DE4403955A1

DE4403955A1 - Verfahren zum Vielfachzugang in einem digitalen Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE4403955A1
Application number: DE4403955A
Authority: DE
Inventors: Dan Oprea; Jacob Cepelinski
Original assignee: Mitel Corp
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1994-08-11
Also published as: GB9402479D0; ITMI940221A1; CA2089101C; GB2274961A; CA2089101A1; ITMI940221A0; US5544158A; IT1281734B1; GB2274961B

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein digitales Daten kommunikationssystem, insbesondere auf ein System, das eine Mutterstation und eine Vielzahl von Tochterstatio nen enthält, die mit der Mutterstation über eine digi tale Verbindung verbunden sind.

Die Erfindung findet Anwendung in einer Anzahl von Um gebungen mit verteilten Bearbeitungen, zum Beispiel in Kurz-Schleifen-Anwendungen wie Nebenstellenanlagen oder in mit optischen Fasern verbundenen Systemen. In solchen Systemen gibt es eine Notwendigkeit, vielfachen Zugriff zu den Tochterstationen zu ermöglichen, wobei gleichzeitig die Benutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite optimiert wird, die beschränkt sein kann. Die Daten können in jeder Form digitaler Daten sein, einschließlich digitalisierten Sprachsignalen.

In einem ISDN-Datenübertragungssystem können Reichwei ten bis zu vier Kilometer auf einer verdrillten Leitungspaar-Teilnehmerschleife mit der Verwendung von Echounterdrückungstechniken erreicht werden bei einer Teilnehmerdatenrate von 144 kbps (2B+D Kanäle). Eine Echounterdrückungstechnik ist aber in einer Punkt-zu- Mehrpunkt-(Multidrop-)Konfiguration nicht einfach ein zubauen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Datenübertra gungssystem vorzusehen, das in der Lage ist, in einer "Multidrop"-Umgebung über relativ kurze Teilnehmer- Schleifen von bis zu einem Kilometer zu arbeiten.

Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein digitales Datenkommunikationssystem vor, das eine Mutterstation und eine Vielzahl von Tochterstationen aufweist, die mit der besagten Mutterstation nach einem Vielfachsig nalbündel-(multiburst-)Plan über eine digitale Verbin dung kommunizieren, das außerdem eine Vielzahl von Kommunikationskanälen hat, die jeweils mit den besagten Tochterstationen verbunden sind, und bei dem in jedem Rahmen die besagte Mutterstation ein Hauptsignalbündel über alle besagten Kanäle überträgt und die besagten Tochterstationen ein Untersignalbündel über die ihnen entsprechend zugeordneten Kanäle übertragen.

Die Übertragungsmethode basiert auf einer zeitkompri mierenden Multiplex-(time compression multiplexing-, TCM-)Methode. Indem eine Vielfachsignalbündel-(multi burst-)Anordnung in einer "Multidrop"-Umgebung verwandt wird, wird die Implementierung des Systems vereinfacht.

Beim zeitkomprimierenden Multiplexing werden Daten zu einer Zeit in einer Richtung übertragen, wobei die Übertragung zwischen den zwei Richtungen in Synchroni sation mit dem PCM-Rahmen des Systems alterniert. Um die erwünschte Datenrate zu erhalten, werden die bit- Ströme des Teilnehmers in gleiche Segmente aufgeteilt, die in der Zeit auf eine höhere bit-Rate komprimiert werden und in Signalbündeln übertragen werden, die am anderen Ende auf die Originalrate expandiert werden können. Ein kurzer Ruhe-Zeitraum wird zwischen den Signalbündeln verwandt, um der Leitung zu ermöglichen, sich zu beruhigen.

Die tatsächliche bit-Rate, R, wie sie durch die beiden Endpunkte gesehen wird, wenn die Größe des übertragen den Blockes in bits B ist, ergibt sich zu:

R = B/2 (Tp + Tb + Tg).

Wobei Tp die Verzögerungszeit ist, Tb ist die Zeit, die benötigt wird, um den Datenblock B zu übertragen und Tg ist die Schutzzeit am Ende des PCM-Rahmens.

Das tatsächliche bit A auf dem Medium wird sein

A = B/Tb.

Dies beides verbunden ergibt:

A + 2R (1 + (Tp + Tg)/Tb).

So ist die tatsächliche bit-Rate mehr als das doppelte der effektiven Datenrate, wie sie durch die beiden Sei ten gesehen wird. Für die Basis ISDN-Datenrate von 144 kbps ist die bit-Rate in der Gegend von 350 kbps.

Die Wahl der Blockgröße B ist ein Kompromiß zwischen konkurrierenden Erfordernissen. Falls B erhöht wird, ergibt sich eine Absenkung der bit-Rate. Andererseits geht dies einher mit einem Anstieg der Implementie rungskomplexität aufgrund des Pufferns. Der durch TCM- User am meisten benutzte Wert ist 16-24 bits.

Mehrere Firmen bieten verschiedene ICs für die Imple mentierung von TCM an, die entworfen wurden, um nur in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration zu arbeiten. Bei spiele solcher Chips sind:

DASL TP3401 von National Semiconductor,
AM 2059 von Advanced Micro Devices und
LXT130, LXT 134 von LEVEL ONE.

Firmen wie BNR haben geschützte TCM-ICs entwickelt: den NTX12 und den NTX11.

In einem ISDN-Datenübertragungssystem gemäß dieser Er findung enthält die Datenverbindung normalerweise zwei Basisraten (B)-Kanäle, die bei 64 kbps arbeiten und einen Daten (D)-Kanal, der bei 16 kbps arbeitet. Die Tochterstationen übertragen Signalbündel, die durch Adreß-bits angeführt werden, auf den entsprechenden, mit ihnen verbundenen B- und D-Kanälen und die Mutter station überträgt ein Hauptsignalbündel über die kombi nierten Kanäle. Zum Beispiel kann die Tochter 1 dem D- Kanal zugeordnet sein, die Tochter 2 dem B1-Kanal und die Tochter 3 dem B2-Kanal. Benutzt man eine Kanal adresse für jedes Signalbündel, vereinfacht dies die praktische Implementierung und ermöglicht die Verallge meinerung der Methode auf ein großes Feld von Anwendun gen. Der Mutter-Receiver beinhaltet die Funktion eines Receivers, der bereit ist, die unterschiedlichen Unter signalbündel in unterschiedlichen Zeitfenstern zu empfangen.

Die Aufteilung in individuelle Kanalsignalbündel in Zeitfenstern ist notwendig, um Signal-Interferenzen zwischen Tochterstationen zu verringern. Demzufolge er höht sich die bit-Rate auf den Leitungen bis in die Ge gend von 500 kbps. Während die Anzahl der Kanäle, die in einem ISDN-Basisraten-Datenübertragungssystem vor handen sind, nur 3 beträgt (2B+D), können eine Vielzahl von Tochterstationen alternierend auf jeden der Kanäle Zugriff nehmen. Normalerweise wird der Zugriff auf den D-Kanal durch ein Arbitrationsprotokoll unter den Toch terstationen durchgeführt und der Kanal wird für die Kontrolle benutzt. Normalerweise erfolgt der Zugriff auf einen B-Kanal durch ein Anschalt-/Abschalt-Komman do, das über den D-Kanal übertragen wird.

Die Methode ist besonders vorteilhaft in Kurz-Schlei fen-Anwendungen (Nebenstellenanlagen) oder in Systemen mit optischen Faser-Verteilungen.

Die Erfindung wird im folgenden detaillierter an einem Beispiel beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefüg ten Zeichnungen, dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Datenkommunikations systems entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm eines digitalen Datenkommuni kationssystems entsprechend einer Ausführungs form der Erfindung;

Fig. 3a bis 3d den zeitlichen Ablauf auf den digita len Verbindungen im Vielfachsignalbündel- (multiburst-)modus;

Fig. 4 und 4b die Definition der Übertragungs-/Empfangs fenster;

Fig. 5a ein Blockdiagramm eines Vielfachsignalbündel- (multiburst-)TCM-Receivers am Mutterende; und

Fig. 5b ein Blockdiagramm der Zeit- und Kontroll- Schaltkreise eines Vielfachsignalbündel- (multiburst-)TCM-Sende-Empfängers am empfan genden Ende.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 enthält das Datenkom munikationssystem, das einen Teil einer Nebenstellenan lage bildet, eine Mutterstation 1, die über eine ver drillte Zwei-Drahtleitung 2 mit Tochterstationen 3, 4, 5 verbunden ist. Die Zwei-Drahtleitung bildet eine Standard-ISDN-Verbindung, die zwei Basisratenkanäle mit 64 kbps und einen Datenkanal mit 16 kbps hat, was insge samt 144 kbps ergibt. Die physikalische Implementierung benutzt "Alternate Mark Inversion line code" bei einer Symbolrate von 512 kbps und 250 µs-Rahmen.

Jeder der Kanäle wird durch eine Zwei-bit-Adresse iden tifiziert, die durch die Tochterstationen 3, 4, 5 den Kanal-Daten-bits vorausgehend zu senden ist. Die fol genden Kanaladressen werden festgelegt:

D-Kanal - Adresse 0
B1-Kanal - Adresse 1
B2-Kanal - Adresse 2.

Die Adresse 3 ist reserviert für kombinierte 2B+D-Kanä le, die durch die Mutterstation 1 zu übertragen ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird, überträgt die Muttersta tion in jedem Rahmen ein Hauptsignalbündel 10, das einen Adreß-Vorsatz ("address header") 10a hat, über die kombinierten 2B+D-Kanäle. Die Tochterstation 3 überträgt ein Untersignalbündel 11 mit einem address header 11a über den D-Kanal, die Tochterstation 4 über trägt ein Signalbündel 12 mit einem address header 12a über den B1-Kanal und Tochter 5 überträgt ein Signal bündel 13 mit einem address header 13a über den B2- Kanal. Das Vielfachsignalbündel-Format wird detaillier ter unter Bezugnahme auf die Fig. 3a bis 3d be schrieben.

Fig. 3a zeigt das Format des Hauptsignalbündels 10. Dieses enthält ein Start-bit, dem eine Zwei-bit-Adresse folgt, der zwei bits auf dem D-Kanal, zwei Echo-bits, zwei weitere bits auf dem D-Kanal und zwei weitere extra bits folgen und der 32 bits auf dem B1- und B2- Kanal folgen. Die Echo-bits sind vorgesehen, um das D- Kanal-Zugriffs-Protokoll zu unterstützen, wie es Standard ist in ISDN.

Fig. 3b zeigt das Format eines Untersignalbündels. Dieses ist einfacher als das Hauptsignalbündel und ent hält ein Start-bit, dem eine Zwei-bit-Adresse und 16 bits Daten auf den Kanälen B1 und B2 folgen.

Fig. 3c zeigt einen ganzen 250 µs-PCM-Rahmen in der Nebenstellenanlage oder am nahen Terminal (NT). Das Hauptsignalbündel 10, das 43 bits enthält, benötigt 83,98 µs, während das erste Untersignalbündel 11, das auf dem D-Kanal übertragen wird, 17,5 µs benötigt. Die Signalbündel 12 und 13, die entsprechend mit den Töch tern 4 und 5 verbunden sind, haben 19 bits und benöti gen 37,1 µs. Das in den Fig. 3a bis 3d gezeigte Schema stellt die Struktur eines 250 µs-Rahmen-Viel fachsignalbündels dar. Die Struktur kann einen Termi nalanschluß auf einer Schleife von einem Kilometer oder mehr an jedem Punkt unterstützen.

Fig. 3d zeigt das Zeitschema am Terminalende. Die Sig nalbündel sind um die Übertragungsverzögerung P ver schoben, die auf der Teilnehmerleitung auftritt.

Der Mutterreceiver muß die drei unterschiedlichen Sig nalbündel von den Tochterstationen innerhalb von drei verschiedenen Fenstern empfangen. Die Fenster werden festgelegt mit Bezug auf das Hauptsignalbündelende des Rahmens und die Fensteröffnung bestimmt den maximalen Abstand zwischen den Terminalanschlüssen auf der Leitung.

Die Fig. 4a und 4b zeigen, wie die Fenster festge legt sind. Die maximale Übertragungsverzögerung P_M ist direkt verbunden mit dem Maximum der Schleifenlänge. Fig. 4a zeigt die Übertragungsverzögerung am nächsten Terminal und am Endterminal für den minimalen und den maximalen Abstand. Die Empfangsfenster für die Mutter station müssen größer oder gleich zweimal der Übertra gungsverzögerung plus zweimal notwendiger Schutzzeiten plus der Länge des B-Signalbündels sein.

Tochter 1 überträgt auf dem D-Kanal
Tochter 2 überträgt auf dem B1-Kanal.

Fig. 4b stellt den Fall einer Tochterstation dar, die nahe am Mutterende angeordnet ist und den Kanal B1 be nutzt (Tochter 2) und eine andere entferntere Tochter station, die den Kanal D benutzt (Tochter 1). Das Sig nalfenster (W < 2P_M + 2g + D_{Signalbündel}) bestimmt die bit-Interferenz am Mutterende.

Fig. 4b zeigt das Empfangsfenster für das D-Signalbün del, in diesem Fall W < 2P_M + D_{Signalbündel}.

Es müssen geeignete Leitungstreiber gewählt werden als ein Kompromiß zwischen konkurrierenden Erfordernissen. Einfache Leitungstreiber erfordern eine höhere Leistung des Wandlers, was die Wandler teurer macht, und sie be grenzen die Schleifenlänge auf eine Größenordnung von 500 m. Eine Erhöhung der Wandlerkomplexität (Erzeugung von vorentzerrten und gefilterten AMI-Signalen und die Verwendung von adaptiven Schwellenwertdetektoren) kann den Bereich der Teilnehmerschleife auf bis zu 2 km oder mehr erhöhen.

Es wird nun Bezug genommen auf die Fig. 5a und 5b.

In der Fig. 5a ist zu sehen, daß die Steuerkreise am Mutterende komplexer sind und eine PLL-(phased locked loop-)Schleife für die Wiederherstellung des Timings enthalten. Der Adreß-Decoder und der Fenster-Timer er möglicht den Empfang vom entsprechenden Kanal und die Datenspeicherung (Puffer_D+B₁+B₂).

Das Mutterende umfaßt ein analoges Vorderende 51, eine Daten-Sampling-Einheit 52, einen Übertragungs-/Em pfangs-Puffer 53a, eine logische Interface-Einheit 54a, eine Timing-Wiederherstellungs- und Statuskontroll maschine 55a, um Kontrollfunktionen auszuführen, und einen Adreßdecoder und einen Empfangsfenster-Timer, der entsprechend der Übertragungsverzögerung für die maxi male Schleifenlänge eingebaut ist. Die logische Interface-Einheit 54a wandelt den eingehenden/ausgehen den Datenstrom in ein spezifisches Format, zum Beispiel in das Mitel ST-bus-Format.

Das Tochterende ist einfacher, wie in der Fig. 5b ge zeigt ist, wo gleiche Teile mit den gleichen Bezugszei chen bezeichnet sind, wie sie in Fig. 5a benutzt sind. Die Puffergröße ist begrenzt auf den D-Kanal und einen B-Kanal. Das Start-bit und die zwei folgenden bits (die Adresse 3) ermöglichen eine einfache Implementierung eines verriegelten Uhr-(locked clock-)Schemas, um die einkommenden Daten zu sampeln.

Der Transceiver kann als ein ASIC gate array ausgeführt sein. Im Fall einer "multidrop"-TCM-Einrichtung werden die Digital-analog-Funktionen auf zwei unterschied liche Komponenten aufgeteilt: Den ASIC (alle digitalen Funktionen) und den Leitungsempfänger (alle analogen Funktionen).

Claims

1. Digitales Datenkommunikationssystem, das eine Mutterstation und eine Vielzahl von Tochterstationen enthält, die mit der besagten Mutterstation in einem Vielfachsignalbündel-Zeit-komprimierenden-Multiplex- Verfahren über eine digitale Verbindung kommunizieren, die eine Mehrzahl von Kommunikationskanälen enthält, die den besagten Tochterstationen entsprechend zugeord net sind, und wo in jedem Multiplex-Rahmen die besagte Mutterstation ein Hauptsignalbündel über alle besagte Kanäle überträgt und die besagten Tochterstationen ein Untersignalbündel über die entsprechenden, ihnen zuge ordneten Kanäle übertragen.

2. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß Anspruch 1, bei dem jedes Signalbündel eine identifizierende Kanal- Adresse aufweist, der Daten folgen.

3. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß Anspruch 1, wobei die besagte digitale Verbindung eine 2B + D-ISDN- Verbindung enthält und die besagten Tochterstationen den entsprechenden Basisraten- (B-) und Daten- (D-) Kanälen davon zugeordnet sind.

4. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß Anspruch 3, bei dem jeder Kanal durch eine spezifische Zwei-bit- Adresse gekennzeichnet ist.

5. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß Anspruch 4, bei dem der D-Kanal die Adresse 0 hat, der B1-Kanal die Adresse 1, der B2-Kanal die Adresse 2 und die Mutter station die Adresse 3.

6. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die besagten Signalbündel innerhalb der ent sprechenden Zeitfenster innerhalb des Multiplex-Rahmens übertragen werden.

7. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß Anspruch 6, bei dem ein Zugriff einer Tochterstation auf den D- Kanal gemäß einem Arbitrations-Protokoll durchgeführt wird, das von jeder Station beachtet wird.

8. Digitales Datenkommunikationssystem gemäß Anspruch 7, bei dem der Zugriff einer Tochterstation auf einen B- Kanal (B1 und/oder B2) über ein Kanalzuweisungskommando ausgeführt wird, das über einen D-Kanal an die Tochter station übertragen wird.