darin, dass die Lage der Steuerfenster in dem Rahmen sowie
die Übereinstimmung
zwischen jedem Steuerfenster und jedem Portal durch jedes der Portale
bekannt sein muß.
Als ein praktisches Beispiel werden die Steuerfenster in einer aufsteigenden
Reihenfolge nummeriert und in dieser Reihenfolge in dem Rahmen dargestellt.
Jedes Portal besitzt außerdem
eine einzige Ordnungszahl, die sie bei der drahtlosen Brücke identifiziert.
Ein Portal benutzt das Steuerfenster, das seiner eigenen einzigen
Zahl entspricht.
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Das Steuerfenster FCm ist dasjenige,
das durch das Portal m übertragen
wird. Das feste Fenster des Steuerfensters FCm enthält Datenwörter für die benachbarten
Portale des Senderportals m. Der Inhalt dieses festen Fensters wird
durch die Portale nicht wiederholt, die das Fenster empfangen. Im
allgemeinen enthält
das feste Fenster die Adresse des Senderportals und den Abstand
von dem Portal zu dem Zyklus-Server,
sowie eine Reservierungsanforderung für Datenfenster im Konkurrenz
("contention")-Modus.
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Das wiederholte Fenster Cm,m des
Steuerfensters FCm enthält
Daten, die anzeigen, ob das Portal m ein Zyklus-Server des Netzes
ist, sowie gegebenenfalls eine Anforderung für die Reservierung im "isochronen" Modus oder im "asynchronen" Modus der Datenfelder
ist.
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Die anderen wiederholten Fenster
des Steuerfensters FCm enthalten den Inhalt der Steuerfenster, die
direkt oder indirekt von anderen Portalen als dem Portal m empfangen
werden. Ein Portal wiederholt die Steuerdaten eines anderen Portals
nur einmal. Zu diesem Zweck speichert jedes Portal den Inhalt der
von den anderen Portalen empfangenen Steuerfenster und prüft, dass
es dieses nicht vorher wiederholt hat, bevor es zu seinem eigenen
Steuerfenster zurückkopiert
wurde.
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Es sind drei Mechanismen für die Reservierung
der Steuerfenster vorgesehen:
- – Ein isochroner
Reservierungsmechanismus, wenn ein Portal wünscht, einen isochronen Strom (entsprechend
einer bekannten und konstanten Bitrate) zu übertragen, überträgt er in seinem Steuerfenster
ein Datenwort, das die Anzahl von Fenstern je Halbbild anzeigt,
die es für
erforderlich schätzt.
Diese Reservierung ist für
alle künftigen
Rahmen gültig,
bis die Reservierung aufgehoben oder annuliert wird.
- – Ein
asynchroner Reservierungsmechanismus: bei jedem Rahmen überträgt ein Portal
ein Datenwort in seinem Steuerfenster, das die Anzahl der Datenfenster
anzeigt, die er in dem vorliegenden Rahmen zu reservieren wünscht. Die
Reservierung ist nur für
einen Rahmen gültig
und muß im Bedarfsfall
für andere
Rahmen erneuert werden.
Gemäß den beiden
obigen Reservierungsmechanismen ist jedes Portal des Netzes damit
beauftragt, in seinem eigenen Steuerfenster während der künftigen Rahmen die Reservierungen
der Fenster zu wiederholen, die für jedes andere mit dem drahtlosen
Netz verbundenen Portal erfolgen, so als wenn sie vorher in dem
für jedes
dieser anderen Portale reservierten Steuerfenster übertragen
worden wären.
Jede Vorrichtung leitet dann aus diesen Anforderungen sowie aus
diesen zweideutigen Regeln ab, was die tatsächliche Belegung des nächsten Rahmens
ist. Die mehrdeutigen Regeln, die nicht Gegenstand der vorliegenden
Patentanmeldung sind, dienen zur Bestimmung, welches Portal das
Recht zum Senden hat, wenn eine Konkurrenz in der Reservierung besteht.
Eine Vorrichtung benutzt effektiv die Anzahl der reservierten Fenster
nicht, bevor es sicher ist, dass einerseits alle an mit dem drahtlosen
Netz verbundenen Vorrichtungen das Datenwort tatsächlich empfangen
haben (was abhängig
ist von der Konfiguration des Netzes), und dass es andererseits
das einzi ge ist, das zum Senden berechtigt ist (wenn eine Konkurrenz
in der Reservierung bestanden hat).
- – Schließlich ist
ein letzter sogenannter Konkurrenzmechanismus vorgesehen. Wegen
der Konfiguration des Netzes (und der aufeinanderfolgenden Rückschläge, die
für die
Verbreitung der Reservierungen benötigt werden), muß ein Portal eine
bestimmte Anzahl von Rahmen zwischen dem Zeitpunkt der Reservierung
und dem Zeitpunkt der tatsächlichen
Sendung der Daten abwarten. Es kann jedoch vorkommen, dass der Rahmen
wenig ausgelastet ist. Der Konkurrenzmechanismus kann in einem derartigen
Fall benutzt werden. Das Portal muß das Steuerfenster benutzen;
um die Anzahl von Fenstern anzuzeigen, die es benutzen will: das
werden noch nicht reservierte Fenster sein. Es fügt seine Daten in denselben
Rahmen wie seine Steuerfenster in Datenfenster ein, die auf sein
eigenes Steuerfenster folgen. Es ist klar, dass es dann, wenn zwei Portale
dieselbe Übertragung
zur selben Zeit durchführen,
eine Kollision gibt. Die Übertragungsphase
muß daher
durch eine durch den Empfänger
erzeugte Bestätigungsphase
sein.
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Das drahtlose Netz benutzt einen
isochronen Rahmen, der auf ein Untervielfaches des 8 KHz-Taktes,
das heißt
einen Takt mit 8/N KHz, verriegelt ist. In vorteilhafter Weise wird
N als eine Potenz p von 2 und gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit
höchstens
p = 6 angenommen. Der Takt wird durch Beachtung der 13-p Bit des
zweiten Bereichs des Taktregisters gewonnen. Dieser Takt wird zunächst gemäß der Norm
IEEE 1394 durch die Brücke WL1
(Zyklus-Server) gewonnen, die mit dem Bus verbunden ist, mit dem
die Zyklus-Mastervorrichtung des Netzes 4 verbunden ist.
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Man wählt einen Takt 8/N KHz mit
dem Zweck zur Verringerung der Bandbreite für die Steuerdaten gegenüber den
Nutzdaten in den Rahmen. Gemäß dem vorliegenden
Beispiel wird N gleich 8 gewählt.
Aufgrund der Übertragungsbemühungen der
TDMA-Lösung
(wo eines der kritischen Probleme die automatische Verstärkungsregelung
("AGC") auf der Empfangsseite
ist, die jedes Mal erfolgen muß, wenn
sich der Sender ändert,
wobei die AGC die Einfügung
einer Totzeit von 2 bis 3 μs
vor jedem Rahmen erfordert) kann die Dauer eines Rahmen nicht unter einen
bestimmten Wert abfallen. Es wird angenommen, dass eine Dauer von
5 μs der
Minimalwert dafür ist, dass
man nicht zuviel Effizienz bei der Übertragung verliert. Wie bereits
erwähnt,
dienen die Steuerfenster zur Signalisierung der Übertragungsabsichten jedes
Portals in dem Rahmen zu den anderen Portalen. Daher ist hier ein
Steuerfenster je Portal und Rahmen erforderlich. Diese Bemühungen bedeuten,
dass der Verlust der Bandbreite (Steuerinformationen/Nutzinformationen)
für einen
kurzen Rahmen größer ist.
Die Anwendung eines auf einen Takt von 8/N KHz verriegelten Rahmens
ermöglicht
somit die Verringerung dieses Verlusts der Bandbreite.
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Die Norm IEEE 1394 sieht vor, dass
der Zugriff zu dem Übertragungsmedium
gemäß einem
willkürlichen
Prinzip erfolgt. Ein Masterknoten (gewählt zu Beginn eines Bus) hat
die Aufgabe eines sogenannten Arbiters für die Entscheidung des Zugriffs der
anderen Knoten zu dem Bus. Jedoch befaßt sich die Norm nicht mit
dem Konzept der Datenfenster für die Übertragung
von asynchronen Daten. Wenn somit eine asynchrone Übertragung
nach einer Verhandlung für
die Gewinnung des Bus ausgelöst
wird, ist die Dauer dieser Übertragung
a priori nicht bekannt. Als ein Ergebnis kann ein Knoten gezwungen sein,
ein Zeitintervall mit veränderbarer
Dauer zu warten, wenn es die Bildung des Bus anfordert.
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Während
der Übertragung
des Taktes des Bus muß der
Masterknoten alle 125 μs
einen Synchronimpuls erzeugen. Das erfolgt durch Senden eines Pakets
("Zyklus-Startpaket" oder CSP (cylus start
paket)), dessen Beginn den Synchronimpuls bildet. Es kann jedoch
sein, dass der Bus bei dem Zeitpunkt besetzt ist, wo der Zyklus-Master auf dem Bus das
Paket erzeugen muß.
Letzterer muß daher
das Ende der laufenden Übertragung
abwarten, um einen Zugriff zu dem Bus zu erlangen. Es fügt dann
in jedes übertragene
Paket den Wert seines Zeitgeberregisters ein, so dass die anderen
Knoten ihren Takt als ihre Referenz benutzen und die notwendige
Korrektur vornehmen können.
Dieses Jitter (oder Zeitfehler) beim Beginn des Paketes (geschätzt höchstens
78 μs) entspricht
der Maximaldauer eines asynchronen Pakets, wie es in dem Dokument
IEEE 1394 definiert ist, und der Dauer der Empfangsbestätigungsphase, die
im Anhang E dieses selben Dokumentes erwähnt ist. 2 zeigt den Einfluß des Jitter auf die Übertragung
des Startpakets des Rahmens. Außerdem
werden gemäß dem Beispiel
von 2 die Steuerfenster der
Portale über
den gesamten TDMA-Rahmen des drahtlosen Netzes verteilt und nicht
zu Beginn des Rahmens konzentriert, wie in dem oben beschriebenen
Beispiel von 6.
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Die Übertragung des Taktes auf einem
Bus IEEE 1394 enthält
zwei Aspekte: die Übertragung
der Taktfrequenz (8 KHz) und die Übertragung der Zeit in einem
Absolutwert in der Form von Werten des Zeitgeberregisters. Gemäß der Norm
IEEE 1394 sind Vorsehungen getroffen, diese beiden Aspekte zur selben
Zeit zu erreichen: jede 125 μs
erzeugt der Zyklus-Masterknoten des Netzes ein Paket mit dem Wert
seines Zeitgeberregisters im Zeitpunkt der Übertragung (dieses aufgrund
des Jitter des Bus).
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Gemäß der Erfindung werden während der Übertragung
des Taktes auf dem drahtlosen Netz, das heißt über den Bus 1394, mit dem der
Zyklus-Master des Netzes verbunden ist, diese beiden Aspekte (Übertragung
der Frequenz und Übertragung
des Absolutwertes des Taktes) getrennt.
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Was zunächst die Übertragung des Taktes über das
drahtlose Netz betrifft, treten zwei Fälle auf: entweder das Portal,
das den Takt des drahtlosen Teils des Netzes bestimmt, mit der Mastervorrichtung des
Netzes über
einen IEEE 1394 Bus verbunden, oder er ist selbst diese Zyklus-Mastervorrichtung
des Netzes.
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In dem ersten Fall kann ein maximales
Jitter von 78 μs
zu Beginn des Zyklus-Startpakets
existieren, das durch die Mastervorrichtung des Netzes zu dem "Zyklus-Server-Portal" gesendet wird: Das
ist das Jitter, dessen Ursprung mit Hilfe der 2 beschrieben wurde. Gemäß dem vorliegendem
Ausführungsbeispiel
wird die Einfügung
des Steuerfensters in den Rahmen nicht direkt durch den Empfang
des Zyklus-Startpakets auf dem Kabelbus ausgelöst, sondern vielmehr durch
das Zeitgeberregister des Zyklus-Server-Portals bestimmt. Wenn angenommen
wird, dass ein TDMA-Rahmen jede 1 μs startet, dann muß ein TDMA-Rahmen
alle 131047 Takthübe beginnen.
Auf diese Weise eliminiert man das Jitter in dem übertragenen
Timing durch Verriegelung des Starts des TDMA-Rahmens auf dem drahtlosen
Netz auf den Takt des Zyklus-Server-Portals. Es sei bemerkt, dass
das Zeitgeberregister des Portals dennoch alle 125 μs durch die
Werte benutzt wird, die von den Zyklus-Start-Paketen des Masterknotens des Netzes
empfangen werden, in einer Weise identisch zu jedem anderen Knoten
eines Kabel-IEEE 1394-Bus.
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Der Fall, wo das Zyklus-Server-Portal
die Mastervorrichtung des Netzes ist, besteht kein Jitter von dem
oben beschriebenen Typ. Der Takt des Zyklus-Server-Portals befindet
sich dann im Freilauf.
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3 zeigt
die Schaltungen zur Verbindung mit dem Kabel-IEEE 1394-Bus und dem Übertragungsteil
eines Portals. Das Portal enthält
eine physische oder körperliche
Schnittstelle 30, eine Schaltung 31 zur Demodulation
und Decodierung des Kanals, die die Werte der Bit des Taktregisters
der Zyklus-Start-Pakete extrahiert ("Cycle start packets" gemäß der Terminologie
des Dokuments IEEE 1394), eine Zeitbasis 32, bestehend
aus dem Taktregister des Portals, inkrementiert im Rhythmus eines internen
Taktes mit einer phasenverkoppelten Schleife mit einem Oscillator
mit einer Grundfrequenz von 24,576 MHz und verriegelbar auf die
Zyklus-Start-Pakete des Kabelbus, einem asynchronen FIFO-Stapel 33 für die Nutzdaten
für die Übertragung von
asynchronen Paketen, einem isochronen FIFO-Stapel 34 für die Nutzdaten
für die
isochrone Übertragung
in den isochronen Fenstern der TDMA-Rahmen sowie einer Schaltung 35 zur
Einfügung von
Steuerdaten, insbesondere von Daten, die für das Steuerfenster des für das Portal
reservierten TDMA-Rahmens vorgesehen sind. Diese letzte Schaltung 35 bewirkt
außerdem
die Einfügung
des Synchronworts zu Beginn seines Steuerfensters. Die beiden FIFO-Stapel 33 und 34 sowie
die Einfügeschaltung 35 sind
beide mit einer Kanalcodierung- und Modulationsschaltung verbunden
(es ist nur die Schaltung 37 erwähnt), dann mit einem durch
einen Mikroprocessor μ gesteuerten
Multiplexer 36 verbunden, der außerdem die Kompensationen der
Verzögerung der
im folgenden beschriebenen Verarbeitung bewirkt. Die verschiedenen
Anschlüsse
des Mikroprocessors, der für
die gesamte Steuerung des Portals verantwortlich ist, sind in 3 nicht dargestellt, um die
Klarheit des Schemas nicht zu beeinträchtigen. Die Schaltung 36 bewirkt
außerdem
die Zusammensetzungen des TDMA-Rahmens. Eine analoge Schnittstelle 39 bewirkt
die Verbindung mit dem drahtlosen Hochfrequenznetz und insbesondere
die Umsetzungen in das benötigte
Frequenzband.
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Es wurde beobachtet, dass die Verarbeitungszeit
bei der Sendung oder beim Empfang in dem drahtlosen Teil des Netzes
relativ zu der zeitlichen Markierung der Datenpakete nicht vernachlässigbar
ist. Diese Verzögerung
entspricht der Modulation und der Kanalcodierung beim Sender und
der Kanal-Decodierung und Kanaldemodulation beim Empfänger. Gemäß der vorliegenden
beispielhaften Ausführungsform
wird diese Verarbeitungszeit beim Sender und beim Empfänger kompensiert.
Ein Senderportal mit einer im wesentlichen festen Verarbeitungszeit
addiert die Anzahl der Taktübergänge entsprechend
dieser Verarbeitungszeit zu dem Taktwert seines Zeitgeberregisters,
so dass der in dem Steuerfenster enthaltene Taktwert dem Zeitpunkt
der tatsächlichen Übertragung
des Steuerfensters entspricht. Ebenso addiert ein Empfängerportal
zu dem empfangenen Taktwert eine Zahl von Taktübergängen entsprechend seiner Verarbeitungszeit.
Die Verarbeitungszeiten bei der Sendung und beim Empfang können bei
jedem Portal in Registern gespeichert werden.
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Im folgenden werden die Rückgewinnung der
Taktfrequenz, dann die Rückgewinnung
des Taktwertes bei jedem Portal beschrieben.
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Bei einem anderen Portal als dem
Zyklus-Server-Portal erfolgt die Rückgewinnung des Takt-Timing über eine
phasenverkoppelte Schleife mit einem gesteuerten Oscillator mit
der Grundfrequenz von 24,576 MHz.
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4 ist
ein Schema von Schaltungen für den
Empfang und die Verbindung mit einem Bus 1394 eines der Portale
von 1. Das Portal von 1 enthält eine analoge Schnittstelle 40 für den Empfang
von HF-Signalen, die im wesentlichen die Übergänge in das Basisfrequenzband
bewirken, einen Extrahierer 41 für die Paketsynchronisierung, der
den Anfang der Steuerfenster zurückgewinnt, und
eine phasenverkoppelte Schleife 42 zur Rückgewinnung
des Taktes mit 8 KHz aus den durch eine Frequenz von 8/N KHz erzeugten
Starts der Steuerfenster, eine Schaltung 43 für die Demodulation
und Kanaldecodierung des Inhalts des Rahmens, wobei letztere durch
einen Demultiplexer 44 demultiplexiert wird, der mit einem
asynchronen FIFO-Stapel 45, einem isochronen FIFO-Stapel 46 und
einem Speicher 47 für
die Steuerdaten verbunden ist, der außerdem eine Verbindungsschaltung 48 für den IEEE
1394 und eine physische oder körperliche
Schnittstelle 49 mit dem Kabelbus IEEE 1394 für dieses
Portal enthält.
Letztlich enthält
das Portal einen Mikroprocessor μ'.
-
5 ist
ein Schema der Schaltung 42 von 4. Die in der Figur erscheinenden numerischen Werte
sind als Beispiel angegeben. Der zurückgewonnene Takt mit 8 KHz
muß ein
Jitter haben vergleichbar mit dem Jitter des Taktes mit 8 KHz eines Kabelbus
IEEE 1394. Der letzte Takt wird durch die Zyklus-Start-Pakete für die Frequenz
von 8 KHz ausgenutzt, anstelle von 8/N KHz für die Portale des drahtlosen
Netzes. Dieses Jitter entspricht einer +/– 112 Periode von 24,576 MHz.
-
Während
eines Rahmens empfängt
jedes Portal in einer verständlichen
Weise Steuerfenster von einem oder mehreren anderen Portalen. Es
empfängt
nicht unbedingt die Steuerfenster jedes anderen Portals, wenn die
unvollständige
Netzwerkfähigkeit
des drahtlosen Teils des Netzwerks gegeben ist. Das Portal wählt eines
der empfangenen Steuerfenster und bevorzugt das Fenster mit dem
kleinsten Abstand relativ zu dem Zyklus-Server-Portal, das an denselben
Bus angeschlossen ist wie die Zyklus-Mastervorrichtung des Netzes. Es ist
dieses Steuerfenster, das das Portal zur Synchronisierung seines
eigenen Taktes benutzt. Jedes Steuerfenster enthält ein Synchronisierwort, das
es ermöglicht,
den Beginn zu markieren, und enthält in seinem festen Fenster
die Identifikation des Sender sowie den Abstand des letzteren zu
dem Zyklus-Server-Portal. Jedes Mal, wenn das Steuerfenster durch
das Portal markiert wird, erzeugt letzteres einen Impuls für seine phasenverkoppelte
Schleife.
-
Man definiert den Abstand zwischen
einem Portal des drahtlosen Teils des Netzes und dem Portal, das
die zeitliche Referenz dieses drahtlosen Teils des Netzes (Zyklus-Server-Portal)
als die Minimalzahl von "Sprüngen" (hops) zwischen
diesem Portal und dem Zyklus-Server-Portal. Es handelt sich in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel
um die Anzahl der Rahmen TDMA, die benötigt werden, damit der Inhalt
des Steuerfensters des Zyklus-Server-Portals das andere Portal erreicht.
In der Praxis haben die Portale, die über eine drahtlose Strecke
direkt über
das Zyklus-Server-Portal
erreicht werden können,
den Abstand "1" von dem letzten
Portal. Die Portale enthalten den Abstand, der sie von dem Zyklus-Server-Portal
in ihrem Steuerfenster trennt. Ein Portal wählt unter allen Abständen, die
es empfängt, in
einer verständlichen
Weise in den Steuerfenstern den geringsten Abstand. Dieser Abstand,
inkrementiert um 1, ist sein eigener Abstand relativ zu dem Zyklus-Server-Portal.
Die Abstände
werden in allen Steuerfenstern übertragen.
Das Zyklus-Server-Portal wird einen Abstand von 0 aufweisen.
-
In vorteilhafter Weise erfolgt die
Synchronisierung immer auf der Grundlage desselben Steuerfensters,
solange es in einer verständlichen
Weise empfangen wird. Somit ändert
die Routing-Zeit sich von Rahmen zu Rahmen nicht.
-
Die Übertragung und die Extrahierung
des durch das Zyklus-Server-Portal übertragenen Taktwertes erfolgt
folgendermaßen:
-
In dem Rahmen des drahtlosen Netzes
sind die Lage und die Größe jedes
Steuerfensters fest, so dass es kein Jitter beim Beginn eines Steuerfensters Cm
von einem Rahmen zu einem anderen gibt. Das Ergebnis besteht darin,
dass die Übertragung
der geringstwertigen Bit des Zeitgeberregisters des Zyklus-Server-Portals
(entsprechend einem Takt von 24,576 MHz) unnötig ist.
-
Per se ist die Synchronisierung der
Taktwerte der Portale erforderlich, um eine richtige Interpretation
der zeitlichen Label oder Etiketten zu erreichen, die in der Norm
IEC 61883 definiert sind.
-
Es bestehen zwei Möglichkeiten
für die Übertragung
dieses Zeitwertes:
- – Entweder sendet das Zyklus-Server-Portal
explizit den notwendigen Wert seines Zeitgeberregisters auf der
Detektion dieses Ereignisses (nämlich
7 das Sekunden beschreibende hochwertige Bit und die (13-N) mittelwertigen
Bit, die den Wert des 8/N KHz-Zählers
beschreiben).
Es besteht nämlich
keine Notwendigkeit, einen vollständigen Zeitwert anders als
beim Beginn eines Knotens zu übertragen,
damit er den in dem Register des Zyklus-Server-Portals gehaltenen Absolutwert
erreichen kann: Ihn zu jedem Steuerfenster zu übertragen, würde eine
zu große
Bandbreite erfordern.
- – Oder
das Zyklus-Server-Portal sendet kontinuierlich in seinem Steuerfenster
einen Untersatz von Bit seines Zeitgeberregisters und verschiebt sie
bei jedem Rahmen. Das kann folgendermaßen erreicht werden: 2 Bit
jedes festen Fensters jedes Steuerfensters werden dieser Anwendung gewidmet:
das erste Bit zeigt an, ob das zweite Bit das geringstwertige Bit
des Taktwertes ist (nicht übertragene
Bit-siehe unten) oder ob es sich um ein anderes Bit handelt. Das
zweite Bit ist ein Bit des Taktwerts. Die Werte der laufenden Bit
werden von den geringstwertigen zu den höchstwertigen Bit übertragen.
Somit wartet ein Portal, das sich selbst zu initialisieren versucht,
auf das nächste
Signal, das die Anwesenheit des geringstwertigen Bit anzeigt, und
beginnt die Auffrischung seines Zeitgeberregisters Bit für Bit im Laufe
der Rahmen, voranschreitend zu den hochwertigen Bit. Es ist wichtig,
dass selbst während der
Auffrischung des Registers letzteres im Rhythmus mit dem durch die
phasenverkoppelte Schleife erzeugten örtlichen Takt weiterhin inkrementiert
werden sollte.
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Wenn man annimmt, dass ein TDMA-Rahmen
alle 1 KHz übertragen
wird, dann sind nur die 17 höchstwertigen
Bit des Zeitgeberregisters signifikant und werden tatsächlich entsprechend
der zweiten Möglichkeit übertragen.
-
Die 12 Bit des Bereichs mit den geringstwertigen
Bit sowie die p geringstwertigen Bit des mittleren Teils des Taktregisters
des Portals werden in Abhängigkeit
von ihrer eigenen Verarbeitungszeit durch das Portal selbst bestimmt.
-
Auf der Senderseite wird angenommen, dass
dieser nicht-übertragene
12-Bit-Bereich bei
0 liegt, wenn ein Fenster übertragen
wird. Zur Kompensation der Verarbeitungszeit bei der Sendung wird
die Sendung um eine vorbestimmte Zahl von Taktübergängen ausgelöst, bevor der Zähler den
dem Bereich mit 12 Nullen-Bit entsprechenden Wert erreicht. Die Verarbeitungszeit
bei der Sendung ist bestimmt durch Abgleichmechanismen, zum Beispiel
bei der Konzeption oder Bemessung des Senders.
-
Auf der Empfängerseite erfolgt eine ähnliche Korrektur
der Verarbeitungszeit beim Empfang.
-
Zusammengefaßt, die Ausbreitung des Taktes über das
drahtlose Netz erfolgt gemäß dem folgenden
Mechanismus:
-
Jedes Portal enthält ein Zeitgeberregister. Dieses
Zeitgeberregister wird für
jedes Portal benutzt, um die Sendung seines eigenen Steuerfensters
im Rahmen eines TDMA-Rahmens auszulösen.
-
Jedes Portal bewirkt eine Regelung
(slaving) seines Zeitgeberregisters. Diese Regelung ist abhängig von
der Topologie des Netzes: wenn das Portal die Zyklus-Master-Vorrichtung des Netzes
ist, dann gibt es keine Regelung (slaving) auf diesem Zeitgeberregister.
Wenn das Portal mit demselben Bus IEEE 1394 wie die Zyklus-Master-Vorrichtung
des Netzes verbunden ist (und wenn es das einzige Portal auf diesem
Bus ist, anderenfalls müßte eine
Konkurrenzauflösung
zwischen den konkurrierenden Portalen gebildet werden), dann triggert
das Portal, bezeichnet mit "Netz-Zyklus-Server", sein Zeitgeberregister
auf die Zyklus-Start-Pakete, die von seinem Bus empfangen werden
(wie jeder IEEE 1394 "Slave"-Knoten). In allen
anderen Fällen
muß das
Portal sein Zeitgeberregister beim Empfang des Steuerfensters aus
dem kürzesten
Abstand des Portals des "Zyklus-Server" ausnutzen.
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Der auf diese Weise durch jedes Portal
zurückgewonnene
Takt wird für
den Bus benutzt, mit dem das Portal verbunden ist.
-
Obwohl die Empfangs- und Sendeschaltungen
der 3 und 4 in der Beschreibung getrennt dargestellt
sind, ist es klar, dass diese Schaltungen in einer einzigen Sender/Empfänger-Vorrichtung
auf dem drahtlosen Netz integriert sein können. Es ist ganz offensichtlich,
dass in diesem Fall bestimmte Elemente der Schaltungen nicht verdoppelt
werden müssen:
der Mikroprocessor, die physische oder räumliche Schaltung 1394 usw.
verwalten sowohl den Empfang als auch die Sendung. Es liegt im Rahmen
der Möglichkeiten
des Fachmanns auf diesem Gebiet, die Empfangs- und Sendeschaltungen in ein und derselben
Vorrichtung zu kombinieren, ohne eine Redundanz einzuführen.