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Sachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Telekommunikation
und insbesondere auf ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung,
um in einem Telekommunikationsgerät zwischen einem aktiven und
einem redundanten Signal auf störungsfreie
Weise, d. h. ohne Verfälschung
der mit dem aktiven und dem redundanten Signal übertragenen Daten umzuschalten.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
Telekommunikationsnetzen, in denen der Zuverlässigkeit und Fehlerresistenz
besondere Bedeutung zukommt, müssen
Telekommunikationseinrichtungen auch bei Ausfall einer beliebigen
Gerätekomponente
einen störungsfreien
Betrieb gewährleisten.
Daher sind Netzelemente mit Geräte-Absicherungsfunktionen ausgerüstet, womit
gemeint ist, daß Schlüsselkomponenten
doppelt vorhanden sind, so daß eine
redundante Systemkomponente die Funktion einer ausgefallenen Systemkomponente übernehmen
kann.
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Typische
Netzelemente eines Übertragungsnetzes
wie z. B. Cross Connects und Add/Drop-Multiplexer besitzen eine
Schaltmatrix zum zufälligen
Durchschalten von Signalen von jedem beliebigen Eingang zu jedem
beliebigen Ausgang. Diese (hier als Kopie A bezeichnete) Schaltmatrix
wird typisch durch eine redundante (und hier als Kopie B bezeichnete)
zweite Matrix abgesichert. Das Prinzip der Geräteabsicherung besteht darin,
daß alle
Signale dupliziert und sowohl an die aktive als auch an die redundante
und im Bereitschaftsbetrieb befindliche Gerätekomponente verteilt werden,
die beide das Signal auf identische Weise verarbeiten. Auf der Ausgangsseite
werden beide Signale wieder zusammengeführt, indem das bessere von
beiden zur weiteren Verarbeitung ausgewählt wird. Wenn nun die aktive
Komponente ausfällt,
wird das von der Bereitschaftskomponente verarbeitete Signal ausgewählt, so
daß die
Bereitschaftskomponente zur aktiven Komponente wird.
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Die
Erkennung eines Signalverlustes kann allerdings eine gewisse Zeit
dauern, während
derer ein Burst von Bitfehlern übermittelt
wird, bevor die Schutzumschaltung aktiviert wird. Diese Situation
führt zu
einer "Störung" im Ausgangssignal,
so daß es
wünschenswert
ist, die Schutzumschaltung störungsfrei
durchzuführen,
d. h. vom aktiven Signal auf das Bereitschaftssignal umzuschalten,
bevor eine Störung
im aktiven Signal überhaupt
den Ausgang erreicht.
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Bekannte
Systeme zur störungsfreien
Umschaltung verfügen über einen
großen
Puffer zur Synchronisation der Datensignale. Dieser Puffer gestattet
es, die Signalverlusterkennung anhand des Verlustes eines Frame-Ereignisses
vorzunehmen. Bekannte Fehlererkennungssysteme benötigen daher
eine längere
(in Bit-Perioden
ausgedrückte)
Zeitspanne zum Erkennen einer Ausfallsituation und zum Umschalten
vom aktiven Signal auf das Bereitschaftssignal. Überdies wirkt sich ein großer Puffer
während
des Normalbetriebs ungünstig
auf die Signalverzögerung
aus und bringt neben höheren
Gerätekosten
auch eine größere Verlustleistung mit
sich.
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Daher
besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein störungsfreies
Absicherungssystem sowie ein Verfahren vorzuschlagen, das ohne große Pufferspeicher
auskommt.
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In
der europäischen
Patentanmeldung
EP
0 696 111 A2 wird eine störungsfreie Pfadumschaltungsvorrichtung
beschrieben, in welcher der Betriebs- und der Absicherungspfad ständig auf
Bitfehler überwacht
werden. Wenn im Betriebspfad ein Bitfehler auftritt, im Absicherungspfad
jedoch nicht, dann wird datenblockweise vom Betriebspfad auf den
Absicherungspfad umgeschaltet.
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In
der europäischen
Patentanmeldung
EP
1 261 157 A2 wird eine störungsfreie Pfadumschaltungsvorrichtung
in einem Übertragungssystem
beschrieben, das die virtuelle Verkettung unterstützt. Die
beschriebene Vorrichtung empfängt
Datensignale auf mindestens zwei Übertragungspfaden und gibt
Daten von einem Pfad aus, der aus diesen Pfaden ausgewählt wurde.
Die empfangenen Signale werden zunächst so aufbereitet, daß der Auswahlmechanismus
zwischen korrespondierenden Elementen der empfangenen Signale wählen kann.
Dies gestattet ein störungsfreies
Umschalten, da es während
des Umschaltvorgangs zu keinen Verlusten oder Wiederholungen von
Signalelementen kommt.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 42 38 410 A1 wird ein Kommunikations-
und Steuerungssystem in einer Basisstation eines zellularen Netzes
beschrieben. Alle Module der Basisstation kommunizieren über ein
gemeinsames Bussystem. Es sind zwei redundante Bussysteme vorhanden,
und alle Daten werden parallel über
beide Bussysteme übertragen.
Damit von den beiden Bussystemen nur gültige Daten ausgewählt werden,
werden Prüfbits
ausgewertet.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 39 29 793 A1 wird die Duplexkommunikation über redundante Kommunikationspfade
beschrieben. In Empfangsrichtung werden die Pfade auf das Vorhandensein
eines Trägersignals überwacht.
Wenn auf dem ausgewählten
Pfad kein moduliertes Trägersignal
empfangen wird, wird in entgegengesetzter Richtung über alle
Pfade nacheinander ein moduliertes Signal gesendet. Wird ein Trägersignal
auf einem dieser Pfade erkannt, so wird dieser als aktiver Pfad
ausgewählt.
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Zusammenfassende
Beschreibung der Erfindung
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Diese
und andere Ziele, die nachstehend genannt werden, werden erreicht,
indem ein Signalübergang in
beiden Kopien eines abgesicherten Signals erkannt und von der aktiven
Kopie auf die Bereitschaftskopie umgeschaltet wird, wenn auf der
ersteren kein Signalübergang
mehr, auf der letzteren dagegen ein Signalübergang festgestellt wird.
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Insbesondere
verfügt
ein Netzelement gemäß der vorliegenden
Erfindung über
einen ersten und einen zweiten redundanten Signalpfad für ein erstes
und ein zweites redundantes Signal, ferner über eine Auswahlvorrichtung
zum Auswählen
eines der beiden redundanten Signale als aktives Signal sowie über eine
erste und zweite Übergangs-Überwachungsvorrichtung,
die zur Überwachung
des ersten und des zweiten Signals auf Bitzustandsübergänge jeweils
mit dem ersten und dem zweiten redundanten Signalpfad gekoppelt
sind. Die Auswahlvorrichtung wird von den Übergangs-Überwachungsvorrichtungen gesteuert,
um die Auswahl für den
Fall zu ändern,
daß das
ausgewählte
Signal keine Bitzustandsübergänge, das
nicht ausgewählte
Signal dagegen Bitzustandsübergänge enthält.
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Die
Erfindung gestattet die unmittelbare Erkennung einer Ausfallsituation
und die störungsfreie
Umschaltung zum Zeitpunkt der Ausfallerkennung. Dies erleichtert
die Wartung ganz erheblich, weil es nicht mehr nötig ist, den Absicherungsumschalter
zu einem früheren
Zeitpunkt auszulösen,
um eine Verkehrsstörung
zu vermeiden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es
werden nun bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei auf die beiliegenden
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen
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1 ein
Blockschaltbild eines Netzelements zeigt,
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2 ein
Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Netzelements zeigt
und
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3 ein
Zustandsdiagramm für
die erfindungsgemäße Auswahlvorrichtung
zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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In
Netzelementen ist typisch eine Geräteabsicherung installiert,
womit gemeint ist, daß bestimmte
elementare Verarbeitungselemente wie beispielsweise eine Schaltmatrix
doppelt vorhanden sind, so daß die
jeweilige zweite redundante Verarbeitungseinheit den Betrieb fortsetzen
kann, falls die erste aktive Einheit ausfällt. Intern verfügt das Netzelement
somit über
zwei redundante Signalpfade, von denen einer über die aktive Matrixkopie
A und einer über
die redundante Matrixkopie B führt.
Das so abgesicherte Signal wird auf beide Signalpfade kopiert, so
daß beide
Pfade identische Signale führen.
Auf der Ausgangsseite wird allerdings das bessere Signal für die Ausgabe
ausgewählt.
Wie oben erläutert,
erfolgt in heutigen Netzelementen die Umschaltung von einem aktiven
auf einen redundanten Signalpfad entweder nicht störungsfrei
oder erfordert einen großen
Frame-Puffer.
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Die
an der erfindungsgemäßen Auswahl
beteiligten Komponenten in einem Netzelement sind in einer ersten
Ausführungsform
in 1 dargestellt. Das Netzelement verfügt über einen
Geräte-Clocksignalgenerator
CL, zwei redundante Signalpfade P1, P2 und einen Schalter SW, der
einen von beiden für
den Ausgang 0 auswählt.
Jeder Signalpfad wird einem Verstärker A1, A2 zugeführt, die
jeweils vom Clocksignalgenerator CL getaktet werden und mit einer
Verzögerungsleitung
D1, D2 verbunden sind. Das verstärkte
Signal gelangt außerdem
auf eine Übergangs-Überwachungsvorrichtung T1,
T2. Der Ausgang der Übergangs- Überwachungsvorrichtung ist
mit einer Auswahlvorrichtung C gekoppelt, die den Betrieb des Schalters
SW steuert.
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Das
Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Schaltung ist einfach:
Die Übergangs-Überwachungsvorrichtungen
T1, T2 sind auf jeder der Signalkopien P1, P2 vorhanden. Alle Schaltungen
werden synchron vom System-Clockgenerator CL getaktet, so daß die Frames
der Datensignalkopien fest synchronisiert sind. Diejenige Kopie,
die in einem gleitenden Block von N Bits keinerlei Übergang
zeigt, wird als fehlerbehaftet betrachtet. Zwischen der Überwachungsvorrichtung
T1, T2 und dem störungsfreien
Schalter SW sind Verzögerungselemente
D1, D2 in den Datensignalstrom geschaltet, deren Übertragungsverzögerung mindestens
N Bits äquivalent
ist. Die Periode von N Bits ist diejenige Zeitspanne, die zum Erkennen
eines Signalverlusts und zum Auslösen des störungsfreien Schalters SW benötigt wird.
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Die
Verzögerungsleitung
ist mit einem einfachen Schieberegister von N Bit Tiefe, das vom
System-Clockgenerator getaktet wird, oder mit einem beliebigen anderen
Verzögerungsbauelement
implementierbar, beispielsweise auch mit einem FIFO-Pufferspeicher
(First-in-first-out-Puffer) oder mit einer Kabel- oder Wellenleiter-Verzögerungsleitung
geeigneter Länge,
die jeweils so zu dimensionieren ist, daß die Gesamtverzögerungszeit
N Bit entspricht. Die Verstärker
A1, A2 sind optional und können
entfallen, wenn sie nicht benötigt
werden.
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Die Übergangs-Überwachungsvorrichtungen
werden vom System-Clockgenerator
CL getaktet und erkennen Bitzustandsübergänge, d. h. sie stellen fest,
ob sich der Signalpegel von einem Taktimpuls zum nächsten von
High zu Low ändert
oder umgekehrt. Wenn keine solchen Bitzustandsübergänge im Eingangssignal auftreten,
wird letzteres als fehlerbehaftet betrachtet. Wenn gleichzeitig
das andere Signal Übergänge zeigt, löst die Auswahlvorrichtung
C eine Umschaltung vom mutmaßlich
fehlerhaften Signal auf das Signal aus, das noch Übergänge zeigt,
sofern ersteres zuvor ausgewählt
war.
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Die
Signalkopien werden gemäß der nachstehenden
Tabelle 1 ausgewählt:
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Tabelle
1: Auswahlkriterien für
die Kopien A und B
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Wenn
beispielsweise die Signalkopie A ausgewählt war und anschließend die
Signalkopien A und B Übergänge zeigen
und somit als fehlerfrei betrachtet werden, bleibt die Signalkopie
A ausgewählt
(Zeile 1). Wenn die Signalkopie A ausgewählt war und als fehlerbehaftet
erkannt wird (NOK), während
B fehlerfrei erscheint, wird die Auswahl von Signal A zu Signal
B geändert
(Zeile 3). Werden allerdings beide Signale als fehlerbehaftet erkannt,
so wird keine Umschaltung ausgelöst
(Zeilen 7 und 8).
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Wenn
das Datensignal aus einer langen Folge identischer Ziffern besteht,
stufen die beiden Übergangs-Überwachungsvorrichtungen beide
Kopien als fehlerbehaftet (NOK) ein, aber es wird gemäß der obigen Tabelle
keine Kopie-Umschaltung
ausgelöst.
Sollte jedoch in einem solchen Fall die Kopie A ausfallen, kann ein Übergang
zu einem Low-Pegel vorliegen, was eine Umschaltung auf die ausgefallene
Kopie auslösen
würde.
Um dies zu vermeiden, kann der Signalzustand in dieser speziellen
Situation als zusätzliches
Kriterium herangezogen werden. Wenn somit beide Signale keine Übergangszustände (Transienten)
zeigen, ist eine Kopie fehlerfrei (OK), wenn der Signalzustand "aktiv" ist, und ansonsten
fehlerbehaftet (NOK).
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In
der ersten Ausführungsform
kann allerdings ein Problem auftreten, wenn die fehlerbehaftete
Kopie des Datensignals zwischen zwei Signalzuständen umschaltet. In diesem
Fall versagt der vorgeschlagene Mechanismus. Daher wird der Auswahlvorgang
in einer zweiten Ausführungsform
gegenüber
einer solchen Fehlfunktion unempfindlicher gemacht, indem eine übergangsabhängige Auswahl
nur zugelassen wird, wenn das Datensignal selbst – beispielsweise
aufgrund des Vorhandenseins eines Frame-Musters – für gültig befunden wird. Daher wird
eine zweite Überwachungsvorrichtung
hinzugefügt,
die nach signifikanten Signalanteilen in den Signalen sucht und
eine übergangsabhängige Auswahl
nur freigibt, wenn ein solcher signifikanter Signalanteil gefunden
wird. Dieses zweite Kriterium erhält die höhere Priorität.
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Die
Schaltung gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist in 2 wiedergegeben. Sie enthält alle Schaltungselemente
aus 1, jedoch zusätzlich
erste und zweite Frame-Überwachungsvorrichtungen
F1 und F2, die jeweils mit den ersten und zweiten Signalpfaden P1
und P2 verknüpft
sind. Die beiden Frame-Überwachungsvorrichtungen
führen
zu einer ersten Auswahlvorrichtung S1, die den Schalter SW mit erster
Priorität
steuert, und zwar so, daß ein
Signal nur dann für
die Ausgabe ausgewählt
werden kann, wenn es für
gültig
befunden wird. Die Übergangs-Überwachungsvorrichtungen
T1 und T2 führen
zu einer zweiten Auswahlvorrichtung S2, die den Schalter SW auf
die oben beschriebene Weise steuert, jedoch mit der oben genannten
Einschränkung,
daß eine
Umschaltung nur freigegeben ist, wenn das ausgewählte Signal von der zugehörigen Frame-Überwachungsvorrichtung
für gültig befunden
wird. Wenn die erste Frame-Überwachungsvorrichtung
ein Signal für
gültig
und das andere für
ungültig
befindet, schaltet sie unabhängig
von den Ergebnissen der zweiten Auswahlvorrichtung auf das gültige Signal
um. Die zweite Auswahlvorrichtung S2 besitzt somit eine zweite Priorität, die niedriger
ist als die erste Priorität
der ersten Auswahlvorrichtung S1.
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Die
Auswahlkriterien für
eine Auswahl der Priorität
1, die auf signifikanten Signalanteilen (beispielsweise dem Framing)
basiert, sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengestellt.
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Tabelle
2: Auswahlkriterien für
eine Auswahl der Priorität
1 unter Verwendung der Frame-Überwachungsvorrichtung
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Nur
wenn beide Signalkopien von der Frame-Überwachungsvorrichtung
für gültig befunden
werden, wird eine Auswahl gemäß der Priorität 2 auf
der Basis der Übergangs- Überwachungsvorrichtungen gemäß der nachstehenden
Tabelle 3 freigegeben.
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Tabelle
3: Auswahlkriterien für
eine Auswahl der Priorität
2 unter Verwendung der Frame-Überwachungsvorrichtung
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Normalerweise
läßt sich
die Umschaltung eines fehlerbehafteten Signals aber auch durch Verwendung
geeigneter Pulldown- oder Pullup-Schaltungen an den vorhergehenden
Datensignal-Treiberausgängen oder
Empfänger-Eingangsschaltungen
vermeiden.
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Wenn
ein Datensignal verlorengeht, kann eine Störung im fehlerbehafteten Signal
auftreten, was einen zusätzlichen Übergang – z. B.
vom High-Pegel zum Low-Pegel – verursacht.
Eine solche Störung
sollte das System nicht veranlassen, auf das fehlerbehaftete Signal
umzuschalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
daher ein Zeitgeber vorgesehen, der bewirkt, daß eine Umschaltung nur ausgelöst wird,
wenn der Fehlerzustand im aktuell ausgewählten Signal nach Ablauf einer
vorgegebenen Zeitspanne fortbesteht. Diese Verbesserung macht die
Auswahl außerdem
unempfindlich gegen eine Signalumschaltung, bevor die Verlustsituation
erreicht ist.
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3 zeigt
ein Zustandsdiagramm dieser dritten Ausführungsform. Zu Beginn befindet
sich das System im Überwachungszustand
ST1. Wenn die Überwachungsvorrichtung
als Zustand C1 eine Nichtübereinstimmung
zwischen den Datensignalen der Kopien A und B feststellt, wird nach
M Bits der zweite Zustand ST2 erreicht. Im Zustand ST2 wird das
System geladen, um unmittelbar auf diejenige Signalkopie umzuschalten, die
den ersten Bit-Übergang
(d. h. den zweiten Zustand C2) zeigt. Die Umschaltung ist als Signalzustand
ST3 dargestellt. Nach der Umschaltung kehrt das System in den Zustand
ST1 (Zustand C3) zurück.
Wenn innerhalb eines zuvor festgelegten Zeitintervalls keine Umschaltung
erfolgt (d. h. Zustand C4), kehrt das System ebenfalls in den Zustand
ST1 zurück.
Das Zeitüberschreitungsintervall
kann anhand bekannter Signaleigenschaften gewählt werden, beispielsweise
anhand der erwarteten Bitübergänge, die
dem Rahmensynchronisationswort (Frame Alignment Word, FAW) zugeordnet
sind, oder anhand von Signalstatistiken wie z. B. der größtmöglichen
Anzahl der zu unterstützenden
aufeinanderfolgenden identischen Ziffern (Consecutive Identical
Digits, CIDs).
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Obwohl
der Auswahlmechanismus im Hinblick auf die Geräte-Schutzumschaltung beschrieben wurde, sei
angemerkt, daß er
ebenso gut auf jede andere Form von Absicherungsvorrichtung wie
etwa eine Pfad- oder Abschnitts-Absicherung anwendbar ist.
