用于当发生故障时在dsl环境中提供pots业务的系统与方法

专利名称：用于当发生故障时在dsl环境中提供pots业务的系统与方法
引言本发明一般涉及通信系统和方法，并且更具体地涉及在系统发生故障时提供例如POTS的话音业务的系统和方法。本发明例如可应用于DSL通信系统。
背景技术：
随着互联网的日益普及，越来越多的商家和住户要求高速宽带接入。宽带接入可以通过诸如电缆、卫星或传统的铜电话线的不同类型的物理介质来提供。
由于电话线在现有的住户与商家中一般占据很高的渗透百分比，所以已经建议各种革新方法来增加现有电话本地设备的带宽。一种这样的更新例如是可以利用以高达56kb/s(千比特/秒)速率工作的调制解调器。另一革新是数字用户线路(DSL)业务。DSL业务利用现有的铜线本地环路来给终端用户提供业务。DSL另一吸引人的地方是它能利用同一电话线对来提供高速数据业务和电话话音业务。
在

图1中表示出DSL的通用网络拓扑结构。利用中心局中的DSL接入多路复用器(DSLAM)3可以在常规的电话线2-1或2-2上传送DSL业务。对于那些通过DSL只接收数据业务的客户而言，此业务利用被显示为CPE设备4的DSL调制解调器或路由器终接在客户家中。在只提供DSL数据业务的传统系统中，由于POTS信令处于基带中，而DSL在自/至客户家中的同一线路上出现在较高的频带中，所以POTS业务和DSL业务是并存的。在客户家中和中心局中，POTS分离器15与17用于从数据信号中分离出POTS信号。在中心局中为POTS信号选择路由至传统的话音网络14，并为DSL数据选择路由至DSLAM 3，如图1所示。
下一代的设备试图通过在此网络上增加诸如数字话音链接的增值业务来增强DSL链路的价值。在这样的模型中，数字化(并且有可能为了频带效率而进行了压缩)的话音与数据一起在DSL链路上进行传送。对于组合的话音和数据业务来说，DSL业务利用在图1中被显示为CPE5的用于提供综合话音与数据接入的装置来终接。这样的装置一般提供用于数据的以太网端口6和用于话音的多个模拟POTS端口(例如，7-1和7-2)。
DSLAM 3用作分组多路复用器，用于一般通过高速上行链路8将业务从多个客户传送给主要城市或地区的分组网络9。数据网络一般由ATM交换机组成。DSLAM使用的分组协议是诸如ATM或帧中继的支持话音和数据的分组协议。因为DSL客户使用的主要数据业务要接入互联网11，所以一般通过称为用户管理系统12的装置将此分组网络连接到互联网。例如，也可以利用至内部或企业数据网络的连接来支持以家为基地的工作人员。
话音网关13用于将话音业务传送给DSL客户。此话音网关13将分组网络连接到公用交换电话网(PSTN)14。将数字话音流变换为分组格式，以便通过话音网关与客户家中的综合接入装置之间的分组网络进行传送。此话音网关通过电话交换机(例如，类别4或5交换机)连接到PSTN。
由于从电话交换机的观点来看话音网关13代表数字接入网络，所以此网关与电话交换机之间的连接一般利用诸如GR-303、TR-008或V5的数字环路载波系统的标准接口。这种类别的信令称为带内信令。具有第二类别的信令，用于与更加智能的数字环路载波或边缘装置通信。此信令堆栈称为SS7并代表带外信令范例。此边缘装置通过SS7协议堆栈至电话机的连接是一个在逻辑上独立于此类别的带内信令协议中使用的同步时隙的链接。迄今所描述的是用于实现DSL业务的公知的通用结构。
除了传统的数据和POTS业务之外，各个设备制造商正在引入用于通过DSL实现综合数字话音与数据业务的设备。例如，加利福尼亚的Coppercom Communications Inc.通信公司给DSL业务供应商提供用于DSL业务的设备。特别地，此公司建议了例如图2所示的CopperCompleteTMDSL结构。
由CopperCompleteTMDSL提供的系统结构在ATM交换机22之后使用话音网关21。此话音网关21是将分组的话音业务通过类别5交换机23变换为PSTN(公用交换电话网)可接受的话音信号的附加设备。此话音网关21将输入的ATM适应层2(AAL2)信元变换为时分多路复用话音信号，并利用多条T1中继线24将这些信号发送给类别5交换机23。此接口例如是与数字环路载波(DLC)所使用的接口相同的GR-303接口，如前面结合图1所述的。
相信在Coppercom结构中使用的话音路径是一个在CPE装置准备期间而非实时配置的永久虚拟电路。此PVC载波传送所有的话音业务以及信令业务。所使用的分组结构是用于ATM封装的ATM适应层2(AAL2)。
AAL2具有允许多个连接多路复用在一个虚拟电路(VC)上的能力。多个数据流的多路复用在ATM适应层上完成。ATM适配只在ATM网络的端点上进行。ATM网络中的信元根据其虚拟路径/虚拟信道(VP/VC)识别符而进行路由选择或交换。在永久虚拟电路(PVC)的情况下，与Coppercom结构的情况中一样，将这些信元交换到先前在CPE准备时建立的同一永久目的地。
此Coppercom结构不使用ATM网络而是使用话音网关来建立和拆除话音连接。因此，不可能利用ATM网络来交换单独的话音呼叫。这是因为如上所述，在Coppercom结构中，多个话音呼叫与信令数据一起多路复用到单个ATM虚拟电路上。ATM信元流的内容对于此ATM网络而言是透明的。此ATM网络只检查标题以保证将这些内容发送到正确的目的地。此结构中的呼叫分配或交换与此ATM网络无关。在信令和话音数据在话音网关上进行多路分解之前是不能确定呼叫分配的。
发明概要本申请的发明人认识到现有技术的DSL结构中具有若干缺点。如果利用ATM AAL2来传送话音，这些结构在压缩(在可应用时)、寂静抑制、和可变分组填充延迟设置方面会给终端用户设备增加大量的成本和复杂性。另外，需要在CPE上将多个数据流多路复用到一个ATM虚拟电路上。还有，这些结构不允许你直接利用ATM网络(例如，ATM交换机)的连接建立与拆除的动态性能，这导致系统资源的无效利用。
因此，本发明人提出了一种与其不同的更好的解决方案来利用ATMAAL1传送话音业务。AAL1提供一种通过ATM网络发送话音的简单方法以及提供在ATM网络自身内的ATM层上动态建立与拆除连接的能力(例如，参见ITU-TI.363.1B-ISDN ATM适应层规范类型1 AAL)。
因此，本发明的一个方面是一种通信结构，其话音路径基于PVC与交换虚拟电路(SVC)的组合。在DSLAM上从CPE至中继线端口建立PVC。SVC是能够存在于ATM交换机中用于建立和拆除话音连接的动态连接。每个话音路径在独立的ATM虚拟电路中进行传送而不是将这些话音路径一起进行多路复用。利用AAL1来传送话音业务。信令信息也独立于话音进行传送，并且朝向业务控制处理器而不是直接朝向交换机选择路由。
在此结构中，虚拟路径/虚拟信道的值可以直接识别出信元内包含的信息和预定要向其发送此信息的用户。利用每个话音信道独立的ATM虚拟电路，有可能在ATM交换机中建立和拆除连接(利用交换虚拟电路)。
业务控制处理器通过带内信令从外部控制交换机。此结构利用其动态建立和拆除连接的能力来开发ATM交换机的能力。在此结构中，不在ATM网络中的ATM适应层上进行任何确定，根据VP/VC将数据发送到正确的目的地，在ATM层上建立此连接。
在本发明的另一方面中，本发明人认识到在传统的DSL系统中，POTS(简易老式电话业务)分离器一般用于将DSL数据连接终接在DSLAM上并将POTS业务终接在电信交换机上，这例如表示在图1所示的实施例中。通过将电话连接终接在电信交换机上，就能存在“生命线”业务，这是因为POTS业务独立地在电话公司中心局中进行加电而不是从客户家或商业地点中来供应电源。如果出现电源故障情况，POTS业务仍然可利用。
另一方面，在允许话音的DSL系统中(其中在DSL频谱中而不是在POTS中传送主要与辅助话音线路)，存在着当发生电源故障时不具有生命线电话业务的问题。为了保持生命线业务，可以使用允许话音的DSL系统来只提供附加的辅助电话线路并且依赖于传统的POTS来提供主要电话业务。在这种情况中，如前所述，POTS终接在电话公司交换机上，并且在那里在允许话音的DSL网络中对于主要话音线路不存在集中功能。只对于辅助话音线路能获得集中功能，这对于DSL业务提供者来说是不希望的。必须从电话公司那里保证每个POTS线路的电信交换终接的一对一的变换关系。
因此，提出一种系统与方法，用于解决从DSL网络中提供POTS的问题并且也能使DSL业务提供者在本地集中主要与辅助电话业务，这表示DSL业务提供者不必使每个POTS线路具有一对一的变换关系。本发明给DSL网络提供一种设备，它能集成在传统的DSLAM中或者也可能是完全不同的一种设备。此设备用作POTS终接器或数字化器。此实体的功能是例如将POTS线路终接在中心局上并数字化此话音，将此话音变换为ATM，而且随后在ATM交换机将其终接在DSL网络中。POTS终接器在传送信号和话音信号的数字化以及将此信号变换为ATM格式方面具有类似于图3中的客户CPE终接器的功能。客户CPE装置上的所有话音端口能通过DSL网络来实施，并且在电源故障的情况中，CPE装置中的转发器或交换机能将电话机之一连接到POTS线路。
因此，提出了一种用于提供电话业务的系统与方法。从电话机中接收模拟信号并将此模拟信号变换为第一格式的数字信号。提供一个调制解调器，用于接收第一格式的数字信号。还提供一个数字化器，用于从电话机中接收模拟信号。此系统在第一操作模式中将第一格式的数字信号耦合到调制解调器，并在第二操作模式中将模拟信号从电话机耦合到数字化器。第二操作模式例如可以是故障操作模式。本发明的这个方面可以应用于其他的DSL结构(例如，图1或2所示)以及本发明的图3所示的改进结构，注意到这一点也是重要的。
附图简述图1表示用于提供业务的公知DSL结构的方框图；图2表示用于提供话音与数据业务的另一DSL结构的方框图；图3是根据本发明原理的DSL系统的系统图；图4以电路方框图形式表示CPE单元的示例性具体实施例；图5表示用于在FPGA 45内执行下行链路操作的方框图；图6表示上行链路ATM信元封装互通功能；图7表示用于发出或始发呼叫的操作示意图；图8表示呼叫处理操作顺序的示意图；图9表示由CPE启动的CPE呼叫断开操作的示意图；图10表示输入呼叫的操作示意图；图11表示由Telco(电信公司)交换机或NCS启动的呼叫断开的操作示意图；图12表示GR-303接口的方框图；图13表示分布式环境中SCP的示例性实施例；
图14是表示如何通过SCP在CPE与Telco之间分配话音信道的方框图；图15表示CPE与NCS之间的数据路径的逻辑流程图；图16是CPE与NCS之间数据路径的另一方框图；图17表示在将命令与PC路径设置为非特定比特率(UBR)的同时如何将话音数据路径设置为可变比特率(VBR)；图18是通过NCS的话音业务的数据路径的示例；图19是能够减少由6个CPE构成的系统的通过量的示例方框图。
图20表示通过DSL网络提供POTS业务的传统方法；图21是根据本发明的原理提供POTS业务的方式的实施例；图22是用于根据本发明的原理提供POTS业务的POTS数字化器或终接器的示例性方框图。
详细描述根据本发明原理的示例性实施例表示在图3中。
系统方框图30由几个功能块组成。系统域300由中心局(CO)设备域31(下面也称为网络控制系统(NCS))和客户室内设备(CPE)域32组成。此系统域内的组成部分方框及其相应的接口是客户室内设备(CPE)单元33-n数字用户线接入多路复用器(DSLAM)34ATM交换机35互联网网关36业务控制处理器(SCP)37CPE单元33-nCPE单元33-n包括例如与多达4个的单独模拟电话机38-1至38-4(通过POTS)和一个10Base-T以太网连接39接口的内部DSL调制解调器单元。例如是33-1的CPE装置从客户的模拟终端接收来自每个电话机38-1至38-4的模拟输入，将模拟输入变换为数字数据，并将此数据分组打包为ATM分组(ATM上的POTS)，而每个连接具有唯一的VPI/VCI。VPI是虚拟路径识别符，而VCI是虚拟信道识别符。ATM网络是能以一个VPI/VCI对为特征的面向连接的网络。VPI用于识别存在于物理介质上的虚拟路径。VCI用于识别虚拟路径内的虚拟信道，这导致PVC(永久虚拟路径)或SVC(交换的虚拟电路)的概念。PVC是两个端点之间的连接并且通常人工地进行配置。这是通过ATM网络沿一定方向在每个节点上利用VPI/VCI值对建立的端到端的路径。除了利用信令协议根据需求建立或拆卸SVC之外，SVC类似于PVC。
也利用唯一的VPI/VCI将以太网数据封装在ATM信元中。将ATM信元流发送给CPE单元内的内部DSL调制解调器以便进行调制并传送给DSLAM34。
从DSLAM端中，利用CPE DSL调制解调器接收和解调DSL信号并进行传送，以便进行VPI/VCI检测处理。随后提取具有与终端用户电话机的VPI/VCI匹配的VPI/VCI的ATM信元数据，并将此ATM信元变换为模拟POTS，以便传送给电话机38-1至38-4之一。提取具有与终端用户的以太网连接的VPI/VCI匹配的VPI/VCI的ATM信元数据，并将此ATM信元数据传送给内部以太网收发信机，以便传送给以太网端口。下面将结合CPE及其组件的具体说明来深入描述上面的处理。
DSLAM 34DSLAM 34解调来自多个DSL调制解调器33-1至33-n的数据并将这些数据集中到例如ATM骨干网上，以便连接到此网络的其余部分。DSLAM34通过将DSL线路集中到至ATM交换机35的ATM输出上来为基于分组、信元和/或电路的应用提供后向(back-haul)传输业务。
ATM交换机35CO ATM交换机35是ATM网络的主干。ATM交换机在网络中执行各种功能，这些功能包括信元传送多路复用和集中业务控制ATM层管理在系统域30中特别重要的是，ATM交换机与DSLAM 34、业务控制处理器37和互联网网关36一起提供信元路由选择和缓冲，并与处理话音电话呼叫的公用交换机40一起提供T1电路仿真支持。
ATM交换机的一个示例性实施例可以是Newbridge(新桥)MainStreetXpress 36170多业务交换机(Newbridge 36170)。此交换机通过T1电路仿真卡具有DSLAM能力和单独的DSO控制能力。有可能DSLAM能力和DSO控制都不是集成于此交换机中，而是以分立元件的形式出现。
ATM交换机的另一示例性实施例可以是具有附加的可选T1卡的Lucent Access Concentrator(朗迅公司的接入集中器)。在SCP 37的控制下，此集中器用作路由选择机制来聚集数据并将数据分散到NCS内外的不同目的地。
在本发明的一个实施例中，将可选的T1卡安装在ATM交换机中，它允许将ATM信元放置在DSO时隙中作为T1连接的一部分。每个卡例如可以具有6个T1端口。在这种情况中，将T1卡连接到Telco的交换网络。
从ATM交换机37至telco交换机40的另一示例性接口可以利用GR-303接口。GR-303接口定义一个可包含1-28个DS1连接的接口组(IG)。信道12与24用于有关第一DS1连接的控制信息。如果在IG中具有第二DS1，则它也包含有关信道12与24的冗余控制信息。这些信道只用于前2个DS1连接上。所有其他的DS1连接将全部24个信道都用于话音业务。
对于包含控制信息的1或2个DS1，信道12用作时隙管理信道(TMC)，而信道24用作嵌入操作信道(EOC)。
此接口的方框图表示在图12中。
互联网网关36互联网网关36通过与ATM交换机35有相互连接的ATM提供对IP互通的ATM信令支持。互联网网关的一个示例性实施例可以是Cisco7200系列高性能路由器。此路由器具有4个ATM端口和32个10Base-T以太网端口的容量。根据容量与性能也可以选择其他的模型。
业备控制处理器(SCP)37SCP 37提供类似于互联网域名业务(DNS)服务器的地址变换、需求分配和呼叫管理功能。SCP 37也可用于其他的功能，诸如下载代码给CPE和带宽与呼叫管理(例如，忙)功能以及其他的业务提供与建立任务。
SCP的一个示例性实施例是Gateway出售的Performance 500series PC(性能500系列PC)，它具有一个或两个Fore SystemForeRunnerHE 155 ATM服务器适配器。该ForeRunnerHE 155向SCP提供至可以用作为ATM交换机的Newbridge(新桥)36170的全双工OC-3连接。其中的一个ATM适配器用作至Newbridge 36170的专用命令链路。如果此Newbridge 36170支持代理服务器类型的控制并且如果这样的控制信道要求单独的端口，则第二ATM适配器将安装在SCP中。此ATM适配器随后将用作为SCP与Newbridge 36170之间的PVC的数据路径。
图13表示分布式环境中SCP的另一示例性实施例。判决单元(CPU)1305-1至1305-n将构成用于运行能执行功能性任务的操作系统的一个或多个市面上销售的工业包装(架装)的计算机。注意如果不同的软件要求特定的平台来运行，则不同的CPU可以运行不同的操作系统。所希望的平台的规模应能伸缩，以便能利用最少量的重复工作或设计变化来增加附加的处理能力。
如此图所示，所有的元件通过内部专用LAN 1310(例如，以太网)进行连接，以便于通信和连接。数据存储阵列1311具有连接到LAN 1310(例如，以太网)的网络附加存储单元，以便于通信和连接。此数据存储阵列1311具有连接到LAN 1310的网络附加存储单元，这允许在由于状态和/或故障诊断而需要接入的情况中通过远程接入装置直接存取数据。
ATM接口功能块1320是将ATM信元变换为CPU能处理的数据的接口。或者，一个或多个CPU上的ATM NIC能用于此目的。
NCS操作也需要有至和自DSLAM与ATM交换机的控制信号，这些信号可以是带内或带外信号。
图14是表示根据本发明怎样通过SCP在CPE与Telco之间分配话音信道的方框图。SCP-CPE逻辑连接可用于控制CPE单元、ISP和Telco之间的数据路径。CPE与NCS之间所有的数据路径具有已建立的PVC，这将允许24小时接入ISP和一个允许在SCP与CPE之间交换控制信息的信道。
此话音信道也将是仅仅位于CPE和ATM交换机之间的PVC(每个PVC具有可变速率)，如图14所示。SCP将必需在请求呼叫时例如通过ATM交换机在Telco与话音信道之间实时建立连接，这是因为NCS与Telco之间DSO的数量有限。每个话音数据路径将要求一个DSO，以便连接到Telco。由于经济上的原因，DSO的数量将少于可能的话音信道的总数。因此，SCP将必需根据要求而动态地分配DSO给CPE话音信道。SCP将负责处理和建立至NCS及其CPE的输入与输出呼叫的所有话音连接。
如图14所示，自CPE(XN)的话音信道的总数远大于离开NCS的可利用的DSO时隙的数量。因此，在呼叫连接到CPE上时，SCP必须动态分配DSO信道。SCP具有至ATM交换机的命令信道，用于发出命令给ATM交换机，以使之能为CPE话音信道选择路由至T1接口并最终选择路由至Telco。
在建立至Telco的话音数据路径时，命令ATM交换机为合适的VPI/VCI选择路由至一个T1卡上的一个DSO时隙。由SCP保持关于哪些DSO和T1端口可利用的记录。所有的ATM信元变换都可利用T1卡来处理。
SCP控制包括初始建立的ATM交换机的所有方面。以下列的一种或多种方式能实现ATM交换机的控制1.使用终端仿真通过RS232端口、这是带外信令。
2.使用Telnet(远程通信网)通过以太网端口。这是带外信令。
3.在SCP与ATM交换机之间分配PVC。SCP利用带内信令来运行SNMP客户机和控制交换机；和/或4.通过在ATM交换机(PacketStar信令网关)上使用API。这是带内信令。
带内信令的使用将有可能从ATM交换机中提供最快速的响应，但增加接口的复杂度。另外，带内信号能使用已建立的ATM数据路径，这在SCP与ATM交换机未位于一起时特别有用。
注意带外信令能够利用已经存在的ATM数据路径并提供伪带内信令。例如，利用由ATM提供的局域网仿真(LANE)。
SCP可以通过RS232端口或通过TCP/IP利用SNMP客户机与IP互联网网关36通信。
Telco交换机40的T1接口将ATM信元变换成可放置在DSO信道上并通过T1线路发送给Telco交换机的数据。当在NCS接收到数据时，出现相反的情况。
T1接口由作为可选件安装在ATM交换机上的线路卡组成。SCP将通过发出命令给ATM交换机来为数据选择路由至T1卡上的单个DSO时隙。
具体的CPE单元实施例在图4中以电路方框图的形式表示CPE单元33-n的示例性具体实施例。CPE单元结构的实施例可以包括例如一个Altera 10K100A 240接脚FPGA45、两个Alcatel(阿尔卡特)MTK-40131 SH POTS评估板44-1与44-2、Alcatel MTK-20140 DSL调制解调器评估分组46和诸如存储器SRAM 413以及以太网物理层处理器420的几个外围装置。在随后的段落中将描述每一个主要的CPE单元组件。这些组件可以用于测试和评估以及实现本发明的原理。
本领域技术人员将容易认识到，本文中所选择与描述的用于根据本发明实施CPE单元(例如，CPE 33-1)的组件只是示例性的，选择这些组件的主要目的是能便于利用可购买到的现成产品实现本发明的原理。也可以使用可执行与本文所述的这些组件相同的功能的其他电路或集成电路，这对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
电话接口-Alcatel(阿尔卡特)MTK-40131 SH POTS EvaluationBoards(评估板)44-1与44-2Alcatel MTK-40131评估板44-1与44-2被用作为经过RJ11连接41-1至41-4的POT电话机38-1至38-4的接口板(如图1所示)。例如，这些板包括诸如模数变换(A/D)、数模变换(D/A)、和线路接口控制的功能，这些功能对于将模拟电话机或其他模拟终端连接到数字通信系统中是必需的。
如图4所示，每个MTK-40131评估板都包含三个装置两个短距离线路接口电路(SH LIC)42-n，用于提供至模拟线路的信号与电源接口(每条线路一个接口)；以及一个基于DSP的CODEC(CODSP)43-n，此CODEC 43-n为多达两个的独立双线电话线提供所有的信号处理功能。
Alcatel MTK-40131评估板的数字接口是通用电路接口(GCI)。振铃信令、挂机信令、摘机信令和告警检测全部由Alcatel MTK-40131评估板利用GCI接口1或2提供给Altera FPGA 44。
这两个Alcatel MTK-40131评估板44-1与44-2为多达4个的模拟电话机38-1至38-4提供模拟POTS-数字接口。当然，可以使用比上述的数量更多或更少的评估板，并相应地扩大或缩小此电路的其余部分，以提供容纳多于或少于4个模拟电话机的容量。
对于下行链路数据(即，朝向终端用户电话机的数据)，CODSP 43-1或43-2为输入的GCI数据选择路由至一个MTC-30132 SH LIC单元，以便对其进行D/A变换并传送给模拟电话机端口41-1至41-4之一。对于上行链路数据(即，朝向网络的数据)，MTC-30132 SH LIC单元42-1至42-4将输入的电话端口模拟数据变换为数字数据并将此数字数据传送给CODSP 43-1和43-2。CODSP随后将此数字数据通过GCI接口传送给FPGA45，正如前面所述那样。
ADSL调制解调器-Alcatel MTK-20140 Rate Adaptive ADSLModem Evaluation Package(速率自适应ADSL调制解调器评估组件)46如图4所示，Alcatel MTK-20140芯片组46由模拟前端(MTC-20144)47和数字芯片(MTC-20146)48构成。MTC-20146集成了三种组件和/或功能·DMT(离散多音频)调制解调器·具有相关固件的专用ADSL收发信机控制器·ATM成帧器因此，MTK-2014046提供为了实施完全基于ATM的速率自适应DMTADSL调制解调器所要求的所有有效功能。
MTK-20140 46和Altera FPGA 45之间的数据接口被实施为ATMUtopia(乌托邦)接口410。MTK-20140也将POTS分离器414连接到两个RJ11端口49-1和49-2。例如，RJ1 49-1可以被用来连接到来自中心局的电话线对，而其他的插孔49-2可以被用于连接到模拟POTS电话机。
ATM处理-Altera 10K 100A 240引脚现场可编程门阵列(FPGA)45Altera FPGA 45(现在将简称为FPGA)已被编程为能够提供DSL业务的一般ATM处理。具体地，FPGA 45的功能一般包括ATM信元流处理、控制信号处理、至MTK-40131 SH POTS单元44-1与44-2的GCI接口、至MTK-20140 ADSL调制解调器46的UTOPIA接口与控制、以及CPE单元的业务控制与形成。
DSO/ATM互通功能(IWF)
在FPGA上行链路路径(CPE至网络的路径)上，作为由FPGA 45提供的ATM信元封装功能的一部分，将56kb/s数据打包为ATM信元。此56kb/s数据是将在DSO信道上进行传送的数据。
关于传送单个DSO需要多大带宽的问题，在阅读ATM论坛的af-vtoa-0078(Circuit Emulation Service InteroperabilitySpecification)和af-vtoa-0085(Specification of(DBCES)Dynamic Bandwidth Utilization-In 64kbps Time Slot TfunkingOver ATM-Using CES)规范之前看起来是无关紧要和简单的。
根据af-vtoa-0078，单个DSO如果是T1中唯一有效的信道，则它需要整个T1带宽，这对于交换结构可能是有好处的，但对于ADSL上行链路路径却没有好处。af-vtoa-0085规范允许不发送空闲信道，但ATM指针开销仍然要消耗带宽。这两个规范都允许(实际上是必须)使用IWF来协助有效的带宽管理。
在根据本发明的DSL系统中，DSO数据必须(在带宽使用方面)尽可能有效地打包为ATM信元。在FPGA上行链路和下行链路上以及在网络中都具有IWF。在CPE上行链路路径上，IWF将56kb/s数据(以八字节组为单位)打包为ATM信元有效负载，并在发送此信元之前一直等待直至此有效负载满为止，这在发送数据时产生小的延迟(大约6毫秒)。
在CPE下行链路上，IWF提取此有效负载数据并将此数据以56kb/s的速率发送给MTK-40131。网络IWF与CPE IWF相似。网络IWF可以被包含在ATM交换机与T1 CES卡之间的可寻址功能方框中。或者，可能存在着一个执行如DSO数据所必需的网络IWF的T1 CES卡。
FPGA下行链路路径ADSL调制解调器46通过UTOPIA接口410发送数据给FPGA 45。此UTOPIA数据输入到FPGA中的业务控制与形成功能411，后者为所述数据选择路由至内部ATM信元总线412。内部ATM信元总线412上的每个节点对输入ATM信元执行VPI/VCI检测和滤波，例如，如方框420-1至420-6所示。
如果VPI/VCI检测功能检测到VPI/VCI匹配，则处理节点将ATM信元数据传送给ATM信元有效负载提取功能，如方框421-1至421-6所示。
对于电话机端口，ATM信元有效负载提取功能利用GCI总线协议发送所提取的有效负载数据给MTK-40131 SH POTS单元。对于控制处理路径422，ATM信元有效负载提取功能将所提取的有效负载数据发送给控制处理功能423。
特别地，控制处理功能423为其他的CPE端口提供VPI/VCI分配。对于以太网路径，ATM信元有效负载提取功能421-6将所提取的有效负载数据发送给10Base-T物理接口芯片(ML 2653)420。
用于所有端口的下行链路有效负载提取处理包含一个IWF(如前所述)，它从ATM信元中收集DSO 64kb/s数据，并将此数据以56kb/s速率发送给MTK-40131 SH POTS单元44-1或44-2，以便进一步变换为模拟话音。用于在FPGA 45内执行此下行链路操作的方框图表示在图5中。
特别地，下行链路互通功能50包括计数器51、FIFO 52和变换器与接口53，其功能将在下面结合表1-8来描述。
如前所述，也需要上行链路ATM信元封装互通功能，这表示在本发明的图6中。
如图6所示，电话端口数据(通过GCI接口)和以太网数据10Base-T物理接口芯片在60输入到其相应的ATM信元封装功能。将所得到的ATM信元发送给VPI/VCI生成功能420，此功能420在此信元中插入VPI/VCI数据并将此ATM信元传送给业务控制/形成功能411。随后将此数据发送给MTK-20140 ADSL调制解调器单元46，以便进行传输。所有端口的上行链路ATM信元封装功能60包含一个IWF，此IWF将DSO数据打包为完整的ATM信元并将此数据传送给ADSL调制解调器。
CPE FPGA 45以表1-8所述的方式利用计数器61、F1FO 62和变换器63来格式化电话端口的AAL1 ATM信元。此系统中的结构数据传送(SDT)指针总是具有0×00的值。这些表中包含的序列计数字段涉及在ITU-T 1.363.1的节2.4.2.1中定义的SN字段中的序列计数字段。此序列计数字段计数器61是一个3比特字段，它以值0为起始并在每个连续的ATM信元中递增至最大值7，并且随后回到0值(模8)。当SN计数值为0时，ATM信元中出现SDT指针。此ATM信元填充格式被公知为1×56CAS。ABCD比特(CAS比特)以ABCD的顺序进行安排，左端对齐(“A”为MSB，“D”为比特4)。较低4位字节利用0来进行填充。从由24个DS1帧+格式化所构成的扩展超帧(ESF)的DSO帧6、12、18与24的LSB中窃取(比特掠夺)CAS比特。
序列计数值0总字节 数据类型 #字节5ATM信元标题 56AAL1 SAR PDU 1标题7SDT指针 131 24个DSO样本 2432 CAS比特 153 21个DSO样本 21表1 序列计数字段＝0序列计数值1总字节 数据类型 #字节5ATM信元标题 56AAL1 SAR PDU 1标题93个DSO样本310 CAS比特 134 24个DSO样本 2435 CAS比特 153 18个DSO样本 18表2 序列计数字段＝1序列计数值2总字节 数据类型 #字节5 ATM信元标题 56 AAL1 SAR PDU 1标题126个DSO样本613CAS比特 13724个DSO样本 2438CAS比特 15315个DSO样本 15表3 序列计数字段＝2序列计数值3总字节数据类型 #字节5 ATM信元标题 56 AAL1 SAR PDU 1标题159个DSO样本916CAS比特 14024个DSO样本 2441CAS比特 15312个DSO样本 12表4 序列计数字段＝3序列计数值4总字节数据类型 #字节5 ATM信元标题 56 AAL1 SAR PDU 1标题1812个DSO样本 1219CAS比特 14324个DSO样本 2444CAS比特 153 9个DSO样本 9表5 序列计数字段＝4序列计数值5总字节数据类型 #字节5 ATM信元标题56 AAL1 SAR PDU 1标题2115个DSO样本1522CAS比特14624个DSO样本2447CAS比特1536个DSO样本 6表6 序列计数字段＝5序列计数值6总字节数据类型 #字节5 ATM信元标题56 AAL1 SAR PDU 1标题2418个DSO样本1825CAS比特14924个DSO样本2450CAS比特1533个DSO样本 3表7 序列计数字段＝6序列计数值7总字节数据类型 #字节
5 ATM信元 5标题6 AAL1 SAR PDU1PDU标题27 21个DSO 21样本28 CAS比特 152 24个DSO 24样本53 CAS比特 1表8 序列计数字段＝7时钟生成425FS6370 EEPROM可编程时钟生成IC 425为FPGA和一些外围设备提供时钟。16MHz的输入426提供给FS6370，这是因为此频率便于生成许多其他所需要的系统时钟频率。20MHz时钟信号用于以太网处理，而512kHz时钟信号被用于支持GCI接口。在另一实施中，主系统时钟可以代替此512kHz时钟信号。
SRAM413如果FPGA内没有足够的内存来处理所有的FIFO和分组ATM与以太网处理功能所需的RAM，则FPGA 45将SRAM 413用作暂时RAM。
BIT Blaster端口430FPGA 45建立在SRAM的基础之上并需要在加电之后进行配置。BITBlaster端口是一个板上(on-board)标题，它只在原型开发期间用于构造FPGA 45。当使用BIT Blaster端口时，不一定要安装EPC1系列EPROM。板上EPC1系列EPROM 435将在正常操作期间构造FPGA。
以太网接口42028引脚ML 2653、10BASE-T物理接口芯片420对于双绞线对和AUI以太网应用来说是一个完全物理接口，它在一个单片集成电路IC中组合10BASE-T MAU、Manchester编码器/解码器和双绞线对接口滤波器。ML2653 420能根据链路脉冲自动地在AUI和双绞线对接口之间进行选择。ML2653符合IEEE 802.31-1990(10Base-T)，并且与FPGA中的标题信息一起接受和提供符合分组结构的G.802标准的以太网分组。
数据路径逻辑流程图15表示自CPE经过NCS并且又返回的数据路径的逻辑流程(双向)，也表示出不同功能块之间使用的数据格式。
如前所述，话音数据路径利用T1链路可以连接到Telco的网络。T1由其中所示的24个称为DSO的话音信道组成。因此，每个话音数据路径使用T1连接的24个DSO信道之一。
话音数据路径为可变比特率(VBR)，而命令与PC路径未指定比特率(UBR)，例如，如图17所示。
图16是CPE和NCS之间的数据路径的方框图。
注意命令与PC数据路径是UBR，而所有的话音路径都被指定为VBR并且每条路径都被分配唯一的VPI/VCI。参见话音业务管理部分有关NCS如何管理话音信道的数据路径分配的描述。利用有关AAL1的as-vtoa-0078格式化话音数据。
此命令信道是通向NCS(并最终到达SCP)的无阻塞信道，因此CPE总是与NCS联络。必须对带宽进行分配，以使最大数量的CPE具有足以允许与NCS通信的带宽。
PC数据路径也是无阻塞信道但在网络拥挤时可能降到最小带宽。此无阻塞信道相应地要求必须分配足够的带宽。
当ATM信元移动通过NCS时，这些信元能使其ATM地址(VPI/VCI)被翻译。另外，传送话音数据的ATM信元能被阻塞在DSLAM。图16是来自两个CPE的ATM信元的数据路径的示例。
在此示例中，具有2个有效话音信道CPE 1的话音1和CPE 2的话音3。其他的话音信道“被阻塞”在DSLAM，这是因为这些话音信道未在传送任何数据。参见话音业务管理段落有关这种情况是如何发生的描述。
操作呼叫流程顺序下面的部分描述本发明的每个主要部件如何根据不同的呼叫流程情况进行操作。
图7表示用于发出或始发呼叫的操作示意图。顺序枚举(enumeration)将在随后的段落中进一步描述。
1.CPE上的4条电话线路之一摘机。
2.对应的LIU将摘机指示传送给CPE处理单元。
3.CPE处理单元识别摘机状态的变化。
4.CPE处理单元格式化一个包含有关CPE的唯一CPE识别符、摘机指示和电话端口ID的ATM信元。
5.CPE通过DSL接口将此ATM信元发送给此网络。
6.DSLAM将此ATM信元传送给ATM交换机，此ATM交换机为此ATM信元选择路由至SCP。
7.业务控制处理器(SCP)识别来自CPE的请求。
8.SCP确定连接到公用网络的DSO时隙的可利用性。
8(a).SCP确定没有DSO可利用。
8(b).SCP生成用户反馈。在这种情况中，在至交换机的连接不可利用时，此反馈对于仿真电话网络是无用处的。
9.SCP建立一个将可利用的DSO时隙连接到CPE的DSLAM端口的VP/VC路径。
10.SCP检查它的数据库并检索对应于此CPE端口的电话号码。
11.SCP将呼叫(源)电话号码通知T1线路卡。
12.SCP生成ATM信元，此信元包含已建立的连接的VP/VC和此连接的确认消息。
13.通过ATM交换机将SCP生成的信元发送给连接到DSLAM的ATM交换机的端口，并且一直发送到CPE。此信元VP/VC终接在CPE处理单元上。
14.CPE处理单元接收此ATM信元。
15.CPE处理单元给指定的VP/VC配置VP/VC生成/检测。
16.ATM VP/VC信道开始在CPE的LIU之间向交换机中的T1线路仿真卡一直传送DSO有效负载。
17.呼叫进程、音调生成和音调检测在电话机单元和公用电话网络之间继续进行。
图8表示呼叫处理操作顺序的示意图。
图9表示由CPE启动的CPE呼叫断开操作的示意图。在随后的段落中进一步描述顺序枚举。
1.在进行中的建立呼叫期间CPE上的4条电话线路之一挂机。
2.对应的LIU将挂机指示传送给CPE处理单元。
3.CPE处理单元识别挂机的状态变化。
4.CPE处理单元格式化一个包含有关CPE的唯一CPE识别符、挂机指示和电话端口ID的ATM信元。
5.CPE通过DSL接口将此ATM信元传送给网络。
6.DSLAM将此ATM信元传送给ATM交换机，此交换机为此ATM信元选择路由至SCP。
7.SCP识别来自CPE的请求。
8.SCP将呼叫断开通知T1线路仿真。
9.SCP拆除一个将可利用DSO时隙连接到CPE的DSLAM端口的VP/VC路径。
10.SCP生成一个用于确认呼叫拆除的ATM信元。
11.通过ATM交换机将由SCP所生成的信元传送给连接到DSLAM的ATM交换机的端口，并且一直传送给CPE。此信元VP/VC终接在CPE处理单元上。
12.CPE处理单元接收ATM信元。
13.CPE处理单元除去这个断开端口的VP/VC生成/检测。
图10表示输入呼叫的操作示意图。在随后的段落中进一步描述顺序枚举。
1.在一开始时，SCP监视连接到公用电话网络的T1接口的状态。
2.DSO信道指示输入呼叫。
3.SCP从T1线路仿真卡中确定目的地电话号码。
4.SCP在有关电话号码和端口ID的数据库中查找CPE端口ID。
5.SCP生成至包含了目标电话端口的CPE的DSLAM的VP/VC连接。
6.SCP生成一个包含有关输入呼叫、目标端口和建立的VP/VC的信息的ATM信元。将此信元发送给CPE处理单元。
7.CPE处理单元接收此信元并给目标端口配置VP/VC。
8.CPE在合适的RJ11端口上使电话机振铃。
9.此时，从T1线路仿真器至CPE的电话机端口建立连接。
图11表示由telco交换机或NCS启动的呼叫断开的操作示意图。在随后的段落中进一步描述顺序枚举。
1.在一开始时，SCP监视连接到公用电话网络的T1接口的状态。
2.DSO信道指示已有呼叫的结束。
3.CPE装置用户挂机。
4.对应的LIU将挂机情况传送给CPE处理单元。
5.CPE处理单元识别挂机状态的变化。
6.CPE处理单元格式化一个包含有关CPE的唯一CPE识别符、挂机指示和电话机端口ID的ATM信元。
7.CPE通过DSL接口将此ATM信元发送给网络。DSLAM将此ATM信元传送给ATM交换机，此交换机为此ATM信元选择路由至SCP。
8.SCP识别来自CPE的请求。
9.SCP将呼叫断开通知T1线路仿真。
10.SCP拆除一个将可利用DSO时隙连接至CPE的DSLAM端口的VP/VC路径。
11.SCP生成一个确认呼叫拆除的ATM信元。
12.通过ATM交换机将SCP所生成的信元发送给连接到DSLAM的ATM交换机的端口，并且一直传送给CPE。此信元VP/VC终接在CPE处理单元上。
13.CPE处理单元接收此ATM信元，并且除去这个断开端口的VP/VC生成/检测。
话音业务管理话音业务管理涉及到在整个NCS范围内传送话音信息的数据的控制以及在具有小于理论上系统能通过的最大数据量的系统容量时如何管理数据。例如，如果有100条电话线路连接到NCS但只有10条DSO线路连接到Telco，则这些DSO线路必须在每个电话都需要连接时动态地进行分配。
统计学知识将被用于在系统中的各个点上分配一个经济的物理数据带宽。由于此数据量小于理论上的最大数据量，所以在系统中有不同的点可能出现数据阻塞(即，不能完成话音连接)。SCP将负责管理根据请求分配数据信道。并且，在不能满足请求时，SCP负责适度地从这种情况中退出并将此不协调的情况通知请求实体。
图18是通过NCS的话音业务的数据路径的一个示例。注意每个CPE表示通过PVC至NCS的话音信道。
如此图所示，有可能呼叫被阻塞在DSLAM或Telco交换机处。DSLAM处可能的阻塞可以利用DSLAM至ATM交换机的数据路径的大小来确定。Telco交换机上可能的阻塞利用DSO线路的数量来确定。
在CPE连接到系统时，建立每个话音信道PVC。将PVC指定为可变比特率(VBR)，这允许DSLAM和ATM交换机“超过预约(oversubscribed)”。即，ATM交换机在所有的连接建立为VBR时允许建立所有的连接。CPE在SCP命令发送数据之前不在任何话音信道上发送数据。
在图18所示的示例中，每个DSLAM只具有足以支持至ATM交换机的单个话音信道的带宽。然而，有可能3个信道能试图建立连接。在连接之前，没有一个CPE在话音信道上发送数据，因此DSLAM不传送数据给ATM交换机，这允许在此示例中完全不使用DSLAM至ATM交换机。一旦在CPE(例如，CPE 2)与Telco之间建立连接，则SCP将命令CPE 2开始在其数据信道上发送话音数据。现在，在DSLAM 1和ATM交换机之间的数据路径被充满。在解除CPE 2的连接之前，不能建立其他的话音连接。即使在每个CPE与ATM交换机之间已经建立PVC，SCP也通过命令每个CPE发送或不发送话音数据来控制带宽的分配。
非话音业务管理不传送话音数据的数据路径(即，命令和PC数据信道)是非阻塞路径并将具有最小的带宽可用于每条路径。由于每条数据路径的初始建立将会把此路径指定为具有最小数据速率的UBR，所以在此情况中业务管理较少涉及SCP。ATM装置将此数据速率实施为ATM协议本身的一项功能。在系统通过量变化时，用于每个信道的带宽将相应地根据试图通过此信道传送的数据量而进行调整。
这将要求必须实施数据路径中的每个可能的“阻塞点(chokepoint)”，以便使它能处理连接至NCS的CPE的数量所要求的最小带宽量。
图19是能减少由6个CPE组成的系统的通过量的示例方框图。
此图中的每个PVC在所示的每个位置上有可能被限制。因此，此数据路径中的每个装置必须能容纳连接至此系统的所有非阻塞数据信道所要求的带宽量(包括发送协议开销)。
增强的POTS业务如前所述，本发明人认识到提供不受例如客户站点上的电源故障的影响并且也具有在统计学上进行集中以便有效使用带宽的能力的POTS业务的需求。
进入家庭的标准简易老式电话业务(POTS)线路由中心局线路卡使用电池或发电机进行供电。在住宅中出现电源故障的情况中，即使用户预约DSL业务，此电话业务仍然可利用。
图20表示在预约DSL业务的同时将模拟POTS业务终接到负责的本地电信公司(ILEC)交换机的传统方式。此结构在客户终接与中心局的相应端上使用POTS分离器2001和另一POTS分离器2002。在客户站点上出现电源故障的情况中，POTS分离器2001将自动旁通客户站点上的CPE处理，并且POTS分离器2002将通过模拟话音路径2004为此POTS业务选择路由至电信交换机2003。本领域的技术人员将容易认识到提供POTS业务的此结构可应用于图1、2或3所示的系统。
虽然图20所示的结构当然能例如在电源故障的情况中继续提供POTS业务，但本发明人认识到此结构具有的几个缺点。首先，没有办法在POTS业务到达LEC交换机之前按统计学方式集中POTS业务。另外，诸如DSL提供者的具有竞争力的本地电信公司(CLEC)不能管理模拟电话业务和将其作为它所提供的一部分业务来提供，这是因为他或她仍然依赖于将此备份POTS业务直接终接在ILEC交换机上。
图21表示一种用来通过DSL网络提供POTS以便克服上述结构缺点的增强系统与方法。如图21所示，将POTS数字化器2105附加到此网络上。POTS数字化器2105被耦合在POTS分离器2102与ATM交换机2106之间。此设备2102的功能是终接模拟POTS线路、数字化话音、将话音变换为ATM并随后在ATM交换机2106上将话音终接在DSL网络中。此种设备在数字化模拟话音、将数字化话音变换为ATM流以及与业务控制处理器通信方面具有类似于图3与4所示以及如前所述的客户CPE装置的功能。
在图21中，POTS分离器或交换机2101与2102在客户站点上出现电源故障的情况中自动地为POTS业务选择路由至POTS数字化器，例如，这能在CPU检测到电源线路已下降至低于某一门限值时在CPU的控制下以许多公知的方式来实现。此CPU随后将此连接从电话机转换到POTS终接器或数字化器2105。另外，虽然POTS分离器2101被表示为独立于CPE 33-1的单元，但此POTS分离器可以集成为图4所示的CPE单元的一部分，例如，集成为图4所示的CPE单元的单元414。
图22表示根据本发明的示例性POTS数字化器或终接器的具体方框图。此装置包括POTS线路卡2201至2201-n、ATM信元处理器2202-1至2202-n和统计多路复用器2203。POTS线路卡的功能类似于所述的图4所示的CPE装置的接口44-1或44-2的功能。同样，ATM信元处理器2202-1至2202-n的功能类似于已经描述的CPE装置的ATM处理部分45的功能，如图4所示。统计多路复用器2203随后将提供多路复用功能，以便将可利用的ATM数据分组多路复用为如图22所示的DS1或较高的数据流，以便例如耦合到电信交换机。
如图20所示，因此，上述的用于通过DSL网络提供POTS的增强结构可以使DSL网络操作者具备管理DSL网络上的所有电话功能的能力。此结构在例如客户站点上出现电源故障的情况中也能提供POTS电话业务，这是因为利用中心局的电池或发电机给附加设备2105供电。
权利要求
1.用于提供电话业务的一种系统，包括用于从电话机中接收模拟信号并将此模拟信号变换为第一格式的数字信号的装置；调制解调器，用于接收第一格式的数字信号；数字化器，用于从电话机中接收模拟信号；在第一操作模式中将第一格式的数字信号耦合到此调制解调器并在第二操作模式中将此模拟信号从电话机耦合到此数字化器的装置。
2.根据权利要求1的系统，其中此电话业务为POTS业务。
3.根据权利要求1的系统，其中利用数字用户环路将第一格式的数字信号耦合到此调制解调器。
4.根据权利要求1的系统，其中利用电话线路将此模拟信号从电话机耦合到此数字化器。
5.根据权利要求3的系统，其中利用电话线路将此模拟信号从电话机耦合到此数字化器。
6.根据权利要求1的系统，其中此调制解调器还将接收的第一格式的数字信号变换为第二格式的数字信号。
7.根据权利要求6的系统，其中此数字化器还将从电话机接收的模拟信号变换为第三格式的数字信号。
8.根据权利要求7的系统，其中第二格式与第三格式相同。
9.根据权利要求1的系统，其中第二操作模式为电源故障操作模式。
10.用于提供电话业务的一种方法，包括以下步骤从电话机中接收模拟信号并将此模拟信号变换为第一格式的数字信号；在第一操作模式中将第一格式的数字信号耦合到调制解调器；和在第二操作模式中将模拟信号从电话机耦合到数字化器。
11.根据权利要求10的方法，其中此电话业务为POTS业务。
12.根据权利要求10的方法，其中利用数字用户环路来完成第一耦合步骤。
13.根据权利要求10的方法，其中利用数字用户环路来完成第二耦合步骤。
14.根据权利要求12的方法，其中利用数字用户环路来完成第二耦合步骤。
15.根据权利要求10的方法，还包括在调制解调器上将接收的第一格式的数字信号变换为第二格式的数字信号的步骤。
16.根据权利要求10的方法，还包括在数字化器上将从电话机接收的模拟信号变换为第三格式的数字信号的步骤。
17.根据权利要求16的方法，其中第二格式与第三格式相同。
18.根据权利要求10的方法，其中第二操作模式为电源故障操作模式。
19.一种设备，包括用于耦合到电话机的接口；用于将来自电话机的模拟信号变换为数字信号的处理器；和交换机，用于在第一操作模式中将此数字信号耦合到调制解调器；并且用于在第二操作模式中将此模拟信号从电话机耦合到数字化器。
20.根据权利要求19的设备，其中第二操作模式为故障模式。
全文摘要
提出了用于提供电话业务的一种系统与方法。从电话机中接收模拟信号并将此模拟信号变换第一格式的数字信号。提供一种调制解调器，用于接收第一格式的数字信号，也提供一种数字化器，用于从电话机中接收模拟信号。此系统在第一操作模式中将第一格式的数字信号耦合到此调制解调器并在第二操作模式中将来自电话机的模拟信号耦合到此数字化器。第二探作模式例如可以是电源故障操作模式。
文档编号H04Q3/42GK1408165SQ00816747
公开日2003年4月2日 申请日期2000年6月26日 优先权日1999年10月5日
发明者J·W·里查森, K·拉马斯瓦米 申请人:汤姆森许可公司