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Die
Erfindung betrifft die Übertragung
von Daten in zeitempfindlichen Anwendungen über paketvermittelte Netze
und weist eine besondere Relevanz für asynchrone Netze auf.
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Stand der
Technik
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Asynchrone
Breitbandnetze, die eine paketvermittelte Technologie verwenden
wie etwa das Ethernet, sind für
die Übertragung
von Daten extrem robust und zuverlässig. Diese Robustheit ist
zum Teil ein Merkmal eines asynchronen Betriebs, weil jeder Knoten
in dem Netz in der Lage ist, unabhängig von dem anderen Knoten
zu arbeiten, und folglich Zeitgebungskomponenten eines komplexen
Betriebsverhaltens für
eine Kommunikation zwischen Knoten nicht erforderlich sind. Die
zunehmende Verfügbarkeit
dieser Breitbandnetze hat Interesse beim Verwenden derartiger Netze
hervorgerufen, um Anwendungen mit strikten Zeitgebungserfordernissen
wie etwa Sprache oder Video zu übertragen.
Mobiltelephonie insbesondere ist ein wahrscheinlicher Kandidat hinsichtlich
der weit verbreiteten Verfügbarkeit dieser
Typen von Netzen. Jedoch legen diese Echtzeitanwendungen dem Netz
niedrige Umlaufverzögerungen
auf. Beispielsweise sind in der Sprachkommunikation Umlaufverzögerungen über ungefähr 100 ms
für den
Benutzer verwirrend, da jedwede Verzögerung als eine Pause in dem
Gespräch
wahrgenommen wird. Ein synchroner Betrieb ist auch wesentlich beispielsweise,
um sicherzustellen, dass die Sprach- und Bildkomponenten von Videodaten
zusammen ankommen, und auch so, dass Funkbasisstationen in der Lage
sind, Daten gleichzeitig zu senden.
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Heutige
Lösungen
für dieses
Problem schließen
ein Installieren von Oszillatoren eines guten Betriebsverhaltens,
die als Taktsignalgeneratoren in den Zugriffsknoten dienen, und
ein Synchronisieren dieser Oszillatoren mit einer externen Taktwelle,
beispielsweise unter Verwendung eines IP-basierten Zeitgebungsprotokolls wie
etwa NTP (Netzzeitgebungsprotokoll) ein.
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Die
WO 99/65196 beschreibt ein lokales Netz (LAN), das zur Paketvermittlung
von Standard-Ethernet-Paketen ausgelegt ist, wobei das LAN ein Kommunikationsvermittlungsmodul
einsetzt, um einen Fluss von sowohl zeitempfindlichen als auch nicht-zeitempfindlichen
Daten zu steuern. Benutzerendgerät-(UTE)-Adapter sind mit
beiden Vorrichtungen verbunden, die die zeitempfindlichen und die nicht-zeitempfindlichen
Daten erzeugen. Überdies synchronisiert
ein Master-Oszillator in dem Kommunikationsvermittlungsmodul die
Vorrichtungen auf dem LAN über Übertragungen
von Master-Ethernet-Paketen bei fester Rate, die dazu dienen, lokale Takte
in den UTE-Adaptern zu synchronisieren.
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Die
US-A-6,259,683 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Umschaltens
eines Kommunikationskanals, wenn eine Mobilstation, die in einem ersten
Dienstgebiet angeordnet sind, sich zu einem zweiten Dienstgebiet,
das an das erste Dienstgebiet angrenzt, bewegt. Die Mobilstation
bestimmt einen Unterschied zwischen einer Übertragungsphase eines Rahmensynchronisationssignals,
das von einer ersten Basisstation empfangen wird, die gegenwärtig einen
Kommunikationskanal mit der Mobilstation hält, und einer Übertragungsphase
eines Rahmensynchronisationssignals, das von einer zweiten Basisstation
empfangen wird, von der erwartet wird, dass sie einen Kommunikationskanal
mit der Mobilstation neu einrichtet. Die Phasendifferenzinformation
wird zu der ersten Basisstation über
den Kommunikationskanal gesendet. Diese erste Basisstation, die
die Phasendifferenzinformation empfangen hat, wird veranlasst, die
Phasendifferenzinformation zu der zweiten Basisstation zu übertragen
und veranlasst die zweite Basisstation dazu, eine Phase von Daten,
die zu der Mobilstation gesendet werden sollen, zu korrigieren.
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Jedoch
ist, zusätzlich
zu den Kosten, die erforderlich sind, um die Zugriffsknoten zu modifizieren, die
Zeit, die erforderlich ist, um Endknoten mit einer Masterknotennetz-Startzeit zu synchronisieren
und für
eine Rücksetz-
und Fehlerbeseitigung sehr lang, wenn NTP verwendet wird, in typischer
Weise in der Größenordnung
von mehreren Stunden, wenn nicht Tagen. Zusätzlich ändert die gegenwärtige Zunahme in
der Komplexität
und Verfeinerung der Zugriffsknoten inhärent die Natur des paketvermittelten
Netzes und macht es anfälliger
gegenüber
einem Zusammenbruch.
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Somit
besteht ein Bedarf zum Ermöglichen der
zuverlässigen Übertragung
von Echtzeit- oder zeitempfindlichen Anwendungen über vorhandene paketvermittelte
Netze, die extensive Modifikationen in der Netzinfrastruktur vermeidet
und schnelle Netzstart- und Wiedergewinnungszeiten ermöglicht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
obigen Aufgaben werden in einer Anordnung und einem Verfahren gelöst, die
in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert sind.
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Insbesondere
wird eine Datenübertragungsverbindung
zum Übertragen
von zeitempfindlichen Daten vorgeschlagen, die einen ersten Knoten,
der mit einer Mehrzahl von Endknoten über ein paketvermitteltes Breitbandnetz
verbunden ist, und zumindest ein Endgerät einschließt, das außerhalb des Netzes angeordnet
ist, das mit jedem Knoten verbunden ist. Jeder Endknoten schließt einen
Zeitgebungs-Erzeugungsschaltkreis zum Erzeugen eines Ausgangszeitgebungssignals
ein, das mit einem empfangenen Referenzzeitgebungssignal phasengekoppelt
ist, das von dem ersten Knoten ausgeht. Die Endknoten schließen auch
Einrichtungen zum Empfangen einer Datenstrukturinformation von dem
ersten Knoten ein. Unter Verwendung dieser Datenstrukturinformation identifizieren
die Endknoten das Datenstrukturformat zum Übertragen zeitempfindlicher
Daten zu den Endgeräten.
Die Endknoten schließen
auch einen Verzögerungssignalgenerator
zum Erzeugen eines Verzögerungssignals
im Ansprechen auf eine Verzögerungsinformation
ein, die von dem ersten Knoten empfangen wird. Dieses Verzögerungssignal
wird vorzugsweise eingestellt, um die Übertragungsverzögerung zwischen
dem ersten Knoten und irgendeinem Endknoten für den schlimmsten Fall darzustellen.
Die Endknoten schließen
weiter einen Datenkonverter, der das Verzögerungssignal von der Verzögerungssignal-Erzeugungseinrichtung,
die Datenstruktur von der Datenstruktur-Empfangseinrichtung und das
Zeitgebungssignal von dem Zeitgebungs-Erzeugungsschaltkreis empfängt, ein.
Dieser Datenkonverter ist angeordnet, Nutzdaten von dem ersten Knoten über das
paketvermittelte Netz zu empfangen und diese Nutzdaten auf eine
synchrone Weise zu dem jeweiligen Endgerät erneut zu senden. Der Datenkonverter
stellt die Zeitgebung der Nutzdatenübertragung in jedem Knoten
auf der Grundlage des empfangenen Zeitgebungssignals, des empfangenen
Datenstrukturformats und des empfangenen Verzögerungssignals ein, derart,
dass sämtliche
Endknoten die Nutzdaten im Wesentlichen gleichzeitig übertragen.
Die Erfindung beruht weiter auf einem Knoten, der ausgelegt ist,
als ein Endknoten in dieser Verbindung zu arbeiten.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Übertragen
zeitempfindlicher Daten über
ein paketvermitteltes Netz zwischen einem ersten Knoten und einer
Mehrzahl von Endknoten vorgeschlagen, wobei jeder Endknoten mit
zumindest einem Endgerät
verbunden ist, das außerhalb
des Netzes angeordnet ist. Das Verfahren schließt die folgenden Schritte ein:
Verbreiten eines Zeitgebungssignals über das Netz von dem ersten Knoten
zu jedem der Endknoten und Übertragen
eines Signals, das anzeigend für
einen Datenstrukturtyp ist, von dem ersten Knoten zu jedem Endknoten. Der
Datenstrukturtyp identifiziert das Datenformat, das für eine Übertragung
von den Endknoten zu den Endgeräten
zu verwenden ist. Das Verfahren fährt mit dem Schritt eines Übertragens
einer Verzögerungsziffer
von dem ersten Knoten zu jedem Endknoten fort, wobei diese Verzögerungsziffer
anzeigend für
die maximale Übertragungsverzögerung zwischen
dem ersten Knoten und irgendeinem der Endknoten ist. Schließlich werden
Nutzdaten zwischen dem ersten Knoten und den Endgeräten übertragen, wobei
die Nutzdaten, die zwischen jedem Endknoten und dem entsprechenden
Endgerät übertragen
werden, in dem identifizierten Datenstrukturformat in Übereinstimmung
mit dem Zeitgebungssignal formatiert und in Abhängigkeit von der Verzögerungsziffer eingestellt
sind, derart, dass eine Nutzdatenübertragung von jedem Endknoten
zu jedem Endgerät
im Wesentlichen synchron auftritt.
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Die
vorgeschlagene Lösung
erfordert eine aktive Synchronisierung der Master- und Endknoten nicht.
Stattdessen werden nur die Eigenschaften oder Qualitäten des
Taktsignals, das an dem Sendeknoten verwendet wird, zu den Endknoten
in dem Netz verteilt. Diese Knoten verwenden dann diese Information,
um Synchronisiersignale zu regenerieren. Die übrige Information, die für eine synchronisierte Übertragung
erforderlich ist, nämlich
das Datenformat, d.h. die Struktur und Zeitgebung der zu übertragenden
Daten wie auch die Verzögerungsinformation,
die notwendig ist, um die Datenstrukturzeitgebung einzustellen,
wird einfach zu den Endknoten über
das Netz gesendet. Die Endknoten bilden somit ein Signal synchronisiert
nach. Diese Lösung
weist den Vorteil auf, dass die Netzinfrastruktur im Wesentlichen
unverändert
verbleiben kann, obwohl die Zeitgebungs-empfindliche Anwendung das Netz behandeln
kann, als wäre
es ein synchronisiertes Netz.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
offensichtlich werden, die im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen gegeben werden. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Funktionsblockdiagramm eines Netzes in Übereinstimmung mit der Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm, das die Funktionselemente eines Zwischen- oder Endknotens
in dem Netz veranschaulicht, der angeordnet ist, ein Referenzsignal
zu verbreiten;
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2a schematische
Details eines Phaseneinstellschaltkreises der Schaltung in 2;
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3 ein
Blockdiagramm einer alternativen Anordnung zum Verbreiten eines
Referenzsignals in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4 die
Rahmenstruktur eines Ethernet-Rahmens;
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5 eine
modifizierte Rahmenstruktur in Übereinstimmung
mit der Erfindung;
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6 ein
Blockdiagramm eines Empfängerschaltkreises
in einem Netz-Endknoten in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein
Zeitgebungsdiagramm, das den Informationsaustausch zwischen den
Master- und Endknoten über
Zwischenknoten in dem Netz veranschaulicht.
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DETAILIERTE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
Erfindung wird auch im Folgenden unter spezifischer Bezugnahme auf
das schnelle Ethernet (auch bekannt als das 100Base-T-Ethernet)
und das Gigabit-Ethernet beschrieben werden, es ist jedoch zu verstehen,
das die Erfindung nicht auf das Ethernet beschränkt ist, sondern in gleicher
Weise auf andere paketvermittelte Netze angewandt werden kann.
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Kommunikationsverbindung über eine
Ethernet-Netzstruktur 1, die verwendet wird, um die Erfindung
zu veranschaulichen. Die Verbindung ist zwischen einem Masterknoten 10,
der in dem Netz 1 ist, und mehreren Abschlussknoten 40,
die außerhalb
des Netzes 1 sind und auf das Netz über Netzendknoten 30 zugreifen.
Eine Anzahl von Zwischenknoten 20 kann zwischen den Masterknoten 10 und
dem Endknoten 30 verbunden sein. Daten, die von dem Masterknoten 10 zu
dem Abschlussknoten 40 übertragen
werden, werden über
das Netz 1 in Paketeinheiten übertragen.
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In
paketvermittelten Netzen wie etwa dem Ethernet arbeiten Knoten unabhängig voneinander. Ein
Betrieb zwischen Knoten ist nicht synchronisiert und aus diesem
Grund können
Lokal-Frequenzoszillatoren,
die die internen Takte der Knoten erzeugt, Oszillatoren von relativ
niedrigem Betriebsverhalten und geringen Kosten sein. Für Echtzeit-
oder zeitempfindliche Anwendungen wie etwa die Mobiltelephonie ist
eine Synchronisation zwischen unterschiedlichen Elementen unerlässlich.
Beispielsweise muss dann, wenn ein Mobiltelefon gepaged wird, ein Paging-Signal
von mehreren Funkbasisstationen (RBS) gleichzeitig übertragen
werden. Ein Übertragen
eines derartigen Paging-Signals zu mehreren Funkbasisstationen über das
Ethernet wird nicht eine synchrone Übertragung von jedem Endknoten
garantieren, der mit einer RBS verbunden ist.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine synchrone Übertragung
in einem paketvermittelten Netz von mehreren Endknoten ermöglicht,
ohne die inhärente
asynchrone Infrastruktur des Netzes zu ändern.
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Eine
Synchronisation wird nicht durch ein aktives Synchronisieren des
Betriebs sämtlicher
Knoten mit einem externen Taktsignal erreicht. Stattdessen wird
jeder Knoten mit der notwendigen Information versehen, um ein Synchronisationssignal
zu regenerieren. Dies kann in drei Schritten zusammengefasst werden:
Der
erste Schritt besteht darin, die Eigenschaften des Masterknoten-Taktsignals
zu jedem Endknoten 30 über
das Netz zu verteilen. In diesem Dokument ist beabsichtigt, dass
der Ausdruck Eigenschaft den Jitter und die Stabilität des Taktsignals
bedeutet, nicht notwendiger Weise die Taktfrequenz. Der zweite Schritt
besteht darin, die Struktur der Nutzdaten, die an dem Endknoten 30 regeneriert
werden müssen, für eine Übertragung
zu dem Abschlussknoten 40 zu identifizieren, einschließlich eines
Versehens des Endknotens mit einem Marker, relativ zu welchem eine Übertragung
gestartet werden muss. Der dritte Schritt besteht darin, eine Übertragungsverzögerung zwischen
dem Masterknoten und jedem Endknoten einzustellen, die von jedem
Endknoten 30 verwendet werden kann, um den Start einer
Datenregenerierung und -Übertragung
zu justieren. Wenn jeder Endknoten 30 im Besitz dieser
Informationen ist, ist er in der Lage, ein Nutzsignal zu regenerieren,
das mit sämtlichen
anderen Endknoten 30 synchronisiert sein wird. Es wird
erkannt werden, dass diese drei Schritte in jedweder Reihenfolge
durchgeführt
werden können.
Jedoch muss der Endknoten 30 sämtliche notwendige Information
empfangen haben, bevor eine Nutzlastübertragung beginnt.
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In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Verteilung der Mastertakt-Eigenschaften zu den
Endknoten 30 durch ein Verbreiten eines Referenzsignals
einer konstanten Frequenz zu dem Masterknoten über jeden Knoten 20, 30 innerhalb
eines definierten Pfades zu dem Abschlussknoten 40 erreicht.
Es wird angenommen, dass der Masterknoten 10 einen Oszillator eines
hohen Betriebsverhaltens aufweist und folglich in der Lage ist,
ein Referenzsignal einer konstanten Frequenz mit minimalem Jitter
und einer hohen Stabilität
zu überzeugen.
Dieses Referenzsignal kann in sämtlichen
Nachrichten von dem Masterknoten enthalten sein. Während eines
normalen Betriebs überträgt die Übertragungsverbindung
immer von dem Masterknoten 10 herab. Wenn keine Nutzdaten
verfügbar
sind, wird ein Leerlaufmuster übertragen,
das ein zugängliches
Taktsignal auf der Verbindung erzeugt. Es wird erkannt werden, dass
nur jene Knoten 20, 30 innerhalb der Verbindung
zwischen dem Masterknoten 10 und dem Abschlussendknoten
erforderlich sind, um die Mastertakteigenschaften zu identifizieren
und zu verbreiten. Aus diesem Grund wird ein Master-gesteuertes
Verteilungsnetz vorzugsweise innerhalb des paketvermittelten Netzes 1 definiert,
um spezifische Knoten 20 und Pfade zwischen dem Masterknoten 10 und
definierten Netzendpunktknoten 30 einzuschließen. Dieses
Verteilungsnetz kann aus definierten individuellen Pfaden zwischen
den Master- und Endknoten 10, 30 bestehen. Alternativ
können die
Synchronisationsübertragungspfade
dynamisch eingerichtet werden, wobei Änderungen im Übertragungspfad
automatisch implementiert werden. Dies impliziert die Software-gesteuerte
Pfadzuordnung in jedem Knoten, die von dem Masterknoten 10 gesteuert
wird.
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Die
Verbreitung des Konstantfrequenz-Referenzsignals wird durch jeden
Zwischenknoten 20 in irgendeinem Pfad zwischen dem Masterknoten 10 und
einem Endknoten 30 erreicht, der seinen internen Taktgenerator
an das empfangene Referenzsignal Phasen-koppelt. Jedwedes erzeugte
Ausgangssignal wird somit den Jitter und die Stabilität des Taktreferenzsignals
zu den nächsten
Knoten 20, 30 übermitteln.
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2 veranschaulicht
einen Knoten, der angeordnet ist, um die Eigenschaften eines Referenzsignals
zu empfangen und zu senden, das von dem Masterknoten herrührt. Es
ist zu verstehen, dass diese Anordnung die gleiche in sowohl den
Zwischen-20 und Endknoten 30 des Netzes ist, jedoch wird
zur Vereinfachung 2 unter spezifischer Bezugnahme
auf einen Zwischenknoten beschrieben werden. In dem Blockdiagramm
der 2 umfasst der Knoten 20 drei Teile, eine
Referenzextraktionseinheit 50, den Körper des Knotens 200 und
eine Referenzeinstelleinheit 60 zum Auferlegen der Eigenschaften
des Referenzsignals auf das Ausgangssignal, oder vielmehr zum Phasenkoppeln
der Ausgangsfrequenz auf dem Referenzsignal. Der Körper des
Knotens 200 stellt einen herkömmlichen Knoten in dem paketvermittelten
Netz dar. Seine Struktur ist somit im Stand der Technik altbekannt
und wird im Detail hier nicht beschrieben werden. Die Extraktionseinheit 50 und
die Einstelleinheit 60 sind neue Elemente, die jeweils
mit dem Eingang und Ausgang des Knotens 200 verbunden sind.
Die Extraktionseinheit ist zwischen dem Eingangspfad und dem Knoten
verbunden, während
die Einstelleinheit 60 zwischen dem Knoten und dem Ausgangspfad
oder der Abwärtsstrecke
verbunden ist. Eine Umgehungsverbindung 70 verbindet die
Extraktionseinheit 50 direkt mit der Einstelleinheit 60.
Im Betrieb extrahiert die Extraktionseinheit 50 das Taktreferenzsignal,
das in dem Eingangssignal enthalten ist und leitet dieses der Einstelleinheit 60 über die
Verbindung 70 zu. Die Eingangsinformation wird direkt zu
dem Knotenkörper 200 übermittelt.
Jedwede Ausgangsinformation von dem Knotenkörper 200 wird über die
Einstelleinheit 80 gesendet, die die Eigenschaften des
empfangenen Referenzsignals dem Ausgangssignal auferlegt, bevor
dieses zu der Abwärtsstrecke
gesendet wird. Die Einstelleinheit 80 wird vorzugsweise
unter Verwendung eines Phasenregel (PLL)-Schaltkreises implementiert,
wie schematisch in 2a veranschaulicht. 2a veranschaulicht
den Phaseneinstellschaltkreis, der durch die Umgehungsverbindung 70 in 2 dargestellt
ist. Der Phaseneinstellschaltkreis ist eine Phasenregelschleife
mit einem Komparator 71, der die extrahierte Referenzzeitgebungs-Frequenz
empfängt
und diese mit einem eingestellten Rückkopplungssignal vergleicht.
Das Ergebnis des Vergleichs wird zu einem Regler 72 geleitet,
der einen spannungsgesteuerten Oszillator 73 in Abhängigkeit
von dem Komparatorsignal steuert. Das Prinzip des Betriebs einer
Phasenregelschleife ist Fachleuten altbekannt und wird hier im Detail
nicht beschrieben werden.
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Es
wird erkannt werden, dass kein Erfordernis besteht, dass die Frequenz
des Ausgangssignals die Gleiche wie die des Eingangsreferenzsignals
ist. Die Einstellung synchronisiert nur die Signale derart, dass
die Taktübergänge eines
der Signale Taktübergängen in
den anderen entsprechen.
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2 veranschaulicht
den Schaltkreis der für
eine Einwegübertragung über dem
Knoten 20 oder 30 notwendig ist. Es wird jedoch
erkannt werden, dass der identische Schaltkreis für eine Übertragung
in der entgegengesetzten Richtung vorhanden sein wird, um eine bidirektionale
Verbreitung der Referenzsignal-Eigenschaften zu ermöglichen.
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Während die
Extraktions- und Einstelleinheiten 50, 60 getrennte
Einheiten sein können,
um eine Verbindung mit existierenden herkömmlichen Knoten zuzulassen,
ist es natürlich
möglich,
die Funktionalität
dieser Elemente innerhalb einer Knotenstruktur einzuschließen.
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Ein
Verbreiten der Eigenschaften eines Referenzsignals unter Verwendung
eines Zwischenknotens, wie in 2 gezeigt,
weist den Vorteil auf, dass nur minimale Modifikationen an dem Netz
ausgeführt werden
müssen.
In einer alternativen Ausführungsform
können
die Frequenzgeneratoren in jedem Knoten 20, 30 an
ein externes Referenzsignal wie etwa einem Verbindungsanschluss
gekoppelt werden. Dies ist schematisch in 3 veranschaulicht. 3 veranschaulicht
eine unidirektionale Übertragung oder
einen Nutzpfad von dem Masterknoten 10 über zwei Zwischenknoten 20 zu
einem Endknoten 30. Ein zweiter Pfad ist durch eine gestrichelte
Linie in der oberen Hälfte
der 3 veranschaulicht. Dieser zweite Pfad wird verwendet,
um Mastertaktsignal zu verbreiten. In Intervallen entlang dieses
zweiten Pfads sind Taktregenerationsknoten 80 angeordnet. Die
Knoten 20 in dem Übertragungspfad
sind herkömmliche
Knoten in dem Netz mit einem internen Frequenzgenerator, die aber
eine Einstelleinheit ähnlich
jener unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen
einschließen.
Jeder der Zwischenknoten 20 und der Endknoten 30 ist
mit dem Mastertakt-Referenzsignal an einen Generationsknoten 80 verbunden. Wenn
ein Knoten 20, 30 eingerichtet ist, zeitempfindliche
oder Echtzeitanwendungen zu übertragen,
wird er das externe Mastertaktsignal verwenden, um die Übertragungstaktraten
zu modifizieren.
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Es
wird verstanden werden, dass der Datenübertragungspfad und der Mastertakt-Übertragungspfad
unterschiedliche Taktraten aufweisen können. Beispielsweise kann der
Taktgenerationspfad ein Mastertaktsignal bei 1,25 GHz betragen,
während der Übertragungspfad
Daten bei 100 Mb/s beträgt. Wie
in der in 2 veranschaulichten Ausführungsform
muss das Mastertaktsignal in den Knoten 20, 30 nicht
repliziert werden, die Knoten koppeln das interne Taktsignal nur
phasenmäßig an das
Mastertaktsignal, um die erforderlichen Übertragungsraten zu erzeugen.
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In
jedwedem paketvermittelten Netz, das asynchrone Daten normalerweise
handhabt, besteht kein Bedarf, dass die Ausgangssignalfrequenz an
irgendeine Referenz Phasengekoppelt wird, wodurch die erforderlichen
Hardwaremodifikationen nur an jenen Zwischenknoten 20 und
Endknoten 30 ausgeführt
werden können,
die in der synchronen Verbindung definiert sind.
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Die
Verteilung der Mastertakteigenschaften zu jedem der Netz-Endpunktknoten 30 stellt
sicher, dass jeder Endknoten 30 in der Lage ist, Nutzdaten mit
der erforderlichen Frequenz mit akzeptablem Jitter und einer Frequenzstabilität zu übertragen.
Jedoch werden die Referenztaktsignale, die von jedem Endknoten 30 empfangen
werden, aufgrund der unterschiedlichen Latenzzeiten der Übertragungspfade nicht
synchronisiert werden.
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Um
Daten auf eine synchrone Weise in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zu übertragen,
sind die Endknoten 30 mit einer Einrichtung zum Identifizieren
der erforderlichen TDM-Datenstruktur zum Übertragen der Nutzdaten zu
dem Abschlussknoten 40, beispielsweise einer RBS, und auch
einer Einrichtung zum Identifizieren eines Markers, der anzeigend
für den
absoluten Start einer Übertragung
ist, versehen. Dieser Marker wird von dem Knoten 30 als
ein absoluter Referenzpunkt verwendet, relativ zu welchem eine Regeneration
der Übertragungsfrequenz
und eine Übertragung
der regenerierten Nutzdaten zu starten ist. In der bevorzugten Ausführungsform
ist diese Information in der übertragenen
Rahmen- oder Dateneinheit enthalten. 4 zeigt
eine herkömmliche
Ethernet-Rahmenstruktur, wie sie in dem IEEE 802.3-Standard definiert
ist. Der Rahmen ist aus einer Anzahl von Feldern ausgeführt, jedes
mit einer definierten Anzahl von Bytes. Der Rahmen beginnt mit einer
7-Byte-Präambel 100,
auf die ein 1-Byte-Startrahmen-Trennzeichen 110 folgt,
das dazu dient, den Start des Rahmens anzuzeigen. In dem schnellen
Ethernet und Gigabit-Ethernet sind diese sieben Präambel-Bytes 100 nicht
für irgendeinen
spezifischen Zweck definiert. Die nächsten Felder schließen die
Bestimmungsadresse 120, eine Quellenadresse 130 und
einen Längenzählwert 140 ein.
Dann folgt das Datenfeld 150, das Füll-Bytes enthalten kann, wenn
die übertragen
Daten weniger Bytes als das spezifizierte Minimum verwenden. Der
Rahmen schließt
mit einer Rahmenüberprüfungssequenz 160 ab.
Die Funktion dieser Felder ist im Stand der Technik altbekannt und wird
im Detail nicht weiter beschrieben werden.
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Ein
modifizierter Rahmen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist in 5 veranschaulicht.
Dieser Rahmen ist identisch zu jenem unter Bezugnahme auf 4 beschrieben,
mit der Ausnahme des Präambelfelds 100.
In diesem Rahmen ist die Präambel 100 auf
vier Byte reduziert. Die restlichen drei Bytes dienen dazu, die
notwendigen Informationen für
die Endknoten bereitzustellen, die die Übertragung von zeitempfindlichen
oder Echtzeitdaten betreffen. Spezifisch wird ein Datenstrukturfeld 101 zum
Identifizieren der erforderlichen Datenstruktur und zum Anzeigen
eines Datenübertragungsstarts
verwendet. Es wird auch verwendet, Nachrichten zwischen den Master-10
und Endknoten 30 zu übertragen,
die eine Übertragungsverzögerung betreffen,
wie untenstehend detaillierter erläutert werden wird. Der Datenstrukturidentifizierer 101 ist
ein Code, der das Datenformat identifiziert, das in dem Netzendpunkt 30 zu
regenerieren ist und wird verwendet, die Nutzdaten zu dem Abschlusspunkt 40 zu übermitteln.
Beispielsweise wird, wenn der Abschlussendpunkt 40 ein
PABX mit einer einzelnen E1-Verbindung
zu dem Endknoten 30 ist, so dass E1-Daten durch das Netz 1 zu
tunneln sind, der Datenstrukturidentifizierer 101 den Endknoten 130 anzeigen,
dass die Struktur ein Rahmen ist, der 32 8-Bit-PCM-Kanäle umfasst,
die alle 125 μs übertragen
werden, um einen 2048 Mb/s-Bitstrom zu bilden. Der Datenstrukturidentifizierer
könnte
dem Endknoten 30 auch anzeigen, in welcher Struktur diese
Nutzdaten von dem Masterknoten 30 über das Netz 1 übertragen
werden, um es dem Endknoten 30 zu ermöglichen, die notwendige Regeneration
von einer Struktur in die andere durchzuführen.
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Wie
oben erwähnt,
kann ein Datenstrukturidentifizierer, der in dem Datenstrukturfeld 101 übermittelt
wird, sowohl die Struktur, d.h. eine Rahmenlänge, eine Nutzlänge, eine
Präambellänge etc.
als auch die Frequenz anzeigen, mit welcher diese Rahmen übertragen
werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Frequenz
der Daten aktiv von den Masterknoten 10 zu den Endknoten 30 übertragen
werden. Dies wird durch den Masterknoten 10 erreicht, der
einen Burst von Informationseinheiten, in typischer Weise Protokollrahmen überträgt, die
bei einer zugewiesenen Frequenz wiederholt werden, die mit der erforderlichen Übertragungsfrequenz
der synchronen Daten von den Endknoten 30 zu dem Abschlussknoten 40 verknüpft ist.
Beispielsweise werden, wenn Nutzdaten zu Abschlussknoten in dem E1-Format
von 32 PCM-Kanälen
zu übertragen
sind, die alle 125 μs übertragen
werden, die Informationseinheiten, die von dem Masterknoten 10 übertragen werden,
bei einer Wiederholrate von 8 kHz oder einem Vielfachen davon übertragen.
Die Informationseinheiten oder Protokollrahmen, die in diesen Burst übertragen
werden, werden vorzugsweise als Zeitgebungsrahmen identifiziert.
Dies kann erreicht werden, indem ein Zeitgebungscode in dem Datenstrukturfeld 101 platziert
wird. An dem Empfangsende messen die Endknoten 30 das Intervall
zwischen Dateneinheiten oder Rahmen. Dies wird zweckmäßigerweise
durch ein Markieren des Beginns jedes Rahmens in Verbindung mit
dem eingestellten Taktsignal, beispielsweise auf einer ansteigenden
Flanke des Taktsignals, und durch ein Starten eines Zählers in Verbindung
mit dem eingestellten Taktsignal ausgeführt, das dann gestoppt wird,
wenn der nächste
Rahmen ankommt, um einen periodischen Marker P zu erzeugen. Dieser
periodische Marker P wird dann verwendet, um über das Netz 1 empfangene
Nutzdaten zu identifizieren, die einem Zeitrahmen oder einer Dateneinheit über die
synchrone Verbindung zu dem Abschlussendknoten 40 zugewiesen
werden sollen. Der Marker ist im Wesentlichen ein Indikator für einen absoluten Übertragungsstart.
Er wird verwendet, um Daten zum Packen in den ersten Zeitrahmen
der synchronisierten Datenstruktur zu identifizieren. Nach diesem
Punkt werden sämtliche
empfangene Daten in nachfolgende Rahmen gepackt, so wie sie über das
Netz übertragen
werden. In jedem Knoten wird der Übertragungsstart relativ zu
dem berechneten Marker gemäß einer
Verzögerungsinformation
eingestellt werden, die detaillierter untenstehend beschrieben ist.
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Die
verbleibenden zwei Bytes werden für Wartungsinformation 102 verwendet.
Diese Bytes werden verwendet, nachdem die synchrone Datenverbindung über das
Netz 1 eingerichtet worden ist. Dieses Feld weist drei
Hauptfunktionen auf: Es wird verwendet, um einen Verbindungs-Neustart
zu ermöglichen;
es wird verwendet, um eine Änderung
in der Datenstruktur zu kommunizieren, und es wird auch verwendet,
um eine Verifikation des Stars des Übertragungsmarkers zu ermöglichen.
Hinsichtlich des physikalischen Pegels der Verbindung werden die
Wartungsbytes 102 auch in den dem Fall eines Verbindungsfehlers
oder einer außerhalb
der Spezifikation liegenden Frequenz verwendet.
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Der
Vorteil eines Einschließens
dieser Information in der Präambel
eines Ethernet-Rahmens bedeutet, dass ein Pegel-2-Protokoll, d.h. ein
Protokoll, das in der MAC-Abstimmungsunterschicht
abschließt,
verwendet werden kann, um diese Information handzuhaben. Ein Begrenzen
des Protokolls auf den Pegel-2 und darunter erlaubt einen schnellen Start
und Neustart des Netzes. Für
Anwendungen mit geringerem Zeitgebungserfordernissen ist es möglich, das
herkömmliche
Netzzeitgebungsprotokoll (NTP) oder ein Nutzeranwendungsprogramm
zu verwenden, das ein Internet-Protokoll
(IP) zur Übertragung
verwendet, um die Datenstruktur zu den Endpunktknoten zu kommunizieren.
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Zusätzlich zu
einer Information über
die Datenstruktur und einem absoluten Start der Übertragung erfordern die Endknoten 30 auch
eine Information, die es ihnen erlaubt, den Start einer Übertragung
durch die erforderliche Zeit einzustellen, um sicherzustellen, dass
die Übertragung
im Wesentlichen zwischen sämtlichen
Netz-Endknoten 30 synchronisiert ist. Um diese Information
zu erhalten, bestimmt jeder Endknoten 30 die Umlaufverzögerung zu
dem Masterknoten 10. Dieser wird vorzugsweise unter Verwendung
einer Umlaufverzögerungsnachricht
in dem Datenstrukturfeld 101 des Rahmens durchgeführt. Der
Masterknoten 10 gibt jede Nachricht zu dem jeweiligen Endknoten 30 zurück. Unter
Verwendung dieser Nachrichten berechnet jeder Endknoten 30 eine
Ziffer, die repräsentativ
für die
Umlaufverzögerung
zu dem Masterknoten 10 ist. Diese Umlaufverzögerungs-Ziffer
wird dann zu dem Masterknoten 10 kommuniziert. Wieder ist
diese Information vorzugsweise in dem Datenstrukturfeld 101 der
Präambel
enthalten. Der Masterknoten 10 bestimmt die Verzögerung,
im schlimmsten Fall die, die von dem Endknoten 30 kommuniziert
wird, und sendet diese Ziffer zurück zu sämtlichen Knoten 30.
Diese Ziffer ist anzeigend für
die absolute Verzögerung,
die sämtliche Endknoten 30 den
synchronen Daten auferlegen müssen,
um eine Synchronisation sicherzustellen. Unter Verwendung dieser
maximalen Verzögerungsziffer
berechnet jeder Endknoten 30 einen Einstelltakt zum Einstellen
des Starts einer Übertragung
relativ zu dem absoluten Start eines Übertragungsmarkers. Dies wird
durch ein Subtrahieren der berechneten Umlaufverzögerung von
der maximalen Umlaufverzögerung,
die von dem Masterknoten 10 kommuniziert wird, und ein
Teilen der resultierenden Ziffer durch 2 ausgeführt. Es wird erkannt werden,
dass die Endknoten 30 die Einwegverzögerung zwischen dem Masterknoten 10 und
dem Endknoten 30 anstelle der Umlaufverzögerung berechnen
können.
In diesem Fall kann die Einstellung, die bei dem Start des Übertragungsmarkers
ausgeführt
wird, einfach durch eine Subtraktion der einzelnen Verzögerung von
der maximalen Verzögerung
erhalten werden.
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Der
Mechanismus zum Kommunizieren der notwendigen Nachrichten zum Erhalten
der Einstellung des Datenstrukturstarts kann in zweckmäßigerweise
in dem Pegel-2-Protokoll zum Interpretieren der Präambelinformation 101 eingeschlossen
werden. Sobald jeder Endknoten 30 im Besitz der notwendigen
Information ist, kann eine Übertragung
von Nutzdaten beginnen. Dieser Start einer Nutzdatenübertragung
wird zu dem Endknoten 30 von dem Masterknoten 10 unter
Verwendung einer Informationsnachricht kommuniziert. Mit dieser
Nachricht starten die Endknoten 30 ein Entpacken von Nutzdaten,
die über
das Netz 1 empfangen werden und ein erneutes Packen der
Daten in die zugewiesene TDM-Zeitrahmenstruktur in Übereinstimmung
mit dem Auftreten des eingestellten Markers oder eines Zählwerts,
der einen Übertragungsstart
anzeigt.
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Der
Aufbau des Empfängerschaltkreises
in den Endknoten 30 ist funktionsmäßig in 6 veranschaulicht.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind zwei Signale angezeigt, die
in den Knoten 30 eingehen (von links nach rechts in der
Figur). Die obere Linie in der Figur stellt das Mastertakt-Referenzsignal dar,
während
die untere Linie die Daten darstellt. Es wird verstanden werden,
dass diese Trennung nur funktionell ist, und dass die Information
in der Praxis auf der gleichen physikalischen Leitung übermittelt wird.
Der Knoten 30 schließt
den Takteinstellschaltkreis zum Einstellen einer Datenübertragungs-Zeitgebung
auf das empfangene Mastertakt-Referenzsignal
ein. Wie unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben,
ist dies im Wesentlichen eine Phasenregelschleife und schließt einen
Komparator 350, der eine Eingangsfrequenz mit einer Rückkopplungsfrequenz
vergleicht, einen Regler 370 und einen spannungsgesteuerten
Oszillator (VCO) ein, der die Rückkopplungsfrequenz
erzeugt. Der Betrieb dieses Schaltkreises ist Fachleuten altbekannt
und wird hier nicht weiter beschrieben werden. Betreffend die Datenleitung
ist mit dieser ein erster Funktionsblock 310 verbunden,
der den Marker-Einstellschaltkreis darstellt. Dieser Block 310 empfängt auch
das eingestellte Taktsignal, das mit dem Mastertaktsignal Phasengekoppelt
ist. Wie bereits beschrieben schließt in Verbindung mit dem Mastertaktsignal
dieser Block 310 in zweckmäßiger Weise einen Zähler ein,
der einen Marker auf den Empfang einer Zeitgebungsinformation von
dem Masterknoten 10 hin einstellt. Ein Verzögerungsblock 320 empfängt auch
Daten von dem Netz 1. Dieser Block empfängt die kommunizierte maximale
Verzögerungsziffer
von dem Masterknoten 10 und verwendet diese, um die eindeutige
Verzögerungsziffer
einzustellen, die von dem Knoten unter Verwendung einer Umlaufverzögerungsnachricht berechnet
ist. Dieser Verzögerungsblock 320 und
der Markereinstellblock 310 sind mit einem Datenstartblock 330 verbunden.
Der Datenstartblock 330 empfängt den Marker, der anzeigend
für den
absoluten Start einer Übertragung
ist, von dem Block 310 und stellt diese Markerposition
oder Zeitgebung unter Verwendung der Verzögerungsinformation von dem Block 320 ein,
um einen eingestellten Start des Übertragungsmarkers zu erzeugen.
Ein Datenstrukturblock 380 ist auch verbunden, um Daten
zu empfangen, die von der Netzverbindung eingehen und dient dazu,
die Datenstrukturinformation zu extrahieren. Der Datenstrukturblock 380,
der Datenstartblock 330 und das Phasen-eingestellte Taktsignal
von dem VCO 360 werden sämtlich einem Regenerationsblock 340 zugeführt, der
auch die Nutzdaten über
die Netzverbindung empfängt.
Auf eine Identifikation eines Starts hin, eine Nachricht zu übertragen,
die von dem Masterknoten 10 gesendet wird, entpackt der Regenerationsblock 340 die
Nutzdaten aus dem empfangenen Datenstrom und packt diese in die neue
Rahmenstruktur, wobei jeder Rahmen synchronisiert zu dem eingestellten
Zeitgebungsmarker gestartet wird, derart, dass er bei der erforderlichen
Frequenz über
die synchrone Verbindung zu einem Abschlussknoten 40 übertragen
wird. Der Regenerationsblock schließt vorzugsweise eine bestimmte
Art eines Pufferschaltkreises, in idealer Weise eine FIFO ein, in
welcher Nutzdaten, die über
das Netz 1 empfangen werden, gepuffert werden können, bevor
sie in eine korrekte TDM-Zeitrahmenstruktur
gepackt und in Übereinstimmung
mit dem Zeitgebungsmarker übertragen
werden.
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7 veranschaulicht
den Austausch von Nachrichten zwischen dem Masterknoten 10 und
einem Endknoten 30 über
Zwischenknoten 20 vor und während einer Übertragung
von zeitempfindlichen Daten. Zu einer Zeit 200 überträgt der Masterknoten 10 eine
Initialisierungsnachricht zu sämtlichen Knoten
in der synchronen Verbindung, um eine synchrone Datenverbindung
zu definieren und zu initiieren. Diese Nachricht ist nur relevant,
wenn eine dynamische Einrichtung der Verbindung implementiert ist. Die
Zwischenknoten 20 und Endknoten 30 richten den
synchronisierten Übertragungspfad
dynamisch auf einen Empfang dieser Nachricht hin ein. Dies bedeutet,
dass die internen Takte sämtlicher
Knoten 20, 30 innerhalb der definierten Verbindung
mit dem Mastertakt-Referenzsignal
Phasengekoppelt werden. Bei 201 sendet der Masterknoten
normalen Verkehr. Die Zwischen-Endknoten 20, 30 extrahieren den
Takt von der Aufwärtsverbindung,
stellen den Knotenübertragungstakt
auf den extrahierten Takt ein oder stellen einen Übertragungstakt
für eine
spezifische Verbindung auf diesen extrahierten Takt alternativ ein
und legen den eingestellten Takt der Abwärtsstrecke auf. Bei 202 sendet
der Masterknoten 10 die Datenstruktur-Steuernachricht,
die eine Information über
die Datenstruktur einschließt.
Diese Nachricht wird über
sämtliche
Zwischenknoten 20 verbreitet und endet in dem Endknoten 30,
wobei der Endknoten 30 eine Regeneration der Datenstruktur vorbereitet.
Bei 203 sendet der Masterknoten 10 eine Datenstruktur-Frequenzinformation.
Diese besteht aus einem Burst von Protokoll-Rahmen mit festen Zwischenrahmen-Lücken. Diese
Rahmenwiederholrate ist anzeigend für die Datenstruktur-Wiederholrate und
kann gleich der synchronen Datenstruktur-Wiederholrate oder einem Vielfachen
davon sein. Dieser Informations-Burst wird durch die Zwischenknoten 20 zu
den Endknoten 30 verbreitet. Der Endknoten misst das Intervall
zwischen diesen Rahmen und setzt einen periodisch wiederholten Zeitmarker, der
mit dem Referenztaktsignal verknüpft
ist, relativ zu welchen die Datenstruktur, die in der Datenstruktur-Informationsnachricht
definiert ist, unter Verwendung des extrahierten Taktsignals erzeugt
wird. Bei 204 wird eine Datenstruktur-Steuernachricht von dem
Masterknoten 10 über
die Zwischenknoten gesendet, um in dem Endknoten 30 zu
enden. Diese Nachricht enthält
eine Wartungsinformation, die einen Neustart der Verbindung, eine Änderung
in der Datenstruktur oder eine Verifikation des Starts der Datenstruktur
oder der Strukturwiederholrate betrifft. Bei 205 sendet
der Endknoten 30 eine Umlaufverzögerungsnachricht, die aus einem
Burst von Protokollrahmen besteht, die den emittierenden Endknoten 30 identifizieren.
Diese wird zu dem sendenden Knoten 30 durch den Masterknoten 10 bei 206 zurückgegeben.
Bei 207 wird die Umlaufverzögerungsnachricht, die von dem
Endknoten 30 berechnet ist, zu dem Masterknoten 10 gesendet.
Bei 208 sendet der Masterknoten 10 eine maximale
Umlaufverzögerungsnachricht
zu sämtlichen
Knoten. Diese Nachricht zeigt die längste Umlaufverzögerung sämtlicher
Knoten an, die bei dem Schritt S207 empfangen wird. Schließlich können bei 209 die
Nutzdaten zu sämtlichen
Endknoten über
die Zwischenknoten übertragen
werden.
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In
der obigen Beschreibung ist der Masterknoten 10 als ein
Knoten beschrieben worden, der in der Lage ist, die synchrone Datenverbindung
innerhalb des paketvermittelten Netzes einzurichten und zu rekonfigurieren.
Es ist jedoch zu verstehen, dass die Steuerfunktionen, die von diesem
Knoten 10 durchgeführt
werden, von einem getrennten Knoten, entweder innerhalb oder außerhalb
des Netzes, fernbetätigt
ausgeführt
werden können.
Der Masterknoten 10 würde
dann darauf beschränkt
werden, ein stabiles Taktsignal zu Knoten in der Abwärtsstrecke zu
verteilen, ohne die typischen Steuerfunktionen, die Masterknoten
normalerweise zugeordnet sind. Die obige Beschreibung ist spezifisch
auf die Übertragung
von zeitempfindlichen Daten von einem Masterknoten 10 zu
mehrfachen Abschlussknoten 40 über ein paketvermitteltes Netz 1 gerichtet.
Es ist jedoch zu verstehen, dass die beschriebene Anordnung nicht
auf eine unidirektionale Übertragung
beschränkt
ist, sondern es ist beabsichtigt, in beiden Richtungen zu übertragen.
Somit wird von Fachleuten erkannt werden, wobei es nicht explizit
erwähnt ist,
dass ein analoger Schaltkreis in den verschiedenen Elementen der
Verbindung vorhanden sein wird, um eine Übertragung in der entgegengesetzten
Richtung zuzulassen.