NL9401697A

NL9401697A - Transmissiesysteem voor ATM cellen door een passief lokaal net.

Info

Publication number: NL9401697A
Application number: NL9401697A
Authority: NL
Inventors: Mark Johannes Gerardus Dirksen
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1996-05-01
Also published as: JPH08204729A; JP2858300B2; US5815498A; DE69529262D1; EP0707431B1; DE69529262T2; ATE230549T1; EP0707431A1; ES2188634T3

Description

KONINKLIJKE PTT NEDERLAND N.V.

GRONINGEN

Transmissiesysteem voor ATM cellen door een passief lokaal net.

A. ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

De uitvinding heeft betrekking op een transmissiesysteem voor aan lokale stations aangeboden ATM cellen naar een centraal station, en van aan dat centrale station aangeboden ATM cellen naar de lokale stations.

De problematiek hierbij is dat, enerzijds, cellen die --willekeurig bij welk lokale station— het eerst aankomen ook het eerst naar het centrale station moeten worden overgedragen (FIFO: first in, first out); anderzijds, met name waar over tenminste een deel van het transmissietraject van hetzelfde medium gebruik wordt gemaakt zoals in passieve optische abonneenetten, moet het overdrachtstijdstip vanuit het centrale station geregeld worden, teneinde collisie in het gemeenschappelijke traject te vermijden. Opgave van de uitvinding is dus te voorzien in een regelmechanisme, waardoor ATM cellen die aan de lokale stations worden aangeboden in volgorde van aankomst naar het centrale station worden overgedragen, echter zodanig bestuurd dat daarbij geen collisie optreedt.

B. SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De uitvinding voorziet in een eenvoudige maar effectieve registratie van de aankomstmomenten van cellen aan de verschillende lokale stations en het periodiek overdragen van die registratie. Verder in het aan de zijde van het centrale station zodanig verwerken van die informatie dat, met het verzenden van ATM cellen naar de lokale stations, "permits" worden meegezonden die ervoor zorgen dat geen collisie optreedt en aan de FIFO-eis wordt voldaan.

Hierna zal de uitvinding aan de hand van enige figuren nader worden uiteengezet.

C. FIGUURBESCHRIJVING

Figuur 1 toont een viertal abonneestations die via een passieve optische link met een centraal station verbonden zijn.

Figuur 2 toont schematisch het bufferen van ATM cellen en het registreren van de aankomsttijden in de abonneestations door middel van het genereren van een reeks cel aankomst bits (CABs).

Figuur 3 toont het —na overdracht van de CAB reeksen— in het centrale station verwerken van de CAB reeksen van de verschillende lokale stations tot abonnee toegangscodes (SACs, "permits").

Figuur 4 toont schematisch de overdracht van de CAB reeksen naar het centrale station en die van SACs naar de abonneestations.

Figuur 1 toont een aantal abonneestations 1...4 die via een passief optisch netwerk, gevormd door glasvezels 5, een passieve koppelaar/splitser 6 en een --voor de abonneestations gemeenschappelijke— glasvezel 7, verbonden zijn met een centraal station 8, dat toegang geeft tot een netwerk. Aan elk abonneestation kunnen ATM cellen worden aangeboden die aan het centrale station kunnen worden overgedragen. Tegelijkertijd kunnen ATM cellen van het centrale station naar de abonneestations worden overgedragen; die cellen worden dan aan alle abonneestations aangeboden, waarbij elk abonneestation alleen voor dat station bedoelde cellen opneemt en verder doorgeeft. Door een abonnee aan zijn abonneestation aangeboden cellen bestemd voor het centrale station, worden in dat abonneestation gebufferd in een celbuffer, in afwachting van een, door het centrale station af te geven, toestemmingscode (permit) voor verzending. Om het centrale station ervan te verwittigen dat het abonneestation een cel wil verzenden, moet een code naar het centrale station worden gestuurd. Indien een dergelijke code niet meer informatie zou bevatten dan het simpele bericht dat abonneestation nummer zoveel een cel heeft ontvangen en die wenst te verzenden, zou het centrale station geen rekening kunnen houden met het aanbiedingstijdstip van die cel, liever gezegd, met de aanbiedingstijdstippen van verschillende cellen in verschillende abonneestations. Daardoor zou een cel die vroegtijdig werd aangeboden bij het ene abonneestation geen voorrang kunnen krijgen boven een bij een ander abonneestation later aangeboden cel. Daar dit "FIFO"-principe uit performance-oogpunt gewenst is —immers daardoor wordt opeenhoping van cellen tegengegaan-- wordt volgens de uitvinding erin voorzien dat wèl tijdstip-informatie wordt overgedragen, en wel op een eenvoudige maar doeltreffende wijze. In feite wordt niet alleen een code gegenereerd indien gedurende een tijdslot een ATM wordt aangeboden, maar ook als een tijdslot leeg is: bij een leeg tijdslot wordt een code "0" gegenereerd, bij een met een cel gevuld tijdslot een code "1". Op die wijze wordt een codereeks gevormd, de CAB reeks, die een afspiegeling is van de aankomsttijdstippen van achtereenvolgende cellen. Als, zoals in figuur 1 in abonneestation 1 is voorgesteld, van twintig achtereenvolgende tijdsloten alleen op het vierde, elfde, dertiende, achttiende en negentiende tijdslot een cel werd aangeboden, wordt dit gerepresenteerd door de CAB reeks "01100001010000001000". Deze reeks bestaat uit 0-bits, behalve op de vierde, elfde, dertiende, achttiende en negentiende plaats (van rechts naar links). Zolang de —in totaal vijf— cellen niet verzonden kunnen worden, worden ze gebufferd in een cel buffer. Evenzo zijn in de figuur bij de abonneestations 2...4 de CAB reeksen "01010000000000011000", "00000100000101000000" en "00100010000010000100" zichtbaar (de reeksen tijdsloten waarop deze CAB reeksen betrekking hebben, worden nog getoond in figuur 2). De cellen zelf worden gebufferd in de cel buffers in de verschillende abonneestations. De verschillende CAB reeksen worden gedurende één of eventueel enkele tijdsloten naar het centrale station worden gezonden. Bij de behandeling van figuur 4 wordt meer in detail ingegaan op de overdracht van de CAB reeksen. Figuur 2 toont, als aanvullende informatie boven dat wat reeds in figuur 1 werd getoond, van de verschillende abonneestations de tijdsloten die ten grondslag lagen aan de CAB reeksen. Duidelijk is daarbij te zien dat de CAB reeksen een afspiegeling zijn van die tijdsloten: lege tijdsloten worden in de CAB reeks gerepresenteerd door een "0"; volle tijdsloten door een "1", waardoor de plaats van de "l"-bits een aanduiding is voor het aankomsttijdstip van de cellen.

Figuur 3 toont de verwerking aan de zijde van het centrale station van de CAB reeksen van de verschillende abonneestations. Bitsgewijs worden, van rechts naar links, de overeenkomstige bitwaarden van de verschillende CAB reeksen gedetecteerd. In a) wordt de toestand op slottijd t onderzocht: alle vier bitwaarden zijn "0", dus op tijdstip t werd bij geen der vier abonneestations een cel aangeboden. In b) wordt de toestand op slottijd t+1 onderzocht: ook op dat tijdstip werd geen cel aangeboden. Op tijdstip t + 2, gerepresenteerd door c), werd alleen aan abonneestation 4 een cel aangeboden; dit was dus de eerste cel in de beschouwde periode (t. ..t + 20). In de daarop volgende tijdstippen, t+3, t+4, etc., werden achtereenvolgens aan abonneestations 1 en 2, geen, aan abonneestation 2, aan abonneestation 3, aan station 4, aan station 3, geen, aan station 1, geen, aan station 1, aan station 4, aan station 3, geen, aan station 2, aan stations 1 en 4, aan stations 1 en 2, en tenslotte geen cellen aangeboden. De actiestappen a)...t) resulteren dus in de detectie van cellen op achtereenvolgende tijdstippen bij de stations - (= geen cel; leeg tijdslot), -, 4, 1 en 2, -, 2, 3, 4, 3, -, 1, -, 1, 4, 3, -, 2, 1 en 4, 1 en 2, -. Als op eenzelfde tijdstip bij meer dan één station een cel werd aangeboden, is voor de volgordebepaling van stationsnummers de stationsnummer-waarde bepalend (op zich beter, maar iets moeilijker te implementeren, is het uitvoeren van een "random" selectie uit die stationsvolgnummers). De SACs-reeks wordt nu -, -, 4, 1» 2, -, 2, 3, 4, 3, -, 1, -, 1, 4, 3, -, 2, 1, 4, 1, 2, -. Deze SACs worden via de preambles van de downstream tijdsloten naar de lokale stations overgedragen. Op die overdracht van SACs wordt meer in detail ingegaan bij de behandeling van figuur 4.

In figuur 1 wordt de voorstelling van figuur 3 in gereduceerde vorm bij het centrale station getoond. De abonneestation toegangscodes worden in de abonneestations ontvangen en de in de cel buffers aanwezige ATM cellen worden in de door de toegangscodes voorgeschreven volgorde naar het centrale station overgedragen. Op deze wijze wordt dus het gewenste FIFO-principe volledig gehandhaafd.

Figuur 4 toont in detail de overdracht van CABs van de abonneestations naar het centrale station en de overdracht van SACs van het centrale station naar de abonneestations.

Upstream worden de CABs naar het centrale station overdragen door CAB reeksen. Per tijdslot kunnen vier CAB reeksen, van vier lokale stations, worden overgedragen. Voor elke CAB reeks zijn 110 bits gereserveerd. Elke CAB reeks begint met een preamble van 16 bits, onder meer nodig voor detectie van de ATM cellen (zie ook octrooiaanvrage NL 9301156 ten name van aanvraagster). De eigenlijke CAB reeks omvat in de praktijk 72 bits (in de figuren zijn CAB reeksen van 20 bits getekend), gevolgd door een controlereeks van 12 bits. Verder zijn nog 10 bits gereserveerd. Bij aankomst in het centrale station worden de CAB reeksen van de lokale station gelezen en op de bovenbeschreven wijze verwerkt tot SACs.

Downstream worden de door het centrale station berekende SACs overgedragen via de achtereenvolgende tijdsloten en wel op bitlocaties binnen het gebied dat, als het tijdslot een ATM cel bevat, tot de preamble behoort; ook bij lege tijdsloten, zonder ATM cel, worden diezelfde bitlocaties gebruikt. Ook SACs zonder lokaal stationsnummer ("lege" SACs, in de figuur aangeduid door worden overgedragen, teneinde een exacte afspiegeling te vormen van de (voorgaande) aankomstmomenten van de ATM cellen aan de verschillende lokale stations. Indien deze lege SACs zouden worden genegeerd, en dus alleen niet-lege SACs zouden worden verzonden, zou dit een verhoging van de cell rates tot gevolg hebben die door toegangbewakingsorganen, bijvoorbeeld in het centrale station of nog meer upstream, zou worden gedetecteerd (een dergelijk toegangbewakingsorgaan wordt ondermeer beschreven in octrooi EP-381275 ten name van aanvraagster). De SACs worden, evenals de ATM cellen, gedistribueerd ("broadcasted") over de lokale stations, waar de SACs worden gelezen. Als in een lokaal station de SAC overeenkomt met het stationsnummer, wordt de eerstvolgende ("oudste") ATM cel in het celbuffer vrijgegeven voor overdracht naar het centrale station, via het eerstvolgende tijdslot. De SAC waarde bepaalt dus welk lokale station het eerstvolgende tijdslot mag vullen met een upstream ATM cel. Welk lokale station de na de SAC (in de preamble van 16 bits) verschijnende ATM cel (424 bits) mag opnemen wordt bepaald door een adresveld in de header (40 bits) van die cel; de inhoud van dat adresveld staat dus geheel los van het SAC-veld.

Opgemerkt wordt dat, waar in het voorgaande werd voorgesteld om de CABs en de SACs niet via ATM cellen over te dragen, dit in principe wel tot de mogelijkheden behoort. Het zou voor te stellen zijn, indien daarvoor bitruimte gevonden zou kunnen worden, de CABs of de SACs, of beide, onder te brengen in de 40-bits header van de ATM cellen. De CABs zouden dan, evenals de SACs, verspreid over de achtereenvolgende ATM cellen (en wanneer een tijdslot niet gevuld is, op dezelfde daarvoor vastgestelde bitlocatie als bij een gevuld tijdslot) kunnen worden overgedragen.

Met het voorgestelde systeem kan in de praktijk een afstand tussen de lokale stations en het centrale station worden overbrugd van 20 kilometer, waar dat tot dusverre ca. 10 kilometer bedroeg; de vertragingstijd over die 20 kilometer is ca. 0,5 msec. (onder vertragingstijd wordt niet verstaan de tijd tussen de aankomst bij het lokale station van een upstream te verzenden ATM cel en de afgifte van die cel naar het upstream netwerk). Het systeem is eenvoudig maar heeft, door het FIFO-gedrag, een uitstekende performance. Opgemerkt wordt dat op de lokale stations verschillende abonnees kunnen zijn aangesloten. Op dit moment wordt gerekend met 16 lokale stations waarop elk 32 abonnees kunnen worden aangesloten. De van de abonnees afkomstige ATM cellen worden in het lokale station, dat als "curb" fungeert, gemultiplext en vervolgens in de (FIFO) celbuffer opgeslagen totdat van het centrale station een voor dat lokale station geldende SAC ("permit") wordt ontvangen.

Het systeem is initieel ontworpen voor een upstream bitrate van 155,52 Mb/s. Bij een transmissieafstand van 20 km bedraagt de CAB 72 bits ( = het aantal tijdsloten tussen het lokale station en het centrale station en terug). In dit geval kunnen de CAB reeksen van 4 lokale stations in één tijdslot naar het centrale station gestuurd worden (zie de beschrijving van figuur 4). Bij de aanname van 16 lokale stations betekent dit dat er vier tijdsloten nodig zijn om de 16 CAB reeksen te kunnen versturen. Dit betekent dat de capaciteit die voor nuttige lading 72/(72+4) = ca. 95% is.

Het is echter ook mogelijk dit systeem te gebruiken bij een upstream bitrate van 622,08 Mb/s bij een afstand van 20 km. In dit geval bedraagt de CAB reeks 288 bits (het aantal tijdsloten tussen het lokale station en het centrale station en weer terug). Een dergelijke CAB reeks wordt in één tijdslot naar het centrale station gestuurd. Bij de aanname van 16 lokale stations betekent dit dat er 16 tijdsloten nodig zijn om de 16 CAB reeksen te versturen. Dit betekent dat de capaciteit beschikbaar voor nuttige lading 288/(288+16)= ca. 95% bedraagt.

In beide gevallen blijkt de vertragingstijd, de tijd tussen het moment dat een ATM cel bij een lokaal station arriveert en het moment dat deze ATM cel het centrale station verlaat, ca. 0,5 ms (twee-en-half maal de transmissievertraging tussen beide stations).

Indien het aantal lokale stations wordt verhoogd van 16 naar 32, betekent dit een verdubbeling van de overhead; de capaciteit voor nuttige lading bedraagt dan ca. 90%.

Tenslotte wordt opgemerkt dat de CAB reeksen steeds door opeenvolgende tijdsloten naar het centrale station kunnen worden verzonden. Daardoor wordt de eenvoud in uitleesbesturing gediend, echter treedt een zekere (in de praktijk te verwaarlozen) distorsie op (een onderbreking in de ATM cellenstroom). Een op zich betere oplossing is om de CAB reeksen over te dragen via tijdsloten die zo regelmatig mogelijk over de tijdsloten tussen de lokale stations en het centrale station verdeeld zijn.

D. REFERENTIES

Nederlandse octrooiaanvrage NL 9301156 ten name van aanvraagster. Europese octrooiaanvrage EP 94201845.8 ten name van aanvraagster.

Enige andere MAC protocollen voor PONs worden beschreven in:

Permit delivery rates of an ATM cell based access network MAC protocol

Winstanley, S.B.; Cuthbert, L.G.

IEE Eleventh UK Teletraffic Symposium. Performance Engineering in Telecommunications Networks, IEE, 376 PP., PP.8A/1-9, 1994, 2 REF.

Performance of shared medium access protocols for ATM traffic concentration

Toniatti, T. ; Verri, L. ; Casals, 0.; Garcia, J.; Blondia, C. ·, Angelopoulos, J.D.; Venieris, I.S.

Eur. Trans. Telecommun. Relat. Technol. (Italy), vol.5, no.2, PP.219-26, March-April 1994 A Medium Access Control protocol for an ATM access network Casals, C. ·, Garcia, J.; Blondia, C.

IFIP Trans. C, Comrnun. Syst. (Netherlands), vol.C-21, PP.289-308, 1994 A TDMA based access control scheme for ΑΡΟΝ's Angelopoulos, J.D.-, Venieris, I.S.·, Stassinopoulos, G.I.

J. Lightwave Technol. (USA), vol.ll, no.5-6, PP.1095-103, May-June 1993 A class of MAC protocols for sharing ATM local access PONs Angelopoulos, J.D.; Venieris, I.S.; Stassinopoulos, G.I.

Proceedings. 17th Conference on Local Computer Networks (Cat. No.92TH0473-9), IEEE Comput. Soc. Press, xvi+710 PP., PP.594-602, 1992 ATM over passive optical networks: system design and demonstration Van der Plas, G.; Mestdagh, D.; Verbiest, W.; De Groote, J.

Proc. SPIE - Int. Soc. Opt. Eng. (USA), vol.1786, PP.48-57, 1993

Claims

1. Transmissiesysteem voor aan lokale stations aangeboden ATM cellen naar een centraal station, en van aan dat centrale station aangeboden ATM cellen naar de lokale stations, waarbij, als in een lokaal station een voor het centrale station bestemde cel wordt aangeboden, deze in een celbuffer wordt opgeslagen en er in een register een eerste teken wordt ingeschreven, terwijl als een leeg tijdslot wordt aangeboden in het register een tweede teken wordt ingeschreven; waarbij de lokale registers periodiek worden uitgelezen, de inhoud ervan in de vorm van registercodes naar het centrale station wordt overgedragen en het centrale station aan de hand van de plaats van genoemde eerste tekens in die registercodes, permitcodes naar de lokale stations overdraagt, inhoudende de permissie om tijdens een bepaald tijdslot een cel over te dragen.