CN1203013A - 多层面发送格式中物理层面上的变长脉冲串发送 - Google Patents

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Abstract

提供了用于在多层面数据通信方案中的一个物理层面上进行变长脉冲串方式的数据包通信的设备。每个脉冲串都含有信息数据(40,50,60,64,74,78,82)和前端部(30,32,34,36,38,42,44,62,66,76,80,84)。前端部含有前向误码控制(FEC)数据(42,62,66,76,80,84)。提供了各种不同的脉冲串模式(图2,3,4,5)以能够进行带宽效率和数据发送鲁棒性之间的折衷选择。各种脉冲串模式提供了调制方式(例如QPSK和16－QAM)、符号率、FEC编码级别、帧结构和前缀结构的各种不同的组合。该设备特别适用于在光纤和同轴电缆混合有线电视系统中的上行通信。

Description

多层面发送格式中物理层面上的变长脉冲串发送
本申请要求享有1995年10月24日提交的美国临时专利申请60/006,042号的权益。
本发明的背景
本发明涉及在多层面数据发送方案中的物理层面上的数据发送，它特别适用于在光纤和同轴电缆混合发送系统中上行信息的发送。作为例子，本发明适用于从用户终端向有线电视供应端发送关于要求通过有线电视网络提供例如对英特网(Internet)的访问的信息。
过去，有线电视系统利用同轴电缆传送从供应端到各个订户终端的信号。随着新型数字电视服务和与订户终端进行双向数据传送的需求的出现，光缆能提供的增多的带宽变得有吸引力。由于要建立一个全部用光纤传送到各家客户的光纤系统需要高费用，所以从供应端到各个订户终端全部用光纤网络实现在目前来说是不现实的。作为一种折衷，正在实现的是光纤和同轴电缆混合(HFC)系统。
在HFC系统中，从供应端到各相邻的中继中心使用光纤。然后连接上原有的同轴电缆以接收来自光纤的信号，再把信号分配给各家各户。
由数字发送系统所提供的各种交互式服务需要在供应端和各订户终端之间有双向连接。提供从订户终端回到供应端的返回路径的一种方法是利用已有的电话线路。不过很明显，如果能在向订户终端提供下行电视信号的同一个系统中，例如HFC系统中，提供双向通信将是有利的。为了实现这一点，已有人提议在HFC系统上开发高鲁棒性(robustness)的上行通信系统。例如，提议用单载频和时分复用访问(F/TDMA)来提供低风险、高容量的能在HFC系统中给出有合适特性的上行调制方法。
为了实现一个实际的上行通道，对系统操作者提供多种选择以适应各种不同的需求应该是有益的。例如，在数据传输流量(throughput)(即带宽效率)、出错率性能(即鲁棒性)、和等待时间(latency)之间作出权衡折衷应该是有益的。在提供这种灵活性时，特别有益的应该是对在通信频道上传送的数据包向系统操作者提供：频率灵活的载波、正交相移键控(QPSK)和正交振幅调制(QAM)等各种调制技术之间的可选择性、多种符号率、灵活前向误码控制(FEC)编码、以及灵活的帧结构和灵活的前缀结构。这些可选择性将使不同系统的操作者能够找到合适的操作模式来经济而有效地服务于各种订户的需求。
本发明提供一种具有上述和其他优点的灵活通信方案。
本发明概述
根据本发明，提供了在多层面数据通信方案中的一个物理层面上以变长脉冲串来进行变长或定长数据包通信的设备。每个脉冲串都含有：(i)信息数据和(ii)带有前向误码控制(FEC)数据的前缀。一个可编程块处理器根据从多种可用的组群模式中选出的一种模式把信息数据组群成一些数据块。一可编程FEC编码器根据从多种可能的编程级别中选出的一个级别用FEC数据对数据块编码。提供一个界面用来选择这样一种脉冲串模式，它能利用由块处理器所提供的某一特定的组群模式(例如由一个与该块处理器相连接的控制器提供的)和由FEC编码器建立的某一特定编码级别，对含有数据块的脉冲串达到相应的发送带宽效率和脉冲串发送鲁棒性。此外，脉冲串模式的选择还使得能够选择不同的等待时间。
该设备还可以包括一个可编程调制器，用来根据多种可用的调制模式中的一种模式来调制待发送的编码数据块。该调制器根据通过界面选出的脉冲串模式来提供各种调制模式中的某一特定模式。例如，调制模式可以在QPSK和QAM之间选择。
在一个说明性实施例中，脉冲串用具有频率灵活性的时分频分复用访问(F/TDMA)在一个通信频道上发送。
每种组群模式对于由脉冲串所运载的符号的发送都有一个特定的符号率。在一个实施例中，块处理器把含有信息数据的协议数据单元(PDU)分块成一些与PDU长度无关的单元，并根据通过界面选出的脉冲串模式提供一个选定长度的前缀。FEC编码器把来自上述PDU的与长度无关的单元的数据编码成由所选脉冲串模式所规定的特定数目的码字。块处理器能够使得从其数据含在一个脉冲串内的PDU所导出的最后一个单元短于含在该脉冲串内的前面的各单元。与典型地寻求最大符号率的普通情况不同，组群模式中的一个或几个模式降低符号率有可能是有益的。例如，在某些情况中，较低的符号率可以提供更有效的发送方案，例如对于恒定比特率的用户来说，较低的符号率可使它更接近于与比特率相匹配，从而提供较小的等待时间。
FEC编码器可以是可编程的，以提供不同长度的码字。当FEC编码器把数据块编码成两个或多个码字时，可以提供一个交插器来交插各字码符号。
在所说明的一个实施例中，块处理器提供一些不同脉冲串长度的模式，其中每个模式在一个脉冲串中含有一个码字。这些脉冲串利用至少一个折叠FEC码和格状编码调制而被折叠式地编码。折叠编码可以是一个与一个纠错外码相串接的内码。在串接编码中，外码仍可把数据分块成多个码字，使得能和没有内码的情形一样地进行同样的折衷考虑。
在一个说明性实施例中，数据块包括一些异步传递模式(ATM)单元，块处理器根据通过界面选出的脉冲串模式把特定数目的单元配置给每一个数据块。
附图的简单说明
图1是根据本发明的设备的方框图；
图2是说明一种脉冲串长度模式的结构的图，其中每个TDMA脉冲串被配置一个ATM单元；
图3是说明一种脉冲串长度模式的图，其中每个脉冲串在一个码字中被配置两个ATM单元；
图4是说明一种脉冲串长度模式的图，其中每个脉冲串被配置有分配在两个等长码字中的4个ATM单元；以及
图5是说明根据本发明的一般化脉冲串长度模式的图。
本发明的详细说明
本发明为希望能在鲁棒性、带宽效率、和等待时间之间作出折衷考虑的通信系统的灵活性提供了多种发送模式。这种通信网络的一个例子是，光纤和同轴电缆混合(HFC)有线电视系统的多频道上行环境。本发明适用于各种共享同一通信路径的方案，例如利用脉冲串调制的时分复用访问(TDMA)系统。
这里将提及各种各样的“长度”，包括“PDU长度”、“脉冲串长度”、和“码字长度”。对于本公开的目的来说，PDU长度包括一个协议数据单元的长度(以字节为单位)，例如异步传递模式(ATM)单元或MPEG包(符号MPEG—活动图象专家组—所采用的标准)的长度。脉冲串长度定义为来自一个客户单元的连续发送的以字节为单位的长度。脉冲串以一个前缀开始。当一个脉冲串的全部数据都已发送完毕时，或者当脉冲串的指定时间到时时，该发送将停止，脉冲串结束。码字长度是下述两个比特数之和：被称之为一个码字的信息所含的一组比特的数目以及附属于码字的奇偶码比特的数目。奇偶码比特能用来识别和校正码字中的错误。不同的码字可以含有不同数目的PDU(或者PDU的一部分)。这样，PDU长度和码字长度的比值是灵活的。
图1是根据本发明的设备的方框图。一个数据流，例如一个ATM单元流或MPEG包流，通过端口10被输入给一个任选的媒体访问控制(MAC)前端部插入器12。当某一给定的实例需要时，MAC前端部插入器将向数据流插入带宽请求场(BRF)字节和/或流水号。ID(识别符)字节或流水号对于支持自动重复请求(ARQ)或者在高于物理层面的其他层面上的其他功能是有用的。其后，一个块处理器14将把输入数据组群成一些信息块，然后这些信息块被编码成一些码字。块处理器例如能够把各种数目的53字节的输入ATM单元(以及插入的MAC前端部)组群成一个码字，例如每个码字有一个单元、2个单元、或4个半单元这样的码字。码字的数据部分的长度是可改变的，使得每个码字可以有不同数目的PDU。典型地，在一个给定的发送脉冲串中，除了其中的最后一个码字外，其余的码字都有相同的长度，这些码字可以通过充填一些无意义的比特来加长，或者象在本发明的一个优选实施例中那样，简单地予以截断。脉冲串的前端部分含有由一个前缀插入器22所插入的一个已知的符号序列。前缀也可以含有一个由插入器22插入训练序列，供训练接收器处的一个适应均衡器时使用。应该指出，训练序列或者也可以通过在信息数据上预先加上(prepending)一个比特流来提供。在TDMA实现中，前端部还将含有一个保护时间(guard time)，如本技术领域所熟知的，它被设置在相邻的脉冲串之间。也如本技术领域所熟知的，还提供了渐升时间和渐降时间。
固定的前端部，例如前缀和保护时间，其所占的百分比对于含有较多数据的脉冲串要小于含有较少数据的脉冲串。因此，较长的脉冲串有较高的带宽效率。
通过提供较长的码字(例如每个码字中有较多的ATM单元)，可以用占总比特数据较小百分比的FEC奇偶码比特来运载较多的数据。所以，由于较长的码字将导致固定前端部只占总比特数的较小百分比，较长的码字有较高的带宽效率。
另一方面，如果当被PDU所运载的信息数据增加时没有足够地增加(即添加奇偶码比特)前向误码控制(FEC)编码的级别，则较长的码字可能要造成较小鲁棒性的信号。所以在码字长度和FEC编码级别之间存在着折衷问题。这种折衷是带宽效率和鲁棒性之间的折衷。为了让通信系统的操作者能够在各种情况下，例如在不同的频道质量、干扰大小、数据优先性等等的情况下，使数据发送优化，本发明的设备提供了可让操作者选择的各种脉冲串模式。这些脉冲串模式提供了调制类型、符号率、FEC(如后面将说明的，它可以包括格状编码调制(TCM)和前缀长度等的各种不同的组合。
如上所述，前缀的长度由前缀插入器22确定(前缀中含有一个用来识别各个脉冲串的独特的字，还可以含有一个用于接收器适应均衡器的训练序列)。在设定符号率时，要考虑被块处理器14配置到每个数据块中的信息数据量(例如ATM单元数)，同时也要考虑其他一些有关参数，例如ATM实现的服务质量。块处理器14和前缀插入器22都根据从一个用户界面(如供应端控制器)15接收到的脉冲串模式控制信号来工作。如下面将详细说明的，FEC编码级别和调制类型也取决于该脉冲串模式控制信号。
例如由1至64个符号构成的灵活的可缀长度使得在原来的高保真度HFC系统情况下可以采用短的前缀。而在更具挑战性的各种新情况中，又可以采用较长的前缀。对于有窄带入口的频道或者有严重符号间干扰(ISI)的频道，长前缀可能是需要和有用的，它们在用于减少系统损伤的均衡训练中将是有用的。较长的前缀也可能适用于某些调制技术，例如16—QAM。被指定给某个频道的每个特定用户(即调制器)所需的均衡信息可以存储起来，以后再在指定给该用户的时隙上予以重建。短前缀可以在某些有缺陷的情况下使用，例如几乎不存在冲击噪声的情况。对于其他的有缺陷情况可能必须使用较长的前缀，这些情况包括：通带幅度和群延迟的不均匀、各种延时和功率大小的多次反射(回声)、通信系统的动态变化，非线性失真(它典型地主要由通信激光器引起，也会受到光学放大器的影响)、交流声、相邻频道干扰、热噪声、窄带入口、脉冲串噪声、冲击噪声、和增益等。
设置有一个随机化器18，用来命名FEC编码器16的码字输出随机化，其方法是与一个数据分布做模2相加，其目的是对数据流中的符号和符号转变提供均衡化的利用。FEC编码器对来自块处理器14的数据的编码使用了例如Galois场GF(256)上的Reed-Solomon码(即每个Reed-Solomon符号占8比特)。应该指出，随机化器和FEC编码器的前后次序可以互换。
每个可得到的脉冲串模式(其中一个模式由通过界面15输入的脉冲串模控制信号确定)都使用各自特定的Reed-Solomon码。随着所选模式的不同，TDMA脉冲串将含有一个、两个或多个码字。对每个TDMA脉冲串得到的数据流都被加上前缀，对于接收器处的获取和同步处理来说，这前缀是至关重要的。
从FEC编码器16输出的一个或多个码字在随机化器18中被随机化，然后在一个交插器20中被交插。虽然把交插和TDMA相结合似乎是不协调的，因为这有可能会使一些脉冲在通信系统(例如HFC)中“撞击(pinging)”几个微秒(对于高符号率来说这是比较长的时间)，但交插的好处仍是主要的。例如，在一个ATM实现中可以把几个ATM单元捆绑成一个脉冲串(由于假定了符号率是高的，所以它仍然只有很短的时间长度)，形成多个码字。然后这些码字被互相交插。在接收器处，由解交插处理进行解码，使得因脉冲“撞击”事件所造成的错误短脉冲串被分散在几个码字中而不是集中在单个码字中。其结果是得到了明显的性能优越性。应该看到，只有对于一个脉冲串内含有多于一个码字的脉冲串模式，才会希望使用交插。
下面列出了在选择脉冲串格式时可以进行的一些折衷考虑：
a)块码长度和码率均可改变，以进行鲁棒性和效率的折衷；
b)前缀长度可以改变，以进行鲁棒性和效率的折衰；
c)捆绑PDU，以用等待时间来换得TDMA效率；
d)对于短PDU，可以通过捆绑使用较长的数据块码字，以获得效率和鲁棒性，其代价是牺牲等待时间；以及
e)对于长PDU和粗时隙边界，可以用较短的码字来获得效率，其代价是牺牲鲁棒性。
这样，对于有短PDU的数据块码(如Reed-Solomon码)，增大码字长度将增大脉冲串长度，从而提供了效率、鲁棒性、和等待时间三者之间的折衷。对于长PDU和粗时隙边界，较短的码字将改善利用时隙的效率，但减小了鲁棒性和效率的乘积(鲁棒性×效率)。缩短最后一个码字几乎可以完全排除对采用长PDU、短码字的需要。
作为对数据块编码FEC的一个替代，可以使用折叠编码和/或格状编码调制(TCM)。在本实施例中，每个脉冲串有一个码字，但保留脉冲串长度的灵活性，使得仍可进行上述b)和c)的折衷考虑。折叠编码和/或TCM可以用作为一个内码，其相应的外码已如前所述，这时，除了鲁棒性得到了改善(其代价是发送器和接收器要有较复杂的处理)之外，所有前述的性能折衷均仍可以进行，没有改变。与内部编码无关，外部数据块码的多个码字仍可在一个脉冲串中使用。
来自FEC编码器18的数据流(不论是否进行了交插)根据通过界面15所选出的由脉冲串模式控制信号所确定的脉冲串模式，用一个映射处理器24以QPSK或16-QAM调制映射成映射符号。也有可能提供差分编码调制。自映射处理器24输出的符号序列被滤波器26进行滤波(脉冲整形)，实现25％的“平方根上升余弦”(Square-Root-Raised-Cosine)频谱整形，经过QPSK或16-QAM调制，再在预定的时间以指定的载频在TDMA/FDMA系统中发送。载频的指定是灵活的，其中心频率可在5MHz至40MHz之间选择(例如可以有精细的选择步长：250Hz的若干分之一)。这使得系统可以以一种“绕开”的方式来指定频道，以绕开进入到通信系统中的干扰特别大的频率。
图2、3、4分别对三个示例性模式示出不同的帧格式实施例。具体地说，图2示出的脉冲串模式采用每个TDMA脉冲串含有单个ATM单元。图3示出的脉冲串模式采用在每个脉冲串的一个码字中有2个ATM单元。图4示出的例子中每个脉冲串有分设在两个等长码字中的4个ATM单元。应该看到，图2至4中所示的帧格式仅仅是一些特定例子，根据本发明还可以提供其他的帧结构，由此来向系统操作者提供对不同脉冲串模式的选择，以实现带宽效率和鲁棒性之间的最优折衷方案。更一般的帧格式将在后面结合图5讨论。
如图2所示，运载了单个ATM单元40的脉冲串含有一个保护时间30、渐升时间32和前缀34。在脉冲串末端还提供有一个渐降时间44。在前缀34和渐降44之间设置有一个码字。该码字包括BRF字节36、流水号38、单个ATM单元40、和FEC奇偶码42。为了增大或降低通信的鲁棒性，由FEC奇偶码42提供的编码级别是可以根据特定的脉冲串模式进行调节的。
图3实施例与图2的区别在于其码字含有2个ATM单元50而不是单个ATM单元40。图4实施例与图2、图3的区别在于在脉冲串中设置了两个码字52。这两个码字包括BRF字节和流水号，以及两个ATM单元(减去其中的最后字节)60、关于这两个ATM单元60的FEC奇偶码62、随后的第二个ATM单元的最后字节加上另外两个ATM单元64、和相关的FEC奇偶码66。
图5示出一个一般化的实施例，其中在脉冲串内设置有N(整数)个码字70。为了能够使用与脉冲串中的数据长度无关的码字大小，可以缩短脉冲串内的最后一个码字。在此情形下脉冲串的末端直到下一个时隙边界之前将是空的，如图中的72所示。N个码字以待发送数据包的前K个字节74开始，接着是关于这K个字节的FEC奇偶码比特76。然后是数据包的下面K个字节78，接着是相应的FEC奇偶码80。若有必要，则再在数据包上加上一些K个字节的长度，一直到最后K’个字节82。K’可以等于K或小于K。紧跟着K’个字节82的是相应的FEC奇偶码84。这样，N个码字70的信息字节的总长度L可表示为L＝(N-1)K+K’≤NK。
由图1设备所发送的脉冲串被调谐到适当频率上的接收器接收。接收器不断地扫描在该频率上接收到的信号，以发现数据的脉冲串。接收器中的一个解调器对出现在其调谐频道上的所有探测到的数据脉冲串进行处理。应该指出，一般地说，时隙内的脉冲串数据可来自不同的发送器。当借助于调谐在前缀上的滤波而探测到数据脉冲串的存在之后，解调器将进一步处理接收到的滤形以确定前缀的尾端和数据场的始端，然后将执行精密的载波获取，载波跟踪将启动对数据进行解调和探测。解调器将估算脉冲串相对于所提供的参考时标信号的到达时间，还估算接收脉冲串的功率和信噪比。当没有探测到脉冲串时，解调器将估算所调谐频道上的功率(这样可得到该频道上的噪声功率估计)。接收器处的进一步处理还有对施加在该单元的数据部分上的差分编码进行解码(如果在发送机处采用了差分编码)。然后数据被传送给一个解随机化器，最后被传送给一个Reed-Solomon解码器。
设置在发送器处的一个调制器28(图1)将提供由通过界面15输入的脉冲串模式控制信号所确定的调制类型。例如，可以提供QPSK调制，也可以提供16-QAM调制。频带中不同的部分可以以不同的模式工作。一般可以预期，在HFC系统中，位在5MHz至40MHz频带范围内的大多数频率具有足够小的噪声和干扰以及足够高的通带保真度，能使16-QAM成功地工作。QPSK调制是为这样一些频带提供的，在那里通带失真度和/或可达到的载波噪声比(C/N)不能支持16-QAM。QPSK的传送流量能力比16-QAM小，但它的鲁棒性较好，可以以低风险广泛地提供极佳的服务。
在本发明的灵活调制方案中提供了多种符号率。在下述一些实施例中将提供这样一组符号率。每秒128千符号(128ksym/s)，256ksym/s，512ksym/s，每秒1.024兆符号(1.024Msym/s)，和2.056Msym/s。此外，也给出了160ksym/s、320ksym/s、640ksym/s、1.28Msym/s和2.56Msym/s这样一组符号率。根据本发明的一个实际系统可以采用这两组符号率中的任意一组或两组同时采用，也可以采用其他的组。较低的符号率将占用较少的带宽，从而提供了“插入(fitting)”到各严重入口干扰之间的机会，而对于宽带模式来说是不能工作于这种情况的。较低的符号率还提供了较小的等待时间而不会在许多低速率用户争着要服务的情况下牺牲信息流量。这例如可以用一个ATM实施例来说明，在那里可以把不经常出现的多单元脉冲串分配给低速率用户。不过，这种脉冲串分配的稀疏间隔将以等待时间为代价。不增加每个脉冲串内的PDU数目而增加符号率将减小效率，因为这时部分TDMA前端部将在尺度上不匹配于符号率。反之，如果把更多的PDU捆绑在脉冲串中，则等待时间将增大。所以，低符号率可以比高符号率提供更好的带宽效率和等待时间。此外，对于一个给定的反射情况，较低的符号率将比宽带调制较少地受到符号间干扰的影响。最后，对于1至10微秒范围内的突发噪声时期，较低的符号率将对每个突发事件有较少的符号受到影响，从而在这种情形中它将有较好的鲁棒性；而较短符号持续时间的调制将有较少的(成正比地)符号受到真正冲击噪声的影响。在具有挑战性的HFC系统中，符号率的灵活性将为寻找一个成功的工作模式提供许多机会。
下面的一些表格给出了各种工作模式的例子。表1示出5种符号率下的QPSK工作模式，它带有长的前缀和丰富的FEC奇偶码，以在最严格的误码要求和最难实现的信噪比(SNR)要求情况下能在HFC系统及其内的各频道上的提供可靠的信息。在该表中列出了带有1个、2个、和4个ATM单元的脉冲串格式。较大的脉冲串能达到较高的效率和/或较好的鲁棒性，但其代价是较长的等待时间。
表1 QPSK鲁棒工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
    小时隙：数据字节奇偶字节数据符号隔离符号CRC符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 51206418483751152206402228822506170.71.079.7％ 5120841648187.51152208402028811256341.31.079.7％ 512084164893.7511522084020288562.56682.71.079.7％ 5120164246462.5116220164836320312.551228.80.9616.2％ 5120164246431.25116220164836320156.2552457.60.9616.2％
表1(续) QPSK鲁棒工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 21843266426528412511186.21.166.1％ 218432864245282062.511372.41.166.1％ 218432864245281031.2511744.71.166.1％ 21104321680485765622.591365.31.0711.1％ 2110432168048576281.592730.71.0711.1％
表1(续) QPSK鲁棒工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
 通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 41985667226960750020204.81.283.3％ 41985687224960375020409.61.283.3％ 41985687224960187520819.21.283.3％ 4210856161605610881062.5171445.61.136.6％ 421085616160561088531.25172891.31.136.6％
表2示出16-QAM调制的高鲁棒性工作模式的一些类似例子。
表2 16QAM鲁棒工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
小时隙数据字节奇偶字节数据符号隔离符号CRC符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 511062304837511101106403619215004256.01.621.9％ 5110822848187.51110110840341927504512.01.621.9％ 511082284893.7511101108403419237541024.01.621.9％ 5110162366462.5117110162838192187.532048.01.628.1％ 5110162246431.2511711016283819293.7534096.01.628.1％
表2(续) 16 QAM鲁棒工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 21102166402628822506341.32.1311.1％ 21102168402428811256682.73.1311.1％ 211021684024288526.561365.32.1311.1％ 2110216164048320312.552457.61.9220.0％ 2110216164048320156.2554915.21.9220.0％
表2(续) 16QAM鲁棒工作模式
128ksym/sec 256/ksym/sec 512ksym/sec 1.024Msym/sec 2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 42842866430528412511372.42.336.8％ 428428864285282062.511744.72.336.8％ 428428864285281031.25111489.52.336.8％ 4210428168052576562.592732.12.1311.8％ 4210428168052576281.2595464.22.1311.8％
表3和表4给出较早先的HFC系统/频道的QPSK和16-QAM模式的一些例子。表3和表4的例子有较短的前缀和较少的FEC奇偶码，但相应地也有较大的信息流量能力(即较高的带宽效率)。
表3 QPSK效率工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
小时隙数据字节奇偶字节数据符号间隔符号CRC符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 712864104837511122068624018755204.81.285.0％ 6124841248187.5111220888240937.55409.61.285.0％ 612484124893.75111220888240468.755819.21.285.0％ 7128164166462.51112201681225625041536.01.2010.9％ 7128164166431.251112201681225612543072.01.2010.9％
表3(续) QPSK效率工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 21443263210480375010204.81.283.3％ 2144328328480187510409.61.283.3％ 2144328328480937.510819.21.283.3％ 21643216481651250081536.01.206.25％ 21643216481651225083072.01.206.25％
表3(续) QPSK效率工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 41585664010912712519215.61.351.8％ 41585684089123562.519431.21.351.8％ 41585684089121781.2519862.31.351.8％ 419856167216960937.5151638.41.283.3％ 419856167216960468.75153276.81.283.3％
表4 16QAM效率工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
小时隙数据字节奇偶字节数据符号间隔符号CRC符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 61126212322501161106242016012505307.21.9216.25％ 6112821032125116110824181606255614.41.9216.25％ 611282103262.511611082418160312.551288.81.9216.25％ 7114162164846.87511211016810144140.62532730.72.1318.1％ 7114162164823.43751121101681014470.312535461.32.1318.1％
表4(续) 16QAM效率工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 2152166201425620008384.02.47.8％ 2152168201225610008768.02.47.8％ 2152168201225650081536.02.47.8％ 218216163224288281.2562730.72.1313.9％ 218216163224288140.62565461.32.1313.9％
表4(续) 16QAM效率工作模式
128ksym/sec  256/ksym/sec  512ksym/sec   1.024Msym/sec   2.048Msym/sec
通信脉冲串：ATM单元/脉冲串码字/脉冲串纠错/码字数据符号间隔符号奇偶符号前缀符号总符号数总脉冲串时间(微秒)#小时隙时间信息率(kbps)效率(bps/Hz)TDMA前端部 41842863214480375015409.62.564.2％ 41842883212480187515819.22.564.2％ 41842883212480937.5151638.32.564.2％ 428428166420528515.625112978.92.336.8％ 428428166420528257.8125115957.82.336.8％
扫视这些表格中给出的数值可以看出，根据本发明提供了各种脉冲串模式之后，既可为工作于最困难的频道提供鲁棒性高的工作模式(大的前缀和许多奇偶码)，又可提供由只占很小百分比的TDMA前端部所表征的高效率模式。事实上，这些表格示出了直到每脉冲串4个ATM单元的一些模式。然而可以看出，可以把直到20个或更多个ATM单元，或者把含有总数达几百字节的信息的多个其他长PDU，结合到单个脉冲串中，以提供比表3和表4中给出的最低值还要小的TDMA前端部(或者高带宽效率)。
如已指出的，每个模式的帧结构中都含有各脉冲串之间的间隔，用于滤波器对渐升/渐降的25％平方根上升余弦脉冲整形，还含有保护时间，以容许相邻时隙上的不同的信息供应者有一些定时误差。在每个脉冲串内带有容许的保护时间之后，即使在最坏的定时情况下，一个脉冲串的最后一个符号的中心也可以与后继脉冲串的第一个符号的中心相隔至少5个符号。保护时间容差随符号率而改变如下：符号率(ksym/s)  每个脉冲串的保护时间(符号数)  配给的脉冲串定时误差(微秒)
128                      1                       ±3.9
256                      3                       ±5.9
512                      3                       ±2.9
1024                    11                       ±5.4
2048                    11                       ±2.7
作为例子，在2.04Msym/s的模式中，除了数据、奇偶、和前缀等符号外，还在脉冲串时间上加上了另外16个符号，其中11个符号用于保护时间，容许±5.5个符号的定时误差，5个符号用来保证解调探测器处的最小间隔。
如表中所列，在每个通信脉冲串中至少有一个ATM单元，还可能多于一个。除了每个ATM单元的53个字节之外，脉冲串还带有2个附加的数据字节：用于ARQ的ID(识别符)字节和用于“带宽”请求的BRF字节。对每种符号率还提供了小缝隙，除了前缀符号和间隔符号以外，它还含有5个或更多个数据字节和一个CRC字节。
表中所示的“信息率”已考虑到了各ATM单元中的48个有效负载数据字节，并指明当全部的时间缝隙都在一个工作于给定模式的频道内时，用户将传送多少个比特(每个ATM单元有48×8个比特)。以bps/Hz(每秒比特数/赫芝)为单位的“效率”是上述信息率除以希望的最小频道间隔，后者对每个模式为1.25×(符号率)。“TDMA前端部”是各间隔符号和前缀符号在总脉冲串时间中所占的百分比。注意，这里每个ATM单元的5个前端字节和2个标志字节(ID字节和BRF字节)没有被计入TDMA前端部，奇偶字节也没有被计入。(若要把这些因素也考虑进去，只需要把表中给出的效率值取出，并对QPSK用2规一化或者对16QAM用4规一化。这代表在连续调制和不带FEC前端部等的符号率下能得到的总比特数中，信息比特所占的百分数；用1减去这个量就可得到关于“前端部”的总的概念。
表5和表6示出符号率为160ksym/s和2.56Msym/s时的工作模式的例子。
表5 QPSK工作
    160ksym/sec     2.56Msym/ses
小时隙：间隔符号(字节)数据符号(字节)CRC符号(字节)前缀符号(字节)总符号数(字节)总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：码字/脉冲串纠错/码字间隔符号(字节)数据符号(字节)奇偶符号(字节)前缀符号(字节)总符号(字节)数总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：码字/脉冲串纠错/码字间隔符号(字节)数据符号(字节)奇偶符号(字节)前缀符号(字节)总符号(字节)数总脉冲串时间(微秒)通信脉冲串：码字/脉冲串纠错/码字间隔符号(字节)奇偶符号(字节)数据符号(字节)前缀符号(字节)总符号(字节)数总脉冲串时间(微秒) 8(2)28(7)4(1)20(5)60(15)3751*48(2)128(32)32(8)32(8)200(50)12501*78(2)224(56)56(14)32(8)320(80)20001*108(2)880(220)80(20)32(8)1000(250)6250 16(4)28(7)4(1)16(4)64(16)251*416(4)160(40)32(8)48(12)256(64)1001*416(4)224(56)32(8)48(12)320(80)125*1016(4)880(220)80(20)48(12)1024(256)400
*表中给出的数目是对单个码字而言的，但可以再添加一些具有与表中所列相同的数据长度和奇偶码长度的码字，以生成较长的脉冲串。
表6 16QAM工作
160ksym/sec 256Msym/sec
通信脉冲串：码字/脉冲串纠错/码字间隔符号(字节)数据符号(字节)奇偶符号(字节)前缀符号(字节)总符号(字节)数总脉冲串时间(微秒) 1*48(4)64(32)16(8)32(16)120(60)750 1*416(8)80(40)16(8)48(24)160(80)62.5
通信脉冲串：码字/脉冲串纠错/码字间隔符号(字节)数据符号(字节)奇偶符号(字节)前缀符号(字节)总符号(字节)数总脉冲串时间(微秒) 1*78(4)112(56)28(14)32(16)180(90)1125 1*416(8)112(56)16(8)48(24)192(96)75
通信脉冲串：码字/脉冲串纠错/码字间隔符号(字节)数据符号(字节)奇偶符号(字节)前缀符号(字节)总符号(字节)数总脉冲串时间(微秒) 1*108(4)440(220)40(20)32(16)520(260)3250 1*1016(8)440(220)40(20)48(24)544(272)212.5
*表中给出的数目是对单个码字而言的，但可以再添加一些具有与表中所列相同的数据长度和奇偶码长度的码字，以生成较长的脉冲串。
保护时间容差随符号率的变化如下：符号率(ksym/s)    每个脉冲串的保护时间(符号数)    分配的脉冲串定时误差(微秒)
160**                     3                        ±9.4
320                       3                        ±4.7
640                       3                        ±2.3
1280                     11                        ±4.3
2560**                   11                        ±2.1
**表5表6中仅示出了这两种符号率。
现在应可看到，本发明提供了一种用于高鲁棒性和高效率数据通信的灵活的F/TDMA发送方案。提供了一个界面用来控制发送设备使它能给出关于下述各项的一种所希望的组合：频率灵活的调制、多种符号率、FEC编码、和数据流的帧结构。该方案使得诸如ATM单元、MPEG包之类的信息单元能够以从数+kbps(每秒千比特)至大于目前T1电话线路能提供的信息率向每个用户传送，并具有可接受的误码率性能。还在每个频道上提供了小时间缝隙，它们可以用来改进媒体访问控制(MAC)性能，或者以比ATM自身更有效的方式支持恒定比特率服务。
在一个公开的特定实施例中，提供了：5种符号率这样的灵活性(从128ksym/s开始以2×的步长直到2.048Msym/s)；GF(256)上的Reed-Solomon FEC，其中纠错能力在0至10字节之间可选；每个脉冲串可以有一个或多个码字；码字长度最多可达255字节(具有可减短的灵活性)；以及可编程的前缀长度和值。所公开的脉冲串模式还包含有一个小时间缝隙，其中有可编程的数据场长度、前缀长度和值，还有一个不带FEC的8比特CRC。工作在任一频道上时最好使用一种小缝隙格式和仅仅一种脉冲串格式。
根据本发明，即使对某一给定的符号率也提供了对各种脉冲串格式的选择性，这使得能在信息流量(效率)、误码率性能(物理层面上的鲁棒性)和等待时间之间作出折衷选择。再加上符号率、QPSK或16-QAM调制、和频率等的灵活性，系统的用户，例如有线电视操作者，将能够对所遇到的各种各样情况寻找到一组令人满意的工作模式。
虽然本发明是结合各个所公开的实施例来说明的，但应该看到，在不偏离权利要求中所限定的本发明范畴的情况下，可以对这些实施例做出各种调整和修改。

Claims (20)

1、用于在多层面数据通信方案中的物理层面上进行变长脉冲串方式的数据包通信的设备，每个脉冲串都包含有：(i)信息数据和(ii)包括前面误码控制(FEC)数据的前端部，上述设备包括：
一个可编程块处理器，用于根据从多种可用的组群模式中选出的一种模式把上述信息数据组群成一些数据块；
一个可编程FEC编码器，用于根据从多个可能的编码级别中选出的一个级别用上述FEC数据对上述数据块进行编码，以及
一个界面，它用于：
选择一种脉冲串模式，该模式采用由上述块处理器所提供的特定组群模式和由上述FEC编码器所建立的特定编码级别，以对含有上述数据块的脉冲串达到相应的发送带宽效率和脉冲串发送鲁棒性。
2、根据权利要求1的设备，它还包括一个可编程调制器，用于根据从多种可用的调制模式中选出的一种模式对要发送的编码数据块进行调制，上述调制器根据通过上述界面所选出的脉冲串模式给出上述各调制模式中的某一特定模式。
3、根据权利要求2的设备，其中上述各调制模式包括QPSK和QAM。
4、根据权利要求1的设备，其中上述脉冲串采用带有频率灵活性的时分和频分复用访问(F/TDMA)在一个通信频道上发送。
5、根据权利要求1的设备，其中每种上述组群模式都与发送上述脉冲串所运载的符号的某一特定符号率相关联。
6、根据权利要求5的设备，其中：
上述块处理器把一些含有上述信息数据的协议数据单元(PDU)分块成一些与PDU长度无关的单元，并根据通过上述界面选出的脉冲串模式提供一个具有选定长度的前缀；并且
上述FEC编码器把来自上述各单元的数据编码成一些由所选脉冲串模式所规定的码字。
7、根据权利要求6的设备，其中上述FEC编码器是可编程的，从而可提供有不同长度的码字。
8、根据权利要求6的设备，它还包括一个交插器，用来凡是当上述FEC编码器把上述数据块编码成2个或多个码字的时候对码字符号进行交插。
9、根据权利要求6的设备，它还包括一个可编程调制器，用于根据多种可用的调制模式中的一种模式对要发送的编码数据块进行调制，上述调制器根据通过上述界面选出的脉冲串模式来提供上述各调制模式中的某一特定模式。
10、根据权利要求9的设备，其中上述调制模式包括QPSK和QAM。
11、根据权利要求6的设备，其中上述块处理器允许从其数据含在一个脉冲串内的PDU所导出的最后一个单元比含在该脉冲串内的前面各个单元短。
12、根据权利要求1的设备，其中上述数据块包括一些异步传递模式(ATM)单元，并且上述块处理器根据通过上述界面所选出的脉冲串模式向每个数据块配置特定数目的上述单元。
13、根据权利要求12的设备，其中上述块处理器根据通过上述界面所选出的脉冲串模式给每个数据块配置1个、2个、或4个单元。
14、根据权利要求1的设备，其中上述脉冲串模式还被选择得能对含有上述数据块的脉冲串达到一个相应的等待时间。
15、根据权利要求1的设备，其中：
上述块处理器提供一些变脉冲串长度的模式，每个模式中每一脉冲串有一个码字；并且
利用折叠FEC码和格状编码调制中的至少一种方式，上述脉冲串被进行折叠编码。
16、根据权利要求15的设备，其中上述折叠编码的形式是一个与一个纠错外码相连接的内码。
17、一种用于在多层面数据通信方案中的一个物理层面上进行变长脉冲串方式的数据包通信的方法，每个脉冲串都含有(i)信息数据和(ii)含有前向误码控制(FEC)数据的前端部，该方法包括以下步骤。
提供多种不同的脉冲串模式，每种模式规定一种信息数据组群模式和一种FEC编码级别；
从上述各脉冲串模式中选出一种模式；
根据由所选脉冲串模式所规定的组群模式，把上述信息数据组群成一些数据块；以及
根据由所选脉冲串模式所规定的编码级别，用上述FEC数据对上述数据块编码；
其中上述脉冲串模式被选择得能对含有上述数据块的脉冲串达到相应的发送带宽效率和脉冲串发送鲁棒性。
18、根据权利要求17的方法，其中上述脉冲串模式还被选择得能对含有上述数据块的脉冲串达到相应的等待时间。
19、根据权利要求18的方法，其中上述各种不同的脉冲串模式提供了在带宽效率、脉冲串发送鲁棒性、和等待时间这三者中的至少两者之间的折衷选择。
20、根据权利要求19的方法，其中上述的折衷至少包括下列各种情况之一：
(a)通过改变数据块码长和码率进行鲁棒性和效率之间的折衷；
(b)通过改变前缀长度进行鲁棒性和效率之间的折衷；
(c)通过捆绑一些协议数据单元(PDU)进行等待时间和效率之间的折衷；
(d)通过对短PDU加长和捆绑一些码字进行效率和鲁棒性之间的折衷，其代价是牺牲等待时间；以及
(e)通过对长PDU和粗时隙边界缩短码字进行效率和鲁棒性之间的折衷。
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