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Dokumentenidentifikation DE602004005421T2 29.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001587257
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Auswahl einer von mehreren, nominell identischen Datenströmen
Anmelder Nortel Networks Ltd., St. Laurent, Quebec, CA
Erfinder Sirdey, Renaud, 78720 Cernay-la-Ville, FR
Vertreter Bird, W., Rechtsanw., Winksele, BE
DE-Aktenzeichen 602004005421
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.04.2004
EP-Aktenzeichen 042910257
EP-Offenlegungsdatum 19.10.2005
EP date of grant 21.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse H04L 12/56(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Informationstechnologie, vornehmlich Telekommunikation und EDV. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Vorrichtungen und Verfahren zum Auswählen eines von zwei oder mehr Datenströmen mit konstanter Rate sowie auch die Anwendung solcher Vorrichtungen oder Verfahren in Telekommunikationsnetzwerken und -geräten, zum Beispiel drahtlose Telekommunikationsnetzwerke und -geräte. Daher betrifft diese Erfindung ein Verfahren, eine Software und ein Gerät zum Auswählen eines mehrerer duplizierter Datenströme, vornehmlich Ströme von drahtlosem Datenverkehr innerhalb eines Telekommunikationsnetzwerks, insbesondere eines drahtlosen Telekommunikationsnetzwerks.

Technischer Hintergrund

Verschiedene Verfahren sind zum Verbessern der Zuverlässig in Telekommunikationssystemen bekannt, zum Beispiel „Schleife oder Echoprüfung", bei welchem das empfangene Datenwort zum Sender zurück gesendet wird und das originale Datenwort mit dem über die vorwärts und rückwärts gerichteten Übertragungsleitungen übertragenen Wort verglichen wird. Eine Vorwärtsfehlerkorrektur macht Gebrauch von komplexeren Prüfkodes, bei welchen die Zahl von Prüfbits so lang wie das übertragene Datenwort sein kann, und es gibt verringerte Rücksendungen bei derartigem langen Fehlerprüfen und Korrekturanfügungen an ein Datenwort. Andere Methoden duplizieren Daten oder verwenden mehrfache Pfade bzw. Wege, wie zum Beispiel in US-4 953 197 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Technik werden zwei Signale von zwei Antennen parallel empfangen, Datengüte und Paritätsinformationen werden für jedes von den zwei Antennen empfangene Datenwort geprüft, und die besten werden ausgewählt. US-5 268 909, US-5 406 563 und US-5 406 563 beschreiben Verfahren zum synchronen und parallelen Routen von Signalen, wobei Paritätsbits in jedem übertragenem Wort verwendet werden und nicht nur die Parität für jedes empfangene Datenwort geprüft wird, sondern auch die Inhalte des gleichen, über die beiden Routen durch das Netzwerk empfangenen Wortes verglichen werden. Insbesondere werden mit diesen bekannten Systemen die parallel empfangenen Datenworte Bit für Bit in einem einzelnen Komparator verglichen, nachdem eine Paritätsprüfung durchgeführt worden ist. Derartige Schemata sind für eine Übertragung von Benutzernachrichten erstellt worden, bei welchen es notwendig ist, lieber einige Daten zu übertragen, auch wenn sie nicht perfekt sind, als Lücken in den Nachrichten zu übertragen. Weiterhin sind diese Verfahren für synchrone Echtzeitübertragung konstruiert worden.

In WO 02/062022 werden Datenpakete dupliziert und über getrennte Pfade eines Netzwerks gesendet. An einem Netzwerkknoten werden die über die unterschiedlichen Pfade gesendeten Pakete empfangen und verglichen.

Ein noch weiteres wohlbekanntes Verfahren besteht darin, duplizierte Signale von unterschiedlichen Quellen oder durch Mehrwegübertragung zu empfangen und dann die empfangenen Signale in einem geeigneten Kombinator, wie zum Beispiel ein nach dem Prinzip der größten Wahrscheinlichkeit bzw. mit Maximum-Likelihood arbeitender Kombinator, zu kombinieren, um das beste empfangene Signal zu erhalten. Ein derartiges System erfordert einen leistungsstarken Mikroprozessor, da der zu verwendende Algorithmus komplex ist.

Bei batteriebetriebener Gerätschaft, wie beispielsweise Mobiltelefonen, wird es bevorzugt, die Rechenkomplexität zu reduzieren, um die Batterielebensdauer zu erhöhen. Auch bei Bodenstationen, wie zum Beispiel drahtlose Basisstationen, gibt es nach wie vor einen Wunsch nach Verringerung einer Komplexität, während eine Redundanz beibehalten wird, um Zuverlässigkeit zu erhöhen. Daher gibt es einen Bedarf für einfachere Verfahren und Vorrichtungen mit verbesserter Zuverlässigkeit.

Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Netzwerkausrüstung, Telekommunikationssysteme und Betriebsverfahren zu schaffen, welche zuverlässig sind.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Netzwerkausrüstung, Telekommunikationssysteme wie auch deren Betriebsverfahren bereitgestellt werden können, welche eine wirksame Auswahl von duplizierten Datenpfaden ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Auswählen eines einer Vielzahl von nominell identischen Datenströmen, welche auf getrennten Datenwegen geführt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Überwachen eines Charakteristikums der Datenströme, welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert; Auswählen eines der Datenströme basierend auf einer geschätzten Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in einer Entscheidung zum Auswählen eines der Datenströme in Übereinstimmung mit einem Hypothese-Testalgorithmus. Die Datenströme können bei einer konstanten Bit-Rate liegen. Das Charakteristikum der Datenströme, welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert, kann die Anzahl von Datenzellen sein, welche durch einen Datenweg in einer Einheitszeit geführt werden. Dies ist für ein Netzwerkübertragungsprotokoll, wie zum Beispiel ATM, geeignet.

Zum Beispiel können die Datenströme durch Packen von Daten von einem drahtlosen Netzwerk in eine Adaptierungsschicht eines Netzwerkübertragungsprotokolls erzeugt werden, und die Daten können von einem drahtlosen Netzwerk, zum Beispiel durch einen SS7- oder LAPD-Datenstrom zugeführt werden.

Das Überwachen eines Charakteristikums der Datenströme, welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert, kann ein Berechnen eines Varianzwerts des Charakteristikums und/oder eines Mittelwerts des Charakteristikums beinhalten. Als ein Beispiel kann, falls das Verhältnis des Mittelwerts zu dem Varianzwert unterhalb eines statistischen Werts liegt, die Entscheidung zum Auswählen sein, dass keine Änderung in dem aktuell verwendeten Datenstrom vorgenommen wird.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Netzwerkelement mit einer Einrichtung zum Auswählen eines einer Mehrzahl von nominell identischen Datenströmen, welche auf separaten Datenwegen geführt sind, wobei das Netzwerkelement Folgendes aufweist:

eine Einrichtung zum Überwachen eines Charakteristikums der Datenströme, welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert;

eine Einrichtung zum Auswählen eines der Datenströme basierend auf einer geschätzten Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in einer Entscheidung zum Auswählen eines der Datenströme in Übereinstimmung mit einem Hypothese-Testalgorithmus. Mit einem derartigen Netzwerkelement kann das Charakteristikum der Datenströme, welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert, die Anzahl von Datenzellen sein, welche von einem Datenweg in einer Einheitszeit geführt sind. Das Netzwerkelement kann eine Packeinrichtung zum Packen von Daten von einem drahtlosen Netzwerk in eine Adaptierungsschicht eines Netzwerkübertragungsprotokolls zum Erzeugen der Datenströme aufweisen. Die Einrichtung zum Überwachen weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Berechnen eines Varianzwerts des Charakteristikums und/oder zum Berechnen eines Mittelwerts des Charakteristikums auf. Als ein Beispiel kann die Einrichtung zum Auswählen keinen neuen Datenstrom auswählen, falls das Verhältnis des Mittelwerts zum Varianzwert unterhalb eines statistischen Werts liegt.

Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Software-Produkt mit einem Code zum Ausführen irgendeines der Verfahren der Erfindung, wenn das Software-Produkt auf einer Prozessormaschine ausgeführt wird. Die vorliegende Erfindung weist auch einen maschinenlesbaren Datenträger zum Speichern des Software-Produkts auf, zum Beispiel auf einer optisch lesbaren Scheibe, wie beispielsweise eine CD-ROM oder DVD-ROM.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein schematisches Diagramm eines Teils eines Telekommunikationsnetzwerks in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine schematische Darstellung eines Überwachungsmoduls und Auswählers in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

3 ist ein Flussdiagramm eines angewendeten Hypothese-Algorithmus in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

4 ist ein Flussdiagramm eines Entscheidungsprozesses in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der illustrierenden Ausführungen

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf besondere Ausführungen und mit Bezugnahme auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche. Die beschriebenen Zeichnungen sind nur schematisch und nicht einschränkend. In den Zeichnungen kann die Größe einiger der Elemente zu illustrierenden Zwecken übertrieben und nicht maßstäblich sein. Wo in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen der Begriff „aufweisen" verwendet wird, schließt er andere Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.

Weiterhin werden die Begriffe erster, zweiter, dritter und ähnliche in der Beschreibung und in den Ansprüchen zur Unterscheidung zwischen ähnlichen Elementen und nicht notwendigerweise zur Beschreibung einer laufenden Folge oder chronologischen Ordnung. Es ist zu verstehen, dass die so gebrauchten Begriffe unter geeigneten Umständen untereinander austauschbar sind, und dass die hierin beschriebenen Ausführungen der Erfindung zum Betrieb in anderen Folgen als hierin beschrieben oder illustriert geeignet sind.

Die Erfindung betrifft Telekommunikationsnetzwerke im Allgemeinen. Im Folgenden wird auf drahtlose Netzwerke als ein Beispiel Bezug genommen, wie die Erfindung implementiert werden kann, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Die vorliegende Erfindung auf jedem Datennetzwerk, zum Beispiel Drahtleitung, Faseroptikkabel, Koax, verdrilltes Paar, drahtlos – entweder Funk oder optisch, zum Beispiel Infrarot usw., benutzt werden.

Drahtlose Netzwerke sind dazu geeignet, Datenverkehr zu führen. Die vorliegende Erfindung kann bei jedem geeigneten drahtlosen zellularen Netzwerk zur Anwendung kommen. Die vorliegende Erfindung betrifft drahtlose Telekommunikationsnetzwerke, insbesondere zellulare Mobiltelefonsysteme, zum Beispiel Breit- oder Schmalband, wie zum Beispiel WideBand CDMA, UMTS, GSM und GPRS, IS 95 oder IS-136 öffentliches Mobiltelefonnetzwerk, ein privates lokales Funknetzwerk, wie beispielsweise HIPERLAN/1 oder /2-Netzwerk in einer Hotel-Lounge, ein privates persönliches Funknetzwerk, wie zum Beispiel ein lokales Bluetooth-Zugangsnetzwerk, welches mit einem lokalen Netzwerk, zum Beispiel in einem Supermarkt, einem Bahnhof oder einem Flughafen, verbunden ist. Informationen über GSM-Systeme sind in dem Buch „The GSM System of Mobile Communications" von Mouly und Pautet, Cell & Sys, 1992, zu finden. Informationen über das System IS-936 sind in dem Buch „IS-136 TDMA Technology, Economics and Services" von Harte, Smith, Jacobs, Artech House, 1998, auffindbar. Informationen zu dem System IS-95 sind in den Büchern „CDMA Systems Engineering Handbook", Lee Miller, Artech House, 1998, und „CDMA for Wireless Personal Communications", Prasad, Artech House, 1996, zu finden. Informationen zu Breitband-CDMA, wie beispielsweise UMTS-Systeme, liefern die Bücher „WCDMA for UMTS" von Holma und Toskala, Wiley, 2001 und „Wideband CDMA for third generation mobile communications", Ojanperä und Prasad, Artech House, 1998. Insbesondere Systeme mit Bandspreizverfahren, vornehmlich Systeme mit direktem Bandspreizverfahren (Direct Sequence Spread Spectrum Systems), ob Breitband oder Schmalband, solche wie CDMA-Netzwerke, wie zum Beispiel UMTS, IS-95 oder CDMA2000, können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung betrieben werden. Der Aufbau und die Konstruktion von drahtlosen lokalen Netzwerken bzw. LANs wird zum Beispiel ausführlich diskutiert in: „Wireless LAN's" von Jim Geier, Macmillan Technical Publishing, 1999. OFDM-Systeme sind beschrieben in: „OFDM for wireless multimedia communications", R. Van Nee und R. Prasad, Artech House, 2000. Jedes der Netzwerke kann ein zellulares Netzwerk sein.

Die Begriffe Endgerät oder Benutzerendgerät oder Mobileinheit sollten in einem weiten Sinn interpretiert werden und können jede geeignete Benutzergerätschaft einschließen, ob stationär oder mobil, wie zum Beispiel Mobiltelefone, Smartphones, PDAs oder Laptops mit mobiler Endgeräteeigenschaft, oder zum Beispiel tragbare, Taschen-, Hand-, im Computer eingebaute oder im Fahrzeug eingebaute Mobilgeräte, welche über Sprache und/oder Daten/Multimedia kommunizieren. Der Begriff „Benutzer" wird verwendet, um das Endgerät mit einzuschließen, das von dem Benutzer verwendet wird.

Wie in 1 schematisch gezeigt ist, wird ein Datensignal mit einer konstanten Rate in zwei oder mehr Kopien 1, 3, ... empfangen oder wird verdoppelt, verdreifacht, usw., um mehrfache, nominell identische Datenströme 1, 3, ... zu schaffen. Der Begriff „nominell identisch" bezieht sich auf die Tatsache, dass ein Messen von Charakteristika der beiden Ströme identische Resultate ergeben sollte, außer für zufällige Variationen, oder wenn Fehler aufgetreten sind. Duplizieren oder allgemeiner n-maliges Vervielfachen aus einer einzelnen Quelle schafft nominell identische Ströme. Die Datenströme verlaufen parallel durch zwei oder mehr Datenpfade bzw. Datenwege 6, 8, ..., welche Verarbeitungseinheiten 2, 4, ..., aufweisen können, wobei diese Verarbeitung in einem ATM-System zum Beispiel Verarbeiten (neben weiteren Dingen) der physikalischen Teilschicht (PMD-Sub-Layer) (deren Zweck es ist, Bits von dem Übertragungsmedium einzufügen/zu extrahieren) wie auch der Übertragungsanpassungs-Teilschicht (TC-Sub-Layer) (welche für die unteren Funktionen verantwortlich ist, die mit Zellübertragungen, wie beispielsweise Header-Error-Control-HEC-Verifizierung, verbunden sind). Einer der zwei oder mehr Datenströme wird von einem Auswähler 5 ausgewählt und dann weiter verarbeitet. Eine derartige Anordnung kann in einem Telekommunikationsvermittlungssystem verwendet werden, wo eine Call-Management-Steuerung über Kanäle, die selbst über AALI-ATM-Zellströme und n-malig vervielfacht aus Gründen der Zuverlässigkeit geführt werden, mit konstanter Bit-Rate ausgeführt wird (zum Beispiel LAPD und SS7 in einem GSM-System).

Zusätzlich prüft ein Überwachungsmodul 10 jeden der Datenströme 1, 3 und weist den Auswähler 5 an, zwischen einem Datenstrom oder dem anderen in Abhängigkeit von Kriterien umzuschalten, welche unten ausführlicher beschrieben werden. Entscheidungseinrichtungen sind zur Entscheidung vorgesehen, ob ein Strom gewechselt wird oder nicht, und die Kriterien legen fest, ob es eine Wahrscheinlichkeit eines Fehlers gibt, der in einem der Datenströme vorgekommen ist, was für die Grundlage der Entscheidung verwendet wird. Der Umschaltprozess ist bevorzugt und für gewöhnlich automatisch. Vorzugsweise sollte ein Umschaltvorgang innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts abgeschlossen sein, zum Beispiel innerhalb weniger als einer Sekunde, nachdem ein Fehler aufgetreten, erfassbar oder in einem der Datenströme ermittelt worden ist, bezeichnend für einen gesamten oder teilweisen Ausfall des aktuellen aktiven Datenwegs. Diese Umschaltzeit sollte vorzugsweise kurz genug sein, um einen Verlust eines Anrufs bzw. einer Verbindung, zum Beispiel bei einem Sprachanruf, oder den Verlust der Verbindung zu einer externen Vorrichtung (beispielsweise eine Basissende-/Empfangsstation (BTS) in einem GSM-System) zu verhindern, wenn ein derartiger Verlust eine Anforderung zum Neustart der externen Vorrichtung zur Folge hat, was im Allgemeinen eine Unterbrechung von mehreren Minuten bedeutet. Zum Beispiel könnte dies den Verlust aller Verbindungs- bzw. Anrufverarbeitungseigenschaften in einem kleinen geografischen Bereich in einem GSM-System ergeben.

Zusätzlich wird es bevorzugt, wenn das Überwachungsmodul aufzeichnet, das heißt Einrichtungen zur Aufzeichnung von Informationen aufweist, oder sendet, das heißt Einrichtungen zum Senden von Informationen in Bezug auf die Rate aufweist, mit welcher ein Umschalten zwischen den Datenpfaden auftritt. Diese Informationen können bei einem Aufstellen einer Gerätezuverlässigkeit und bei einer Festlegung des Bedarfs für eine Wartung oder einen Austausch bzw. Ersatz nützlich sein. Das Verfahren zum Ermitteln von Fehlern auf einem Datenpfad gemäß der vorliegenden Erfindung ist einfach und schnell und kann mit einem angemessenen Rechenaufwand ausgeführt werden. Insbesondere geht die vorliegende Erfindung ein Problem an, welches darin besteht, dass, je genauer ein Fehler, der aufgetreten ist, ermittelt werden soll, dies um so länger dauert und die Wahrscheinlichkeit eines Verlustes einer Verbindung um so größer ist.

Dies Problem wird nun mittels Beispielen illustriert, wobei unterschiedliche Sampling- bzw. Abtastzeiten, zum Beispiel 1 Sekunde oder weniger, verwendet werden. Die Datenströme 1, 3 weisen eine konstante Rate auf, das heißt, dass sie Ströme von digitalen Daten mit einer konstanten Bit-Rate sind. Dennoch zeigen alle Datenströme nicht vernachlässigbare zufällige oder pseudo-zufällige Schwankungen. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von nominell identischen Datenströmen für eine Eigenschaft des Datenstroms überwacht, die sich in einer zufälligen oder pseudo-zufälligen Weise ändert. In dem folgenden Beispiel wird eine Anwendung einer ATM-Anpassungsschicht bzw. -Anpassungslayer (AAL) beschrieben, welche einen Datenstrom unterstützt, der eine konstante Bit-Rate aufweist. Es wird angenommen, dass für ankommende Datenströme auf einem ATM-Datenfluss bzw. Data-Flow ein Mapping erfolgt. ATM-Netzwerke sind zum Beispiel beschrieben in: „ATM theory and Applications" von D. McDyson und D. Spohn, McGraw-Hill, 1999, und AAL insbesondere in Kapitel 13. Insbesondere wird auf einen Datenstrom AAL 1 Bezug genommen, welcher die folgenden Eigenschaften aufweist: PDU-Größe in dem Bereich von 46–47 Octets und eine konstante Bit-Rate, zum Beispiel zur Ausführung von Realzeitverkehr, wie beispielsweise Sprache, Video oder Circuit-Emulation. Die Takte in jedem Datenpfad werden zu 8 k pro Sekunde und konstant und gleich für jeden Datenpfad angenommen. Zum Beispiel wird ein Beispiel eines Mappings eines Kanals mit 64 kbits pro Sekunde auf einem Strom AAL 1 beschrieben, wobei ein Durchschnitt von 170,2128 AAL-1-Zellen pro Sekunde durchschnittlich gepackt wird. Da AAL-1-Zellen nicht aufteilbar sind, wird eine Messung des Durchsatzes in jeder Sekunde von Zeit entweder 170 oder 171 Zellen ergeben. Im Mittel werden 170 Zellen ungefähr 4-mal aus 5 gepackt.

Ob 171 oder 170 Zellen pro Sekunde gemessen werden, ändert sich in einer zufälligen oder pseudo-zufälligen Weise. Die durchschnittliche ankommende AAL-1-Rate kann als M.F beschrieben werden, wobei M eine ganze Zahl und .F ein Dezimalanteil sind. Der Dezimalanteil .F der ankommenden AAL-1-Rate für einen Kanal kann als eine Wahrscheinlichkeit interpretiert werden, wie die ganzzahlige Anzahl der Zellen, entweder M oder M + 1, sich zufällig mit der Zeit ändert. Zum Beispiel wird in einer Steuereinheit bzw. einem Controller einer Basisstation (zum Beispiel ein BSC in einem GSM-System) die Signalisierung zwischen dem BTS und dem BSC und zwischen der Mobilvermittlungsstelle (MSC) und dem BSC über Kanäle mit 64 kbits pro Sekunde ausgeführt, die jeweils mit den LAPD- und SS7-Protokollen konform sind. Für einen jeden solchen Kanal erfolgt dann ein Mapping auf den Kommunikationsports einer Übertragungsmanagementeinheit (TMU), eine für Verbindungsverarbeitung verantwortliche Karte. In einem solchen Fall erfolgt für jeden Datenport, wie zum Beispiel ein LAPD- oder SS7-Port auf der TMU, ein Mapping auf einen Kanal mit 64 kbits pro Sekunde, und der ankommende AAL-1-Strom stellt die Überlagerung aller dieser Kanäle dar. Da diese Kanäle nicht miteinander synchronisiert sind, besteht für jeden von ihnen eine Wahrscheinlichkeit mit dem Wert gleich 0,2128 einer Generierung einer zusätzlichen Zelle, wenn es eine Abtastzeit von 1 Sekunde gibt, und die Auftrittswahrscheinlichkeiten kombinieren sich in Übereinstimmung mit statistischen Gesetzen. Wenn N die Anzahl von Kanälen festlegt, kann der ankommende AAL-1-Strom (das ist die Zufallsvariable, welche die Anzahl von ankommenden AAL-1-Strömen in 1 Sekunde zählt) wie folgt modelliert werden: X(lsec) = 170k + B(N, 0.2128)Gl. 1 wobei B(N, p) das Ergebnis eines binominalen Versuchs von Parametern N und p angibt. Wenn zum Beispiel 62 LAPD-Ports aktiv sind, weist daher der ankommende AAL-1-Strom einen Mittelwert von 10553,1936 und eine Varianz von 10,3860 auf. Die Varianz erscheint in diesem Fall vernachlässigbar. Wenn jedoch eine Umschaltzeit von 1 Sekunde oder weniger erzielt werden soll, muss die Abtastzeit viel weiter unter 1 verringert werden, wenn eine Ermittlung eines Fehlers in einem Datenpfad in einer ausreichend kurzen Zeit durchgeführt sein soll. Wenn die Abtastzeit des ankommenden AAL-1-Stroms auf 40 Millisekunden reduziert wird, dann werden 6,8085 AAL-1-Zellen pro LAPD-Port im Durchschnitt gemessen, und die durchschnittliche Zahl von ankommenden AAL-1-Zellen wird zu 422,1277 mit einer Varianz gleich 9,5993. Deshalb liegt die durchschnittliche Fluktuation in der Größenordnung von einer Hälfte eines LAPD-Kanals. Außerdem hängt die Varianz des ankommenden AAL-1-Stroms von der Anzahl der zugrundeliegenden LAPD-Kanäle ab, was es schwierig macht, eine „universelle" Schwelle festzulegen.

In dem Obigen wurden die Ankunftszeit oder der Durchsatz von Zellen als die Eigenschaft des Datenstroms gemessen, welcher sich in einer zufälligen oder pseudo-zufälligen Weise ändert. Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung können weitere Eigenschaften in dieser gleichen Anwendung wie auch in anderen Anwendungen, bei welchen die Erfindung zur Anwendung kommen kann, gemessen werden. Ein Beispiel einer anderen Anwendung ist: zwei identische Datenströme können über zwei unterschiedliche Pfade bzw. Wege über eine drahtlose Funkschnittstelle gesendet werden, und die Amplituden des empfangenen Signals werden als sich zufällig verändernde Parameter zur Auswahl von einem der beiden Datenpfade benutzt. Aufgrund der Wegdifferenz, Interferenz und Fadingeffekten werden sich die empfangenen Amplituden zufällig oder fast zufällig verändern. Die vorliegende Erfindung kann benutzt werden, um einen Datenstrom auszuwählen, während die Notwendigkeit eines Kombinators vermieden wird. Im Allgemeinen kann anstelle eines Kombinierens von zwei Strömen nur einer der zwei Ströme betrachtet und der beste gemäß einem Kriterium ausgewählt werden, wobei es bei der Funkschnittstelle die Leistung des Signals oder irgendeine andere Niedrigpegelmessung (oder irgendeine Kombination solcher Parameter) sein kann, welche vorzugsweise die Qualität der über den Strom geleiteten Daten betrifft. Wenn der Datenstrom digital ist, können die Zeiten zwischen ansteigenden Flanken oder ansteigenden und abfallenden Flanken eines binären Signals gemessen werden. Zum Beispiel könnte eine Anwendung empfindlicher auf eine Veränderung in der Bit-Rate als die Bit-Rate selbst sein. Wenn eine derartige Anwendung über ein Paketnetzwerk läuft, würde es möglich sein, die Zwischenankunftszeit bzw. Interarrival-Time der Pakete auf zwei verschiedenen Routen zu beobachten und eine Grundlage für die Entscheidung auf einem Vergleichen der Varianzen der beiden Zwischenankunftszeiten bilden.

Die vorliegende Erfindung kann bei verschiedenen Situationen und Anwendungen zur Anwendung kommen, von denen jede eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ist. Zum kommt ein Datenstrom an, wird dupliziert und dann in ATM-Zellen in einem AAL-1-Fluss gepackt. Da jeder Strom separat gepackt wird, würde der Packer zufällige Unterschiede in der Anzahl von Zellen pro Sekunde machen, und diese zufälligen Variationen können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung überwacht werden. In diesem Fall würde jeder Datenstrom unabhängig von jedem anderen sein. Alternativ kommt ein Datenstrom an und wird in ATM-Zellen in einem AAL-1-Fluss gepackt. Der ATM-Fluss wird dupliziert und jeder Strom wird über getrennte Datenwege gesendet. Nun erfolgt das Packen einmal und der Datenstrom sollte nominell exakt der gleiche sein, obwohl es noch zufällige Variationen gibt. Diese können überwacht werden, um zu ermitteln, ob es einen Fehler in dem Datenpfad gibt. Als eine dritte Alternative kommen zwei nominell identische Datenströme über zwei unterschiedliche Pfade an und sind deshalb unterschiedlich, und jeder wird separat gepackt. Wieder gibt es zufällige Veränderungen bzw. Variationen, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung überwacht werden können.

Die vorliegende Erfindung ist robust genug, um fast jede Art von zufälliger Fluktuation zu bewältigen, welche nicht „übermäßig stark" ist. Die Varianz der zufälligen Fluktuation (welche als ihre Stärke betrachtet werden kann) betrifft die Auflösung des Verfahrens, das ist das kleinste „Ereignis", welches das Verfahren ermitteln kann. Zum Beispiel ist in dem obigen Beispiel der AAL-1-Verkehr die Überlagerung von vielen CBR-Kanälen, und somit ist folglich das kleinste zu ermittelnde „Ereignis": „ein Kanal ist unterbrochen". Wenn die Stärke der zufälligen Fluktuation zu ausgeprägt ist, ist es möglich, dass ein unterbrochener Kanal nicht zuverlässig ermittelt werden kann, und verlässliche Entscheidungen können nur möglich sein, wenn zum Beispiel 2 oder 3 Kanäle unterbrochen sind. Jedoch sogar in einem solchen Fall stellt das Verfahren der Erfindung eine arbeitsfähige Lösung bereit, vorausgesetzt, dass eine Unterbrechung von 2 oder 3 Kanälen als ein angemessenes Maß von Zuverlässigkeit akzeptiert wird.

Die obigen Beispiele zeigen ein allgemeines Problem – je kürzer die Abtastzeit ist, je größer ist die Chance eines Fehlers bei einem Entscheiden, welcher der Datenpfade der beste ist. Um eine Genauigkeit zu verbessern, könnte der Datenstrom in jedem Datenpfad dekodiert werden, und die individuellen Bits, Bytes oder Frames bzw. Rahmen könnten analysiert und zwischen den empfangenen Datenströmen von anderen Datenpfaden verglichen werden. Zum Beispiel könnten Bit-, Symbol-, Byte- oder Frame-Fehler-Raten für jeden Datenstrom bestimmt und dann der beste ausgewählt werden. Alternativ könnten die Ströme in einem geeigneten Kombinator, zum Beispiel ein Kombinator mit maximaler Wahrscheinlichkeit, kombiniert werden. Diese Verfahren würden jedoch eine beachtliche Menge an Verarbeitungsleistung erfordern. Es könnte auch eine ziemlich lange Zeit in Anspruch nehmen, zu ermitteln, dass ein Fehler aufgetreten war und dass ein anderer Pfad ausgewählt werden sollte.

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, ein einfacheres Verfahren zum Festlegen, ob ein Datenpfad fehlerhaft ist, zu benutzen. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung basiert die Entscheidung, zwischen welchen der Datenpfade ausgewählt werden sollte, auf Wahrscheinlichkeitstheorie. Insbesondere basiert die Entscheidung, welcher der Datenpfade ausgewählt werden sollte, vorzugsweise auf einem Hypothese-Testalgorithmus. Zum Beispiel kann die Auswahl auf Folgendem basieren: Festlegen einer Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in der Entscheidung zum Umschalten auf einen Datenpfad (oder auf dem existierenden Pfad bleiben), Prüfen dieses Fehlers und Entscheiden, ob ein Umschalten auf einen anderen Datenpfad basierend darauf gemacht werden sollte. Die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in der Entscheidung wird festgelegt basierend auf einer Eigenschaft des Datenstroms, von welcher erwartet wird, dass er sich zufällig oder pseudo-zufällig ändert. Da sich die Eigenschaft, zum Beispiel Anzahl von ATM-Zellen, die in einer Einheitszeit gepackt sind, zufällig verändert, kann jede Abweichung von dem Mittelwert analysiert werden, indem statistische Theorie zum Festlegen der Chancen einer solchen Abweichung, die wegen eines Fehlers oder lediglich wegen zufälliger Variationen auftritt, verwendet wird. Im Folgenden wird auf ein Entscheiden zwischen zwei Datenpfaden Bezug genommen, jedoch kann die vorliegende Erfindung bei irgendeiner Zahl von Datenwegen bzw. -pfaden mit identischer konstanter Rate angewendet werden.

Die vorliegende Erfindung schafft ein statistisches Modell eines Datenstroms mit konstanter Rate. Im Folgenden wird dies mit Bezug auf einen AAL-1-Datenstrom in einem ATM-Netzwerk nur als ein Beispiel beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf AAL-1-Ströme oder auf ATM-Netzwerke beschränkt.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein ankommender Datenstrom, beispielsweise der AAL-1-Datenstrom, auf einer Ebene (Datenpfad bzw. -weg) als die Überlagerung von N Unterströmen modelliert, von denen jeder Zelle mit einer Rate &tgr; pro Zeiteinheit erzeugt. Wenn &Dgr;t die Abtast- bzw. Sampling-Rate bezeichnet, dann ist die Anzahl von auf einer Ebene (Datenpfad) während &Dgr;t empfangenen AAL-1-Zellen X(&Dgr;t) = N⌊&tgr;&Dgr;t⌋ + B(N, &tgr;&Dgr;t – ⌊&tgr;&Dgr;t⌋)Gl. 2 wobei B(N, p) das Ergebnis eines binominalen Versuchs von Parametern N (die Anzahl von Versuchen) und p (die Wahrscheinlichkeit von Erfolg in einem Versuch) angibt.

Daher ist

E[X(&Dgr;t)] = N&tgr;&Dgr;t und Var[X(&Dgr;t)] = N(&tgr;&Dgr;t – ⌊&tgr;&Dgr;t⌋)(⌈&tgr;&Dgr;t⌉ – &tgr;&Dgr;t), die Varianz des schlechtesten Falls, die erreicht wird, wenn der dezimale Anteil von &tgr;&Dgr;t ist, gleich S. Es ist wohlbekannt, zum Beispiel aus Gilbert Saporta, „Probabilités, analyse des données et statistiques", Edition TECHNIP, 1990, dass, sobald Np ausreichend groß ist, die binominale Verteilung durch eine Normalverteilung angenähert werden kann. Daher kann Gleichung (2) umgeschrieben werden zu: X(&Dgr;t) ≈ (N&tgr;&Dgr;t, Np(1- p)) wobei gilt: p = &tgr;&Dgr;t – ⌊&tgr;&Dgr;t⌋. Dies motiviert die Verwendung des folgenden Modells für die ankommenden Ströme auf den zwei Ebenen: wenn NA und NB jeweils die Anzahl von aktiven Kanälen auf Ebene A und B sind, dann

wobei &sgr; 2A = NA p(1 – p), &sgr; 2B = NB p(1 – p) und wobei p der lineare Korrelationskoeffizient ist, von welchem erwartet wird, dass er umgekehrt proportional zu |NA – NB| (das heißt angenähert 1 ist, wenn |NA = NB|. Da die Differenz von zwei Gauß'schen Zufallsvariablen (ob sie korreliert sind oder nicht) eine Gauß'sche Zufallsvariable ist, folgt daraus, dass: XA(&Dgr;t) – XB(&Dgr;t) folgt (&lgr;A – &lgr;B,&sgr;) wobei &lgr;A = NA &tgr;&Dgr;t, &lgr;B = NB &tgr;&Dgr;t und &sgr;2A – 2p&sgr;A &sgr;B + &sgr;2B . Aus Gründen der Einfachheit wird die Tatsache, dass &sgr; von NA, NB und |NA– NB| abhängt, nicht ausgewertet.

In Ausführungen der vorliegenden Erfindung basiert die Entscheidung, ob ein Datenpfad ausgewählt werden soll, auf statistischer Hypothese-Testtheorie. Testen von Hypothese ist ein fundamentaler Teil von statistischer Interferenz. Hypothese-Testen betrifft den Umfang statistischer Techniken, die benutzt werden können, um zu einer Ja- oder Nein-Entscheidung bezüglich einer besonderen Hypothese zu gelangen. Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von Hypothese-Testen, um einen von mehreren nominell identischen Datenströmen auszuwählen. Ein Verwenden von Hypothese-Testen zum Auswählen zwischen zwei Datenpfaden weist die folgenden Verfahrensschritte auf. Der Test schließt ein Testen einer Null-Hypothese gegen eine alternative Hypothese ein. In dem ersten Verfahrensschritt (siehe 3) wird die Null-Hypothese festgelegt, zum Beispiel in dem gegebenen Beispiel werden die Bedingungen, unter welchen keine Änderung in dem Datenpfad erfolgt, festgelegt, während die alternative Hypothese als die Bedingungen festgelegt wird, welche in einer Änderung in dem Datenpfad resultieren. Der Test wird auf eine Variable angewendet, welche sich zufällig verändert. In dem in der vorliegenden Erfindung gegebenen Beispiel soll die Differenz &lgr;A – &lgr;B, das ist die Differenz zwischen dem Durchsatz auf Datenpfad A und Datenpfad B, für die Hypothesen benutzt werden. Jede Hypothese kann einfach oder zusammengesetzt sein. Insbesondere kann für das gegebene Beispiel jede Hypothese zusammengesetzt und einseitig sein. Der zweite Verfahrensschritt besteht darin, den numerischen Wert für den Fehler vom Typ I auszuwählen, der üblicherweise mit &agr; angegeben wird und häufig die Signifikanz- bzw. Wertigkeitsstufe des Tests genannt wird. Ein Fehler vom Typ I besteht darin, wenn die Nullhypothese zurückgewiesen wird, obwohl sie wahr ist. Je höher die Wertigkeitsstufe ist, je größer ist das Risiko eines Zurückweisens der Nullhypothese, wenn sie wahr ist. Ein Fehler vom Typ II besteht darin, die Nullhypothese zu akzeptieren, wenn sie falsch ist. Der Fehler vom Typ II wird oft durch &bgr; dargestellt und die Leistung des Tests ist 1-&bgr;. Ein Auswählen des Werts von &agr; hängt von der Anwendung und der Tatsache ab, dass es einen Ausgleich zwischen den beiden Fehlertypen gibt. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehlertyp vorkommt, kann nur dadurch reduziert werden, indem die Wahrscheinlichkeit des Fehlers vom anderen Typ erhöht wird. In dem Fall von nominell identischen Strömen ist der Nachteil beim Erzeugen eines Fehlertyps ungefähr der gleiche wie für den Fehler vom anderen Typ, so dass eine Lösung darin besteht, beide Wahrscheinlichkeiten der zwei Fehlertypen gleich zu machen. Da jedoch ein Zurückweisen der Nullhypothese einige Aktivität einschließt und eine Verzögerung und vielleicht sogar einen Verlust einer Verbindung hervorrufen kann, falls etwas fehlerhaft ist, gibt es eine natürliche Neigung dazu, die Wahrscheinlichkeit von irrtümlichem Zurückweisen der Nullhypothese ziemlich gering zu machen. Falls nominell identische Ströme, welche perfekt arbeiten, mit einem Hypothese-Algorithmus in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung überwacht werden, gibt es ein zufälliges Umschalten bei einer Rate, die durch die Frequenz festgelegt ist, bei welcher es unwahrscheinlich ist, dass zufällig erzeugte Situationen auftreten. Um diese natürliche aber ungewollte Oszillation zu unterdrücken, sollte der Wert von Alpha so niedrig wie möglich eingestellt werden, während noch ein Umschalten zu dem alternativen Datenstrom in einer angemessenen Zeit im Fall einer Fehlfunktion des ersten Stroms vorgesehen wird.

Der dritte Verfahrensschritt ist ein Festlegen der Teststatistik, welche die aus den Daten berechnete Menge ist, deren numerischer Wert zu einer Akzeptanz oder Zurückweisung führt. Die berechnete Menge ist das Verhältnis zwischen der mittleren und der empirischen Standardabweichung auf einer kleinen Probe D1, ..., Dn. Der kritische Bereich eines Tests ist die Gruppe von beobachteten Werten der Teststatistik, die zur Zurückweisung der Nullhypothese führen, das heißt ein Bereich, in dem die Testcharakteristik einen Wert aufweist, welcher unwahrscheinlicher ist, als er von dem ausgewählten Wert des Fehlers vom Typ I vorhergesagt würde. Deshalb wird dieser Bereich häufig der kritische &agr;-Level-Bereich genannt. Die Entscheidungskriterien können ausgedrückt werden als:

  • a) Zurückweisen der Nullhypothese zugunsten der alternativen Hypothese, falls ein Charakteristikum der Teststatistik, zum Beispiel ihr Mittelwert, in einem kritischen Bereich liegt, der von dem Fehler vom Typ Eins festgelegt worden ist.
  • b) Kein Zurückweise der Nullhypothese zugunsten der alternativen Hypothese, falls ein Charakteristikum der Teststatistik, zum Beispiel ihr Mittelwert, außerhalb des kritischen Bereiches liegt, der von dem Fehler vom Typ Eins festgelegt worden ist.

Für das gegebene Beispiel kann ein Wert Z als n(X – &mgr;o)/&sgr; und ZI–&agr;n(XI–&agr; – &mgr;o)/&sgr; festgelegt werden, wobei &sgr; (Sigma) die Varianz und &mgr;o die Wahrscheinlichkeit auf der rechten Seite der Nullhypothese (Null in dem Beispiel) ist. Dann wird die Nullhypothese zurückgewiesen, wenn der beobachtete Wert des Durchschnitts X geringer ist als &mgr;o – ZI–&agr; &sgr;/√ n .

Der vierte Verfahrensschritt kann in zwei äquivalenten aber alternativen Verfahren ausgeführt werden: 4A und 4B. Im Verfahrensschritt 4A werden diejenigen beobachteten Werte Y der Teststatistik festgelegt, welche zum Zurückweisen der Nullhypothese führen. Wenn zum Beispiel der Wert der Teststatistik ausreichend extrem ist, das heißt ausreichend groß oder ausreichend klein, wird die Nullhypothese zurückgewiesen. Deshalb wird, wenn der beobachtete Wert kleiner ist als irgendein signifikanter Punkt K, die Nullhypothese zurückgewiesen. Falls die Nullhypothese von einer Wahrscheinlichkeit p (in dem Fall der Nullhypothese ist in dem Beispiel der Wert von p Null) bestimmt wird, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Nullhypothese zurückgewiesen wird, wenn sie wahr ist, gegeben durch: Prob(Y kleiner als oder gleich K/p = 0) = &agr;

Wenn es viele Testergebnisse in der Abtastzeit gibt, kann die binominale durch eine Normalverteilung ersetzt werden, und die obige Gleichung kann angenähert werden durch: Prob(Y kleiner als oder gleich K – 0,5) = &agr;

In dem obigen Beispiel wird die Nullhypothese zurückgewiesen, wenn der Wert von Y ausreichend klein ist. Falls die alternative Hypothese spezifiziert hatte, dass ein Wert wie zum Beispiel &lgr;A – &lgr;B größer sein sollte als ein bestimmter Wert, dann würde die Nullhypothese für ein ausreichend kleines Y zurückgewiesen.

Der fünfte Verfahrensschritt besteht darin, die Daten zu erhalten und festzulegen, ob der beobachtete Wert der Teststatistik gleich oder extremer ist als der signifikante Punkt K, und die Nullhypothese zurückzuweisen, wenn dem so ist. Die Konsequenz würde eine Änderung im Datenpfad sein.

Der alternative vierte Verfahrensschritt 4B weist die Berechnung des Werts P oder der erzielten Wertigkeitsstufe auf. Anstelle eines Berechnen von K wird, sobald die Daten erhalten worden sind, wird die Nullhypothesenwahrscheinlichkeit eines Erhaltens des beobachteten Werts der Teststatistik oder einer oder mehrerer Extrema in der Richtung berechnet, die von der alternativen Hypothese angezeigt ist. Diese Wahrscheinlichkeit wird als der P-Wert bezeichnet. Der P-Wert eines statistischen Tests ist die Wahrscheinlichkeit eines Beobachtens eines Abtastergebnisses als extrem oder extremer als das eine beobachtete. Diese Wahrscheinlichkeit wird unter der Annahme berechnet, dass die Nullhypothese wahr ist. Falls der P-Wert kleiner als der ausgewählte Fehler vom Typ I ist, wird die Nullhypothese zurückgewiesen.

Bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeiten in den obigen Verfahrensschritten kann die beobachtete Varianz s wie von den beobachteten Werten berechnet eher als die über eine große Anzahl von Mustern aufgenommene aktuelle Varianz &sgr; benutzt werden. Alternativ kann eine Varianz als eine laufende Varianz über eine größere Anzahl von Mustern als während der Abtastzeit gesammelt berechnet werden, die zur Entscheidungsfindung aufgrund der Nullhypothese verwendet werden, basierend auf der Annahme, dass sich die Varianz mit der Zeit nicht sehr viel verändert, so dass ein laufender Mittelwert über eine längere Zeit ein genaueres Ergebnis liefert. In ähnlicher Weise kann der Wert von Z durch t ersetzt werden, definiert durch:

Für das gegebene Beispiel berechnet der Algorithmus dann t, und die Nullhypothese wird zurückgewiesen, falls t kleiner ist als t1–&agr;, n–1.

Weitere Details dieser Verfahren sind zu finden in: „Statistical methods for the analysis of Biomedical data" R. F. Woolson und W. R. Clarke, zweite Auflage, Wiley, 2002, insbesondere Kapitel 5 und „Statistical methods in Bioinformatics", Springer, 2001.

Die vorliegende Erfindung schließt in ihren Rahmen ein, dass jede geeignete Eigenschaft eines sich zufällig verändernden Signals verwendet werden kann. Typischerweise wird der Mittelwert eines Werts für zwei oder mehr Datenströme verglichen, oder die Proportionen von diskreten Alternativen, zum Beispiel ein Vergleichen der Verhältnisse der Zahlen von 168, 169, 170, 171 Zellen, die pro Sekunde für die zwei oder mehr Datenströme in dem obigen ATM-Beispiel empfangen wurden.

Die vorliegende Erfindung schließt auch in ihren Rahmen die Verwendung von komplexeren Verfahren von Hypothesen-Testen als oben beschrieben mit ein. Zum Beispiel kann mehr als ein Charakteristikum der Proben benutzt werden. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Werten X1, X2, ... von unterschiedlichen Charakteristika der beobachteten Muster benutzt werden, und der Mittelwert von jeden von diesen kann einen bestimmten Wert aufweisen (diese können unterschiedlich sein), und Werte von irgendeinem oder mehreren von ihnen können verwendet werden, um die Zurückweisung der Nullhypothese festzulegen. Weiterhin ist es nicht nötig, dass die Form der Verteilung der Zufallsvariable oder -variablen normal ist. In diesem Fall können so genannte nicht parametrische Verfahren angewendet werden. Parametrische Verfahren können auch in dem nicht normalen Verteilungsfall angewendet werden. Parametrisch bedeutet gerade, dass eine Annahme gemacht bezüglich des Wahrscheinlichkeitsgesetzes der zugrundeliegenden Phänomene gemacht worden ist. Beispiele von nicht parametrischen Verfahren sind der Mann-Whitney und der Permutationstest. Für Details dieser Verfahren wird Bezug auf die obige Literatur genommen. Diese Arten von Tests können verwendet werden, um eine Varianzanalyse auf kleine Proben durchzuführen und wenn das zugrundeliegende Wahrscheinlichkeitsgesetz unbekannt ist. Sie können relevant sein für: zum Beispiel kann die Varianz eine Messung einer „Aktivität" sein, und ein Pfad wird basierend darauf ausgewählt, welcher Pfad die meiste „Aktivität" aufweist.

Eine Verwendung des Hypothese-Tests in der vorliegenden Erfindung wird durch das obige Datenstrommodell motiviert. Ohne Verlust an Allgemeingültigkeit wird angenommen, dass EbeneA der aktive Datenpfad ist, das heißt derjenige, welcher für weitere Verarbeitung ausgewählt ist, und EbeneB der Datenpfad ist, welcher nicht ausgewählt ist. Hiernach geben XA(&Dgr;t) und XB(&Dgr;t) jeweils die Anzahl von AAAL-1-Zellen an, die auf EbeneA und EbeneB während des Zeitintervalls &Dgr;t empfangen wurden, und &lgr;A und &lgr;B geben jeweils die mathematischen Erwartungen von XA(&Dgr;t) und XB(&Dgr;t) an. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die folgende Zusammensetzung gegenüber einem zusammengesetzten Hypothese-Test zu lösen: H0: &lgr;A – &lgr;B ≥ 0 (in diesem Fall würde mehr AAL-1-Verkehr auf der EbeneA sein) H1: &lgr;A – &lgr;B < 0 (in diesem Fall würde mehr AAL-1-Verkehr auf der EbeneB sein)

Es wird angenommen, dass, wenn es mehr Verkehr auf den Ebenen gibt, dies ein Anzeichen für einen Fehler in dem Datenpfad auf der anderen Ebene ist, da beide Datenströme nominell identisch sind. Auf Grund von zufälligen Variationen könnten einige Differenzen erwartet werden, so besteht das Problem darin, zu entscheiden, wenn eine Differenz bzw. ein Unterschied ausreichend signifikant ist, dass eine Datenpfadumschaltung erfolgen sollte, oder wenn es nicht statistisch signifikant ist und der Datenpfad sollte nicht geändert werden (Nullhypothese).

Wenn H1 ausgewählt worden ist, dann wird ein Datenpfadschalter ausgelöst. Die Auswahl für die Nullhypothese (H0) ist durch die Tatsache motiviert, dass eine konservative Entscheidungsregel bevorzugt wird. Im Allgemeinen weist ein Hypothese-Test immer eine kleine Vorspannung zu Gunsten der Nullhypothese auf. Das heißt, dass eine Änderung nur erfolgt, wenn es einen signifikanten Beweis des Bedarfs für eine Änderung gibt. Bei n aufeinanderfolgenden gegebenen Werten {D1; D2 ... Dn} von XA (&Dgr;t) – XB (&Dgr;t) wird der obige Test gelöst wie folgt:

  • 1. Wenn
    dann entscheide H0.
  • 2. Ansonsten löse den einfachen zusammengesetzten Gegentest H'0: &lgr;A – &lgr;B = 0 H'1: &lgr;A – &lgr;B < 0

In Bezug auf diesen weiteren Test wird H'0 beibehalten, wenn

wobei SD die empirische Standardabweichung von D(&Dgr;t) mit &ggr; ist, derart, dass P(|Tn–1| > &ggr;) = 2&agr; wobei Tn–1 die Student-Variable mit n – 1 Freiheitsgraden angibt und &agr; der Fehler vom Typ I ist. Deshalb &ggr; = un–1, 2&agr; wenn die Tabelle in Gilbert Saporta, „Probabilité, analyse den données et statistiques", éditions TECHNIP, 1990, S. 457 benutzt wird (siehe auch Tabelle 1).

Tabelle 1: Beispielwerte von &ggr; = un–1, 2&agr; in Termen von &agr; und n (siehe Text).n–1, 2&agr;

Mit Bezugnahme auf eine Entscheidungsregel wird ein Entscheidungsalgorithmus mit Bezug auf 4 beschrieben. Es wird ohne Verlust von Allgemeingültigkeit angenommen, dass die EbeneA der aktive Datenpfad ist. Zur Zeit t = t0 + k·&Dgr;t sollen {xAK–n+1, ...,xAk–2, xAk–1, xAk} und {xBK–n+1, ...,xBk–1,xBk} die letzten n ankommenden AAL-1-Zellenzählerwerte jeweils auf EbeneA und EbeneB kennzeichnen.

Berechne: {dk–n+1 , ..., dk–2, dk–1, dk} wobei gilt: di = x Ai – x Bi . Berechne d = 1n&Sgr;idi und

Die folgende Entscheidungsregel wird dann verwendet: wenn

dann wird EbeneB der aktive Datenpfad, ansonsten bleibt EbeneA der aktive Datenpfad. Welche Entscheidung auch immer getroffen wird, der Algorithmus kehrt zum Überwachen der nächsten Datengruppe zurück.

Der Algorithmus ist extrem schnell und erfordert nur einen Umlaufpuffer (vorzugsweise in der Größe 2m). Die Spezifikationen der LAPD- und SS7-Protokolle spezifizieren, dass die Abtastzeit durch 100 ms für einen SS7-Kanal und durch 1 sec für einen LAPD-Kanal begrenzt sein soll. Die SS7-Anforderung ist schwieriger zu erreichen, so besteht ein erstes Ziel darin, eine Diagnostik von 1 sec sicherzustellen. Das führt zu den folgenden Auswahlen &Dgr;t = 40 ms oder &Dgr;t = 60 ms mit n = 16 (die Fenstergröße), wobei 16 eine „ausreichend angemessene" Größe derart ist, dass die Abschätzungen sowohl des Erwartungs- als auch des Varianzbeginns zuverlässig werden. Die obigen Werte für &Dgr;t stellen auch sicher, dass die Verkehrsintensität stark genug ist. Bezüglich &Dgr;t besteht ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, 60 ms (eher als 40 ms) aus den folgenden Gründen zu verwenden:

  • 1. Die Diagnostikzeit (die maximale Zeit, die „für das Fenster benötigt wird, eine Singularität zu vergessen") beträgt noch im schlechtesten Fall weniger als eine Sekunde (0,96 sec).
  • 2. Da die Abtastperiode größer ist, ist der gesamte Verkehr stärker (was bezüglich der Validität von Gauß'schen Annäherungen besser ist).
  • 3. Vorausgesetzt, dass Entscheidungen weniger häufig getroffen werden, erhöht sich die durchschnittliche Zeit zwischen zwei Fehlern vom Typ I.
  • 4. Da die Berechnungen weniger häufig erfolgen, wird die Belastung der CPU reduziert.

Bezüglich der Auswahl von &agr; (Alpha), welches die Wahrscheinlichkeit zum Entscheiden eines Umschaltens von Datenpfaden ist, wenn tatsächlich kein Grund dafür vorliegt, kann dies als 0,0000001 gewählt werden. Um einen Wert von &agr; auszuwählen, kann von einer Fehler-Rate aus rückwärts gearbeitet werden: Zuerst spezifizieren der Durchschnittszeit zwischen zwei Fehlern vom Typ I, beispielsweise m, (zum Beispiel unter 6,9444~1 Woche) und Wählen von 1/m für &agr; Alpha. Da die mittlere Anzahl von Versuchen, die zur Beobachtung eines Ereignisses der Wahrscheinlichkeit p erforderlich ist, dann im Mittel 1/p ist, entscheidet der Algorithmus für den obigen Wert von &agr;, den Datenpfad irrtümlicherweise alle 1/0,0000001 × 0,060/3600 × 24 mal, was ungefähr 6,9444 Tagen entspricht, umzuschalten. Dies bedeutet &ggr; = 8,987 (siehe Tabelle 2) und die Verwendung des konstanten Werts 13 in dem unten dargestellten Algorithmus. Gemäß Tabelle 2 unten beträgt für &agr; = 0,0000001 das Verhältnis 13,4939. Ein Runden auf die nächstliegende ganze Zahl ergibt 13, was unten in dem Pseudocode benutzt wird.

Wenn d < 0, dann wird entschieden, eine Ebene umzuschalten, falls irgendetwas des Folgenden wahr ist. Die Form, welche benutzt wird, hängt davon ab, was das einfachste zur Implementierung in der verwendeten Prozessormaschine ist, zum Beispiel die letzte Gleichung in dieser Serie.

Wenn es angenommen wird, dass n = 16 und &agr;~0,0000001 gilt, dann ist &ggr; = 8,987 (siehe Tabelle 2). Dies kann in Pseudocode dargestellt werden, wie unten im Folgenden:

  • Tabelle 2: Ein paar Werte von
    für ein paar Werte des Fehlers vom Typ I (Alphawerte) unter der Annahme n = 16.

Es ist zu beachten, dass die Entscheidungsregel adaptiv in dem Sinne ist, dass sie keine Modifikation benötigt, falls sich einige Eigenschaften seiner Eingaben ändern. Wenn sich zum Beispiel die Anzahl von aktiven LAPD-Ports ändert oder wenn die maximale Anzahl von LAPD-Ports pro TMU von 62 auf zum Beispiel 128 erhöht wird, dann ist keine Modifikation der Entscheidungsregel erforderlich. Nur wenn die Abtastrate geändert wird, könnte eine Anpassung der Wahrscheinlichkeit des Fehlers vom Typ I notwendig sein in dem Fall, dass die falsche Abtastrate nicht mehr akzeptabel ist. Die Wahrscheinlichkeit des Fehlers vom Typ I bezieht sich direkt auf die Rate, bei welcher falsche Ermittlungen vorkommen. Versuche sind mit dem obigen Umschaltmechanismus in einer TMU durchgeführt worden und waren erfolgreich, das heißt, das Umschalten zwischen Datenpfaden erfolgte korrekt, sogar wenn nur ein LAPD-Kanal verloren ist.

Eine Implementierung der obigen Techniken kann erfolgen, indem ein Umlaufpuffer einer Größe 2m benutzt wird. Jedes mal, wenn der Algorithmus aufgerufen wird, aktualisiert er die sich bewegende Summe und die sich bewegende „Summe von Quadraten", welche benutzt werden, um eine Umschaltentscheidung zu treffen, vorausgesetzt, dass beide 8k-Takte korrekt sind. Diese Prozedur wird unten in Pseudocode gezeigt:

Die vorliegende Erfindung kann in Hardware oder zum Beispiel in Software unter Verwendung einer Prozessormaschine, wie zum Beispiel ein Mikroprozessor oder eine programmierbare Logikvorrichtung (PLDs), wie beispielsweise ein PLA (programmierbares Logikarray), PAL (programmierbare Arraylogik), FPGA (feldprogrammierbares Gatearray), implementiert werden.

Ein Beispiel einer solchen Schaltung 40 wird mit Bezug auf 2 beschrieben, zum Beispiel zur Verwendung in einer TMU. Diese Schaltung 40 kann als ein VLSI-Chip um einen eingebetteten (embedded) Mikroprozessor 30 herum ausgebildet sein, wie zum Beispiel ein von ARM Ltd., UK, konstruierter ARM7TDMI-Core, welcher auf einem Einzelchip mit den weiteren gezeigten Komponenten aufgebaut ist. Ein Zero-Wait-State-SRAM-Speicher 22 kann auf dem Chip vorgesehen sein, wie auch ein Cachespeicher 24. I/O-(Eingabe-/Ausgabe-)Schnittstellen 25, 26 sind vorgesehen, zum Beispiel Bus-Schnittstellen, um die Datenströme 1, 3 abzutasten. FIFO-Puffer 32 können benutzt werden, um den Prozessor 30 von der Datenübertragung über diese Schnittstellen zu entkoppeln. Ein Zähler-/Timerblock 34 kann vorgesehen sein, wie auch ein Interrupt-Controller 36. Die Auswahleinheit zur Auswahl einer der Datenströme ist durch Block 42 vorgesehen. Softwareprogramme können in einem internen ROM (Nurlesespeicher) 46 gespeichert sein. Für einen Zugriff auf einen externen Speicher kann eine externe Bus-Schnittstelle 38 mit Adressen-, Daten- und Steuerbussen vorgesehen sein. Die verschiedenen Blöcke von Schaltung 40 sind durch geeignete Busse 31 verbunden.

Die Einrichtungen zur Durchführung eines Hypothese-Testalgorithmus und zum Senden von Instruktionen an die Auswahleinheit 42 wie auch die Steuerung eines Umlaufpuffers gemäß der vorliegenden Erfindung können als Software zum Laufen auf Prozessor 30 implementiert sein. Der Umlaufpuffer kann im SRAM-Speicher 22 unter der Steuerung von Prozessor 30 implementiert sein. Die oben beschriebenen Prozeduren können als Computerprogramme in einer geeigneten Computersprache, wie beispielsweise C, geschrieben sein und dann für den spezifischen Prozessor in der eingebetteten Ausführung kompiliert werden. Zum Beispiel kann die Software für den oben beschriebenen eingebetteten ARM-Core VLSI in C geschrieben sein und dann unter Verwendung des ARM-C-Compilers und des ARM-Assemblers kompiliert werden.

Die vorliegende Erfindung weist ein Softwareprodukt, wie zum Beispiel ein Computerprogramm zur Durchführung irgendeines der Verfahren der vorliegenden Erfindung. Insbesondere wird ein Kode des Computerproduktes bereitgestellt, welcher bei Ausführung auf einer Prozessormaschine eine Entscheidung trifft und ein Ergebnis der Entscheidung zur Auswahl eines aus einer Vielzahl von nominell identischen Datenströmen, die auf separaten Datenpfaden geführt werden, ausgeben kann. Die Software kann, wenn sie auf einer Prozessormaschine ausgeführt wird, eine Eigenschaft bzw. ein Charakteristikum der Datenströme, welche bzw. welches sich zufällig oder pseudozufällig über der Zeit ändert, überwachen. Die Auswahl eines der Datenströme kann auf einer abgeschätzten Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in einer Entscheidung zur Auswahl der Datenströme in Übereinstimmung mit einem Hypothese-Testalgorithmus basieren. Das Charakteristikum der Datenströme, welches sich zufällig oder pseudo-zufällig über der Zeit ändert, kann die Anzahl von Datenzellen sein, die von einem Datenpfad in einer Zeiteinheit geführt werden. Die Software kann einen Kode aufweisen, welcher bei Ausführung auf einer Prozessormaschine einen Varianzwert des Charakteristikums und/oder einen Mittelwert des Charakteristikums berechnet. Die Software kann einen Kode aufweisen, welcher bei Ausführung auf einer Prozessormaschine keine Änderung in dem Datenpfad vornimmt, wenn das Verhältnis des Mittelwerts zu den Varianzwerten unterhalb eines statistischen Werts liegt.

Während die Erfindung mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungen dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen in Form und Detail ausgeführt werden können. Zum Beispiel wurde in den obigen Ausführungen eine Auswahlentscheidung zwischen zwei nominell identischen Datenströmen getroffen. Diese Ausführungen können darauf erweitert werden, dass ein Datenstrom aus einer Vielzahl von Datenströmen mittels einer statistischen Theorie ausgewählt wird, welche zum Vergleichen von mehr als zwei Gruppen von Beobachtungen entwickelt worden ist, siehe zum Beispiel Kapitel 10 aus „Statistical methods for the analysis of Biomedical data" von R. F. Woolson und W. R. Clarke, zweite Ausgabe, Wiley, 2002.


Anspruch[de]
Verfahren zum Auswählen eines einer Vielzahl von nominell identischen Datenströmen (1, 3), welche auf getrennten Datenwegen (6, 8) geführt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Überwachen (10) eines Charakteristikums der Datenströme (1, 3) welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert;

gekennzeichnet durch

Auswählen (5) eines der Datenströme (1, 3) basierend auf einer geschätzten Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in einer Entscheidung zum Auswählen eines der Datenströme in Übereinstimmung mit einem Hypothese-Testalgorithmus.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei die Datenströme bei einer konstanten Bit-Rate liegen. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Charakteristikum der Datenströme (1, 3), welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert, die Anzahl von Datenzellen ist, welche durch einen Datenweg in einer Einheitszeit geführt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenströme durch Packen von Daten von einem drahtlosen Netzwerk in eine Adaptierungsschicht eines Netzwerkübertragungsprotokolls erzeugt werden. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Netzwerkübertragungsprotokoll ATM ist. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Daten von einem drahtlosen Netzwerk ein SS7- oder LAPD-Datenstrom sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Überwachen eines Charakteristikums der Datenströme, welche zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variieren, das Berechnen eines Variantswerts des Charakteristikums beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 7, welches weiterhin das Berechnen eines Mittelwerts des Charakteristikums aufweist. Verfahren nach Anspruch 7, wobei, falls das Verhältnis des Mittelwerts zu dem Variantswert unterhalb eines statistischen Werts liegt, keine Änderung in dem Datenstrom vorgenommen wird. Netzwerkelement mit einer Einrichtung zum Auswählen eines einer Mehrzahl von nominell identischen Datenströmen (1, 3), welche auf separaten Datenwegen (6, 8) geführt sind, wobei das Netzwerkelement aufweist:

eine Einrichtung zum Überwachen (10) eines Charakteristikums der Datenströme (1, 3), welches zufallsmäßig oder pseudozufallsmäßig mit der Zeit variiert;

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zum Auswählen (5) eines der Datenströme (1, 3) basierend auf einem geschätzten Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in einer Entscheidung zum Auswählen eines der Datenströme in Übereinstimmung mit einem Hypathese-Testalgorithmus.
Netzwerkelement nach Anspruch 10, wobei das Charakteristikum der Datenströme (1, 3), welches zufallsmäßig oder pseudo-zufallsmäßig mit der Zeit variiert, die Anzahl von Datenzellen ist, welche von einem Datenweg in einer Einheitszeit geführt werden. Netzwerkelement nach Anspruch 10 oder 11, welches weiterhin eine Packeinrichtung zum Packen von Daten von einem drahtlosen Netzwerk in einer Adaptierungsschicht eines Netzwerkübertragungsprotokolls zum Erzeugen der Datenströme aufweist. Netzwerkelement nach einem der Ansprüche 10–12, wobei die Einrichtung zum Überwachen eine Einrichtung zum Berechnen eines Variantswerts des Charakteristikums aufweist. Netzwerkelement nach Anspruch 13, wobei die Einrichtung zum Überwachen eine Einrichtung zum Berechnen eine Mittelwerts des Charakteristikums aufweist. Netzwerkelement nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung zum Auswählen keinen neuen Datenstrom auswählt falls das Verhältnis des Mittelwerts zum Variantswert unterhalb eines statistischen Werts liegt. Software-Produkt mit einem Code zum Ausführen eines der Verfahren von Anspruch 1–9, wenn das Software-Produkt auf einer Prozessormaschine ausgeführt wird. Maschinenlesbarer Datenträger zum Speichern des Software-Produkts nach Anspruch 16.






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