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Auf
dem Gebiet der Telekommunikation umfassen drahtlose Basisstationen
Globalpositionierungssoftware (GPS; GPS = global positioning software),
um sich untereinander zu synchronisieren. Einbau und Wartung von
GPS an jedem Ort ist kostenintensiv. In dicht besiedelten städtischen
Umgebungen ist die Kommunikation zwischen den Orten unter Umständen
aufgrund von hohen Gebäuden und geringer Signalstärke
innerhalb derselben schlecht. Einige Basisstationen umfassen zweckgebundene
Rücktransportzeitsteuerungsschaltungen, die kostenintensiv
sind. Andere Gebiete, die eine verteilte Präzisionszeit
erforderlich machen, umfassen paketvermittelte Telekommunikation
in Stadtbereichen, Steuer-, Test- und Messanwendungen und militärische
Systeme.
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In
den im Vorhergehenden erwähnten Anwendungsbereichen wird
das bestehende Netz, z. B. Ethernet, verwendet, um sowohl Zeitsteuerungszwecken
als auch dem Verkehrstransport Rechnung zu tragen. Um diese Anforderung
zu erfüllen, macht Ethernet eine Zeitsteuerungsrückgewinnung
erforderlich. Zeitsteuerungsprotokolle, wie beispielsweise der IEEE-1588-Standard,
können zur Zeitrückgewinnung implementiert werden.
Zeitsteuerungsungenauigkeiten werden durch Verzögerungen,
Verzögerungsasymmetrien und Jitter (Zittern) von den folgenden netzwerkbezogenen
Quellen eingebracht: physikalische Schichten, Kabel und Netzwerkvorrichtungen, wie
beispielsweise Router, Schalter, Grenztakte mit geringer Genauigkeit
und transparente Takte mit geringer Genauigkeit.
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1 veranschaulicht
ein System des Stands der Technik. Eine Zeitsteuerungsquelle, wie beispielsweise
ein Grandmaster-Takt (übergeordneter Takt), kommuniziert über
eine Reihe von Netzwerkinfrastrukturkomponenten, beispielsweise
Schalter, Router, Verstärker bzw. Repeater oder Grenztakte mit
geringer Genauigkeit mit zwei normalen Takten. In einer effektiven
Implementierung sind diese Standard-Ethernet-Schalter und -Router,
die zum Einrichten einer Netzwerkdatenübertragung für
die anderen gezeigten Vorrichtungen verwendet werden. Diese Vorrichtungen
bringen einen Zeitsteuerungsjitter ein, der die Synchronisationsgenauigkeit
zwischen der Zeitsteuerungsquelle und den normalen Takten verschlechtert.
Bei einem Beispiel sind die normalen Takte Teil von drahtlosen Mikrozellenbasisstationen in
einem großen Bürogebäude. In diesem Fall
bildet das Ethernet den Rücktransport zu dem Basisstationsschalter
zur Datenübertragung. Die Synchronisation wird mit einem
gesonderten und kostenintensiven Zeitverteilungssystem (nicht gezeigt)
erfüllt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine
Vorrichtung und ein System mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 sowie ein
System gemäß Anspruch 10 erfüllt.
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Eine
Zeitsteuerungsbrückenvorrichtung wird verwendet, um unter
Verwendung von herkömmlichen Netzwerkkomponenten eine Grenz-
und Transparenztaktfunktionalität auf denjenigen Netzwerkverknüpfungen,
die eine gute Zeitsteuerungsverteilung erfordern, zu erzielen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Anwendung, die eine Zeitsteuerung erfordert;
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2 ein
Diagramm der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Zeitdiagramm der Brücken;
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4 ein
Blockdiagramm für die Zeitbrückenvorrichtung;
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5 ein
Ausführungsbeispiel der Einbauten der Brückenkomponenten;
und
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6 die
Details für die Nachricht M1, die auf A-1 eingehend und
auf A-2 ausgehend ist.
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Ein
zweckgebundener Zeitsteuerungsweg wird um eine Vorrichtung wie beispielsweise
einen Schalter oder Router herum, die inhärent einen Zeitsteuerungsjitter
in ein Netzwerk einbringt, vorgesehen. Dieser Zeitsteuerungsweg
ist für die Vorrichtung unsichtbar.
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2 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel des zweckgebundenen Zeitsteuerungssystems. In
diesem System ist jedes Netzwerkinfrastrukturelement Nx von
einer Sammlung von Vorrichtungen A, B-x, A überbrückt,
wobei x eine ganze Zahl ist.
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Jede
Brücke überträgt die Zeit, um jeglichen Jitter
in der Vorrichtung zu beseitigen und verbessert somit die Genauigkeit
innerhalb des Systems. Um die Kosten auf einem Minimum zu halten,
können die Brücken lediglich in die Netzwerkwege
zwischen der Zeitsteuerungsquelle und den Vorrichtungen, die eine
gute Zeitsteuerung erfordern, eingebracht werden.
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3 veranschaulicht
ein Zeitdiagramm für eine Zeitsteuerungsbrückenvorrichtung.
Die meisten auf einem Netzwerk basierenden Synchronisationsprotokolle
tauschen Zeitsteuerungsnachrichten zwischen zumindest zwei Takten
aus. Im Allgemeinen weisen die Zeitsteuerungsprotokolle ähnliche
Prinzipien mit geringfügigen Unterschieden in der Implementierung
auf. Um das Verständnis zu erleichtern, wird in diesem
Beispiel IEEE 1588 verwendet.
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Ein
Master sendet eine Nachricht M1, z. B. Sync, an den Slawe. Sowohl
der Master als auch der Slawe versehen die Nachricht so nahe bei
der Netzwerkschnittstelle wie möglich mit einem Zeitstempel (t1
und t2). Der bei dem Master erzeugte Zeitstempel (t1) wird als ein
Feld in der Sync-Nachricht oder in einer nichtzeitkritischen Nachricht
M2, beispielsweise Follow Up, an den Slawe gesendet. Dieser Prozess wird
umgekehrt, indem der Slawe eine Nachricht M3, beispielsweise Delay
Req, an den Master sendet. Sowohl der Master als auch der Slawe
versehen die Nachricht so nahe wie möglich bei der Netzwerkschnittstelle
mit einem Zeitstempel, t3 und t4. Der bei dem Master erzeugte Zeitstempel,
t4, wird in einer nichtzeitkritischen Nachricht M4, beispielsweise
Delay Resp, an den Slawe gesendet. Sobald der Slawe im Besitz aller
vier Zeitstempel t1, t2, t3 und t4 ist, kann er die durchschnittliche
Ausbreitungszeit (t-ms + t-sm)/2 und den Taktversatz berechnen.
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Die
zeitgesteuerten Nachrichten, M1 und M3, durchlaufen einen Schalter,
der eine variable Verzögerung (Jitter) umfasst, die eine
Unsicherheit in die Berechnung von Verzögerung und Versatz
einbringt.
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Diese
Verzögerung wird durch die Zeitbrückenvorrichtung,
die in 2 gezeigt ist und in 4 ausführlicher
gezeigt ist, beseitigt. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Infrastrukturvorrichtung
ein Schalter, Router oder Repeater. In 4 ist lediglich
ein entsprechender Abschnitt des ursprünglichen Systems gezeigt.
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Der
Weg von dem Grandmaster-Takt zu einem normalen Takt, Takt 1, ist
beschrieben. Auf der aufwärtsgerichteten Seite des Schalters,
z. B. der Seite zu dem Grandmaster hin, kommt eine Nachricht M1
an, die einen Zeitstempel t1 enthält. Diese Nachricht wird
bei Eingang mit einem Zeitstempel (tbm1-1) versehen, beispielsweise
wird der Zeitpunkt, zu dem das Paket in diese Vorrichtung eingetreten
ist, auf dem Innenzeitgebertakt B-2 der Brücke gelesen.
Die Nachricht durchläuft den Schalter und an der „A"-Ausgabeeinheit,
die zu dem normalen Takt hin gerichtet ist, wird basierend auf dem
Zeitgeber B-2 der Zeitstempel (tbm4-2) erzeugt. Die tatsächliche
durch M1 erfahrene Verzögerung in dem Schalter t1d = (tbm1-2) – (tbm1-1),
wie es veranschaulicht ist. Dieser Wert wird dem Zeitstempel t1
oder einem in M1 enthaltenen Korrekturfeld hinzugefügt,
wenn sie die Brücke verlässt. Ein ähnlicher
Prozess findet für M3-Nachrichten statt, die von normalen
Takten zu dem Grandmaster gehen. Das Nettoergebnis ist, dass die
Empfänger von Zeitsteuerungsnachrichten, z. B. ein Mastertakt
in dem Fall von M3 und ein Slave in dem Fall von M1, auch Informationen
empfangen, die die Korrektur der Zeitstempel für die Zeit,
die die Nachrichten in dem Schalter verbringen, ermöglichen.
Dies beseitigt wirksam den Zeitsteuerungsjitter.
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5 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel der Einbauten der Brückenkomponenten.
Die Zeitsteuerungseinheit „B" enthält einen Zeitgeber,
einen freilaufenden oder möglicherweise auf eine bestimmte
Frequenz abgestimmten Takt. Sämtliche „A"-Einheiten
haben zeitkalibrierte Zugangswege zu diesen Zeitgeber, so dass dann,
wenn ein Zeitsteuerungspaket von einem der Paketerkenner erfasst wird,
ein geeigneter Zeitstempel erzeugt werden kann. Diese Zeitstempel
werden verwendet, um die Verzögerungs- oder Verweilzeit
einer Zeitsteuerungsnachricht in dem Schalter zu berechnen, und diese
Korrekturwerte aus sämtlichen Schaltern in dem Weg werden
von dem Slave verwendet, um die von dem Master empfangenen Zeitstempel
zu korrigieren. Es ist wichtig, dass sämtliche Vorrichtungen dieselbe
Kalibrierung der Sekunde, bis zu der erforderlichen Genauigkeit,
wie der Grandmaster gemeinschaftlich verwenden.
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Da
die Oszillatoren, die derartige Zeitgeber antreiben, und der Grandmaster-Takt
selbst in der Regel eine Genauigkeit von 0,01% aufweisen, kann der
Fehler beim Berechnen einer Verweilzeit in dem Schalter bis zu 0,02%
betragen. Wenn dies verglichen mit der erforderlichen Genauigkeit
wesentlich ist, wird der B-Einheit zur Ermöglichung einer
Abstimmung mit dem Grandmaster eine zusätzliche Funktionalität
hinzugefügt, indem z. B. die Frequenz so eingestellt wird,
dass der Fehler kleiner als 0,02% ist. Dies geschieht basierend
darauf, dass die B-Einheit die tatsächliche Nachricht M1
empfängt und diese Informationen im Zeitablauf verwendet,
um die Zeitgeberrate einzustellen. Falls erforderlich, werden diese Informationen
durch eine beliebige A-Einheit, die eine M1-Nachricht empfängt,
aufgenommen und über den gepunkteten Kanal zu den Steuerschaltungen
der B-Einheiten übertragen. Zur Veranschaulichung ist,
wenn die Verweilzeit 1 ms ist und die Oszillatorfehlanpassung 0,02%
ist, der Fehler beim Messen der Verweilzeit 200 ns, was für
hochgenaue Anwendungen unannehmbar ist. Für Genauigkeiten von
mehreren Mikrosekunden kann dies jedoch zufriedenstellend sein.
Ein Abstimmen, dahingehend, einen Oszillator mit 0,00002% (Zeitgeberfehlanpassung)
zu versehen, verringert die Ungenauigkeit auf 0,2 ns. In diesem
Fall müssen die Paketerkenner den Empfangszeitstempel für
M1-Nachrichten und den durch den Grandmaster eingefügten
Zeitstempel (t1) liefern oder die gesamte Nachricht an die B-2-Steuerschaltungen
weitergeben, wo sie extrahiert werden kann.
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Geeignete
Paketerkenner, wie sie in dem
US-Patent
Nr. 5,566,180 offenbart sind, können zwischen
M1- und M3-Nachrichten unterscheiden. Wenn eine M1- oder M3-Nachricht
erfasst wird, macht der Paketerkenner eine Momentaufnahme des B-2-Zeitgebers
und gibt diese Informationen wie folgt an die korrekte Stelle weiter:
- • Für eine eingehende M1-
oder M3-Nachricht werden die Zeitstempel zu allen weiteren A-Einheiten
geliefert.
- • Für eine ausgehende M1- oder M3-Nachricht wird
der Zeitstempel zu dem Addierer in derselben A-Einheit geliefert.
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Für
eine ausgehende M-Nachricht auf einer A-Einheit wird der lokale
Ausgangszeitstempel in die Plus-Seite des Addierers gespeist, wohingegen
der von der A-Einheit empfangene Zeitstempel, der dieselbe Nachricht
auf der Eingangsseite erfasst hat, in die Minus-Seite eingespeist
wird. Der Unterschied wird in die ausgehende M-Nachricht eingefügt.
Die erforderlichen Korrekturen an CRCs (CRC = cyclic redundancy
check = zyklische Blockprüfung) werden vorgenommen, wenn
das Paket die A-Einheit als Teil des Einfügungsprozesses
verlässt. Zur Veranschaulichung kann, bei IEEE 1588, der
Einfügungsprozess zwischen der physikalischen Schicht (PHY)
und der Medienzugangssteuerschicht (MAC; MAC = media access control
layer) vorgenommen werden.
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Zum
Zuordnen der Eingangs- und Ausgangszeitstempel zu derselben Nachricht
kann eines der Folgenden vorgenommen werden:
- • Die
Eingangszeitstempel plus ausreichend weitere Daten werden, um diesen
Zeitstempel korrekt dem Ausgangspaket auf den dazugehörigen A-Einheiten
zuzuordnen, über einen Kanal, der über die Steuerung
in der B-Einheit, die durch die Strichlinien in 5 dargestellt
ist, die A-Einheiten verbindet, an die dazugehörigen Einheiten übergeben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel findet die einzige während
des Betriebs stattfindende Modifikation der Zeitsteuerungspakete
in der A-Ausgabeeinheit statt, wie es in 5 veranschaulicht
ist.
- • Der Eingangszeitstempel wird durch die A-Eingabeeinheit
von einem bezeichneten Feld oder Teil eines speziellen „Erweiterungs"-Felds,
das bereits in dem Zeitsteuerungspaket vorliegt, abgezogen. Der
ausgehende Zeitstempel wird durch die A-Ausgabeeinheit dem Korrekturfeld
hinzugefügt, wodurch die Differenz erzeugt wird. Bei IEEE 1588
V2 ist dieses bezeichnete Feld das „Korrekturfeld". Die
zusätzlichen diesbezüglichen Funktionen der A-Einheit
auf der Eingangsseite sind in 6 gezeigt. 6 zeigt
die Details für die M1-Nachricht, die auf A-1 eingehend
und auf A-2 ausgehend ist. Alternativ kann der in der Nachricht
enthaltende Zeitstempel korrigiert werden.
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Die
Slaves, die die Zeitsteuerungspakete empfangen, müssen
wissen, welche der im Vorhergehenden genannten Varianten verwendet
wird. Wenn beispielsweise die Verweilzeitkorrekturen, die durch
die A-Einheiten in aufwärtsgerichteten Schaltern berechnet
worden sind, in die Zeitsteuerungsnachrichtzeitstempel aufgenommen
worden sind, muss der Slave keine zusätzliche Verarbeitung durchführen,
die über das hinausgeht, was durch das normale Protokoll,
das in der Erörterung der 3 beschrieben
ist, impliziert ist. Wenn die Verweilzeitkorrekturen in einem Korrekturfeld
angesammelt worden sind, muss diese angesammelte Korrektur, egal
ob sie systemeigen in dem Paket enthalten ist oder Teil eines speziellen
Erweiterungsfelds ist, durch den Slave dem Zeitstempel geeignet
hinzugefügt werden. In der Praxis sollte die Vorrichtung
der Erfindung, wenn sie die Korrektur in den Zeitstempel aufnimmt,
das Korrekturfeld nicht modifizieren und umgekehrt. Wenn dies vorgenommen
wird, kann der Slave einfach den Korrekturfeldzeitstempel addieren und
erhält stets die korrekten Ergebnisse.
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Die
im vorhergehenden aufgeführte Beschreibung ist für
Schalter, Repeater und Router geeignet.
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Um
die Genauigkeit von Grenztakten zu verbessern, muss der Grenztakt
so beschaffen sein, dass er für die korrigierten Pakete
wie ein normaler Schalter erscheint. Gleichzeitig muss der Grenztakt Zeitsteuerungspakete
zur Verwendung auf anderen Ports, die die Korrekturen hinsichtlich
einer höheren Genauigkeit nicht benötigen, empfangen.
Dies kann durch Betreiben von zwei von dem Grandmaster-Takt unabhängigen
Zeitbasen durchgeführt werden. Eine Zeitbasis wird von
den Komponenten mit geringer Genauigkeit, d. h. Grenztakten und
normalen Takten, verwendet, wohingegen die andere die Zeitsteuerungsbrückenvorrichtung
verwendet, um die Grenztakte zu umgehen. Die Slaves, die eine hohe
Genauigkeit erfordern, verwenden die Zeitbasis mit hoher Genauigkeit.
Der Grandmaster-Takt stellt sicher, dass beide Zeitbasen synchronisiert
sind, indem er das Protokoll außerhalb eines gemeinsamen
Takts ablaufen lässt.
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Der
Grenztakt muss der zweiten Zeitbasis wie ein normaler Schalter erscheinen.
Die A-Eingabeeinheit ändert ein geeignetes Merkmal des
Pakets, während sie die folgenden Kriterien erfüllt:
- • Es erscheint nicht länger
als ein Zeitsteuerungspaket.
- • Dieselbe „Netzverbindungsadressierung" wird aufrechterhalten,
so dass es durch die Schalterfunktion des Grenztakts korrekt geleitet
wird.
- • Es wird durch die A-Ausgabeeinheit als ein Zeitsteuerungspaket
erkannt.
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Die
A-Ausgabeeinheiten stellen dann das modifizierte Merkmal wieder
her. Bei IEEE 1588 auf der Ethernet-Schicht 2 würden die
Gruppen-Ethernet-Adressen nicht modifiziert werden, jedoch könnte der
Schicht-2-Ethertyp, der IEEE 1588 zugewiesen ist, zu einem anderen
Ethertyp geändert werden, der diesem Zeck zugewiesen ist.
Der Grenztakt würde das erste als 1588 erkennen, würde
jedoch das zweite als ein Nicht-1588-Paket behandeln, d. h. als
ein normaler Schalter erscheinen. Auf der Internetprotokollstufe
(IP-Stufe) könnte dasselbe mit untersdhiedlichen Portnummern
durchgeführt werden, d. h. indem die 1588 zugewiesenen
Zahlen 319 und 320 in andere Zahlen umgesetzt würden, die
dieser Technik zugewiesen sind. Wenn die Grenztakte so entworfen sind,
dass sie ein gewisses protokollspezifisches „Umfangsfestlegungs"-Feld
(„Scoping"-Feld), beispielsweise ein IEEE-1588-„Unterbereichs”-Feld,
ignorieren dann kann dieselbe Technik angewendet werden.
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Alternativ
kann die Zeitbrückenvorrichtung so entworfen sein, dass
sie lediglich auf die zweite Zeitbasis anspricht, wobei die zweite
Zeitbasis derart ausgewählt ist, dass die Grenztakte die
Pakete nicht als Zeitsteuerungspakete syntaktisch analysieren, sondern
lediglich als ein Schalter wirksam sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
muss der normale Takt, der diese hochgenauen Pakete empfängt,
ebenfalls lediglich die zweite Zeitbasis erkennen.
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Die
Zeitsteuerungsbrückenvorrichtung macht es erforderlich,
dass die implementierten Wege dahin gehendentworfen sind zu gewährleisten, dass
es keine Schleifen gibt und der Grandmaster-Takt von allen Slaves,
die den Dienst benötigen, aus sichtbar ist. Ferner weist
der Grandmaster-Takt die Fähigkeit auf, die Anzahl von
Slaves, die den Dienst nutzen, zu unterstützen. Grenztakte,
wie sie durch IEEE 1588 beschrieben sind, beseitigen diese Schleifen
und begrenzen die Lasten auf einem beliebigen gegebenen Mastertakt.
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Auch
wenn die A- und B-Einheiten als getrennte Komponenten beschrieben
worden sind, die über Drähte miteinander verknüpft
sind, ist es auch möglich, dass sämtliche A-Einheiten
und B-Einheiten in einem einzigen Kasten, einer einzigen integrierten Schaltung
oder einem einzigen feldprogrammierbaren Gatearray implementiert
sind. Die integrierten Lösungen erlauben ein besseres Zeitsteuerungsverhalten
durch Minimieren der Entfernung und der Kalibrierung, die zwischen
dem Zeitgeber in der B-Einheit und den Paketerkennern in den A-Einheiten
benötigt werden. Ein Anordnen sämtlicher A-Einheiten
in einer einzigen Vorrichtung erfordert kurze Kabel von der Schaltseite
der A-Einheiten (der Seite mit dem dunklen Band in den Figuren)
zu dem Schalter selbst. Da diese Kabel zwischen zwei A-Einheiten
erscheinen, sind ihre Verzögerungen von Verzöge rungen
in dem Schalter selbst ununterscheidbar und können wie
beschrieben korrigiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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