DE10301787B4 - Effiziente unterbrechungsfreie Ersatzschalttechnik in Kommunikationsnetzwerken (1+N Ersatzschaltung) - Google Patents

Abstract

Verfahren zur unterbrechungsfreien Ersatzschaltung in Kommunikationsnetzwerken mit folgenden Schritten:
– Herstellung der Bit- und Rahmensynchronisation der N Arbeitskanäle,
– Erzeugung eines gemeinsamen Parity-Signales aus allen N Arbeitskanälen, das dem Ersatzschaltkanal zugeführt wird,
– Versehen der N Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals mit einem FEC-Kode,
– Übertragung der N Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals über die Übertragungsstrecke,
– Dekodierung der N Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals,
– Erkennen, ob ein Übertragungsfehler durch die FEC nicht mehr korrigiert werden kann,
– Senden einer Anforderung zum Wiederherstellen des Signals an den Ersatzschaltdekodierer,
– Überprüfen im Ersatzschaltdekodierer, ob die restlichen Arbeitskanäle und der Ersatzkanal verfügbar sind,
– Rekonstruieren des gestörten Arbeitskanals aus dem Paritysignal.

Description

• Heutige Kommunikationsnetzwerke nutzen Ersatzschalttechniken, die in Tabelle 1 zusammengefasst sind:

  

1+1 Ersatzschaltung

überträgt das gleiche Signal zweifach. Der Empfänger entscheidet welche Kopie des Signals die bessere Qualität hat und er verwendet dieses. Da der Empfänger selbst entscheidet, welche Kopie des Signals er verwendet, ist diese Ersatzschaltung unterbrechungsfrei. 50% der gesamten Übertragungsbandbreite wird für den Ersatzschaltkanal verwendet.

1:N Ersatzschaltung

stellt für eine Anzahl von N aktiven Arbeitskanälen einen dedizierten Ersatzschaltkanal zur Verfügung. Stellt der Empfänger fest dass einer der N aktiven Arbeitskanäle ausgefallen oder gestört ist, informiert er das Netzwerkmanagementsystem. Das Netzwerkmanagementsystem schaltet im Sender den betroffenen Arbeitskanal auf den Ersatzschaltkanal. Das Sender und Empfänger räumlich getrennt sind, ist diese Ersatzschalttechnik nicht unterbrechungsfrei. Der Aufwand für die Ersatzschaltung ist umgekehrt proportional zur Anzahl der aktiven Arbeitskanäle, die sich einen Ersatzschaltkanal teilen. So werden z.B. bei einer 1:4 Ersatzschaltung insgesamt 5 Kanäle benötigt; der prozentuale Anteil für Ersatzschaltung beträgt 20%, das ist ein Kanal von insgesamt 5 Kanälen. Eine Weiterentwicklung der 1:N Ersatzschaltung ist im Patent JP 11 308 356 A beschrieben. Dieses Verfahren beinhaltet zwar einen Laufzeitausgleich (variable delay) im Ersatzschaltkanal aber benötigt Umschalter sowohl im Sender als auch im Empfänger. Genau dadurch dass im Sender umgeschaltet werden muss bietet dieses Verfahren keine unterbrechungsfreie Ersatzschaltung, obwohl der Umschaltvorgang selbst durch den Laufzeitausgleich keine zusätzlichen Fehler erzeugt.

SDH Ringe

sind im ITU-T G.841 Standard beschrieben. Es gibt unidirektionale und bidirektionale Ringe. Verbreitet sind unidirektionale Pfad geschaltete Ringe (UPSR: undidirectional path switched ring) und bidirektionale Linien geschaltete Ringe (BLSR: bidirectional line switched ring).

• Beim UPSR wird in Bild 1 wird nur im Uhrzeigersinn übertragen. So werden Daten und Sprache von Station 1 zwar direkt an Station 2 übertragen. Daten und Sprache von Station 2 werden über Station 3 und 4 an Station 1 übertragen. Fällt nun z.B. die Übertragung von Station 1 zu Station 2 aus, so schalten die Stationen 1 und 2 ihre Sender direkt auf ihre Empfänger und ein neuer, Ring' schließt sich. Für Ersatzschaltung wird hier ebenfalls 50% der Kapazität benötigt.
• Beim BLSR werden Sprache und Daten permanent in beide Richtungen übertragen. So werden z.B. im BLSR in Bild 2 Daten und Sprache von Station 1 direkt (im Uhrzeigersinn) an Station 2 übertragen. Darüber hinaus werden sie aber auch über Station 4 und Station 3 an Station 2 (gegen den Uhrzeigersinn) übertragen. Der Empfänger (Station 2) verwendet das Signal mit der besseren Qualität. Fällt so z.B. die direkte Übertragung von Station 1 an Station 2 aus, verwendet der Empfänger das Signal dass gegen den Uhrzeigersinn läuft. Für diese Art der Ersatzschaltung wird ebenfalls 50% der Kapazität benötigt. Da der Empfänger direkt entscheiden kann, welches der beiden Signale er verwendet, ist diese Ersatschalttechnik unterbrechungsfrei.
• Ein weiterer Vorteil von SDH Ringen ist, das die Ersatzschaltung auch noch funktioniert, wenn z.B. eine komplette Station ausfällt. Nachteile sind:
• • die Bindung an SDH bzw. das nordamerikanische Äquivalent SONET als Netzwerkprotokoll
• • die vorgegebene Ringtopologie
• • 50% der Bandbreite wird für Ersatzschaltung benötigt
• Die Problematik der hier vorgestellten, heute weit verbreiteten Ersatzschalttechniken ist dass sie entweder:
• • nicht unterbrechungsfrei arbeiten
• • einen hohen Anteil der Bandbreite (50%) für Ersatzschaltung benötigen
• • an bestimmte Netzwerktopologien und Netzwerkprotokolle gebunden sind
• Effiziente unterbrechungsfreie Ersatzschalttechnik (1+N Ersatzschaltung) kombiniert die Effizienz von 1:N Ersatzschaltung mit der Unterbrechungsfreiheit von 1 +1 Ersatzschalttechnik. 1+N Ersatzschalttechnik ist dabei in beliebigen Netzwerktopologien und verschiedenen Netzwerkprotokollen einsetzbar. 1+N Ersatzschaltung arbeitet wie 1+1 und 1:N Ersatzschaltung auf Punkt zu Punkt Verbindungen. Diese Punkt zu Punkt Verbindungen können z.B. ein Segment eines Rings sein oder eine Punkt zu Punkt Verbindung in einem vermaschten Netzwerk.
• Die Effizienz wird dadurch erreicht, dass der Ersatzschaltkanal ein kombinatorisches Signal der N aktiven Arbeitskanäle überträgt. Das bedeutet, dass genau wie bei 1:N Ersatzschaltung 100%/(N+1) der Gesamtübertragungskapazität für Ersatzschaltung benötigt werden. Die Unterbrechungsfreiheit wird dadurch erreicht, dass der Empfänger im Fall eines Ausfalls oder der Störung eines der aktiven Arbeitskanäle diesen direkt zurückgewinnen kann. Diese Zurückgewinnung geschieht mit Hilfe der verbliebenen N–1 aktiven Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals. Da sich bei dieser Methode Übertragungsfehler aller verbliebenen Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals addieren, sind geeignete Fehlerkorrekturmethoden notwendig. Geeignete Fehlerkorrekturmethoden sind z.B. die Forward Error Correction für SDH Signale nach ITU-T G. 707 Standard für STM-64 Signale oder die Forward Error Correction für OTN Signale nach ITU-T G.709 für OTU1, OTU2 und OTU3 Signale.
• Synchronität der aktiven Arbeitskanäle untereinander erlaubt es ein einfaches kombinatorisches Signal aus den zu aktiven Arbeitskanälen zu erzeugen. Aus diesem kombinatorischen Signal, dass über den Ersatzschaltkanal übertragen wird, lässt sich jeder einzelne Arbeitskanal im Falle einer Störung oder eines Ausfalls wiederherstellen. Die Übertragungsrahmen (z.B. STM-64, OTU1/2/3) der aktiven Arbeitskanäle müssen dazu rahmensynchron und bitsynchron zueinander sein. Der Ersatzschaltkanal erhält ebenfalls einen entsprechenden rahmensynchron und bitsynchron Übertragungsrahmen. Dieser setzt sich wie folgt zusammen:
• • Rahmenkennwort (z.B. A1 & A2 Bytes im STM-64 Rahmen, FAS & MFAS im OTU 1/2/3 Rahmen): eigenständiger Übertragungsrahmen entsprechend dem Standard der aktiven Arbeitskanäle
• • Overhead Bytes (z.B. restlicher RSOH und MSOH im STM-64 Rahmen oder restliche bytes im OTU1/2/3 & ODU1/2/3 overhead): eigenständige Overhead Bytes des Ersatzschaltkanals oder kombinatorisches Signal der aktiven Arbeitskanäle.
• • Nutzdaten (payload): kombinatorisches Signal der aktiven Arbeitskanäle.
• Die Synchronität der Arbeitskanäle zueinander wird durch das asynchrone Mappen oder Resynchronisation der verschiedenen Datenströme in zueinander synchrone Übertragungsrahmen (z.B. STM-16/64/256 oder OTU1/2/3) gewährleistet. Der Ersatzschaltkanal wird im 1+N Ersatzschaltkodierer durch eine kombinatorische Kodierung der aktiven Arbeitskanäle und Einfügen in einen eigenständigen Übertragungsrahmen erzeugt.
• Parität (parity) ist eine geeignet einfache kombinatorische Kodierung. Die Parität gibt hier an, ob eine gerade oder ungerade Anzahl von Einsen in der entsprechenden Bitposition übertragen werden. Fallt am Empfänger ein Kanal aus, so kann der 1+N Ersatzschaltkodierer nun Aufgrund der verbliebenen (N–1) Arbeitkanäle und des Ersatzschaltkanals feststellen, welches Bit im ausgefallenen Kanal gesendet wurde.
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• Asynchrones Mappen der verschiedenen Datenströme in zueinander synchrone Übertragungsrahmen (z.B.: OTU1/OTU2/OTU3) oder Resynchronisation der Übertragungsrahmen (z.B.: STM-16/STM-64/STM-256) ermöglicht eine einfache Realisierung des 1+N Ersatzschaltkodierers. Der Ersatzschaltkodierer erzeugt einen eigenen Übertragungsrahmen, in dem die zu schützende Nutzlast der N aktiven Arbeitskanäle als Parität kodiert enthalten ist. Die N aktiven Arbeitskanäle und der Ersatzschaltkanal werden mit einem FEC Kode versehen und über einen Transponder übertragen. Auf der Empfangsseite werden die aktiven Arbeitskanäle und der Ersatzschaltkanal von einem Transponder empfangen. Die FEC Dekodierer erkennen Übertragungsfehler und korrigieren diese soweit möglich. Die Korrekturmöglichkeiten hängen von dem verwendeten FEC Kode ab. So ist z.B. der in ITU-T G. 709 beschriebene Reed-Solomon Kode in der Lage Sequenzen von bis zu 1024 aufeinander folgenden Bitfehlern zu korrigieren.
• Ersatzschaltlogik lässt sich verteilt mit den FEC Dekodierern und dem 1+N Ersatzschaltdekodierer realisieren. Erkennt ein FEC Dekodierer, dass entweder der Übertragungsrahmen verloren wurde oder Übertragungsfehler nicht mehr korrigiert werden können, sendet er eine Anforderung zum Wiederherstellen des Signals an den 1+N Ersatzschaltdekodierer. Der 1+N Ersatzschaltdekodierer überprüft ob die restlichen Arbeitskanäle und der Ersatzschaltkanal verfügbar sind. Ist dies der Fall, wird der verloren gegangene bzw. gestörte Arbeitskanal wieder rekonstruiert und an den asynchronen Demapper oder das Empfangsinterface gesendet. Für den Fall, dass auf der Übertragungsstrecke längere Fehlersequenzen auf einzelnen Arbeitskanälen unabhängig voneinander auftreten, erhöht die 1+N Ersatzschaltung die Fehlerkorrektur der FEC und damit deren Leistungsfähigkeit wesentlich.
• Optische Transport Netzwerke (OTN) nach ITU-T G. 709 eignen sich hervorragend zum Einsatz 1+N Ersatzschaltung. OTN ist heute definiert für 3 verschiedene Übertragungsraten:
• • OTU1 (Optical Transport Unit1): 2,666 Gbit/s
• • OTU2 (Optical Transport Unit2): 10,709 Gbit/s
• • OTU3 (Optical Transport Unit3): 43,018 Gbit/s
• Über OTN können eine Vielzahl von Nutzdaten transportiert werden. Oft verwendete Nutzlastprotokolle sind:
• • SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
• • SONET (Synchronous Optical Network)
• • ATM (Asynchronous Transfer Mode)
• • GFP (Generic Framing Procedure)
• • IP (Internet Protocol)
• • 10 Gigabit Ethernet (für OTU2)
• OTN ist sehr verbreitet in Wellenlängen gemultiplexten (WDM- wavelength division multiplexing) Netzen. Wellenlängen gemultiplext bedeutet, dass mehrere verschiedene Datenströme durch Licht verschiedener Wellenlängen über die gleiche optische Faser übertragen werden. 1+N Ersatzschaltung bietet in Verbindung mit OTN die Möglichkeit für verschiedene Nutzlasten (z.B. SDH, ATM, GFP und IP) eine gemeinsame effiziente unterbrechungsfreie Ersatzschaltung bereit zustellen. Dies ist besonders interessant für ATM, GFP IP und 10 Gigabit Ethernet, da diese selbst keine Ersatzschaltmechanismen vorsehen und mit dem wachsenden Datenaufkommen in Kommunikationsnetzen immer mehr an Bedeutung gewinnen.
• Ein OTN OTUk (Optical Transport Unit k, k = 1,2 oder 3) Signal besteht aus einem Rahmen mit vier Zeilen von je 4080 byte Länge. Die jeweils ersten 17 byte enthalten den Overhead.
• Die letzten 256 Byte jeder Zeile des OTUk Rahmens enthalten die Reed-Solomon Kodewörter zur Korrektur von Übertragungsfehlern.
• Der im 1+N Ersatzschaltkodierer erzeugte OTUk Rahmen des Ersatzschaltkanals enthält ein gültiges Rahmensynchronisationswort (FAS- Frame Alignment Sequence). Das Rahmensynchronwort wird im FEC Dekodierer benötigt um die Übertragungsfehler zu korrigieren und die Reed-Solomon Kodewörter zu entfernen. Das APS/PCC Feld (Automatic Protection Switching/Protection Communication Channel) ist zwar noch nicht definiert (ITU-T G. 709 von Oktober 2001 -,under further study') aber es sollte für den Ersatzschaltkanal die Möglichkeit geben es explizit für diese Kanal zu nutzen, als auch die Möglichkeit geben das APS/PCC des ausgefallenen Arbeitskanals durch Paritätskodierung wiederherzustellen. Die restlichen Bytes des Overheads sind für die Wiedergewinnung eines ausgefallenen Kanals notwendig und müssen deshalb durch Paritätskodierung geschützt werden.
• Der 1+N Ersatzschaltdekodierer kann von den FEC Dekodern der aktiven Arbeitskanäle gesteuert werden. Dabei können ,klassische' Umschaltkriterien, wie zum Beispiel der Verlust des Signals (LOS, Loss of Signal) oder Verlust des Übertragungsrahmens (LOF, Loss of Frame) verwendet werden. Es bietet sich bei 1+N Ersatzschaltung an jedoch schon beim Auftreten von nicht korrigierbaren Übertragungsfehlern umzuschalten. Dies erhöht die Fehlerkorrektur (NCG, Net Coding Gain) der einzelnen FEC Dekoder beträchtlich, sofern die Störungen nicht auf mehreren Arbeitskanälen gleichzeitig auftreten.
• In SDH Netwerken nach ITU-T G. 707 eignet sich besonders STM-16 (Synchronous Transport Module-16), STM-64 und STM-256 wegen der Fehlerkorrekturmöglichkeit durch die FEC bytes im Sektions Overhead (SOH, Section Overhead). Wegen der Fehlerkorrekturmöglichkeit in STM-16, STM-64 und STM-256 ist kein Mappen in einen weiteren Übertragungsrahmen notwendig. Da die Arbeitskanäle auf der Übertragungsstrecke zueinander bitsynchron und rahmensynchron zueinander sein müssen, ist eine Synchronisation notwendig. Dies geschieht durch den AU-Pointer Prozessor. Der AU Pointer (AU, Auxiliary Unit) ist ein Zeiger der den Beginn der AU in dem SDH Rahmen markiert. SDH Rahmen werden durch das Bearbeiten des AU-Pointers bitsynchron und rahmensynchron zueinander.
• Für die aktiven Arbeitskanäle wird das FEC Kodewort in den FEC Kodieren berechnet und das Signal wird über die Transceiver (TR) übertragen. Im Empfänger werden die aktiven Arbeitskanäle vom Transceiver (TR) empfangen. Die FEC Dekodierer korrigieren soweit möglich entstandene Übertragungsfehler.
• Der 1+N Ersatzschaltkodierer erzeugt ein SDH Signal mit gültigem Rahmensynchronisationswort (A1 und A2 Bytes). J0, Z0, B1, B2, E1, E2, F1, D1...D12 der aktiven Arbeitskanäle werden durch Paritätskodierung geschützt. K1 und K2 erhalten die Information über Ersatzschaltung.
• Entsprechen der gesamten Topologie des Netzwerkes und möglicher Ring Ersatzschaltungen sollten K1 und K2 wahlweise für den Ersatzkanal explizit erzeugt werden bzw. die K1 und K2 Bytes der Arbeitskanäle durch Paritätskodierung geschützt werden.
• Die FEC Kodewörter werden für jeden Kanal explizit berechnet und in den Sektions- Overhead (SOH) eingefügt.
• Der 1+N Ersatzschaltdekodierer kann von den FEC Dekodern der aktiven Arbeitskanäle gesteuert werden. Dabei können ,klassische' Umschaltkriterien, wie zum Beispiel der Verlust des Signals (LOS, Loss of Signal) oder Verlust des Übertragungsrahmens (LOF, Loss of Frame) verwendet werden. Es bietet sich bei 1+N Ersatzschaltung an jedoch schon beim Auftreten von nicht korrigierbaren Übertragungsfehlern umzuschalten. Dies erhöht die Fehlerkorrektur (NCG, Net Coding Gain) der einzelnen FEC Dekoder beträchtlich, sofern die Störungen nicht auf mehreren Arbeitskanälen gleichzeitig auftreten.

Claims (1)

1. Verfahren zur unterbrechungsfreien Ersatzschaltung in Kommunikationsnetzwerken mit folgenden Schritten: – Herstellung der Bit- und Rahmensynchronisation der N Arbeitskanäle, – Erzeugung eines gemeinsamen Parity-Signales aus allen N Arbeitskanälen, das dem Ersatzschaltkanal zugeführt wird, – Versehen der N Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals mit einem FEC-Kode, – Übertragung der N Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals über die Übertragungsstrecke, – Dekodierung der N Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals, – Erkennen, ob ein Übertragungsfehler durch die FEC nicht mehr korrigiert werden kann, – Senden einer Anforderung zum Wiederherstellen des Signals an den Ersatzschaltdekodierer, – Überprüfen im Ersatzschaltdekodierer, ob die restlichen Arbeitskanäle und der Ersatzkanal verfügbar sind, – Rekonstruieren des gestörten Arbeitskanals aus dem Paritysignal.