DE10309089A1 - Übertragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung - Google Patents

Übertragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung Download PDF

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Abstract

Bitfehlerfreie Ersatzschaltung läßt sich durch den Einsatz von Forward Error Correction (FEC) erreichen. FEC Decoder können Übertragungsfehler in Echtzeit erkennen und korrigieren. Übertragungsfehler, die zwar erkannt aber nicht korrigiert werden können, lassen sich durch Ersatzschaltung ausblenden. Dazu wird einem Arbeitskanal oder mehreren Arbeitskanälen ein Ersatzschaltkanal zur Verfügung gestellt. DOLLAR A Auf der Sendeseite überträgt die FEC mit den Nutzdaten (payload) einen Kode, der es erlaubt, Übertragungsfehler zu erkennen und zu korrigieren. Treten nun nichtkorrigierbare Übertragungsfehler auf einem Kanal auf, die unabhängig von den Übertragungsfehlern in den restlichen Kanälen sind, so kann dieser Übertragungsfehler durch Umschalten auf den Ersatzschaltkanal bzw. Wiederherstellung dieses Kanals aus den übrigen Kanälen ausgeblendet werden. Zum Net Coding Gain (NCG) der FEC tritt dadurch ein zusätzlicher Net Protection Gain (NPG) auf. DOLLAR A Übertragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung läßt auf beliebigen Netzwerktopologien, wie Punkt-zu-Punkt Verbindungen, optische Ringe und vermaschte optische Netzwerke anwenden. Die in vermaschten Netzen und Ringen auftretenden Laufzeitunterschiede können kompensiert werden. Auch bei möglicher Änderung der Laufzeitunterschiede in vermaschten Netzen und Ringen treten keine Bitfehler auf.

Description

  • Heufige Netzwerke bieten unterbrechungsfreie Ersatzschalttechnik (hitless protection switching) nach den SDH/SONET Standards. Unterbrechungsfrei bedeutet hier, daß beim Auftreten von Fehlern innerhalb 50ms auf den Ersatzschaltkanal umgeschaltet wird.
  • 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 neue "Ring" schließt sich.
  • 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. Da der Empfänger direkt entscheiden kann, welches der beiden Signale er verwendet, ist diese Ersatzschalttechnik unterbrechungsfrei. Unterbrechungsfrei bedeutet hier, daß der Umschaltvorgang auf den Ersatzkanal innerhalb von 50ms nach Auftreten des Fehlers abgeschlossen sein muß. Abhängig von dem Umschaltkriterium kann jedoch wesentlich schneller umgeschaltet werden. Bei einfachen Bitfehlern, die durch 81 und 82 Bytes im Regenerator- (RSOH) bzw. Multiplex Section Overhead (MSOH) überwacht werden, kann ein Fehler schon im nächsten Übertragungsrahmen (frame) detektiert werden. Vom Auftreten des Fehlers bis zum Entdecken vergeht so maximal eine Rahmenperiode von 125μs. Bei Verlust des Übertragungsrahmens, der durch Loss of frame (LOF) oder Out of frame (OOF) detektiert wird, vergehen mindestens 4 Übertragungsrahmen (500μs). Während dieser Zeit werden alle empfangene Fehler weitergegeben.
  • Neben dem SDH/SONET Ringen werden auch 1 + 1 und 1:N Ersatzschaltungen auf SDH/Sonet Ebene genutzt.
  • 1 + 1 Ersatzschaltung oder Sub-network connection protection (SNCP) verwendet das gleiche Signal zweifach. Der Empfänger entscheidet welche Kopie des Signals die bessere Qualität hat und er verwendet dieses. Da der Empfänger die Entscheidung selbst treffen kann, ist diese Ersatzschaltung unterbrechungsfrei. Unterbrechungsfrei bedeutet hier ebenfalls, daß der Umschaltvorgang auf den Ersatzkanal innerhalb von 50ms nach Auftreten des Fehlers abgeschlossen sein muß. Abhängig von dem Umschaltkriterium kann jedoch wesentlich schneller umgeschaltet werden. Bis zum Detektieren des Fehlers (z.B. Bitfehler oder Übertragungsrahmenverlust) werden alle empfangenen Fehler weitergegeben.
  • 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 betroffene Arbeitskanal auf den Ersatzschaltkanal. Da 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 r. 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.
  • In optischen Netzwerken gibt es weiterhin nicht unterbrechungsfreie Ersatzschalttechnik auf den in ITU-T G. 709 beschriebenen Ebenen Optical Multiplex Section Layer (OMS, Bild 3) und Optical Channel Layer (Och, Bild 4).
  • Bei der 1+1 Ersatzschaltung auf OMS Ebene werden alle Wellenlängen in einem System gemeinsam geschaltet, während sie beim 1 + 1 Ersatzschatten auf OCh Ebene getrennt geschaltet werden.
  • Auf OMS und OCH Ebene gibt es auch gemeinsam genutzte Ersatzschaltringe (Shared Protection Ring, SPR). Bei dieser Ersatzschaltfechnik wird durch ein zusätzliches Faserpaar ein geschlossener Ersatzschaltung gebildet. Fällt nun ein Teil des Rings aus, z.B. durch Riß der Faser, (in Bild 5 zwischen Netzwerkelement 3 und 4), so wird durch Umschalten auf die Ersatzschaltfaser ein neuer Ring gebildet.
  • Bei vermaschten Netzwerken kann ein Ersatzschaltung der durch alle Netzwerkelemente (mesh profection) läuft alle Verbindungen in der Masche schützen (Bild 6).
  • Ersatzschaltung auf OMS bzw. auf OCh Ebene ist nicht bitfehlerfrei, da erst bei Ausfall bzw. Störung eines Signals umgeschaltet wird. Sie schützen vor Schäden der Faser, nicht aber vor Schäden des Senders bzw. des Empfängers. Die empfangenen Fehler werden weitergegeben. Maschenersatzschaltung und SPR auf OCh bzw. OMS Ebene können zu größeren Änderung der Laufzeiten des Signals beim Umschalten führen.
  • Allen diesen Ersatzschalttechniken ist gemeinsam, daß sie:
    • – eine gewisse Zeit benötigen bis Fehler entdeckt werden, die den Umschaltvorgang auslösen
    • – die entstandenen Fehler weitergeben. Das heißt dass das nächst höhere Protokoll (z.B. ATM über SDH) oder das nächste Netzwerkelement die Fehler bekommt.
  • Übertragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung
  • Bitfehlerfreie Ersatzschaltung muß Fehler erkennen, bevor sie weitergegeben werden. Der Umschaltvorgang muß ebenfalls vor dem Weitergeben der Fehler erfolgen. Beim Umschalten selbst dürfen natürlich auch keine Fehler auftreten. Dies ist möglich durch den Einsatz einer Forward Error Correction (FEC).
  • Eine FEC übertragt mit den Nutzdaten (payload) einen Kode der es erlaubt Übertragungsfehler zu erkennen und zu korrigieren. Treten nun nichtkorrigierbare Übertragungsfehler auf einem Kanal auf, die unabhängig von den Übertragungsfehlern in den restlichen Kanälen sind, so kann dieser Übertragungsfehler durch Umschalten auf den Ersatzschaltkanal bzw. Wiederherstellung dieses Kanals aus den übrigen Kanälen ausgeblendet werden.
  • Die folgenden Anwendungen zeigen, wie Überfragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung auf optischen Ringen, Punkt-zu-Punkt Verbindungen und vermaschten optischen Netzwerken angewendet werden kann.
  • Fehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung in optischen Ringen
  • Auf der Senderseite wird ein beliebiges Signal (SDH/Sonet, Ethernet, ATM etc.) in einen FEC Kodierer eingespeist. Es wird ein Übertragungsrahmen gebildet ( z.B. nach ITU-T G. 709 ein OTUk Rahmen) in dem sich das eingespeiste Signal als Nutzlast befindet, ein Rahmenkennwort, zusätzliche Informationen (Overhead) und sowie ein FEC Kode. Das so kodierte Signal wird nun im Ring über 2 Sender (TX) in unterschiedlichen Richtungen, ähnlich einem SDH/SONET BLSR an die Empfänger (RX) übertragen (Bild 7).
  • Da die Laufzeiten durch den Ring für beide Signale in der Regel unterschiedlich sind, muß ein Laufzeitausgleich geschehen. Der Laufzeitausgleich verzögert das Signal mit der kürzeren Laufzeit, so daß beide Kopien des gesendeten Signals synchron in die FEC Dekodierer gespeist werden. Die Synchronisation der beiden Signale ist in Bild 8 gezeigt. Im ersten Schritt werden die Rahmensequenzen verglichen. In diesem Beispiel ist das Signal mit der kürzeren Laufzeit schon bei Rahmen 7, während das Signal mit der längeren Laufzeit erst bei Rahmen 4 ist. Das Signal mit der kürzeren Laufzeit wird daraufhin gespeichert. Sobald nun Rahmensequenz des Signals mit der längeren Übertragungszeit den ersten gespeicherten Rahmen erreicht hat, wird aus dem Speicher gelesen, beide Signale sind synchronisiert.
  • Fällt nun eines der beiden Signale aus, und kommt später mit der gleichen Laufzeit wieder, so läuft der Laufzeitausgleich wie im Bild 9 gezeigt fehlerfrei weiter Hier ist nun das linke Signal schneller und wird gespeichert und aus dem Speicher gelesen. Fällt nun ein Signal aus (Loss of frame – LOF), dann werden die Schreib- und Lesezeiger mit dem Takt des verbleibenden Signals weiterbewegt. Kommt nun das Signal mit der gleichen Laufzeit wieder, kann es wieder aus dem Speicher gelesen und verwendet werden. Der Laufzeitausgleich ist wieder synchronisiert.
  • Gibt es in dem optischen Ring auf OMS oder OCh Ebene Ersatzschaltung, die Laufzeiten verändern kann, wie z.B. SPR, so müssen beide Signale gespeichert werden, damit beim Umschalten auf OMS Ebene die Fehler auf der FEC Ebene ausgeblendet werden können. Erkennt nun einer der beiden FEC Dekodierer nichtkorrigierbare Übertragungsfehler, während der andere FEC Dekodierer ein Signal ohne Übertragungsfehler bzw. mit korrigierbaren Übertragungsfehlern erhält, werden die nichtkorrigierbaren Übertragungsfehler durch Umschalten auf das andere Signal ausgeblendet.
  • Die Resynchronistionsmechanismen bei Veränderung der Laufzeiten sind in Bild 10 und 11 dargestellt. Bei Ausfall eines Signals werden Lese- und Schreibzeiger des ausgefallenen Signals weiter laufen gelassen. Sobald das Signal, das ausgefallen war wieder vorhanden ist werden die Rahmensequenzen verglichen. Bei Laufzeitverlängerung wird die Resynchronisation durch Sprung auf den entsprechenden Rahmen erreicht, bei Laufzeitverkürzung wird der Lesezeiger angehalten. Sobald die Rahmensequenzen gleich sind ist der Laufzeitausgleich wieder synchronisiert.
  • Die Überfragungsfehlerreduktion läßt sich ähnlich der Fehlerreduktion in FECs ausdrücken. In FECs wird die Übertragungsfehlerreduktion üblich in Net Coding Gain (NCG) angegeben.
  • Der NCG berechnet sich wie folgt: NCG = Q(BERout) – Q(BERin) – 10log(1 + overhead(in %))
  • Für Übertragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung läßt sich ein Net Protection Gain (NPG) läßt sich analog definieren: NPG = Q(BERout protected) – Q(BERout unprotected)
  • Der Systemgewinn (System Gain, SG) ist die Summe von NCG und NPG.
  • Für die folgende Abschätzung gelten diese Vorraussetzungen:
    • – der verwendete FEC Algorithmus kann praktisch alle Übertragungsfehler erkennen, dies ist z.B. im nach ITU-T G.709 verwendeten Reed-Solomon RS(255,239) Algorithmus der Fall
    • – beide Übertragungsstrecken sind unabhängig, daher ist die Wahrscheinlichkeit, daß nichtkorrigierbare Übertragungsfehler auf beiden Übertragungsstrecken gleichzeitig auftrete gleich dem Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten (bit error rate out, BERout)
    • – das zweidimensionale Feld der Einzelwahrscheinlichkeiten (bit error rate out, BERout) wird auf eine eindimensionale Funktion mit gleichen Einzelwahrscheinlichkeiten reduziert um den NCG einfacher ausdrücken zu können
      Figure 00040001
      Tabelle 1: Übertragungsfehlerreduktion in optischen Ringen
  • Fehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung auf Punkt zu Punkt Verbindungen Im Gegensatz zu Ringen, wo man durch verschiedene Übertragungswege einem kompletten Ausfall eines Übertragungsweges oder eines zwischengeschalteten Netzelement (z.B. optischen Multiplexer) kompensieren möchte, kompensiert man bei Punkt zu Punkt Verbindungen nur den Ausfall einer Faser, eines Senders(TX) oder eines Empfängers (RX). Bei Wellenlängen gemultiplexten Systemen (Bild 12) kompensiert man den Ausfall eines Senders (TX) oder eines Empfängers (RX).
  • Um den Aufwand für Ersatzschaltung zu reduzieren, kann man statt unterbrechungsfreier 1 + 1 Ersatzschaltung, die 50% der Gesamtkapazität der Verbindung benötigt oder nichtunterbrechungsfreier 1:N Ersatzschaltung auch 1 + N Ersatzschaltung verwenden. Bei 1 + N Ersatzschaltung wird im 1 + N Kodierer die Parität der zueinander synchronen Arbeitskanäle in einem dedizierten Ersatzschaltkanal mit FEC Kode überfragen. Im FEC Dekodierer des Empfängers werden die zueinander synchronen Kanäle auf Ausfall und nichtkorrigierbare Übertragungsfehler untersucht. Bei nichtkorrigierbaren Übertragungsfehlern in einem Arbeitskanal und Fehlerfreiheit (korrigierbare oder keine Übertragungsfehler) in den anderen Kanälen, wird der fehlerhafte Kanal durch zurückrechnen der Parität widerhergestellt und die nichtkorrigierbaren Übertragungsfehler so ausgeblendet.
  • Bei permanentem Ausfall eines Arbeitkanals addieren sich bei dieser Methode natürlich die nichtkorrigierbaren Übertragungsfehler der verbleibenden Arbeitskanäle und des Ersatzschaltkanals. Im Beispiel der ITU-T G.709 FEC sind diese Gewinne und Verluste berechnet.
  • Da bei einer Punkt zu Punkt Verbindung, die Laufzeitunterschiede der Kanäle minimal sind kann der FEC Dekodierer diese durch das synchronisieren der Rahmenkennwörter ausgleichen.
  • Fehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung in vermaschten optischen Netzwerken
  • Große Optische Netzwerke sind meist vermaschte Netze. Vermaschte Optische Netze bieten oft verschiedene Übertragungswege zwischen zwei Netzelementen. Dadurch kann gewährleistet werden, daß verschiedene Kanäle mit gleichem Sender und Empfänger über verschiedene Wege durch das Netz geleitet werden, wie in Bild 13 dargestellt). Wenn nun einer dieser Kanäle als Ersatzschaltkanal in einer 1 + N Ersatzschaltung genutzt wird, kann bitfehlenfreie 1 + N Ersatzschaltung in einem vermaschten optischen Netz durchgeführt werden. Die wesentlichen Unterschiede zur 1 + N Ersatzschaltung auf Punkt zu Punkt Verbindungen ist, daß größere Laufzeitunterschiede zwischen den Kanälen auftreten. Wenn in Netzwerk auch auf OMS oder OCh Ebene geschaltet wird, ändern sich diese Laufzeitunterschiede. Die Synchronisation und Resynchronisation des Laufzeitausgleichs geschieht ähnlich wie in Ringen. Sie arbeitet bitfehlerfrei beim Ausfall eines einzelnen Kanals.
  • Die Fehlerreduktion in vermaschten optischen Netzwerken und Punkt zu Punkt Verbindungen läßt sich ähnlich der Fehlerreduktion in optischen Ringen ausdrücken. Zu beachten ist jedoch:
    • – Übertragungsfehler müssen unabhängig voneinander sein, dies ist z.B. nicht der Fall wenn auf einer Punk zu Punkt Verbindung in einem Welllenlängen gemultiplexten System (Wavelength Division Multiplex, WDM ) ein optischer Verstärker vorhanden ist der durch spontane Emissionen (Amplified Spontaneous Emission, ASE) die Hauptursache für Übertragungsfehler ist.
    • – Bei komplettem Ausfall eines Arbeitskanals addieren sich die Übertragungsfehler der übrigen Kanäle. Es kommt zu einer Addition der Übertragungsfehler. Dies kann bei anhaltendem Ausfall jedoch dadurch vermieden werden, daß zu einem vereinbarten Zeitpunkt (z.B, übernächster Rahmenanfang) der ausgefallene Kanal auf dem Ersatzschaltkanal, anstatt des 1+N Signals übertragen wird.
  • Die folgenden Tabellen geben den NPG für 1+3 Ersatzschaltung sowie 1+4 Ersatzschaltung an:
    Figure 00050001
    Tabelle 2: Übertragungsfehlerreduktion durch 1 +3 Ersatzschaltung
    Figure 00060001
    Tabelle 3: Ubertragungstehlerreduktion durch 1+4 Ersatzschaltung Tabelle 4: Ubertragungsfehlererhöhung bei Ausfall in 1+3 Ersatzschaltung Die Erhöhung der Übertragungsfehler bei Ausfall eines Kanals läßt sich durch einen negativen NPG ausdrücken:
    Figure 00060002
    Figure 00060003
    Tabelle 5: Ubertragungsfehlererhöhung bei Ausfall in 1+4 Ersatzschaltung
  • Beispiel: wendet man nun Übertragungsfehlerreduktion auf 10Gigabit/s Systeme nach ITU-T G. 709 an(10E10 bit pro Sekunde), so ergeben sich mit einer unkorrigierten Bitfehlerrate von 10E-4 und einer korrigierten Bitfehlerrate von 5E-15, so ergeben sch folgende Bitfehlerraten bei Ersatzschaltung:
    Figure 00070001
    Tabelle 6: Bitfehlerraten bei verschiedenen Ersatzschaltungen
  • Nicht meßbar bedeutet, daß theoretisch ein Bitfehler bei
    • – 1+4 Ersatzschaltung alle 3*10E11 Jahre auffritt
    • – 1+4 Ersatzschaltung alle 4*10E11 Jahre auffritt
    • – Ring Ersatzschaltung alle 12*10E12 Jahre auffritt

Claims (1)

  1. Übertragungfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung dadurch gekennzeichnet, daß: 1. in Forward Error Correction (FEC) nichtkorrigierbare Übertragungsfehler in Echtzeit erkannt werden und durch Umschalten auf einen Ersatzschaltkanal ausgeblendet werden. Zum Net Coding Gain (NCG) der FEC tritt dadurch ein zusätzlicher Net Protection Gain (NPG) auf. 2. die Ersatzschaltmethode auf beliebigen Netzwerktopologien wie Punkt-zu-Punkt Verbindungen, Ringe und vermaschte Netzwerke anwendbar ist. 3. in vermaschten Netzen und Ringen auftretende Laufzeitunterschiede kompensiert werden können. 4. bei möglichen Änderung der Laufzeitunderschiede in vermaschten Netzen und Ringen keine Biftehler auftreten.
DE2003109089 2003-03-03 2003-03-03 Übertragungsfehlerreduktion durch bitfehlerfreie Ersatzschaltung Withdrawn DE10309089A1 (de)

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