ITMI20110304A1 - Procedimento di elaborazione di segnali digitali per la trasmissione/ricezione di un flusso di segnali digitali su una pluralita' di canali - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente trovato un procedimento per l'utilizzo coordinato di una pluralità di canali di trasmissione per segnali digitali alimentati con singoli flussi digitali di dimensione maggiore della capacità di trasmissione di ciascun singolo canale, ma non superiore alla somma delle loro capacità.

E' noto, nel settore tecnico della trasmissione digitale, come, ad esempio, nel caso particolare dei ponti radio digitali, che il collegamento fra due stazioni rispettivamente trasmittente TX e ricevente RX può essere attuato utilizzando un certo numero di canali trasmissivi in parallelo.

In particolare per migliorare la capacità trasmissiva, la gestione dei canali può avvenire in diverse modalità, mantenendo ad esempio più canali attivi (N) e uno o più canali disponibili di riserva (m), da utilizzarsi nel caso in cui uno o più dei canali attivi non sia più in grado di trasmettere correttamente {cosiddetti sistemi N+m).

E' anche noto che in tale configurazione i canali funzionano in modalità cosiddetta ON/OFF, che permette la trasmissione del flusso di dati fino a che ogni canale à ̈ in grado di trasmettere a velocità nominale, con qualità della trasmissione come da specifica, mentre il canale viene spento e sostituito da un canale di riserva, se la qualità del canale scende sotto un certa soglia (per esempio per effetto di agenti atmosferici come la pioggia, oppure a causa dei percorsi multipli) e il canale non riesce più a trasmettere con la velocità nominale e con la qualità richiesta.

Sebbene funzionale, tale tecnica di gestione dei canali di trasmissione presenta degli inconvenienti tra i quali:

il mancato sfruttamento della capacità totale di trasmissione anche nel caso di condizioni ottimali di trasmissione, a causa della necessità di mantenere comunque inattivi uno o più canali di riserva;

l'elevato tempo di fuori servizio dei canali, determinato anche dal tempo necessario al ripristino della sincronizzazione fra trasmettitore e ricevitore alla riaccensione di un canale dopo il suo spegnimento. Sono anche note tecniche messe a punto per dare soluzione ai sopra citati problemi e aumentare l'efficienza del sistema di trasmissione nel suo complesso e ad esempio consistenti nell'utilizzare tutti i canali disponibili senza lasciarne uno {o più) di riserva, e nel trasmettere con continuità, ma abbassando la velocità di trasmissione, quindi la capacità di trasmissione, quando la qualità di un collegamento degrada, essendo in questi casi possibile, per esempio, sfruttare la tecnica della modulazione adattativa (ACM), e/o cambiare gli algoritmi di correzione di errore, aumentando in tal modo la capacità di correzione e consentendo sempre l'utilizzo di tutti i canali del sistema trasmissivo anche nelle condizioni di qualità degradata del collegamento, anche se a capacità ridotta.

Un altro caso noto in cui si realizza un collegamento su più canali fisici in parallelo per ottenere una più alta capacità trasmissiva, si ha nei collegamenti Ethernet che sfruttano il protocollo 802.3ad {noto come link aggregation) .

Tale tecnica consente di utilizzare più link in parallelo per realizzare un collegamento di capacità superiore ad ogni singolo link, senza dover cambiare le interfacce fisiche degli apparati (router o switch).

Dette tecniche note, pur essendo funzionali non sono tuttavia ottimizzate per la gestione dei canali di trasmissione nei casi in cui si verifichino variazioni della velocità di trasmissione e del numero dei canali a disposizione per il collegamento e/o dei tipi di protocollo utilizzati; ciò in quanto presuppongono l'utilizzo di specifiche tecnologie (ad esempio l'uso di Ethernet), e in genere richiedono complesse procedure e scambi di molte informazioni fra le varie entità che partecipano al collegamento, creando così problemi connessi con l'alto costo implementativo, al fine di ottenere la soluzione richiesta, anche se con limiti intrinseci .

La IEEE 802.3ad tratta, infatti, il problema di come ripartire su più link un dato flusso Ethernet e come ricomporlo alla fine, tale tecnica à ̈ però applicabile solo al caso Ethernet.

Si pone pertanto il problema tecnico di mettere a punto un procedimento in grado di utilizzare in modo coordinato un insieme di canali trasmissivi digitali, ciascuno di assegnata capacità nominale, al fine di realizzare una trasmissione dati in cui:

la capacità trasmissiva globale sia massimizzata, sfruttando nel modo migliore la capacità di ciascun canale;

- il sistema sia in grado di effettuare la trasmissione senza dover conoscere la tipologia dell'informazione trasportata o il protocollo utilizzato nel segnale trasportato;

- sia minimizzata la latenza globale introdotta dalla trasmissione nel transito del flusso informativo;

- la latenza sia omogenea per tutte le parti di informazione che attraversano il sistema e non si verifichino disomogeneità per effetto dell'utilizzazione di canali trasmissivi diversi con diversa capacità di trasmissione anche variabile nel tempo;

il procedimento richieda uno scambio minimo di informazioni sia tra il trasmettitore e la sorgente del segnale da trasmettere, sia tra il ricevitore e il trasmettitore nel sistema di trasmissione, una di tali informazioni essendo rappresentativa della capacità trasmissiva disponibile in base alla qualità di ciascun canale;

sia sempre utilizzata al massimo la capacità disponibile, anche se variabile, di ogni singolo canale.

Nell'ambito di tale problema si richiede inoltre che tale procedimento sia di semplice implementazione per consentire una riduzione dei circuiti e una conseguente riduzione dei corrispondenti costi di produzione delle apparecchiature di attuazione del procedimento.

Tali risultati sono ottenuti secondo il presente trovato tramite un procedimento di elaborazione di segnali digitali per la trasmissione/ricezione su una pluralità di canali trasmissivi di un flusso di dati digitali di grandezza maggiore di quella di ciascun singolo canale secondo le caratteristiche di rivendicazione 1.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione di maggior dettaglio di un esempio non limitativo di attuazione del procedimento di elaborazione di segnali oggetto del presente trovato effettuata con riferimento alle figure allegate in cui si mostra:

in figura 1 : uno schema a blocchi sintetico di un esempio di struttura di trasmissione cui à ̈ applicato il procedimento secondo il presente trovato e

in figura 2 : uno schema dei flussi dei segnali utilizzati dal metodo secondo il presente trovato per trasmettere il flusso Ftxdi fig .1.

Facendo riferimento alla figura 1 in cui à ̈ schematicamente illustrata la struttura generale di un sistema di trasmissione, comprendente:

almeno una sorgente TX atta a fornire un flusso digitale FTXe almeno un ricevitore RX atto a ricevere il detto flusso Ftx;

una pluralità di N canali digitali Ci di trasmissione ciascuno di capacità attuale ci tale da determinare una capacità totale attuale, nota, CTOT=CO+C2+ ... cn-idei canali Ci di trasmissione;

la capacità del flusso FTXessendo comunque non superiore alla capacità massima totale CTOT dei canali ci di trasmissione;

almeno un apparato GTX di gestione in trasmissione, che deve distribuire il flusso FTXsui canali Ci, e almeno un apparato GRX di gestione in ricezione che ha il compito di ricevere i flussi provenienti dai canali Ci e di ricomporre il flusso originario FTXper l'inoltro a RX;

Premesso che ai fini e nel significato della presente descrizione si intenderà:

Unità elementare Uj = il dato elementare (espresso in bit, nibble, byte, o multiplo di byte) in cui viene suddiviso il flusso Ftx in ingresso a GTX; l'unità Uj à ̈ di dimensione costante

Unità di tempo T = un prefissato intervallo di tempo,

(detto anche Periodo di Trama) durante il quale ciascun canale Ci trasmette un numero di unità elementari Uj pari alla propria capacità ci attuale ; pertanto il flusso FTXpresenta, in una data unità di tempo T, una quantità

CTOTdi unità elementari Uj pari alla somma delle capacità attuali Ci dei singoli canali Ci nella stessa unità di tempo;

Capacità massima di canale cmax= il valore di Ci corrispondente al valore nominale del canale Ci di maggiore capacità; cmaxnon può essere superata da alcuna capacità attuale ci dei canali Ci di trasmissione; Clock di Unità di Tempo CKU = clock che scandisce ciascuna Unità di Tempo T; Clock di Sistema CKS = clock con frequenza multipla del Clock di Unità di tempo CKU definita da CKS=CKU*N*(cmax+rn), in cui cmaxà ̈ il detto valore nominale del canale Ci di maggiore capacità, N à ̈ il numero dei canali trasmissivi, ed m à ̈ un intero >0 che determina, per ogni canale Ci,un numero di fronti del clock di sistema CKS, presenti nell'Unità di Tempo T, superiore alla capacità massima cmax, ovvero un numero di fronti superiore a Cmax*N;

Segnale di Enable En = che abilita un numero di fronti di transizione di CKS pari a N*cmaxin ogni perìodo T definito da CKU, ovvero disabilita N*m fronti di transizione di CKS;

I due clock di Unità di Tempo CKU e di sistema CKS e il segnale di Enable En sono imposti dalle caratteristiche della trasmissione e sono pertanto forniti dall'utilizzatore del metodo.

Sulla base di tali elementi il procedimento secondo il presente trovato per la trasmissione del flusso FTx di dati, proveniente dalla sorgente TX su una pluralità "N" di canali trasmissiviCi,comprende le seguenti fasi:

+) definizione di un

Segnale di clock derivato CKSEn = formato dai fronti del clock di sistema CKS derivati dalla abilitazione del segnale di Enable En; CKSEn=CKS&En;

e di un

Segnale di Enable derivato CKSEn/N = ottenuto dalla divisione per N dei fronti di CKSEn

+) definizione di N contatori di stato (Conti) ciascuno dei quali associato ad un relativo canale Ci che contano per Ci sotto il clock CKSEn, incrementando solo se abilitati da CKSEn/N e vanno in overflow a CMAX,mantenendo la memoria del valore attuale di overflow;

+) definizione di N registri di overflow (Ovfi) con valore binari (0/1) ciascuno associato ad un relativo canale Ci;

+) definizione di un contatore di canali CONTN che conta per 1 mosso da CKSEn e assume la sequenza di valori 0,1,2,..., N-l; 0,1,2,...

+) definizione di N segnali SYNCidi sincronizzazione ciascuno atto ad abilitare l'invio/prelievo delle unità Uj al/dal corrispondente canale Ci ;

+) definizione di un segnale SyncTX;SyncRX di abilitazione all'immissione del dato Uj dalla sorgente TX;GRX al ricevente GTX;RX

SyncTX;SyncRX = (EiSynCi) & CKSEn +) inizializzazione del sistema in corrispondenza di un clock di unità di tempo CKU ponendo:

tutti i contatori di stato Conti= 0,

tutti i segnali di overflow Ovfi = 0,

il contatore di canali CONTN = 0,

tutti i segnali SYNCi = 0

tenendo presente la consuetudine di produrre ciò che abilita le singole variazioni durante gli intervalli dei clock di transizione CKS per avere la transizione attuata all'immediato successivo fronte di clock di transizione CKS, sì ha:

+ ad ogni fronte del segnale CKSEn, ma solo se CKSEn/N à ̈ in abilitazione, si incrementa ciascun contatore di canale Conti del valore Ci pari alla capacità attuale del canale Ci,-Conti = Contiprec.+ ci;

+) se Conti _> cmaxsi pone Conti = Conti - cmax, e

+) si forza il segnale di overflow del canale Ci a l, Ovfi=l

+) ad ogni fronte del segnale di clock CKSEn si incrementa il valore di ContN (contatore di canali); ) se il canale Ci corrispondente al valore attuale del contatore ContN à ̈ in overflow cioà ̈ Ovfi=l, si attiva il segnale SYNCi;

dall'attivazione dei segnali SYNCi si genera il segnale SYNCTX inviato a TX il quale a sua volta invia l'unità Ujattuale a GTX che lo immette sul canale Ci abilitato da Sync per la trasmissione.

Dalla fig.2 si rileva anche che l'effettiva immissione di tutte le unità elementari Ujdi una trama T sui rispettivi canali Ci avviene con un ritardo PPS=Pipeline Shift {noto nella tecnica dei circuiti di elaborazione con Pipelining) rispetto al perìodo di Trama T, compreso tra due fronti di clock CKU successivi, durante il quale avviene l'elaborazione secondo il procedimento di cui al presente trovato.

In fig. 2 Ã ̈ rappresentato l'andamento dei vari segnali utilizzati dal metodo secondo il trovato in relazione ad un esempio di attuazione in cui si ha:

N = 2 cioà ̈ due canali trasmissivi, C0e Ci , con capacità massima cmax=13; corrispondentemente il valore di overflow dei contatori Conti à ̈ =13;

capacità attuale ci dei canali Ci rispettivamente:

c0=7 e cx=4;

il flusso FTXsarà pertanto formato da c0+Ci=7+4=ll unità

Uj per ogni intervallo di tempo T e tali unità saranno trasmesse assegnandone 7 al canale C0e 4 al canale Ci; il clock di sistema CKS ha frequenza CKS=2*(13+3)=32, essendo m=3.

Poiché Cmax=13 tramite il segnale di Enable En si deve generare un segnale CKSEn con 13*2=26 cicli di CKS; conseguentemente CKSEn/N presentarà 13 cicli di clock per ogni Unità di Tempo T.

Sotto questi segnali sono riportati i valori che assumono i contatori di canale Cont0e Cont1ad ogni ciclo di CKSEn/N; si vede che il primo à ̈ un contatore a incremento 7 e il secondo à ̈ analogamente un contatore a incremento 4.

La figura 2 mostra anche l'andamento dei segnali Ovf1e Ovf2: in ogni ciclo di CKSEn/N nel quale i contatori Conto e/o Cont1raggiungono il valore di overflow =13, il corrispondente segnale Ovf0/Ovf1.viene forzato ad 1;

Se Ovf0/Ovf1=1, si abilita il corrispondente segnale di sincronismo SYNC0/SYNC1 rispettivamente quando il valore di ContN (che, essendo N=2, risulta una sequenza di 0,1 che cambia valore ad ogni fronte del clock CKSEn) corrisponde al rispettivo canale 0 o 1 come da figura.

Dalla figura si vede anche come in ciascun periodo T vengano inviate 7 Unità elementari Uj sul canale C0e 4 Unità Uj sul canale Cxsecondo una sequenza che si ripete ad ogni ciclo e che costituisce la trama di concatenazione .

In figura 2 à ̈ anche evidenziata l'effettiva immissione dei segnali Uj nel rispettivo canale Ciin accordo alla procedura nota come contro-direzionalità secondo la quale l'abilitazione SyncTX all'immissione del dato à ̈ inviata dal ricevente alla sorgente e avviene durante un periodo dì trama T shiftato di un ritardo PPS come sopra spiegato,

Si nota inoltre come questo metodo permetta di adattarsi in modo molto semplice ai possibili cambiamenti di capacità cxa cui può essere soggetto un canale Ch; infatti à ̈ sufficiente modificare i valori utilizzati dai contatori Conti (ad esempio passare da 7 a 6 in Conto, oppure da 4 a 5 in Conti) per adattare alla nuova capacità cil'invio di unità Uj senza dover toccare il clock di sistema CKS e consentendo pertanto una notevole semplificazione circuitale.

Ciò avviene essendo resa nota nel periodo di Trama corrente la diminuita capacità di trasmissione di ciascun canale alle quali sul fronte di clock CKU di avvio del successivo periodo di Trama T, il flusso totale entrante FTx e l'incremento dei contatori dovranno essere corrispondentemente adeguati.

Secondo il trovato si prevede che dal lato Ricevente Rx, l'apparato GRX, non debba essere informato in anticipo sulla struttura della trama, per ottenere la ricomposizione del flusso FTx con le Unità elementari Uj provenienti dai differenti canali Ci; à ̈ infatti sufficiente che il GRX in ricezione conosca le stesse informazioni usate in trasmissione:

+ clock di unità di tempo CKU e clock di sistema CKS;

+ numero N dei canali Ci

+ capacità attuale Ci di ciascun canale Ci;

+ capacità massima CMAX

+ il segnale di Enable En

per poter applicare correttamente lo stesso procedimento utilizzato per la trasmissione e acquisire dai vari canali Ci le singole unità elementari Uj, e inviarle al ricevitore RX con abilitazione del segnale SyncRX per la ricomposizione del flusso FTx di partenza.

In questo caso, pur rimanendo inalterato il procedimento secondo il trovato, la trasmissione del segnale à ̈ di tipo co-direzionale in quanto il segnale SyncRX di abilitazione all'invio del dato Uj al ricevente RX à ̈ inviata dalla sorgente GRX al ricevente RX.

Risulta pertanto come il metodo di elaborazione di segnali secondo il presente trovato permetta di distribuire in modo automatico un flusso FTX di dati digitali, su N canali Ci che costituiscono il supporto di trasmissione in modo tale che:

la capacità trasmissiva globale sia massimizzata perché ciascun canale Ci à ̈ sempre utilizzato per la sua capacità massima attuale disponibile;

- al gestore dei canali di trasmissione GTX e di ricezione GRX Ã ̈ necessario un ridotto numero di informazioni per eseguire l'operazione di distribuzione e prelievo rispettivamente in trasmissione e ricezione;

non à ̈ necessaria la definizione di onerose tabelle comprendenti informazioni della struttura di utilizzo dei canali e il loro scambio fra stazione trasmittente e stazione ricevente;

la trasmissione/ricezione à ̈ trasparente rispetto al contenuto del flusso proveniente dal canale e quindi dalla sua struttura interna e dai protocolli utilizzati che pertanto non necessitano di essere noti al sistema di trasmissione;

la latenza globale introdotta nel transito del flusso informativo à ̈ minimizzata;

la latenza à ̈ omogenea per tutte le parti di informazione che attraversano il sistema, cioà ̈ lo sbandieramento (jitter) nei ritardi di ricezione fra i blocchi provenienti da canali fisici diversi Ci, con diversa capacità Ci, sono minimizzati a parità degli altri parametri del sistema;

eventuali variazioni (temporanee) nella capacità di qualche canale, come ad esempio riduzioni dovute alla pioggia nei collegamenti in ponte radio, sono gestite in modo semplice calcolando il valore attuale ridotto C'TOT<CTOTdella capacità totale di trasmissione (=somma della capacità attuali ridotte dei singoli canali); anche in questo caso vengono pertanto mantenuti il massimo utilizzo della banda disponibile, la minima latenza globale e la minima varianza (jitter) sul segnale in ricezione, si rileva, per esempio, dalla fig.2 che l'invio sul canale 1 della terza unità U2delle quattro che gli competono, avviene con buona accuratezza intorno ai tre quarti del periodo di Trama shiftato PPS.

Benché descritta nel contesto di alcune forme di realizzazione e di alcuni esempi preferiti di attuazione dell'invenzione si intende che l'ambito di protezione del presente brevetto sia determinato solo dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di elaborazione di segnali digitali per la trasmissione/ricezione da un Trasmettitore (TX) ad un ricevitore (RX) tramite un modulo (GTX) di gestione in trasmissione e un modulo (GRX) di gestione in ricezione, su/da una pluralità (N) di canali (Ci) di rispettiva capacita (ci) , di un flusso di dati (FTX) comprendente, in una Unità di Tempo (T), una assegnata quantità di Unità elementari (Uj) di segnali digitali non maggiore della somma (CTOT) delle singole capacità (ci) di trasmissione dei canali (Ci), detta trasmissione/ricezione essendo regolata da un clock di sistema (CKS) e da un segnale di Enable (En) atto a generare un segnale di clock (CKSEn) con numero di fronti ridotti rispetto al clock di sistema (CKS) , il procedimento caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti fasi: +) definizione di un segnale di clock derivato (CKSEn-CKS&En) , comprendente i fronti del clock di sistema (CKS) derivati dalla abilitazione del segnale di Enable (En); ) definizione di un segnale di Enable derivato (CKSEn/N) ottenuto dalla divisione per N dei fronti segnale di clock derivato (CKSEn) ; +) definizione di N contatori di stato (Conti) che ciascuno dei quali associato ad un relativo canale Ci,che contano per ci fino cmax,; +)- definizione di N registri di overflow (Ovfi) con valore binari (0/1) ciascuno associato ad un relativo canale Ci; +) definizione di un contatore di canali (C01SJTN) che assume la sequenza di valori 0,1,2,. . . , N-1; +) definizione di N segnali SYNCi di sincronizzazione ciascuno atto ad abilitare l'invio delle unità Uj al corrispondente canale Ci; inizializzazione del sistema in corrispondenza di un clock di unità di tempo (CKU) ponendo: tutti i contatori di stato Conti = 0, tutti i segnali di overflow Ovfi - 0, il contatore di canali CONTN = 0, tutti i segnali SYNCi = 0 incremento ad ogni fronte del segnale di clock derivato (CKSEn) abilitato dal segnale di enable derivato (CKSEn/N) del valore di ciascun contatore di canale (Conti)del valore Ci pari alla capacità attuale del canale Ci; +} se Conti>cmaxforzare Conti=Conti-cmax, e +} forzare il segnale di overflow del canale Ci a 1, Ovfi=l +) incrementare dì una unità il valore di contatore di canali (CONTN) ad ogni fronte del segnale di clock derivato (CKSEn); +} attivazione del segnale SYNCise il canale Ci corrispondente al valore attuale del contatore di canali (ContN) à ̈ in overflow cioà ̈ Ovfi-l,; +)generazione e invio di un segnale (SyncTX;SyncRX) dalla sorgente (TX;GRX) al ricevente (GTX;RX) per determinare l'invio del segnale Uj attuale sul/dal canale abilitato.
2. 2. Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l'Unità elementare (Uj) trasmessa à ̈ di grandezza costante.
3. 3. Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l'Unità di Tempo (T) à ̈ definita da due fronti di clock successivi del clock di unità di tempo (CKU).
4. 4. Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il Clock di Sistema CKS presenta frequenza multipla del Clock di Unità di tempo CKU definita da CKS=CKU*N* {cmax+m).
5. 5. Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l'abilitazione {SyncTX) dell'immissione del dato elementare (Uj) dal trasmettitore (TX) all'apparato (GTX) di gestione in trasmissione à ̈ contro-direzionale.
6. 6. Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l'abilitazione (SyncRX) all'immissione del dato elementare (Uj) dall'apparato (GRX) di gestione in ricezione al ricevitore (RX) Ã ̈ co-direzionale.
7. 7. Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la capacità (c'i) di trasmissione di ciascun canale (Ci) à ̈ ridotta rispetto al suo valore massimo (Ci) e la capacità totale di trasmissione (C'TOT) à ̈ minore della capacità massima possibile {CTOT}*
8. 8. Procedimento secondo rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che il clock di sistema (CKS), l'Unità di tempo (T) e il Clock di Unità di Tempo (CKU) sono costanti.
9. 9. Uso di un procedimento di elaborazione di segnali digitali secondo rivendicazione 1 per la ricomposizione in ricezione (GRX) di un flusso (FTx) con i dati prelevati da (N) differenti canali (Ci) di assegnata capacita (ci), caratterizzato dal fatto che prevede la disponibilità delle sole stesse informazioni: + clock di unità di tempo (CKU) e clock di sistema (CKS); segnale di Enable (En) + numero (N) dei canali (Ci)di trasmissione; + capacità attuale (CÌJ di ciascun canale (Cì> di trasmissione ; + capacità massima (CMAX) dei canali di trasmissione; utilizzate in trasmissione per la concatenazione dello stesso flusso (Ftx) sui detti canali (Ci).
10. 10. Uso secondo rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che la capacità totale attuale (c'T0T)dei canali (Ci) à ̈ inferiore alla capacita massima totale (cT0T)dei canali (Ci) stessi.