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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Daten- und Signalübertragung
zwischen Endgeräten über eine
oder mehrere Vermittlungsstationen in einem verteilten System. Die
Erfindung betrifft auch ein für
die Daten- und Signalübertragung
nach dem Verfahren ausgebildetes Netzwerk.
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Medizintechnische
Anlagen, insbesondere moderne CT-Anlagen, weisen eine Vielzahl von
Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Teileinheiten auf, über die
zum einen Steuersignale für
die Ansteuerung von Komponenten der Anlage und zum anderen digitale
Daten wie beispielsweise Messdaten übertragen werden. Aufgrund
der ständigen
Weiterentwicklung erfordern CT-Anlagen eine flexible und skalierbare
Architektur, die auf eine hohe Zuverlässigkeit sowie auf eine einfache
Durchführung
von Servicearbeiten hin ausgerichtet sein sollte und zudem den Kostenaufwand
für Erweiterungen
begrenzt.
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Die
Architektur von gegenwärtig
eingesetzten CT-Anlagen beruht ebenso wie die von anderen medizintechnischen
Anlagen, beispielsweise auf dem Gebiet der Magnetresonanz-Tomographie,
auf der Nutzung eines Standard-Kontroll-Netzwerkes, wie beispielsweise
CAN (Controller Area Network), für
die Übertragung
von digitalen Daten mit geringer Geschwindigkeit. Weiterhin werden
zusätzliche
Verbindungsleitungen eingesetzt, über die jeweils auf Basis eines
eigenen Protokolls und einer eigenen Spezifikation in der Regel
logische Signale in analoger Form übertragen werden. Über diese
letztgenannten Verbindungsleitungen werden insbesondere Signale übertragen,
die während
des Anlagenbetriebes häufig
und sehr schnell aktualisiert werden müssen, wie beispielsweise Steuersignale.
Dies führt
jedoch zu einer Vielzahl von Verbindungen mit jeweils unterschiedlichen
Protokollen, die eine zukünftige Verbesserung
und Erweiterung einer derartigen Anlage erschweren.
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Eine
vergleichbare Problematik ergibt sich auch in anderen technischen
Gebieten, in denen sowohl Hardware-Signale als auch Daten übertragen werden
müssen,
wobei für
einen Teil der Daten bzw. Signale eine hohe Dienstgüte, im Folgenden
auch als QoS (Quality of Service: Maß für die Zuverlässigkeit der
Einhaltung der Echtzeit) bezeichnet, erreicht werden muss.
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Die
bisher eingesetzten Übertragungstechniken
sehen eine getrennte Übertragung
von echten Hardware-Signalen über
Hardware-Leitungen und Daten über
Feldbusse wie CAN oder Profinet vor. Für die Datenübertragung sind Übertragungstechniken wie
ATM (Asynchronous Transfer Mode), Sonet (Synchronous Optical Network)
oder Realtime-Ethernet bekannt.
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Die
DE 691 16 538 T2 offenbart
eine Vorrichtung zur Übertragung
von Signalisierungsdaten in einem asynchronen Netz, insbesondere
einem ATM-Netz, um Daten zwischen synchronen und asynchronen Netzen
austauschen zu können.
Bei dem Verfahren dieser Druckschrift werden die Signalisationsdaten
der unterschiedlichen Kanäle
aus dem synchronen Netz erfasst und auf Zustandsänderungen hin untersucht. Bei
jeder erfassten Zustandsänderung
wird eine ATM-Zelle erzeugt, die im Kopfbereich die betroffene Kanalnummer
und im Nutzungsinformationsfeld die neue Signalisationsangabe enthält. Diese
Zelle wird dann in das ATM-Netz gesendet. Auf diese Weise werden
Daten zwischen außerhalb
des ATM-Netzes liegenden Endgeräten über Vermittlungsstationen
des ATM-Netzes übertragen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
sowie ein Netzwerk zur Daten- und Signalübertragung anzugeben, mit denen die Übermittlung
sowohl von echten Hardware-Signalen als auch von Daten mit einer
hohen QoS über das
gleiche Netzwerk möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem Netzwerk gemäß den Patentansprüchen 1 und 12
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Netzwerkes
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur Daten- und Signalübertragung zwischen Endgeräten (Device) über ein
oder mehrere Vermittlungsstationen (Switch) in einem verteilten
System werden zu übertragende
Daten und digitalisierte Signale in Zellen zusammengefasst, die
einen Block für
die Daten, einen Block für
die digitalisierten Signale und einen Kopfbereich (Header) aufweisen,
in den eine Verbindungsinformation über zumindest ein Übertragungs-
oder Weiterleitungsziel der in der jeweiligen Zelle enthaltenen
Daten aufgenommen wird. Die Zellen werden bei dem vorliegenden Verfahren
synchron über
die ein oder mehreren Vermittlungsstationen übertragen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren erfolgt somit die Übertragung von Information,
d.h. der Daten und Signale, wie in leitungsvermittelnden Netzen,
die Vermittlung in den Vermittlungsstationen jedoch wie in paketvermittelnden
Netzen. Dies ermöglicht
zum einen eine unabhängige Übertragung
von Daten und digitalisierten Signalen in den einzelnen Zellen,
die zudem kurz genug gewählt
werden können,
um eine hohe Aktualisierungsrate der Signale zu gewährleisten.
Zum anderen wird durch die gleichzeitig synchrone Übertragung
der Zellen eine hohe QoS erreicht, wie sie gerade für die Übertragung
von Hardware-Signalen erforderlich ist.
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Das
Verfahren ermöglicht
die Übermittlung sowohl
von echten Hardware-Signalen als auch von Daten über ein echtes Netzwerk. Dieses
Netzwerk lässt
sich sowohl unabhängig
für Daten- oder Signalübertragung
nutzen, als auch als Kombinationsübertragung von Hardware-Signalen
und Daten. Die Anteile an Daten und Signalen können dabei in beliebigen Verhältnissen
vorgegeben werden. Das Verfahren eignet sich für alle Anwendungen, bei denen
Daten und/oder Signale unter harten Echtzeitanforderungen (< 100 μs) über ein
Netzwerk übertragen
werden müssen.
Durch den Einsatz des vorliegenden Verfahrens werden in dem jeweiligen
System einheitliche Schnittstellen sowohl für Signale als auch für Daten
zur Verfügung
gestellt. Auf diese Weise lassen sich Synergien nutzen und damit
die Entwicklungskosten reduzieren. Durch die damit ebenfalls verbundene
Reduzierung der Anzahl von Steckverbindungen werden die Zuverlässigkeit
des Systems erhöht und
die Stückkosten
für die
Herstellung der Systemkomponenten reduziert.
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Das
gemäß der Erfindung
vorgeschlagene Netzwerk für
die Daten- und Signalübertragung
gemäß dem vorliegenden
Verfahren umfasst in bekannter Weise mehrere Endgeräte, die über drahtgebundene
und/oder drahtlose Verbindungen über
ein oder mehrere Vermittlungsstationen miteinander kommunizieren
können.
Die Endgeräte
und Vermittlungsstationen umfassen dabei je weils mehrere Module,
die für
die Synchronisierung, die Generierung von Zellen sowie das Empfangen
und Versenden von Zellen gemäß dem vorliegenden
Verfahren ausgebildet sind.
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Die
digitalisierten Signale werden beim vorliegenden Verfahren vorzugsweise
unabhängig
von der Verbindungsinformation für
die Daten in die Zellen aufgenommen. Dies ermöglicht die Übermittlung digitalisierter
Signale mit jeder einzelnen versendeten Zelle unabhängig von
dem oder den Endgeräten, für die die
Daten in dieser Zelle bestimmt sind. In der Vermittlungsstation
werden dann die digitalisierten Signale in der jeweiligen Zelle,
beispielsweise entsprechend einem Registereintrag in der Vermittlungsstation,
der für
einzelne Bit- oder
Byte-Positionen in dem für
die digitalisierten Signale innerhalb jeder Zelle vorgesehenen Block
die entsprechenden Weiterleitungsziele enthält, weitergeleitet. Hierzu werden
neue Zellen generiert, auf die die ausgelesenen digitalisierten
Signale entsprechend ihrem Weiterleitungsziel neu verteilt werden.
Somit kann ein an einem Port der Vermittlungsstation empfangenes
Signal auf beliebigen Ausgangsports gesendet werden. Die entsprechenden
Register innerhalb der Vermittlungsstationen lassen sich hierbei
vorzugsweise frei konfigurieren. Dies kann ebenfalls über das
Netzwerk erfolgen, so dass eine Programmierung der Vermittlungsstationen
während
des Betriebs möglich
ist.
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Die Übertragung
der Zellen erfolgt vorzugsweise in periodisch wiederkehrenden Frames
mit einer jeweils konstanten Anzahl von Zellen. In den Kopfbereich
jeder Zelle wird dabei eine Information über die Position dieser Zelle
innerhalb des Frames aufgenommen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden
bei der Übertragung zwischen
den Zellen innerhalb eines Frames Füllzeichen eingefügt. Während des
Sendebetriebs der Endgeräte
bzw. Vermittlungsstationen ermitteln diese jeweils eine Abweichung
der Sendezeitpunkte von einem durch die Synchronisation vorgegebenen
globalen Sendezeitpunkt und korrigieren diese Abweichung durch Verändern der
Länge einzelner
Füllzeichen
zwischen den Zellen. Auf diese Weise können Zellverluste bei der Übertragung,
die durch leicht voneinander abweichende lokale Taktfrequenzen der einzelnen
Komponenten des Netzwerkes auftreten könnten, verhindert werden.
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Da
in vielen Fällen
die Länge
einer Zelle nicht für
die Übertragung
mehrerer vollständiger
Signale ausreicht, werden die Bits der Werte ein oder mehrerer digitalisierter
Signale vorzugsweise auf mehrere Zellen innerhalb des Frames verteilt.
Damit kann ein einzelnes Signal bei ausreichender Zelllänge entweder
mit jeder Zelle übertragen
und somit aktualisiert werden oder, insbesondere bei einer Vielzahl
von zu übertragenden
Signalen, auf mehrere, beispielsweise n, aufeinander folgende Zellen
verteilt werden, so dass in diesem Fall eine Aktualisierung nach
jeder n-ten Zelle erfolgt.
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Da
die Verzögerung
zwischen dem Empfang einer Zelle und dem Versenden der darauf basierenden
neuen Zelle(n) innerhalb jeder Komponente des Netzwerkes beim vorliegenden
Verfahren ebenso wie die Laufzeit der Zellen zwischen den unterschiedlichen
Netzwerkomponenten konstant und bekannt ist bzw. vorab ermittelt
werden kann, lassen sich die Sendezeitpunkte der Zellen in den einzelnen
Komponenten so steuern, dass die jeweils neu generierten Zellen
nach deren Erstellung unmittelbar, d.h. ohne größere Verzögerung, versendet werden können. Auf diese
Weise wird zum einen die Übertragungszeit
optimiert und zum anderen die QoS aufgrund der genauen Vorhersagbarkeit
der Übertragungszeit
und der Verweilzeit der einzelnen Daten und Signale in den Netzwerkkomponenten
erreicht.
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Für Verbindungen
zur Daten- und/oder Signalübertragung
zwischen Endgeräten,
für die
eine hohe QoS erforderlich ist, werden ein oder mehrere Zeitschlitze
eines eine feste Anzahl von Zeitschlitzen umfassenden, periodisch
wiederkehrenden Subframes für
die Übertragung
reserviert. Ein Subframe um fasst dabei eine Vielzahl von einzelnen
Frames. Die Zeitschlitze werden beim vorliegenden Verfahren ebenfalls
synchronisiert. Weiterhin besteht die Möglichkeit, in den Vermittlungsstationen
die Zielzeitschlitze anhand der zusätzlichen Verbindungsinformation
der jeweiligen Zelle neu festzulegen. Durch eine Vermittlungsstation
können
Daten zu einem festgelegten Zeitschlitz auf beliebigen Ausgangsports
gesendet werden. Dabei kann die Verbindungskennung, d.h. die Verbindungsinformation,
der jeweiligen Zelle in der Vermittlungsstation geändert werden.
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Die
Zellen beinhalten vorzugsweise einen vom Zellinhalt abhängigen Fehlercode,
anhand dessen ein Empfang fehlerhafter Zellen in der Vermittlungsstation
oder dem Endgerät
erkannt wird. Bei Erkennung einer fehlerhaften Zelle werden die
Werte der digitalisierten Signale, die vollständig oder zum Teil mit dieser
Zelle übertragen
wurden, verworfen. Dies kann beispielsweise durch Setzen der Signalwerte
auf Null erfolgen. Somit werden bei Übertragungsfehlern oder beim
Ausfall von Zellen die davon betroffenen Signale sofort verworfen
bzw. gelöscht und
alle anderen nicht davon betroffenen Signale verbleiben in ihrem
aktuellen Zustand. Dieser Mechanismus kann beim vorliegenden Verfahren
auch an- oder abgeschaltet werden. Zusätzlich wird in der Vermittlungsstation
bei allen ausgehenden Zellen, die Signale der verworfenen Zelle
weiterleiten, vorzugsweise ein Fehlersignal gesetzt.
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Das
vorliegende Verfahren sowie das zugehörige Netzwerk werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen
Schutzbereichs nochmals näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für
den Aufbau eines Netzwerkes zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
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2 ein
Beispiel für
den Aufbau einer Vermittlungsstation beim vorliegenden Netzwerk;
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3 ein
Beispiel für
den Aufbau eines Endgeräts
beim vorliegenden Netzwerk;
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4 ein
Beispiel für
den Aufbau einer Zelle beim vorliegenden Verfahren;
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5 ein
Beispiel für
den Aufbau eines Frames beim vorliegenden Verfahren;
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6 ein
Beispiel für
die Aufteilung digitalisierter Signale auf mehrere Zellen innerhalb
eines Frames;
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7 ein
Beispiel für
die Multiplexierung der Signale in einer Vermittlungsstation;
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8 ein
Beispiel für
die Datenvermittlung in einer Vermittlungsstation; und
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9 ein
Beispiel für
die Anpassung der Länge
der Füllzeichen
zwischen den Zellen eines Frames zur Synchronisierung.
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Das
im folgenden Beispiel erläuterte
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung definiert ein Übertragungsprotokoll
auf Schicht 1 und Schicht 2 des ISO-OSI-Referenzmodells. Die hierbei
gewählte Länge der
einzelnen Zellen sowie deren Einteilung kann selbstverständlich in
Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung auch anders gewählt werden.
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Das
Gesamtsystem aus dem Übertragungsprotokoll
und den Netzwerkkomponenten wird im Folgenden auch als SiDaNet (Signal
Data Network) bezeichnet. Dieses System ermöglicht den kombinierten Transport
von binären
Signalen, Variablen bis zu 32 Bit Länge und Datenpaketen ebenso
wie den Fernzugriff auf Speicherbereiche in den Netzwerkkomponenten über das
gleiche Netzwerk. Alle unterschiedlichen Informationstypen lassen
sich über
das Netzwerk bei vollem QoS übertragen.
Damit lässt sich
dasselbe Netzwerk sowohl für
die Signalübertragung
mit hohen Echtzeitanforderungen als auch für die einfache Datenübertragung
einsetzen.
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In
dem Netzwerk existieren zumindest zwei unterschiedliche Typen von
Netzwerkkomponenten. Ein Endgerät,
auch Device genannt, generiert und konsumiert Datenverkehr, wobei
unter Datenverkehr der gesamte Inhalt von Zellen zu verstehen ist,
d.h auch digitalisierte Signale. Jedes Endgerät hat genau einen Port und
leitet eingehenden Datenverkehr nicht weiter. Vermittlungsstationen,
auch Switch genannt, vermitteln den Datenverkehr. Die Vermittlung
des Datenverkehrs von einem Empfangsport an ein oder mehrere Sendeports
kann während
des Betriebs des Netzwerkes dynamisch konfiguriert werden. Vermittlungsstationen
haben mindestens zwei Ports. Neben diesen beiden Komponententypen
des vorliegenden Netzwerks können
optional auch ein oder mehrere Router vorgesehen sein, die den Datenverkehr
in ein oder mehrere andere Netzwerke übertragen oder von diesen in
das vorliegende Netzwerk einkoppeln. Andere Netzwerke können bspw.
das Ethernet oder ein anderes SiDaNet sein.
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1 zeigt
schematisch ein Beispiel für
den Aufbau eines Netzwerkes mit 7 Endgeräten D1–D7, die über 3 Vermittlungsstationen
S1–S3
miteinander verbunden sind. Die einzelnen Links sind mit L1–L12 bezeichnet.
Die Links können
sowohl drahtlos als auch bspw. über
Draht- oder Faser-Verbindungen realisiert sein. In der 1 ist
auch ein Router R1 dargestellt, der die Verbindung zu einem anderen Netzwerk
N herstellt. Im vorliegenden Beispiel stellt jeder Link eine bidirektionale
Vollduplexverbindung zwischen genau zwei Ports des Netzwerkes her.
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Die
Verwaltung des Datenverkehrs erfolgt Verbindungs-basiert, d. h.,
dass Daten zwischen zwei Endgeräten
nur transportiert werden, nachdem eine Verbindung zwischen den beiden
Endgeräten aufgebaut
ist. Alle Informationstypen, unter denen auch digitalisierte Signale
verstanden werden, werden in Zellen transportiert, die eine konstante
Anzahl von Bytes für
Daten, digitalisierte Signale und die Verbindungsinformation aufweisen.
Dies ermöglicht den
Transport von Mehrfachverbindungen über einen einzigen Link. Die
Vermittlungsstation nutzt die Verbindungsinformation in jeder Zelle
in Verbindung mit Information in einem lokalen Register oder Speicher, um
die Sendeports und QoS-Anforderungen für die Daten und Signale in
einer empfangenen Zelle zu bestimmen.
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Im
vorliegenden Beispiel können
mit dem Verfahren digitalisierte Signale, Variablen und Pakete transportiert
und auf Speicherbereiche zugegriffen werden. Signale sind in jeder
Zelle unabhängig
von der Verbindung, für
die die Zelle eingesetzt wird, enthalten. In jeder Vermittlungsstation
kann jedes empfangene Signalbit jedes Ports mit jedem Bit eines oder
mehrerer Ausgangsports verbunden werden. Diese Möglichkeit wird jedoch vorzugsweise
auf Signalgruppen eingeschränkt.
Jedes Signalbit wird einer Signalgruppe zugeordnet, wobei lediglich
die Signalbits innerhalb einer Signalgruppe in der Vermittlungsstation
vermischt werden können.
Die Gesamtanzahl der Signalbits und ihre Zuordnung zu Signalgruppen werden
in einem Signalprofil festgelegt.
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Variablen
haben im vorliegenden Beispiel eine feste Informationslänge von
4 Bytes, die immer zusammen gehören.
In einer Zelle kann exakt eine Variable übertragen werden. Die Interpretation
der Variable erfolgt über
die Verbindungsinformation, mit der die Variable zwischen den Endgeräten übertragen
wird.
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Pakete
stellen einen Datentyp dar, der keine oder nur eine schwache QoS
erfordert, jedoch eine Vielzahl von Bytes bein haltet. Die Länge eines
Datenpaketes kann zwischen 1 und 2044 Bytes variieren, so dass diese
nicht in einer einzelnen Zelle transportiert werden können. Pakete
werden daher auf mehrere Zellen aufgeteilt und am Zielgerät wieder zusammengesetzt.
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Das
vorliegende Netzwerk ermöglicht
auch Fernzugriffe (Lese- und
Schreibzugriffe) von einem Endgerät auf den Speicher eines anderen
Endgerätes
oder einer Vermittlungsstation. Die Verbindung spezifiziert dann
das Zielgerät
und den Speicherbereich, falls mehr als ein Speicherbereich im Zielgerät existiert.
Für den
Speicherzugriff müssen
Daten in beiden Richtungen übertragen
werden, so dass dieser Datentyp lediglich zwischen exakt zwei Netzwerkomponenten
möglich
ist. Der maximale Adressbereich beträgt 64 KWörter von jeweils 16 Bit. Jeder
Zugriffsprozess auf einen Speicher in einer Richtung wird in einer
Zelle übertragen.
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Der
Aufbau der Komponenten des Netzwerkes wird im Folgenden bzgl. der
unterschiedlichen Schichten des ISO-Referenzschichtmodells beschrieben.
Die Daten-Link-Schicht repräsentiert
die Schicht 2 dieses Modells. Zusätzlich zu den Komponenten der
folgenden beiden Figuren enthält
jede Vermittlungsstation bzw. jedes Endgerät auch eine Verwaltungs-Schnittstelle, über die
die Konfiguration und Überwachung
des Zustandes der einzelnen Komponentenmodule erfolgt. Diese Verwaltungs-Schnittstelle
ist in den Figuren nicht explizit dargestellt.
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2 zeigt
schematisch den Aufbau einer Vermittlungsstation in Bezug auf die
obigen Schichten. Die Daten-Link-Schicht einer Vermittlungsstation enthält ein Signal-Multiplexier-Modul (SMS: Signal Multiplexing
Sublayer), ein Daten-Schalt-Modul (DXS:
Data Switching Sublayer), ein Verkehrsanalyse-Modul (TAS: Traffic Analysis Sublayer),
ein Zellen-Verar beitungs-Modul (CCS: Cell Conditioning Sublayer)
sowie ein Switch-Synchronisations-Modul (SSS: Switch Synchronization
Sublayer). Zusätztlich sind
Schnittstellen zwischen diesen Mo dulen vorgesehen, von denen in
der Figur die Multiplexier-Signal-Schnittstelle
(MSI: Multiplex Signal Interface), die Zellen-Daten-Schnittstelle
(CDI: Cell Data Interface), die Schnittstelle zur physikalischen
Schicht (PLI: Physical Layer Interface) und die Zellen-Synchronisations-Schnittstelle
(CSI: Cell Synchronisation Interface) dargestellt sind. Das Signal-Multiplexier-Modul sowie
das Daten-Schalt-Modul sind in einer Vermittlungsstation mehrfach
vorhanden, einmal für
jeden Port.
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Das
Zellen-Verarbeitungs-Modul hat hauptsächlich die Aufgabe, in Senderichtung
die unterschiedlichen Informationselemente einer Zelle zusammenzusetzen
und in Empfangsrichtung die unterschiedlichen Informationen aus
der Zelle zu extrahieren. Weiterhin überprüft dieses Modul die Integrität der Zelle über den
Fehlercode (Cell Redundancy Code) und steuert den Startzeitpunkt
der Übertragung
einer Zelle, um den synchronen Betrieb des gesamten Netzwerkes zu
gewährleisten.
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Die
Aufgabe des Switch-Synchronisations-Moduls SSS besteht in der Synchronisation
aller Ports der Vermittlungsstation. Das SSS kann in zwei Betriebsweisen
arbeiten, als Master oder als Repeater. Als Master stellt es die
globale Taktreferenz für das
gesamte SiDaNet bereit, in der Repeater-Betriebsweise synchronisiert
es die Vermittlungsstation und alle Netzwerkkomponenten mit der
globalen Taktreferenz, die auf einem Eingangsport vom Master oder
von einem anderen Repeater empfangen wird.
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Das
Signal-Multiplexier-Modul verteilt die Signale jeder Zelle an die
Zielports. Die Verteilungsregeln für jedes Signalbit eines Ports
wird über
die Verwaltungs-Schnittstelle festgelegt. Das Daten-Schalt-Modul
verteilt den Datenteil jeder Zelle an den oder die entsprechenden
Zielports. Die Verteilungsregeln für jede Verbindung eines Ports
werden ebenfalls über
die Verwaltungs-Schnittstelle festgelegt. Das Verkehrs analyse-Modul
dient der Analyse und der Aufzeichnung des ausgehenden und eingehenden
Verkehrs.
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3 zeigt
entsprechend ein Beispiel für den
Aufbau eines Endgeräts
beim vorliegenden Netzwerk. In der Figur ist der Zugriff auf die
höheren Schichten
nur durch die unterbrochenen Pfeile angedeutet und nicht näher ausgeführt, da
dies nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
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Das
in 3 im Aufbau gezeigte Endgerät weist zumindest die folgenden
Module auf. Das Device-Synchronisations-Modul (DSS: Device Synchronization
Sublayer) führt
die Synchronisation der Sendezeit zur Empfangszeit durch, um eine
identische Datenrate in beide Richtungen zu erhalten. Das DSS arbeitet
immer als Slave und wird durch das SSS der Vermittlungsstation auf
der gegenüberliegenden
Seite des Links synchronisiert. Das Signal-Zugriffs-Modul (SAS:
Signal Access Sublayer) steuert den Zugriff der Hardware und Anwendungssoftware
des Endgeräts
auf die Signale. Das Daten-Zugriffs-Modul (DAS: Data Access Sublayer)
steuert den Zugriff der Hardware und Anwendungssoftware des Endgeräts auf die
unterschiedlichen Datentypen: Variablen, Speicher und Paket. Das
Zellen-Verarbeitungs-Modul (CSS) sowie die in der Figur dargestellten
Schnittstellen sind identisch denen der 2 und wurden
bereits in diesem Zusammenhang erläutert.
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Die
in beiden Netzwerkkomponenten vorgesehene Verwaltungs-Schnittstelle ermöglicht die Steuerung
und Diagnose der Daten-Link-Schicht (DLL: Data Link Layer) unabhängig vom
Datenverkehr. Die Schnittstelle weist ein Registerset mit individuellem
Lese- und/oder Schreibzugriff auf. Der Zugriff erfolgt voll synchron
mit dem Systemtakt SysClk.
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Die
Signale und Daten werden im vorliegenden System in einzelnen Zellen übertragen. 4 zeigt
ein Beispiel für
den Aufbau einer derartigen Zelle. Die Zelle setzt sich aus einem
Kopfbereich (2 Bytes), einem Block für die Signale (5 Bytes), einem Block
für die
Daten (4 Bytes) und einem Endbereich (1 Byte) zusammen. Alle Signale
bzw. Signalprofile und Datentypen werden im vorliegenden System
mit der identischen Zellstruktur transportiert. Der Kopfbereich
enthält
hierbei u.a. die Verbindungsinformation DCI (Data Connection Identifier),
auf deren Basis die Zelle zwischen den Endgeräten durch das Netzwerk transportiert
wird, und den Frame-Positionsindikator (FPI: Frame Position Indicator).
Dieser gibt an, ob die Zelle die erste, zweite usw. innerhalb eines
Frames ist. Diese beiden Elemente des Kopfbereiches der Zelle werden
in einer Vermittlungsstation analysiert, um die korrekte Vermittlung
durchzuführen.
Der Ende-zu-Ende-Begrenzer EEB (End-to-End Delimiter) wird in der
Vermittlungsstation nicht interpretiert. Er wird genutzt, um höhere Kontrollfunktionen
für die Datentypen
Speicher und Paket bereitzustellen. Die Protokollversion PV (Protokoll
Version) ermöglicht weitere
Protokollerweiterungen.
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Der
Signalblock enthält
5 Signalbytes Sn, die unabhängig
von der Verbindungsinformation der Zelle transportiert werden. Da
5 Bytes nur die Übertragung
von 40 Bits mit einer Zelle ermöglichen,
können einige
Bytes innerhalb eines Frames gemultiplext werden, um die Gesamtanzahl
der Signalbits zu erhöhen.
Das Multiplex-Schema ist Teil des Signalprofils, auf das später näher eingegangen
wird.
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Der
Datenblock umfasst 4 Byte Daten Dn, die die Information für die Datentypen
Variable, Speicher und Paket transportieren. Die Interpretation
der empfangenen Daten am Zielgerät
erfolgt über
die Verbindungsinformation, die im DCI-Feld im Kopfbereich der Zelle
codiert ist. Der Endbereich umfasst 1 Byte mit dem Fehlercode CC.
Dieser wird über
alle vorangehenden 11 Bytes der Zelle berechnet.
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Für die Übertragung
von mehr als 40 Signalbits in Verbindung mit den QoS-Anforderungen
und dem synchronen Betrieb des Netzwerkes ist es erforderlich, eine
zusätzliche
Struktur oberhalb der Zelle zu definieren, den Frame. Jeweils 8
Zellen werden zu einem Frame zusammengefügt, wobei jede Zelle durch
ein Füllzeichen
ICG (Inter Cell Gap) von der nachfolgenden Zelle beabstandet ist. 5 zeigt
den Aufbau eines derartigen Frames, wobei die einzelnen Zellen mit
dem Frame-Positionsindikator FPI versehen sind. Ein neuer Frame
startet mit der ersten Zelle, die durch einen FPI von 0 gekennzeichnet
ist. Die ICG's werden
dazu genutzt, übertragene
Bytes mit empfangenen Bytes zu synchronisieren, um eine mögliche Differenz
zwischen lokalen Empfangs- und Sende-Oszillatorfrequenzen der beteiligten
Netzwerkkomponenten auszugleichen. Hierzu kann die Länge des
ICG erhöht
oder reduziert werden. Die Länge
dieses ICG variiert abhängig
davon, ob die jeweilige Komponente die globale Taktreferenz für das gesamte
Netzwerk (Sync Master) vorgibt oder aus dem Netzwerk synchronisiert
wird (Sync Slave oder Sync Repeater). Die Länge des ICG beträgt jeweils ein
Vielfaches eines Byte. Ein Sync Master generiert ICGs einer stets
konstanten Länge
von 2 Bytes. Ein Sync Slave oder ein Sync Repeater produziert ICGs mit
einer Länge
von 1, 2 oder 3 Bytes, jeweils abhängig von der momentan erforderlichen
Korrektur der Oszillatorfrequenzen.
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Im
Folgenden wird auf den Signaltransport im Netzwerk näher eingegangen.
Jede Zelle kann 40 Signalbits parallel transportieren. Da in der
Regel mehr als 40 Signalbits für
jeden Port erforderlich sind, werden die Signalbits in Signalgruppen
strukturiert. Die Anzahl unterschiedlicher Signalgruppen, die Anzahl
von Bits innerhalb jeder Gruppe und die Übertragungsrate jeder Gruppe
stellt ein Signalprofil dar. Ein Signalprofil ist für das gesamte
Netzwerk konstant und hat den folgenden Aufbau: SPnn:m-nn:m-...nn:m,
wobei nn die Anzahl der Bits innerhalb der Signalgruppe angibt und
m das Multiplexverhältnis,
für das
Werte von 1, 2, 4 und 8 erlaubt sind. Der Wert von 1 bedeutet, dass
die Signale dieser Signalgruppe innerhalb jeder Zelle übertragen werden.
Beim Wert von 2 wird das Signal in jeder zweiten Zelle, beim Wert
von 4 in jeder vier ten Zelle und beim Wert von 8 in jeder achten
Zelle übertragen.
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Ein
Standardprofil für
das vorliegende SiDaNet ist SP16:1-32:2-32:4. Dieses Profil ermöglicht die Übertragung
von 80 Bit, 16 Bit mit voller, 32 mit halber und 32 mit 1/4 der
Geschwindigkeit. 6 zeigt ein Beispiel für die Aufteilung
der digitalisierten Signale gemäß diesem
Signalprofil. Innerhalb eines Frames wiederholt sich die aus dem
Signalprofil resultierende Zell-Sequenz von 4 Zellen jede vierte
Zelle, da die maximale Multiplexrate bei diesem Signalprofil 4 beträgt. Die
Pfeile zeigen, dass die Signalgruppe 1 (S1) bei jeder Zelle aktualisiert
wird, die Signalgruppe 2 (S2) bei jeder zweiten und die Signalgruppe
3 (53) bei jeder vierten Zelle. Alle drei Signalgruppen zusammen
bilden einen Signalvektor mit einer Länge von 80 Bit.
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Der
Zugriff auf den Signalvektor erfolgt lediglich im Endgerät und wird
durch das Signal-Zugriffs-Modul SAS gesteuert. Auf Basis der Kenntnis über das
aktuelle Signalprofil und den FPI jeder Zelle wird der gesamte Signalvektor
rekonstruiert. In der Senderichtung wird der Signalvektor entsprechend
in die Segmente mit jeweils 40 Bit unter Berücksichtigung des aktuellen
Signalprofils zerlegt und versendet.
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In
einer Vermittlungsstation werden die empfangenen Signale für alle Ports
in die Ausgangssignale für
alle Ports gemultiplext. Die Multiplexierung erfolgt im vorliegenden
Beispiel zur Verringerung des logischen Aufwandes lediglich innerhalb
der jeweiligen Signalgruppe. Dies verhindert, dass ein in Signalgruppe
1 empfangenes Signal in Signalgruppe 2 gesendet werden kann. 7 zeigt
beispielhaft die Multiplexierung der Signale im Signal-Multiplexier-Modul
SMS einer Vermittlungsstation. Das SMS generiert den gesamten Signalvektor
für die
Sende- und Empfangsrichtung für
jeden Port. Aus den empfangenen Zellen wird der Signalvektor über den
Signalvektor-Generator
SVM (Signal Vector Merger) zusammengesetzt. In Sen derichtung erfolgt
die Aufsplittung des Signalvektors in die 40 Bit Segmente für jede Zelle
durch den Signalvektor-Splitter
SVS (Signal Vektor Splitter). Jeder Signalgruppe ist eine Signal-Multiplexier-Matrix
SMM zugeordnet, die die Sendesignalbits einer Signalgruppe für jeden
Port als Funktion aller Eingangssignalbits für dieselbe Signalgruppe erzeugt.
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Die Übermittlung
der Daten wird in einer Vermittlungsstation auf Basis der Verbindungsinformation
DCI der Zelle durchgeführt.
Dies erfolgt durch das Daten-Schalt-Modul DXS. 8 zeigt
ein Beispiel für die
Datenvermittlung innerhalb einer Vermittlungsstation. Die DCI einer
empfangenen Zelle identifiziert die Verbindung und die physikalische
Nummer des Ports. Die Figur zeigt hierzu den Datenfluss von einer empfangenen
Zelle zu einer gesendeten Zelle. Die empfangene Zelle wird über die
Switch-Eingangs-Schnittstelle (SII: Switch Input Interface) empfangen.
Die Signale der Zelle wurden vorher im Zellen-Verarbeitungs-Modul
CCS extrahiert. Zusätzlich zur
Information in der Zelle wird die Information über den Empfangsport durch
die Hardware der Vermittlungsstation geliefert. Als erster Verarbeitungsschritt wird
eine Schalt-Kennzeichnung
aus der Portinformation und dem DCI gebildet. Die Schalt-Kennzeichnung
wird als Adressinformation für
die Schaltdatenbank (SDB: Switching Data Base) genutzt. In obigem Beispiel
wird die DCI von 11 als b0000001011 und der Port 3 als 0b11 codiert.
Dies führt
zu einer Schalt-Kennzeichnung von 0b110000001011 (= 0xC0B). Der
zugehörige
Speicherort in der Vermittlungsstation enthält die folgende Information:
SendDCI
ist identisch der DCI der ausgehenden Zelle. Die Übersetzung
der DCI innerhalb der Vermittlungsstation ermöglicht eine hohe Flexibilität im Systemdesign,
da die DCI nicht einzigartig innerhalb des gesamten Netzwerkes sein
muss.
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TSmask
spezifiziert den Zeitschlitz oder die Zeitschlitze innerhalb des
Frames, die die Übertragung
dieser Zelle erlaubt sind. Die Zuordnung der Zeitschlitze gewährleistet
eine hohe QoS. Im vorliegenden Beispiel umfasst ein Frame 8 Zeitschlitze.
Im obigen Beispiel bedeutet der Wert von 0x00010001, dass die Zeitschlitze
0 und 4 für
den Transport der Zelle genutzt werden können. Der Zeitschlitz einer Zelle
ist als FPI im Kopfbereich der Zelle kodiert.
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SendMask
definiert, auf welchen Ports die Zelle gesendet werden muss. Das
vorliegende System ermöglicht
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
mit einem Zielport oder Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen mit mehr
als einem Zielport. Der Wert von 0x11000001 im obigen Beispiel bedeutet,
dass die Zelle auf den Ports 0, 6 und 7 der Vermittlungsstation gesendet
werden muss. Alle Einträge
in der Schaltdatenbank SDB erfolgen durch die Verwaltungssoftware über den
Verwaltungsport.
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SiDaNet
unterstützt
sowohl Zellen mit QoS als auch Zellen ohne QoS. Die QoS wird realisiert,
indem ein oder mehrere der insgesamt 1024 durch einen Subframe vorgegebenen
Zeitschlitze einer Verbindung zugeordnet werden. Während dieses
Zeitschlitzes bzw. dieser Zeitschlitze ist das Netzwerk für die entsprechende
Verbindung vorrangig reserviert. Für Verbindungen, für die kein
QoS erforderlich ist, können
die verbleibenden Zeitschlitze ohne feste Zuordnung genutzt werden.
Es können
zusätzlich
Zeitschlitze genutzt werden, die für feste Verbindungen reserviert,
jedoch aktuell mit keiner Zelle belegt sind. Für diese Verbindungen kann dann
allerdings keine feste Übertragungszeit
garantiert werden.
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Für die Übertragung
der Signale ist ein statisches Multiplexschema für die einzelnen Signalbits durch
die jeweilige Konfiguration der Netzwerkkomponenten gewährleistet.
Durch diese Konfiguration der Signal-Multiplexier-Module ist der
Platz jedes einzelnen Signalbits in den Zellen gewährleistet,
so dass es nicht vorkommen kann, dass zwei oder mehr Signalbits
zur Besetzung einer Stelle in einer ausgehenden Zelle bereitstehen.
Für die
Signale wird somit die QoS in jedem Falle ge währleistet. Die Bandbreite für die Übertragung
der Daten wird durch das Daten-Zugriffs-Modul (DAS) in den Endgeräten gesteuert.
Dieses Modul enthält
einen Subframe-Zähler,
der in Verbindung mit dem momentanen FPI genau einen der 1024 möglichen
Zeitschlitze festlegt. Eine im Daten-Zugriffs-Modul enthaltene Informationseinheit (TMT:
Tag Memory Transmit) enthält
die Information darüber,
welche Verbindung diesem festgelegten Zeitschlitz zugeordnet ist.
Die Vermittlungsstation hat keinerlei Information über die
Subframes, lediglich über
die Position der jeweiligen Zelle innerhalb des einzelnen Frames.
Diese Information ist innerhalb des FPI codiert, der Teil des Kopfbereiches
der Zelle ist. Die Schaltdatenbank SDB in der Vermittlungsstation
enthält
lediglich die Zuordnung der eingehenden Verbindung zu den ausgehenden
Verbindungen, den ausgehenden Ports und der Position der Zelle innerhalb
des Frames.
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Für die Gewährleistung
einer festen, determinierten und kalkulierbaren Verzögerungszeit
der Übertragung
ist eine hohe Synchronisation der Netzwerkkomponenten erforderlich.
Leicht unterschiedliche Sendefrequenzen der einzelnen Netzwerkkomponenten,
die auf die begrenzte Genauigkeit der für das Timing eingesetzten lokalen
Quarzoszillatoren in den Komponenten zurückgehen, werden mit einer variablen
Framelänge
ausgeglichen. Dies erfolgt über
eine Anpassung der Füllzeichen
(ICG) zwischen den Zellen eines Frames. 9 zeigt
diese Anpassung an einem Beispiel, in dem jeweils ein Frame mit 8
aufeinander folgenden Zellen und den dazwischen liegenden Füllzeichen
dargestellt ist. Der oberste Frame, der vom Sync-Master gesendet wird, enthält Füllzeichen
konstanter Länge
mit jeweils zwei Symbolen, d. h. zwei Bytes. Darunter ist der Frame
eines Sync Slave gezeigt, dessen lokale Oszillatorfrequenz gegenüber der
des Sync Master zu hoch ist. In diesem Falle ist die Übertragung
der 8 Zellen durch den Sync Slave bereits beendet, bevor die achte
Zelle empfangen wurde. Um diese Zeitdifferenz zu überbrücken, wird
am Ende des Frames ein drittes ICG-Byte hinzugefügt. Im umgekehrten Fall einer gegenüber dem
Sync Slave zu langsamen Taktfrequenz wurde die achte Zelle bereits
empfangen, der Sendevorgang läuft
jedoch noch. Zur Verkürzung
der Zeit für
die Übertragung
der ersten Zelle des nächsten
Frames (n + 1) wird in diesem Fall ein ICG-Byte ausgelassen, wie dies im unteren
Teil der Figur gezeigt ist. Das letzte Symbol der Füllzeichen
kann dabei jeweils ein Sync-Symbol darstellen.
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Die
Anpassung der Framelänge
durch Hinzufügen
oder Weglassen eines ICG-Symbols wird im Device-Synchronisations-Modul
DSS oder im Switch-Synchronisations-Modul SSS durchgeführt. Da
die Unterschiede in den Sendefrequenzen aufgrund der begrenzten
Genauigkeit der lokalen Oszillatoren lediglich gering sind, erfolgt
eine Korrektur nur in einigen wenigen Frames bspw. bei etwa jedem hundertsten
Frame.
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Die
Synchronisierung der Netzwerkkomponenten erfolgt über den
Sync Master, der in konstanten Zeitabständen tZelle einen
globalen Sendezeitpunkt (MTM: Master Transmit Moment) und somit
die globale Taktreferenz generiert. Die Vermittlungsstationen, die
als Sync Repeater konfiguriert sind, und die Endgeräte synchronisieren
sich mit diesem globalen Startzeitpunkt. Dies erfolgt über den
Empfang von Zellen des Sync Master. Aus dem Empfangszeitpunkt jeder
Zelle an einer Komponente kann hierbei auf den zugrunde liegenden
Sendezeitpunkt am Sync Master zurückgerechnet werden. Die entsprechenden Übertragungszeiten
zwischen den einzelnen Netzwerkkomponenten sind dabei bekannt und konstant.
Die von dieser Komponente wiederum gesendeten Zellen sind somit
synchronisiert, so dass auch die nachfolgenden Vermittlungsstationen
oder Endgeräte
sich unter Zugrundelegung der jeweils bekannten und in dem jeweiligen
Gerät oder
der jeweiligen Vermittlungsstation hinterlegten Übertragungszeit auf die globalen
Sendezeitpunkte synchronisiert werden können. Die Synchronisation erfolgt
dabei über
die jeweiligen Synchronisationsmodule DSS bzw. SSS. Hierbei wird
im vorliegenden Beispiel nicht auf jede einzelne Zelle synchronisiert,
sondern lediglich auf die erste Zelle jedes Frames. Aufgrund der
im System bekannten Zeitabstände
(tZelle) zwischen den globalen Sendezeitpunkten
können
mit dem Zeittakt des lokalen Oszillators der Komponente die weiteren globalen
Sendezeitpunkte innerhalb eines Frames errechnet werden. Eine Anpassung
bei den bereits weiter oben angeführten leichten Abweichungen
erfolgt dann über
die Länge
der Füllzeichen
zwischen den Zellen. In jedem Falle wird bei dieser Synchronisation
sichergestellt, dass die erste Zelle jedes Frames jeweils genau
zu einem globalen Sendezeitpunkt gesendet wird.
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Neben
dieser Synchronisation der globalen Sendezeitpunkte MTM und damit
verbunden der Zeitschlitze erfolgt auch eine Synchronisation des Subframe-Zählers in
den einzelnen Endgeräten.
Dies wird im vorliegenden Beispiel dadurch realisiert, dass der
Sync Master in jedem 1024sten Zeitschlitz eine Synchronisationszelle
versendet, die den FPI von 0 aufweist. Diese Zelle wird an den Engeräten empfangen
und für
die Synchronisation ihres Subframe-Zählers genutzt.
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Im
vorliegenden Beispiel muss der Abstand tZelle zwischen
zwei aufeinander folgenden globalen Sendezeitpunkten MTM ausreichend
groß sein,
um die komplette Zelle mit 12 Bytes und den zusätzlichen 2 Bytes des ICG über den
schnellsten Link des gesamten Netzwerkes übertragen zu können. Die Übertragungsgeschwindigkeit
des schnellsten Links des Netzwerkes gibt somit das Timing des Netzwerkes
vor. Im vorliegenden Beispiel wird eine Zelllänge tZelle von
112 ns bei einem Link von 1 GBit/s gewählt. Jede Zelle enthält 12 Bytes
bzw. 96 Bits. Jede Zelle wird mit dem ICG von 2 Bytes übertragen.
Insgesamt werden somit mit jeder Zelle 112 Bits übertragen. Mit einer Bitlänge von
1 ns kann eine Zelle jede 112 ns übertragen werden. Der Abstand
der globalen Startzeitpunkte wird somit auf 112 ns gesetzt.
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Eine
weitere wesentliche Vorraussetzung für die Einhaltung der QoS besteht
darin, dass die Übertragungszeiten
zwischen den einzelnen Komponenten genau bekannt sind und bei der
Synchronisation berücksichtigt
werden. Hierbei handelt es sich einerseits um die Übertragungszeiten
auf dem Übertragungsweg
zwischen den Komponenten als auch um die internen Verarbeitungszeiten
in den Komponenten. Diese können
vor der Inbetriebnahme des Netzwerkes genau vermessen werden.