DE69937475T2

DE69937475T2 - Verfahren und Vorrichtung für die numerische Steuerung des Puffers und eines Phasenregelkreises für asynchrone Netzwerke

Info

Publication number: DE69937475T2
Application number: DE69937475T
Authority: DE
Inventors: Silvio Cucchi; Daniele Meli
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: CA2276336A1; EP0969632A3; ITMI981508A1; US6819727B1; DE69937475D1; EP0969632B1; EP0969632A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die numerische Steuerung des Puffers und eines Phasenregelkreises für asynchrone Netzwerke.
Die Echtzeit-Übertragung von Signalen (wie z. B. von Sprach- oder Videosignalen) über asynchrone Netzwerke erfordert die Verwendung hoch entwickelter Puffer-Steuerungs- und Taktwiederherstellungs-Verfahren. Zum Beispiel wird bei Kommunikationsnetzwerken auf der Basis der Paketvermittlung, wie z. B. ATM (Asynchronous Transfer Mode), auf der Empfangsseite ein beträchtlicher Jitter eingeführt, einfach durch die asynchrone Natur der Übertragung und durch an den Netzwerk-Knoten eingeführte Verzögerungs-Unsicherheiten. Die typischen Muster solcher Unsicherheiten sind allgemein bekannt, aber die zugehörigen statistischen Parameter nicht.
Es ist bekannt, dass man, um das Synchronisationssignal der Quelle wiederzugewinnen, Phasenregelkreise (Phase-Locked Loops, PLL), möglicherweise digitale Phasenregelkreise (DPLLs), zusammen mit einem Puffer zur Speicherung der empfangenen Daten, aus denen der Jitter zu entfernen ist, verwenden kann.
Ein herkömmliches Verfahren besteht im Schreiben der Daten in den Speicher (Puffer), dessen Füllstand zu verfolgen und die PLL auf letzteren zu verriegeln.
Für starken Jitter ist es bekannt, das Verfahren der so genannten Zeitmarken zu verwenden, d. h. Zeitinformation, die zusammen mit der nützlichen Information (d. h. der Nutzinformation) regelmäßig vom Sender zu dem/den Empfängern) gesendet wird. Solche Zeitinformationen, wenn sie durch die DPLL richtig verarbeitet werden, erlauben folglich die Rekonstruktion des Signals auf der Empfangsseite, indem ein lokaler Takt damit verriegelt wird und somit eine entfernte "Synchronisation" durchgeführt wird. Es gibt andererseits Anwendungen, in denen die Zeitmarken nicht gesendet werden oder nicht brauchbar sind, sogar wenn sie von der Quelle gesendet werden; tatsächlich werden sie bezüglich einer Frequenz berechnet, die auf der Sendeseite wohlbekannt ist, die zum Empfänger gesendet werden muss. Wenn letztere nicht empfangen wird, ist die Zeitinformation völlig nutzlos.
WO 95/333320 beschreibt eine Taktwiedergewinnungseinheit zur Implementation einer Anpassung von Diensten mit konstanter Bitrate (CBR) über ein Asynchronous-Transfer-Mode-(ATM)-Netzwerk. Eintreffende Zellen werden regelmäßig auf den Puffer-Füllstand abgetastet. Der maximale Füllstand nicht verzögerter Zellen wird aus aufeinander folgenden Serien einer vorher festgelegten Anzahl von Puffer-Füllstands-Abtastwerten entnommen. Eine Frequenzeinstellungs-Logikeinheit liefert an ihrem Ausgang einen Bitstrom mit einer gegebenen Taktfrequenz. Die Frequenzeinstellungs-Logikeinheit führt schrittweise Einstellungen der Taktfrequenz f_j durch, so dass die Tendenz besteht, den stationären Mittelwert des Füllstandes in Richtung von Null zu bewegen.
EP 0 622 918 beschreibt eine Anordnung zur adaptiven Taktwiedergewinnung, um einen synchronen Takt aus einem asynchronen Paketstrom abzuleiten, wie z. B. einem Asynchronous-Transfer-Mode-(ATM)-Zellen-Strom. Die Abweichung der Menge an Information, die in einem First-in-first-out-Speicher gespeichert ist, wird kontinuierlich überwacht, und die synchrone Taktfrequenz wird in einer Vielzahl von Betriebsarten, gesteuert durch einen Prozessor, justiert.
Das Dokument "Proposal of mechanism for source clock recovery through asynchronous network", IBM Technical Disclosure Bulletin, IBM Corp. New York, US; Band 37 Nr. 7, 1. Juli 1994, Seite 401–407, XP000455559 beschreibt ein System, das in der Lage ist, den Takt einer Quelle auf eine Weise wiederzugewinnen, dass Wander herausgefiltert werden kann.
Das Dokument "Clock recovery for circuit emulation services over ATM", Broadband Communications Global Infrastructure for the Information Age, Proceedings of the International IFIP-IEEE Conference an Broadband Communications, Kanada, 1996, London, Chapman and Hall, GB, 23. April 1996, Seite 617–625, XP010525757, offenbart ein anderes Verfahren zur Wiedergewinnung der Taktfrequenz der Quelle zur Unterstützung von Circuit Emulation Services in ATM-Netzwerken.
Daher ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die numerische Steuerung des Puffers und eines Phasenregelkreises für asynchrone Netzwerke bereitzustellen, die in der Lage sind, die oben angegebenen Nachteile zu beseitigen. Insbesondere erweist sich das hier vorgeschlagene neue Verfahren in Anwendungen als sehr nützlich, in denen Zeitmarken nicht gesendet werden oder nicht benutzt werden können.
Auf jeden Fall ist es erforderlich, einen Puffer-Steuerungs-Algorithmus bereitzustellen, um sowohl den Verlust von Daten, wenn deren Menge ihre maximale Kapazität überschreitet (Überlauf), als auch das Fehlen von an das Empfangssystem zu liefernden Daten, wenn der Puffer leer ist (Unterlauf) zu vermeiden.
Daher liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur digitalen Steuerung des Puffers, das möglicherweise verbunden mit einem digitalen Phasenregelkreis, zum Beispiel dem, der durch ein vorheriges Patent abgedeckt wird, das demselben Anmelder erteilt wurde, in der Lage ist, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen; insbesondere, aber nicht ausschließlich, liefert sie eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Synchronisations-Blocks bezüglich der Optimierung der Pufferausnutzung, eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit für einen Überlauf und einen Unterlauf und eine ausgezeichnete Jitter-Unterdrückung auch bei sehr geringen Frequenzen.
Um diese Ziele zu erreichen, liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die numerische Steuerung des Puffers entsprechend der Ansprüche 1 bis 12, die einen integralen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bilden.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine Vorrichtung zur digitalen Steuerung des Puffers entsprechend der Ansprüche 13 bis 20, die einen integralen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bilden.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Phasenregelkreis entsprechend der Ansprüche 21 und 22, die einen integralen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bilden.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht in der Einführung eines Puffers, der als "virtuell" bezeichnet werden kann (oder unter Verwendung eines "virtuellen Zeigers" adressiert werden kann), für die Verwaltung des Puffer-Steuerungs-Systems und einer Schleife, die eine digitale Phasenverriegelung auf statistischer Basis liefert anstelle, durch den aktuellen Messwert der Eingangsphase.
Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehört die Verbesserung der Puffer-Leistungsfähigkeit, während die Wahrscheinlichkeiten für einen Überlauf und einen Unterlauf verringert werden, und der Anstieg der Frequenzstabilität des wiedergewonnenen Taktsignals.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer Ausführung und aus den begleitenden Zeichnungen deutlich, die nur zur Illustration und nicht als Einschränkung beigefügt sind, in denen:
1 ein Funktions-Blockdiagramm der Vorrichtung für die numerische Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine zentrierte Verteilung des Füllstandes des Puffers zeigt;
3a eine Verteilung des Füllstandes des Puffers zeigt, die komplett in den Dimensionen des Puffers liegt, während
3b eine Verteilung des Füllstandes des Puffers zeigt, die sich über die Dimensionen des Puffers hinaus erstreckt; und
4 zwei Verteilungen des Füllstandes des Puffers zeigt, der teilweise gefüllt bzw. teilweise leer ist.
Bezieht man sich zuerst auf 1, wird das Blockdiagramm des vorgeschlagenen Systems gezeigt. Es wird hier darauf hingewiesen, dass in der folgenden Beschreibung angenommen wird, dass mit einer ATM-Umgebung auf einem SDH-(Synchronous Digital Hierarchy)-Netzwerk gearbeitet wird, ohne die Allgemeinheit der für diesen Zweck vorgeschlagenen Lösung einzuschränken, und Ausführungen der verschiedenen Blöcke werden erläutert, wobei letztere keine Einschränkung der Realisierung des Systems sind.
Block F ist ein Multiplizierer, dessen Multiplikations-Konstante K_conf Werte von 0 bis 1 annehmen kann, entsprechend der vorausgewählten Konfiguration; in der folgenden Konfiguration wird angenommen, dass K_conf = 0, andere Konfigurationen werden später beschrieben.
Block A führt eine Veranschlagung der Verteilung der Ankunftsabstände (d. h. im Wesentlichen der Zeitintervalle zwischen dem Eintreffen eines Datenwertes oder eines Datensatzes und dem nächsten) auf der Grundlage der Eingangsphase φ_s, d. h. von der Schreibzeit der im Puffer eintreffenden Daten, durch. Er erlaubt im Wesentlichen die Auswahl einer Art von Verteilung aus n möglichen Verteilungen, von der angenommen wird, dass sie die Verteilung des empfangenen Datenflusses ist; indem aufeinander folgende Messwerte der Eingangsphase aufsummiert werden, wird die Kenntnis über die Art der Verteilung vertieft, und ihre charakteristischen Parameter (Mittelwert, Varianz, usw.) sowie eine Veranschlagung der Frequenz der Quelle werden berechnet. Die Veranschlagung der Frequenz der Quelle wird an Block B gesendet, der später beschrieben wird, während die Parameter der statistischen Verteilung an Block D und E gesendet werden, die ebenfalls später erläutert werden.
Zur Berechnung der statistischen Verteilung kann eines der aus der Literatur bekannten Verfahren verwendet werden, wie z. B. das auf der Basis von Histogrammen; durch solch ein Verfahren, das im Folgenden beschrieben wird, werden die aufeinander folgenden Messungen der Ankunftsabstände ausgeführt und in einem Vektor gespeichert, der die "Geschichte" der Messwerte enthält.
Als erstes wird der Bereich (d. h. das Intervall [a, b)) ermittelt, in dem die Messwerte gehalten werden müssen: Dies ist erforderlich, sowohl weil die betreffenden Verteilungen um den Mittelwert und innerhalb des 3-4-fachen der Standardabweichung signifikant sind, während im Gegenteil für Werte weit vom 4-5-fachen der Standardabweichung die Wahrscheinlichkeiten sehr klein werden, als auch weil der Vektor, in dem die Messwerte gespeichert werden müssen, offensichtlich eine endliche Anzahl von Elementen haben muss.
Das Messungs-Intervall ist in N Unter-Intervalle unterteilt, welche dieselbe Amplitude haben (im vorliegenden Beispiel L = (b – a)/N): Dies bedeutet, dass aus demselben Grund wie im vorherigen Punkt in Wirklichkeit die statistische Verteilung durch eine Schritt-Approximation der tatsächlichen Verteilung konstruiert wird. Das Intervall wird wie folgt unterteilt: [a, a + L)∪[a + L, a + 2L)∪[a + 2L,a + 3L)∪... ...∪[a + (N – 2)L), a + (N – 1)L)∪[a + (N – 1)L, b);
Indem man die Enden der Verteilung berücksichtigt, ist es möglich, die Intervalle (–∞, a) und [b, +∞) mit aufzunehmen, wodurch man eine Unterteilung vom folgenden Typ erhält: [–∞, a + L)∪[a + L, a + 2L)∪[a + 2L,a + 3L)∪... ...∪[a + (N – 2)L), a + (N – 1)L)∪[a + (N – 1)L, +∞);
Ein Vektor mit N Elementen isto[N] wird dann verwendet, wobei jedes Element in der Lage ist, das Auftreten der Histogramm-Werte des entsprechenden Intervalls zu sammeln. Vor dem Beginn der Messungen werden alle Elemente des Vektors auf den Wert 1/N initialisiert, d. h. der Startpunkt ist eine Gleichverteilung (man beachte, dass es zur Beschleunigung der Konvergenz des Algorithmus möglich ist, die Verteilung auf "charakteristische" Werte zu initialisieren, die der angenommenen Anfangs-Typologie entsprechen).
Für jeden Messwert x, der zum Unter-Intervall i gehört (somit mit isto[N] verbunden ist), wird folgendes ausgeführt:
wobei α einen Schwundfaktor, d. h. die Aktualisierungsrate des Histogramms, darstellt. Durch eine solche Berechnung erhält man eine normierte Verteilung, wobei immer gilt, dass
Die so erhaltene Verteilung approximiert schrittweise die Verteilung des Eingangssignals (präziser approximiert sie daher eine bestimmte Realisierung eines bestimmten Prozesses, von dem angenommen wird, dass er stationär ist).
Bei gegebener Verteilung ist es einfach, ihren Typ und die zugehörigen statistischen Parameter abzuleiten, die benötigt werden. Insbesondere ist der Kehrwert des Mittelwertes des Ankunftsabstandes ein Schätzwert für die Übertragungsfrequenz der Quelle.
Es wird aufgezeigt, wie die vorherige Kenntnis einiger charakteristischer Faktoren des Netzwerks es möglich macht, zu bewerten, ob die berechneten Werte gültig sind oder nicht: Weiß man zum Beispiel, dass die Frequenz der Quelle sich bezüglich ihres Nennwertes innerhalb einer bestimmten Präzision ändern kann, und liegt der berechnete Wert außerhalb des zulässigen Bereichs, kann man daraus schließen, dass das System noch nicht die erforderliche Präzision erreicht hat, und der Nennwert oder einer der zulässigen Werte wird für den betreffenden Wert verwendet.
Block B ist als Frequenz-Veranschlager definiert und berechnet im Wesentlichen die Frequenz (und daher die Phase) des lokalen digitalen Oszillators OSC (der physikalisch nicht vorhanden ist, sondern simuliert wird). Er berechnet die Frequenz des Oszillators, indem er den Schätzwert der Verteilung der Ankunftsabstände und den Restfehler e'_φ verwendet, der in Downstream-Richtung vom Tiefpass-Filter C immer noch vorhanden ist. In der hier beschriebenen Ausführung ist es ein IIR-Filter, das mit den Schätzwerten der mittleren Ankunftsabstände arbeitet und eine Eingangs-/Ausgangs-Relation des folgenden Typs hat: T[n] = (1 – α)·T[n – 1] + α·TA wobei T[i] den Schätzwert des mittleren Ankunftsabstandes der i-ten Iteration bezeichnet, T_A den von Block A gelieferten Schätzwert bezeichnet, und α ein Parameter ist, mit dem das Durchlassband des Filters eingestellt wird; letzterer nimmt einen bestimmten Anfangswert an und wird dann mit der Zeit auf einen viel kleineren asymptotischen Wert verringert (z. B. von 1 auf 10^–9), zum Beispiel entsprechend dem folgenden Gesetz: α[n] = (1 – γ)·α[n – 1] + γ·α∞ wobei α_∞ der asymptotische Wert und γ die "Verengungs-Rate" des Filter-Bandes ist.
Man beachte, dass es möglich ist, zuerst ein FIR-Filter, und dann nach einer Anzahl von Iterationen das oben beschriebene IIR-Filter zu verwenden.
Das Filter zur Veranschlagung der mittleren Zeit muss auch die Einschränkungen berücksichtigen, die durch die Kenntnis des Quellen- & Netzwerk-Systems gegeben sind. Da die Quellen-Frequenz F_s mit einer bestimmten Genauigkeit bekannt ist, ist ΔF_s auch bekannt, und daher hat man eine ähnliche Kenntnis der Zeiten zwischen den Übertragungen, es ist offensichtlich, dass Block B Schätzwerte T[i] nicht berücksichtigen darf, durch die die geschätzte Quellen-Frequenz f_s den zulässigen Bereich verlässt (d. h. wenn f_s > F_s + ΔF_s oder f_s < F_s – ΔF_s), indem er geeignete Begrenzungen durchführt: Aus diesem Grund ist die Kenntnis des Restphasenfehler-Wertes e'_φ auch erforderlich.
Block C ist ein hoch-parametrisches, adaptives Tiefpassfilter, dessen Funktion es ist, den ATM-Zellen-Jitter herauszufiltern (wenn T_s die Quellen-Übertragungs-Periode, t_arrival[n] die Ankunftszeit der n-ten ATM-Zelle und Δ die mittlere Verzögerung des Netzwerks ist, ist der Zellen-Jitter definiert durch j[n] = t_arrival[n] – n·T_s – Δ). Die Filter-Parameter und daher die Bandbreite, werden von Block D eingestellt, der die Filter-Parameter berechnet, und durch Block E, der eine Veranschlagung der Verteilung des Puffers BU auf der Basis der statistischen Verteilungs-Parameter von Block A durchführt.
In Upstream-Richtung von Filter C befindet sich ein algebraischer Summierer Σ1, der den Phasenfehler e_φ berechnet, je größer der durch das Netzwerk verursachte Jitter, um so größer wird seine Dynamik sein.
Das Ausgangssignal von Filter C ist der Restphasenfehler e'_φ des Systems: Unter idealen Bedingungen, d. h. bei perfekter Veranschlagung der Eingangs-Verteilung, hat es immer noch einen restlichen Jitter, ausschließlich durch die Quelle und nicht durch das Netzwerk. Der nachfolgende Summierer Σ2 gibt eine Lese-Phase φ₁ des Puffers BU (statistischer Zeiger) ohne Netzwerk-Jitter zurück, die in der analysierten Konfiguration mit K_conf = 0 nur von dem Schätzwert von Block B abhängt. Falls erforderlich, kann der restliche Jitter, der nur durch die Quelle verursacht wird, effektiv durch eine PLL (nicht gezeigt) beseitigt werden, die in Downstream-Richtung des gesamten Systems eingefügt wird und denselben physikalischen Puffer des gezeigten Systems benutzt.
Die von den Blöcken D und E berücksichtigten Faktoren sind:
a) Verteilung der Ankunftsabstände; b) Füllstand des Puffers; c) Wahrscheinlichkeit für Überlauf und Unterlauf; d) Ausnutzungsgrad des Puffers.
Eine der Innovationen dieses Systems besteht in der optimalen Ausnutzung des Puffers: Hat man zum Beispiel eine bestimmte als Puffer genutzte Menge an Speicher, wird sie so viel wie möglich ausgenutzt, wobei versucht wird, den "Füllstand" r, auch als "Benutzungsgrad" bezeichnet (im Folgenden gemäß der Definition r = d/C – siehe 4 – verstanden, die auch später angegeben wird) innerhalb vorher festgelegter Grenzen zu halten (z. B. innerhalb von 60–80%). Die Einführung einer Unter-Ausnutzung des Puffers durch Ausnutzung nur eines kleinen Prozentsatzes (z. B. weniger als 50%) kann eine übermäßige Aufweitung des Durchlassbandes des Filters mit einem daraus folgenden Anstieg des Ausgangs-Rest-Jitters zur Folge haben. Im Gegensatz dazu kann der Versuch, ihn oberhalb des vorher festgelegten maximalen Schwellwertes (z. B. 90%) zu nutzen, eine hohe Überlauf-/Unterlauf-Fehlerwahrscheinlichkeit zur Folge haben.
Die Definition von "Puffer-Verteilung", die für die Beschreibung des Tiefpassfilters (2) entscheidend ist, wird unten angegeben. Nehmen wir an: a) Schreiben in den Puffer mit einer Rate die gleich der des Empfangs ist; b) Lesen aus dem Puffer mit einer konstanten Rate, die gleich der Nennrate der Quelle ist; c) es steht ein Puffer zur Verfügung, der groß genug ist, die Überlauf-Bedingung zu vermeiden.
Dann wird als "Puffer-Verteilung" die Verteilung des Füllstandes des Puffers, zentriert bezüglich seiner Größe, bezeichnet. "Zentriert" bezieht sich hier auf die Tatsache, dass die Wahrscheinlichkeit des Füllens eines Teils des Puffers (2, Bereich A) mit der des anderen Teils (2, Bereich B) bezüglich des statistischen Mittelwertes übereinstimmt. Die Mitte der Verteilung wird deutlich durch eine vertikale Linie gekennzeichnet. Daher wird, wenn man sich auf die "Mitte der Verteilung" (oder auf die Mitte des Puffers) bezieht, nicht auf die physikalische Größe (50% der Speichergröße), sondern auf die Wahrscheinlichkeit (50% der Wahrscheinlichkeit) Bezug genommen. Im Betrieb hat, wenn der Puffer bis zur Mitte gefüllt ist, ein weiteres Füllen dieselbe Wahrscheinlichkeit wie ein weiteres Leeren. Es wird darauf hingewiesen dass z. B. bei ATM-Netzwerken die physikalische Mitte fast nie mit der probabilistischen Mitte übereinstimmt.
Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass bei einer gegebenen Größe des Puffers zwei verschiedene Relationen zwischen letzterem und seiner Verteilung möglich sind, wie in 3 gezeigt. In der ersten Situation (3a) bleibt die Verteilung komplett in der Größe des Puffers: Unter diesen Bedingungen ist es möglich, das Filterband nach Belieben zu verengen, da Überläufe sowieso nicht auftreten. In der zweiten Situation (3b) reicht die Größe des Puffers nicht aus, um die Eingangs-Daten-Bereiche aufzunehmen, somit muss das Filterband variiert werden, um dem Eingangs-Jitter zu folgen (sogar wenn er so klein wie möglich ist) und somit einen Überlauf zu vermeiden. Angesichts der Beschaffenheit des Jitters in Netzwerken, auf die Bezug genommen wird, ist es sowieso unwahrscheinlich, dass die erste Situation auftritt, es sei denn man hat eine beträchtliche Menge an Speicher; und auch unter diesen Umständen arbeitet das hier offen gelegte Verfahren jedoch auf optimale Weise.
Das bandgesteuerte parametrische Tiefpassfilter kann zum Beispiel eine Eingangs-Ausgangs-Relation des folgenden Typs haben: Φout[i] = p·φout[i – 1] + (1 – p)·φin[i] (1)wobei p den Pol des Filters bezeichnet; in diesem Fall ist die Übertragungsfunktion (H(z)):
Um Stabilität und die Tiefpass-Charakteristik zu haben, muss der Pol p Werte zwischen 0 und 1 annehmen, wobei je größer p ist, umso schmaler das Band sein wird.
Das Änderungs-Gesetz des Pols p wird dann die Anpassungsfähigkeit des Systems an die Verteilung der Ankunftsabstände und die Puffer-Verteilung festlegen; in der hier beschriebenen Implementation könnte ein mögliches Gesetz zur Filter-Steuerung folgendes sein:
wobei:
P der Nennwert des Pols ist, d. h. der Wert, der bei Fehlen von Korrektur-Aktionen durch andere Blöcke (D und E) erzielt werden kann. Er bestimmt ferner das minimale Band des Filters angesichts der Tatsache, dass die anderen Parameter k und R nur dazu tendieren, es zu verbreitern;
R bezeichnet den Filter-Band-Justierfaktor und folgt einem Gesetz des Typs: R = rn·W·B;wobei:

– r ein Faktor ist, der proportional zum Füllstand des Puffers ist, unabhängig von seiner Größe: Ist d der Abstand (gemessen in Speicherelementen) zwischen dem effektiven Füllstand des Puffers und dem Mittelwert seiner Verteilung und C der Abstand zwischen dem Mittelwert und dem Ende des Puffers von derselben Seite des aktuellen Füllstandes (4), ist:
– n ist eine ganze Zahl, die den Faktor r gewichtet;
– W bezeichnet die Rest-Wahrscheinlichkeit für das Gehen zu Überlauf- oder Unterlauf-Bedingungen; in 4 wird sie durch die Fläche unter der Verteilung vom aktuellen Füllstand bis zum probabilistisch weiter entfernten Punkt dargestellt; man beachte, dass W dazu tendiert, sich zu verringern, wenn der Puffer sich seinem Ende nähert: Situationen, die nahe an der maximalen oder minimalen Füllung sind, haben daher eine Verengung des Bandes zur Folge. Dies ist wahrnehmbar, weil wenn die Veranschlagung der Puffer-Verteilung korrekt ist, die Wahrscheinlichkeit für die weitere Bewegung in Richtung auf Überlauf-/Unterlauf-Bedingungen immer kleiner ist, während die Wahrscheinlichkeit für die weitere Bewegung in Richtung auf die Mitte der Verteilung viel größer ist. Um vor Fehlern geschützt zu sein, ist es auf jeden Fall möglich, einen konstanten Wert zu W hinzuzuaddieren, der für ein minimales Durchlassband sorgt: W' = Wmin + W.
– B wird zusammen mit n geändert, um die Puffer-Ausnutzung zu ändern und dann dafür zu sorgen, dass er einen Füllstand von 60% bis 80% hat. Sollte die Ausnutzung kleiner sein, wird das Band des Filters eingeengt; wenn die Ausnutzung größer als 80% ist, wird es verbreitert. Daher versucht man, die Ausnutzung in die Nähe des Wertes von 70% zu bringen, der als der optimale Wert angesehen wird.

Die Relation, durch die R definiert wird, wird beibehalten, wenn sich der Füllstand ändert, vorausgesetzt, dass letzterer innerhalb vorher festgelegter Ausnutzungs-Grenzen bleibt (z. B. zwischen 0 und 80%). Wenn diese Grenzen überschritten werden, bedeutet dies, dass man sich Überlauf-/Unterlauf-Bedingungen nähert: Unter diesen Umständen ist es erforderlich, das Durchlassband des Filters zu verbreitern, indem man geeignet auf den Faktor k einwirkt, wie später beschrieben, aber auch auf den Wert R. In der hier beschriebenen Ausführung wurde gewählt, wenn der Füllstand des Puffers zwischen 80 und 85% liegt, R entsprechend einem parabolischen Gesetz zwischen (0,8ⁿ·W·B), wie durch die oben angegebene Relation angegeben, und einem konstanten Wert, der einige Einheiten beträgt, wie zum Beispiel 4 oder 5, der innerhalb des gesamten Füllstandes 85–100% beibehalten wird, zu ändern.

– k repräsentiert den Verstärkungsfaktor von R und bezieht sich auf die Überlauf-/Unterlauf-Wahrscheinlichkeit. Er wird auf eine Weise berechnet, dass die Überlauf-/Unterlauf-Wahrscheinlichkeit unter einem vorher festgelegten Wert, z. B. 10^–9, bleibt. Die Berechnung des Wertes kann aus einer Hypothese der Verteilung der Ankunftsabstände abgeleitet werden. Eine mit dem Ereignis des Überlaufs verbundene mögliche Methodik wird aus Gründen der Einfachheit festgelegt, wobei die mit dem Ereignis des Unterlaufs verbundene im Wesentlichen dual ist. Es wird darauf hingewiesen, dass im Allgemeinen das gesamte System auf diskreter Zeitbasis arbeitet, mit einer Zeitscheibe T_c, die nicht mit T_s, der Quellen-Datenübertragungs-Zeitscheibe (d. h. Kehrwert der Quellen-Frequenz), übereinstimmen muss. In der Regel arbeitet das System tatsächlich langsamer, insbesondere wenn eine solche Begrenzung durch die Menge der Berechnungen eingeführt wird, die bei jeder Iteration des Algorithmus auszuführen ist.

In einer möglichen Überlauf-Situation ist es erforderlich, den minimalen Ankunftsabstand T_min der eintreffenden Daten festzulegen, durch den der restliche Platz des Puffers nicht mehr ausreicht, sie aufzunehmen. Intuitiv ist dies eine Frage der Bestimmung der maximalen Rate, mit der Daten im Intervall (n·T_c, (n + 1)·T_c] eintreffen können, die Rate, für die die restliche Kapazität des Puffers nicht ausreicht, sie aufzunehmen.
Die minimale Ankunftszeit muss auf statistischer Basis berechnet werden: Wenn eine Überlauf-Wahrscheinlichkeit kleiner als P_o gewünscht wird, muss der kleinste Ankunftsabstand, der jedoch einen Wahrscheinlichkeits-Wert gleich P_o hat, berücksichtigt werden (in der Tat bedeutet die Einstellung von T_m auf den kleinsten der Ankunftsabstände, dass man die Fehlerwahrscheinlichkeit auf den kleinsten möglichen Wert bringt, aber auch den Jitter erhöht, da sich der Wert von k erhöht und das Durchlassband des Filters verbreitert).
Vorausgesetzt, dass die gewünschten Wahrscheinlichkeiten in der Größenordnung von 10^–9 liegen, ist es unpraktisch, Trio aus der Verteilung abzuleiten, die durch Block A veranschlagt wurde und nur eine Näherung liefert. Somit ist es vorzuziehen, ein digitales Verfahren zu benutzen, mit dem die Parameter ausgewertet werden, die durch die Eingangs-Statistik berechnet wurden, insbesondere der mittlere Ankunftsabstand T_m und seine Standardabweichung σ. Dann kann die Verteilung der Summe von N = int(T_c/T_ss) Ankunftsabständen berechnet werden (die als unabhängige und gleichverteilte Zufallsvariablen angenommen werden), deren Mittelwert N·T_m sein wird und deren Standardabweichung σ_N sein wird; die Zeit T' wird dann berechnet: T' = N·Tm – c·σN (wobei der Faktor c, der die Fehlerwahrscheinlichkeit bildet, z. B. den Wert 4 oder 5 hat), und es wird ermittelt:
Es ist erforderlich, zu berücksichtigen, dass während die Daten in zufälligen Intervallen geschrieben werden, sie auch an Intervallen genommen werden, welche die Länge T_ss haben (welches die Veranschlagung von T_s ist, die durch Block B ausgeführt wird).
Angesichts dessen, was man bis zu diesem Punkt gesehen hat, nimmt unter der Bedingung einer Ausnutzung über einer bestimmten Schwelle R einen konstanten Wert an.
In Betrieb:
i) misst zum Zeitpunkt T_n-1 = (n – 1)·T_c das System den Füllstand des Puffers und dieser übersteigt den vorher festgelegten maximalen Schwellwert; ii) dann wird ein konstanter Wert Ro auf R auferlegt; iii) T_min wird entsprechend der oben beschriebenen Prozedur berechnet; iv) eine Anzahl von Daten, höchstens gleich N_in = T_c/T_min trifft mit einer vorausgewählten Wahrscheinlichkeit im Intervall [(n – 1)·T_c, n·T_c] ein; v) im selben Zeitintervall N_out = T_c/T_ss werden Daten entnommen; offensichtlich geht man in Richtung der Überlauf-Bedingung, wenn N_in > N_out.
Damit sich der Füllstand zum Zeitpunkt T_n bezüglich des Zeitpunktes T_n-1 nicht erhöht, ist es dann erforderlich, in (1) einzuführen, dass
wenn alle Parameter, bis auf k, bekannt sind, kann man mit der Berechnung von k = k_o fortfahren, das gleich den beiden Termen der obigen Gleichung ist. Bei einem Unterlauf ist das Verfahren völlig gleich, wobei der maximale Ankunftsabstand mit einer vorher festgelegten Wahrscheinlichkeit ins Spiel kommt, und man erhält den gesuchten Wert k = k_u durch dasselbe Verfahren.
Die Konstanten k_o und k_u erlauben die Anwendung einer gewünschten Überlauf-, bzw. Unterlauf-Wahrscheinlichkeit und müssen regelmäßig neu berechnet werden, damit sie durch die neueste Statistik des Eingangssignals aktualisiert werden. Es ist auf jeden Fall ratsam, dass das System diese beiden Werte von k nur benutzt, wenn es sich in einem Zustand einer zu großen Pufferauslastung befindet (z. B. über 85%) und im Gegensatz dazu kleinere Werte benutzt, wenn es von diesem Zustand weit entfernt ist, um eine extreme Aufweitung des Filterbandes und somit einen Anstieg des Ausgangs-Jitters zu vermeiden. Ein mögliches Gesetz für die Änderung des Faktors k, der durch Änderung des Puffers s erhalten wird, kann für den Überlauf sein:

K = K_min (0 ≤ s ≤ 75%)

K = K_min + (s – 0,75)·(k_o – k_min)/0,1 (75% < s < 85%)

k = k_o (s ≥ 85%)

und ähnlich für den Unterlauf, wobei k_o durch k_u ersetzt wird.
Wie erwähnt, kann das vorgeschlagene System zusammen mit einer PLL arbeiten, die denselben physikalischen Puffer gemeinsam nutzen kann. Dies ist erforderlich, wenn die benötigte Genauigkeit so hoch ist, dass sie durch das vorgeschlagene System allein nicht erfüllt werden kann: Man betrachte zum Beispiel die Rekonstruktion der Referenz-Synchronismen eines codierten Videosignals, das mit ATM über ein SDH-Netzwerk übertragen wird.
Unter diesen Umständen liefert das System, dass k_conf = 1 (oder allgemeiner, 0 < k_conf ≤ 1): Der "statistische Zeiger" wird nicht mehr den Lese-Zeiger des Puffers bilden, sondern wird der Eingangswert der PLL werden; die PLL, soweit sie betroffen ist, wird den restlichen Jitter, der nur durch die Quelle aber nicht durch das Netzwerk verursacht wird, aus dem statistischen Zeiger beseitigen (tatsächlich wurde der Netzwerk-Jitter durch das vorgeschlagene System bereits beseitigt).
Die Ausgangs-Phase der PLL bildet dann die Puffer-Auslese-Phase. Eine teilweise Implementation des Systems ist auch möglich, wobei eine mögliche Implementation, die insbesondere nützlich ist, wenn eine grobe Verringerung des Netzwerk-Jitters ausreicht, hier erwähnt wird. Das System muss dann wie folgt konfiguriert werden: i) k_conf = 0; ii) Block C ist ein Allpass-Filter (Ausgang = Eingang); und iii) Block D und E werden weggelassen.
Das so erhaltene System ist eines mit Vorwärts-Regelung; Block B, der selbst auf den Veranschlagungen von Block A, auf dem Phasenfehler und auf der Kenntnis der möglichen Änderungs-Intervalle der betreffenden Werte basiert, die aus dem Netzwerk und den Charakteristiken der Quelle abgeleitet werden, die mit einer bestimmten Genauigkeit bekannt sind, kann dann die Quellen-Frequenz approximieren. Offensichtlich ist die so erhaltene Genauigkeit kleiner als die des kompletten Systems, aber die daraus folgende beträchtliche Vereinfachung muss auch berücksichtigt werden.
Dennoch können das oben beschriebene Verfahren und die Vorrichtung in verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, in denen die numerische Steuerung des Puffers und eines Phasenregelkreises für asynchrone Netzwerke erforderlich ist, sie erweisen sich ebenfalls im Fall von Fernsehsignalen als besonders nützlich.
Mit der obigen Beschreibung der durchgeführten Funktionen und der Betriebsart stellt die tatsächliche Realisierung des Schaltkreises der Erfindung für einen Fachmann kein Problem dar.

Schließlich sind Varianten der oben beschriebenen, nicht einschränkenden Ausführung ebenfalls möglich. Figur 1

A	Veranschlagung der Verteilung der Ankunftsabstände
B	Quellen-Frequenz-Veranschlager
C	Tiefpassfilter (parametrisch)
D	Berechnung der Filter-Parameter
E	Veranschlagung der Puffer-Verteilung
Estimation of interarrival mean time	Veranschlagung des mittleren Ankunftsabstandes
Parameters of statistical distribution	Parameter der statistischen Verteilung
Buffer	Puffer
Buffer Parameters	Puffer-Parameter
Writing pointer	Schreibzeiger
"Statistic" pointer	"Statistischer" Zeiger

Figur 2

Distribution center

Mitte der Verteilung

Figur 3
Figur 4

Center Mitte

Buffer full Puffer voll

Buffer empty Puffer leer

Claims

Verfahren zur numerischen Steuerung eines Puffers (PUFFER) für asynchrone Netzwerke, umfassend die Schritte: a) Durchführen einer statistischen Veranschlagung einer zeitlichen Flussverteilung entsprechend einer Eingangsphase (φ_schreibend), d. h. entsprechend Schreibzeiten von Daten, die in den Puffer (PUFFER) hereinkommen; b) Erhalten einer Veranschlagung einer Quellfrequenz und Herleiten eines oder mehrerer statistischer Parameter der statistischen Veranschlagung der zeitlichen Empfangsdatenflussverteilung; c) Senden der Quellfrequenzveranschlagung und des einen oder der mehreren statistischen Parameter zu einem oder mehreren Puffersteuerblöcken (B, D, E), die einen statistischen Auslesezeiger (φ_lesend) festlegen; und d) Steuern des Puffers (PUFFER) durch den Eingangsphasen (φ_schreibend)-Messwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt umfasst: Durchführen einer Veranschlagung der Pufferverteilung entsprechend Faktoren, umfassend mindestens einen der folgenden Faktoren: Empfangsdatenflusszeitverteilung; Pufferfüllniveau; Wahrscheinlichkeit eines Fehlers aufgrund von Überlauf oder Unterlauf; und Grad von Pufferausnutzung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt umfasst: Filtern von ATM-Zelljitter, um einen Phasenrestfehler (e'_φ) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt eines Filterns des ATM-Zelljitters durch ein parametrisches Tiefpassfilter (C) durchgeführt wird, dessen Filterparameter auf der Grundlage von einem oder mehreren Faktoren erstellt werden, umfassend: Zeitverteilung des Empfangsdatenflusses; Pufferfüllniveau; Wahrscheinlichkeit eines Fehlers aufgrund von Überlauf oder Unterlauf; und Pufferausnutzgrad.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt umfasst: Treiben eines Lokaloszillators (OSC) durch die Quellfrequenzveranschlagung und einen möglichen Phasenrestfehler (e'_φ) des Systems.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt umfasst: Durchführen einer algebraischen Summe der Eingangsphase zur Berechnung eines Phasenfehlers (e_φ).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt umfasst: Einsetzen einer digitalen Phasenregelschleife stromabwärts des Systems, um einen möglichen Restjitter zu beseitigen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt eines Durchführens einer statistischen Veranschlagung der zeitlichen Empfangsdatenflussverteilung entsprechend der Eingangsphase durch das Histogrammverfahren bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt eines Durchführens einer statistischen Veranschlagung durch das Histogrammverfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Erstellen des Intervalls [a, b), in dem die Messungen festgehalten werden sollten; ii) Unterteilen des Intervalls [a, b) in N Unterintervalle derselben Breite gleich L = (b – a)/N, um das Intervall als: (a,a + L)∪[a + L,a + 2L)∪[a + 2L, a + 3L)∪... ...∪[a + (N – 2)L), a + (N – 1)L)∪(a + (N – 1)L, b);oder (–∞, a + L)∪[a + I, a + 2L)∪(a + 2L, a + 3L)∪... ...∪[a + (N – 2)L), a + (N – 1)L)∪[a + (N – 1)L, +∞)aufzuteilen, wenn Intervalle (–∞, a] und [b, +∞) eingeschlossen sind; iii) Initialisieren der N Elemente eines Vektors isto[N] auf 1/N, wobei jedes die Frequenzen in Bezug zum entsprechenden Intervall sammeln kann; und iv) Durchführen für jede Messung x, die zum i-ten Unterintervall gehört, das isto[N] zugeordnet ist
wobei α die Histogrammaktualisierungsrate bezeichnet, und i und j ganze Zahlen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt eines Filterns des ATM-Zelljitters die Verwendung eines parametrischen Tiefpassfilters mit gesteuertem Band (C) vorsieht, das eine Eingangs-Ausgangs-Beziehung des Typs: (φaus[i] = p·φaus[i – 1] + (1 – p)·φein[i]aufweist, wobei p einen Pol des Filters (C) bezeichnet und einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist, und i eine ganze Zahl ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllniveau oder Niveau einer Verwendung des Puffers in einem Intervall zwischen 50% und 90% gehalten wird.
Gerät zur numerischen Steuerung des Puffers (PUFFER) für asynchrone Netzwerke, umfassend: – eine Einrichtung (A) zum: – Durchführen einer statistischen Veranschlagung der Empfangsdatenflusszeitverteilung entsprechend einer Eingangsphase (φ_schreibend), d. h. entsprechend Schreibzeiten von Daten, die in den Puffer (PUFFER) hereinkommen; – Erhalten einer Veranschlagung einer Quell- frequenz und Herleiten eines oder mehrerer statistischer Parameter der statistischen Veranschlagung der Empfangsdatenflusszeitverteilung; und – Senden der Veranschlagung der Quellfrequenz und des einen oder der mehreren statistischen Parameter zu einem oder mehreren Puffersteuerblöcken (B, D, E), die einen statistischen Auslesezeiger (φ_lesend) festlegen; und – Einrichtungen (B, D, E, OSC, C) zum Steuern des Puffers (PUFFER) durch den Eingangsphasen (φ_schreibend)-Messwert.
Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine Einrichtung (A) zur Durchführung einer Pufferverteilungsveranschlagung entsprechend Faktoren umfasst, umfassend mindestens einen der folgenden Faktoren: Empfangsdatenflusszeitverteilung; Pufferfüllniveau; Wahrscheinlichkeit eines Fehlers aufgrund von Überlauf oder Unterlauf; und Grad von Pufferausnutzung.
Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine Einrichtung (C) zum Filtern des ATM-Zelljitters umfasst, um einen Phasenrestfehler (e'_φ) abzuleiten.
Gerät nach Anspruch 14, bei dem die Einrichtung (C) zum Filtern ein parametrisches Tiefpassfilter ist und die Filterparameter der Filtereinrichtung entsprechend einem oder mehrerer Faktoren erstellt sind, umfassend die folgenden Faktoren: Empfangsdatenflusszeitverteilung; Pufferfüllniveau; Überlauf/Unterlauf-Fehlerwahrscheinlichkeit; und Grad von Pufferausnutzung.
Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine Einrichtung (B) zum Treiben eines Lokaloszillators (OSC) durch die Quellfrequenzveranschlagung und einen möglichen Phasenrestfehler (e) des Systems umfasst.
Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine digitale Phasenregelschleife zur Beseitigung von möglichem Restjitter umfasst.
Phasenregelschleife, umfassend ein Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16.