CN1462137A - 数据分组传输方法及相关的发送器和接收器 - Google Patents

Abstract

具有比特率B的通信网络中的数据分组异步传输的方法，其特征在于下述步骤：(a)处理要传输的数据，使得数据流中0或1状态在每个比特位置上出现的概率近似相等，且与其它比特位置无关(＝扰码)；(b)等待保护带时间t_gb，时间t_sy内的同步序列传输，时间t_co内的同步字的传输，和数据有效负载的传输；(c)在接收器内检测同步序列以及与这个同步序列的同步；(d)在接收器内通过检测同步字来检测数据分组的起始；(e)在接收器内接收数据的有效负载。这允许信号接收器容易地直接检测数据分组的有用有效负载，其中可以主要根据连续点对点连接的接收器的已知硬件技术设计信号接收器。

Description

数据分组传输方法及相关的发送器和接收器

技术领域

本发明涉及具有比特率B的通信网络中的数据分组异步传输的方法，及实施这种方法的发送器和接收器。

本发明进一步涉及通信网络中数据分组同步传输的方法，其中要传输的数据有效负载被嵌入到根据标准G.709的帧结构中。

背景技术

数据分组异步传输的方法及相应的接收器单元可从H.Nishizawa等人在2000年9月3-7日德国墨尼黑举行的第26届欧洲光通信会议ECOC2000上发表的论文(参见卷4，第75页，论文10.4.8)中得知。

高信息流，即单位时间内要传输大量二进制信息单元(比特)的数据传输，尤其是9.95328Gb/s(10Gb/s)和更高速率的数据传输，主要通过点对点连接在光信息网中进行。最简单的情形是，信号从第一个网络点的发送器单元经光波导连续地专门发送到第二个网络点的接收器。即使两个网络点间偶尔没有数据需要传输，也要维持信号流。因此，接收器可以维持其读相位、读比特位置(即与发送器单元同步)和门限水平(即这样的阈值强度，其中当信号低于阈值强度时，信号被认为是“0”，当信号高于阈值强度时，信号被认为是“1”)。因此，这种数据传输的方法被称之为“同步的”。

为了确定数据分组的目的地，在接收器中数据被拆包和读出。接着将信息重新打包到数据分组中，并且由第二个网络点的发送器单元将数据分组传递给第三个网络点，其中第三个网络点比第二个网络点更靠近数据分组的目的地。

另一种数据传输是突发模式的数据传输；这被称作“异步”数据传输。这种方法尤其适于IP数据传输(Internet)，其中必须在经常改变的发送器和接收器对之间进行短数据分组交换。线路从各种其它网络点汇集到一个网络点(在发送器和接收器之间)。在这些线路中的一条线路上的输入数据分组经光交换机物理地直接传递(即不经过读取)到网络点的另一条线路上。根据数据分组的目的地选择这条线路，其中这个目的地信息从短头数据分组得到。这个分组头是唯一读出的部分；其传输可以被延时，或者在单独的信道上进行。

在这样的网络点处，数据分组输入和传输的时段与静默(darkness)时段(即没有信号输入)交替出现。在静默时段(如果存在)中，针对下一个要传输的数据分组进行输出线路切换。

突发模式网络的接收器具有两个难以克服的困难。第一个困难是，输入信号的频率(比特率)和输入信号的相位均是未知的。因此接收器必须和每个输入信号分组同步。第二个困难是，输入信号分组的幅度随发送器的不同而变化，例如因为到达网络点的不同长度信号路径中的衰减效应。因此对每个输入数据分组必须重新校准门限水平。在两个不同的发送器之间可以进行的切换越快，则数据吞吐量就会越高。

因此为了接收突发模式的信号，需要特殊的接收器。这种突发模式的接收器由Nishizawa等在上面的文章中描述。接收器中存在Manchester编码的光数据分组，和提取信号。光数据分组由EDFA前置放大器放大，然后送给差动光电检测器。其信号被线性放大，高通滤波，并送给电子限幅放大器。数据分组和提取信号最后经过数字环形振荡器和判决电路的分析，使得原始数据分组作为电子非归零(NRZ)信号出现在接收器输出端上。所用的光数据分组由同步短前缀比特和数据有效负载构成。与光信号并行送给接收器的提取信号指示了前缀周期。

这种突发模式的接收器与连续(同步)信号传输的信号接收器相比在结构上更加复杂和昂贵。由于检测数据有效负载的起始时会出现一些问题，对此需要附加控制信号，即提取信号。

发明内容

本发明的目的在于构造一种突发模式的处理方法，使得信号接收器能够直接和容易地检测数据分组的数据有效负载，并且信号接收器也能够主要根据来自连续点对点连接的接收器的已知硬件技术构造。

通过本发明的方法实现了该目的，其中在具有比特率B的通信网络中的数据分组异步传输的特征在于下述步骤：

(a)处理要传输的数据，使得数据流中0或1状态在每个比特位置上出现的概率近似地相等，且与其它比特位置无关(扰码)；

(b)等待保护带时间t_gb，时间t_sy内的同步序列传输，时间t_co内的同步字的传输，和数据有效负载的传输；

(c)在接收器内检测同步序列以及与这个同步序列的同步；

(d)在接收器内通过检测同步字来检测数据分组的起始；

(e)在接收器内接收数据的有效负载。

为了接收根据本发明构造的数据分组，通过提升接收器的下限频率f_u可以根据本发明来修改最初设计用于连续信号接收的接收器。这避免接收器的记忆效应超出分组限制之外。然而结果是，具有高DC部分的信号序列(即具有许多直接相继的0或1的序列)则陷入接收混乱状态。为此，根据本发明，使用数据加密的扰码方法来避免产生这样的序列。

为此，根据本发明，使用至少一种扰码方法，该方法不管数据有效负载的性质如何，保证了这些比特的均匀和独立的分布(例如在传真中，几乎所有的“比特”是“白的”，只有少数是“黑的”；只有通过扰码才能使所得到的序列中0/1是均匀分布的)。信道编码优于扰码。这里，在数据流中插入附加比特，使得能够基本排除不希望的比特序列(扰码不能排除这样的不希望的序列，只是根据长度使其成为极其不可能出现的情形)。Manchester编码是信道编码的极端例子，其中针对每个待传输的比特传输附加的比特。这保证信号中的比特变化最迟出现在第三个相继信号比特中。然而数据吞吐量也因此减半。

一种可选的编码假定例如8信息比特的序列(或具有可比较量级)通过一个10比特信号传输，其中第9个比特和第10个比特不同，即近似地是0和1。因此保证了最迟10个比特后出现信号比特变化。这种编码方式只减少了20％的数据吞吐量。

通过扰码或编码，减少了信号的DC比例，使得截去信号的低于下限频率的低频部分不引起信息损失，即在编码信号中没有低频分量。

为了在B/300的下限频率f_u上达到与非提升下限相同的误码率(典型地10^-12)，需要信噪比好于3dB。这能够通过提升发送功率来达到。不管信噪比如何，较高的下限频率会导致误码率急剧上升，因此分组丢失的概率也就越高。

在同步序列t_sy期间，接收器有机会调谐到数据分组。这尤其适用于确定输入信号的相位和使接收器与此序列同步，并且确定输入信号的强度以建立门限水平。简单的同步序列由序列101010......等等构成。

在进行序列同步期间将判决阈值(门限水平)设置为平均信号值。第一批比特可能在某些情况下没有被检测到并且丢失，因为在此期间对0和1进行确定识别是不可能的。根据t_sy≥1/(2*π*f_u)，最小调谐时间t_sy源于接收器在f_u上的高通的调谐时间，其中f_u＝B/300并且t_sy≥53/B。在这种情形下，同步序列必须至少需要53个比特的长度；实际上选择100个比特，这在B＝10Gb/s时对应于10ns的t_sy。

通过包含同步字，定义了数据有效负载的起始。这是十分必要的，因为在同步过程中丢失了数量不确定的、分组起始处的比特。同步字针对同步序列(例如，101010...)和信号间歇(pause)(0000...)应当具有窄自相关函数和最大可能的码间隔。16比特同步字一般是不够的。同步字的包含使得标识数据有效负载的起始的控制信号(挤压(extrusion)信号)成为多余，并且不需要时间关键的切换过程。

在接收具有最大传输功率的数据分组之后，保护带时间t_gb必须为接收器提供解调谐时间，使得接着仍然能够可靠地检测出最小传输功率的数据分组。在下限频率f_u＝B/300和7dB的功率波动的情况下，提供对应于150比特的保护带t_gb，即在B＝10Gb/s时近似为15ns。

接收器规定最小保护带，这个最小保护带必须由几个发送器和光交换机构成的较高系统的同步所遵守。

这个较高的系统是网络点构成的网状结构，在光突发模式网络的情形下由多个可使用放大器元件的光波导和光交换机组成。至少一个线路从光交换机引向接收器。可以使用星形、环形和树状的结构。

数据分组中数据有效负载所占比例的大小原则上并不受本发明的方法或接收器的限制。固定分组长度和可变分组长度都是可以的。然而，数据有效负载所占比例的大小影响信道的利用率，即影响整个信号传输中数据有效负载传送所占的比例。数据分组中的数据有效负载部分越长，信道的利用率就越好(越高)。在具有两个数据分组间50ns的平均间歇时间、12ns的同步序列、1μs(10000比特)的数据有效负载长度的10Gb/s数据网络中，信道利用率近似为95％。

在根据本发明的方法的最优变形中，以B≥9.95328Gb/s的高比特率光数据传输发送数据分组。9.95328Gb/s的标准被简称为10Gb/s。在这样高的比特率下，本发明的优势显得特别明显。光学系统能够达到这样的高比特率。

本发明的方法的另一个变形也是最优的，其中数据分组以突发的模式传输。这就是本发明特别适用的异步信号传输的常规方法。

在本发明的一个变形中，为了在步骤(a)处理数据，使用编码处理方法，其中编码数据的功率谱在低于0.01*B的频率上没有任何强度，尤其是在低于0.003*B的频率上没有任何强度。在B≈10Gb/s的情形下，这些频率对应于100MHz和30MHz。这使得数据传输时接收器中的信息损失达到最小，因为在根据本发明的接收器中数据信号通过高通处理。

在本发明的一个最优变形中，通过网络单元上的若干发送器来传输数据分组，该网络单元以时分复用方式通过公共输出线路将数据分组传递给所选的接收器。其它网络单元可以连接到作为发送器的网络单元。只有当网络单元与若干发送器相连时，才可以完全使用突发模式操作。这实现了良好的数据吞吐量。

在本发明关于数据异步传输的方法的上述两个变形的结构中，网络单元使得第一个数据分组结束和第二个发送的数据分组的起始之间具有至少为t_gb的时间间隔。这防止数据分组在接收器中发生冲突，并且接收器在新的数据分组到达之前能够充分地减轻压力(relax)(解调谐)。

在本发明方法的一个最优变形中，保护带t_gb选择为t_ab≥100/B。这个保护带足够接收器在接收高信号强度的数据分组之后返回到其起始状态，即解调谐状态，使得在t_gb之后低强度信号能够可靠地被检测出来。因此根据本发明的t_gb的大小改善了数据传输的可靠性。

在一个优选变形中，接收器输入的下限频率在0.0005*B和0.005*B之间，最好在0.001*B和0.003*B之间。在B≈10Gb/s时，这对应于5MHz、50MHz、10MHz和30MHz的频率。由于根据本发明设置的接收器输入的下限频率，用于连续信号接收的常规接收器可被用于分组接收。该数值构成数据安全和数据吞吐量的最优范围。

本发明的范围还包含在本发明的方法及其变形中用于传输数据分组的发送器，其中提供了执行步骤(a)和步骤(b)的装置。因此能够在信号线上生成根据本发明的数据分组。

本发明还包含在本发明的上述方法及其变形中用于数据分组传输的接收器，其中提供了执行步骤(c)、(d)和(e)的装置。因此能够从信号线中读出根据本发明的数据分组。

在这种接收器的实施例中，提供耦合电容器作为高通以提高接收器输入的下限频率。这缩短了接收器的解调谐时间，并且在前面的数据分组结束之后快速地重新产生就绪状态以便记录新数据分组。

本发明还包含在通信网络中进行数据分组同步传输的方法，其中要传输的数据有效负载被嵌入到根据标准G.709的帧结构中，其特征在于：

(i)在ODUk管理开销(overhead)中插入具有编码形式的连接码，该连接码将有关数据分组分配给具体网络连接，

(ii)在交换点之内，修改数据分组的帧结构的FEC部分，使得在前一数据分组的结束和紧接之后的数据分组的起始之间的保护带时间t_gb＞20ns，并且在数据分组的交换中心内产生用于同步相继接收器单元的内部控制信号。

本发明的其它优点从描述和附图中可以看出。根据本发明上述的特征和即将列出的其它特征能够单独地使用或一起以任何组合的方式使用。所示和所述的实施例不应当解释为本发明完全的列表，而是仅作为阐述本发明的一些例子。

附图说明

通过附图并且详细参照实施例说明本发明。其中：

图1a：给出根据标准G.709的数据分组的帧结构；

图1b：给出根据标准G.709数据分组的传输序列；

图2：给出根据本发明的连接点的图解结构，用于传输根据本发明修改的标准G.709的数据；

图3：给出根据本发明修改的标准G.709的内部数据格式。

具体实施方式

由于时间t_gb(保护带)和时间t_sy(同步序列)，根据本发明的数据分组异步传输(分组传输)导致信道容量的损失。(在这种评估中忽略了同步字，因为与t_gb和t_sy相比同步字短得可以忽略不计)。因此信道利用率为：

E＝t_pay/(t_gb+t_sy+t_pay)      (1)

(t_pay＝净数据有效负载的周期)。

统计上独立并且均匀分布的比特序列(类似于扰码)具有0Hz的下限频率f_u。而这对技术系统是不实际的。如果3dB的信噪比损失是可以接受的，则下限频率可以提升到比特率的1/300，这可以用简单的计算来证明：

f_u≤(1/300)*1/T             (2)

(T＝一个比特的长度，比特率B＝1/T，当B＝10Gb/s时，T＝100ps)。

分组起始处的调谐必须在t_sy之内进行。接收器输入上简单高通的最小调谐时间近似等于时间常数Tau，Tau由下限频率得出。 $t_{\mathrm{sy}}\≥\mathrm{Tau}\≅1/\left(2\mathrm{\π}{f}_u\right)---\left(3\right)$

或用式(2)

t_sy≥53T                        (4)

因此，同步序列必须为至少53比特的长度；实际上t_sy扩展到100比特(或10ns)。

在光分组传输中，当分组来自不同的信源时，必须预期分组之间的水平跳跃(强度跳跃)。在较大，即强功率的具有功率P_max的分组之后，接收器需要时间t_gb解调谐到具有功率P_min的可能最小分组的下限水平。 $P_{\min }/P_{\max }\≅\exp (-t_{\mathrm{gb}}/\mathrm{Tau})---\left(5\right)$

作为结果并且考虑到式(3) $t_{\mathrm{gb}}\≅53\mathrm{T\; In}(P_{\max }/P_{\min })---\left(6\right)$

以dB为单位的功率比：(10乘以10为基底的对数)

R＝10lg(P_max/P_min)              (7)

R＝10ln(P_max/P_min)/ln 10

根据式(6)和(7)，我们得到： $t_{\mathrm{gb}}\≅12.3T*R---\left(8\right)$

这个公式意味着：

●对于相同的分组功率(R＝0)，不需要保护带(t_gb＝0)。

●对于假定的功率波动R≤7dB，我们得到

t_gb≥87 T                        (9)

因为估计R≤7dB是任意的，确定保留值，例如t_gb≥100T，或更好地具有更清楚的保留值t_gb≥200T，或t_gb≥20ns。

为了实现理论界线值t_gb和t_sy，以达到最小信道利用率E，由(1)式，我们推出

E＝t_pay/(12.3T R+53T+t_pay)       (10)

其中有效负载t_pay的时间可由数据有效负载比特数N乘以比特持续时间T：t_pay＝N*T得到。

插入到式(10)中，并转换成N，我们得到：

N≥(12.3R+53)E/(1-E)             (11)

对于所需要的至少95％(E＝0.95)的利用率，N≥2700比特。因此每个分组的数据有效负载必须长于2700比特，否则就不能达到95％的利用率。考虑到对t_gb和t_sy作技术性补充到200T或100T(见上面)，最小长度是N≥5700比特。

在根据本发明的方法中，假定数据最初表现为NRZ信号。

根据本发明用于通信网络中的数据分组同步传输的方法将在下面阐述，其中要传输的数据有效负载嵌入到根据标准G.709的帧结构中。

在WDM(WDM：波分复用技术)系统中，网络节点的交换过程在WDM信道上进行。然而其不利之处在于，这些信道的粒度取决于使用的比特率，所用的比特率最高可达40Gb/s。因此难以构成接近网状的数据传送网络，因为某些连接会被用于极窄的范围内。

现有技术的解决方案是“突发交换”，参见Nishizawa等人的论文(同上)，然而，对此必须创立全新的协议，这将涉及大量格式变化。

本发明对这个问题的较好解决方案是引入标准G.709中的“虚波长”(有关标准G.709，参见图1a，图1b底部和2001年2月的ITU-TG.709)。目前作为数据帧结构G.709中预留或实验定义的那些比特能够用于区分不同的虚波长。于是，传送功能必须观察这些虚波长，例如对每个虚波长执行单独的监视功能。虚波长可以具有恒定带宽和可变带宽。

根据本发明的传送信号定义或结构，可以将交换功能容易地加入到最优连接单元(＝网络节点)中，它允许根据虚波长进行交换。

在图2(见下面)中给出了根据本发明设计的交换设备。发送器侧的线路卡满足下列功能：

●FEC控制计算，如果可用(FEC：前向纠错)；

●外部数据格式(遵照标准G.709，“外部帧结构”)到内部数据格式(根据本发明修改的标准G.709，“内部帧结构”)的适配，细节如下：

●抛弃FEC字段。由于在交换机内没有可能出现传输错误，FEC是多余的。

●增加“突发管理开销”和保护带以进行安全的数据信号接收和交换。

●突发管理开销包含至少一个同步序列，通常为010101...比特序列。

●标准G.709和内部帧结构可以作为整体或通过四个部分区段交换，因为FEC字段也通过四个部分区段交换，其中每个长度为256字节。第二种可能性提高了灵活性。然而对于相位(比特)同步序列，在这种情况下比特位置(时隙)同步序列也必须加入到数据信号中，因为G.709帧结构的对应同步序列(帧对齐管理开销)不可用：这仅在第一个数据行中可用。

●读取要建立的表格，该表格涉及虚波长应当交换到的输出，和是否应当改变虚波长；

●发送请求信号给调度器，这个调度器控制交换矩阵的状态。交换矩阵将信号从其输入中的一个传递到其输出中的一个；

●存储内部帧结构，即存储数据分组，直到调度器释放内部帧结构。

在接收器侧线路卡满足下列功能：

●在突发模式下接收内部帧结构(数据分组)；

●去除内部数据管理开销；

●重新计算FEC字段，如果必要；

●将数据信号(即重新产生的外部帧结构)传输到外部连接，即最后传输到下一个网络节点或确定的接收方。

交换矩阵的任务是在保护带时间内精确交换内部数据结构，以避免任何类型的数据失真。作为管理开销内部使用的FEC字段具有不需要增加传输速度(加速)的优点，即不需要识别不同的时间系统。

在连接点中，内部帧结构能够在突发模式下交换，即不需要所有线路卡的精确相位同步。

根据本发明的信号传输同步方法允许利用特定于突发模式的益处，并且整个网络不必工作在突发模式下，而是只需要部分网络节点工作在突发模式下。内部数据格式与标准格式G.709的紧密相关也是有利的。

图1a给出了根据原始G.709标准的帧结构。这个视图给出了已编号的、具有G.709的数据分组的字节的列11和行12。第1行以帧结构的同步序列13(帧对齐管理开销)为开始，后面是光传送单元管理开销(OTUk管理开销)14。在第2行至第4行中，这两个区域13、14被光数据单元管理开销(ODUk管理开销)15代替。在所有这四行中，后面跟着光有效负载单元管理开销(OPUk管理开销)16，后面是数据有效负载(OPUk有效负载)17。所有的行都用前向纠错(FEC)部分18结束。

图1b图解给出了这样的帧结构的数据的传输序列。按行进行传输，其中从第一列中的第一行开始，然后跟着传输各列入口的行序列。第一行完成后，传输第二行，其中从第一列开始，继续沿箭头19的方向直到整个帧结构已经处理完毕。

图2示出网络节点21，网络节点21根据本发明的方法进行同步数据传输。若干输入22通向发送器侧的线路卡23构成的组。当按照标准G.709的数据分组到达线路卡23中的一个时，这个相关的线路卡将消息传递给调度器24，并且将外部帧结构处理成根据本发明的内部帧结构。通过避免冲突和维持20ns的最小保护带，调度器现在将内部帧结构传递到交换矩阵，其中由调度程序根据数据分组的目的地设置交换矩阵，使得内部帧结构被传向接收器一侧的线路卡26构成的组中的相应线路卡。在那里重新产生原始数据格式并传递到网络节点21的输出27的对应输出线路。

图3示出了由发送侧的线路卡根据格式G.709的输入数据分组产生的内部帧结构30和41。帧对齐管理开销33、OTUk管理开销34、ODUk管理开销35、OPUk管理开销36和ODUk有效负载37按照标准G.709排列，见图1a。代替FEC18的是保护带38和内部管理开销39，其中保护带38扩展到所有的行，然而内部管理开销39仅位于前三行。也被称为“突发管理开销”的内部管理开销39指示第二行至第四行类型的顺序数据区段，并能够用于同步，而内部管理开销39的省略对应于新内部帧结构的起始。图3中上部内部帧结构30中的最后部分40已经分配给下部内部帧结构41，在此处按照箭头方向42的指向继续传输。下部内部帧结构41在结构上与上部内部帧结构30相似。

Claims (13)

1.具有比特率B的通信网络中数据分组异步传输的方法，其特征在于下列步骤：

(a)处理要传输的数据，使得数据流中0或1状态在每个比特位置上出现的概率近似相等，且与其它比特位置无关(＝扰码)；

(b)等待保护带时间t_gb，时间t_sy内的同步序列传输，时间t_co内的同步字的传输，和数据有效负载的传输；

(c)在接收器内检测同步序列以及与这个同步序列的同步；

(d)在接收器内通过检测同步字来检测数据分组的起始；

(e)在接收器内接收数据的有效负载。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于以B≥9.95328Gb/s的高比特率光数据传输发送数据分组。

3.如前述权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于在突发模式下发送数据分组。

4.如前述权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于为了在步骤(a)中处理数据，使用编码处理，其中编码数据的功率谱在低于0.01*B的频率没有强度，尤其在低于0.003*B的频率没有强度。

5.如前述权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于通过网络单元上的若干发送器发送数据分组，该网络单元通过公共输出线路将数据分组传递到选定接收器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于在网络单元中以时分复用方式发送数据分组。

7.如权利要求5或6的方法，其特征在于网络单元使得在第一个数据分组的结束和第二个传送的数据分组的起始之间具有至少为t_gb的时间间隔。

8.如前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于选择保护带为t_gb≥100/B。

9.如前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于接收器输入的下限频率在0.0005*B和0.005*B之间，最好在0.001*B和0.003*B之间。

10.电信网络中数据分组的同步传输方法，其中要传输的数据有效负载被嵌入在根据标准G.709的帧结构中，其特征在于：

(i)在ODUk管理开销中插入具有编码形式的连接码，该连接码将有关数据分组分配给具体网络连接，

(ii)在交换点之内，修改数据分组的帧结构的FEC部分，使得在前一数据分组的结束和紧接之后的数据分组的起始之间的保护带时间t_gb＞20ns，并且在数据分组的交换中心内产生用于同步相继接收器单元的内部控制信号。

11.用于如权利要求1至9中的任何一个所述的数据分组传输的发送器，其特征在于提供执行步骤(a)和(b)的装置。

12.用于如权利要求1至9中的任何一个所述的数据分组传输的接收器，其特征在于提供执行步骤(c)，(d)和(e)的装置。

13.如权利要求12所述的接收器，其特征在于提供耦合电容器作为高通来提升接收器输入的下限频率。

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