DE4425197C2 - Verfahren zur Rückkanalübertragung in Breitbandverteilnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Einrichtung von teilnehmerindividuellen Rückkanälen für interaktive Multimediadienste in baumstrukturierten Breitbandverteilnetzen (BVN).

Die enormen Fortschritte bei der Datenreduktion von digitalen Video- und Audiosignalen, sowie bei der Kanalcodierung und Modulation digitaler Signale ermöglichen die Einrichtung interaktiver Multimediadienste. Bei diesen Diensten wird in der Regel ein hochratiger Datenkanal D von der aus teilnehmernahen Server CS und Vermittlungsstelle VSt bestehenden Serverzentrale SZ über das Zugangsnetz Z in Richtung zum Teilnehmer (Netzabschluß NT, Endgerät TE) für den Transport der gewünschten Informationen, ein individueller Rückkanal R niedrigerer Datenrate zum Verbindungsaufbau und zur Interaktion mit der Serverzentrale SZ sowie ein Steuerkanal S, ebenfalls mit niedrigerer Datenrate, für verschiedene Zwecke eingerichtet. Die Serverzentrale ist mit dem Servernetz SN verbunden. Eine entsprechende Bezugskonfiguration ist in Fig. 1 dargestellt.

Aus Kaiser, W.: Interaktive Breitbandkommunikation, Springer-Verlag, 1982, ISDN 3-540-11895-0, Seiten 72 bis 80, 82 bis 86, ist die Anordnung von Rückkanälen über mehrere Netzebenen von Übergabepunkten zu einer Zentrale bekannt, wobei jeweils für die Rückkanäle separate Kabel verwendet werden.

Aus Kostengründen versuchen jedoch interessierte Diensteanbieter und Netzbetreiber als Transportplattform für die genannten Dienste zunächst existierende Netzinfrastrukturen, ggf. mit gewissen Modifikationen oder Ergänzungen, einzusetzen. Dabei bieten sich vorhandene Telekommunikationsnetze (Fernsprechnetz, ISDN) und Breitbandverteilnetze (BVN) an. BVN sind für Punkt-zu-Mehrpunktverbindungen gedachte, meist baumstrukturierte Netze, die von der Konzeption her nur für die Verteilung einer bestimmten Anzahl n von Fernseh- oder Hörrundfunkprogrammen zu m Teilnehmern gedacht sind, wobei normalerweise m » n ist.

Sollen für eine bestimmte Anzahl von an einem BVN angeschlossenen Teilnehmern, evtl. sogar für alle, interaktive Multimediadienste mit Punkt-zu-Punktverbindungen eingerichtet werden, so müssen die erforderlichen Kanäle in Richtung zu den Teilnehmern eingerichtet werden. Es ist allgemein bekannt, daß sich unter Anwendung der eingangs genannten Fortschritte bei der Signal­ verarbeitung eine größere Anzahl von Vorwärtskanälen für di­ gitale modulierte Signale dadurch einrichten läßt, daß noch nicht belegte Frequenzbänder, z. B. der sog. erweiterte Sonder­ kanalbereich (Hyperband) oder Teile davon, für diese Zwecke genutzt werden.

Fig. 2 zeigt die prinzipielle Struktur eines BVN. Ein zentraler Verstärker ZV speist das baumstrukturierte Netz, das in seinem aktiven Teil eine Reihe von Verstärkern der Typen A (A-Vr) und B (B-Vr) enthält, die sich dadurch unterscheiden, daß die B-Vr als Abzweigverstärker sog. B-Kabellinien (B-KL) versorgen. Die B-KL enden an C-Verstärkern (C-Vr), hinter denen der passive Teil des Netzes mit den C- und D-Kabellinien, C- bzw. D-KL, beginnt. Das BVN endet an den Übergabepunkten ÜP zu den Teilnehmern. Eine allgemein bekannte Möglichkeit, die Anzahl der Kanäle für interaktive Videodienste drastisch zu erhöhen, ist die Erweiterung eines BVN durch Glasfaser (GF) bis zum C- Vr, über die dann in hier nicht näher zu erläuternder Weise zu jedem an einem C-Vr beginnenden Netzsegment NS eine große Anzahl zusätzlicher Vorwärtskanäle implementiert werden kann. Der verfügbare Frequenzbereich wird dann in jedem der am C-Vr beginnenden Netzsegmente nur für die Kanäle dieses Segments genutzt. Dadurch kann über ein BVN ein hoher Prozentsatz der eigentlich für Verteilzwecke angeschlossenen Teilnehmer mit interaktiven Multimediadiensten versorgt werden. Für alle diese Teilnehmer ist große eine gleiche Anzahl an Rückkanälen bereitzustellen. Diese Rückkanäle können bekanntermaßen in verschiedensten Netzen von den Teilnehmern zur Serverzentrale eingerichtet werden. Aus einsichtigen Gründen ist es jedoch wünschenswert, die Rückkanäle ebenfalls in dem schon die Vorwärtskanäle tragenden BVN zu implementieren.

In existierenden BVN, auch in dem der Telekom, wurden bereits bei der Spezifizierung Rückkanäle für zwei analoge Fernsprech­ signale sowie einige Daten- und Steuersignale vorgesehen [1]. Dabei wurden auch entsprechende gerätetechnische Vorkehrungen getroffen. Diese Kanäle werden aber nur in Ausnahmefällen tat­ sächlich genutzt. In ihrer Konzeption und Anzahl genügen sie nicht den Anforderungen an die Rückkanäle für interaktive Multimediadienste. Es läßt sich zeigen, daß im Frequenzspektrum der BVN, zumindest in dem der Telekom, das Frequenzband von ca. 6,5-46 MHz prinzipiell zur Einrichtung derartiger Kanäle genutzt werden kann. An diesen Zweck angepaßte Verfahren sind noch nicht bekannt.

Es ist die Aufgabe derartiger Verfahren, einen kollosionsfreien Zugriff aller Teilnehmer zum durch deren Rückkanäle gemeinsam genutzten passiven Medium (z. B. Koaxialkabel) zu gewährlei­ sten. Dafür sind FDMA-(frequency division multiple access), TDMA-(time division multiple access) und CDMA-(code division multiple access) Verfahren bekannt. Die Steuerung der Zuteilung einer freien Trägerfrequenz, einer freien Zeitlage oder eines Codes an einen Teilnehmer, der einen Rückkanal anfordert, kann zentral für alle Teilnehmer bzw. eine Gruppe von Teilnehmern, oder dezentral vom einzelnen Teilnehmer aus erfolgen.

Prinzipiell ließen sich die genannten Zugriffsverfahren zwi­ schen dem zentralen Verstärker ZV bzw. der Serverzentrale SZ und allen Teilnehmern implementieren. Eine Anordnung dieser Art hat jedoch einige entscheidende Nachteile:

• 1. Alle Verfahren mit dezentraler Zugriffssteuerung sind nur auf einem passiven Netz einsetzbar. Dies bedeutet, daß be­ züglich des für den Rückkanal vorgesehenen Frequenzbereichs alle Verstärker mittels Weichen galvanisch umgangen werden müssen. Für ein FDMA-System z. B. muß jeder Teilnehmer in der Lage sein, die Signale aller anderen aktiven Teilnehmer zu empfangen um dann selbst auf einer freien Trägerfrequenz zu senden [2]. Derartige Verfahren werden jedoch erschwert, wenn nicht gar unmöglich gemacht durch die Geräuschakkumula­ tion aus dem u. U. weitverzweigten Netz an den Verzweigungs­ punkten desselben in Rückwärtsrichtung, die ihren Höchstwert am zentralen Verstärker ZV hat, und durch die große Signal­ dämpfung von einem ÜP zu einem anderen, wenn dieser sich weit entfernt an einer anderen C- oder D-Kabellinie befin­ det. Ursache hierfür sind insbesondere die Entkopplungsdämp­ fungen der Verzweiger (20 dB) und die Entkopplungsdämpfungen (Abzweig/Ausgang) der Abzweiger (max. 40 dB), die überwunden werden müssen, wenn jeder Teilnehmer die Rückkanalsignale aller anderen empfangen soll.
• 2. Bei dezentraler Steuerung von TDMA-Verfahren wirken sich die durch die Länge der Anschlußleitungen (bis zu 5 km) beding­ ten Signallaufzeiten wegen der erforderlichen Schutzinter­ valle negativ auf die erzielbare Datenrate aus.
• 3. Ganz allgemein ist ein ganzer BVN-Anschlußbereich bzw. eine A-Linie durch Totalausfall gefährdet, wenn entsprechende Störungen von einem Teilnehmer herbeigeführt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Implementierung teilnehmerindividueller Rückkanäle anzugeben, das die vorstehend aufgeführte Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine zweistufige Vorgehensweise angewendet wird mit einer ersten Stufe auf dem rein passiven Teil des Netzes von den Teilnehmern bis zum Beginn eines Netzsegments, der sich vorzugsweise am Ort des letzten Verstärkers befindet, die ein klassisches Zu­ griffsverfahren, FDMA, TDMA oder CDMA, mit zentraler oder de­ zentraler, vorzugsweise aber zentraler Zugriffssteuerung ver­ wendet, wobei die Einrichtung zur Zugriffssteuerung am Beginn des Netzsegments untergebracht ist, und einer zweiten Stufe vom Beginn des Netzsegments bis zu einem zentralen Verstärker oder einer Serverzentrale, bei der ein einfaches Multiplex- bzw. Übertragungsverfahren, vorzugsweise ATM, verwendet wird.

Es ist auch möglich, daß bei Bereitstellung entsprechender Übertragungskapazität im Vorwärtskanal das Rückkanalübertra­ gungsverfahren nach der Erfindung für bidirektionale Kommunika­ tionsdienste, z. B. Fernsprechen, verwendet werden kann.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß die sich bei Anwendung der klassischen Zu­ griffsverfahren in einem einstufigen Rückkanalsystem infolge der Ausdehnung des BVN über Entfernungen bis zu 5 km ergebenden Nachteile kompensiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird anhand der Fig. 3 nachstehend näher beschrieben.

Fig. 3 zeigt ähnlich Fig. 2 das Prinzip eines BVN, jedoch ohne Glasfasererweiterung für die Vorwärtsrichtung, aber mit den Einrichtungen zur Implementierung der Rückkanäle nach der Erfindung.

Entsprechend der Erfindung wird vorgeschlagen, die Rückkanalim­ plementierung 2stufig zu gestalten. In einer ersten Stufe, die vom Teilnehmer bis zu dem Punkt wirksam ist, der in Abwärts­ richtung alle Teilnehmer eines Netzsegments bedient, wird wegen der relativ geringen Leitungslängen (max. 500 m) eines der unter dem Stand der Technik genannten Zugriffsverfahren (FDMA, TDMA, CDMA) mit vorzugsweise zentraler Steuerung verwendet. Die Steuereinrichtung RS (Fig. 3) ist dann an diesem Punkt un­ tergebracht (z. B. C-Verstärker). Die Rückkanaldaten aller Teilnehmer eines Netzsegments werden, wenn sie nicht bereits durch das Zugriffsverfahren so vorliegen, in RS im Zeitvielfach zusammengefaßt.

Die zweite Stufe betrifft die Abschnitte von den Steuereinrich­ tungen RS der einzelnen Netzsegmente bis zum zentralen Verstär­ ker ZV und ggf. weiter zur abgesetzten Serverzentrale SZ. Dabei wird eine verteilte Zugriffssteuerung, bzw. bei ausreichender Übertragungskapazität ein einfaches Übertragungs- /Multiplexverfahren verwendet. Das kann ATM [3] mit der von der ITU genormten Zellänge sein, wobei die Nutzung des Informati­ onsfeldes, also der Typ der AAL, noch festzulegen ist.

Die bereits im Zeitmultiplex zusammengefaßten Daten aller Teil­ nehmer eines Netzsegments werden zellstruktueriert und mit ei­ ner segment-individuellen Adresse versehen in Richtung ZV (SZ) gesendet. An Knotenpunkten des Netzes mit Verzweigungsfunktion in Abwärtsrichtung, d. h. an den B-Verstärkern, befinden sich relativ einfache Zellmultiplexer ZM, die die von verschiedenen Netzsegmenten kommenden Zellströme zusammenfassen, wobei für die verschiedenen Richtungen im Zellkopf unterschiedliche Adressen zugeteilt werden. Im Regelfall werden im Zuge einer Rückkanalverbindung mehrere derartige Zellmultiplexer in Reihe liegen. Alle Zellmultiplexer sind identisch aufgebaut und wer­ den aus Gründen einer weitgehend einheitlichen Technik ple­ siochron mit dem gleichen Takt betrieben. Das bedeutet, daß in Teilnehmernähe die verfügbare Übertragungskapazität eines Rückkanalbündels nur teilweise genutzt ist. Am Ort des zentra­ len Verstärkers ZV, bzw. der Serverzentrale SZ befindet sich die Rückkanal-Empfangseinrichtung RE, die das Demultiplexen des Zellstroms vornimmt.

Prinzipiell kann für den Rückkanal auf dem BVN vom C-Verstärker zum ZV, bzw. der SZ, der gesamte Frequenzbereich von 6 bis 46 MHz genutzt werden, Eine optimale Nutzung der verfügbaren Bandbreite von ca. 40 MHz ist z. B. durch 64-QAM möglich. Ähn­ lich dem für die Verteilung digitaler TV-Programme vorgesehenen digitalen Kabelstandard [4] sind damit etwa 4,5 bit/s/Hz er­ reichbar. Man kommt zu einer maximalen Datenrate von ca. 180 Mbit/s für das gesamte Rückkanalmultiplex der A-Kabellinie eines Anschlußbereichs. Hierin ist allerdings Overhead für das ATM-Verfahren und den ggf. zu verwendenden Fehlerschutz enthalten. Bei durchschnittlich 6000 anschließbaren Teilnehmern (Mittelwert für große BVN) stünden - falls alle Teilnehmer derartige interaktive Videodienst in Anspruch nehmen - ungefähr 30 kbit/s an Rückkanalkapazität für jeden Teilnehmer zur Verfügung. Bezüglich des endgültigen Modulationsverfahrens für den Rückkanal ist zu untersuchen, ob die verfügbare Bandbreite durch einen einzigen oder mehreren QAM-modulierte Träger optimal zu nutzen ist.

Unter bestimmten Voraussetzungen steht damit in BVN genügend Kapazität für die Übertragung der Rückkanäle zur Verfügung. Wenn man davon ausgeht, daß nicht alle am BVN angeschlossenen Teilnehmer interaktive Videodienste nutzen werden und mit einem gewissen Gewinn an Übertragungskapazität durch verkehrstheoretische Gegebenheiten gerechnet werden kann, dürften in der Regel je Teilnehmer mehr als 64 kbit/s erzielbar sein. Damit und mit der Bereitstellung entsprechender Kapazität im teilnehmerindividuellen Vorwärtskanal wären in einem BVN auch symmetrische Kommunikationsdienste, z. B. Fernsprechen, einrichtbar.

Claims (5)

1. Verfahren und Anordnung zur Implementierung von teilnehmerindividuellen Rückkanälen für interaktive Videodienste in einem baumstrukturierten Verteilnetz (BVN), dadurch gekennzeichnet, daß eine zweistufige Vorgehensweise angewendet wird mit einer ersten Stufe auf dem rein passiven Teil des baumstrukturierten Netzes von den Teilnehmern bis zum Beginn eines Netzsegments, der sich vorzugsweise am Ort des letzten Verstärkers befindet, die ein klassisches Zugriffsverfahren, FDMA, TDMA oder CDMA, mit zentraler oder dezentraler, vorzugsweise aber zentraler Zugriffssteuerung verwendet, wobei die Einrichtung zur Zugriffssteuerung am Beginn des Netzsegments untergebracht ist, und einer zweiten Stufe vom Beginn des Netzsegments bis zu einem zentralen Verstärker oder einer Serverzentrale, bei der ein einfaches Multiplex- bzw. Übertragungsverfahren, vorzugsweise ATM, verwendet wird.

2. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß die Rückkanaldaten aller an einem Netzsegment ange­ schlossenen Teilnehmer am Knotenpunkt des Netzsegments zell­ strukturiert werden und in Form von Zellen, in deren Kopf die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Netzsegment durch eine logische Adresse festgelegt ist, in Richtung zum zentralen Verstärker bzw. der Serverzentrale gesendet werden.

3. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß die die Rückkanaldaten der Netzsegmente enthalten­ den Zellströme an den Verzweigungspunkten des aktiven Teils des BVN mittels Zellmultiplexern zusammengefaßt werden, die alle plesiochron nominell mit dem gleichen Takt betrieben werden.

4. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß die zellstrukturierten Rückkanaldaten mittels digi­ taler Modulation über einen oder mehrere im für die Rückka­ nalübertragung vorgesehenen Frequenzband übertragen werden.

5. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß bei Bereitstellung entsprechender Übertragungskapa­ zität im Vorwärtskanal das Rückkanalübertragungsverfahren nach der Erfindung auch für bidirektionale Kommunikations­ dienste verwendet werden kann.