DE69634607T2

DE69634607T2 - Burstübertragung variabler länge über die physikalische schicht eines mehrschichten-übertragungsformats

Info

Publication number: DE69634607T2
Application number: DE69634607T
Authority: DE
Inventors: J. Thomas KOLZE; E. Steven ANDERSON; T. Victor HOU
Original assignee: Arris Technology Inc; General Instrument Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: EP0857400B1; BR9611138A; TW309686B; DE69634607D1; US6285681B1; NO981829D0; KR100451118B1; KR19990067037A; CA2235373A1; CN1203013A; AU7466596A; CA2235373C; JP2000508128A; EP0857400A1; NO981829L; AU706233B2; IL124183A; WO1997016046A1

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen U.S. Anmeldung Nr. 60/006,042, eingereicht am 24. Oktober 1995.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Übertragung von Daten über die Bitübertragungsschicht in einem vielschichtigen Datenkommunikationsschema und ist insbesondere auf die Übertragung von netzaufwärts gerichteten Nachrichten in einem hybriden Faser-Koaxialübertragungssystem anwendbar. Die Erfindung ist zum Beispiel nützlich, um Nachrichten von einem Teilnehmerendgerät an eine Fernsehkopfstelle zu übermitteln, um beispielsweise Internetzugang über ein Kabelfernsehnetz bereitzustellen.
In der Vergangenheit haben Kabelfernsehanlagen Koaxialkabel benutzt, um Signale von einer Kopfstelle an individuelle Teilnehmerendgeräte zu transportieren. Mit dem Aufkommen neuer digitaler Fernsehdienste sowie dem Wunsch, Daten von und zu Teilnehmereinheiten zu transportieren, ist die durch Glasfaserkabel bereitgestellte erhöhte Bandbreite attraktiv geworden. Die Implementierung von Lichtleitfasernetzen von der Kopfstelle bis ganz zu den individuellen Teilnehmerendgeräten ist gegenwärtig wegen der hohen Kosten für den Bau einer Lichtleitfaseranlage, in der Fasern ganz bis in individuelle Haushalte verlaufen, keine praktische Alternative. Als Kompromiss werden hybride Faser-Koax-Anlagen (HFC-Anlagen) implementiert.
In HFC-Systemen verlaufen Fasern von der Kopfstelle zu Nachbarschaftsnetzknoten. Vorhandenes Koaxialkabel wird dann angekoppelt, um die Signale von der Lichtleitfaser für die Verteilung an individuelle Haushalte zu empfangen.
Verschiedene, durch digitale Übertragungssysteme bereitzustellende interaktive Dienste erfordern eine doppelt gerichtete Verbindung zwischen der Kopfstelle und den individuellen Teilnehmerendgeräten. Eine Möglichkeit, einen Rückweg von den Teilnehmereinheiten zurück zu der Kopfstelle bereitzustellen, besteht darin, vorhandene Telefonleitungen zu nutzen. Es wäre jedoch deutlich von Vorteil, doppelt gerichtete Kommunikation über die gleiche Anlage, wie etwa eine HFC-Anlage, bereitzustellen, in der die netzabwärts gerichteten Fernsehsignale den Teilnehmerendgeräten bereitgestellt werden. Um dies zu erzielen, sind Vorschläge unterbreitet worden, robuste Systeme für netzaufwärts gerichtete Kommunikation über HFC-Anlagen zu entwickeln. Zum Beispiel wurden Einträger-Frequenz- und Zeitvielfachzugriff (F/TDMA) vorgeschlagen, um einen risikoarmen Ansatz mit hoher Kapazität bereitzustellen, der geeignete Eigenschaften für die Netzaufwärts-Modulation über ein HFC-System bietet.
Um einen praktischen Aufwärtskanal zu implementieren, wäre es vorteilhaft, einem Systembetreiber verschiedene Auswahlmöglichkeiten zu bieten, um verschiedenen Bedürfnissen gerecht zu werden. Zum Beispiel wäre es vorteilhaft, einen Ausgleich zwischen Datendurchsatz (d. h. Bandbreiteneffizienz), Fehlerratenleistung (d. h. Robustheit) und Latenz anzubieten. Beim Bereitstellen einer solchen Flexibilität wäre es besonders vorteilhaft, Systembetreibern einen frequenzagilen Träger, eine Auswahl verschiedener Modulationstechniken, wie beispielsweise Vierphasenumtast- (QPSK-) und Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM), mehrfache Symbolraten, flexible Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierung (FEC-Codierung), siehe zum Beispiel US 5 197 061 , und eine flexible Rahmen- und Präambelstruktur für die über den Übertragungskanal beförderten Datenpakete bereitzustellen. Solche Auswahlmöglichkeiten würden verschiedenen Systembetreibern zahlreiche Möglichkeiten zum Finden von zufriedenstellenden Betriebsmodussätzen bieten, um den Bedürfnissen der Teilnehmer ökonomisch und effizient gerecht zu werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein flexibles Kommunikationsschema bereit, das die zuvor genannten und andere Vorteile besitzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Übermitteln von Datenpaketen unterschiedlicher oder fester Länge in Bündeln unterschiedlicher Länge über eine Bitübertragungsschicht in einem mehrschichtigen Datenkommunikationsschema bereitgestellt. Jedes Bündel enthält (i) Informationsdaten und (ii) Zusatzinformationen einschließlich Vorwärtsfehlerkorrekturdaten (FEC-Daten). Ein programmierbarer Blockprozessor teilt die Informationsdaten gemäß einem aus einer Vielzahl von vorhandenen Einteilungsmodi ausgewählten Einteilungsmodus in Blöcke ein. Ein programmierbarer FEC-Codierer codiert die Blöcke mit den FEC-Daten gemäß einer aus einer Vielzahl von möglichen Codierungsstufen ausgewählten Codierungsstufe. Eine Schnittstelle wird für die Auswahl eines Bündelmodus bereitgestellt, der einen bestimmten, von dem Blockprozessor bereitgestellten Einteilungsmodus (z. B. als Reaktion auf einen Kontroller, der zu dem Blockprozessor gehört) und eine bestimmte von dem FEC-Codierer festgelegte Codierungsstufe verwendet, um eine zugehörige Übertragungsbandbreiteneffizienz und Bündel-Übertragungsrobustheit für Bündel, welche die Blöcke enthalten, zu erreichen. Die Auswahl eines Bündelmodus kann es, zusätzlich, ermöglichen, verschiedene Latenzen zu wählen.
Die Vorrichtung kann ferner einen programmierbaren Modulator zum Modulieren der codierten Blöcke für die Übertragung gemäß einem einer Vielzahl von vorhandenen Modulationsmodi beinhalten. Der Modulator reagiert auf den über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus, um einen bestimmten der Modulationsmodi bereitzustellen. Zum Beispiel können die Modulationsmodi Auswahlmöglichkeiten zwischen QPSK und QAM umfassen.
In einer dargestellten Ausführungsform werden die Bündel unter Verwendung von Zeit- und Frequenzvielfachzugriff (F/TDMA) mit Frequenzagilität über einen Übertragungskanal übertragen.
Zu jedem der Einteilungsmodi gehört eine bestimmte Symbolrate für die Übertragung der von den Bündeln transportierten Symbole. In einer Ausführungsform blockt der Blockprozessor die Informationsdaten enthaltende Protokolldateneinheiten (PDUs) unabhängig von der PDU-Länge in Einheiten und stellt eine Präambel einer ausgewählten Länge als Reaktion auf den über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus bereit. Der FEC-Codierer codiert Daten aus diesen von der PDU-Länge unabhängigen Einheiten in eine bestimmte Anzahl von Codewörtern, die durch den ausgewählten Bündelmodus vorgegeben werden. Der Blockprozessor kann es einer von den PDUs abgeleiteten Abschlusseinheit, deren Daten in einem Bündel enthalten sind, ermöglichen, kürzer als vorherige, in dem Bündel enthaltene Einheiten zu sein. In einer Abweichung von der herkömmlichen Praxis, welche typischerweise eine Maximierung der Symbolrate anstrebt, können ein oder mehrere Einteilungsmodi die Symbolrate vorteilhaft verringern. Eine niedrigere Symbolrate kann zum Beispiel in gewissen Situationen ein effizienteres Übertragungsschema bereitstellen, wie zum Beispiel für Benutzer konstanter Bitraten, wo die niedrigere Rate eine genauere Übereinstimmung der Bitrate mit der Symbolrate ermöglicht, um eine niedrigere Latenz bereitzustellen.
Der FEC-Codierer kann programmierbar sein, um Codewörter verschiedener Längen bereitzustellen. Ein Verschachteler kann bereitgestellt werden, um Codewortsymbole immer dann, wenn der FEC-Codierer die Blöcke in zwei oder mehrere Codewörter codiert, zu verschachteln.
In einer beschriebenen Ausführungsform stellt der Blockprozessor Modi variierender Bündellänge bereit, von denen jeder ein Codewort pro Bündel aufweist. Diese Bündel sind unter Verwendung von mindestens entweder einer Faltungs-FEC-Code- oder trelliscodierten Modulation faltungscodiert. Die Faltungscodierung kann als ein innerer Code bereitgestellt werden, der mit einem fehlerkorrigierenden äußeren Code verkettet ist. Bei der verketteten Codierung kann der äußere Code die Daten weiterhin in vielfache Codewörter blocken, so dass er dieselben Ausgleiche wie ohne den inneren Code ermöglicht.
In einer dargestellten Ausführungsform beinhalten die Blöcke Zellen des asynchronen Transfermodus (ATM-Zellen), und der Blockprozessor ordnet auf der Grundlage des über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus jedem Block eine bestimmte Anzahl der Zellen zu.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Bündellängenmodus darstellt, wobei eine einzelne ATM-Zelle pro TDMA-Bündel bereitgestellt wird;
3 ist ein Diagramm, das einen Bündellängenmodus darstellt, in dem zwei ATM-Zellen in einem Codewort pro Bündel bereitgestellt werden;
4 ist ein Diagramm, das einen Bündellängenmodus darstellt, in dem vier in zwei Codewörter gleicher Länge geteilte ATM-Zellen pro Bündel bereitgestellt werden; und
5 ist ein Diagramm, das einen verallgemeinerten Bündellängenmodus gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt vielfache Übertragungsmodi für die Flexibilität in Kommunikationssystemen bereit, in denen ein Ausgleich zwischen Robustheit, Bandbreiteneffizienz und Latenz wünschenswert ist. Ein Beispiel eines solchen Kommunikationsnetzes ist eine Vielkanal-Netzaufwärtsumgebung für hybride Faser-/Koax-Kabelfernsehanlagen (HFC-Kabelfernsehanlagen). Diese Erfindung eignet sich für Schemata, die einen gemeinsamen Übertragungsweg haben, wie zum Beispiel Zeitvielfachzugriffs-Systeme (TDMA-Systeme), die Bündelmodulation verwenden.
Hierin werden zahlreiche verschiedene „Längen", einschließlich „PDU-Länge", „Bündellänge" und „Codewortlänge" erwähnt. Für den Zweck dieser Offenbarung beinhaltet die PDU-Länge die Länge (in Byte) einer Protokolldateneinheit, wie zum Beispiel einer Zelle des asynchronen Transfermodus (ATM) oder eines MPEG-Pakets (das eine von der Moving Picture Experts Group festgelegte Norm erfüllt). Die Bündellänge ist als die Länge, in Byte, einer sequentiellen Übertragung von einer Client-Einheit definiert. Das Bündel beginnt mit einer Präambel. Sobald alle Daten für das Bündel übertragen worden sind oder die dem Bündel zugewiesene Zeit abgelaufen ist, hört die Übertragung auf und das Bündel endet. Die Codewortlänge ist die Summe einer Anzahl von Bits in einem in sich geschlossenen Informationssatz, der als Codewort bezeichnet wird, und einer Anzahl an das Codewort angehängte Paritätsbits. Die Paritätsbits ermöglichen das Identifizieren und Korrigieren von Fehlern in dem Codewort. Unterschiedliche Codewörter können eine unterschiedliche Anzahl von PDUs (oder einen Teil einer PDU) enthalten. Daher ist das Verhältnis von PDU-LängelCodewortlänge flexibel.
1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Datenstrom, wie zum Beispiel ein ATM-Zellenstrom oder ein MPEG-Paketstrom, wird über das Endgerät 10 in einen optionalen Übertragungsmittelzugriffs-Kopf-Inserter (MAC-Kopf-Inserter) 12 eingegeben. Der MAC-Kopf-Inserter fügt Bandbreitenanforderungs-Bytes (BRF-Bytes) und/oder Laufzahlen in den Datenstrom ein, wenn dies für eine gegebene Implementierung erforderlich ist. Das ID-Byte oder die Laufzahl ist nützlich für das Unterstützen der automatischen Wiederholanforderung (ARQ, automatic repeat request) oder anderer Funktionen auf einer höheren Schicht als der Bitübertragungsschicht. Daraufhin teilt der Blockprozessor 14 die eingehenden Daten in Informationsblöcke ein, die dann in Codewörter codiert werden. Der Blockprozessor kann zum Beispiel mehrere Anzahlen eingehender ATM-Zellen von 53 Byte (und eingefügten MAC-Köpfen) in ein Codewort einteilen, z. B. Codewörter mit einer Zelle, zwei Zellen, vier Zellen oder viereinhalb Zellen pro Codewort. Die Länge des Datenabschnitts eines Codewortes kann geändert werden, wodurch eine andere Anzahl von PDUs pro Codewort bereitgestellt wird. Typischerweise weisen die Codewörter in einem gegebenen Übertragungsbündel alle dieselbe Länge auf, mit Ausnahme des letzten Codewortes eines Bündels, das mit bedeutungslosen Füllbits verlängert oder, in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einfach gekürzt sein kann.
Die Zusatzinformationen in einem Bündel umfassen eine durch einen Präambel-Inserter 22 eingefügte Präambel, die eine bekannte Sequenz von Symbolen enthält. Die Präambel kann auch eine durch den Inserter 22 eingefügte Schulungssequenz zur Verwendung für die Schulung eines adaptiven Entzerrers am Empfänger enthalten. Zu erwähnen ist, dass eine Schulungssequenz alternativ durch das Voranstellen eines Bitstroms an den Informationsdaten bereitgestellt werden kann. Bei TDMA-Implementierungen umfassen die Zusatzinformationen auch eine zwischen benachbarten Bündeln bereitgestellte Sperrzeit, wie in dem Fach wohl bekannt ist. Rampenanstiegs- und Rampenabfallzeiten werden auch bereitgestellt, wie in dem Fach wohl bekannt ist.
Feste Zusatzinformationen, wie zum Beispiel Präambel und Sperrzeit, sind ein kleinerer Prozentsatz eines Bündel, das mehr Daten enthält, als eines Bündels, das weniger Daten enthält. Demgemäß sind längere Bündel bandbreiteneffizienter.
Durch das Bereitstellen längerer Codewörter (z. B. mehrerer ATM-Zellen pro Codewort) können mehr Daten mit einem kleineren Prozentsatz an FEC-Parität in der Gesamtbitzahl transportiert werden. Demgemäß sind längere Codewörter bandbreiteneffizienter, da die feste Zusatzinformationen ein kleinerer Prozentsatz der Gesamtbitzahl ist.
Andererseits kann ein längeres Codewort zu einem weniger robusten Signal führen, wenn die Stufe der Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierung (FEC-Codierung) mit dem Zunahme der von der PDU transportierten Informationsdaten nicht ausreichend erhöht wird (d. h. durch das Hinzufügen von Paritätsbits). Daher existiert ein Ausgleich zwischen der Länge der Codewörter und der FEC-Codierungsstufe. Es handelt sich um einen Ausgleich zwischen Bandbreiteneffizienz und Robustheit. Um einen Kommunikationssystem-Betreiber dazu zu befähigen, die Datenübertragung unter verschiedenen Bedingungen wie zum Beispiel Kanalqualität, Interferenz, Datenpriorität und dergleichen zu optimieren, stellt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verschiedene Bündelmodi bereit, aus denen der Betreiber wählen kann. Die Bündelmodi stellen verschiedene Kombinationen aus Modulationsart, Symbolrate, FEC (welche die trelliscodierte Modulation (TCM) umfassen kann, wie nachstehend behandelt) und Präambellänge bereit.
Wie oben angezeigt, wird die Länge der Präambel (die ein einzigartiges Wort zum Identifizieren jedes Bündels umfasst und auch eine Schulungssequenz für einen adaptiven Entzerrer am Empfänger umfassen kann) durch den Präambel-Inserter 22 vorgegeben. Beim Festlegen der Symbolrate wird die Menge der Informationsdaten (z. B. die Anzahl der ATM-Zellen), die durch den Blockprozessor 14 in jedem Block bereitgestellt wird, zusammen mit anderen relevanten Parametern, wie zum Beispiel der Dienstqualität für ATM-Implementierungen, berücksichtigt. Sowohl der Blockprozessor 14 als auch der Präambel-Inserter 22 reagieren auf ein Bündelmodus-Steuersignal, das von einer Benutzeroberfläche (z. B. einem Kopfstellen-Kontroller) 15 empfangen wird. Die FEC-Codierungsstufe und Modulationsart reagieren ebenfalls auf das Bündelmodus-Steuersignal, wie im Folgenden ausführlicher behandelt wird.
Eine flexible Präambellänge von z. B. einem bis zu vierundsechzig Symbolen ermöglicht kurze Präambeln im Fall von HFC-Anlagen mit hoher Wiedergabetreue in reinen Abschnitten des Spektrums. Für anspruchsvollere Szenarios sind längere Präambellängen verfügbar. Länge Präambeln sind möglicherweise für Kanäle mit Schmalbandzugang oder schwerwiegender Intersymbolinterferenz (ISI) erforderlich und nutzbar, wobei die langen Präambeln nutzbar für die Schulung der Entzerrung sind, die verwendet wird, um die Beeinträchtigungen der Anlage zu mildern. Längere Präambeln können auch bei bestimmten Modulationstechniken, wie zum Beispiel 16-QAM, nützlich sein. Die für jeden einzelnen Benutzer (d. h. Modulator) benötigte, einem Kanal zugewiesene Entzerrung kann gespeichert werden und bei nachfolgenden, dem Benutzer zugewiesenen Schlitzen wieder eingeleitet werden. Kurze Präambeln können in bestimmten Beeinträchtigungsszenarios verwendet werden, wie zum Beispiel, wenn nur ein geringes Impulsgeräusch vorhanden ist. Andere Beeinträchtigungsbedingungen, die die Verwendung von längeren Präambeln vorgeben können, umfassen Durchlassbereichamplituden- und Gruppenlaufzeit-Unebenheit, mehrfache Reflexionen mehrerer Verzögerungs- und Leistungsstufen (Echo), dynamische Variation der Kommunikationsanlage, nicht lineare Verzerrung (typischerweise von dem Kommunikationslaser dominiert und auch durch die optischen Verstärker beeinflusst), Brummen, Interferenz benachbarter Kanäle, thermisches Rauschen, Schmalbandzugang, Bündelrauschen, Impulsgeräusch und Verstärkung.
Ein Randomizer 18 ist bereitgestellt, um die von dem FEC-Codierer 16 ausgegebenen Codewörter unter Verwendung von Modulo-2-Addition mit einem Datenmuster zu randomisieren, um eine ausgeglichene Nutzung der Symbole und Symbolübergänge in dem Datenstrom bereitzustellen. Der FEC-Codierer codiert die Daten von dem Blockprozessor 14 unter Verwendung z. B. eines Reed-Solomon-Codes über Galois-Feld GF(256) (d. h. acht Bits pro Reed-Solomon-Symbol). Zu erwähnen ist, dass die Reihenfolge des Randomizers und des FEC-Codierers vertauscht werden kann.
Jeder der vorhandenen Bündelmodi (von denen einer über das über die Schnittstelle 15 eingegebene Bündelmodus-Steuersignal vorgegeben wird) verwendet seinen eigenen bestimmten Reed-Solomon-Code. Die TDMA-Bündel enthalten je nach ausgewähltem Modus ein, zwei oder mehrere Codewörter. Der resultierende Datenstrom für jedes TDMA-Bündel wird mit der Präambel angereichert, was entscheidend für die Erfassungs- und Synchronisierungsprozesse am Empfänger ist.
Das/die von dem FEC-Codierer 16 ausgegebene/n Codewort/Codewörter werden in dem Randomizer 18 randomisiert und anschließend in einem Verschachteler 20 verschachtelt. Auch wenn die Verschachtelung in Verbindung mit TDMA inkongruent erscheint, da die Impulse möglicherweise Mikrosekunden lang (eine relativ lange Zeit für hohe Symbolraten) in der Kommunikationsanlage (z. B. HFC) „herumschwirren", ist der Nutzen der Verschachtelung beträchtlich. Zum Beispiel können bei einer ATM-Implementierung mehrere ATM-Zellen zu einem Bündel zusammengebündelt sein, das dennoch eine kurze Dauer hat, da von einer hohen Symbolrate ausgegangen wird, und mehrere werden Codewörter gebildet. Diese Codewörter werden dann verschachtelt. An einem Empfänger geht das Entschachteln dem Decodieren voraus, und die kurzen Fehlerbündel aufgrund „schwirrender" Impulsereignisse werden unter den mehreren Codewörtern eher verteilt, als dass sie sich in einem einzelnen Codewort konzentrieren. Das Ergebnis ist ein beträchtlicher Leistungsvorteil. Es versteht sich, dass das Verschachteln nur für Bündelmodi wünschenswert ist, die mehr als ein Codewort pro Bündel aufweisen.
Die folgende Liste beschreibt die vorhandenen Ausgleiche bei der Wahl des Bündelformats:

a) die Länge des Blockcodes und die Code-Rate können beide variiert werden, um Robustheit und Effizienz gegeneinander auszugleichen;
b) die Präambellänge kann variiert werden, um Robustheit und Effizienz gegeneinander auszugleichen;
c) die Bündelung von PDUs tauscht Latenz gegen TDMA-Effizienz;
d) für kurze PDUs können längerblockige Codewörter mit Bündelung verwendet werden, um Effizienz und Robustheit auf Kosten der Latenz zu erreichen; und
e) bei langen PDUs und groben Schlitzgrenzen können kürzere Codewörter verwendet werden, um Effizienz auf Kosten der Robustheit zu erreichen.

Daher vergrößert das Vergrößern der Codewortlänge bei Blockcodes (z. B. Reed-Solomon) mit kurzen PDUs die Bündellänge und stellt dann einen dreifachen Ausgleich zwischen Effizienz, Robustheit und Latenz bereit. Bei langen PDUs und groben Schlitzgrenzen verbessern kürzere Codewörter die Effizienz des Slotting, verringern jedoch das Produkt aus Robustheit und Effizienz (Robustheit x Effizienz). Das Kürzen des letzten Codewortes umgeht das Erfordernis, bei langen PDUs kurze Codewörter zu verwenden, fast vollständig.
Als Alternative zu blockcodiertem FEC kann die Faltungscodierung und/oder trelliscodierte Modulation (TCM) verwendet werden. In dieser Ausführungsform gibt es ein Codewort pro Bündel, und die Bündellänge bleibt flexibel, so dass die obengenannten Austausche b) und c) weiterhin verfügbar sind. Die Faltungscodierung und/oder die TCM können als ein innerer Code verwendet werden, wobei die äußeren Blockcodes zuvor beschrieben wurden, in welchem Fall alle zuvor behandelten Leistungs-Ausgleiche verfügbar und unverändert sind, außer dass die Robustheit verbessert ist (auf Kosten einer komplexeren Verarbeitung im Sender und Empfänger). Unabhängig von der inneren Codierung können mehrfache Codewörter des äußeren Blockcodes weiterhin in einem Bündel verwendet werden.
Der Datenstrom vom FEC-Codierer 18 (ob verschachtelt oder nicht) ist unter Verwendung eines Abbildungsprozessors 24 für entweder die QPSK- oder 16-QAM-Modulation, je nach über das Bündelmodus-Steuersignal über die Schnittstelle 15 ausgewähltem Bündelmodus, vorbereitet (symbolabgebildet). Es ist ferner möglich, differenz-codierte Modulation bereitzustellen. Die von dem Abbildungsprozessor 24 ausgegebene Symbolsequenz wird durch den Filter 26 auf 25 Quadratwurzel-Kosinusquadrat-Spektralformung gefiltert (impulsgeformt) und wird mit der vorgeschriebenen, in dem TDMAIFDMA-System zugeordneten Zeit- und Trägerfrequenz QPSK- oder 16-QAM-moduliert und übertragen. Die Trägertrequenzzuweisungen sind agil, wobei Mittenfrequenzen von 5 MHz bis 40 MHz ausgewählt werden können (z. B. in feinen Schritten – einem Bruchteil von 250 Hz). Hierdurch kann das System Kanäle auf eine Art zuweisen, bei der besonders schlimme, in das Kommunikationssystem eintretende Interferenz „umgangen" werden kann.
2, 3 und 4 stellen verschiedene Rahmenformatierungsausführungsformen für drei Beispielmodi dar. Insbesondere stellt 2 einen Bündelmodus dar, der pro TDMA-Bündel eine einzelne ATM-Zelle verwendet. 3 stellt einen Bündelmodus dar, in dem zwei ATM-Zellen in einem Codewort pro Bündel bereitgestellt werden. 4 stellt ein Beispiel dar, in dem pro Bündel vier ATM-Zellen, in zwei gleich lange Codewörter geteilt, bereitgestellt werden. Es versteht sich, dass die in 2-4 dargestellten Rahmenformate lediglich bestimmte Beispiele sind und dass andere Rahmenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können, wodurch einem Systembetreiber verschiedene Bündelmodus-Auswahlmöglichkeiten angeboten werden, um die Optimierung des Bandbreiteneffizienz/Robustheits-Ausgleichs zu ermöglichen. Ein allgemeineres Rahmenformat wird weiter unten in Verbindung mit 5 behandelt.
Wie in 2 dargestellt, umfasst ein Bündel, das eine einzelne ATM-Zelle 40 trägt, eine Sperrzeit 30, Rampenanstiegszeit 32 und eine Präambel 34. Eine Rampenabfallzeit 44 wird auch am Ende des Bündels bereitgestellt. Zwischen der Präambel 34 und dem Rampenabfall 44 wird ein Codewort bereitgestellt. Dieses Codewort umfasst ein BRF-Byte 36, eine Laufzahl 38, die einzelne ATM-Zelle 40 und FEC-Parität 42. Die durch die FEC-Parität bereitgestellte Codierungsstufe ist je nach dem jeweiligen Bündelmodus einstellbar, um die Robustheit der Kommunikation zu erhöhen bzw. zu reduzieren.
Die Ausführungsform aus 3 unterscheidet sich von der aus 2 darin, dass das Codewort zwei ATM-Zellen 50 anstelle der einzelnen ATM-Zelle 40 enthält. Die Ausführungsform aus 4 unterscheidet sich von der aus 2 und 3 darin, dass in dem Bündel zwei Codewörter 52 bereitgestellt werden. Die zwei Codewörter beinhalten das BRF-Byte und die Laufzahl sowie zwei ATM-Zellen (abzüglich des letzten Bytes davon) 60, eine FEC-Parität 62 für die ATM-Zellen 60, gefolgt von dem letzten Byte der zweiten ATM-Zelle zuzüglich zwei weiterer ATM-Zellen 64 und eine zugehörige FEC-Parität 66.
5 stellt eine verallgemeinerte Ausführungsform dar, in der in dem Bündel eine ganzzahlige Anzahl N an Codewörtern 70 bereitgestellt wird. Um die Verwendung einer Codewortgröße zu ermöglichen, die unabhängig von der Länge der Daten in dem Bündel ist, kann das letzte Codewort in dem Bündel gekürzt werden. In diesem Fall ist das Bündel an seinem Ende bis zu der nächsten Schlitzgrenze leer, wie bei 72 angezeigt.
Die N Codewörter beginnen damit, dass die ersten K Byte 74 des Pakets übertragen werden, gefolgt von FEC-Paritätsbits 76 für die ersten K Byte. Dann werden die nächsten K Byte 78 des Pakets bereitgestellt, gefolgt von der zugehörigen FEC-Parität 80. Zusätzliche K Byte-Längen des Pakets folgen je nach Bedarf, bis die letzten K' Byte bei 82 bereitgestellt sind. K' kann kleinerlgleich K sein. Die zugehörige FEC-Parität folgt den letzten K' Byte 82, wie bei 84 angezeigt wird. Daher kann die Gesamtlänge L der Informations-Bytes der N Codewörter 70 mit L = (N – 1) K + K' ≤ NK ausgedrückt werden.
Die gemäß der Vorrichtung aus 1 übertragenen Bündel werden von einem Empfänger empfangen, der auf die passende Frequenz abgestimmt ist. Der Empfänger sucht das auf dieser Frequenz empfangenen Signal kontinuierlich auf das Vorkommen von Datenbündeln ab. Ein Demodulator in dem Empfänger verarbeitet alle festgestellten Datenbündel, die in seinem abgestimmten Kanal erscheinen. Es sollte erwähnt werden, dass die Bündeldaten in den Zeitschlitzen in der Regel von verschiedenen Sendern stammen. Nachdem die Anwesenheit eines Datenbündels mittels auf die Präambel abgestimmter Filterung festgestellt wurde, verarbeitet der Demodulator die empfangene Wellenform weiter, um das Ende der Präambel und den Anfang des Datenfeldes zu bestimmen. Dann wird eine genaue Trägererfassung ausgeführt und die Trägerverfolgung beginnt, um die Demodulation und das Feststellen der Daten zu vereinfachen. Der Demodulator führt eine Schätzung der Ankunftszeit des Bündels relativ zu einem bereitgestellten Referenzzeitsignal aus und schätzt die Leistung des empfangenen Bündels sowie den Rauschabstand. Bei Abwesenheit eines festgestellten Bündels schätzt der Demodulator die Leistung in dem abgestimmten Kanal (so das der Rauschleistungs-Schätzwert für den Kanal verfügbar ist). Eine Weiterverarbeitung an dem Empfänger besteht aus dem Decodieren der Differenzcodierung, die an dem Datenabschnitt der Zelle vorgenommen wurden (falls Differenzcodierung am Sender verwendet wurde). Die Daten werden dann an einen Derandomizer und schließlich an einen Reed-Solomon-Decodierer weitergeleitet.
Ein an dem Sender (1) bereitgestellter Modulator 28 stellt eine Modulationsart bereit, die von dem über die Schnittstelle 15 eingegebenen Bündelmodus-Steuersignal vorgegeben wird. Zum Beispiel kann entweder eine QPSK- oder eine 16-QAM-Modulation bereitgestellt werden.
Verschiedene Abschnitte des Frequenzbandes können in verschiedenen Modi betrieben werden. Es ist zu erwarten, dass die Mehrheit der Frequenzen in dem 5-40 MHz-Band einer HFC-Anlage eine ausreichend niedrige Rausch-Plus-Interferenz und eine ausreichend hohe Durchlassbereich-Wiedergabetreue hat, um eine erfolgreiche 16-QAM-Operation zu ermöglichen. QPSK-Modulation ist für diejenigen Bänder bereitgestellt, bei denen die Durchlassbereich-Verzerrung und/oder das verfügbare Träger-Rausch-Verhältnis (C/N-Verhältnis = carrier to noise ratio) nicht in der Lage ist, 16-QAM zu unterstützen. QPSK verfügt über ein geringeres Durchsatzvermögen als 16-QAM, ist jedoch robuster und ermöglicht einen ausgezeichneten Dienst, der weitreichend mit geringem Risiko verfügbar ist.
In dem flexiblen Modulationsschema werden mehrfache Symbolraten in der vorliegenden Erfindung angeboten. In den im Folgenden dargestellten Ausführungsformen werden Raten von 128 Kilosymbolen pro Sekunde (ksym/s), 256 ksym/s, 512 ksym/s, 1,024 Megasymbolen pro Sekunde (Msym/s) und 2,056 Msym/s bereitgestellt. Zusätzlich werden Raten von 160 ksym/s, 320 ksym/s, 640 ksym/s, 1,28 Msym/s und 2,56 Msym/s dargestellt. Ein praktisches System gemäß der Erfindung könnte einen oder beide dieser Symbolratensätze, sowie andere einschließen. Die langsameren Raten nehmen weniger Bandbreite in Anspruch und bieten daher das Potential, dass sie zwischen schwerwiegenden Zugangs-Störern, die so platziert sind, dass die Breitbandmodi nicht operieren, „passen". Die langsameren Raten bieten außerdem eine geringere Latenz an, ohne dabei an Durchsatz einzubüßen, wenn viele Niedrigraten-Benutzer um den Dienst konkurrieren. Dies wird zum Beispiel mit einer ATM-Ausführungsform dargestellt, in der seltene Bündel aus mehreren Zellen einem Langsamraten-Benutzer zugewiesen werden können. Durch den großen Abstand solcher Bündelzuweisungen besteht jedoch ein Nachteil in der Latenz. Eine Zunahme der Symbolrate, ohne dass die Anzahl der PDUs pro Bündel erhöht wird, führt zu einer reduzierten Effizienz, da ein Teil der TDMA-Zusatzinformationen nicht mit der Symbolrate skaliert. Andererseits erhöht sich die Latenz, wenn mehrere PDUs in das Bündel gebündelt werden. Daher kann eine niedrigere Symbolrate eine bessere Bandbreiteneffizienz und Latenz bereitstellen als eine höhere Symbolrate. Zusätzlich erfahren die niedrigeren Symbolraten bei einem gegebenen Reflexionsszenario eine geringere Intersymbol-Interferenzverschlechterung als die Breitbandmodulation. Letztlich erfahren bei einer Bündelrauschdauer von einer bis zehn Mikrosekunden die langsameren Symbolraten eine Beeinflussung wenigerer Symbole durch jedes Ereignis und sind daher in einem solchen Szenario robuster, während bei der kürzeren Symboldauermodulation (proportional) weniger Symbole durch echtes Impulsgeräusch betroffen werden. Die Symbolratenflexibilität bietet viele Möglichkeiten, einen erfolgreichen Betriebsmodus in einer anspruchsvollen HFC-Anlage zu finden.
In den folgenden Tabellen werden Betriebsmodusbeispiele beschrieben. Tabelle 1 stellt Betriebsmodi für QPSK für die fünf Symbolraten dar, mit langen Präambeln und reichlich FEC-Parität, um in HFC-Anlagen und Kanälen innerhalb dieser Anlagen mit schwersten Beeinträchtigungen und schwierigsten Rauschabständen (Signal-to-noise ratio, SNR) zuverlässige Informationen bereitzustellen. In der Tabelle werden Bündelformate mit einer, zwei und vier ATM-Zellen beschrieben. Die größeren Bündel erreichen eine höhere Effizienz und/oder mehr Robustheit, allerdings auf Kosten der längeren Latenz. Tabelle 1 Robuste QPSK-Betriebsmodi
Tabelle 1 (Fortsetzung) Robuste QPSK-Betriebsmodi
Tabelle 1 (Fortsetzung) Robuste QPSK-Betriebsmodi
Tabelle 2 zeigt ähnliche Beispiele hochrobuster Betriebsmodi mit 16-QAM-Modulation. Tabelle 2 Robuste 16-QAM-Betriebsmodi
Tabelle 2 (Fortsetzung) Robuste 16-QAM-Betriebsmodi
Tabelle 2 (Fortsetzung) Robuste 16-QAM-Betriebsmodi
Tabellen 3 und 4 stellen QPSK- und 16-QAM-Betriebsmodusbeispiele für reine HFC-Anlagen/-Kanäle bereit. Die Beispiele aus Tabellen 3 und 4 stellen kürzere Präambeln und weniger FEC-Parität, aber dementsprechend höhere Durchsatzkapazität (d.h. Bandbreiteneffizienz) bereit. Tabelle 3 Effiziente QPSK-Betriebsmodi
Tabelle 3 (Fortsetzung) Effiziente QPSK-Betriebsmodi
Tabelle 3 (Fortsetzung) Effiziente QPSK-Betriebsmodi
Tabelle 4 Effiziente 16-QAM-Betriebsmodi
Tabelle 4 (Fortsetzung) Effiziente 16-QAM-Betriebsmodi
Tabelle 4 (Fortsetzung) Effiziente 16-QAM-Betriebsmodi
Beim Durchsehen der Werte in den Tabellen ist ersichtlich, dass das Bereitstellen verschiedener Bündelmodi gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl einen robusten Betrieb (große Präambeln und viel Parität) zum Arbeiten in den schwierigsten Kanälen als auch die effizienten Modi, die durch TDMA-Zusatzinformationen von nur wenigen Prozent gekennzeichnet sind, bereitstellt. In der Tat zeigen die Tabellen Modi von bis zu vier ATM-Zellen pro Bündel. Es ist jedoch vorgesehen, dass bis zu 20 oder mehr ATM-Zellen oder mehrfache andere lange PDUs, die sich auf insgesamt mehrere hundert Informationsbyte belaufen, in einem einzigen Bündel kombiniert werden können, wodurch noch weniger TDMA-Zusatzinformationen (oder alternativ, hohe Bandbreiteneffizienz) bereitgestellt werden als durch die niedrigsten Werte in den Tabellen 3 und 4 bereitgestellt wird.
Wie angezeigt, umfasst die Rahmenstruktur für jeden Modus einen Abstand zwischen den Bündeln für den Filterrampenanstieg/-abfall für die 0,25 Quadratwurzel-Kosinusquadrat-Impulsformung, sowie eine Sperrzeit, die einen gewissen Zeitablauf-Fehler für verschiedene Nachrichtenanbieter mit angrenzenden Zeitschlitzen ermöglicht. Mit der zugelassenen Sperrzeit in jedem Bündel werden die Mitte des letzten Symbols eines Bündels und die Mitte des ersten Symbols des folgenden Bündels unter schlechtesten Zeitablauf-Bedingungen durch mindestens fünf Symbole voneinander getrennt. Das Sperrzeit-Abmaß ändert sich mit der Symbolrate wie folgt:
Zum Beispiel sind in dem 2,048 Msym/s-Modus neben den Daten-, Paritäts- und Präambelsymbolen der Bündelzeit 16 Extrasymbole hinzugefügt: 11 für die Sperrzeit, um Zeitablauf-Fehler von ± 5½ Symbolen zu ermöglichen, und 5 Symbole, um an dem Demodulatordetektor den minimalen garantierten Abstand bereitzustellen.
In jedem Kommunikationsbündel befindet sich mindestens eine ATM-Zelle und möglicherweise mehrere, wie in den Tabellen angegeben. Neben den 53 Byte jeder ATM-Zelle transportiert das Bündel zwei zusätzliche Datenbytes: das für ARQ verwendete ID-Byte und das für „Bandbreiten"-Anforderungen verwendete BRF-Byte. Für jede Symbolrate werden

Claims

Vorrichtung zum Übermitteln von Datenpaketen in Bündeln unterschiedlicher Länge, wobei jedes Bündel (i) Informationsdaten und (ii) Zusatzinformationen einschließlich Vorwärtsfehlerkorrekturdaten enthält, wobei die Vorrichtung Folgendes beinhaltet: einen programmierbaren Blockprozessor (14) zum Einteilen der Informationsdaten in Blöcke gemäß einem aus einer Vielzahl von vorhandenen Einteilungsmodi ausgewählten Einteilungsdmodus; einen programmierbaren Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierer (16) zum Codieren der Blöcke mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten gemäß einer aus einer Vielzahl von möglichen Codierungsstufen ausgewählten Codierungsstufe; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Datenpakete in Bündeln unterschiedlicher Länge über eine Bitübertragungsschicht in einem mehrschichtigen Datenübermittlungsschema übermittelt und dass eine zu dem Blockprozessor und dem Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierer gehörige Schnittstelle (15) für die Auswahl eines Bündelmodus, der einen bestimmten, von dem Blockprozessor (14) bereitgestellten Einteilungsmodus und eine bestimmte, von dem Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierer (16) festgelegte Codierungsstufe verwendet, bereitgestellt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen programmierbaren Modulator zum Modulieren der codierten Blöcke für die Übertragung gemäß einem von einer Vielzahl vorhandener Modulationsmodi beinhaltet, wobei der Modulator auf den über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus reagiert, um einen bestimmten der Modulationsmodi bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Modulationsmodi QPSK und QAM umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Bündel unter Verwendung von Zeit- und Frequenzvielfachzugriff, F/TDMA, mit Frequenzagilität über einen Übertragungskanal übertragen werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei zu jedem Einteilungsmodus eine bestimmte Symbolrate für die Übertragung der von den Bündeln getragenen Symbole gehört.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei: der Blockprozessor die Informationsdaten enthaltende Protokolldateneinheiten, PDUs, unabhängig von der PDU-Länge in Einheiten blockt und eine Präambel einer ausgewählten Länge als Reaktion auf den über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus bereitstellt; und der FEC-Codierer Daten aus diesen Einheiten in eine Reihe von Codewörtern codiert, die durch den ausgewählten Bündelmodus vorgegeben sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der FEC-Codierer programmierbar ist, so dass er Codewörter unterschiedlicher Länge bereitstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner einen Verschachteler beinhaltet, um Codewort-Symbole immer dann, wenn der FEC-Codierer die Blöcke in zwei oder mehrere Codewörter codiert, zu verschachteln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner einen programmierbaren Modulator zum Modulieren der codierten Blöcke für die Übertragung gemäß einem von einer Vielzahl vorhandener Modulationsmodi beinhaltet, wobei der Modulator auf den über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus reagiert, um einen bestimmten der Modulationsmodi bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Modulationsmodi QPSK und QAM umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der Blockprozessor es ermöglicht, dass eine Abschlusseinheit, die von den PDUs abgeleitet ist und deren Daten in einem Bündel enthalten sind, kürzer ist als vorherige, in dem Bündel enthaltene Einheiten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Blöcke Zellen des asynchronen Transfermodus, ATM-Zellen, beinhalten und der Blockprozessor auf der Grundlage des über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus jedem Block eine bestimmte Anzahl der Zellen zuordnet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der Blockprozessor den Blöcken je nach dem über die Schnittstelle ausgewählten Bündelmodus entweder 1, 2 oder 4 Zellen zuordnet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Bündelmodus zusätzlich ausgewählt wird, um eine zugehörige Latenz für Bündel, die die Blöcke enthalten, zu erreichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: der Blockprozessor Modi unterschiedlicher Bündel-Länge bereitstellt, von denen jeder ein Codewort pro Bündel aufweist; und die Bündel unter Verwendung von mindestens entweder einer Faltungs-FEC-Code- oder trelliscodierten Modulation faltungscodiert sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Faltungscodierung als ein innerer Code bereitgestellt wird, der mit einem Fehler korrigierenden äußeren Code verkettet ist.
Ein Verfahren zum Übermitteln von Datenpaketen in Bündeln unterschiedlicher Länge, wobei jedes Bündel (i) Informationsdaten und (ii) Zusatzinformationen einschließlich Vorwärtsfehlerkorrekturdaten enthält, das die folgenden Schritte beinhaltet: Bereitstellen einer Vielzahl unterschiedlicher Bündelmodi, von denen jeder einen Informationsdaten-Einteilungsmodus und eine Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierungsstufe spezifiziert; Auswählen eines der Bündelmodi; Einteilen der Informationsdaten in Blöcke gemäß dem durch den ausgewählten Bündelmodus spezifizierten Einteilungsmodus; und Codieren der Blöcke mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten gemäß der durch den ausgewählten Bündelmodus spezifizierten Codierungsstufe; gekennzeichnet durch die Übermittlung von Datenpaketen in Bündeln unterschiedlicher Länge über eine Bitübertragungsschicht in einem mehrschichtigen Datenübermittlungsschema und die Auswahl des Bündelmodus.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Bündelmodus zusätzlich ausgewählt wird, um eine zugehörige Latenz für Bündel zu erreichen, die die Blöcke enthalten.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Bündelmodus auf der Grundlage eines Ausgleichs zwischen mindestens zweien von Bandbreiteneffizienz, Bündel-Übertragungsrobustheit und Latenz ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Ausgleich mindestens eines von Folgenden beinhaltet: (a) einen Ausgleich zwischen Robustheit und Effizienz durch Variieren einer Blockcodelänge und Code-Rate; (b) einen Ausgleich zwischen Robustheit und Effizienz durch Variieren einer Präambellänge; (c) einen Ausgleich zwischen Latenz und Effizienz durch Bündelung von Protokolldateneinheiten (PDUs); (d) einen Ausgleich zwischen Effizienz und Robustheit auf Kosten der Latenz durch Verlängerung und Bündelung von Codewörtern für kurze PDUs; und (e) einen Ausgleich zwischen Effizienz und Robustheit durch Reduzierung der Länge von Codewörtern für lange PDUs und ungenaue Schlitzgrenzen.