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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine ISDN-Netzschnittstelle an vernetzten
Einrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Neusynchronisierung
einer Gruppe von B-Kanälen
in einem ISDN-Netz. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren, das die im BONDINGTM-Modus
1 (BONDING – Handelsmarke
des Bonding-Konsortiums) beschriebene Sequenz der Anfangssynchronisierung
erneut ausgibt.
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TECHNISCHER HINTERGRUND DER
ERFINDUNG
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Backbones
(Zentralverbindungen) für
Local-Area-Network-Verbindungen
(LAN-Verbindungen) in großen
Unternehmen, aber auch Verbindungen zwischen Unternehmen (World
Wide Web – WWW)
werden gegenwärtig üblicherweise
unter Verwendung proprietärer
oder gemieteter Glasfasernetze mit einem ATM-Protokoll betrieben.
Als Backup für
ausgefallene Verbindungen oder bei einer notwendigen Bandbreitenerhöhung wird
die zusätzliche
Bandbreite erreicht, indem mehrere digitale Telefonkanäle (Trägerkanäle) des öffentlichen Telefonnetzes
gebündelt
werden.
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Bei
Verwendung eines Trägerkanals
(B-Kanal) kann eine Bandbreite von 64 kbit/s erreicht werden. Üblicherweise
sind in einer Primär-Multiplexleitung
24 (T1-Standard) oder 30 (E1-Standard) dieser Kanäle enthalten,
die bei voller Ausnutzung eine Rohdatenrate von bis zu 2 Mbit/s
bieten.
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Es
ist jedoch problematisch, dass Netzanbieter keine Gewähr geben
können,
dass alle diese B-Kanäle zueinander
synchron betrieben werden, wenn derartige Telefonkanäle des öffentlichen
Netzes zu Backup-Zwecken oder zur Bandbreitenerhöhung verwendet werden. Zweifellos
wird das gesamte Telefonnetz durch einen synchronen Takt gesteuert,
jedoch können
zwischen den betreffenden gebündelten
Kanälen
Unterschiede bei der Übertragungszeit
auftreten. Der Inhalt der Datenpakete (ATM-Rahmen), die gemultiplext auf diesen
Kanälen übertragen
werden, erreicht den Adressaten möglicherweise nicht in der Originalform,
da die unterschiedlichen Datenpakete auf ihrem Weg vom Absender
zum Empfänger
unterschiedliche Pfade passieren. Außerdem gibt es keine Gewähr dafür, dass
die einzelnen Kanäle
einem bestimmten Ablauf folgen (Kanalverschiebung), wenn sie beim
Adressaten ankommen. Dieses Problem ist auch aus dem Bereich der
Bildtelefonie bekannt.
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Die
inverse Multiplexfunktion wandelt eine Breitbandkommunikation auf
einer Hochgeschwindigkeitsverbindung in eine Gruppe kombinierter
leitungsvermittelter Kanäle
um. Diese Funktion ist sehr nützlich,
wenn z. B. eine Bandbreite von 2 Mbit/s auf ISDN-B-Kanälen von
56 oder 64 kbit/s zur Übertragung
verwendet wird. Beispielsweise stellt das europäische Primär-ISDN (Integrated Services
Digital Network) 30 B-Kanäle
für Daten
und einen Kanal zur Verbindungssteuerung (D-Kanal) bereit, während das
Basisraten-ISDN zwei B-Kanäle für Daten
und ebenfalls einen D-Kanal zur Steuerung bereitstellt.
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Das
Problem des inversen Multiplexens besteht darin, dass es die Kanäle neu synchronisieren
können muss,
um über
das ISDN-Netz die Hochgeschwindigkeitsverbindung auf der entfernten
(empfangenden) Seite einer hergestellten Verbindung zwischen zwei
Peer-Stationen A und B wieder aufzubauen. Da die hergestellte Verbindung
im Vollduplexbetrieb verwendet werden kann, gilt dies für beide
Richtungen, d. h. der Pfad A → B kann
im Vergleich zum Pfad B → A
unterschiedliche Eigenschaften haben. Das bedeutet, dass das inverse
Multiplexen an jeder empfangenden Station symmetrisch durchgeführt werden
muss.
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Um
dieses Problem zu lösen,
geben die BONDING-Spezifikationen (BONDING = Bandwidth On Demand
Interoperability Group), die vom BONDING-Konsortium am 1. September
1992 verfasst wurden (mit späteren
Aktualisierungen) einige Leitlinien vor. Diese Spezifikationen definieren
eine Rahmenstruktur sowie Prozeduren zum Aufbau einer Breitbandkommunikationsverbindung,
indem mehrere leitungsvermittelte 56/64-kbit/s-Kanäle wie in
der folgenden Figur gezeigt kombiniert werden.
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Durch
die Verwendung mehrerer, voneinander unabhängiger 56/64-kbit/s-Kanäle wird
ein serieller Hochgeschwindigkeitsdatenstrom bereitgestellt. Diese
Kanäle
sind einzeln über
das leitungsvermittelte digitale Netz (öffentlich, privat usw.) angeschlossen.
Auf der Sendeseite werden die Benutzerdaten in mehrere Rahmen auf
B-Kanälen
platziert und über
mehrere, voneinander unabhängige
Kanäle übertragen.
Der B-Kanal ist der vom Netz bereitgestellte Kanal, der zum Transport
der Daten verwendet wird. Auf der Empfangsseite werden alle Kanäle mittels
einer Vorrichtung, die Daten auf der Empfängerseite wieder verwendbar
macht, in ihrer Phase ausgerichtet und synchronisiert. Diese Vorrichtung
wird im Folgenden als Inverse Multiplexeinheit (IMU) bezeichnet.
Es ist anzumerken, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebene
IMU beschränkt
ist, sondern alle Arten von Vorrichtungen verwendet werden können, die
in der Lage sind, die jeweiligen Verzögerungen rückgängig zu machen, und die Daten
auf der Empfängerseite
wieder verwendbar machen.
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Da
die für
die Breitbandverbindung verwendeten Kanäle unabhängig voneinander durch das
Netz geroutet werden, könnten
die Daten in jedem einzelnen Kanal im Verhältnis zu den Daten in anderen
Kanälen individuell
verzögert
sein. Die Gesamt-Durchgangsverzögerung bei
der Ende-zu-Ende-Verbindung entspricht der größten Durchgangsverzögerung aller
Kanäle
plus einer implementierungsabhängigen
konstanten Verzögerung
aufgrund der Neuordnung der Daten, die von der empfangenden IMU-Funktion
ausgeführt
wird.
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Um
eine korrekte Neuausrichtung der übertragenen Daten zu ermöglichen,
muss jedes Mal, bevor mehrere Kanäle für die Hochgeschwindigkeitsverbindung
eingerichtet werden, eine Trainingssequenz ausgeführt werden.
Zwischen den beiden Standorten, die an der Verbindung teilnehmen,
wird eine spezielle Rahmenstruktur ausgetauscht. Die Analyse der
Struktur auf der Empfangsseite ermöglicht die exakte Berechnung von Verzögerungen,
die durch das leitungsvermittelte Netz eingeführt wurden.
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Nach
der Ausrichtung kann der Datentransfer während des gesamten Anrufs ständig überwacht
werden. Der Ausfall eines Kanals aus Gründen wie z. B. Anrufunterbrechung,
Phasenverschiebung oder hohe Fehlerrate kann automatisch erkannt
werden. Als Reaktion auf diese Szenarien sind verschiedene Prozeduren zur
Fehlersuche und -beseitigung definiert.
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Die
BONDING-Spezifikation lässt
vier Betriebsmodi erkennen:
BONDING-Modus 0 sieht zu Beginn
eine Parameterabstimmung und einen Austausch der Teilnehmerrufnummern über den
Masterkanal vor und kehrt dann ohne Verzögerungsausgleich zur Datenübertragung
zurück. Diese
Betriebsart ist nützlich,
wenn der rufende Endpunkt Teilnehmerrufnummern erfordert, der Verzögerungsausgleich
jedoch durch andere Mittel (z. B. durch einen zugeordneten Video-Codec)
durchgeführt
wird.
BONDING-Modus 1 unterstützt Benutzerdatenraten, die
ein Vielfaches der Trägerdatenrate
betragen. Der Modus stellt die Datenrate mit der vollen verfügbaren Bandbreite
bereit, jedoch keine bandinterne Überwachungsfunktion. Der Modus
stellt eine Lösung
bereit, um zu Beginn eine Gruppe von Rahmen, die sogenannte Trainingssequenz,
zu senden, um das Senden gemultiplexter Daten zu synchronisieren
(Phasenausrichtung), um ein korrektes Demultiplexen dieses Hochgeschwindigkeitsdatenkanals
auf der anderen Seite des Netzes zu ermöglichen. Fehlerzustände auf
einem oder mehreren Kanälen,
die die Synchronisierung des Gesamtsystems stören, werden nicht automatisch
erkannt.
Weitere Optionen in den BONDING-Spezifikationen schlagen
die Verwendung anderer BONDING-Modi auf beiden Seiten des Netzes
vor, um für
eine Gewähr
für die
Qualität
der Übertragung
zu sorgen:
Modus 2 und Modus 3: Beide beruhen auf dem Modus
1, jedoch mit Verbesserungen für
die Übertragungsqualität durch
die Verwendung von Datentransferrahmen, die einige Bits enthalten,
die der Speicherung von Übertragungsinformationen
dienen, die Analyse oder Wiederherstellung der Übertragungsqualität ermöglichen
und auf der anderen Seite des Netzes gelesen werden. Dies ist ziemlich
kostspielig, da ein Teil der Bandbreite zum Transport von Steuerinformationen
verwendet wird.
Bei Modus 2 ist die effektive Rate des B-Kanals
um 1/64 reduziert. Der Modus 3 erfordert einen zusätzlichen leitungsvermittelten
B-Kanal für
den Steuerungsaufwand.
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Der
BONDING-Modus 1 ist, weil der einfachere, der am meisten verwendete
Modus, bei dem die Qualitätsüberwachung
und die Wiederherstellung nach einem Ausfall im Allgemeinen mit
Hilfe der BONDING-Funktion auf einer oberen Schicht der Anwendung
durchgeführt
werden.
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Jedoch
ist die Durchführung
der oben erwähnten
Trainingssequenz und der anschließende Ausgleich des Datenflusses
(kontinuierlich 2 Mbit/s) am Empfänger oder wegen des Vollduplexbetriebs
auf beiden Seiten eine technische Herausforderung und leistungsintensiv.
Die Trainingssequenz muss jedes Mal durchgeführt werden, wenn eine Verbindung
eingerichtet wird, d. h. vor jedem Datentransfer. Da jedes Byte
verarbeitet werden muss, ist dieser Ansatz sehr kostspielig. Bei
der unkomplizierten Implementierung werden spezielle ASICs oder
eine Anzahl von Signalprozessoren verwendet.
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Die
europäische
IBM-Patentanmeldung
FR 999 010 ,
am selben Tag eingereicht, offenbart ein Verfahren, das auf beiden
Seiten des Netzes einer Gruppe gebündelter Kanäle Rollen als Initiator und
Completor zuweist; eine Seite fungiert als Initiator und informiert
die andere Seite, die als Completor fungiert, mit Hilfe einer über den
D-Kanal gesendeten NOTIFY-Nachricht, die Neusynchronisierung der
ausgewählten
Gruppe gebündelter
Kanäle
anzufordern, und hat die Anrufreferenz der Masterkanalverbindung
der Gruppe, wodurch es der Completor-Seite möglich ist, die ausgewählte Gruppe
gebündelter
Kanäle
zu identifizieren; die Initiator-Seite wartet auf eine Bestätigung von
der Completor-Seite;
nach dem Empfang der von der Initiator-Seite gesendeten NOTIFY-Nachricht
informiert die Completor-Seite die Initiator-Seite, indem die Completor-Seite über den D-Kanal
eine weitere NOTIFY-Nachricht mit der Anrufreferenz der Masterkanalverbindung
der Gruppe an die Initiator-Seite sendet; die Completor-Seite fordert
von der lokalen IMU die Neusynchronisierung der ausgewählten Gruppe
gebündelter
Kanäle
an; nach dem Empfang der von der Completor-Seite gesendeten bestätigenden
NOTIFY-Nachricht
fordert die Initiator-Seite von der lokalen IMU die Neusynchronisierung
der ausgewählten
Gruppe gebündelter
Kanäle
an.
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Das
Defizit bei der Verwendung des BONDING-Modus 1 besteht darin, dass
der empfangene Benutzerdatenstrom nicht auf eine gültige Neusynchronisierung
geprüft
wird. Ein Problem tritt bei der Standardimplementierung des Modus
1 auf, bei der die normale Wiederherstellungsprozedur bedeutet,
dass die physischen Verbindungen getrennt werden und die Gruppe
neu eingerichtet wird.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Erweiterung des BONDING-Modus
1 bereitzustellen, die eine einfache, zuverlässige Synchronisierungsprozedur
ermöglicht,
wodurch die zur Neusynchronisierung erforderliche Zeit und Netzlast
reduziert werden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine solche Erweiterung
bereitzustellen, die die Beibehaltung einer im Vergleich zu den
Lösungen
bei den BONDING-Modi 2 und 3 einfacheren IMU ermöglicht.
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Diese
sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe
des Verfahrens nach Anspruch 1 erfüllt.
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Vorteilhafte
Ausführungsarten
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es
wird eine Erweiterung des BONDING-Modus 1 vorgeschlagen, indem dem
Benutzer der Anwendung ermöglicht
wird, eine Gruppe von B-Kanälen
durch erneute Ausgabe der im BONDING-Modus 1 beschriebenen Sequenz
der Anfangssynchronisierung neu zu synchronisieren, ohne jedoch
die Gruppe von B-Kanälen
zwischenzeitlich zu trennen. Der Vorteil dieser Lösung besteht
darin, dass einerseits die Zuverlässigkeit der gebündelten
Kanäle
verbessert wird, während
gleichzeitig eine im Vergleich zu den Lösungen bei den BONDING-Modi
2 und 3 einfachere IMU beibehalten wird, und andererseits die zur
Neusynchronisierung erforderliche Zeit und Netzlast enorm reduziert
werden.
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Es
wird eine Erweiterung des BONDING-Modus 1 vorgeschlagen, indem der
Anwendung, die die BONDING-Funktion verwendet, bei Auftreten eines
Synchronisierungsverlusts zwischen Kanälen ermöglicht wird, eine Gruppe von
Kanälen
durch erneute Ausgabe der im BONDING-Modus 1 beschriebenen Sequenz der
Anfangsynchronisierung neu zu synchronisieren. Eine Anforderung
zur Neusynchronisierung wird durch den Adapter von einer Seite des
ISDN-Netzes an die andere Seite gesendet, sobald ein Ausfall in
der Verbindung erkannt wurde. Der Vorteil dieser Lösung besteht
darin, dass die Zuverlässigkeit
der gebündelten
Kanäle verbessert
wird, während
gleichzeitig eine im Vergleich zu den Lösungen bei den BONDING-Modi
2 und 3 einfachere inverse Multiplexfunktion beibehalten wird. Des
Weiteren kann die Neusynchronisierung ohne zwischenzeitliche Trennung
der jeweiligen Gruppe von B-Kanälen
durchgeführt
werden.
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Hinsichtlich
der Trainingssequenz kann die Neusynchronisierung bei jeweils einer
Gruppe von Kanälen
erreicht werden (bei der Vorrichtung gibt es keine Beschränkung zur
parallelen Handhabung mehrerer Gruppen, ausgenommen die Leistungsfähigkeit
des verwendeten Prozessors). Das Prinzip besteht darin, auf einer
oberen Schicht, die die Steuerung des Transports der Benutzerdaten
betrifft (z. B. die Schicht 3 des Open-Systems-Interconnect-Modells [OSI-Modell]),
einen fortdauernden Ausfall bei der Integrität empfangener Rahmen zu erkennen
und von dieser höheren
Schicht eine Anforderung zur Neusynchronisierung an die IMU-Funktion
zu senden. Diese Neusynchronisierung wird unabhängig voneinander an beiden
Enden für
die jeweilige Gruppe ausgelöst,
indem ein Übergang
von der Datenphase zur Anfangssynchronisierung und Trainingsphase
stattfindet, wodurch jedoch die Trennung und Neuverbindung der jeweiligen
Kanäle
der betroffenen Gruppe vermieden wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSART
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Wie
oben erwähnt
besteht das Defizit des BONDING-Modus 1 darin, dass der empfangene
Benutzerdatenstrom nicht auf eine gültige Neusynchronisierung geprüft wird.
Andererseits kostet die Implementierung des Modus 2 oder 3 erheblich
mehr Leistung, erschwert die Handhabung und erzeugt zusätzliche
Betriebskosten aufgrund erforderlicher zusätzlicher Bandbreite. Eine entsprechende
Synchronisierungsüberwachung kann
selbst bei Verwendung des Modus 1 erreicht werden, wenn zur Überwachung
der Synchronisierung der übertragenen
Datei auf der Benutzerdatenebene ein Protokoll einer höheren Ebene
angewendet werden kann. Die üblicherweise
verwendeten Hochgeschwindigkeitsnetzprotokolle (z. B. ATM) stellen
eine derartige Funktion auf der Transportschicht bereit. Der fortdauernde
Ausfall bei der Datenintegritätsprüfung auf
dieser Schicht kann als Anzeige dafür verwendet werden, dass die
Neuordnung auf der Empfangsseite einer IMU nicht mehr korrekt ist
und eine neue Synchronisierungssequenz (erneute Trainingssequenz)
ausgelöst
werden muss. Ein Problem tritt bei der Standardimplementierung des
Modus 1 auf, bei der die normale Wiederherstellungsprozedur bedeutet,
dass die physischen Verbindungen getrennt werden und die Gruppe
neu eingerichtet wird. Diese zeitaufwendige Prozedur kann zusätzliche
Last im leitungsvermittelten Netz erzeugen, benötigt möglicherweise zu viel Zeit und
könnte
daher bei den Wiederholungsaktionen der höheren Kommunikationsschichten
Zeitüberschreitungszustände oder
auf der Anwendungsschicht sogar eine Trennung erzwingen.
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Da
der Synchronisierungsverlust die tatsächliche Einrichtung einer Gruppe
nicht ändert,
ist es nicht notwendig, die Verbindung zu beenden und neu einzurichten,
es ist lediglich die Rückkehr
in die Trainingsphase notwendig und die Verzögerungen zwischen den Kanälen der
Gruppe müssen
neu berechnet werden. Dies kann in viel kürzerer Zeit geschehen als bei
Verwendung einer Prozedur mit Trennung, Neuverbindung und Synchronisierung.
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Über den
Rahmen der BONDING-Spezifikation hinaus wird ein neuer Befehl zur
Neusynchronisierung eingeführt,
der in der Implementierung mit „Try to resynch" (Neusynchronisierung
versuchen) bezeichnet ist. In den folgenden Protokollsequenzen sind
unterschiedliche Szenarien im Falle eines Synchronisierungsverlustes
zwischen B-Kanälen
einer Gruppe gezeigt, der durch eine bei der Verbindung auftretende
Phasenverschiebung verursacht wurde, während das Training bereits
abgeschlossen war und Benutzerdaten zwischen den zwei beteiligten
Stationen ausgetauscht wurden.
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Die
nachfolgende Sequenz zeigt die verbesserte Neusynchronisierung ohne
Trennung der Kanäle,
die an der Gruppe teilnehmen:
Aufgrund der Anzeige vom Protokoll
einer oberen Schicht erhält
die Zustandsmaschine, die die unterschiedlichen Zustände einer
IMU handhabt, eine Anforderung auf „Try to resynch". Die erste EMU (Station
1), die diesen Befehl erhält,
schaltet vom Benutzerdatenmodus in den Neusynchronisierungsmodus
um, beginnt mit dem Senden von Synchronisierungsstrukturen und bestätigt dem
Protokoll der höheren
Schicht diesen Zustandsübergang
(„Try
to resynch confirm").
Die zweite IMU (Station 2) erhält
durch einen Prozess, der in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung FR 999...
beschrieben ist, die auf denselben Empfänger übertragen wurde, von dem Protokoll
der höheren
Schicht asynchron zur ersten IMU die gleiche Anzeige. Mit einem „Try to resynch_req" beginnt die IMU
an der Station 2 ebenfalls, Synchronisierungsstrukturen für alle Kanäle der betroffenen Gruppe
auszusenden. Nach Abschluss des Trainings werden die Verzögerungen
neu berechnet und die Tabellen aktualisiert. Eine „lsynch_ind"-Antwort, die auf
beiden Seiten an das Protokoll der höheren Ebene gesendet wird,
zeigt die Wiedererlangung der Synchronisierung an und der Austausch
von Benutzerdaten kann fortgesetzt werden.
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Dasselbe
oben beschriebene Szenario auf der Basis des grundlegenden BONDING-Protokoll
(Trennung, Neuverbindung, Neusynchronisierung) sieht wie folgt aus:
Aufgrund
der Anzeige vom Protokoll der oberen Schicht erhält die Zustandsmaschine, die
die unterschiedlichen Zustände
einer IMU handhabt, eine Anforderung auf „abort" (Abbruch). Die erste IMU (Station 1),
die diesen Befehl erhält,
beendet den Benutzerdatenmodus für
die jeweilige Gruppe und setzt die gesamte Gruppe zurück (Abbruchanforderung,
Bestätigung
und Anzeige). Die Anrufsteuerfunktion (die den Verbindungsaufbau über den
D-Kanal handhabt) löst
durch eine Standard-Trennprozedur
den Verbindungsabbau aller Kanäle
dieser Gruppe aus. Station 2 erhält
die Anzeige, dass alle Kanäle
der jeweiligen Gruppe getrennt sind, und setzt ebenfalls die betroffene
Gruppe zurück.
Station 1 startet nun erneut eine Standard-Verbindungsprozedur,
indem sie auf dem ersten Kanal der Gruppe eine Verbindungsanforderung
sendet, die Parameter mit Station 2 (Anzahl von Kanälen usw.)
vereinbart und die Parameter akzeptiert. Beide Stationen fahren
fort, weitere Verbindungen für
diese Gruppe aufzubauen, indem sie Verbindungsanforderungen an das
Netz senden und die Bestätigungen
erhalten (im folgenden Beispiel werden der Gruppe weitere vier Kanäle zugeordnet).
Bis zu diesem Punkt wurde dieser ganze Aufwand im Beispiel oben
reduziert, indem die Trennung aller Verbindungen vermieden wurde
und das System lediglich in den Synchronisierungszustand zurückfiel.
Die nachfolgend gezeigte Sequenz wird auf dieselbe Weise wie oben
fortgesetzt, indem die Synchronisierung aller Kanäle für die jeweilige
Gruppe ausgeführt
wird, aber sie muss aufgrund des Aufbaus der neuen Verbindung möglicherweise zusätzlich eine
Neuordnung der Kanäle
auf der Empfangsseite ausführen.
Wie oben festgestellt, ist dieser ganze Zusatzaufwand zur Trennung
und zum Neuaufbau all der Verbindungen der Gruppe sehr zeitaufwendig
und erzeugt zusätzliche
Netzlast.
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Das
oben beschriebene Verfahren ermöglicht
einerseits die Verbesserung der Zuverlässigkeit der gebündelten
Kanäle,
während
gleichzeitig eine im Vergleich zu den Lösungen bei den BONDING-Modi 2 und 3 einfachere
IMU beibehalten wird, und andererseits die enorme Reduzierung der
zur Neusynchronisierung erforderlichen Zeit und Netzlast. Durch
die Verwendung dieses Verfahrens kann eine Neusynchronisierung erreicht
werden, ohne dass eine Trennung der jeweiligen Gruppe von B-Kanälen notwendig
ist.
