CS520190A3 - Distributed synchronization process for wireless fast packet communication system - Google Patents

Description

51A1 - <?o 1 -

Vynález se týká přepojováni hlasových a datovýchpaketů a zejména rozloženého synchronizační ho způsobu probezdrátový rychlý paketový komunikační systém.

Hlasové a datové přepojováni je známé ze známéhostavu techniky. Přepojováni paketů je také známé. V minulostivšak synchronizace pro řízeni zařizeni vysílajících a při-jímajících informační pakety v přepojováni hlasových a dato-vých paketů byla problémem. Tento problém se týkal dynamic-kého přidělováni šiřky pásma paketů mezi jednotlivými peri-ferními zařízeními vztaženými k přepojovači pro hlasovou in-formaci a datovou informaci. Jiným problémem byla siíováinterfasová architektura pro přepojovač. Šitové interfasovéarchitektury dosud známých přepojovačů používaly stejnousběrnici jak pro data, tak i pro řízeni. Ve spojeni s problé-mem dynamického přidělování šiřky pásma na sběrnici měla tatosííová interfasová architektura za následek, že přepojovačměl malou přepojovací kapacitu a propustnost. V automatickýchpobočkových ústřednách je tomu tak proto, že data jsou pře-pojována byt po bytu. V přepojovačích datových paketů totoklade nároky na procesory. Tyto problémy výkonu se stávajíještě významnější ve spojeni s moderními rychlými paketový-mi protokoly. Bylo by proto žádoucí vytvořit přepojovačehlasových a datových paketů se zdokonalenou architekturou.

Klíčem k řešení tohoto problému architektury pře-pojovače paketů je způsob dosažení synchronizace paketů pře- Ηϋ nášených mezi různými uzly a uživatelskými terminály. Nezdarpři dosaženi tohoto cíle bude mít pravděpodobně za následeknepřijatelnou souvislost přijmu, obvykle působenou frekvenč-ními rozdíly, rozdíly v řízeni výchylek, fázovými rozdílyvzhledem k modulačnímu signálu apod.

Uvedeného cíle je dosaženo rozloženým synchronizač-ním způsobem pro bezdrátový rychlý paketový komunikační systém, Uobsahující hlaví jednotku vysílající jeden rámcový synchro- v nizačni paket v každém rámci, přičemž podle vynálezu se v uvedeném vysílači zahrnuje do uvedeného paketu indikace časurámce, který se vysílá, odpočítáním bytů od začátku datovéoblasti sítového rozhraní k prvnímu bytu následujícímu konecpaketového synchronizačního sledu, a v přijímači se extrahu-je uvedená indikace času vysíláni, tato indikace se srovnává š; s přijímacím časovým údajem vztaženým k době přijeti tohoto ví; paketu, seřídí se šíření zpožděni, urči se, kdy je význačnáchyba a seřídí se uvedená datová oblast sítového rozhraní * pro nalezeni synchronizace v nejkratši době. '

Vynález se dále vztahuje na zařízeni pro prováděni výše uvedeného způsobu, které se vyznačuje tím, že vysílač obsahuje prostředek pro zahrnuti indikace času rámce, který se vysílá, do uvedeného paketu, a to odpočítáním bytů od rii ·* začátku datové oblasti sítového rozhraní k prvnímu bytu ná-sledujícímu konec paketového synchronizačního sledu, prostře-dek pro extrahování uvedené indikace času vysíláni, prostředekpro porovnáváni uvedené indikace s přijímacím časovým údajem, 3 vztaženým k času přijetí uvedeného paketu, prostředek proseřizováni sířeni zpožděni, prostředek pro určování, kdy jevýznačná chyba a prostředek pro seřízeni uvedené datovéoblasti sítového rozhraní pro nalezeni synchronizace v nej-kratší době.

Rozložený synchronizační způsob a zařízeni podlevynálezu umožňují pro kombinaci jak hlasu tak i dat v jedi-ném přepojováni používat společnou paketovou strukturu. Tazahrnuje nejen šířku pásma uvnitř hlasových nebo datovýchoblasti rámce, ale také mezi hlasovými a datovými oblastmi.

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisena příkladech provedeni s odvoláním na připojené výkresy,ve kterých znázorňuje obr. 1 blokové schéma prvního provede-ni bezdrátového rychlého paketového spojovacího systému podlevynálezu, obr. 2 rámec pro první provedení, obr. 3 oblasthlasových a fixních dat uvnitř rámce, obr. 4 oblast paketi-zovaných dat uvnitř rámce, obr. 5 typickou sítovou topolo-gii pro první provedeni, obr. 6 první synchronizační časovýdiagram pro první provedeni, obr. 7 druhý synchronizačníčasový diagram pro první provedení a tabulka A ukazuje kódpro prováděni synchronizačního způsobu podle vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje blokové schéma prvního provede-ní Í00 bezdrátového rychlého paketového komunikačního systémupodle vynálezu. Je zde znázorněn uzel a uživatelský ter- minál 1 2i · Odborníkům v oboru bude zřejmé, že může být použi-to většího počtu uživatelských terminálů. Pro jednoduchostje na obr. í znázorněn pouze jeden. 4 Následuje popis zpracováni hlasového signálu zveřejné komutované telefonní sítě 133 do vysokofrekvenčníhokanálu 111 v uzlu 103.

Hlasový vstup z veřejné komutované telefonní sítě1.33 je komprimován a filtrován telefonním rozhraním 135 aje veden do analogově-čís l icového převodníku 137 pro digita-lizování. Odtud je ukládán do hlasových paketů v lokální pa-měti 212 hlavního procesoru 222 a Je veden hlavním proceso-rem přes jednotku FIFO do lokální paměti 141 podřízenéhoprocesoru 143. Zde vedlejší procesor předává paket do kopro-cesoru 145 územně omezené sítě pro jeho sériové předávánido vysokofrekvenčního zařízeni 22Z a koprocesor územně ome-zené sítě ho převádí na sériový datový proud 222· Vysokofrek-venční zařízení 22Zz obsahující anténní slučovač přijímačea vysilače, vytváří vysokofrekvenční signál a vede ho do vy-sokofrekvenční antény 221·

Software obsažený v panelu územně omezené sítě asoftwaru obsažený v hlavních procesorech v počítačových sys-témech vykonávají všechny výše uvedené a následující funkce. Následuje popis zpracování hlasového signálu zvysokofrekvenčního kanálu 211 do telefonu 222 v uživatelskémterminálu 101. Uživatelský terminál obsahuje vysokofrekvenčníanténu 222 připojenou k anténnímu slučovači 22Z přijímače avysilače. Napájeni a řízeni vysokofrekvenčního zařízení jezajištěno vedeními 222- Vysokofrekvenční zařízení 22Z costá-vá sériový datový proutí z vysokofrekvenčního signálu 211 £ vede sériový datový proud 113 do koprocesoru 115 územně ome-zené sítě. V rámci počítačového systému dostává panel LANmístně omezené sítě, který obsahuje koprocesor 115Z podříze-ný procesor 1.17 a jeho přidruženou lokální paměí 212/ datovýproud a převádí ho do hlasových paketu do lokální paměti 119podřízeného procesoru 217. Podřízený procesor potom vyjímá apředává dále hlesové paketypři použiti jednotky 121 FIFO dolokální paměti 223 hlavního procesoru pro rekonstrukci nahlas při použiti softwaru obsaženého v počítačovém systémupomocí číslicově-analogového převodníku 225 v počítačovémsystému. Telefonní rozhraní 127 expanduje a filtruje vystu-pující analogový hlasový signál a předkládá ho do telefonu129. Fřic-avně se zajištuje lokální zvonění telefonu 129tím, že rychlé datové pakety jsou zpracovávány společně vevýše uvedeném systému až po paměťovou jednotku 123 hlavníhoprocesoru a včetně ní a hlavni procesor potom ukládá indika-ci zvonění na vstupní-výstupní bránu 132 a tato indikace jepotom vedena do telefonního rozhraní 127 a je vedena do tele-fonu 129.

Pro správnou činnost systému se bude periodickyvyskytovat opakovaný rámec, který obsahuje dvousměrnou sig-nalizaci a paketová data. Tento rámec 2C0 je znázorněn naobr. 2. V oblasti s hlasovými a fixními daty je několik časo-vých úseků ' přidělených' datům fixní rychlosti .? hlasu, k t e r e j s o u bez k o l i ze ρři ř; z o v ány uzle m. V rámci o b l a sti pa - ií e c i z o v ?. n y c n k o l i cobě σ ε r t z e n i v o L n e v vsi 111 v z e r c· je odpovědná za zjištění kolizí. V rámci oblasti s hlasovými a fixními daty platíformát znázorněný na obr. 3. V rámci oblasti paket izovanýchdat platí formát znázorněný na obr. 4.

Každý přenos uvnitř rámce může být kódován za úče-lem zvětšeni přesnosti přijímaných dat. Jestliže tento kódpoužívá několika kopií původních dat, mohou být doby přícho-du podobných paketů různé. V tomto případě kompenzuje algo-ritmus v softwaru tyto různé doby příchodu.

Systém umožňuje maximální spektrální účinnost při-dělováním požadované šířky pásma každému z uživatelů společ-né přenosové dráhy. Jak bylo uvedeno výše, dosavadní systémynepřidělovaly šířku pásm^na základě potřeby, ale spíše při-dělovaly šířku pásma při spuštění systému. V důsledku tohotento systém využívá výhody technologie rychlého přepojovánipaketů a dovoluje vytvářet obvodová i neobvodová spojeni vestejném systému.

Obr. 5 ukazuje typickou sífovou topotogii 500 proprvní provedení. Je zde znázorněna řada Zn/ uzlů, a to uzly N, až N , v daném případě Nc. Je zde také znázorněna řada -i -2 _5 /n/ terminálů T„ až T , v daném případě T_. Uzly spolu navzá-—JL — 0 —4 jem a s terminály komunikují na sdílené přenosové dráze pomo-cí rychlého přepojovacího mechanismu paketů, přičemž tentorych lý přepojovací mechanismus paketů je řízen na bázi při-dělováni šířky pásma vylučujícího kolizi mezi jednotlivýmijednotkami, které mohou mít přístup na společnou přenosovou •z- <.*·: .S'1 V; -·’λ ’· <·- i?· i Λ- dráhu. 7 Základní proces pro získání rámcové synchronizacemezi dvěma sítovými interfasovými jednotkami je skutečně vel-mi jednoduchý. Pro začátek předpokládejme, že jedna jednotkaje "hlavni" a přenáší přesně jeden rámcový synchronizační pa-ket v každém rámci. Tento paket musí obsahovat "čas rámce",který se přenáší, odpočítaný v bytech od začátku datové ob-lasti sítového rozhraní k prvnímu bytu záhlaví /první bytenásledující konec paketového synchronizačního sledu/. Při-bližná poloha tohoto paketu v rámci musí být známa v přijí-mači za účelem vyhovění požadavkům bezpodmínečné stabilityběhem počáteční části sledu. Je zde pouze jedna významnákomplikace - proces použitý pro počáteční získání synchroni-zace musí brát ohled na interference vyvolané povely přijíma-če v řídicí paměti sítového rozhraní. Činnost přijímače je skutečně zcela jednoduchá.Extrahuje čas přenosu popsaný výše a srovnává ho s doboupřijetí časového údaje poskytnutého síťovým rozhraním přiseřizování s ohledem na šířeni zpožděni ve vyrovnávacích pa-mětích a spojovacím zařízeni. Při předpokladu, že dochází kvýznamné chybě, musí potom určit správný směr pro přestavě-ni jeho sítového interfasu pro nalezení synchronizace v nej-kratší době. Požadované nastaveni bude vždy mezi negativnípolovinou a pozitivní polovinou rámce.

Tato celková vypočítaná chyba se potom děli fakto-rem stability, jako je například 16, pro zachování stabilityv situaci, kdy jedno zařízeni může přijímat z několika jiných nesynchronizovaných zařízení. Další kontroly jsou potom pro-váděny pro zohledněni limitního případu a pro omezení seři-zování na celá slova /pouze sudé adresy/, jak je požadovánoobvyklou koncepci siíového rozhraní.

Celkové schéma též dovoluje určovat přesný okamžik,kdy je dosahováno synchronizace a dále /poměrně pomalu/ ur-čovat ztracenou synchronizaci. Toho je dosahováno vytvořenímglobální proměnné "in-sync". Tato proměnná je dekrementovánao hodnotu jedna/s dolním limitem nula/ na každém přerušenízačátku rámce, a je inkrementována o íó /až po horní mez,která závisí na velikosti datového systému, jako je například400/ pokaždé, když je zpracováván rámcový synchronizační pa-ket, který nevyžaduje seřízeni času rámce, tj. pokaždé, kdyžse zjisti, že synchronizace času rámce je dokonalá. Kdyžje "in-sync" nula, je tento systém mimo synchronizaci. KÓd pro prováděni obou těchto algoritmů je znázor-něn v tab. A.

Zbývající problém se získáním synchronizace setýká opakovaných přístupových povelů požadovaných přijímačempro řízeni paketu udávajícího nesprávnou synchronizaci. Ovlá-dací sled pro zpřístupněni přijímače je určen pro rušeni pro-cesu přijímáni paketu, jestliže k němu dochází během paketu.Jeden způsob, jakým se toho dosahuje je to, že každý rámecobsahuje sled "zpřístupněni přijímače" sestávající z následu-jících povelů: 8 t 8 Ϊ 9 - všichni vykliďte sběrnici - zpřístupni přijímač - zvol anténu - nastav siíový interfas jako cílové určeni sběrnice - nastav rádio jako zdroj sběrnice.

Fokud detektor synchronizace paketu udává nesouhlas-ný údaj, bude nastaven, když se setká s uvedeným sledem,nebo když silový intergas zjistí, že byl předán datový slednereprezentující platné záhlaví /když kontrola záhlavícyklického kódu selže/.

Froblém, který vznikne, je patrný z obr. 6. Problémvzniká, když je dekódován první synchronizační paket, jestli-že přijímáni hodinového signálu zařízeni je o něco rychlejšínež u uzlu /tomu je tak samozřejmě polovina času/. Vypočítanéseřízeni pak posune přijímací rámec doleva a uvede tak ovlá-dací sled právě na vrch příštího přijímaného synchronizační-ho paketu. V této době bude přijímán jiný synchronizační pa-ket, vypočítá se seřízeni doleva a sled se zopakuje. Čistýúčinek je tak seřízeni řidiciho sledu se synchronizačním pa-ketem spíše než seřízení rámců. Řešeni je jednoduché - uvést řídicí sled přesněpolovinu rámce od očekávaného okamžiku synchronizačního pake-tu. To je ukázáno na obr. 7. V tomto případě první paketpravděpodobně nebude přijat. Relativní rámcové časy však brzybudou kolísat a bez ohledu na to, jakým směrem se relativnípoloha přijímače pohybuje. Dojde ke korekci prvního přijatého ti 10 λ·; paketu správným směrem pro pohybování řídicího sledu směremod paketu, jelikož tomu bude ve směru nejmenši požadovanézměny.

Jakmile se dosáhne synchronizace rámce, bude výšeuvedený řidiči sled samozřejmě odstraněn a bude nahrazen ope-rativní strukturou.

Jakmile byla přibližná rámcová synchronizace dosa-žena všemi zařízenimi, bude každé zařízeni v systému /všechnyuzly, UIM a NIM/ pokračovat pro synchronizováni na průměrvšech rámcových hodinových signálů s nimiž se může setkat,včetně vlastního. Tato koncepce má za následek nejlepší cel-kové časovači chováni a tedy i nejkratší požadované hlídacíčasy mezi pakety z různých zařízení. Například řetěz čtyřuzlů může vykazovat rozdíl rámcového času 6 bytů od prvníhok poslednímu, přičemž průměrný rozdíl bude záviset na relativ-ních volnoběžných hodinových frekvencích čtyř sifových inter-fasů, kterých se to týká, a může zůstat na nejhoršim výšeuvedeném případě.

Průměrovaci způsob naproti tomu způsobí, že průměr-ný rozdíl zůstane na nulové hodnotě. Dále je třeba vzít ohled na výpadek, tj. na přimě-řený chod v případě poruchy. Například sestává-li systém zetři uzlů, a druhý uzel je podřízen prvnímu a třebi druhému,co se slané, jestliže druhý selže? Je-li řízení synchronizaceprioritou, toto selhání musí být zjištěno a priorita je neste- '( ·

•-V

:-;'í

ti-.

·<- W»7?f wrw * 11 - -¾. ί'ι-Λ * * véna podle toho, nemá-li systém vypadnout ze synchronizace.Naproti tomu průměrovaci schéma provádí v odpovídajícím smys-lu přiměřené seřízení.

Hodinové signály mohou mít například frekvenčnípřesnost 5 dílů na milion. Pro rámcovou velikost 375C bytůtoto znamená maximální ztrátu 2.5.10^. 3750 = C,C375 bytů na rámecpro dva hodinové signály, které jsou tak daleko od sebe, jakje to jen možné, tj. jeden na horním konci spektra a druhýna dolním konci. To znamená, že jednoslovové seřízeni budepožadováno po každých 27 rámcích v tomto limitním případě.

Je několik potenciálních řešení problému získánísynchronizace mezi několika uzly v širokém systému. Snadnej jednodušší je definovat pořádek priority a dovolovat kaž-dému uzlu začínat vysílání pouze po té, co uslyšel a byl vá-zán na nejblíže vyšší jednotku ve struktuře priority. To sevyznačuje tím, že se dá velmi jednoduše navrhovat, ale vy-žaduje, aby každý uzel 'žrial" identitu svého bezprostředněvyššího uzlu ve struktuře. Je zde přídavný problém určovánisprávné akce, není-li vyšší uzel nikdy slyšen. Tím se můžestát zotavení z poruchy obtížnější.

Proměnné, které jsou k dispozici v každém uzlu,zahrnuji jak fázi rámce, tak i absolutní rámcovou rychlost,přičemž velikost rámce se může měnit v širokých mezích a ne-musí být fixována na "systémovou" rychlost až se dosáhne cel-kové synchronizace. Správně zvolená rychlost a fáze rámců

MHS založená na nahodilém čísle téměř určitě poskytnout přimě-řený inicializační proces, pokud mohou být generátory naho-dilých čísel v jednotlivých uzlech opatřeny rozdílnými čísly,aby se vyloučily totožné činnosti z totožného počátečníhobodu, k jakým může dojit zotavením po velkém výpadku energie.

Tento požadavek může být splněn vřazením elektronického pořado-vého čísla do každé jednotky. V jedné rámcové struktuře například každý uzelvysílá rámcový synchronizační paket na každém sektoru v kaž-dém rámci. Je však přiměřené, jestliže každý lelový sektorvysílá rámcový synchronizační signál každý 4-tý rámec. Toumožní modulům UIH/NIÍi znovu zhodnotit jejich lokální volbuantény po každých 24 rámcích /48 ms/ a umožni v nejhoršimpřípadě aktualizaci synchronizace rámce každých 24 rámců,tj. stále ještě v 27 rámcovém limitu nejhoršího případu, vy-počítaném výše.

Tato redukce rámcových synchronizačních paketů ve-de k tomu, že je možné dosáhnout účinnější uspořádáni rámcůza cenu softwaru požadovaného pro změnu "pevné” části dat vdatové vyrovnávací paměti sítového rozhraní na konci každéhorámce. Za tímto účelem může být výhodné zavést uzlové přenáše- ni na konec rámce a přenášení UIM/NIH na začátek pro zjedno- | dušeni hledisek týkajících se načasováni softwaru.

Vynález se neomezuje na výše uvedené provedeni avztahuje se na různé obměny rozloženého synchronizačního způ-sobu pro bezdrátový rychlý paketový komunikační systém podle vynálezuvrámcidáleuváděnédefinice.

Claims (2)

1. ÍEKE&amp;ŽIiXSÍZSF

   1. Rozložený synchronizační způsob pro bezdrátový % rychlý paketový komunikační systém, přičemž tento systém ob-sáhuje hlavni jednotku vyšilajici jeden rámcový synchron i zač- i ní paket v každém rámci, vyznačený tím, že se v uvedeném vy-silači zahrnuje do uvedeného paketu indikace času rámce, kte-rý se vysílá, odpočítáním bytů od začátku datové oblasti sí- v fového rozhraní k prvnímu bytu následujícímu konec paketové-ho synchronizačního sledu, a v přijímači se extrahuje uvedenáindikace času vysílání, tato indikace se srovnává s přijíma-cím časovým údajem vztaženým k době přijeti tohoto paketu,seřídí se šířeni zpoždění, urči se, kdy je význačná chyba aseřídí se uvedená datová oblast sítového rozhraní pro nale-zení synchronizace v nejkratší době. έ 1
2. 2. Zařízeni pro prováděni rozloženého synchroni- začniho způsobu pro bezdrátový rychlý paketový komunikační ' systém podle bodu 1, přičemž tento systém obsahuje hlavní jed- ' notku vysílající jeden rámcový synchronizačni paket v každémrámci, vyznačené tím, že vysilač obsahuje prostředek pro zahr-nuti indikace času rámce, který se vysílá, do uvedeného pake- ! tu, a to odpočítáním bytů od začátku datové oblasti sífovéhorozhraní k prvnímu bytu následujícímu konec paketového syn-chronizačního sledu, prostředek pro extrahování uvedené indi- 14 kace času vysíláni, prostředek pro porovnávání uvedené in-dikace s přijímacím časovým údajem, vztaženým k času přije-ti uvedeného paketu, prostředek pro seřizování šíření zpož-dění, prostředek pro určováni, kdy je význačná chyba a pro-středek pro seřízení uvedené datové oblasti sítového rozhra-ní pro nalezeni synchronizace v nejkratší době. ΐά a