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Verfahren zur optischen Übertragung von bitseriellen
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Nachrichteninformationen, insbesondere von Sprach- und Videosiqnalen,
über ringförmig konfiourierte Netzwerke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
optischen Ubertragung von bitseriellen Nachrichteninformationen, insbesondere von
Sprach- und Videosignalen, über ringförmig konfigurierte mit Kopplungseinrichtungen
ausgestattete lokale Netzwerke, an die eine an die Übertragungsgeschwindigkeit und
an die Netz struktur dieser lokalen Netzwerke angepaßte Anzahl von unterschiedliche
Kommunikationsarten (Sprache, Daten, Bild, Text) verarbeitende Stationen (Endgeräte)
in beliebiger Kombination zueinander anschließbar sina, wobei jede Station Sende-
und Empfangseinrichtungen zur Übertragung der Nachrichteninformationen aufweist
und die Stationen derart innerhalb der lokalen Netzwerke angeordnet sind, daß die
Nachrichteninformationen zwischen den Stationen beliebig austauschbar sind, wobei
die Reihenfolge des Zugriffs der einzelnen Stationen zum lokalen Netzwerk durch
einen Synchronisationstakt steuerbar ist, und die Sende- und Empfangseinrichtungen
der Stationen derart an einen als Durchgangsmischer ausgeführten passiven Sternkoppler
anschaltbar sind, daß die Länge der Sendeleitung gleich der Länge der Empfangsleitung
der jeweiligen Station entspricht.
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Die wesentlichen Anforderungen an ein derartig definiertes System
im Hinblick auf eine effiziente Übertragung von Echtzeit-Nachrichteninformationen
über lokale Netzwerke (LAN) sind eine hohe Ausnutzung der Netzwerk-Kapazität und
eine begrenzte Netzwerk-Verzögerung. Topologien faseroptischer
Netzwerke,
die diese Forderungen erfüllen, sind gegenwärtig Bus- und Ringnetzwerkstrukturen,
die synchrone oder quasisynchrone Zugriffsprotokolle verwenden. So ist beispielsweise
aus IEEE-Journal on Selected Areas in Communications, Vol. Sac-l, April 1983, pp.
493 - 499 ein sogenanntes "D-Netzwerk" bekannt, bei dem die Sendeseiten sämtlicher
Stationen zusammengefaßt und an einen gemeinsamen Eingang eines Sternkoplers angeschlossen
sind, während die Empfangsseiten der Stationen dem Sternkoppler getrennt zugeführt
sind. Bei diesem Netzwerk ist ein so benannter Lokomotiv-Generator vorgesehen, der
sende- und empfangsseitig in gleicher Weise wie die einzelnen Stationen mit dem
Sternkoppler in Verbindung steht. Dieser Generator dient im wesentlichen zur Synchronisation
des Zugriffs der einzelnen Stationen zu dem Netzwerk und sendet immer dann ein gemeinsam
von allen Stationen zu empfangenes Netzwerk-Zugriffssignal aus, wenn vom Empfänger
des Generators das Ende einer Nachrichteninformationsfolge erkannt wird. So bald
mehrere Stationen Nachrichteninformationen zur gleichen Zeit senden wollen, empfangen
zwar alle Stationen das Netzwerk-Zugriffssignal vom Generator, jedoch kann nur eine
einzige Station ihre eigene Nachrichteninformation über das Netzwerk übertragen,
da alle anderen nachfolgenden Stationen durch die bereits laufende Übertragung der
Nachrichteninformation sich sendeseitig selbstätig sperren.
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Dieses sterngekoppelte D-Netzwerk, in dem die Stationen passiv mit
dem Netzwerk verbunden sind, stellt physikalisch ein offenes T-Bus-Netzwerk dar,
in dem die durch die Signalverteilung bedingte Reduzierung des Netzwerk-Zugriffssignals
lediglich maximal sechs Stationen zuläßt.
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Um die Zahl der Stationen innerhalb dieses D-Netzwerkes zu erhöhen,
ist aus dem gleichen Bericht ein aktives Netzwerk in Form eines offenen Ringes bekannt.
Hierbei sind die Stationen derart mit dem D-Netzwerk verbunden, daß die Empfangsseiten
des Generators und der Stationen mit einer
gemeinsamen Rückführleitung
verbunden sind, während die Sendeseite des Generators mit einem weiteren Empfangseingang
der ersten Station, die Sendeseite der ersten Station mit einem weiteren Empfangseingang
der zweiten Station etc. und schließlich die Sendeseite der n-ten Station mit der
gemeinsamen Rückführleitung verbunden ist. Dies bedeutet, daß sowohl das Netzwerk-Zugriffssignal
als auch die Nachrichteninformationen selbst von Station zu Station gesendet, dort
empfangen und wieder weiter gesendet werden müssen.
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Beide beschriebenen Systeme - cas passive, offene T-Bus-Netzwerk und
das aktive, offene Ring-D-Netzwerk - sind jedoch hinsichtlich der Betriebssicherheit
stark eingeschränkt, da beispielsseise beim Ausfall des zentralen Generators die
Nachrichteninformationsübertragung zwischen den Stationen nicht mehr erfolgen kann.
Darüber hinaus führen beim aktiven D-Netzwerk bereits Ausfälle einzelner aktiver
Stationen, die beispielsweise durch Kabelbruch entstehen können, zur Unterbrechung
der gesamten Nachrichteninformationsübertragung innerhalb eines derartigen Netzwerkes.
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Weiterhin ist aus dem Siemens Forschung- und Entwicklungsbericht,
Band 10 (1981), Nr. 1, erschienen im Springer Verlag 1981, eine vergleichene Betrachtung
zwischen T-Bus-und Sternbus- strukturierten Netzwerken bekannt, aus der hervorgeht,
daß die Anzahl von Stationen innerhalb derartiger Netzwerke unter der Voraussetzung
der Übertragung gleicher Datenmengen bei gleicher Übertragungsrate durch eine Sternbuskonfiguration
erheblich vergrößert werden kann.
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Dies beruht im wesentlichen auf die unterschiedlichen Netzwerkverzögerungen
innerhalb dieser verschiedenen Netzwerke; denn während beim T-Busnetz die Stationen
nacheinander in Reihe geschaltet werden, sind die Stationen im Sternbusnetz durch
den Sternkoppler praktisch parallel geschaltet.
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Hieraus ergibt sich, daß die Netzwerkverzögerung im T-Busnetz proportional
der Anzahl der Stationen ansteigt,
während die Netzwerkverzögerungen
im Sternkoppelnetz lediglich proportional des Logarithmus der Anzahl der Stationen
ansteigt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren
für die eingangs definierten Netzwerke anzugeben, in denen die Anzahl der Stationen
nicht primär von den Signalverteilungsverlusten des Systems abhängt und die Betriebssicherheit
derartiger lokaler Netzwerke, insbesondere im Hinblick auf den Ausfall einzelner
Stationen, erheblich verbessert ist. Erfindungsgemäß wird dies durch die Kombination
der kennzeichnenden Merkmale 1.1 bis 1.3 erreicht.
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Als wesentlich für die Erfindung ist anzusehen, daß mit dem durch
die Ursprungsadresseninformation der jeweiligen Stationen gebildeten Synchronisierungstakt,
den sämtliche Stationen des lokalen Netzwerkes stets gleichzeitig empfangen, entsprechend
auswerten und aktualisiert weitersenden, der Bus-Zugriff zum Netzwerk synchron und
kollionsfrei erfolgt. Da die Berechtigung des Zugriffs nicht von zentralen Einrichtungen
gesteuert sondern durch die Ursprungsadressen der einzelnen Stationen selbst gebildet
wird, ist die Betriebssicherheit dieses Übertragungssystems gegenüber den bekannten
Systemen erheblich verbessert. Die Ursprungsadressen-Korrektureinrichtung gewährleistet
außerdem, daß im Störungsfall defekte Stationen praktisch überbrückt werden, ohne
daß die Betriebsfähigkeit der restlichen, nicht defekten Stationen innerhalb des
lokalen Netzwerkes beeinflußt werden. Die Berechtigung des Zugriffs zum lokalen
Netz wird also in diesem Fall durch Korrektur der eigenen Ursprungsadresse in die
der defekten Station entsprechende Ursprungsadresse erreicht, wobei diese korrigierte
Ursprungsadresse dann von der nächsten funktionsfähigen Station als Zugriffsberechtigung
erkannt wird. Diese Station sendet daraufhin die eigene Ursprungsadresseninformation
gegebenenfalls mit einem Nachrichtenpaket aus und schaltet somit die Zugriffsberechtigung
weiter.
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Erst durch die definierten Netzwerkverzögerungen innerhalb der passiven,
sternförmig konfigurierten Netzwerke ist es möglich, mit einer größeren Anzahl von
Stationen Nachrichteninformationen in Echt-Zeit zuverlässig zu übertragen.
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Die Erfindung wird durch mehrere Figuren näher erläutert, wobei die
Figur 1 ein passives, offenes T-Busnetzwerk zeigt, die Figuren 2 und 3 das anmeldungsgemäße
Verfahren näher erläutern und die Figur 4 die Netzstruktur mehrerer, gekoppelter
lokaler Netzwerke darstellt.
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In der Figur 1 ist ein passives, offenes T-Busnetzwerk dargestellt,
in dem die Stationen 1 bis N mit ihren separaten Empfangsleitungen R an entsprechende
Anschlüsse des Sternkopplers SK angeschlossen sind, während die Sendeleitungen T
und die Empfangsleitungen S zur Überwachung der Ringleitung und Auswertung des Synchronisationssignals
zu einen gemeinsamen optischen Übertragungsweg zusammengefaßt und als Eingang für
den Sternkoppler SK dient. Des weiteren ist ein sogenannter Lokomotiv-Generator
LG dargestellt, der mit seiner Empfangs- und Sendeleitung in gleicher Weise wie
die Stationen 1 bis N mit dem Sternkoppler SK in Verbindung steht. Die Nachrichtenübertragung
zwischen den Stationen 1 bis N erfolgt in der Weise, daß der Generator LG über seine
Sendeleitung immer dann eine Zugriffsberechtigung für das Netzwerk aussendet, wenn
die Empfangsleitung des Generators LG kein Signal mehr empfängt. Die Zugriffsberechtigung
wird beispielsweise durch Station 1 über die Empfangsleitung S erkannt und die zur
Aussendung anstehenden Nachrichteninformationen über die Sendeleitung T gesendet.
Die Station N, die ebenfalls das Zugriffsberechtigungssignal empfangen hat, stellt
mit der entsprechenden Empfangsleitung fest, daß auf dem Netz bereits eine Nachrichteninformationsübertragung,
nämlich der Nachrichteninformationsinhalt von der Station 1, übertragen wird. Die
Station N wartet mit dem Aussenden der Nachrichteninformation solange, bis die Nachrichteninformation
der Station 1 über den Sternkoppler SK übertragen ist,
wobei das
Ende dieser Nachrichteninformationsübertragung durch die Empfangsleitung der Station
N erkannt wird. Sofern keine weiteren Nachrichteninformationen von anderen, nicht
dargestellten Stationen über das Netzwerk übertragen werden, beginnt die Station
N ihrerseits mit dem Aussenden der Nachrichteninformation, die in gleicher Weise
über den Sternkoppler SK nicht nur zu der eigentlichen Empfängerstation, sondern
gleichzeitig an alle Stationen 1 bis N sowie an dem Generator LG übertragen wird.
Je nach Zustand der einzelnen Stationen 1 bis N wiederholt sich dieser Vorgang fortlaufend,
wobei der Generator LG den Zugriff der einzelnen Stationen 1 bis N zu dem Netzwerk
mit den Synchronisationstakt steuert.
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In der Figur 2 ist die Netzwerk-Konfiguration dargestellt, die dem
anmeldungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt. Hierbei sind die einzelnen Stationen
1 bis N mit ihren Sendeleitungen S1 bis SN und Empfangsleitungen El bis EN derart
mit dem passiven Sternkoppler PSK verbunden, daß von jeder Station 1 bis N die gesendeten
Nachrichteninformationen zielgerichtet von jeder anderen Station 1 bis N empfangen
werden kann. Dabei ist der passive Sternkoppler PSK als Durchgangsmischer ausgestattet,
in dem jedes Eingangssignal auf sämtliche Empfangsleitungen El bis EN der Stationen
1 bis N gleichmäßig verteilt wird.
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Die Figur 3 zeigt ein Zeitdiagramm, in dem die Übertragung der Nachrichteninformationen
von den Stationen 1 bis N über das Netzwerk in dem entsprechenden zeitlichen Ablauf
dargestellt ist. Für die einzelnen Stationen 1, 2 bis N ergibt sich jeweils die
Datenpaketverzögerung Tp und die Stationsfeststellzeit für das Ende des Datenpaketes
td. Weiterhin stellen die Zeitabschnitte T... -(1 bis N) die jeweilige Umlaufzeit
der Nachrichteninformationen der einzelnen Stationen 1 bis N dar, die von der jeweiligen
Sendeleitung über den passiven Sternkoppler zur entsprechenden Empfangsleitung dieser
Stationen 1 bis N verlaufen.
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Die Figur 4 stellt die Struktur mehrerer, über sogenannte Gateways
gekoppelte lokale Netzwerke dar, bei denen die Nachrichteninformationen von den
einzelnen Stationen S...
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des ersten lokalen Netzes LAN 1 je nach Verbindungswunsch zu den lokalen
Netzen LAN 2 bzw. LAN 3 und den dort befindlichen Stationen S... übertragen werden.
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Das anmeldungsgemäße Verfahren beschreibt eine synchrone und daher
kollisionsfreie Zugriffsmethode, die das Übertragen von Nachrichteninformationen,
insbesondere von Sprachinformationen, über einen faseroptischen, passiven Sternbus
ermöglicht. Dieses Verfahren beruht nicht nur auf einer fest definierten Netzwerkverzögerung,
sondern auch auf einer hohen Netzwerkeffizienz. Zur Verdeutlichung des synchronen
Zugriffs ist angenommen, daß an das Netzwerk, gemäß der Figur 2 N-Stationen angeschaltet
sind, die untereinander über den passiven Sternkoppler PSK verbunden sind. Weiterhin
ist vorausgesetzt, daß jede die Übertragung einschließende Nachrichteninformation
innerhalb des Informationspaketes mindestens Einleitungsbits, Ursprungsadressenbits,
Bestimmungsort-Adressenbits, Datenbits und gegebenenfalls Prüfbits zum Testen bestimmter
Fehlerzustände der Datenpakete auf weist. Zur vereinfachten Darstellung wird weiterhin
vorausgesetzt, daß die Kontrolle über den Bus, die von Station zu Station durch
Auswertung der Ursprungsadressenbits weitergeleitet wird, in der Reihenfolge T1,
T2..., TN - 1, TN, T1... erfolgt. Weiterhin ist angenommen, daß die Station 1 die
Zugriffsberechtigung zu dem Bus erhalten hat und der Sender der Station 1 die Nachrichteninformation
als Informationspaket über den Bus überträgt. Da sämtliche Stationen 1 bis N über
den passiven Stern oppler mit dem Netzwerk verknüpft sind, wird das Datenpaket von
allen Stationen 1 bis N - einschließlich der Übertragungsstationen - empfangen,
so daß jede Station 1 bis N die Ursprungsadressenbits überprüfen kann. Diese Opperation
hält solange an, wie Nachrichteninformationen über das Netzwerk übertragen
werden.
Somit kennen sämtliche Stationen 1 bis N die Ursprungsadresse der Paketinformationen,
bevor die restlichen Nachrichteninformationen empfangen werden. Damit kann beispielsweise
die Station 2, bevor diese aufgehört hat, das Datenpaket von Station 1 zu empfangen,
erkennen, daß sie die nächste Station sein wird, die den Zugriff und damit die Kontrolle
über den Bus haben wird. Die übrigen Stationen müssen ihre Datenübertragung entsprechend
aufschieben. Die Station 2 erwartet jetzt mit ihrer Empfangsleitung das Ende des
von der Station 1 ausgesendeten Datenpaketes. Sobald das Ende des Datenpaketes nach
td-Sekunden nach Ankunft am Empfänger von Station 2 erkannt ist, ist der Bus außer
Betrieb und die Station 2 kann mit der Übertragung ihrer Paketinformation über den
Bus starten. Nach einer Laufzeit (Ausbreitungsverzögerung) von
kommt der Anfang der Paketinformation von Station 2 am Empfänger der Station 3 an.
Daraus folgt, daß die Laufzeit Ti (i = 1, 2, 3... N) die Umlaufzeit der Nachrichteninformation
für die korresspondierende Station i ist und damit gleich der Übertragungszeit zwischen
dem Sender und dem Empfänger der Station i entspricht. Sobald die Ursprungsadressenbits
von der Station 2 empfangen sind, erkennt die Station 3, daß sie als nächste Station
den Zugriff zu dem Bus bekommt. Dieser geschilderte Ablauf wiederholt sich auf unbestimmte
Zeit.
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Sollte eine Station, die die Kontrolle und damit den Zugriff zum lokalen
Netzwerk hat, keine Nachrichteninformation enthalten, so wird die Netzwerkfunktion
durch Aussenden von sogenannten Leerpaketinformationen (Rahmenbits ohne Datenbits)
aufrecht erhalten.
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So bald ein Übertragungsfehler innerhalb der Ursprungsadressenbits
vorliegt, oder eine Station ausfällt, bzw. die optischen Leiter zur Station defekt
sind, wird die Selbstblockade des Netzwerkes wie folgt vermieden. Nachdem beispielsweise
Station 1 das Ende seines eigenen Datenpaketes empfangen hat, überwacht die Station
1 den Bus für eine Zeitperiode beispielsweise tl. Dabei ist tl größer als die
größte
Umlaufzeit der Stationen 1 bis N. Sofern das Netzwerk fehlerfrei arbeitet, müßte
in dieser Zeit das Datenpaket der Station 2 vom Empfänger der Station 1 empfangen
werden. Ist dies nicht der Fall, tritt folgendes ein. Die Station 1 stellt zuerst
einen Übertragungsfehler in den Ursprungsadressenbits durch Aussenden eines anderen
Paketes auf den Bus fest. Wenn kein weiteres Paket in der Station 1 vorhanden ist,
so wird ein Leer-Paket ausgesendet. Diese Prozedur ist vorgesehen, da die Wahrscheinlichkeit
von Übertragungsfehlern innerhalb der Ursprungsadressenbits von zwei aufeinander
folgenden Paketen sehr gering ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Paket einen Übertragungsfehler
in den Ursprungsadressenbits aufweist, ergibt sich durch die Multiplikation der
Größen Ps x Pe, wobei Ps die Anzahl der Ursprungsadressenbits und Pe die Fehlerrate
des Ubertragungssystems darstellt. Die Fehlerwahrscheinlichkeit für zwei aufeinanderfolgende
Pakete unter der Annahme statistisch unab-2 hängige Ereignisse ergibt sich zu (Ps
x Pe) . Unter der Annahme, daß Ps = 32 und Pe = 10 ~9 ist, beträgt die Fehlerwahrscheinlichkeit
ca. 10 -15 oder bei einer Paketlänge von einer 1 ms im Durchschnitt ein Fehier in
31 000 Jahren.
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Sollte in der darauffolgenden Zeitperiode tl wiederum kein Paket empfangen
werden, nach dem die Station 1 das Ende vom zweiten Datenpaket empfangen hat, so
ist anzunehmen, daß zwischen dem Sternkoppler und der Station 2 ein Bruch der optischen
Ubertragungsstrecke vorliegt oder die Station 2 defekt ist. Die Station 1 bemüht
sich daraufhin, die Buskontrolle - den Zugriff zum Netzwerk - an die Station 3 durch
Bypassing der fehlerhaften Station 2 zu übertragen. Von der Station 1 wird daraufhin
ein Leer-Paket auf den Bus nachgesendet. Dieses Paket enthält als Ursprungsadressenbits
solche, die der Station 2 entsprechen. Da die von der Station 1 ausgesendeten Ursprungsadressenbits
nicht die der Station 1 entsprechen, kann dieses Paket auch keine weiteren Informationsbits
enthalten und wird daher als Leer-Paket ausgesendet. Damit ist es möglich, daß die
Station 3, obwohl
die Station 2 ausgefallen ist, den Zugriff zum
Bus erhält.
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Wenn die Station 1 das nächste Mal den Zugriff zum Netzwerk bekommt,
sendet die Station 1 wieder das vorliegende Paket aus, wartet die Zeitperiode tl
nach dem Empfang des Endes dieses Paketes ab und überbrückt unmittelbar die Station
2 durch Senden eines erneuten Leer-Pakets, das wiederum die Ursprungsadressenbits
der Station 2 enthält. Mit dieser Prüfung ist der fehlerhafte Zustand der Station
2 festgestellt und überbrückt.
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Sollte die Station 3 ebenfalls vom Bus getrennt sein, so wird diese
Prozedur durch die Station 1 einschließlich der Prüfung auf die Ursprungsadressen-Ubertragungsfehler
wiederholt und in gleicher Weise die fehlerhafte Station 3 überbrückt. Auf diese
Weise können fehlerhafte Stationen nacheinander abgeschaltet werden, ohne daß das
gesamte Netzwerk funktionsunfähig wird.
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Diese Routine kann nicht in aktive T-Busnetzwerke, so auch nicht in
dem bekannten D-Netzwerk eingebracht werden, da hier die Stationen hintereinander
geschaltet und in einem Fehlerfall sämtliche nachfolgenden Stationen von der Übertragungsstation
getrennt sind.
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Anschließend werden die Effizienz und Grenzwerte dieses passiven Sternbus-Netzwerkes
im Hinblick auf die Netzwerkverzögerung berechnet unter der Annahme, daß keine Stationen
durch Fehler ausfallen. Die Parameter sind in Relation zu einem vollgeladenen Bus
definiert, d. h., daß jede an das Netzwerk angeschaltete Station immer ein Paket
aufweist, das über den Bus übertragen werden muß. Der Zustand bei unterbrochenen
Übertragungswegen oder fehlerhaften Stationen wird anschließend überprüft.
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Wenn der Bus vollgeladen ist, wird der passive Sternkoppler, der gemeinsam
für alle angeschalteten Stationen vorgesehen ist, die Informationspakete in Funktion
der Zeit sehen, wie sie in der Figur 2 dargestellt sind. In der Figur 2 ist der
Wert
Tp die Paketübertragungszeit, die definiert ist als Tp = po , bei C die Ubertragungsdatenrate
vom Bus in wobei C die bits/s und P die Anzahl der Bits im Datenpaket darstellt.
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Für das in Figur 2 strukturierte Netzwerk ist die Netzwerkeffizienz
definiert durch das Vehältnis der Summe der Übertragungszeit von N aufeinanderfolgenden
Paketen zu der erfor derlichen Gesamtzeit zur Übertragung der N-Pakete und ergibt
sich demnach zu E = N x Tp / N Tp + td) + T (1); wobei T = T1 + T2... + TN die gesamte
Netzwerkdurchlaufzeit und td die Zeit ist, die eine Station benötigt, um das Ende
eines Datenpakets festzustellen, nachdem es den Eingang des T eignen Empfängers
erreicht hat. Für Tp << td + N ergibt sich E=l. Da Tp = C ist, ergibt sich
die Effizienz annähernd gleich der Verzögerung für eine erfolgreiche Station, vorausgesetzt,
daß der Wert P >> C (td + T ) (2) ist. Die Netzwerkverzögerung eines Paketes
ist deffiniert als die Zeitperiode, wenn das Paket den Anfang der von der Station
ausgesendeten Nachricht erreicht hat und danach erfolgreich über den Bus übertragen
wird.
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Für jedes vorhandene System, das das beschriebene Zugriffsprotokoll
benötigt, ist eine obere Grenze für die Netzwerkverzögerung gegeben. Unter der Voraussetzung,
daß der Bus vollgeladen und das auszusendene Paket der zugriffsberechtig ten Station
den Anfang erreicht hat, startet diese zugriffsberechtigte Station mit der Übertragung
des entsprechenden Pakets über den Bus. Für das in der Figur 2 strukturierte Netzwerk
ist die obere Grenze der Verzögerung bzw. der Gebun denheit gegeben durch: D = N
(Tp + td) + T (3).
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Der Zustand eines gebrochenen Kabels oder einer ausgefallenen Station
vermindert diese effektive Anzahl von Stationen
entsprechend. Dies
hängt unmittelbar mit dem Vorgang im Zusammenhang mit der Überbrückung der ausgefallenen
oder der am Kabelbruch angrenzenden Stationen zusammen. Die Verringerung der Anzahl
der Stationen ist also eine Funktion des der Netzwerk-Übertragungsrate und der Größenordnung
der zu übertragenen Nachrichteninformation tl. Je größer tl und je höher die Bit-Übertragungsrate,
desto größer der Verlust der effektiven Anzahl von Stationen innerhalb des Netzwerkes.
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In den nachfolgenden Rechnungen bleibt der Störungsfall - gestörte
Übertragungswege oder ausgefallene Stationen -unberücksichtigt.
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Zur Berechnung der Anzahl von Sprachkanälen und der daraus resultierenden
Anzahl von Stationen, die ein Netzwerk bedienen kann, ist die Gleichung (3) herangezogen.
Ordnet man die entprechenden Werte in der Gleichung (3) um, wobei die Größenordnung
von
ist, so erhält man die Anzahl der Stationen zu N = C (0 - T) P1 + P2 + C x td (4)'
wobei P1 + P2 = P (5) ist. Hierbei umfaßt der Wert P1 alle übergeordneten Bits,
solche wie Einleitungs-, Adressen- und Prüfbits, während P2 die Anzahl der Informationsbits
der Nachrichteninformation darstellt. Der Wert von P1 ist so klein wie möglich zu
halten und liegt üblicherweise zwischen 100 und 200. In der Gleichung (4) kann die
Abhängigkeit von T zu N vernachlässigt werden, wenn der Wert D»T, oder innerhalb
der Gleichung (3) der Wert P2 » CT ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Übertragungszeit
des Informationsteils des Pakets sehr viel größer ist als der Durchschnitt der Stations-Durchlaufzeit.
Die Gleichung (4) reduziert sich dadurch zu: N (7). CD Pl + P2 + C x td
Für
eine gegebene Busübertragungsrate von C und der Feststellzeit für das Ende des Datenpaketes
durch die Station td zeigt die Gleichung (7), daß dort die Anzahl der Stationen
N durch Optimierung der Werte von D und P2 gegeben ist.
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Jedes analoge Sprachsignal ist durch einen Vocoder mit einer Bit-Übertragungsrate
von Cv digitalisiert. Die Ausgangsbits sind gruppiert in einem Paket, das dann über
das lokale Netzwerk zu einem Empfangs-Vocoder übertragen wird.
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Um eine interaktive, d. h., eine wechselseitig aufeinander folgende
Sprachübertragung zu erreichen, muß die Ende zu Ende Verzögerung für jedes Informationsbit,
also die Zeit von der Erzeugung des Bits durch den Ursprungsvocoder bis zur Zeit
des Empfangs dieses Bits durch den Empfangsvocoder, festgebunden sein. Bei diesen
Übertragungssystem können drei Arten von Verzögerungen festgestellt werden: die
Paket-Formationsverzögerung, die Netzwerkverzögerung und die Signalausbreitungsverzögerung
zwischen dem Ursprungs- und Empfangsvocoder. Die Summe der Verzögerungen darf nicht
den Maximalwert der Verzögerungsanforderung des übertragenen Sprachsignals übersteigen.
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Ist D vmax das Maximum der zulässigen Verzögerung für jedes Bit des
digitalisierten Sprachsignals, tpl die längste Signalausbreitungsverzögerung zwischen
je zwei Vocoder (Ursprungs- und Empfangsvocoder einer Station) und TF die Paketformzeit,
also die Paketintegrationzeit für einen P2 Vocoder, dann ist Tf = Cv (8).
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Eine akzeptable Sprachqualität ist dann erreicht, wenn das Paket gerade
geformt über den Bus des lokalen Netzwerkes übertragen wird, bevor die Formung des
nächsten Paketes erreicht ist. Wenn ein Paket alle Tf-Sekunden geformt ist, dann
darf die Netzwerkverzögerung nicht den Wert von Tf übersteigen. Dies ist gerantiert,
wenn die oberer Grenze der Netzwerkverzögerung D den Wert Tf nicht erreicht. Daher
muß Df 7f (9) sein. Nach den obigen Ausführungen darf die Summe
sämtlicher
Verzögerungen - Paketformationsverzögerung, Netzwerkverzögerung und Ausbreitungsverzögerung
zwischen der Ursprungs- und Empfangsstation - nicht den Wert von Dvmax erreichen.
Daraus folgt: Tf + Dc Dv (lOa) wobei Dv = Dv max - tpl (1Db) ist.
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Die Verzögerung von der Formung des Bits durch den Ursprungsvocoder
bis zur Übertragung über den Bus durch die Ursprungsstation muß also festgebunden
sein.
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Die maximale Anzahl von Sprachkanälen, und damit die Anzahl von Stationen,
kann durch Maximierung der Gleichung (7) unter Berücksichtigung von P2 und D (P1,
C und td = const.) und der Bindungskonditionen, gegeben durch die Gleichung (9)
und (lOa), erhalten werden. Von Gleichung (8) bis (lOa) sind die zulässigen Werte
von P2 und D gegeben durch:
Wichtig ist, daß bei diesen Gleichungen die zulässigen Wertungen von P2 und D als
separate Veränderliche in Betracht bezogen werden und nicht als zulässige Kombinationen
von P2 und D, die aus der Ungleichheit durch die Gleichungen (9) und (lOa) folgen.
Wenn der Wert von P2 den Extremwert von 0 und (Dv x Cv) annnimmt, folgt aus den
Gleichungen (7) bis (lOa), daß der Wert N in jedem Fall gleich Null ist. Da jedoch
der Wert N 0 definiert ist, existiert ein globaler maximaler Wert von N und dementsprechend
auch optimale Werte von P2 und D. Aus der Gleichung (7) ist für jeden fixierten
Wert von P2 der Wert N maximiert, wenn der Wert D entsprechend der Bedingung der
Geichung (llb) maximiert ist. Der maximal zulässige Wert von D für jeden fixierten
Wert von P2 ist also zu erhalten aus den Gleichungen (8) bis (lOa).
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Dort ist D max = P2
D max = Dv - P2
Eingesetzt D max für D in der Gleichung (7), sind zwei Werte für N als Funktion
von P2 zu erhalten. Hier korrespondiert jeder Ausdruck mit einem der zwei möglichen
Werte von P2, die durch die Gleichungen (12a) und (12b) gegeben sind. Die Prüfung
dieser Gleichungen zeigt, daß
gleichbleibend zunimmt und für
gleichbleibend abnimmt. Daraus folgt, daß der Wert für N maximiert ist, wenn: P2
= P2 opt. = Dv x Cv (13a) 2 und D = D'max = Tf = P2 opt. = Dv Cv (13b) ist.
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Mit der Gleichung (7) ist die maximale Anzahl von Sprachkanälen, und
damit die maximale Anzahl von Stationen, die dieser passive Sternkoppler des lokalen
Netzwerkes bedienen kann, gegeben durch: N max = Dv x Cv (14), x max = Dv x Cv +
2 (P1 + C x td) vorausgesetzt, daß (Gleichung 13 eingesetzt in Gleichung 6) 2T x
C (15) ist.
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Dv 2 N max x Cv Weiterhin ist N max als Funktion von P1 und td maximiert,
wenn P1 = td = 0 ist, wobei
| N * max N max C 0 = C |
| Pl * max # N max pl = 0 Cv (16) |
| td = 0 |
ist.
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Es ist erkennbar, daß mit dem Wert Pl = td = 0 der Wert von N * max
keine praktische Situation darstellt, sondern als Repräsentant des Idealfalls angenommen
werden muß. Das Verhältnis der Werte von N max zu N * max ist vielmehr gegeben durch
den Einsatz der Gleichung (3) in die Gleichung (1), wobei die Werte von D = D'max
und
angenonmmen sind, woraus folgt, daß
ist.
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Solange die Bedingung aus der Gleichung (6) bzw. (15) und die Abweichung
aus der Gleichung (2) anhält, gilt, daß der Wert E )1 geht.
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Im Zusammenhang mit dem Wert von Cv = 64 k bit/s für die Sprachübertragung
ist P2 opt.» P1, solange wie der Wert von Dv»5 ms beträgt. Dies ist der Fall, wenn
die Annahme für den Wert von P1 zwischen 100 und 200 weiter besteht. Andererseits
gilt, wenn die Bedingung von der Gleichung (6) bzw.
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(15) nicht mehr besteht, daß wieder eine annähernde Lösung von N max
durch die Gleichung (4) unter der Annahme von T = N x Taue erreicht wird, wobei
T ave die gesamte Stationsumlaufzeit ist. Die vergleichbaren Bedingungen für die
Werte von D und P2 sind wiederum durch die Gleichungen (13a) und (13b) gegeben.
Das resultierende Ergebnis für die maximale Anzahl von Stationen für N max ist das
gleiche wie in der Gleichung (14), wobei der Wert td ersetzt ist durch (td + Tave).
Das Verhältnis von N max zu N * max ist wiederum durch die Gleichung (17) ausgedrückt.
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Wichtig ist, daß das Verhältnis von N max zu N * max zunehmen kann,
da die Werte von D max und P2 opt. unabhängig von der Netzwerk-Übertragungsrate
C sind.
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Für eine gegebene Art von Vocoder ist N max/N * max lediglich eine
Funktion der Effizienz E (siehe Gleichung 17),
die wiederum eine
Funktion von Tp und damit von C ist. Die vorangegangene Diskusion N max
N * max, bei der die Ungleichheit der Gleichung (6) bzw. (15) vorliegt, trifft für
niedrige Werte von C zu. Die obere Grenze von C, in der N max
N * max geht, kann aus der Gleichung (15) ermittelt werden. Unter der Bedingung,
daß Cv = 64 kbit/s, Dv max = 300 ms und die durchschnittliche Stationsumlaufzeit
Tave = 10 Ps ist, dann geht N max
N * max, vorausgesetzt, daß C«960 Mbit/s ist.
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Für ein einfaches lokales Netzwerk, wie es beispielsweise in Figur
2 dargestellt ist, ist die maximale Signalausbreitungsverzögerung zwischen jeder
Ursprungs- und Empfangsstation zu vernachlässigen, so daß der Wert Dv Dv max ist.
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Das Verhältnis von N max zu N * max als Funktion von C ist in der
Tabelle aufgeführt, für die die obengenanten Werte für Cv, Dv, Tave und für P1 =
100 und td = 0,5 ps berücksichtigt sind. Die entsprechende Netzwerkeffizienz E gleicht
annähernd dem Verhältnis N max / N * max. Die Werts von N max sind ebenfalls in
dieser Tabelle aufgeführt. Zu beachten ist, daß der Wert von N max entsprechend
zu reduzieren ist, wenn ein Kabelbruch oder eine oder mehrere fehlerhafte Stationen
in die Betrachtung mit einbezogen werden müssen.
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Sollen die geographisch vereinzelten lokalen Netzwerke übergreifend
mit sogenannten Gateways verbunden sein, dann korrespondieren die Stationen nicht
länger mit dem Wert von Nmax innerhalb eines lokalen Netzwerkes. Dies geht beispielsweise
aus der Figur 4 hervor, bei denen die Stationen der Netzwerke LAN 2 und LAN 3 über
das zentrale Netzwerk LAN miteinander verbunden werden können. Soll ein Informationspaket,
beispielsweise von dem Netzwerk LAN 2 zum Netzwerk LAN 3, übertragen werden, so
muß es also das zentrale Netzwerk LAN 1 passieren. Das Informations-Paket enthält
dabei drei Netzwerkverzögerungen in dem Ausbreitungspfad zwischen
der
Ursprungs- und der Empfangsstation. Diese Netzwerkverzögerungen können eingezogen
sein in der obigen Analyse (siehe besonders Gleichung 9 bis 13) zusammen gruppiert
mit allen Stationen und Gateways, die mit den entsprechenden Netzwerken LAN 1 bis
LAN 3 verbunden sind. Dies resultiert aus den einzelnen Werten von Tave und schließlich
für den Wert von N max für die drei Netzwerke LAN 1 bis LAN 3. Die Anzahl der Stationen,
inklusive der Gateways, die in einem dieser Netzwerke LAN 1 bis LAN 3 verbunden
sind, ist begrenzt durch die Bedingung, daß die Gesamtanzahl von Stationen in den
drei Netzwerken LAN 1 bis LAN 3 den Wert von N max nicht übersteigen darf. Außerdem
gilt, daß Verbindungskombinationen, beispielsweise vom Netzwerk LAN 2 zu irgend
einem anderen, nicht zentralen Netzwerk, andere Werte für Tave und entsprechend
N max nachsichziehen.
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Daraus folgt, daß die maximale Anzahl von in einem Netzwerk zugelassener
Stationen nicht nur davon abhängt, wie viele Stationen schon mit anderen Netzwerken
verbunden sind, sondern auch von dem Wert N max im Zusammenhang mit allen möglichen
Ursprungs- und Zielkombinationen, die diese Netzwerke beinhalten.
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Außerdem ist zu berücksichtigen, daß übergreifende Verbindungen von
Netzwerken über Entfernungen größer 1000 km oder mehr eine maximale Ausbreitungsverzögerung
von tp ergeben, die in Verbindung mit dem Wert Dv max nicht vernachlässigt werden
kann. Da Dv max festgelegt ist, ergibt sich die Reduzierung gemäß der Gleichung
(1Db), wobei der Wert N max (Gleichung 14) und noch wichtiger die Übertragungsbit-Rate
für N max-+N N * max (Gleichung 15) ebenfalls reduziert sind.
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Ist beispielsweise der Wert Dv max = 300 ms und tpl = 100 ms (entsprechend
annähernd über 2 x 10 4 km) dann ist Dv = 200 ms, so daß N max-,N N * max geht,
sofern die Übertragungsbit-Rate C ca 640 Mbit/s ist. Zu beachten ist hierbei, daß
der Wert von N max auf die Anzahl sämtlicher Stationen hinweist,
die
mit allen Netzwerken verbunden sind, also mit den Ausbreitungspfaden zwischen den
Ursprungs- und Empfangsstationen aller Netzwerke.
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Anschließend ist der Startvorgang für das passiv sternkonfigurierte
lokale Netzwerk gemäß der Figur 2 beschrieben, in welchen die zuvor diskutierte
Zugriffsmethode angewendet wird. Nach dem eine Station mit Spannung versorgt ist,
überwacht diese den Bus für einen bestimmten Zeitablauf ts. Hier bei ist der Zeitraum
ts so gewählt, daß auch alle anderen Stationen funktionsfähig geschaltet sind. Empfängt
diese Station ein Informationspaket innerhalb dieses Zeitraumes ts, so ist die Verbindung
erfolgreich angeschaltet. Falls kein Paket von dieser Station empfangen ist, setzt
diese Station den sogenannten "Live-Zustand" voraus und belegt den Bus entsprechend
selbst. Die Übertragung der bitseriellen Nachrichteninformationen über das lokale
Netzwerk ist somit durch diese Station gestartet, die zunächst ein Leer-Paket auf
den Bus überträgt. Weitere Funktionen sind bereits vorab beschrieben. Wichtig ist,
daß die Stationen zunächst eingeschaltet sein müssen und weiterhin ist vorausgesetzt,
daß sich die Stationen immer im Einschaltezustand befinden, solange die Stationen
nicht durch Funktionstörungen ausfallen. Nachdem eine Station erfolgreich über das
lokale Netz verbunden ist, kann die Überwachung des Busses innerhalb des Zeitraumes
ts entfallen. Damit ist sichergestellt, daß beim Kabelbruch die entsprechende Station
den Bus nicht durch Aussenden eines Leer-Paketes auf den Bus innerhalb dieser ts-Sekunden
nach Feststellung des Endes einer von dem Empfänger dieser Station empfangenen Paketinformation
irretiert.
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Dieses synchrone Zugriffsprotokoll ist zur Übertragung von bitseriellen
Nachrichteninformationen, insbesondere von Echtzeitdaten über, fiberoptische, passive
Sternkoppler besonders geeignet.
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C (Mbit/s) Nmax Nmax N*max 1 0,989 15 2 0,988 30 5 0,984 76 10 0,979
153 20 0.969 303 50 0,939 733 100 0,893 1400 200 0,814 2500 500 0,642 5000 1000
0,475 7400 2000 0,313 9800 5000 0,154 12100 1 Anspuch 4 Figuren
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