DE3852798T2

DE3852798T2 - Übersprechverringerung in ungeschirmten, verdrillten Doppelleitungen.

Info

Publication number: DE3852798T2
Application number: DE19883852798
Authority: DE
Inventors: Fred G Huang
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1987-08-13
Filing date: 1988-08-05
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2008-08-06
Also published as: EP0303407A2; EP0303407B1; JPH0191554A; DE3852798D1; CA1321416C; EP0303407A3; JP2752382B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf die Verbindung von elektronischer Ausrüstung in einem lokalen Netz und insbesondere auf die Verbindung der Ausrüstung in einem lokalen Netzwerk IEEE 802.3, das einen Datentransfer mit 10 Millionen Bits pro Sekunde ermöglicht, durch ungeschirmte paarweise verdrillte Vollduplexdrähte.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Verbindung elektronischer Ausrüstung, die sich in Nebenanlagen befindet, wird gewöhnlich durch Koaxialkabel, die strenge Standards erfüllen, durchgeführt. Ein geschirmtes Koaxialkabel ermöglicht eine Verbindung in einem lokalen Netz (LAN; LAN = Local Area Network), die eine Längenentfernung von mehr als 300 Fuß überdeckt. Das ist der Fall, da externe Hochfrequenz-Energie (HF-Energie) nicht in das geschirmte Koaxialkabel induziert wird, und da Übersprechenergie zwischen parallelen Kabeln durch die Verwendung derartiger Kabel unterdrückt wird.
Die Installation von Koaxialkabeln in einer Nebenanlage ist aufwendig und unterbricht die Arbeit, die durchgeführt wird. In vielen Fällen müssen Löcher in Wänden und/oder Böden erstellt werden, und möglicherweise muß ein ganzer Unterboden installiert werden, um die Leistungsführung des Koaxialkabels zu ermöglichen. Sobald eine spezielle Kabelanordnung eingerichtet ist, kann sie nur mit Schwierigkeiten geändert werden.
Die meisten Gebäude haben bereits ein aufwendiges Telefonverdrahtungssystem an Ort und Stelle. Es wäre höchst wünschenswert, diese paarweise verdrillten (TP; TP = Twisted-Pair) ungeschirmten Drähte zu verwenden, um elektronische Ausrüstung, wie z. B. Computer, Workstations, Dateneingabeterminals und dergleichen zu verbinden. Selbst in Gebäuden, die geplant sind, wäre es wünschenswert, normale TP-Telefondrähte statt Koaxialkabel zu verwenden, da die ersteren leichter zu installieren sind und geringere Kosten pro Fuß aufweisen.
Diese ungeschirmten TP-Drähte wirken jedoch als eine Antenne und sind auf externe Hochfrequenz-Energie (HF-Energie) anfällig. Dieses HF-Rauschen kann ein Signal, das durch die TP-Drähte übertragen wird, überdecken, und folglich liefern diese sehr schlechte Signal-/Rausch-Verhältnisse (S/N-Verhältnisse; S/N = Signal/Noise). Dies ist insbesondere der Fall, wenn lange Entfernungen, wie z. B. 300 Fuß, eingeschlossen sind, wie typischerweise bei einem LAN.
S/N-Verhältnisse können durch die Verwendung sehr hoher Signalübertragungs-Leistungspegel verbessert werden, wobei jedoch FCC-Ausführungsbestimmungen (FCC = Federal Communication Commission) maximale Übertragungspegel spezifizieren und Hochleistungsübertragung teuer ist. Eine bessere Lösung ist es, einen völlig symmetrischen Differentialempfänger vorzusehen und bei der Übertragung zu filtern, um in die FCC-Ausführungsbestimmungen zu fallen, und am Empfänger zu filtern, wodurch dann der Großteil der Anfälligkeit gegenüber externem HF-Rauschen eliminiert wird.
Die Verwendung von ungeschirmten TP-Drähten muß noch das Übersprechrauschen überwinden. Zum Beispiel könnte bei einer typischen Installation ein Drahtbündel von 25 Paaren verwendet werden. Da sich diese 25 Paare in nächster Nähe zueinander befinden, kann das Übersprechrauschen beträchtlich sein. Dies führt wiederum zu schlechten S/N-Verhältnissen.
Übersprechrauschen kann (i) durch das Kollisionsprotokoll, das in LANs IEEE 802.3 verwendet wird, wie in dem Artikel von D. Cormier u. a. [ESD Magazine, 1/1987], und (ii) durch das Verwenden zweier unterschiedlicher Treiberpegel reduziert werden. FR-A-2,512,300 zeigte die Verwendung unterschiedlicher Spannungspegel in einem Übertragungssystem, jedoch in dem Fall eines Halbduplexsystems und für einen ganz anderen Zweck.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die gegenwärtige Erfindung wird in einem verteilten LAN mit einer Star-Topologie (STAR-LAN) bis zu einer geradlinigen Entfernung von 300 Fuß verwendet, wie bei einem Nebenanlagen-Verteilungssystem (PDS; PDS = Premises Distribution System) spezifiziert, bei dem ein Büro mit ungeschirmten TP-Drähten, die sowohl für Ton- als auch Daten-Signale verwendet werden, verdrahtet ist. Dies ermöglicht Übertragungsraten von bis zu 10 Millionen Bit pro Sekunde (mbps = million bits per second) ohne signifikante Fehlerraten zu erleiden. Gemäß der Erfindung sind Reihen von Transceiver-"Hubs" durch ungeschirmte TP-Drähte verbunden. Jeder Hub ist über ungeschirmte Vollduplex-TP-Drähte wiederum mit einer Anzahl von Transceiver-"Pods" verbunden, zwölf bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. Jeder Hub führt eine Vielfachzugriffs-Wiederholfunktion durch. Jeder Pod dient als ein Verbindungspunkt einer Terminaleinrichtung mit dem LAN, das manchmal als Medienzugriffseinheit (MAU; MAU = Medium Access Unit) bezeichnet wird. Jeder Pod ist vorzugsweise durch ein Vierdraht-Vollduplexpaar von ungeschirmten TP- Drähten mit seinem Hub verbunden.
Die Erfindung ermöglicht es, Koaxialkabel zum Verbinden der elektronischen Ausrüstung auf dem LAN zu eliminieren und ausschließlich billige, ohne weiteres erhältliche, normale ungeschirmte TP-Drähte mit Telefonqualität zu verwenden. Folglich wird durch die vorliegende Erfindung eine einfache Installation, ein geringerer Aufwand pro Fuß, ein geringeres Volumen und eine größere Geschmeidigkeit als bei Koaxialkabeln erhalten. Außerdem werden Zusätze, Neuanordnungen und Änderungen zum Verdrahtungsnetzwerk aufgrund der einfachen herkömmlichen Techniken, die mit ungeschirmten TP-Drähten verfügbar sind, ohne weiteres durchgeführt. Die Kabelverwaltung ist durch die Verwendung von Schalttafelverbindungen verbessert.
Die vorliegende Erfindung erfordert den Hub und den Pod, um Signale mit unterschiedlichen Spannungspegeln zu senden, um das Übersprechrauschen zwischen den TP-Drähten in den Kabeln, die an dem Hub enden, zu reduzieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enden 25 ungeschirmte TP-Drähte an einem Hub, und wenn keine Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, würde das Übersprechen zwischen den TP-Drähten sehr schlechte S/N-Verhältnisse zur Folge haben, wodurch hohe Bitfehlerraten erzeugt werden würden.
Aufgrund des Trägererfassungs-Vielfachzugriffs-Kollisions- Erfassungsschemas (CSMA = Carrier Sensed Multi-Access = Vielfachzugriff mit Trägererfassung), das durch das IEEE 802.3-Protokoll definiert ist, wird die Übertragung vom Hub gestoppt und muß wieder neu gestartet werden, wenn mehr als ein Signal über der Kollisionsschwelle empfangen wird. Demgemäß ermöglicht es das Protokoll dem Hub, das Übersprechrauschen für den Empfang zu ignorieren. Das Problem liegt dann im Einführen des Übersprechens in den Signalen, die durch den Hub gesendet werden, in das gedämpfte Signal, das durch den Pod gesendet wird, während es vom Hub empfangen wird. Wenn vom Hub zum Senden ein Spannungspegel verwendet wird, der gleich dem des Sendens durch den Pod ist, wird das Übersprechen in den Signalen, die am Hub empfangen werden, signifikant sein. Wenn jedoch vom Hub und vom Pod unterschiedliche Übertragungsspannungspegel verwendet werden, wird am Hub eine beträchtliche Reduzierung des Übersprechrauschens existieren. Demgemäß wird sich die Bitfehlerrate in annehmbaren Toleranzen bewegen, sogar bei einer Bitübertragungsrate von 10 mbps.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird an dem Pod ein Übertragungspegel von 7 Volt und am Hub ein Übertragungspegel von 4 Volt verwendet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Hub-Pod-Konfiguration, die in einer STAR-LAN-Topologie verwendet wird, zeigt, wobei der Pod gemäß der vorliegenden Erfindung einen höheren Pegel sendet als der Hub.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS- BEISPIELS

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine typische Installation eines lokalen Netzes (LAN) mit einer STAR-Topologie gezeigt. Eine Medienzugriffseinheit (MAU) 10 ist mit einem Abgriff in einer Rückebene 12 des LAN gezeigt. Die Rückebene 12 kann ein Lichtleitkabel, ein Koaxialkabel oder ein verdrilltes Paar von Drähten sein. Die MAU 10 dient dazu, einen Transceiver-Hub 14 mit der LAN-Rückebene zu verbinden. Der Hub 14 besitzt eine Hilfseinheitsschnittstelle (AUI; AUI = Auxiliary Unit Interface), die ein AUI-Kabel 16 von der MAU 10 aufnimmt. Der Hub 14 führt eine Wiederholfunktion zwischen der LAN-Rückebene 12 und einer Anzahl von Transceiver-Pods 18, die mit dem Hub verbunden sind, durch.
Bei dem LAN, das in Fig. 1 dargestellt ist, sind zwölf Pods 18 über vierundzwanzig ungeschirmte paarmäßig verdrillte Drähte (TP-Drähte) 20 verbunden. Eine Buchse mit fünfzig Anschlußstiften in dem Hub dient dazu, die vierundzwanzig TP-Drähte aufzunehmen. Jeder Pod 18 ist durch zwei TP-Drähte 20 mit dem Hub 14 verbunden, wodurch eine Vierdraht-Vollduplex-Zwischenverbindung geliefert wird. Jeder Pod 18 ist wiederum über ein AUI-Kabel 24 mit einer AUI einer Datenterminaleinrichtung (DTE; DTE = Data Terminal Equipment) 22 verbunden. Eine typische DTE ist ein Mikrocomputer, eine Workstation oder ein Dateneingabeterminal.
Sowohl Ton- als auch Daten-Signale können auf den TP-Drähten 20 übertragen werden. Übertragungsraten bis zu 10 Millionen Bits pro Sekunde (mbps) werden durch das LAN, das in Fig. 1 gezeigt ist, unterstützt. Eine geradlinige Entfernung von bis zu 300 Fuß ist zwischen dem Hub 14 und der DTE 22 möglich.
Eine Vertrautheit mit den lokalen IEEE 802.3-Netzwerkstandards ist beim Verstehen der Erfindung hilfreich. Besonders sachdienlich ist ein Verstehen des Formatierens von Daten in IEEE 802.3-Standardpakete. Bezug kann auf eine Veröffentlichung "Advanced Peripherals: IEEE 802.3 Local Area Netzwork Guide", veröffentlicht von der National Semiconductor Corp., Copyright 1986, genommen werden, wobei diese Veröffentlichung hierbei durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Da fünfundzwanzig Paare von ungeschirmten TP-Drähten 20 am Hub 14 in nächster Nähe zusammenkommen, ist das Übersprechen ein signifikantes Problem. Ein derartiges "Nah"-Übersprechen bezieht sich nicht-linear auf die Anzahl der angrenzenden ungeschirmten TP-Drähte. Bei hohen Übertragungsraten, die für das LAN, das die vorliegende Erfindung verwendet, beabsichtigt sind, werden durch ein derartiges Übersprechen Fehler eingeführt, es sei denn, Vorsichtsmaßnahmen werden getroffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sendet der Hub 14 mit einem geringeren Spannungspegel als der Pod 18. In Verbindung mit dem Trägererfassungs-Mehrfachzugriffs-/Kollisionserfassungs-Protokoll (CSMA/CD-Protokoll; CSMA/CD = Carrier-Sensed Multi-Access/Collision Detect) des IEEE 802.3-Standards vermindert die Erfindung Nah-Übersprechen derart, daß Fehler nicht signifikant in das LAN von Fig. 1 eingeführt werden.
Wenn der Hub 14 an einem beliebigen seiner Tore - entweder dem AUI-Tor oder einem der fünfundzwanzig TP-Drähte - ein Signal empfängt, wiederholt er es zu allen anderen Toren. Ein signifikantes Mehrfachpaar-Übersprechrauschen wird von den vierundzwanzig TP-Drähten 20, die das Signal zu ihren jeweiligen Pods 18 führen, erzeugt. Dieses Übersprechrauschen wird von den einzelnen TP-Drähten, die das schwächere Signal, das vom Hub 14 empfangen wird, aufgenommen. Demgemäß können Fehler in das Signal, das vom Hub 14 empfangen wird, eingeführt werden. Bei einer typischen Installation befindet sich das Signal, das vom Hub 14 empfangen wird, auf einem Pegel von 300 Millivolt, wenn das Signal, das von einem Pod erzeugt wird, sich auf einem Pegel von l Volt befindet, und ein Übersprechrauschen von 100 Millivolt (mV) kann durch die vierundzwanzig anderen TP-Drähte, die mit dem Hub 14 verbunden sind, in dieses Signal eingeführt werden. Dies hat ein S/N-Leistungsverhältnis von 3 : 1 zur Folge, was unter den IEEE 802.3-Spezifikationen liegt.
Das Erhöhen des Spannungspegels des Signals, das von dem Pod 18 erzeugt wird, bezüglich dem des Hubs 14, erzeugt ein höheres S/N-Leistungsverhältnis für das Signal, das von dem Hub 14 empfangen wird. Selbstverständlich reduziert dies das S/N-Leistungsverhältnis für das Signal, das von dem Pod 18 empfangen wird. Jedoch kann nur jeweils ein Pod 18 senden, da andererseits vom Hub 14 eine Kollision erfaßt wird. Folglich ist nur ein Pod-Signal für das Vorliegen von "Nah"- Übersprechen verantwortlich, das von den anderen 24 Pods von Hub 14 empfangen wird, obwohl der Hub 14 mit einem relativ gesehen geringeren Leistungspegel sendet, als wenn er und der Pod 18 mit gleichen Spannungen senden. Wenn der Hub 14 Signale von zwei oder mehr Pods 18 empfängt, beendet das CSMA/CD-Protokoll, das vom Hub 14 verwendet wird, das Senden durch die Pods gemäß einem Kollisions-"Back-Off"-Verfahren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dann unter Verwendung eines höheren Übertragungsspannungspegels durch den Pod 18 als für den Hub 14 das Signal-/Übersprechrausch-Verhältnis in den Signalen, die von dem Hub 18 empfangen werden, optimiert, wodurch Fehler reduziert werden, sogar bei Raten von 10 mbps.
Die relativen Spannungspegel gemäß der vorliegenden Erfindung hängen von den TP-Kabelcharakteristika ab: es seien:
P_RHHB = am Hub 14 empfangene Leistung
P_RPOD = am Pod 18 empfangene Leistung
P_THUB = am Hub 14 gesendete Leistung
P_TPOD = am Pod 18 gesendete Leistung
P_TMP = Leistung des Mehrfachpaar-Übersprechens am Hub 14
C_CTMP = Koeffizient des Mehrfachpaar-Übersprech- Koeffizienten am Hub 14
P_CTIP = Leistung eines Einpaar-Übersprechens am Pod 18, und
C_CTIP = Einpaar-Übersprechkoeffizient.
Dann besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das Signal-/Rausch-Leistungsverhältnis durch Verwenden unterschiedlicher Sendepegel zu maximieren, um Mehrfachpaar- Übersprecheffekte zu minimieren.
D.h., optimiere
P_RHUB/P_CTMP P_RPOD/PCTIP
P_RHUB = P_TPOD Dämpfung im Kabel 20
P_RPOD = P_THUB Dämpfung im Kabel 20
P_CTMP = P_THUB * C_CTMP
P_CTIP = P_TPOD * C_CTIP
Im allgemeinen dann
oder
Demgemäß ist dann bei der gegenwärtigen Erfindung der Spannungspegel, der durch den Pod 18 zum Senden zu dem Hub 14 verwendet wird, näherungsweise das 1.78-fache des Spannungspegels, der vom Hub 14 zum Senden zum Pod 18 verwendet wird. Wenn z. B. ein Spitze-zu-Null-Spannungspegel von 7 Volt vom Pod verwendet wird, würde vom Hub ein Spitze-zu-Null-Spannungspegel von 4 Volt verwendet werden.

Claims

1. Ein Netzwerk mit einem ersten Transceiver und einem oder mehreren zweiten Transceivern, wobei der erste Transceiver von zumindest einem der zweiten Transceiver eine Folge von Signalen empfängt und die Folge zu anderen der zweiten Transceiver weitersendet, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transceiver mit den zwei oder mehr zweiten Transceivern durch eine ungeschirmte paarweise verdrillte Vollduplex-Drahtverbindung verbunden ist, daß jeder der zweiten Transceiver eine Einrichtung einschließt, die die Folge mit einem vorbestimmten höheren zweiten Spannungspegel sendet, und daß der erste Transceiver eine Einrichtung einschließt, die die Folge mit einem vorbestimmten ersten Spannungspegel mit einer vorbestimmten Beziehung zu dem zweiten Spannungspegel weitersendet.

2. Ein Netzwerk gemäß Anspruch 1, bei dem die vorbestimmte Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungspegel durch folgende Gleichung gegeben ist: V_SECOND FIRST TSECOND

wobei P_TSECOND und P_TFIRST die Leistungen darstellen, die von dem zweiten Transceiver bzw. dem ersten Transceiver gesendet werden, und wobei TSECOND CTMP CTIP TFIRST

wobei C_CTMP und C_CTIP die Koeffizienten der Mehrfachpaar-Übersprechkoeffizienten an dem ersten Transceiver bzw. dem zweiten Transceiver sind.

3. Verfahren zum Reduzieren des Übersprechens in einem Netzwerk, das einen ersten Transceiver und einen oder mehrere zweite Transceiver, die mit dem ersten verbunden sind, aufweist, und bei dem der erste Transceiver eine

Folge von Signalen von einem zweiten Transceiver empfängt und die Folge zu weiteren zweiten Transceivern weitersendet, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transceiver mit einem zweiten höheren Spannungspegel sendet, und der erste Transceiver mit einem ersten Spannungspegel, der eine vorbestimmte Beziehung zu dem zweiten aufweist, weitersendet, wobei sowohl das Senden als auch das Weitersenden über ungeschirmte paarweise verdrillte Vollduplex-Drähte, die den ersten Transceiver mit zwei oder mehr zweiten Transceivern verbinden, stattfindet.

4. Ein Verfahren zum Reduzieren des Übersprechens gemäß Anspruch 3, bei dem der erste und die zweiten Empfänger jeweils eine Kollisionserfassungstechnik mit einer vorbestimmten Kollisionsschwelle verwenden, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Beendens des Weitersendens beendet, bei

i) Vollendung der Signale, die die Folge umfaßt, oder

ii) Empfang von Signalen von zumindest zwei der zweiten Transceiver durch den ersten Transceiver, wodurch die Kollisionsschwelle überschritten wird.