СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОКОНТУРИВАНИЯ ПОТОКА ДАННЫХ И СИСТЕМА СВЯЗИ, СОДЕРЖАЩАЯ УПОМЯНУТОЕ УСТРОЙСТВО
METHOD AND DEVICE FOR DELINEATING DATA STREAM AND COMMUNICATION SYSTEM HAVING SAID DEVICE

Настоящее изобретение касается способа оконтуривания потока данных, передаваемого через канал связи. Изобретение можно применять для любой системы цифровой связи. Изобретение можно применять для спутниковой связи и для АТМ-соединений по ADSL.
Под оконтуриванием, называемым также пакетной синхронизацией, следует понимать этап, заключающийся в том, что в непрерывном потоке данных определяют длину пакетов и их границы, что необходимо при приеме.
Современные технологии оконтуривания требуют целостности данных. Если связь не является достаточно надежной, обычно перед оконтуриванием осуществляют этап коррекции ошибок передачи. Кроме того, современные технологии предусматривают, например, добавление данных, таких как данные о длине, указатели, в полезное поле (payload), которые расходуют полосу пропускания в передаваемом потоке.
На фиг.1 показана схема системы связи, в которой применяют известный способ оконтуривания. Система связи содержит цепь передачи, содержащую сторону передатчика Е, формирование передаваемого потока FD, канал связи С и сторону приемника R, обработку принятого потока FE. В части передачи поток, например, кодируют при помощи кодирующего устройства FEC, затем модулируют. Этот поток FD передают через канал связи С, затем принимают при помощи приемника получателя R. При приеме поток демодулируют и декодируют при помощи декодера FEC 200. Устройство оконтуривания 210 потока располагают после коррекции ошибок передачи, которую в этом примере производит декодер FEC. Действительно, для передатчика технология FEC состоит в добавлении избыточности к полезным данным, чтобы приемник получателя мог обнаружить и произвести коррекцию части неизбежных ошибок передачи.
Во всех случаях существующие технологии основаны на добавлении контрольных или избыточных данных в полезный поток, и оконтуривание осуществляют после коррекции ошибок передачи, так как этот этап требует целостности данных. В качестве примера можно указать оконтуривание в случае протоколов MPE/MPEG2, ULE/MPEG2 и AAL5/ATM (Unidirectional Lightweight Encapsulation (ULE); Multi Protocol Encapsulation (MPE); ATM adaptation layer (AAL5).
Настоящее изобретение ставит своей целью устранить этот недостаток и предложить неинтрузивное решение надежного оконтуривания, которое можно производить как на потоке цельных данных, так и на потоке данных, содержащих ошибки передачи, без необходимости добавления данных в передаваемый полезный поток (то есть без добавления избыточности или контрольной информации).
В случае этапа оконтуривания на потоке цельных данных, то есть на уровне, на котором работают классические механизмы, оконтуривание согласно способу в соответствии с настоящим изобретением можно производить без добавления избыточности.
В случае этапа оконтуривания на потоке данных без коррекции ошибок передачи оконтуривание тоже может иметь место, так как этот этап, согласно изобретению, не связан с необходимостью целостности данных. Пакеты приложений, допускающих ошибки, такие как голос на IP (VoIP), можно передавать в верхние слои даже при наличии ошибок. Адаптационные слои, такие как МРЕ, ULE или GSE (Generic Stream Encapsulation), можно совместить с этим способом передачи данных для улучшения оконтуривания, производимого при помощи другого механизма, отличного от механизма в соответствии с настоящим изобретением.
Объектом настоящего изобретения является способ оконтуривания потока данных, принадлежащего к данному стеку протоколов, с применением многослойных технологий.
В стеках протоколов во все пакеты, принадлежащие к одним и тем же логическим потокам, копируют многочисленную контрольную информацию.
Согласно изобретению способ использует естественную избыточность этих потоков, основным проявлением которой является предсказуемое и рекуррентное повторение последовательностей с фиксированным содержимым, причем эти последовательности, называемые известными последовательностями SP, строят на основании контрольной информации, характерной для различных слоев протокольного стека. Согласно изобретению избыточность используют для оконтуривания потока; для этого способ содержит поиск на принимаемом потоке данных первоначальных положений известных последовательностей SP путем обнаружения последовательностей, подобных этой известной последовательности SP, при этом не подобные, то есть отличные последовательности не сохраняются.
В дальнейшем под последовательностью следует понимать как дискретную последовательность (то есть ряд двоичных или не двоичных символов, полученный в результате квантования данных), так и участок сигнала, соответствующий дискретной последовательности, в зависимости от того, обрабатывают ли входящий поток после демодуляции или до нее. Под двоичным символом подразумевают бит, тогда как не двоичный символ представлен группой битов.
В частности, объектом настоящего изобретения является способ оконтуривания потока данных, передаваемого системой связи, использующей стек многослойных протоколов, содержащей приемник, при этом способ в основном отличается тем, что содержит следующие этапы:
- прием входящего потока данных, содержащего пакеты данных, содержащие протокольные поля заголовка, содержимое которых является постоянным для всех пакетов данных потока,
- построение, по меньшей мере, одной известной последовательности SP на основании протокольных полей с постоянным содержимым,
- поиск и обнаружение на уровне приемника последовательностей, подобных известной последовательности SP, при этом не подобные последовательности не сохраняются,
- определение положений обнаруженных подобных последовательностей,
- запоминание положений обнаруженных подобных последовательностей для определения информации, позволяющей оконтурить поток.
Информация, позволяющая произвести оконтуривание, может быть, например, положением начала пакета или длиной между двумя обнаруженными последовательностями.
Запоминание положения состоит в записи положения в потоке последовательных подобных последовательностей с целью выявления начала пакетов.
Поиск известной последовательности SP во входящем потоке содержит открытие окна анализа W длиной, равной длине известной последовательности SP, вычисление измерения подобия между анализируемой последовательностью и известной последовательностью SP, вычисление порога η, связанного с измерением подобия, при этом обнаружение подобной последовательности происходит, когда измеренное подобие превышает или равно порогу η.
В случае двоичных сигналов это измерение подобия может соответствовать, например, вычислению расстояния типа расстояния Хэмминга. В случае реальных или квантованных аналоговых сигналов это измерение может соответствовать, например, вычислению корреляционного типа.
opt
Порог η выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальную вероятность выделения известных последовательностей SP, и в этом случае порог η соответствует оценке оптимального порога η.
Поиск известной последовательности осуществляют непрерывно, смещая окно анализа на одну позицию при каждом перемещении.
Перемещение на одну позицию соответствует, например, перемещению символ за символом, или байт за байтом, или бит за битом во входящем потоке.
Объектом настоящего изобретения является также устройство оконтуривания потока данных, передаваемого системой связи, использующей стек многослойных протоколов, в основном отличающееся тем, что содержит:
- вход для приема потока данных, содержащего пакеты данных, содержащие протокольные поля заголовков, содержимое которых является постоянным для всех пакетов данных потока,
- по меньшей мере, одну известную последовательность SP, построенную на основании протокольных полей с постоянным содержимым,
- средства для поиска и обнаружения последовательностей, подобных известной последовательности SP, при этом не подобные последовательности не сохраняются,
- средства для определения положений обнаруженных подобных последовательностей,
- средства для запоминания положения обнаруженных подобных последовательностей с целью определения информации, позволяющей оконтурить поток.
Средства для поиска последовательностей, соответствующих известной последовательности SP, и для обнаружения подобных последовательностей содержат:
- окно W длиной, равное длине известной последовательности SP, для анализа в потоке последовательностей, проходящих в окне,
- средства вычисления порога обнаружения η,
- средства вычисления измерения подобия между анализируемой последовательностью и известной последовательностью SP и средства обнаружения подобной последовательности, при этом обнаружение происходит, когда измеренное подобие превышает или равно порогу η.
Окно анализа является скользящим окном, перемещающимся от позиции i к позиции i+1 после каждого анализа последовательности заранее определенной длины F, образованной принятыми символами с индексами от i до i+F-1. Индексы i и i+F-1 соответствуют границам «минимум» и «максимум», фиксирующим длину окна анализа W; если последовательность SP является непрерывной, то границы «минимум» и «максимум» задают размер последовательности SP (длина F соответствует длине последовательности SP).
Объектом настоящего изобретения является также система связи для обмена потоками данных, содержащая цепь приема и в основном отличающаяся тем, что упомянутая цепь приема содержит описанное выше устройство оконтуривания.
В таких системах связи цепь приема обычно содержит демодулятор и декодер FEC, производящий коррекцию ошибок передачи. Устройство оконтуривания может находиться как перед, так и после коррекции ошибок.
Изобретение можно применять, например, для систем спутниковой связи.
Изобретение можно применять, например, для соединений, использующих АТМ по ADSL.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема системы связи для обмена потоками данных с цепью передачи согласно известным техническим решениям.
Фиг.2 - схема устройства 100 оконтуривания, установленного в цепи передачи в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - схема системы связи для обмена потоками данных, в которой устройство 100 оконтуривания установлено до устройства коррекции ошибок 200А.
Фиг.4 - схема системы связи для обмена потоками данных, в которой устройство 100 оконтуривания установлено после устройства коррекции ошибок 200В.
Фиг.5 - детальная схема этапов, осуществляемых устройством оконтуривания в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 - кривая изменения вероятности выделения известных последовательностей из известной последовательности в окне анализа в зависимости от порога обнаружения η, в соответствии с условиями шума канала передачи, выражающимися переменной ε, и для выбранной длины F известной последовательности.
Фиг.7 - кривая изменения вероятности выделения известных последовательностей из известной последовательности в окне анализа в зависимости от размера F известной последовательности, в соответствии с выбранными условиями шума канала, выражающимися переменной ε, и с числом L символов между двумя последовательными появлениями известной последовательности в первоначальном потоке.
Фиг.8 - кривая изменения вероятности выделения известных последовательностей из известной последовательности в окне анализа в зависимости от размера F известной последовательности, в соответствии с выбранными условиями шума канала, выражающимися переменной ε, отличающейся от переменной на фиг.7, и с таким же числом L символов между двумя последовательными появлениями известной последовательности в первоначальном потоке.
Фиг.9 - кривая изменения вероятности выделения известных последовательностей из известной последовательности в окне анализа в зависимости от размера F известной последовательности в соответствии со вторым числом L символов между двумя последовательными появлениями известной последовательности и с выбранными условиями шума канала, выражающимися переменной ε.
Фиг.10 - кривая изменения вероятности выделения известных последовательностей из известной последовательности SP в окне анализа в зависимости от размера F известной последовательности, в соответствии с выбранными условиями шума канала, выражающимися переменной ε, отличающейся от переменной на фиг.9, и с таким же числом L символов между двумя появлениями известной последовательности.
Фиг.7-10 показывают также кривые вероятности ложной тревоги при оконтуривании Pfa. Успешность оконтуривания измеряется непосредственно через Pfa.
Фиг.11 - шестнадцатеричное изображение ряда входящих пакетов в случае протокольного стека FTP/TCP/IP/Ethernet, принятого на уровне Ethernet, иллюстрирующее наличие повторяющихся последовательностей в контрольной информации каждого пакета, которые могут быть известной последовательностью SP.
Способ оконтуривания в соответствии с настоящим изобретением применяют для систем связи, использующих стеки протоколов. Не ограничительными примерами протокольных стеков, для которых можно применять этот способ, являются TCP/IP или UDP/IP. Его можно применять для любой системы цифровой связи и, в частности, для систем спутниковой связи и для АТМ-соединений по ADSL.
В потоке данных, передаваемом через протокольный стек, передаются одна или несколько известных последовательностей SP.
Известные последовательности SP являются последовательностями, содержащими «статические» информационные поля, то есть поля, содержимое которых является постоянным и может быть известно приемнику или использовано для обучения приемника для всех пакетов потока. В случае, когда известные последовательности содержат поля, содержимому которых обучается приемник, обучение может происходить путем анализа полей заголовков первых пакетов данных входящего потока. Во время обучения приемник угадывает, какая последовательность используется, что дает возможность использовать различные последовательности во входящем потоке. В альтернативном варианте последовательности SP могут быть образованы комбинацией последовательностей, содержащих поля, содержимое которых известно приемнику, и поля, содержимому которых обучается приемник. Последовательности SP могут быть образованы подгруппами битов, принадлежащими к разным полям заголовков нескольких протоколов, принадлежащих к разным слоям связи, например, таким как адреса уровней МАС или IP передающего источника или приемника, порты ТСР или UDP, тип протокола или его версия. Это позволяет построить более длинную известную последовательность и получить, таким образом, значительно более высокие вероятности правильного обнаружения. Биты подгруппы не обязательно являются смежными, но их относительное положение в заголовке известно. Кроме того, если приемник принимает параллельно несколько разных потоков данных, например, через мультиплексор, приемник может вести одновременный поиск нескольких разных известных последовательностей, при этом каждая известная последовательность связана с одним из потоков.
Согласно способу оконтуривания поток, передаваемый по каналу связи С цепи передачи и входящий со стороны приемника R, анализируют с целью выявления известных последовательностей SP потока.
Данные потока FD, обрабатываемые при помощи способа, могут находиться в виде двоичных символов или в виде реальных или квантованных аналоговых данных.
opt
opt
Способ содержит определение порога обнаружения η известных последовательностей SP. Порог обнаружения η выбирают таким образом, чтобы иметь максимальную вероятность выделения известных последовательностей PSR. Предпочтительно выбранным порогом является оптимальный порог η, который можно оценить путем анализа принимаемого потока. Этот оптимальный порог η учитывает среднее число L символов между двумя появлениями известной последовательности SP в потоке (средняя длина пакетов) и состояние канала связи С. Состояние канала связи выражается оценочной переменной ε, соответствующей условиям шума. Значение L и состояние канала являются оценочными значениями, получаемыми, например, при помощи классического эстиматора или другими способами.
В случае ошибок при передаче способ позволяет обнаруживать в потоке последовательности, подобные ожидаемым известным последовательностям SP, то есть идентичные или очень близкие последовательности, причем эту близость устанавливают на основании заранее определенного критерия подобия; не подобные, то есть отличные последовательности не сохраняются.
opt
Если анализируемая последовательность отвечает критерию подобия, следовательно, обнаружена так называемая «подобная» последовательность. Этот критерий подобия выполняется, если анализируемая последовательность имеет степень подобия с известной последовательностью SP, превышающую или равную пределу, определенному оценкой оптимального порога обнаружения η.
Способ содержит обнаружение ошибочных известных последовательностей SP, что соответствует обнаружению подобных последовательностей.
Способ содержит запоминание положения этих последовательностей, чтобы определить информацию, позволяющую произвести оконтуривание. Этой информацией является, например, положение начала пакета или длина между двумя последовательностями, которая позволяет выявить начало пакета.
Анализ входящего потока FE производят при помощи скользящего окна W. Скользящее окно перемещается во входящем потоке от одной позиции i к другой позиции i+1 после каждого анализа последовательности заранее определенной длины F, образованной символами с индексами от i до i+F-1.
Запоминание положения состоит в записи пространственного положения обнаруженных последовательных подобных последовательностей для выявления информации, такой как начало пакетов. Пространственное положение подобных последовательностей (или последовательностей SP) в потоке определяется порядковым номером (десятичный знак) первого бита.
Если данные потока, обрабатываемые устройством оконтуривания, находятся в виде символов и если подобная последовательность не начинается в начале заголовка, оценку положения начала пакета производят, вычитая из положения подобной последовательности число символов, соответствующее этому сдвигу.
Производят запоминание числа символов между двумя обнаружениями последовательных подобных последовательностей, чтобы определить информацию о длине между двумя обнаруженными последовательностями. Информацию «длины» можно, например, сравнить с информацией, полученной при помощи традиционных механизмов.
На фиг.2 показана схема устройства 100 оконтуривания, установленного в цепи передачи, использующей протокольный стек и содержащей канал С связи. Устройство 100 принимает поток FE пакетов данных, предаваемых через канал С.
Средняя оценочная длина пакетов равна L.
Размер или длина известных последовательностей SP равна F.
На выходе канала известные последовательности SP могут быть переданы с ошибками, что показано в виде последовательности SPе.
Устройство 100 принимает от верхних слоев 110 информацию, относящуюся к полям, образующим известную последовательность SP, для всех пакетов потока. Эти данные служат для определения известной последовательности SP, поиск которой ведет в потоке устройство 100.
Устройство 100 содержит окно W анализа принимаемых данных. Скользящее окно W является окном, перемещающимся от позиции i к позиции i+1 после каждого анализа последовательности заранее определенной длины F, образованной принимаемыми символами с индексами от i до i+F-1.
На фиг.3 показана система связи, такая же как на фиг.1, но содержащая устройство 100 оконтуривания в соответствии с настоящим изобретением. В этом примере выполнения устройство 100 установлено перед системой коррекции ошибок 200А цепи приема R.
На фиг.4 показан второй вариант выполнения системы связи в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте выполнения устройство 100 оконтуривания установлено после системы коррекции ошибок 200В.
На фиг.5 показаны этапы, осуществляемые устройством 100 оконтуривания. Эти этапы описаны ниже:
110 - От верхних слоев на уровне приемника R в устройство 100 поступает информация, относящаяся к известной последовательности SP входящего потока FE, чтобы устройство 100 приступило к поиску упомянутых последовательностей в потоке FE.
101, 102, 103, 104 - Устройство 100 ведет поиск в потоке FE вероятных положений известных последовательностей путем последовательного сравнения последовательностей символов с известной последовательностью SP согласно заранее определенному критерию. При этом осуществляют следующие этапы:
opt
opt
101, 102 - устройство определяет порог обнаружения известной последовательности, который соответствует удовлетворительному подобию, позволяющему отбросить сильно отличающиеся последовательности, то есть последовательности, подобие которых ниже порога. На практике порог обнаружения η известных последовательностей SP выбирают таким образом, чтобы максимизировать вероятность выделения известных последовательностей PSR. Выбранный порог является оценкой оптимального порога η. Этот оптимальный порог η учитывает среднее число символов L между двумя появлениями известной последовательности (средняя длина пакетов) и состояние канала связи С, выражающееся переменной ε, характеризующей коэффициент ошибок на бит или символ. Значение L и состояние канала являются оценочными значениями, получаемыми при помощи эстиматора 102.
103 - устройство анализирует последовательность, присутствующую в окне W, измеряя ее подобие известной последовательности SP.
104 - устройство сравнивает порог обнаружения η с измеренным подобием.
Устройство 100 осуществляет обнаружение 105 ошибочных известных последовательностей в случае наличия подобных последовательностей, то есть последовательностей, у которых измеренное подобие с известной последовательностью SP превышает порог η, и запоминает положение этих последовательностей и на основании этого выводит начало пакетов.
107 - Устройство контролирует конец потока и смещает 106 окно анализа W на одну позицию.
-1
10
На фиг.6 показана кривая изменения PSR в зависимости от фиксированного порога обнаружения η для длины F известной последовательности SP, равной 16 байт, и от значительных условий шума, выражающихся коэффициентом ошибок на бит ε, ε=10 (1 бит из 10 - ошибочный). На этой фигуре пунктирной линией показано логарифмическое расстояние между вероятностью выделения PSR известных последовательностей и 1, то есть: log(1-PSR).
В дальнейшем Pcd и Pfa будут обозначать соответственно вероятность правильных обнаружений и вероятность ложных тревог, связанных с устройством.
-8F
-10
-49
В случае осуществления способа на цельных данных, то есть ε=0, вероятность правильных обнаружений Pcd=1, и вероятность ложных тревог Pfa=2. При F, равном 4 или 5 байт, Pfa все равно остается ниже 10. При F, равном 20 байт, Pfa остается ниже 10.
10
В случае не цельного потока (содержащего ошибки) ε не равно нулю. Кривые изменения PSR известных последовательностей на фиг.7-10 показывают различные результаты, относящиеся к этому случаю. На этих фигурах пунктирные кривые соответствуют кривой 10log(Pfa), при этом Pfa практически равно [(1-PSR)/(L-1)].
-1
-4
-1
-4
На фиг.7 и 8 показаны кривые изменения PSR и Pfa известной последовательности SP в окне анализа W соответственно при коэффициентах ошибок на бит ε=10 и ε=10, и число символов L между двумя последовательными появлениями известной последовательности SP (средний размер пакетов) составляет 100 байт. На фиг.9 и 10 показаны кривые изменения PSR и Pfa известной последовательности в окне анализа W соответственно при коэффициентах ошибок на бит ε=10 и ε=10 и при числе символов L между двумя последовательными появлениями известной последовательности SP (средний размер пакетов), составляющем 1500 байт.
На этих фигурах показано, что даже при наличии ошибок в потоке вероятность ложных тревог Pfa быстро снижается с увеличением размера последовательностей SP. Можно также отметить, что, как и в случае потока без ошибок, если размер последовательностей SP является классическим, то есть составляет несколько десятков байт, Pfa является очень низкой.
На фиг.11 показан пример в случае передачи файлов с использованием протокольного стека FTP/TCP/IP/Ethernet. На этой фигуре показано шестнадцатеричное извлечения ряда входящих пакетов, захватываемых на уровне Ethernet. В примере выбранного протокольного стека каждый пакет содержит заголовок Ethernet, заголовок IP, заголовок TCP и данные протокола FTP. Как можно видеть, эти заголовки содержат постоянные информационные поля на всех пакетах. Речь идет о статических последовательностях, распределенных в одном или нескольких слоях протокольного стека.
Способ использует эту характеристику для осуществления поиска известных последовательностей SP на основании знания протокольного стека, чтобы определить информацию, необходимую для оконтуривания. Разумеется, этот поиск можно вести параллельно на нескольких потоках (наиболее распространенный случай для подавляющего большинства систем цифровой связи).
Способ использует естественную избыточность данных, генерируемых протокольным стеком. Он является неинтрузивным в отличие от известных способов оконтуривания. Его можно осуществлять в любой системе связи, в том числе в системах спутниковой связи и в системах, использующих АТМ-соединение по ADSL.