CN1137848A - 数字数据通信系统 - Google Patents

Abstract

一种数字数据通信系统包括利用多址无断裂信道连接的多个发送站(TS1、…TSN)和至少一个接收站(RS)。在图中利用频分多路复用在光纤上提供信道，利用星形耦合器(SC)连接，虽然可采用其它的信道分离方法。每个发送站包括一个数据源(DS1)，它提供数据给编码器(C)，而由该编码器提供的编码信号由发射机(Tx1)发送。该编码器被安排提供足够的冗余，允许接收站从被接收的所有发送站基本上接收所有的数据信号而不管它们相应的传输时间。以这种方法可提供“发送它并忽略它”通信系统，它不要求信道分配、系统级证实或昂贵的接收站。如果安排编码器提供最大距离可分离编码(MDS)，则对于给定的通过量传输效率最大。

Description

数字数据通信系统

本发明涉及包括多个发送站和至少一个接收站的数字数据通信系统，每个发送站包括一个数字数据信号源和在不同的信道上发送该数字数据信号到该至少一个接收站的装置，而该至少一个接收站包括多个接收机。

在英国专利申请GB 2 241 847A中公开了这样的一种系统，它涉及在多个不同的频率上通信的无源光网络。在这个现有技术方案中，该系统的每个节点包括每个发送站一个接收机，在大多数的情况下将是极昂贵的。在另外一种方案中，一个通信系统是在数据通信之前指配具体信道来构成的，但这导致一个控制开销，需要指配信道和再尝试失效的连接，这也增加该系统的复杂性。本发明的目的是改善这些缺点。

根据本发明，如在第一段中叙述的系统的特征在于发送站的数量大于每个接收站的接收机的数量；每个接收机包括从任何单个发送站接收数字数据信号的装置；和每个发送站还包括在发送之前将足够数量的冗余加到数字数据信号的装置，允许该接收站基本上接收从所有发送站来的所有数字数据信号，而不管它们的相对发送时间。

通过以大的冗余量(典型地多于5次)发送每个数据信号，可提供一个“发送它并忽略它”通信系统，其中发送站只发送它们的数据及其仅一次相关冗余。然后它们不必请求信道、等待信道为空闲或再发送不成功的信道请求。而且，该接收站不要求在GB 2 241 847A中提供的大量接收机。典型地在每个接收站只提供一个接收机，虽然在一些环境下可提供第二个接收机，以便增强性能。

本发明特别可应用于具有宽的带宽的无源光网络(PON)通信系统，以便可利用波分多路复用(WDM)或相干多信道(CMC)装置提供大量的信道。另一方案可使用副载波多路复用，每个发送站使用相同的光频率但是一个唯一的电频率。但是本发明不限于光系统，而且也可应用于有线系统(使用空分或频分多路复用)和无线电系统。

根据本发明的系统另一个特征在于没有接收信号的固有的证实。因为在正常系统使用中，可能是以对前面消息的相关响应形式的用户级证实所以造成无固有证实而不是完全无证实的差别。

根据本发明的一个通信系统可有利地提供作为一个异步系统，进一步简化，虽然以对信号通过量为一些代价。

本发明要求的大冗余无可否认地是一个缺点，特别是如果任何发射机是以电池电源工作的，但是通过使用最大距离可分离(MDS)码的提供该冗余，这个缺点可减少至最小(对于光、有线和无线电系统等)。这种码对给定的冗余量提供最好的性能。

本发明还涉及根据本发明与数据通信系统一起使用的发送站和发送数字数据的方法。

现在通过举例对照附图叙述本发明，其中：

图1表示本发明的光的实施例的方框示意图，

图2表示在本发明的叙述中用于指配的图，

图3表示本发明的信元丢失概率对信元划分系数的曲线图，

图4表示信元划分系数对系统通过量的曲线图，

图5表示该信元划分系数对系统通过量的各个值的编码率的图，

图6表示本发明的转换实施例的方框示意图，和

图7表示信元划分系数对每个接收站有两个接收机的系统的编码速率的曲线图。

在附图中，使用相同的标记识别类似的特性。

图1表示本发明可应用于的一种类型的多址网络，一个光接收站RS经过光纤接到一个无源星形耦合器SC，它还经过光纤接到多个发送站TS1、TS2、…、TSN(为清楚起见只表示出三个站)。每个发送站TS例如TS包括串联连接的一个数据终端DS1、一个编码器C1和一个发射机TX1。每个发射机被安排在特定的光频率(f1、f2、…fN)上发送，它与任何其它发射机的频率不同。接收站RS包括一个接收机RX，它可调谐到发射机的任一个频率，因此接收由那个发射机发送的任何信号。该接收机RX可以是外差类型的，在这种情况下发射机的光频可以是密间隔的，这样的频分系统通信称为相干多信道(CMC)。另一方案频率可以是更宽地间隔的，允许使用光滤波分开信道，然后可直接地检测。这后者的频分技术通常称为波分复用(WDM)。实现这些光通信技术的硬件详细情况是本领域技术人员很熟悉的。在下面讨论编码器C1、C2……CN的工作。

分时隙的情况被认为一个例子，其中从发送站来的所有编码的数据信号在耦合器SC被同步，因此在接收站RS同步。取得这个同步的一个技术是测量从每个发送站到该接收站的往返延迟并对每个发射机指定发送输出定时。实际上这是一个时间延迟，它等于特定发送站的往返延迟与最远离该接收站的发送站的往返延迟之间的差的一半。然后没有附加的延迟加在这个最远的发送站。另一个技术在最大可能距离指定与正常发送站相关的时间延迟，但是这将导致在大多数系统中不必要的长延迟。

在这个简单明了的例子中，安排每个编码器C简单地重复从相应数据源DS来的数字数据信号五次，使得由发射机TX发送的信号是简单的六个连续相同信号的型式。在该接收站的接收机只是必须以任意顺序调谐到发送站的相应频率，以便接收所有的数据。图2是用于说明该系统操作的图，其中垂直轴代表从多个分离的发射机的发送活动以及接收机活动，而水平轴代表时间。最坏情况分时隙安排被考虑了，其中六个发送站TS1-TS6在六个不同的频率同时发送它们的数据信号连续六次。这个重复码是可根据本发明使用的最简单类型的冗余。因此通过以任何顺序调谐到所有发送站的频率和接收它们发送的信号，该接收机可从每个发送站接收完全的数据信号，在所示的例子中该接收机以顺序Tx3、Tx1、Tx4、Tx6、Tx5、Tx2调谐到来自六个发射机的信号。因为该数据在不同的信道上发送，同时发生的信号互相不损坏，得到称为非破坏性的争用。通过对来自数据源的每个信号加上大的冗余，所有的数据信号可在发送站与该接收站之间传送而无任何信令开销。很清楚，接收机调谐每个新频率所花的时间必须考虑，而且因此需要一个快速调谐接收机。此外或作为一个替代方案保证所有的数据信号都在它们的入口收到。

根据本发明的通信系统，将非常规地给每个数字数据信号加上足够冗余的富余，信号的量加上冗余等效系统中的发送站的数量。如果认为被发送的数字数据在信元中出现，随着系统规模的增加，可以利用大数量的随机特性，通过统计多路复用提供可接受的低的信元丢失概率。很明显，如果大量的信道刚好同时启动，则将收不到从一个或几个发送站来的信元。可接受的信元丢失概率是由应用确定的，所以下面的讨论取10^-9的信元丢失概率为可接受的等级，根据应用这个数字可增加或减少。

在通信系统中更有效的使用可用的传输时间从使用更复杂的冗余编码，特别是最大距离可分离(MDS)编码中得到，这种编码在由F.J.MacWilliams和N.J.A.Sloane著的并由阿姆斯特丹市的北方荷兰出版公司出版的出版物“纠错编码理论”第11章中详细叙述。这些码具有码字间的最大可能的距离而且任何K个码元可用作消息码元。因此，为了在目前的通信系统中应用这些码，一个数据信元被分为多个K微信元，然后使用MDS码编码提供n个编码的微信元。任何K个的n编码的微信元可用于重建原始的K微信元和因此重建原始的数据信号。在本说明书中，K称为信元划分系数。在本通信系统中这种码的好处从下面的讨论中将很容易明白。同步系统被认为接收机假设能够在每个时隙从任何信道接收微信元(换句话说，一个快速接收机或在微信元中一些保护时间)从而分析容易。微信元被认为是随机地从包含信号的那些信道中接收的。正如通常在通信系统的分析中那样，最终目的是使通过量最大。

假定N个发送站的每个站以每秒α的速率以随机时间发送数据信元和以每秒B比特的速率发送该信元所要求的时间是β秒。接收一个未编码、未划分的信元的概率为：

P＝(在单位时间收到的信元数)/(在单位时间发送的信元数)

P＝(1-e^-Nαβ)/(N_αβ)

这时使用最大距离可分离码加上冗余度。该信元被分为称为微信元的K片，它们被编码为n微信元，使得任何K个n微信元足以重建原始的信无。接收一个微信元的概率类似于上面的P并由下式得到：

P＝(1-e^-Nαβ(N/K)/(N_αβ(n/k))

如果收到任何K个或更多个微信元，该信元可成功地重建，因此这时接收一个信元的概率为： $p=1-\underset{j=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j}{n}\right)p^i{(1-p)}^{n-j}$

实际上，有理由的假定编码的微信元的数量n是大的和要求的信元丢失概率是小的。因此n和P的乘积(接收一个微信元的概率)是远大于1，而且np(1-p)是大于1。在这种情况下，利用高斯分布函数二项式分布可以近似得到： $P=1-G((k-1-\mathrm{np})/\sqrt{\mathrm{np}(1-p))})=1-\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{-\∞}{e}^{{-y}^2/2\mathrm{dy}}$ 其中 $x=(k-1-\mathrm{np})/\√\left(\mathrm{np}(1-p)\right).$

在该极限中，由于n趋于无穷大并且假定编码速率k/n是小于接收一个微信元的概率，x趋于负无穷大而且对于p的等式中的积分项趋于零。因此接收一个信元的概率趋于1，假定：，可简化为

Nαβ＜(1-e^-Nαβ(n/k)因此对小的编码速率(意味着n/k是大的)，通过量Nαβ接近1。这个结果与直觉一致，因为如果每个发送站以非常低的编码率发送一个编码的信元，该接收机能够实际上恒定地接收数据。已经假定该接收机知道含有待接收的数据的信道。这例如可通过连续地检测所有信道中的能量或者包括一个非常快的扫描接收机实现，在频分复用系统中，该扫描接收机导出具有很多指示包含信号的那些信道的“标志”(blip)的频谱。适合的信道检测装置对于本领域的技术人员是熟悉的。

当本发明应用于异步通信系统时，计算的通过量稍微降低，因为由于数据的未分时隙传输，微信元将进一步丢失。当然，该降低由异步系统中没有全局定时要求而被补偿了。

应该理解为，在实际的系统中，n不可能是无穷大的，因此接收一个信元的概率p不是准确地等于1。因此必须确定多大的实际n值可应用于具有可接受信元选择概率和通过量的通信系统。图3表示在垂直(对数)轴上的信元丢失概率相对于在水平轴上的信元划分系数K在1/8的编码率和通过量Nαβ为0.5的曲线图。可以看到，对于合理的信元丢失概率值要求大的K值。可接受的信元丢失概率是多少取决于应用在很宽的范围变化，在这里取为10^-9。希望使K值最小即使编码率及通过量最大以提供一个实际的系统。这些要求互相矛盾而且必须对任何特定的应用进行平衡。下面的曲线图将帮助取得这个平衡。

图4表示对于几个不同的编码率值在垂直轴上的信元划分系数K相对于在水平轴上的通过量Nαβ的关系。最高(虚线)的曲线相应于1/3的编码率，下一条曲线(点划线)相应于1/100的编码率，而粗线实际上是相应于以下降顺序的1/5、1/7和1/9的编码率的三条曲线。如可看到的，对于一个给定的通过量，由于编码率降低，K值先减小，然后增加。这意味着对于一个给定的通过量值，K的值可相对于编码率而减小。

图5表示对于不同的通过量值在垂直轴的信元划分系数K相对于在水平轴上编码率的倒数的关系。最高曲线相应于通过量为0.6，而其余的曲线分别相应于通过量0.5、0.4和0.3。在该曲线图上的一个感兴趣的区域涉及具有编码率大约1/8和信元划分系数大约60的通过量为0.5。使用这些曲线图，可以规定根据本发明的通信系统的参数来适应用户的要求。

虽然已经叙述完全的随机接入，但是在本发明的范围内可改变该接收机的特性，例如考虑多个发送站的业务量密度有很大的不同。如果发送站TS1具有一个平均业务量密度，它比发送站TS2的平均业务量密度大5倍，则编码器C1、C2的编码率和该接收机的特性可安排如下。比率1/2码应于于从TS1来的数据业务量，换句话说n仅是二倍的K。比率1/10码应用于从TS2来的数据，换句话说n是十倍的K。对于一个给定的数据量，TS2将发送5倍TS1那样多的微信元，但是由于它们相应的业务量密度不同，它们将发送相等比例的时间。接收站装备智能来偏置其接收机有利于从TS1接收。用于从TS1接收的时间比例是它用于从TS2接收的大五倍。注意，但是，该接收机的特性仍是随机的。不同的编码率将由该接收机特性补偿，对从TS1和TS2二者来的信元提供相等的信元丢失概率。但是从TS1到该接收站的通过量是从TS2来的五倍。在另外一种方案中，可安排该接收机以纯随机方式工作并且不同的编码率将提供不同的差错概率而不是不同的通过量。改变或不改变该接收机的特性，这个原理可进一步扩展以符合大量的不同业务量速率并且甚至可在网络管理的控制下安排为自适应的。

该通信系统可被安排通过在该接收站增加第二接收机以小的额外费用而具有增强的性能。图6表示本发明的一个转换的实施例，其中多个发送站TS1、TS2、TS3…TSN各接到一条相应的传输线L1、L2、L3……LN。来自发送站的传输线都接到接收站RS1。如在前面的例子中那样，每个发送站包括一个数据源DS，它提供数字数据给编码器C，该编码器C又提供编码的数据到发射机Tx。发射机Tx1沿着传输线L1发送该数据和冗余。其余的发送站以相同的方式构成并且沿着相应的传输线L2、…LN发送数据和冗余。接收站RS1包括两个接收机RX1和RX2，每个接收机可经过开关SW1和SW2连接到N条传输线L的任一条。在这个实施例中该数据和冗余被发送的方法可采用任何合适的形式。接收机Rx1和Rx2最好安排用于从互相不同的信道接收，以便避免如上所述的接收机资源的浪费。替代方案每个接收机可安排从发送站的子集接收信号，但是实际上这提供两个分开的通信系统，从统计多路复用看它们没有单个系统所具有的那么多的好处。

在操作中，在图6中所示的本发明的硬接线实施例以广泛地类似于光的实施例的方式运行，除了一个不同外，即信道分离是物理地提供而不是在频率域中。在光域中迂到的相对于接收机信道转换时间的困难在接线的实施例中是在某种程度上较少有间歇的，因为快速固态开关很容易得到而且信道能量检测容易提供。另外，硬接线实施例(假定安排两个接收机从互相不同的信道接收)将不遭受比特率降低，因为接收机加载，图1的光实施例将遭受比特率降低。

图7表示对于图6的每个接收站两个接收机系统的信元划分系数相对于编码率的曲线图。可看到低至2或3的编码率值提供好的结果。最上面的曲线相应于0.95的通过量，其余的曲线分别以下降的顺序相应于0.9、0.8和0.6的通过量。这些通过量是基于这样的假设：接收站总是从不同的发送站接收。为了将这个曲线图应用到光的情况，这个曲线图的通过量值必须为一半，因为发送信号功率必须在接收机之间分开。通过与图5的曲线比较可以看到，对于相同系统通过量使用第二接收机能减少信元划分系数K约25％。可以加上另外的接收机，但是通过量的平衡、可靠性和费用将表明数量小是最佳的。两个接收机实际上是有吸引力的，因为应用减小返回律和第一个额外接收机对于给定的附加费用提供最大的性能。

本发明也应用于无线电领域，特别是发送站是由市电或车辆的电压源。信道分离最可能是通过频分多路复用，但是例如使用码分多路复用(CDM)提供不同的传输信道的应用也是可想象到的。在这种情况下，每个发送站TS有其自己的唯一扩频码或密钥，提供正交于其它发送信号的信号，因此提供无断裂的多址信道。

Claims (14)

1.一种数字数据通信系统，包括多个发送站和至少一个接收站，每个发送站包括一个数字数据信号源和在不同的信道上发送数字数据信号到该至少一个接收站的装置，该至少一个接收站包括多个接收机，其特征在于发送站的数量大于在每个接收站的接收机数量；每个接收机包括从任何单个发送站接收数字数据信号的装置；和每个发送站还包括在发送之前将足够的冗余量加到该数字数据信号的装置，以便允许该接收站从所有的发送站基本上接收所有的数字数据信号而不管它们的相对发送时间。

2.根据权利要求1的通信系统，进一步的特征在于每个接收站包括最多两个接收机。

3.根据权利要求1或2的通信系统，进一步的特征在于该系统在工作中没有分配通信信道的装置。

4.根据权利要求1、2或3的通信系统，进一步的特征在于每个接收站没有提供接收的数字数据信号的任何固有证实的装置。

5.根据前面权利要求的任一个权利要求的通信系统，进一步的特征在于安排多个发送站只发送每个数字数据信号和相关的冗余一次。

6.根据前面权利要求的任一个权利要求的通信系统，进一步的特征在于利用频分多路复用提供不同的传输信道。

7.根据权利要求1至5的任一个权利要求的通信系统，进一步的特征在于利用空分多路复用提供不同的传输信道。

8.根据前面权利要求的任一个权利要求的通信系统，进一步的特征在于发送站没有相对的定时关系。

9.根据前面权利要求的任一个权利要求的通信系统，进一步的特征在于将冗余量加在该数字数据信号的装置被安排提供最大距离可分离编码给该信号。

10.根据前面权利要求的任一个权利要求的通信系统，进一步的特征在于多个发送站的至少两个发送站被安排提供不同的冗余量给它们的相应数字数据信号。

11.根据权利要求10的通信系统，进一步特征在于至少一个接收站被安排通过偏置其接收机对不同的冗余量等级进行响应，以利于从以较低的冗余量等级的发送站接收。

12.与根据权利要求1的通信系统一起使用的一种发送站，该发送站包括一个数字数据信号源、用于将冗余量加到该数字数据信号提供信道信号的装置和用于发送该信道信号的装置。

13.与根据权利要求1的通信系统一起使用的一种接收站。

14.一种发送数字数据信号的方法，包括在不同的信道上将足够大的冗余量加在来自多个数据发送器的数字数据信号上，允许单个接收机从多个数据发送器的每个发送器基本上恢复所有的数字数据信号而不管数字数据信号的时间关系。

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