DE60035116T2 - System und verfahren zur synchronisierung und verteilung von telefontaktinformation in einem kabelmodem-netzwerk - Google Patents

System und verfahren zur synchronisierung und verteilung von telefontaktinformation in einem kabelmodem-netzwerk Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Schaltungen zur Verteilung und Synchronisierung von Taktsteuerungsinformationen spielen bei zahlreichen Anwendungen eine Schlüsselrolle, die einen synchronen Datentransfer benötigen, wie etwa Netzwerke zur Übertragung von Telefongesprächen über verschiedene Netzwerke, einschließlich des Internets, und dergleichen.
  • Aktuelle Verfahren zur Signalsynchronisierung zwischen Teilnetzwerken stellen keine vollständige Synchronisierung bereit. Eine unvollständige Synchronisierung führt zu Datenverlusten, die Slips genannt werden. Kompensationsnetzwerke, die Pufferschaltungen umfassen, werden typischerweise dazu verwendet, durch eine mangelhafte Taktssynchronisierung verursachte Slips zu kompensieren.
  • Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass es erwünscht ist, über eine vollständig synchrone Taktsteuerung der Abtastwerterfassung und -rekonstruktion zu verfügen, die Slips und die Notwendigkeit von Kompensationsschaltungen beseitigt. Diese Art von Netzwerk würde eine vollständige Synchronisierung der Taktgeber zwischen Teilnetzen durch Bereitstellen einer Reihe von Taktgebern vorsehen, die einem Master-Taktgeber untergeordnet sind.
  • WO-A-9831115 beschreibt ein interaktives Informationsverteilungssystem, das Service-Provider-Geräte zum Erzeugen eines Informationsstroms umfasst, der mit einem Informationskanal gekoppelt und an Teilnehmergeräte gesendet wird. Der Service-Provider erzeugt außerdem ein Befehlssignal, das mit einem Befehlskanal gekoppelt und an die Teilnehmergeräte gesendet wird. Der Service-Provider empfängt des Weiteren Informationsmanipulationsanfragen vom Teilnehmer über einen Rückkanal. Ein Kommunikationsnetzwerk, das den Informationskanal, den Befehlskanal und den Rückkanal unterstützt, ist zwischen den Service-Provider-Geräten und den Teilnehmergeräten angeschlossen.
  • US-A-5,543,951 beschreibt ein Verfahren zur empfangsseitigen Taktversorgung bei Videosignalen, die mit ATM über Glasfaser-/Koaxialkabel-Teilnehmerleitungsnetzwerke digital gesendet werden. Zur empfangsseitigen Taktversorgung bei digitalen Signalen, wie etwa digitale datenkomprimierte Fernseh-Verteilungssignale, die von einer digitalen Signalquelle, wie etwa einer Fernsehsignalquelle, über eine Verbindungseinheit und ein Lichtwellenleiter- und/oder Koaxialkabelbaumnetzwerk, das damit verbunden ist und von einer Mehrzahl teilnehmerseitiger Netzwerkanschlusseinheiten jeweils gemeinsam benutzt wird, an die teilnehmerseitigen Netzwerkanschlusseinheiten in Form von ATM-Signalen gesendet werden, werden der oder die erforderlichen Takte separat gesendet, zumindest von der Verbindungseinheit aus weiter an alle Netzwerkanschlusseinheiten, die mit dem Lichtwellenleiter- und/oder Koaxialkabelbaumnetzwerk verbunden sind. Das digitale Signal, das aus den empfangenen ATM-Zellen erfasst wird, wird daher dort zeitregeneriert.
  • SDRALIA V. et al.: "Performance characterization of the MCNS DOCSIS 1.0 CATV protocol with priotised first come first served scheduling" IEEE Transactions an Broadcastings, US, IEEE Inc. New York, Band 45, Nr. 2, Juni 1999, Seiten 196–205, ISSN: 0018-9316 betrifft ein Kommunikationssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kommunikationssystem und -verfahren zur Ermöglichung der Kommunikation zwischen Geräten erster und zweiter Netzwerke bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Kommunikationssystem gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Viele der vorhandenen Merkmale der Erfindung gehen aus einem besseren Verständnis der Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genauer hervor.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung angesichts der begleitenden Zeichnungen genauer hervor.
  • 1 ist eine Darstellung eines Netzwerksystems, das über eine synchrone Taktung digitaler Telefoniedaten zwischen einem öffentlichen Telefonnetz (PSTN) und einem Internet-Netzwerk über ein Gateway verfügt.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Internet-Telefonübertragungssystems 1002, das ein Kabelfernseh-(CATV-)Netz verwendet, um ein oder mehrere Telefone anzuschließen, die miteinander in Verbindung stehen.
  • 3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Synchronisierung und Verteilung eines vollständig synchronisierten Taktsignals.
  • 4 zeigt eine Umgebung, in der die vorliegende Erfindung arbeitet, in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 5 zeigt die Verbindung eines beispielhaften Haushalts unter Verwendung der vorliegenden Erfindung gemäß einem Kabelmodem und einem Kabelmodemanschlusssystem in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 6 zeigt die Zuweisung von Zeitschlitzen durch das Kabelmodemanschlusssystem in graphischer Form.
  • 7 und 8 zeigen die Konstruktion eines Frames in Form eines Flussdiagramms.
  • 9 und 10 zeigen einen Abschnitt des Kabelmodemanschlusssystems, der Anfragen von den Kabelmodems erhält und in Antwort auf die Anfragen MAPs erzeugt, in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 11 und 12 zeigen, wie ein Kabelmodem und ein Kabelmodemanschlusssystem bei vom Kabelmodem an das Kabelmodemanschlusssystem gesendeten Paketen zusammenarbeiten, in Form eines Flussdiagramms.
  • 13 und 14 zeigen Aspekte des Taktsteuerungssynchronisierungssystems zwischen dem Kabelmodem und dem Kabelmodemanschlusssystem in Form eines Blockdiagramms.
  • 15 zeigt eine beispielhafte Taktrückgewinnungsschaltung eines Kabelmodems genauer in Form eines Blockdiagramms.
  • 16 zeigt ein Beispiel für grobe und feine Koeffizienten, die für mehrere unterschiedliche Aktualisierungsraten und Bandbreiten geeignet sind, in Form einer Tabelle.
  • 17 zeigt einen Taktsteuerungsschlitzversatz zwischen dem Kabelmodemtaktgeber und dem Kabelmodemanschlusssystemtaktgeber in graphischer Form.
  • 18 zeigt die Burst-Übertragung und den Burst-Empfang durch das Kabelmodem und das Kabelmodemanschlusssystem in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 19 zeigt das Kabelmodemanschlusssystem genauer.
  • 20, 21 und 22 zeigen die Verhältnisse zwischen Bewilligungen und Abtastungen in graphischer Form.
  • 23 zeigt eine repräsentative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 24 zeigt den Betrieb einer erfindungsgemäßen Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 25 zeigt den Betrieb einer erfindungsgemäßen Kabelmodem-Taktsynchronisierung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 26a, 26b, 26c zeigen das Verhältnis zwischen erfindungsgemäß verwendeten Signalen in graphischer Form.
  • 27a, 27b und 27c zeigen das Verhältnis zwischen weiteren erfindungsgemäß verwendeten Signalen in graphischer Form.
  • 28, 29 und 30 zeigen eine erfindungsgemäße Bewilligungszeitberechnungsschaltung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms und in graphischer Form.
  • 31 zeigt das Verhältnis zwischen der Bewilligungszeitberechnungsschaltung, dem digitalen Signalprozessor und Puffern gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.
  • 32a und 32b zeigen eine betriebsfähige DSP-Systemsoftwareentscheidungsimplementierung gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Flussdiagramms.
  • Gleiche Bezugszeichen werden in den begleitenden Zeichnungen dazu verwendet, gleiche Teile zu benennen.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 ist eine Darstellung eines Netzwerksystems 0001, das über eine synchrone Taktung von Sprachtelefoniedaten zwischen einem an ein herkömmliches öffentliches Telefonnetz (PSTN/Public Switched Telephone Network) 3000 angeschlossenen Telefon 3001 und einem an ein digitales Datenübertragungsnetzwerk 4000 angeschlossenes Telefon verfügt. Das mit dem PSTN verbundene Telefon 3001 verwendet herkömmliche und universell anwendbare Anschlussverfahren, die heutzutage typischerweise praktisch in jedem Haushalt und Geschäftsbetrieb in Nordamerika verwendet werden. Das mit dem digitalen Datenübertragungsnetzwerk verbundene Telefon 4001 kann gemäß einem beliebigen einer Vielzahl von heute verwendeten Verfahren angeschlossen werden, die Voice over Internet Protocol (VoIP) oder Voice over Digital Subscriber Loop (VoDSL) umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
  • Für die Zwecke dieses Beispiels wird angenommen, dass die zwei Telefone 3001 und 4001 identisch sind. Es sind jedoch gleichwertige Geräte erhältlich und mit diesen austauschbar, welche ISDN-Telefon- oder in Entwicklung befindliche Ethernet- oder VoIP-Telefonapparate umfassen, die äquivalente Funktionen bereitstellen. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Beschreibung der folgenden Schnittstellen und Funktionen eine von vielen gleichwertigen Konfigurationen darstellen, die dazu verwendet werden, die beschriebene Ausführungsform in die Praxis umzusetzen.
  • Die Schnittstelle zwischen dem Telefon 3001 und dem PSTN 3000 ist eine herkömmliche Loop-Start-Schnittstelle, die in dem Telcordia-Dokument TR-NWT-000057 beschrieben ist. Die Schnittstelle zwischen dem PSTN 3000 und der Stationsreferenz ist ein herkömmliches Building Integrated Timing System (BITS) 3020, das in Telcordia TR-NWT-001244 beschrieben ist. Die Schnittstelle zwischen dem PSTN 3000 und dem Gateway (Protokollumsetzer) 3050 ist eine herkömmliche GR-303-Schnittstelle 3030.
  • Die Schnittstelle 3065 zwischen der Stationsreferenz 3040 und dem Gateway 3050 ist eine BITS-Schnittstelle. Die Schnittstelle zwischen der Stationsreferenz 3040 und dem Datenübertragungsnetzwerk ist die von CableLabs in SP-RFI-I04-0980724 spezifizierte, wohlbekannte Data-Over-Cable-Service-Spezifikation (DOCSIS). Die Schnittstelle zwischen dem Gateway 3050 und dem Datenübertragungsnetzwerk 4000 ist die wohlbekannte IEEE-802.3-Schnittstelle a.k.a. Ethernet. Die Schnittstelle zwischen dem Kabelmodem 4300 und dem Datenübertragungsnetzwerk ist die wohlbekannte DOCSIS-Schnittstelle. Die Schnittstelle zwischen dem Kabelmodem 4300 und dem Telefon 4001 ist die in TR-NWT-000057 beschriebene Loop-Start-Schnittstelle.
  • Sämtliche Schnittstellen, die bei der Umsetzung der Erfindung verwendet werden, basieren auf Standards und sind Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt. Traditionelle Implementierungen von Gateway-Geräten zwischen dem PSTN und Datenübertragungsnetzwerken ignorieren die vom PSTN vorgesehenen Taktsteuerungsinformationen. Die Folge dieser Ausführungspraxis ist, dass häufig große Verzögerungen und Datenverluste des Sprachsignals am Gateway auftreten, wodurch die Qualität des Sprachsignals beeinträchtigt wird.
  • Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Liefern der PSTN-Taktsteuerungsinformationen unter Verwendung von Datenübertragungsverfahren bereit, so dass die Abtastung und Sendeabwicklung (Playout) von Sprachinformationen am Gateway 3050 und Kabelmodem 2300–2001 synchron durchgeführt wird. Der synchrone Betrieb der Ausführungsformen der Erfindung minimiert den Datenverlust und die Gesamtverzögerung, die die Sprachdaten erleiden, während sie durch das Datenübertragungsnetzwerk transportiert werden.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Internet-Telefonübertragungssystems 3002, das ein Kabelfernseh-(CATV-)Netz 3026 dazu verwendet, ein oder mehrere miteinander verbundene Telefone 4002, 4008, 4010 anzuschließen. Die in 2 beschriebenen Netze sind nachfolgend näher beschrieben.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Telefon 4002 auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit einem PSTN 3004 verbunden. Das PSTN 3004 ist mit einem ISP-Gateway 3012 verbunden. Die PSTN-/Gateway-Verbindung verwendet typischerweise eine Fachleuten bekannte digitale Signalübertragung. Der ISP-Gateway 3012 ist unter Verwendung von Fachleuten bekannten herkömmlichen Signalübertragungsprotokollen mit einem Internet 3006 verbunden.
  • Das Internet 1006 ist mit einem CATV-Netzwerk 3026 verbunden. Das CATV-Netzwerk umfasst ein Kabelmodemanschlusssystem (CMTS/cable modem termination system) 4004, ein Hybrid-Glasfaser-Koaxialkabel-(HFC-/Hybrid Fiber Coax) Netz 3010 und ein Kabelmodem 4006. Das CMTS 4004 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem Internet 3006 verbunden. Das CMTS 4004 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem HFC 3010 verbunden. Das HFC 3010 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem Kabelmodem 4006 verbunden.
  • Das Kabelmodem 4006 wird als Zugangsstelle verwendet, um andere Netzwerke, wie etwa ein HPNA-Netz 3014, und andere Geräte, wie etwa einen PC 4012 und ein Telefon 4001, mit dem Internet 3006 zu verbinden. Ein PC 4012 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem Kabelmodem 4006 verbunden. Ein Fernseh-(TV-) oder Videosystem 4014 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem Kabelmodem 4006 verbunden. Ein Telefon 4001 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem Kabelmodem 4006 verbunden.
  • Das Kabelmodem 4006 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise außerdem mit einem externen Netzwerk, wie etwa einem HPNA-Netz 3014, verbunden. Das gezeigte HPNA-Netz umfasst einen HPNA-Telefonadapter 4106. Das Kabelmodem 4006 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit dem HPNA-Telefonadapter 4016 verbunden. Der HPNA-Telefonadapter ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise mit einem auf herkömmliche Weise konstruierten Telefon 4008 verbunden. Das Übertragungssystem, das das Kabelfernsehnetz 3026 nutzt, ermöglicht es typischerweise einem Heimcomputerbenutzer, seinen Computer 4012 über ein Kabelfernsehübertragungsnetzwerk 3026 über ein Kabelmodem 4006 mit dem Internet 3006 zu vernetzen. Der Benutzer kann außerdem über das Kabelmodem 4006 Telefonanrufe machen sowie Fernsehprogramme auf einem Fernsehapparat 4014 empfangen.
  • Die Übertragung von Daten über das Kabelfernsehnetz 3026 wird durch die Data-Over-Cable-Service-Interface-Spezifikation (DOCSIS) gesteuert. Insbesondere die DOCSIS-Spezifikation SP-RF1-I04-980724 ist für die Implementierung der Ausführungsformen der Erfindung relevant.
  • Die Übertragung digitaler Telefoniedaten zwischen Telefonen 4008 in einem Heimnetz oder, gleichwertig dazu, einem ortsbezogenen Netz 3014 und über das Kabelfernsehnetz 3026 an Benutzer, die nicht direkt mit dem Heimnetz 4002 verbunden sind, ist durch die HPNA-Spezifikation 2.0 geregelt. Daher gewinnt, aufgrund der zunehmenden Nutzung von Netzwerksystemen für den Telefonverkehr, die Verwendung einer vollständig synchronen Taktung in dem Maße an Bedeutung, in dem der Bedarf an Sprachübertragungen über ein Datennetzwerk zunimmt.
  • 3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Verteilung von PSTN-Taktsteuerungsinformationssignalen unter Verwendung von Datenübertragungstechniken. Die Ansammlung angeschlossener Netzwerke 4060, 4070, 4080, 4090 bildet ein umfassendes Datenübertragungsnetzwerk 4000, in dem Taktsteuerungs- und Sprachdatensignale zwischen dem PSTN 3000 und den über das Datenübertragungsnetzwerk 4000 angeschlossenen Sprachabtastschaltungen 4310 und 4410 transportiert werden.
  • Das CMTS 4010 ist dafür konfiguriert, es zu ermöglichen, den DOCSIS-Netztaktgeber 4012 unter Verwendung eines wohlbekannten Stratum-3-Referenztaktgebers 4011 mit der Stationsreferenz 3040 zu synchronisieren. Die Leistung des Stratum-3-Referenztaktgebers ist durch Telcordia TR-NWT-001244 definiert. Fachleute werden erkennen, dass die Synchronisierungsschnittstelle 4014 zwischen der Stratum-3-Referenz und dem CMTS-Master-Oszillator 4012 eine auf herkömmliche Art und Weise konstruierte Phasenregelkreisschaltung (PLL-Schaltung) ist, die Fachleuten bekannt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst ein CMTS 4010 einen Stratum-3-Referenztaktgeber 4011, der unter Verwendung einer PLL-Schaltung 4014 mit dem CMTS-Master-Oszillator 4012 verbunden ist. Der CMTS-Master-Oszillator 4012 ist mit einer DOCSIS-Kopfstellensteuereinheit 4013 verbunden. Die DOCSIS-Kopfstellensteuereinheit ist auf Fachleuten bekannte, herkömmliche Art und Weise konstruiert. Ein Beispiel für diese Einrichtung die im Handel erhältliche BCM3210 von Broadcom Corporation. Die DOCSIS-Kopfstellensteuereinheit 4013 verbindet ein HFC 4060 über einen Upstream-/Downstream-Pfad 4050 mit einem QoS-verwalteten Ethernet 4090. Das CMTS führt einen Medienumwandlungsbetrieb zwischen dem DOCSIS-HF-Netz und dem Ethernet durch. Dieser Betrieb ist durch SP-RFI-I04-980724 beschrieben. Die Stationsreferenz 3040 und der Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 sind auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise konstruiert.
  • Das Hybrid-Glasfaser-/Koaxialkabel-(HFC-)Netz 4060 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise konstruiert. Das HFC-Netz 4060 stellt eine physische Übertragung zwischen dem CMTS 4010 und einem Kabelmodem 4300 bereit. Das DOCSIS-Datenübertragungsverfahren 4050 und 4200 stellt eine Möglichkeit bereit, Internet-Protokoll-formatierte Pakete zu liefern, die in MPEG-Frames eingebettet sind. Eine Beschreibung dieses Verfahrens findet sich in SP-RFI-I04-980724. DOCSIS legt außerdem ein Verfahren zum Senden der CMTS-Taktsteuerungs-Master-Informationen 4012 unter Verwendung eines DOCSIS-spezifischen Verfahrens an das Kabelmodem 4300 fest. Die Übertragung von Taktinformationen 4040 und 4100 ermöglicht es dem Kabelmodem, einen Taktrückgewinnungstakt (TRC/Timing Recovered Clock) 4312 zu erzeugen, der mit dem CMTS-Master-Takt 4012 frequenzsynchronisiert ist. Diese Ausführungsform bewirkt, dass der DOCSIS-TRC-Taktgeber 4312 mit der Stationsreferenz 3040 frequenzsynchronisiert ist.
  • Das Kabelmodem 4300 umfasst eine DOCSIS-CPE-Steuereinheit, die mit einer Sprachabtastschaltung 4310 gekoppelt ist, die wiederum mit einem auf herkömmliche Art und Weise konstruierten externen Telefonapparat 4001 verbunden ist. Das Kabelmodem ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise konstruiert. Der Kabelmodem-TRC 4312 ist mit der Sprachabtastschaltung durch herkömmliche Verfahren verbunden, welche Taktteiler umfassen, die zum Anpassen der Rate des TRC an die von der Sprachabtastschaltung 4310 benötigte Rate erforderlich sind. Ein Beispiel für die DOCSIS-CPE-Steuereinheit ist die BCM3350 von Broadcom Corporation. Ein Beispiel für eine Sprachabtastschaltung ist die Am79Q031 von Advanced Mirco Devices.
  • Die HPNA-Steuereinheit ist über die DOCSIS-CPE-Steuereinheit mit dem TRC-Taktgeber verbunden. Die HPNA-Steuereinheit stellt ein Verfahren zum Senden der TRC-Taktsteuerungsinformationen unter Verwendung von HPNA-Protokollsignalen bereit. Diese Schaltung ist als Beispiel angegeben, um zu zeigen, dass dieses Taktsteuerungsübertragungsverfahren dazu verwendet werden kann, das Taktsteuerungsnetz über das Kabelmodem hinaus zu erweitern.
  • Die HPNA-Steuereinheit 4311 des Kabelmodems dient dazu, das HPNA-Netz 4070 unter Verwendung von durch das DOCSIS-Netz bereitgestellten Datenübertragungsverfahren mit dem Ethernet 4090 zu verbinden. Die HPNA-Steuereinheit und das HPNA-Netz sind auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise konstruiert. Die HPNA-Steuereinheit 4311 des Kabelmodems ist über 4070 mit einer HPNA-Steuereinheit 4411 verbunden, die in einem HPNA-Telefonadapter 4400 enthalten ist. Die HPNA-Steuereinheit 4311 stellt ein Verfahren zum Senden des TRC-Taktes 4312 über eine Nachrichtenaustauschschnittstelle 4070 an den HPNA-Telefonadaptertaktgeber 4412 bereit. Die HPNA-Steuereinheit 4411 ist mit einem lokalen Taktgeber 4412 und einer Sprachabtastschaltung 4410 verbunden. Die Sprachab tastschaltung 4410 ist wiederum mit einem auf herkömmliche Art und Weise konstruierten externen Telefonapparat 4002 verbunden.
  • Das PSTN 3000 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise konstruiert. Das Gateway 3050 ist ebenfalls mit dem Ethernet 4090 und dem PSTN 3000 verbunden. Das PSTN ist wiederum mit mehreren auf herkömmliche Art und Weise konstruierten Telefonapparaten verbunden, die durch ein einzelnes Telefon 3001 repräsentiert sind.
  • Eine Kabelmodemanschlusssystemreferenz (CMTS-Referenz) 4011 ist mit der Netzwerkstationsreferenz 3020 synchronisiert. Die Stationsreferenz 3020 wird dazu verwendet, den internen Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 zu synchronisieren, der sowohl im CMTS 4010 als auch im PSTN-Gateway 3050 enthalten ist. Der Stratum-3-Referenztaktgeber im PSTN-Gateway 3050 ist auf herkömmliche, Fachleuten bekannte Art und Weise konstruiert. Die DOCSIS-CMTS-Referenz 4012 ist über eine Phasenregelkreisschaltung (PLL-Schaltung) 4014 dem Stratum-3-Referenztaktgeber untergeordnet.
  • Die DOCSIS-CMTS-Referenz 4012, die mit der PSTN-Stationsreferenz 3040 synchronisiert ist, wird über das HFC-Netz 4060 unter Verwendung eines Fachleuten wohlbekannten DOCSIS-Synchronisierungsverfahrens zur DOCSIS-CPE-Steuereinheit 4313 transportiert, die sich in einem entfernten Kabelmodem 4300 befindet. Das DOCSIS-Synchronisierungsverfahren bewirkt, dass der Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit mit dem CMTS-Referenztaktgeber 4012 frequenzsynchronisiert ist, welcher wiederum mit der Stationsreferenz 3040 phasensynchronisiert ist, die mit dem durch das PSTN-Taktverteilungsnetz bereitgestellten PSTN-Taktgeber phasensynchronisiert ist. Das Endergebnis dieses Verbindungsverfahrens besteht darin, dass der Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit mit dem PSTN-Taktsteuerungsverteilernetz frequenzsynchronisiert ist, was sich in der Stationsreferenz 3040 widerspiegelt.
  • Am Kabelmodem 4300 wird der Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit dazu verwendet, die Sprachschaltung 4310, die ein Teil des Kabelmodems 4300 (oder äquivalent dazu, lokal mit der DOCSIS-CPE-Steuereinheit 4313 verbunden) ist, mit einer Taktsteuerung zu versehen. Der Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit wird außerdem dazu verwendet, entfernt angeschlossene Sprachschaltungen 4411, die mit einem Heimnetz 4080 verbunden sind, mit einer Taktsteuerung zu versehen. Die vorliegende Erfindung schließt diese entfernten Sprachschaltungen über ein herkömmliches PNA-Heimnetz an. Fachleute werden erkennen, dass diese Verbindung ebenso durch andere Netzwerkeinrichtungen, die herkömmliche Ethernet- und Token-Ring-Netze umfassen, hergestellt werden kann. Die Netzverbindung ist nicht auf verdrahtete Verfahren beschränkt, da drahtlose Netzwerke eine gleichwertige Verbindung unter dem Betrieb verschiedener Standards bereitstellen, die Blue Tooth, IEEE 802.11a/b oder HomeRF umfassen.
  • Die HPNA-Steuereinheit 4311, die typischerweise im Kabelmodem 4300 enthalten ist, sendet einen synchronisierten Takt 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit an den angeschlossenen HPNA-Telefonadapter 4400. Der HPNA-Telefonadapter 4411 umfasst eine ähnliche HPNA-Steuereinheit 4411 zum Entnehmen von Taktinformationen, die unter Verwendung herkömmlicher Übertragungsprotokolle der HPNA-Steuereinheit 4311 des Kabelmodems gesendet werden. Die Übertragung wird über eine Taktübertragungs-MAC-Nachrichtenverbindung 4080 durchgeführt. Der HPNA-Telefonadapter verwendet die Taktinformationen, um den internen Taktgeber 4412 des HPNA-Telefonadapters mit dem Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit frequenzzusynchronsieren.
  • Daher bewirkt das Taktsteuerungsverteilungsverfahren, dass der Sprachabtastschaltungstaktgeber 4412 im HPNA-Telefonadapter mit dem Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit frequenzsynchronisiert wird. Die Sprachabtastschaltungen 4310 im Kabelmodem 4300 werden ebenfalls mit dem Taktgeber 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit phasensynchronisiert. Daher werden beide Sprachabtastschaltungen 4311, 4411 mit der Stationsreferenz 3040 frequenzsynchronisiert. Die Sprachabtastschaltungen im Kabelmodem 4300 und im HPNA-Telefonadapter 4400 werden über die Stationsreferenz 3040 zwangsläufig mit der PSTN-Netztaktsteuerung frequenzsynchronisiert.
  • Das Verfahren umfasst die Verwendung eines Taktverteilungssystems, in dem keine metallische Verbindung nötig ist, um die Takte zur Erzielung einer Synchronisierung zu verteilen. Eine metallische Verbindung ist zwischen der Stationsreferenz 3040 und dem Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 über die Leitung 3060 und zum PSTN-Gateway 3050 über die Leitung 3065 vorhanden. Die metallischen Verbindungen sind wohlbekannt und in der vorstehend genannten TR-NWT-001244-Spezifikation beschrieben.
  • Anders als die vorstehend genannten metallischen Verbindungen, verteilt das System Taktsteuerungen, die auf Taktinformationen enthaltenden Taktsteuerungsnachrichten basieren, über 4040, 4100, 4080.
  • Das PSTN-Gateway 3050 führt eine Medienumwandlungsfunktion durch, wobei auf Paketen basierende Sprachdaten vom Ethernet 4090 an einer ersten Schnittstelle empfangen werden, und wandelt die Abtastwerte für eine herkömmliche auf Abtastwerten basierende PSTN-Schnittstelle um. Fachleute werden erkennen, dass die PSTN-Schnittstelle ebenso eine beliebige von vielen unterschiedlichen Schnittstellenarten sein kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass diese Schnittstelle eine herkömmliche T1-Schnittstelle ist, die durch die Telcordia-Spezifikation GR-303 beschrieben ist.
  • Die T1-Schnittstelle ist eine digitale Schnittstelle, wobei Abtastwerte synchron über eine serielle Geschwindigkeits-Multiplexschnittstelle (speed serial multipled interface) gesendet werden. Das PSTN-Gateway 3050 erfasst Abtastwertsätze konstanter Größe und konstruiert Übertragungspakete, die über das verfügbare Datenübertragungsnetz an die angeschlossenen Zielschaltungen gesendet werden. Bei dieser Ausführungsform sind die Zielschaltungen die im Kabelmodem 4300 enthaltene Sprachschaltung 4310 oder der HPNA-Telefonadapter 4400. Die vorliegende Ausführungsform verwendet DOCSIS zum Senden von Daten über ein Hybrid-Glasfaser-/Koaxialkabelnetz (HFC-Netz) 4060 und ein Ethernet-Netz 4090, um die Datenpaketlieferung durchzuführen. Fachleute werden erkennen, dass diese einfache Beispiele für Datenübertragungsnetzwerke darstellen und dass eine große Anzahl alternativer Netzübertragungssysteme auf diesem Gebiet wohlbekannt ist, die ebenso dieselben Verbindungen herstellen können.
  • Die Sprachabtastschaltungen in kundeneigenen Endgeräten (CPE/Customer Premise Equipment) empfangen die Datenpakete, die die Sprachabtastwertsätze konstanter Größe enthalten, und geben diese Abtastwerte an eine Audioschnittstelle des angeschlossenen Telefonapparats 4001 unter Verwendung der frequenzsynchronisierten lokalen Version des Taktgebers 4312 der DOCSIS-CPE-Steuereinheit aus. Dieser Taktgeber ist über die Stationsreferenz 3040 mit dem PSTN-Taktsteuerungsverteilungstaktgeber frequenzsynchronisiert. Somit werden diese Abtastwerte mit derselben Rate an die Sprachabtastschaltung 4310, 4410 ausgegeben, mit der sie am PSTN-Gateway 3050 ankommen. Somit ist der gesamte Betrieb frei von Daten-Über- oder Unterschreitungsbeeinträchtungen, die häufig nachteilige Auswirkungen auf die Sprachqualität haben, welche häufig auftreten würden, wenn dieses Taktsteuerungsverteilungsverfahren nicht verwendet werden würde.
  • Die Verteilung ist ein DOCSIS-Übertragungssystem, das durch das folgende Verfahren ausgeführt wird. Ein herkömmliches DOCSIS-Übertragungssystem umfasst eine DOCSIS-Kopfstellensteuereinheit 4010, die einen CMTS-Master-Taktgeber 4012 umfasst. Ein HFC-Netz 4060 ist mit der DOCSIS-Kopfstellensteuereinheit 4013 über einen Nachrichtenaustauschpfad 4050, 4040 verbunden. Das HFC-Netz 4060 ist über den Nachrichtenaustauschpfad 4040, 4050 mit der DOCSIS-CPE-Steuereinheit 4313 verbunden. Die DOCSIS-CPE-Steuereinheit 4313 umfasst einen lokalen Taktgeber 4312. Der lokale Taktgeber 4312 wird durch ein herkömmliches intern generiertes DOCSIS-Taktsynchronsierverfahren 4040 mit dem Taktgeber 4012 synchronisiert. Die Taktgeber 4312 und 4012 werden somit durch einen herkömmlichen DOCSIS-Mechanismus synchronisiert. Bei der im DOCSIS-System beschriebenen Ausführungsform ist der Taktgeber 4012 die Master-Referenz und legt die Zeitbasis für das gesamte DOCSIS-Netzwerk fest.
  • Eine auf herkömmliche Weise formatierte DOCSIS-Nachricht umfasst eine Nachricht, die Synchronisiernachricht genannt wird und Taktrateninformationen bezüglich des Taktgebers 4012 sendet, so dass die im Kabelmodem 4300 enthaltene Steuereinheit 4313 diese Informationen dazu verwendet, den Taktgeber 4312 mit dem Taktgeber 4012 zu synchronisieren. Dies ist der DOCSIS-Takttransportmechanismus.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet den DOCSIS-Takttransport. Der DOCSIS-Takttransportmechanismus ist ausschließlich dafür ausgelegt, ein Taktsignal in Upstream-Richtung zu senden. Das DOCSIS-Takttransportsystem ist bloß ein Sendertakt zur Unterstützung der internen DOCSIS-Netzwerktaktsteuerung, d.h. der Takt wird weder importiert noch exportiert.
  • Die Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 zum Importieren eines Master-Takts. Der Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 synchronisiert sich selbst mit dem Stationsreferenztaktgeber 3040. Ein Synchronisiersignal 4014 synchronisiert den CMTS-Taktgeber 4012 mit dem Stratum-Referenztaktgeber 4011. Der Stratum-3-Referenztaktgeber ist auf herkömmliche Weise konstruiert, wie im Belcor-Standard TR 3244 angegeben. Eine Synchronisierung der Stationsreferenz 3040 mit einem Stratum-Referenztaktgeber 3060 wird durch eine herkömmliche Synchronisierschaltung erreicht, die Fachleuten bekannt ist. Derart angeschlossen, ist der Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 nun die Master-Referenz des CMTS 4010.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist die DOCSIS-Master-Referenz 6 über den Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 der Stationsreferenz 4112 untergeordnet. Wenn das DOCSIS-System arbeitet, sendet es den Takt 4012 an den Taktgeber 4312. Was das DOCSIS-System jedoch tatsächlich tut, ist die Stationsreferenz 3040 zu senden, da der Taktgeber 4012 dem Taktgeber 3040 untergeordnet ist, welcher wiederum der Stationsreferenz 3040 untergeordnet ist. Es ist erwünscht, die DOCSIS-Taktsteuerung der Stationsreferenz 3040 unterzuordnen, die auch vom PSTN-Netz verwendet wird, da das PSTN an das HPNA-Telefonsystem angeschlossen ist. Daher arbeitet das Gateway 3050 in Wahrheit unabhängig von der Stationsreferenz 3040.
  • Das Gateway wandelt vom HFC-Netz 4060 ankommende Pakete um. Das Gateway 3050 wandelt vom HFC-Netz über das Internet ankommende Pakete in ein PSTN-kompatibles Signal um. Das gesamte PSTN-Netz wird durch die Stationsreferenz 3040 synchronisiert. Es ist erwünscht, dass am Gateway 3050 ankommende Datenpakete in Synchronisation mit der Stationsreferenz 3040 zeitlich abgestimmt werden, um Slips (Datenverluste) zu verhindern.
  • Das Gateway 3050 ist ein Computer, der Protokollumsetzungen zwischen unterschiedlichen Netzwerk- und Anwendungsarten durchführt, damit Signale übertragen werden können. Ein Gateway wandelt beispielsweise Nachrichten zwischen zwei unterschiedlichen Protokollen um, so dass eine Nachricht von einem ersten Netzwerk in ein zweites unterschiedliches Netzwerk transportiert und dort verarbeitet werden kann. Ein Open-System-Interconnection-(OSI-)Modell definiert ein System zum Implementieren von Protokollen in Schichten, das in einem Gateway verwendet wird. Die Verarbeitungssteuerung wird von einer Schicht an die nächste weitergegeben, beginnend mit der Anwendungsschicht in einer Station und weiter zur untersten Protokollschicht über einen Kanal (wie etwa das Internet) zu einer nächsten Station und wieder eine aus Schichten bestehende Hierarchie in dieser Station empor. Alternativ kann eine Nachricht einfach durch ein Netzwerk weitergeleitet werden, sobald ihr Protokoll durch ein Gateway umgewandelt worden ist, so dass sie das Netzwerk passieren kann, um zu einem anderen Netzwerk zu gelangen, in dem sie verarbeitet wird.
  • Die Daten kommen über einen Upstream-Pfad, der von einem von mehreren Telefonapparaten 4002, 4001 ausgeht, am Gateway 3050 an. Der Upstream-Datenpfad für ein HPNA-Telefon zum PSTN beginnt mit dem Datenpfad 4070 zwischen dem HPNA-Telefonadapter und dem Kabelmodem 4300. Die nächste Verbindung verläuft über die Verbindung 4200 vom Kabelmodem zum HFC-Netz 4060. Die nächste Verbindung verläuft über den Upstream-Datenpfad 4050 vom HFC-Netz zum CMTS 4010. Das CMTS verbindet die Upstream-Daten über den Datenpfad 3016 mit dem Internet. Schließlich verbindet das Ethernet die Daten über den Datenpfad 3070 mit dem Gateway 3050. Es ist erwünscht, die am Gateway 3050 befindlichen Daten ohne Slips an das PSTN 3000 zu übertragen.
  • Eine slip-freie Umgebung wird alternativ als vollständig synchrone Umgebung bezeichnet. Durch Steuern eines Abtasttakts mittels einer externen Stationsreferenz 3040 ist die Sprachabtastschaltung 4310, 4410 vollständig mit der Stationsreferenz synchronisiert, um eine slip-freie Umwandlung bereitzustellen. Die Taktinformationen werden dazu verwendet, Daten zu senden und empfangen. Die Taktinformationen werden außerdem dazu verwendet, einen Abtasttakt zu entwickeln, um eine Audioschnittstelle am Gataway 3050 abzutasten. Die Audioabtastwerte werden mit der Stationsreferenzrate des PSTN in Daten umgewandelt. Diese synchrone Abtastung verhindert Slipping, vereinfacht die Schaltungserkennung und verbessert häufig die Audioqualität.
  • Slipping tritt auf, wenn zwei Takte nicht gleich sind, wie etwa der Takt der Sprachabtastschaltung 4310 und der Takt des PSTN, welcher die Stationsreferenz 3040 ist. Häufig liegen die Takte nahe beieinander, sind aber nicht gleich. In einem PSTN wird ein Netzwerk-Slip-Management verwendet. Wenn beispielsweise der Sprachabtastungstaktgeber etwas schneller als der Stationsreferenztaktgeber 3040 laufen würde, dann würde die Sprachabtastschaltung 31 mit der Zeit mehr Abtastwerte erfassen als das mit der Stationsreferenz 3040 synchronisierte PSTN. Somit werden mehr Abtastwerte erfasst als an das PSTN-Netz gesendet werden können. Dies passiert, weil der Gateway-Taktgeber 3050 nicht vollständig mit der Stationsreferenz 3040 synchronisiert ist. Eine der Sprachabtastschaltung 4310 zugeordnete Pufferschaltung speichert typischerweise die Abtastwerte. Wenn jedoch die Sprachabtastschaltung mit einer schnelleren Rate abtastet als das Gateway, das die Daten in das PSTN takten kann, füllt sich eine der Sprachabtastschaltung 4310 zugeordnete Pufferschaltung mit der Zeit und Abtastwerte werden verworfen, da es mehr sind als verarbeitet werden können. Zur Vermeidung dieses Problems wird typischerweise ein Slip-Puffer verwendet. Im Slip-Puffer werden Abtastwerte nach einer gewissen Zeitspanne verworfen. Nachdem ein Teil der Informationen verworfen worden ist, fährt der Puffer fort, sich mit Datenabtastwerten zu füllen bis ein gewisser Prozentsatz der Kapazität erreicht worden ist, ab welchem Zeitpunkt wieder Abtastwerte verworfen werden.
  • Wenn der Abtasttaktgeber der Sprachabtastschaltung 4310 langsamer als die Stationsreferenz 3040 läuft, die die Synchronisierschaltung im Gateway 3050 ansteuert, nimmt das PSTN mehr Daten an als die Sprachabtastschaltung 4310 bereitstellen kann. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, werden die Informationen periodisch wiederholt, um die Synchronisierung mit dem Sender aufrechtzuerhalten. Die zwei soeben dargelegten Techniken werden häufig als "Slip-Puffer-Management" bezeichnet. Daher gehen, wenn der Abtasttaktgeber 4310 synchron mit der Stationsreferenz 3040 arbeitet, die das Gateway 3050 taktet, niemals Daten verloren. Datenabtastwerte werden vom PSTN mit genau derselben Rate erfasst, mit der sie vom Internet an das PSTN gesendet werden.
  • Die Taktsteuerungssynchronisierung im Downstream-Pfad wird auf dieselbe Art und Weise durchgeführt. Vom PSTN über das Gateway 3050 gesendete Nachrichten werden mit einem von der Stationsreferenz 3040 festgelegten Takt abgetastet. Die Stationsreferenz wird über den Stratum-3-Referenztaktgeber 4011 und die DOCSIS-Kopfstellensteuereinheit durch eine über das HFC-Netz an die DOCSIS-CPE-Steuereinheit gesendete Nachricht mit einer Sprachabtastschaltung 4310 synchronisiert. Diese Vorgehensweise zur Synchronisierung von Taktgebern in einem Pakettransportnetz ermöglicht es, das Slip-Management und die zugeordneten Schaltungen, die zur Implementierung dieses Slip-Managements nötig sind, zu beseitigen.
  • Kabelmodems und das Kabelmodemanschlusssystem
  • Bei einem Kabelmodemsystem befindet sich eine Kopfstelle oder ein Kabelmodemanschlusssystem (CMTS) in einem Kabelfirmengebäude und arbeitet als Modem, das eine große Anzahl an Teilnehmern bedient. Jeder Teilnehmer verfügt über ein Kabelmodem (CM/cable modem). Somit ermöglicht das CMTS eine bidirektionale Kommunikation mit jedem gewünschten der Mehrzahl an CMs.
  • Das CMTS kommuniziert mit der Mehrzahl an CMs über ein Hybrid-Glasfaser-Koaxialkabel-Netz (HFC-Netz), wobei die Glasfaser eine Datenübertragung an eine Mehrzahl an Glasfaserknoten vorsieht und jeder Glasfaserknoten typischerweise ungefähr 500 bis 2.000 Teilnehmer bedient, die über Koaxialkabel mit dem Knoten kommunizieren. Das Hybrid-Glasfaser-Koaxialkabel-Netz eines CM-Systems verwendet eine Punkt-zu-Multipunkt-Topologie, um die Datenübertragung zwischen dem CMTS und der Mehrzahl an CMs zu ermöglichen. Das Frequenzmultiplexverfahren (FDMA/Frequency Domain Multiple Access) bzw. das Zeitmultiplexverfahren (TDMT/Time Division. Multiplexing) wird verwendet, um die Datenübertragung vom CMTS zu jedem der CMs zu ermöglichen, d.h. in Downstream-Richtung. Das FDMA bzw. Zeitmultiplexverfahren (TDMA) wird verwendet, um die Datenübertragung von jedem CM zum CTMS zu ermöglichen, d.h. in Upstream-Richtung.
  • Das CMTS umfasst einen Downstream-Modulator zum Ermöglichen des Sendens von Datenübertragungen von dort an die CMs und einen Upstream-Demodulator zum Ermöglichen des Empfangs von Datenübertragungen von den CMs. Der Downstream-Modulator des CMTS verwendet entweder 64 QAM oder 256 QAM in einem Frequenzband von 54 MHz bis 860 MHz, um eine Datenrate von bis zu 56 Mbps bereitzustellen.
  • Ebenso umfasst jedes CM einen Upstream-Modulator zum Ermöglichen des Sendens von Daten an das CMTS und einen Downstream-Modulator zum Empfangen von Daten vom CMTS. Der Upstream-Modulator eines jeden CM verwendet entweder QPSK oder 16 QAM innerhalb der 5 MHz- bis 42 MHz-Bandbreite des Upstream-Demodulators und der Downstream-Demodulator eines jeden CM verwendet entweder 64 QAM oder 256 QAM innerhalb der 54 MHz- bis 860 MHz-Bandbreite des Downstream-Modulators (in Nordamerika).
  • Bezug nehmend nun auf 4 ermöglicht ein Hybrid-Glasfaser-Koaxialkabel-(HFC-)Netz 5010 die Datenübertragung zwischen einer Kopfstelle (Headend) 5012, die wenigstens ein CMTS umfasst, und einer Mehrzahl an Haushalten 5014, von denen jeder über ein CM verfügt. Solche HFC-Netze werden für gewöhnlich von Kabel-Providern dazu verwendet, Teilnehmern Internet-Zugang, Kabelfernsehen, Pay-per-View-Fernsehen und dergleichen zur Verfügung zu stellen.
  • Ungefähr 500 Haushalte 5014 sind, typischerweise über die Koaxialkabel 5029, 5030, 5031, elektrisch mit jedem Knoten 5016, 5034 des HFC-Netzes 5010 verbunden. Verstärker 5015 ermöglichen die elektrische Verbindung der entfernteren Haushalte 5014 mit den Knoten 5016, 5034 durch Verstärken der elektrischen Signale, um so den Rauschabstand solcher Datenübertragungen in erwünschter Weise zu erhöhen, und durch anschließendes Senden der elektrischen Signale über die Koaxialleiter 5030, 5031. Die Koaxialleiter 5029 verbinden die Haushalte 5014 elektrisch mit den Koaxialleitern 5030, 5031, die sich zwischen den Verstärkern 5015 und den Knoten 5016, 5034 erstrecken.
  • Jeder Knoten 5016, 5034 ist elektrisch mit einem Hub (Sternverteiler) 5022, 5024 verbunden, typischerweise über eine Glasfaser 5028, 5032. Die. Hubs 5022, 5024 sind über die Glasfaser 5020, 5026 mit der Kopfstelle 5012 verbunden. Jeder Hub ist typischerweise dazu in der Lage, eine Kommunikation mit ungefähr 20.000 Haushalten 5014 zu ermöglichen.
  • Die Glasfaser 5020, 5026, die sich zwischen der Kopfstelle 5012 und jedem Hub 5022, 5024 erstreckt, bildet einen Glasfaserring, der typischerweise dazu in der Lage ist, zwischen ungefähr 100.000 Haushalten 5014 und der Kopfstelle 5012 eine Kommunikation zu ermöglichen.
  • Die Kopfstelle 5012 kann Videoserver, Satellitenempfänger, Video-Modulatoren, Telefon-Switches und/oder Internet-Router 5018 sowie das CMTS umfassen. Die Kopfstelle 5012 kommuniziert über die Übertragungsleitung 5013, die eine T1- oder T2-Leitung sein kann, mit dem Internet, anderen Kopfstellen und/oder beliebigen anderen Einrichtungen oder Netzwerken.
  • Bezug nehmend auf 5 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm die Verbindung zwischen der Kopfstelle 5012 und einem beispielhaften Haushalt 5014, wobei ein CM 5046 mit einem CMTS 5042 über ein HFC-Netz 5010 kommuniziert. Ein im Haushalt 5014 befindlicher Personal-Computer 5048 ist über das Kabel 5011 mit dem CM 5046 verbunden. Spezifischer sind, bezogen auf die vorliegende Erfindung, bitratenabgetastete Datenübertragungseinrichtungen 5047a und 5047b, wie etwa Telefone, Fax- oder Modemeinheiten, mit einem Abtast- und Paketsynchronisierungsteilsystem (nachfolgend genauer beschrieben) verbunden, das wiederum an das CM 5046 angeschlossen ist. Das CM 5046 kommuniziert über das Koaxialkabel 5017 mit dem HFC-Netz 5044, das wiederum über die Glasfaser 5020 mit dem CMTS 5042 der Kopfstelle 5012 kommuniziert.
  • Der Internet-Router ermöglicht die Kommunikation zwischen der Kopfstelle 5012 und dem Internet oder einer/einem anderen gewünschten Einrichtung oder Netzwerk und insbesondere, bezogen auf die vorliegende Erfindung, einem beliebigen Endbenutzersystem, bei dem ein Anruf von einem Haushalt 5014 eingeht, wie etwa einem Anrufempfänger 6002, der über den PSTN-Gateway 6004 mit dem öffentlichen Telefonnetz (PSTN) verbunden ist.
  • Zur Durchführung von TDMA bei der Upstream-Kommunikation ist es notwendig, Zeitschlitze zuzuweisen, in denen CMs, die eine Nachricht an das CMTS zu versenden haben, senden können. Die Zuweisung solcher Zeitschlitze wird durch Bereitstellen eines Anfragekonkurrenzbereichs im Upstream-Datenpfad durchgeführt, in dem die CMs miteinander konkurieren können, um eine Nachricht zu platzieren, die zusätzliche Zeit im Upstream-Datenpfad zum Senden ihrer Nachricht anfordert. Das CMTS antwortet auf diese Anfragen durch Zuweisen von Zeitschlitzen an die CMs, die eine solche Anfrage stellen, so dass so viele CMs wie möglich ihre Nachrichten unter Verwendung von TDMA an das CMTS senden können und die Übertragungen ohne unerwünschte Kollisionen durchgeführt werden. Mit anderen Worten, das CM fordert einen Anteil der Bandbreite des Kabelsystems zum Senden von Daten an. Im Gegenzug empfängt das CM eine "Bewilligung" (grant) eines Bandbreitenanteils zum Senden von Daten in Antwort auf die Anfrage. Die Zeitschlitzzuweisung durch das CMTS ist als "Bewilligung" bekannt, da das CMTS eine spezielle CM-Genehmigung erteilt, eine spezifische Zeitspanne im Upstream zu nutzen.
  • Aufgrund der Verwendung von TDMA verwendet das CMTS einen Burst-Empfänger anstelle eines kontinuierlichen Empfängers zum Empfangen von Datenpaketen von CMs über Upstream-Datenübertragungen. Wie Fachleute erkennen werden, kann ein kontinuierlicher Empfänger nur dann genutzt werden, wenn im Allgemeinen kontinuierliche Datenübertragungen (im Gegensatz zu Burst-Datenübertragungen, wie bei der vorliegenden Erfindung) durchgeführt werden, um so die Taktsteuerungssynchronisierung zwischen dem Sender und dem Empfänger im Wesentlichen aufrechtzuerhalten, wie es für einen ordnungsgemäßen Empfang der übertragenen Informationen erforderlich ist. Während kontinuierlicher Datenübertragungen ist die Taktrückgewinnung ein einfacheres Verfahren, da die Signalerfassung im Allgemeinen nur bei der Initiierung solcher Datenübertragungen erfolgt. Somit wird die Erfassung in kontinuierlichen Empfängern im Allgemeinen nur einmal pro kontinuierliche Übertragung durchgeführt, wobei jede kontinuierliche Übertragung sehr lang sein kann.
  • Die TDMA-Systemen inhärenten Burst-Datenübertragungen erfordern jedoch eine periodische und häufige Neuerfassung des Signals. Das heißt, während TDMA-Datenübertragungen, muss das Signal für jede empfangene separate Burst-Übertragung neu erfasst werden.
  • Die Zuweisung solcher Zeitschlitze wird durch Bereitstellen eines Anfragekonkurrenzbereichs im Upstream-Datenpfad durchgeführt, in dem die CMs miteinander konkurieren können, um eine Nachricht zu platzieren, die Zeit im Upstream-Datenpfad zum Senden ihrer Nachricht anfordert. Das CMTS antwortet auf diese Anfragen durch Zuweisen von Zeitschlitzen an die CMs, die eine solche Anfrage stellen, so dass so viele CMs wie möglich ihre Nachrichten unter Verwendung von TDMA an das CMTS senden können und die Übertragungen ohne unerwünschte Kollisionen durchgeführt werden.
  • Kurz gesagt, eine Upstream-Datenübertragung über einen Upstream-Kanal wird initiiert durch eine Anfrage von einem CM nach einer Menge an Bandbreite, d.h. einer Mehrzahl an Zeitschlitzen, zum Senden von eine Nachricht enthaltenden Daten. Die Größe der Anfrage umfasst die Nutzlast (Payload), d.h. die gesendeten Daten, und die Grundlast (Overhead), wie etwa die Präambel, FEC-Bits, das Schutzband, etc. Nachdem die Anfrage an der Kopfstelle empfangen wurde, bewilligt das CMTS dem anfragenden CM Bandbreite und sendet die Größe der Bewilligung und die spezifischen Zeitschlitze, denen die Daten zur Einfügung zugewiesen werden, an das anfragende CM.
  • Es ist wichtig, zu verstehen, dass eine Mehrzahl solcher CMs in einem CM-System vorhanden ist und dass jedes der CMs periodisch eine Anfrage für eine Zeitschlitzzuweisung an das CMTS senden kann. Somit empfangt das CMTS häufig solche Anfragen und weist in Antwort auf solche Anfragen Zeitschlitze zu. Informationen, die die zugewiesenen Zeitschlitze repräsentieren, werden zusammengetragen, um ein MAP zu definieren, wobei das MAP dann über einen spezifischen Kanal an alle CMs gesendet wird, um die Informationen allen CMs, die ein oder mehrere Datenpakete an das CMTS zu senden haben, genau dann zuzuführen, wenn jedes der CMs autorisiert wird, sein(e) Datenpaket(e) zu senden.
  • Bezug nehmend nun auf 6 werden die Zuweisung von Zeitschlitzen durch das CMTS und die Erzeugung eines MAP, das die Zeitschlitzzuweisungen definiert, genauer beschrieben. Der Inhalt einer MAP-Protokolldateneinheit (PDU/Protocol Data Unit) 5113 ist dargestellt. Die MAP-PDU 5113, die vom CMTS 5042 über den Downstream-Kanal an alle CMs 5046 auf einem gegebenen Frequenzkanal gesendet wird, enthält die Zeitschlitzzuweisungen für zumindest einige der CMs 5046, die zuvor eine Anfrage zum Senden eines oder mehrerer Datenpakete an das CMTS 5042 gesendet haben. Wenn die Kanalbandbreite ausreicht, weist das CMTS 5042, angesichts der Anzahl solcher vom CMTS 5042 empfangener Anfragen, jedem derart anfragenden CM 5046 einen Zeitschlitz zu.
  • Des Weiteren definiert die MAP-PDU 5113, zumindest gelegentlich, wenigstens einen Anfragekonkurrenzbereich 112 und enthält im Allgemeinen außerdem eine Mehrzahl an CM-Sendegelegenheiten 5114 im Upstream-Kanal 5117. Ein Erhaltungs-Frame 5116 kann ebenfalls durch die MAP-PDU 5113 im Upstream-Kanal 5117 definiert werden, wie nachfolgend genauer beschrieben.
  • Der Anfragekonkurrenzbereich 5112 umfasst zumindest einen Zeitbereich, in dem die CMs 1046 ihre Anfragen zum Senden von Datenpaketen an das CMTS 5042 senden. Jede der CM-Sendegelegenheiten 5114 definiert einen Zeitschlitz, in dem es einem benannten CM 5046 erlaubt ist, das Datenpaket zu senden, für das zuvor eine Anfrage an das CMST 5042 gesendet wurde.
  • Darüber hinaus können ein oder mehrere fakultative Sendekonkurrenzbereiche (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, in denen die CMs 5046 miteinander um die Gelegenheit, Daten zu senden, konkurrieren können. Solche Sendekonkurrenzbereiche werden bereitgestellt, wenn, nachdem die MAP-PDU 5113 all denjenigen CMs 5046, die eine Zeitschlitzzuweisung beantragt haben, Sendegelegenheiten 5114 zugewiesen hat, ausreichend Bandbreite übrig ist. Somit werden die Sendekonkurrenzbereiche im Allgemeinen bereitgestellt, wenn der Upstream-Datenfluss vergleichsweise schwach ist.
  • Der Upstream-Kanal 5119 ist in eine Mehrzahl von Zeitintervallen 5110 aufgeteilt, von denen jedes wahlweise weiter in eine Mehrzahl an Sub-Intervallen 5115 unterteilt werden kann. Der Upstream-Kanal 5119 ist somit unterteilt, um die Definition von Zeitschlitzen zu ermöglichen, so dass jedes einer Mehrzahl an CMs 5046 Datenpakete an das CMTS 5042 senden kann, ohne dass sie einander stören, z.B. ohne Datenkollisionen infolge von gleichzeitig gesendeten Datenpaketen.
  • Somit ermöglicht die Verwendung eines MAP 5113 die Definition von Schlitzen 5092. Jeder Schlitz 5092 kann für einen beliebigen gewünschten vordefinierten Zweck verwendet werden, z.B. als Anfragekonkurrenzbereich 5112 oder als Sendegelegenheit 5114. Jeder durch eine MAP-PDU 113 definierte Schlitz 5092 umfasst eine Mehrzahl an Zeitintervallen 5110 und kann außerdem ein oder mehrere Subintervalle 5115 zusätzlich zu dem oder den Intervallen 5110 umfassen. Die Anzahl der in einem Schlitz 5092 enthaltenen Intervalle 5110 und Sub-Intervalle 5115 hängt von dem Inhalt der MAP-PDU 5113 ab, die den Schlitz 5092 definiert. Die Dauer jedes Intervalls 5110 und Sub-Intervalls 5115 kann nach Wunsch festgelegt werden. Wahlweise entspricht jedes Sub-Intervall 5115 in etwa einem Medienzugriffssteuer-(MAC-/Media Access Control)Taktsteuerungsintervall. Jede MAP-PDU 5113 definiert einen Frame und jeder Frame definiert eine Mehrzahl an Schlitzen 5092.
  • Der Anfang eines jeden Sub-Intervalls 5115 ist zeitlich mit dem Anfang jedes Intervalls 5110 ausgerichtet und jedes Intervall 5110 enthält typischerweise eine ganze Zahl an Sub-Intervallen 5115.
  • Typischerweise umfasst der Anfragekonkurrenzbereich 5112 und jede CM-Sendegelegenheit 5114 eine Mehrzahl ganzzahliger Intervalle 5110. Der Anfragekonkurrenzbereich 5112 und/oder die CM-Sendegelegenheit 5114 können jedoch alternativ eine beliebige gewünschte Kombination aus Intervallen 5110 und Sub-Intervallen 5115 umfassen. Somit kann jeder Anfragekonkurrenzbereich 5112 von einer Mehrzahl der CMs 5046 dazu verwendet werden, eine oder mehrere Zeitschlitzzuweisungen zu beantragen, die die Übertragung eines oder mehrere Pakete während der den CMs 5046 anschließend zugewiesenen Sendegelegenheit 5114 ermöglichen.
  • Jedes Datenpaket kann nur Daten enthalten, obgleich ein erweitertes Datenpaket so definiert werden kann, dass es sowohl Daten als auch eine Präambel umfasst. Die Präambel wird typischerweise vom CMTS 5042 von einem erweiterten Paket entfernt und die Daten im Paket dann von einer Zentraleinheit (CPU) des CMTS 5042 verarbeitet.
  • Die Dauer des Anfragekonkurrenzbereichs 5112 ist typischerweise variabel, so dass sie so bemessen werden kann, dass die Anzahl an CMs 5046 aufgenommen werden kann, von denen erwartet wird, dass sie Zeitschlitzzuweisungen vom CMTS 5042 beantragen werden. Die Dauer des Anfragekonkurrenzbereichs 5112 kann daher durch die Anzahl der von den CMs gesendeten Anfragen basierend auf früheren Erfahrungen bestimmt werden.
  • Die durch die CM-Sendegelegenheiten 5114 definierten Zeitschlitzzuweisungen 92 können wahlweise, zumindest zum Teil, basierend auf vom CMTS 5042 für unterschiedliche CMs 5046 festgelegten Prioritäten definiert werden. Prioritäten können beispielsweise für einzelne CMs 5046 basierend auf einer von den Teilnehmern getroffenen Wahl festgelegt werden, die typischerweise abhängig von der Art des gewünschten Dienstes (Service) ist. Somit kann sich ein Teilnehmer entweder für einen vorrangigen Dienst (hoher Priorität) oder einen normalen Dienst (niedriger Priorität) entscheiden.
  • Alternativ können Prioritäten vom CMTS 5042 für die CMs basierend auf der Größe und Anzahl der CM-Sendegelegenheiten 5114 festgelegt werden, die in der Vergangenheit von den Teilnehmern angefordert wurden. Somit kann ein CM, das typischerweise eine große Anzahl an Zeitintervallen 5110 benötigt, als Benutzer hoher Priorität definiert werden, wobei die gegebene Priorität bei der Zuweisung von Zeitschlitzen innerhalb einer CM-Sendegelegenheit 5114 auf der Annahme basiert, dass eine solche umfangreiche Nutzung auf einen anhaltenden Bedarf einer solchen Priorität hinweist, d.h. darauf hinweist, dass der Teilnehmer Kabelfernsehen, Pay-per-View-Fernsehen oder dergleichen nutzt.
  • Alternativ kann das CMTS solche Prioritäten basierend auf der Art des jedem CM zur Verfügung gestellten Dienstes zuweisen. Somit kann beispielsweise, wenn Kabelfernsehen oder Pay-per-View-Fernsehen einem CM zur Verfügung gestellt wird, die Priorität dieses CM erhöht werden, um ein ununterbrochenes Fernsehen sicherzustellen.
  • Die jedem CM 5046 zugeordnete Priorität kann sowohl die Größe der ihm zugewiesenen Zeitschlitze als auch die Reihenfolge, in der solche Zuweisungen durchgeführt werden, bestimmen. Es ist wahrscheinlicher, dass die Zuweisungen, die früher im Zuweisungsverfahren durchgeführt wurden, vollständig gefüllt werden als die Zuweisungen, die später im Zuweisungsverfahren durchgeführt werden. Tatsächlich können später im Zuweisungsverfahren durchgeführte Zuweisungen ungefüllt bleiben, wenn die Bandbreite des Kanals nicht ausreicht, um die Zuweisung von Zeitschlitzen für alle anfragenden CMs 5046 zu ermöglichen.
  • Zeitschlitze, die den Erhaltungsbereich 51116 definieren, werden wahlweise in einem MAP 113 bereitgestellt. Solche Erhaltungsbereiche 5116 können beispielsweise dazu verwendet werden, die Synchronisierung der Taktgeber der CMs mit dem Taktgeber des CMTS zu ermöglichen. Eine solche Synchronisierung ist notwendig, um sicherzustellen, dass jedes CM 5046 nur innerhalb seiner zugewiesenen Zeitschlitze sendet, die durch die Sendegelegenheit 5114 eines jeden CM definiert sind.
  • Der Anfragekonkurrenzbereich 5112, die CM-Sendegelegenheit 5114 und der Erhaltungsbereich 5116 beginnen typischerweise am Anfang eines Intervalls 110 und enden am Ende eines Intervalls 110. Jeder Anfragekonkurrenzbereich 5112, jede CM-Sendegelegenheit 5114 und jeder Erhaltungsbereich 5116 kann jedoch an einer beliebigen gewünschten Stelle beginnen und enden. Somit werden Anfragekonkurrenzbereiche 5112, CM-Sendegeienheiten 5114 und Erhaltungsbereiche 5116 variabler Dauer bereitgestellt. Solche Anfragekonkurrenzbereiche 5112, Sendegelegenheiten 5114 und Erhaltungsbereiche 5116 variabler Dauer ermöglichen einen flexiblen Betrieb des CM-Systems und steigern die Effizienz der Datenübertragungen des CM-Systems, indem sie häufig die verschwendete Kanalkapazität vermindern.
  • Das aktuelle MAP 5170 wird nach der Übertragung eines früheren MAP 5090 und vor einem späteren MAP 5091 im Downstream-Kanal 5111 gesendet. Daten, wie etwa Datenpakete, die Webseiten, e-mails, Kabelfernsehen, Par-per-View-Fernsehen, digitaler Telefonie, etc. zugeordnet sind, werden zwischen benachbarten MAPs 5090, 5170, 5091 gesendet.
  • Der Inhalt einer jeden CM-Sendegelegenheit 5114 kann wahlweise Daten und eine Präambel umfassen. Die Daten umfassen zumindest einen Abschnitt des Datenpakets, für das eine Sendeanfrage an das CMTS 5042 gesendet wurde. Die Präambel enthält typischerweise Informationen, die die Kennung des CM 5046 darstellen, von dem die Daten gesendet wurden, sowie beliebige andere gewünschte Informationen.
  • Die Daten und die Präambel müssen nicht das volle Zeitintervall der Kabelsendegelegenheit 5114 in Anspruch nehmen. Schutzbänder werden wahlweise am Anfang und am Ende jedes Schlitzes bereitgestellt, um die Genauigkeit zu verringern, mit der die Zeitsynchronisierung zwischen dem CMTS und jedem CM durchgeführt werden muss. Somit wird durch Bereitstellen solcher Schutzbänder ein gewisser Spielraum in der Sendezeit vorgesehen, während der jedes CM sein Datenpaket in den Upstream-Kanal 5119 einsetzt.
  • Bezug nehmend nun auf die 7 und 8 ist die Konstruktion eines Frames dargestellt. Wie im Block 5143 gezeigt, werden von den CMs 5046 in einem Anfragekonkurrenzbereich 5112 eines ersten MAP Anfragen zur Bewilligung oder Zuweisung von Informationselementen (IE) durch das CMTS an die Teilnehmer gestellt. Ein Informationselement kann als Bereich betrachtet werden. Eine Erhaltungsgelegenheit wird wahlweise bereitgestellt, wie in Block 5144 gezeigt. Solche Erhaltungsgelegenheiten können beispielsweise dazu verwendet werden, den Betrieb des CM 5046 mit dem Betrieb des CMTS 1042 zu synchronisieren. Wie vorstehend angegeben, kann diese Erhaltungsgelegenheit nur periodisch bereitgestellt werden.
  • In Block 5146 wird dann bestimmt, ob die Anfragewarteschlange hoher Priorität leer ist. Wenn die Antwort bezüglich der Anfragewarteschlange hoher Priorität "nein" ist, wird in Block 5148 bestimmt, ob die Frame-Länge kleiner als eine gewünschte Länge ist. Wenn die Antwort "ja" ist, wird die Anfrage des Teilnehmers, Daten zu senden, bewilligt und die Frame-Länge in Block 5150 um die Größe der angeforderten Daten inkrementiert.
  • Wenn die Anfragewarteschlange hoher Priorität leer ist, wird in Block 5152 bestimmt, ob die Anfragewarteschlange niedriger Priorität leer ist. Wenn die Antwort "nein" ist, wird in Block 5154 bestimmt, ob die Frame-Länge kleiner als die gewünschte Länge ist. Wenn die Antwort bezüglich der Anfragewarteschlange niedriger Priorität "ja" ist, wird die Anfrage des CM 5046, Daten zu senden, an das CMTS 5042 bewilligt und die Frame-Länge um die Größe der Bewilligung inkrementiert. Dies ist in Block 5156 angegeben.
  • Es kann manchmal vorkommen, dass die Frame-Länge zumindest gleich lang wie die gewünschte Länge ist, wenn die Anfrage bezüglich der Anfragewarteschlange hoher Priorität in den Block 5148 eingebracht wird. Unter solchen Umständen wird die Anfrage nicht bewilligt und es wird dann bestimmt, ob die Anfragewarteschlange niedriger Priorität leer ist. Ebenso wird, wenn die Frame-Länge größer als die gewünschte Frame-Länge ist, wenn eine Anfrage bezüglich der Anfragewarteschlange niedriger Priorität gestellt wird, die Anfrage nicht bewilligt. Demgemäß wird auf der Leitung 5157 eine Angabe bereitgestellt, wenn die Anfragewarteschlange hoher Priorität und die Anfragewarteschlange niedriger Priorität beide leer sind oder wenn die Frame-Länge zumindest so groß wie die gewünschte Länge ist.
  • Wenn bei der erwarteten Bewilligung einer Anfrage die Anfragewarteschlange hoher Priorität und die Anfragewarteschlange niedriger Priorität beide leer sind oder wenn die Frame-Länge mindestens so groß wie die gewünschte Länge ist, wird, wie in Block 5158 (10), bestimmt, ob die Anfragewarteschlangen leer sind. Dies stellt eine zusätzliche Überprüfung dar, um sicherzustellen, dass die Warteschlangen leer sind. Wenn die Antwort auf eine solche Bestimmung "nein" ist, gibt dies an, dass bei der erwarteten Bewilligung einer Anfrage die Frame-Länge größer als die gewünschte Frame-Länge ist. Unter solchen Umständen wird eine Bewilligung mit einer Länge von null im MAP 5170 für jede Anfrage in jeder Warteschlange bereitgestellt. Diese Null-Längen-Bewilligung wird bereitgestellt, so dass die Kopfstelle den Teilnehmer benachrichtigen kann, dass die Anfrage zwar nicht bewilligt, aber von der Kopfstelle empfangen wurde. Tatsächlich stellt eine Null-Längen-Bewilligung einen Aufschub dar. Die Anfrage wurde bemerkt, d.h. ist nicht kollidiert, aber noch nicht bewilligt. Sie wird in einem späteren MAP 5091 bewilligt.
  • Wenn in Block 5158 bestimmt wird, dass die Anfragewarteschlangen leer sind, wird in Block 5162 bestimmt, ob die Frame-Länge kleiner als die gewünschte Frame-Länge ist. Wenn die Antwort "ja" ist, wird der Frame mit Daten aus einem Konkurrenzdatenbereich 5168 im Frame auf die gewünschte Länge aufgefüllt, wie in Block 5164 angegeben. Der Konkurrenzdatenbereich 5168 stellt einen Bereich reduzierter Priorität im Frame dar. Er sorgt für die Übertragung von Daten von den CMs 5046 zum CMTS 5042 über verfügbare Schlitze im Frame, sofern den CMs nicht vorher vom CMTS 5042 Schlitze zugewiesen worden sind. Der Konkurrenzdatenbereich benötigt keine Bewilligung vom CMTS 5042 auf eine Anfrage von einem CM 5046 wie beim Anfragekonkurrenzdatenbereich 5112 in 6. Da keine Bewilligung vom CMTS 5042 nötig ist, stellt der Konkurrenzdatenbereich 5168 in 10 (nachfolgend genauer beschrieben) einen schnelleren Zugriff auf Daten für die Teilnehmer bereit als der Anfragekonkurrenzbereich 5112.
  • Verfügbare Schlitze in einem Frame sind diejenigen, die nicht basierend auf Anfragen von den CMs 5046 zugewiesen worden sind. Wie in Block 5166 in 8 angegeben, bestätigt das CMTS 5042 dem CM 1046, dass das CMTS 1042 Daten vom Konkurrenzdatenbereich im Frame empfangen hat. Das CMTS 1042 stellt diese Bestätigung bereit, da das CM 5046 ansonsten nicht wissen würde, dass solche Daten nicht an einer Datenkollision beteiligt waren und tatsächlich vom Konkurrenzdatenbereich 5168 empfangen worden sind.
  • Bezug nehmend nun auf die 9 und 10 ist ein Blockdiagramm des Abschnitts des CMTS 5042 gezeigt, der Anfragen von den CMs 5046 empfängt und in Antwort auf diese Anfragen MAPs erzeugt. Der Konkurrenzdatenbereich 5168 in 10 ist im Frame 5118 enthalten, der durch ein MAP 5111 definiert wird (6). Der Frame 5118 in 10 kann mehrere andere Bereiche umfassen. Ein Bereich ist unter 5172 angegeben und in 6 als Konkurrenzanfragebereich 5112 bezeichnet. Er umfasst Schlitze die mit X 5181 bezeichnet sind. In diesen Schlitzen X 5181 sind Kollisionen zwischen Anfragedaten von unterschiedlichen CMs 5046 aufgetreten. Andere Schlitze im Konkurrenzanfragebereich 5172 sind mit R 5183 bezeichnet. Gültige nicht kollidierte Anfragedaten sind in diesen Schlitzen vorhanden. Der Konkurrenzanfragebereich 5172 umfasst zur Veranschaulichung auch einen leeren Schlitz 5175. Keiner der Teilnehmer 14 hat in diesem leeren Schlitz 5175 eine Anfrage gestellt.
  • Ein CM-Sendegelegenheitsbereich 5176 (entsprechend dem CM-Sendegelegenheitsbereich 5114 in 6) kann benachbart zum Konkurrenzanfragebereich 5172 ebenfalls im Frame 5118 bereitgestellt werden. Wie vorstehend angegeben, werden einzelnen CMs 5046 in diesem Bereich für Daten gemäß ihren Anfragen und gemäß den diesen Anfragen vom CMTS 5042 zugeordneten Prioritäten Schlitze zugewiesen. Wahlweise kann der CM-Sendegelegenheitsbreich 5176 so betrachtet werden, dass er zwei Teilbereiche umfasst. In dem Teilbereich 5178 werden Schlitze für einzelne Teilnehmer basierend auf Anfragen höherer Priorität angegeben. In dem Bereich 180 werden Schlitze für einzelne Teilnehmer basierend auf Anfragen niedriger Priorität angegeben.
  • Der Frame 5118 kann wahlweise außerdem einen Erhaltungsbereich 5182 umfassen. Dieser entspricht dem Erhaltungsbereich 116 aus 6. Wie vorstehend beschrieben, sorgt der Bereich 5182 für eine zeitliche Koordinierung der Taktsignale des CMTS 1042 und der CMs 5046. Der Frame 5118 kann außerdem wahlweise einen Bereich 5184 im Konkurrenzdatenbereich 5168 umfassen, in dem eine Kollision aufgetreten ist. Gültige Daten werden in einem Bereich 186 im Frame bereitgestellt, in dem keine Kollision aufgetreten ist. Ein freier oder leerer Bereich 5188 kann am Ende des Konkurrenzdatenbereichs 5186 vorhanden sein, in den weitere Daten eingesetzt werden können, die potenziellen Kollisionen ausgesetzt sind. Es versteht sich, dass die unterschiedlichen Bereiche im Frame 5118 und die Reihenfolge dieser unterschiedlichen Bereiche rein veranschaulichender Natur sind und dass andere Bereiche und andere Reihenfolgen der Bereiche alternativ bereitgestellt werden können.
  • Die Signale der Frames 5118 von unterschiedlichen CMs 1046a, 1046b, 1046c, 1046d, etc. (10) werden in die Upstream-Datenverarbeitung über eine gemeinsame Leitung 5191 (9 und 10) in einen TDMA-Demultiplexer 5192 (9) im CMTS 1042 eingebracht. Nach dem Demultiplexen werden Daten von den CMs 1046a, 1046b, 1046c, 1046d, etc. vom Demultiplexer 5192 an eine Datenschnittstelle 5194 weitergeleitet. Die an der Datenschnittstelle 5194 befindlichen Signale werden in einem Ethernet-System (nicht gezeigt) oder dergleichen verarbeitet. Der Betrieb des MAP-Generators 5198 wird durch Datenanfragen von den einzelnen CMs 1046a, 1046b, 1046c, 1046d, etc. und durch Kollisionsinformationen gesteuert, die die Versuche der CMs 1046a, 1046b, 1046c, 1046d, etc. angeben, Daten in den Konkurrenzdatenbereich 168 einzufügen. Somit kann beispielsweise eine große Anzahl an Kollisionen einen Bedarf an einem größeren Konkurrenzanfragebereich 5172 im nächsten MAP angeben. Versuche, Daten in den Konkurrenzdatenbereich 5168 einzufügen, können wahlweise vom MAP-Generator 5198 dazu verwendet werden, die Priorität eines CM zu erhöhen, das ohne Erfolg versucht, solche Daten zu senden. Die vom MAP-Generator 5198 erzeugten MAPs werden durch den Multiplexer 5196 geleitet und vom CMTS 5042 an die CMs 1046a, 1046b, 1046c, 1046d gesendet.
  • Ein vom MAP-Generator 5198 erzeugtes Abtast-MAP ist in 9 allgemein unter 5202 angegeben. Das MAP 5202 umfasst einen Bereich 5204, in dem die Anfragen der CMs 5046 nach Informationselementen (IE) angegeben sind, in denen Daten gesendet werden sollen. Wie vorstehend erwähnt, kann ein Informationselement (IE) als Bereich betrachtet werden. Das MAP 5202 umfasst außerdem einen Bereich 5206, in dem das CMTS 5046 die Anfragen der Teilnehmer nach Informationselementen zum Senden von Daten bewilligt hat. Das MAP 5202 umfasst außerdem einen Konkurrenzdatenbereich 5208, in dem das CMTS 5042 den CMs 5046 Gelegenheit gegeben hat, Daten in verfügbaren Räumen oder Schlitzen zu senden, ohne die offenen Räume oder Schlitze zu spezifizieren, in denen eine solche Übertragung stattfinden soll. Ein Bestätigungsbereich (ACK) 5210 ist ebenfalls im MAP 5202 enthalten. In diesem Bereich bestätigt das CMTS 5042 dem CM 5046, dass es in den verfügbaren Schlitzen im Konkurrenzdatenbereich 208 Daten von den Teilnehmern empfangen hat. Wie vorstehend besprochen, muss das CMTS 5042 eine solche Bestätigung bereitstellen, da die CMs 5046 ansonsten nicht wissen, dass das CMTS 1042 die Daten von den CMs 5046 im Konkurrenzdatenbereich 5208 empfangen hat.
  • Die 11 und 12 definieren ein Flussdiagramm, das allgemein mit 5600 bezeichnet ist, in Blockform und zeigen, wie das CM 1046 und das CMTS 1042 bei vom CM 5046 an das CMTS 5042 gesendeten Paketen zusammenarbeiten. Der Betrieb der Blöcke im Flussdiagramm 600 wird mit einem Startblock 5602 initiiert. Wie im Block 5604 in 11 angegeben, wartet das CM 5046 dann auf ein Paket von einer externen Quelle. Die externe Quelle kann beispielsweise ein Personal-Computer (PC) 5048 oder eine bitratenabgetastete Datenübertragungseinrichtung 1047a, 1047b (5) im Haushalt 1014 eines Teilnehmers sein. Wie im Block 5606 gezeigt, übermittelt das CM 5046 dem CMTS 5042 dann eine Bandbreitenanfrage nach genügend Zeitschlitzen, um das Paket zu senden. Bei Empfang der Anfrage sendet das CMTS eine Bewilligung oder Teilbewilligung an das CM im MAP. Das CM 5046 führt dann im Block 5610 eine Überprüfung durch, um zu bestimmen, ob das CMTS 5042 die Anfrage oder einen Teil der Anfrage vom CM 5046 bewilligt hat. Im Block 5610 ist SID eine Abkürzung für Service-Identifizierung (Service-Kennung), z.B. eine einer bitratenabgetasteten Datenübertragungseinrichtung 5047a zugewiesene SID. Wenn die Antwort "ja" ist (siehe Leitung 5611 in 11 und 12) bestimmt das CM 5046, ob das CMTS 5042 die volle Anfrage vom CM 5046 nach der Bandbreite bewilligt hat. Dies entspricht der Übertragung des kompletten Datenpakets vom CM 5046 an das CMTS 5042. Dies ist in 12 in Block 5612 angegeben.
  • Wenn die Antwort "ja" lautet, wie in Block 5614 in 12 angegeben, bestimmt das CM 5046, ob sich ein weitere Paket in einer Warteschlange befindet, die bereitgestellt ist, um weiteres Pakete zu speichern, die auf eine Übertragung vom CM 5046 an das CMTS 5042 warten. Diese Bestimmung wird in Block 5616 in 11 durchgeführt. Wenn sich keine weiteren Pakete in der Warteschlange befinden, wie durch die Leitung 5617 in den 11 und 12 angezeigt, sendet das CM 5046 das Paket ohne Huckepack-Anfrage an das CMTS 5042 (siehe Block 5618 in 11) und wartet auf die Ankunft des nächsten Pakets von der externen Quelle, wie in 5604 angegeben. Wenn sich weitere Pakete in der Warteschlange befinden, wie durch die Leitung 5619 in den 11 und 12 angezeigt, sendet das CM 5046 das von der externen Quelle empfangene Paket an das CMTS 5042 und führt mit diesem gesendeten Paket huckepack eine Anfrage für das nächste Paket in der Warteschlange mit. Dies ist in 13 unter 5620 angegeben. Das CM kehrt dann zur Verarbeitung von MAPs in 5608 zurück und hält nach weiteren Bewilligungen Ausschau. Das CMTS 5042 verarbeitet dann die nächste Anfrage vom CM.
  • Das CMTS 5042 kann im ersten MAP 111 nicht die volle Anfrage nach Bandbreite vom CM 5046 bewilligen. Das CMTS 1042 führt dann dem CM 1046 diese Teilbewilligung zu. Wenn das CMTS in einer Mehrfach-Bewilligungsbetriebsart arbeitet, platzierte es, zusätzlich zu der Teilbewilligung, die es an das CM sendet, eine anstehende Bewilligung oder eine weitere Bewilligung im MAP. Das CM verarbeitet die MAPs wie in 5608 gezeigt und bemerkt die Bewilligung bei 5611. Die Bewilligung ist kleiner als die Anfrage, wie bei 5622, daher berechnet das CM den Anteil des Pakets, der in die Bewilligung passt, wie in 5624. Bei einer Mehrfach-Bewilligungsbetriebsart des CMTS bemerkt das CM die Teilbewilligung mit einer weiteren Bewilligung oder anstehenden Bewilligung in nachfolgenden MAPs, wie bei 5610 und 5611. Das CM sendet dann das Fragment, ohne jedwede Huckepack-Anfragen, wie in 5628 und 5630, an das CMTS 5042. Das CM kehrt zur Verarbeitung von MAP-Informationselementen in 5608 zurück, bis es die nächste Bewilligung erhält. Das CM wiederholt dann das Überprüfungsverfahren, um festzustellen, ob die Bewilligung groß genug ist, wie in 5612. Wenn die nächste Bewilligung nicht groß genug ist, wiederholt das CM das Verfahren zum Fragmentieren der restlichen Paketdaten und führt, wie in 5626, eine Überprüfung durch, um festzustellen, ob es basierend auf weiteren Bewilligungen oder anstehenden Bewilligungen im MAP eine Huckepack-Anfrage senden muss. Wenn die Bewilligung groß genug ist, um den Rest des Pakets zu senden, wie bei 5614, führt das CM eine Überprüfung durch, um festzustellen, ob sich für dieselbe SID ein weiteres Paket in der Warteschlange befindet. Wenn dies der Fall ist, sendet das CM den restlichen Teil des Pakets mit dem Fragmentierungs-Header, der eine Huckepack-Anfrage nach der Menge an Zeitschlitzen enthält, die zum Senden des nächsten Pakets in der Warteschlange benötigt wird, wie bei der Leitung 5620. Das CM kehrt dann zur Verarbeitung der MAP-Informationselemente zurück. Wenn sich für diese SID kein weiteres Paket in der Warteschlange befindet, sendet das CM den restlichen Teil des Pakets mit einem Fragmentierungs-Header, der keine Huckepack-Anfrage enthält, wie in 5618 gezeigt. Das CM kehrt dann zu 5604 zurück, um auf die Ankunft eines weiteren zu sendenden Pakets zu warten. Wenn das CMTS 5042 die Anfrage vom CM 5046 im ersten MAP 11 teilweise bewilligt und dem CM 5046 keine weitere Bewilligung oder anstehende Bewilligung in dem ersten MAP zuführt, erfasst das CM keine weiteren Bewilligungen oder anstehenden Bewilligungen, wie bei 5632. Das CM 5046 sendet dann ein Fragment des Datenpakets und eine Huckepack-Anfrage für den Rest an das CMTS 5042, wie in 5634. Wenn das CM das Fragment mit der Huckepack-Anfrage gesendet hat, wie auf der Leitung 5638 dargestellt, kehrt das CM zur Verarbeitung von MAP-Informationselementen zurück, wie in 5608, während es auf weitere Bewilligungen wartet. Wenn das CMTS das Fragment mit der Huckepack-Anfrage empfängt, muss das CMTS entscheiden, ob die neue Anfrage bewilligt oder eine auf der neuen Anfrage basierende Teilbewilligung gesendet werden soll. Diese Entscheidung basiert auf den im CMTS implementierten Scheduling-Algorithmen (Zeitplanungsalgorithmen).
  • Das CMTS könnte zu jeder Zeit während des Anfrage-/Bewilligungsverfahrens eine Anfrage nicht empfangen oder das CM konnte aus einer Vielzahl von Gründen eine Bewilligung nicht empfangen. Als Betriebssicherungsmechanismus setzt das CMTS eine Bestätigungszeitangabe, oder ACK-Zeitangabe (acknowledgement time), in die von ihm gesendeten MAPs ein. Diese ACK-Zeitangabe gibt den Zeitpunkt der letzten Anfrage wieder, die es für das aktuelle MAP verarbeitet hat. Das CM verwendet diese ACK-Zeitangabe, um zu bestimmen, ob seine Anfrage verloren gegangen ist. Der ACK-Zeitgeber wird als "abgelaufen" eingestuft, wenn das CM auf eine Bewilligung wartet und ein MAP mit einer ACK-Zeitangabe empfängt, die später als der Zeitpunkt ist, zu dem das CM seine Anfrage gesendet hat. Da das CM in 5610 nach Bewilligungen Ausschau hält, kehrt das CM, sofern der ACK-Zeitgeber nicht abge laufen ist, wie bei 5644, zur Verarbeitung der MAPs zurück, wie in 5608. Wenn der ACK-Zeitgeber abläuft, wie bei 55646, führt das CM in 5648 eine Überprüfung durch, um festzustellen, wie viele Male es erneut versucht hat, die Anfrage zu senden. Wenn die Anzahl der erneuten Versuche über einem bestimmten Schwellenwert liegt, sind die erneuten Versuche erschöpft, wie bei 5654, und das CM verwirft sämtliche nicht gesendeten Teile des Pakets in 5656 und wartet auf die Ankunft des nächsten Pakets. Wenn der ACK-Zeitgeber abgelaufen ist und die Anzahl der erneuten Versuche nicht erschöpft ist, wie bei 5650, verwendet das CM einen Konkurrenzanfragebereich, um eine weitere Anfrage nach der Menge an Zeitschlitzen zu senden, die zum Senden des nicht gesendeten Teils des Pakets erforderlich ist, wie in 5652. Das CM kehrt dann zur Verarbeitung der MAPs zurück.
  • Bezug nehmend auf 13 umfasst das CMTS 5042 eine Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016, die einer Kopfstellen-Taktssynchronisierschaltung 5018 einen Ausgang zuführt. Dies ist die Taktsteuerungsreferenz 5016, mit der jedes der CMs 5046 synchronisiert werden muss. Die Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung empfängt außerdem einen Eingang von der Netzwerktaktreferenz 6003, die nachfolgend genauer besprochen ist. Die Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung 5018 wird um den Ausgang der Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 16 inkrementiert und erhält eine Zählung aufrecht, die die Anzahl der Zyklen repräsentiert, die von der Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016 bereitgestellt wurden, seit dem die Kopfstellen-Taktssynchronisierschaltung 5018 zum letzten Mal zurückgesetzt wurde. Die Kopfstellen-Taktssynchronisierschaltung 5018 umfasst einen frei laufenden Zähler mit ausreichender Zählkapazität, um mehrere Minuten lang zählen zu können, bevor er zurückgesetzt wird.
  • Ein Zeitbasisnachrichtengenerator 20 empfängt die Zählung von der Kopfstellen-Taktssynchronisierschaltung 5018, um eine absolute Zeitreferenz 5021 bereitzustellen, die in den Downstream-Informationsfluss 5022 eingesetzt wird, der durch eine Downstream-Datenwarteschlange 5024 bereitgestellt wird, wie nachfolgend genauer besprochen. Der Zeitbasisnachrichtengenerator 520 bevorzugt eine Modulfunktion (d.h. ein Sägezahnmuster als Funktion der Zeit) und der Zählertakt wird vom Oszillator mit größter Genauigkeit erzeugt.
  • Der Taktsteuerungsversatzgenerator 5026 empfängt eine Bereichssignalnachricht 5027 von jedem einzelnen CM 1046, mit dem das CMTS in Verbindung steht. Der Schlitztaktsteuerungsversatzgenerator 26 stellt einen Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 bereit, der einen Schlitztaktsteuerungsversatz zwischen dem CMTS 5042 und dem CM 5046 darstellt, und fügt den Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 in den Downstream-Informationsfluss 5022 ein. Der Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 wird durch Bestimmen der Position des Schlitztaktsteuerungsversatzes anhand der erwarteten Zeit 5027 in einem spezifischen Taktsteuerungsschlitz der Upstream-Datenübertragungen berechnet, wie nachfolgend genauer besprochen. Der Taktsteuerungsversatzgenerator 5026 codiert den Taktsteuerungsversatz (Bereichsfehler), der vom Upstream-Empfänger ermittelt wurde, in eine Schlitztaktsteuerungsversatznachricht. Die Schlitztaktsteuerungsversatznachrichten werden erst gesendet, nachdem die Frequenz des lokalen Referenztaktgebers vom CM erfasst worden ist.
  • Der Downstream-Modulator 5030 moduliert hauptsächlich den Downstream-Informationsfluss 5022. Absolute Zeitreferenzen 5021 werden in quasi-periodischen Intervallen eingesetzt, die von einem Zeitstempel-Sendezähler bestimmt werden. Eine Schlitztaktsteuerungsversatznachricht 5028 wird nach dem Messen des Schlitztaktsteuerungsfehlers bei der Ankunft einer Bereichssignalnachricht 5027 eingefügt.
  • Die Zeitlinie 5032 des CMTS 5042 zeigt, dass der Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 die Differenz zwischen der erwarteten Empfangszeit und der tatsächlichen Empfangszeit der Schlitztaktsteuerungsversatznachricht 5027 ist.
  • Jedes CM 5046 umfasst einen Downstream-Empfänger 5034 zur Ermöglichung der Demodulation der Daten- und Zeitstempel-Nachricht und der Taktrückgewinnung von Downstream-Datenübertragungen vom CMTS 5042. Der Ausgang des Downstream-Empfängers 5034 wird einem Zeitbasisnachrichtendetektor 36 und einem Schlitztaktsteuerungsversatzdetektor 5038 zugeführt. Die Downstream-Informationen (jegliche Datenübertragung, wie etwa ein Dateitransfer oder MPEG-Videosignal), die vom Downstream-Empfänger 5034 empfangen werden, stehen nach Wunsch ebenfalls zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
  • Der Zeitbasisnachrichtendetektor 5036 erfasst die vom Zeitbasisnachrichtengenerator 5020 des CMTS 5042 erzeugte Zeitbasisnachricht. Ebenso erfasst der Schlitztaktsteuerungsversatzdetektor 5038 den Schlitztaktsteuerungsversatz 5028, der vom Schlitztaktsteuerungsversatzgenerator 5026 des CMTS 5042 erzeugt wurde. Der Zeitbasisnachrichtendetektor 5036 stellt eine absolute Zeitreferenz 5040 bereit, die die Frequenz der Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016 des CMTS 5042 repräsentiert. Die absolute Zeitreferenz 5040 wird einer digitalen Verfolgungsschleife 5042 zugeführt, die einen im Wesentlichen stabilen Taktausgang für das CM 5046 bereitstellt, der in seiner Frequenz genau der Frequenz der Kristalloszillator-Takt steuerungsreferenz 5016 des CMTS 5042 entspricht. Somit verwendet die digitale Verfolgungsschleife 5042 die absolute Zeitreferenz 5050, 5040, die repräsentativ für die Frequenz der Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016 ist, um ein Oszillatorsteuersignal zu bilden, das einen numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) 5044 auf eine Art und Weise ansteuert, die genau mit der Frequenz der Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016 des CMTS 5042 übereinstimmt, wie nachfolgend im Detail besprochen.
  • Eine Differenz zwischen der absoluten Zeitreferenz 5040 und dem Ausgang einer lokalen Zeitreferenz 5046, die von dem numerisch gesteuerten Oszillator 5044 abgeleitet wird, wird durch die Differenzierungsschaltung 5048 gebildet. Diese Differenz definiert einen Frequenzfehlerwert, der die Differenz zwischen dem Takt des CM 5046 (der von der lokalen Zeitreferenz 5046 bereitgestellt wird) und dem Takt des CMTS 5042 (der durch die Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016 bereitgestellt wird) darstellt.
  • Dieser Frequenzfehlerwert wird von einem Mittelwertermittlungs-Schleifenfilter 5050 gefiltert, wodurch verhindert wird, dass unerwünschte Abweichungen des Frequenzfehlerwerts den numerisch gesteuerten Oszillator 44 auf eine Art und Weise beeinträchtigen, die seine Stabilität verringern oder bewirken würden, dass der numerisch gesteuerte Oszillator 5044 mit einer anderen Frequenz als der gewünschten arbeitet. Das Schleifenfilter 5050 ist so konfiguriert, dass es die schnelle Erfassung des Frequenzfehlerwerts auch dann ermöglicht, wenn der Frequenzfehlerwert groß ist, und vergleichsweise große Frequenzfehlerwerte zurückweist, wenn die digitale Verfolgungsschleife 5042 konvergiert, d.h. wenn sich der Ausgang der lokalen Taktsteuerungsreferenz 5046 der absoluten Zeitreferenz 5040 annähert, wodurch bewirkt wird, dass sich der Frequenzfehlerwert null nähert.
  • Ein Anfangs-Schlitztaktsteuerungsversatz 5052 wird vom Summierer 5054 zum Ausgang der lokalen Zeitreferenz 5046 addiert, um einen teilweise schlitztaktsteuerungsversatzkorrigierten Ausgang 5056 bereitzustellen. Der teilweise schlitztaktsteuerungsversatzkorrigierte Ausgang 5056 des Summierers 5054 wird dann zum Schlitztaktsteuerungsversatz 5058 addiert, der vom Schlitztaktsteuerungsversatzdetektor 5038 bereitgestellt wird, um eine schlitztaktsteuerungsversatzkorrigierte und frequenzkorrigierte Zeitreferenz 60 vorzusehen. Der Taktsteuerungsversatzkorrekturblock ist ein einfacher Addierer, der zwei Nachrichtenwerte addiert. Ein solcher vereinfachter Betrieb ist nur möglich, wenn die Auflösung der Taktsteuerungsversatznachricht gleich der oder feiner als diejenige der Zeitstempelnachricht ist.
  • Der Anfangs-Schlitztaktsteuerungsversatz 5052 ist bloß eine Näherungswert des erwarteten Schlitztaktsteuerungsversatzes, der infolge der Ausbreitungs- und Verarbeitungsverzögerungen, deren ungefähre Werte vordefiniert worden sind, wahrscheinlich auftreten wird. Nach der Frequenzumwandlung unter Verwendung des Phasenregelkreises und des Zeitbasisnachrichtenfehlers, stellt der Schlitztaktsteuerungsversatz 58 eine endgültige Korrektur bereit, die vom CMTS 5042 in Antwort auf den Empfang des CMTS 5042 von Datenübertragungen vom CM 5046 berechnet wird, die nicht ordnungsgemäß in ihren gewünschten Taktsteuerungsschlitzen zentriert sind, wie nachfolgend im Detail besprochen.
  • Ein Skalierer 5062 skaliert die frequenzkorrigierte Zeitreferenz 5060, um den Upstream-Sender 5069 mit der gewünschten Schlitztaktsteuerung anzusteuern.
  • Die Zeitreferenz 5064 wird mit der genannten Sendezeit 5066 verglichen, die dem CM 5046 über die Downstream-Datenübertragung vom CMTS 5042 zugewiesen wurde. Wenn die Zeitreferenz 5064 (am Punkt 5067) der genannten Sendezeit entspricht, wird ein Initiiere-Burst-Befehl 5068 ausgegeben und die Upstream-Datenwarteschlange 5070 moduliert, um eine Upstream-Datenübertragung 5072 zu bilden.
  • Die Taktsteuerungsversatz-(fehler-)nachricht wird vom CMTS erzeugt. Der Taktsteuerungsversatz(-fehler) ist einfach die Differenz zwischen erwarteten Zeit und der tatsächlichen Ankunftszeit der Bereichsnachricht am CMTS-Burst-Empfänger.
  • Immer noch Bezug nehmend auf 13, kommuniziert das CMTS 5042, obgleich in 13 aus Gründen der Klarheit nur ein CM 5046 dargestellt ist, in Wahrheit bidirektional mit einer Mehrzahl solcher CMs 5012. Solche Kommunikationen, wie hierin besprochen, können tatsächlich zwischen dem CM-System und der Mehrzahl an CMs auftreten, wenn dieses gleichzeitig mit den CMs auf einer Mehrzahl separater Frequenzkanäle kommuniziert. Die vorliegende Erfindung betrifft die Kommunikation einer Mehrzahl unterschiedlicher CMs über einen einzelnen Frequenzkanal auf serielle Art oder nach Art eines Zeitmultiplexverfahrens, wobei die Mehrzahl an CMs mit dem CMTS sequenziell kommuniziert. Es versteht sich jedoch, dass, obgleich diese Mehrzahl an CMs über einen Kanal mit dem CMTS kommuniziert (unter Verwendung des Zeitmultiplexverfahrens oder TDMA), viele andere CMs gleichzeitig mit demselben CMTS über eine Mehrzahl anderer Kanäle kommunizieren können (unter Verwendung des Frequenzmultiplex-/Zeitmultiplexverfahrens oder FDM/TDMA).
  • Bezug nehmend nun auf 14 werden das CMTS 5042 und das CM 5046 genauer beschrieben. Der Multiplexer (MUX) 5029 des CMTS 5042 kombiniert den Downstream-Informationsfluss 5022 mit dem Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 vom Schlitztaktsteuerungsversatzgenerator 5026 und mit der absoluten Zeitreferenz 5021 vom Zeitbasisnachrichtengenerator 5020, um dem Downstream-Sender Downstream-Datenübertragungen zuzuführen, welcher den Downstream-Modulator 5030 (13) umfasst. Der Schlitztaktsteuerungsversatzgenerator 5026 empfängt ein Schlitztaktsteuerungsversatzsignal 5028 vom Upstream-Empfänger 5025. Die Lage des Schlitztaktsteuerungsversatzsignals in einem Taktsteuerungsschlitz einer Upstream-Datenübertragung definiert die Notwendigkeit, sofern vorhanden, eine Schlitztaktsteuerungsversatzkorrektur durchzuführen. Im Allgemeinen wird ein Schlitztaktsteuerungsversatzwert auch dann gesendet, wenn der tatsächliche Schlitztaktsteuerungsversatz 0 beträgt. Wenn die sich Schlitztaktsteuerungsversatznachricht in erwünschter Weise im Taktsteuerungsversatzschlitz befindet und sich nicht in die Schutzbänder erstreckt, die sich an jedem Ende des Taktsteuerungsversatzschlitzes befinden, dann ist keine Schlitztaktsteuerungsversatzkorrektur erforderlich.
  • Wenn sich die Schlitztaktsteuerungsversatznachricht jedoch in eines der Schutzbänder des Taktsteuerungsversatzschlitzes der Upstream-Datenübertragung erstreckt, dann wird vom Schlitztaktsteuerungsversatzgenerator 5026 ein Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 erzeugt, der in Downstream-Richtung an das CM 5046 gesendet wird, wo der Schlitztaktsteuerungsversatz 5028 eine erwünschte Korrektur der Zeit bewirkt, zu der Upstream-Datenübertragungen stattfinden, um so zu bewirken, dass die Schlitztaktsteuerungsversatznachricht und andere gesendete Daten ordnungsgemäß in ihren Upstream-Datenschlitzen positioniert werden.
  • Der Kopfstellen-Tick-Taktgeber 5015 umfasst die Kristallreferenz 5016 gemäß 13 und führt dem Linearzählsequenzgenerator 5018 ein Taktsignal zu. Der Schlitz-/Frame-Zeitgeber 5019 verwendet ein von der Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung 5018 zugeführtes Taktsignal, um sowohl einen Minischlitztakt 5021 als auch ein Empfange-jetzt-Signal 5023 bereitzustellen. Der Upstream-Nachrichtentakt 5021 ist der Takt, mit dem die Nachrichtenschlitze synchronisiert werden, um Zeitmultiplex-(TDMA-)Datenübertragungen von jedem CM 5046 an das CMTS 5042 durchzuführen. Ein Sende-jetzt-Signal wird am Anfang eines jeden Minischlitzes einer Übertragung erzeugt. Ein Empfange-jetzt-Signal wird ebenso am Anfang eines empfangenen Pakets erzeugt.
  • Ein Minischlitz ist eine grundlegende Medienzugriffssteuer-(MAC-/Medium Access Control)Taktsteuerungseinheit, die zur Zuweisung und Bewilligung von Zeitmultiplex-(TDMA-)Schlitzen verwendet wird. Jeder Minischlitz kann beispielsweise vom Medienzugriffssteuertakt abgleitet werden, so dass der Minischlitz bei einer ansteigenden Flanke des Medienzugriffssteuertakts beginnt und endet. Im Allgemeinen definiert eine Mehrzahl von Symbolen einen Minischlitz und eine Mehrzahl von Minischlitzen definiert einen Zeitmultiplexschlitz.
  • Das CM 5046 empfängt Downstream-Daten vom Downstream-Kanal 14B. Ein Zeitbasisnachrichtendetektor 5036 ermittelt das Vorhandensein einer Zeitbasisnachricht 5021 in den Downstream-Daten.
  • Eine Schlitztaktsteuerungsversatzkorrektur 5047 wird auf die Upstream-Datenübertragungen 14A vor der Übertragung derselben vom Teilnehmer-CM 50046 angewandt. Die Schlitztaktsteuerungsversatzkorrektur ist bloß die Differenz zwischen dem tatsächlichen Schlitztaktsteuerungsversatz und dem gewünschten Schlitztaktsteuerungsversatz. Daher wird die Schlitztaktsteuerungsversatzkorrektur nur durch Subtrahieren des tatsächlichen Schlitztaktsteuerungsversatzes vom gewünschten Versatz erzeugt. Der Schlitz-/Frame-Taktsteuerungsgenerator 5049 sendet die Upstream-Datenwarteschlange 70 (13) zur angegebenen Sendezeit 66 (13).
  • Der Summierer 48 subtrahiert von der Zeitbasisnachricht 5021 der lokalen Zeitreferenz 5046 und führt einem Schleifenfilter 5050 einen Ausgang zu, der einen numerisch gesteuerten Oszillator 5044 ansteuert, wie nachfolgend genauer besprochen.
  • Der Upstream-Sender 11 ermöglicht die Übertragung von Upstream-Kommunikationen 14A vom Teilnehmer-CM 5046A und der Upstream-Empfänger 13A ermöglicht den Empfang der Upstream-Kommunikationen 14A durch das CMTS 5010.
  • Der Downstream-Sender 17 ermöglicht die Übertragung von Downstream-Kommunikationen 14 vom CMTS 5016 an das CM 5046, wobei der Downstream-Empfänger 5015 deren Empfang ermöglicht.
  • Bezug nehmend auf 16 ist eine beispielhafte Taktsteuerungsrückgewinnungsschaltung eines CM genauer dargestellt. Der Downstream-Demodulator 5095, der einen Teil des Downstream-Empfängers 5015 aus 14 bildet, stellt Takt- und Datensignale bereit, die von den Downstream-Datenübertragungen 146 (14) abgeleitet werden. Die Datensignale umfassen Downstream-Bytes, die wiederum den Zähl- oder den Zeitstempel- 5097 und Zeitbasisnachrichten-Header 5081 umfassen, der vom CMTS 5042 gesendet wird. Schlitztaktsteuerungsversatznachrichten sind im Downstream-Fluss der Downstream-Daten enthalten.
  • Der Zeitstempel-Detektor 5080 ermittelt das Vorhandensein eines Zeitstempel-Headers 5081 unter den Downstream-Bytes und stellt ein Zeitstempel-angekommen-Signal 5082 bereit, das als Downstream-Byte-Taktsynchronisiersignal wirkt. Das Zeitstempel-angekommen-Signal 5082 wird dem Synchronisierer 5083 zugeführt, der ein Register 5101, ein Register 5102, ein UND-Gate 5103, einen Inverter 5104 und einen Haltekreis 5105 umfasst. Der Synchronisierer 103 synchronisiert das Zeitstempel-angekommen-Signal 82 mit dem Takt des CM 5046, um ein Datenpfadfreigabe-Tick-Taktsynchronsiersignal 5107 bereitzustellen, um die digitale Verfolgungsschleife 5042 zu aktivieren.
  • Wenn die digitale Verfolgungsschleife 5042 durch das Datenpfadfreigabe-Tick-Taktsynchronisiersignal 50107 aktiviert wird, welches vom Synchronisierer 5083 in Antwort auf das Erfassen eines Zeitstempel-Headers durch den Zeitstempel-Detektor 5080 ausgegeben wird, wird der Zeitstempel, der eine von der Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung 5018 gemäß 14 bereitgestellte Zählung ist, der digitalen Verfolgungsschleife 5042 zugeführt und die digitale Verfolgungsschleife 5042 aktiviert, um den Zeitstempel zu verarbeiten.
  • Ein(e) Differenzierschaltung oder Sättigungsfrequenzdetektor 5109 vergleicht den Zeitstempel mit einer dem Sättigungsfrequenzdetektor 5109 vom Zeitbasiszähler 5111 zugeführten Zählung, die repräsentativ für die Frequenz des numerisch gesteuerten Oszillators 5044 ist. Der Sättigungsfrequenzdetektor 5109 stellt ein Differenzsignal oder einen Frequenzfehlerwert 5112 bereit, der proportional zur Differenz zwischen der Frequenz des numerisch gesteuerten Oszillators 5044 des CM und der Kristalloszillatorreferenz 5016 des CMTS ist.
  • Wenn die Differenz zwischen dem Wert des Zeitstempels und der Zählung des Zeitbasiszählers 5111 zu groß ist, was darauf hinweist, dass der Zeitstempel möglicherweise einen fehlerhaften Wert bereitstellt, dann sättigt sich der Sättigungsfrequenzdetektor 5109 und stellt keinen Ausgang bereit, der repräsentativ für die Differenz zwischen dem Wert des Zeitstempels und der Zählung des Zeitbasiszäh lers 5111 ist. Auf diese Weise werden fehlerhafte Zeitstempel nicht von der digitalen Verfolgungsschleife 5042 akzeptiert.
  • Die Schleifenfreigabe des Durchlass-Blocks 5113 ermöglicht es, die von dem Sättigungsfrequenzdetektor 109 bereitgestellte Differenz dem Haltekreis 5115 zuzuführen, wenn diesem eine Pauschalfreigabe (EN) zugeführt wird. Die Pauschalfreigabe wird dem Null- oder Durchlass-Block 5115 zugeführt, wenn die digitale Verfolgungsschleife 5042 arbeiten soll.
  • Der Haltekreis 5115 führt den Frequenzfehlerwert 5112 einem Schleifenfilter zu, das die Multplizierer 5117 und 5119, die Skalierer 5121 und 5123, die Summierer 5124, 5125 und den Haltekreis 5127 umfasst.
  • Die Multiplizierer 5117 und 5119 umfassen Schieberegister, die die Multiplikation durch Verschieben einer gewünschten Anzahl an Bits in jede Richtung durchführen. Die Skalierer 5121 und 5123 arbeiten in ähnlicher Weise.
  • Das Schleifenfilter arbeitet gemäß wohlbekannten Grundlagen zum Herausfiltern unterwünschter Frequenzfehlerwerte, so dass diese die Stabilität oder den Betrieb des numerisch gesteuerten Oszillators 5044 nicht nachteilig beeinflussen. Somit gleicht das Schleifenfilter häufig unerwünschte Abweichungen im Frequenzfehlerwertsignal aus, um so ein stabileres Steuersignal für den numerisch gesteuerten Oszillator 5044 bereitzustellen.
  • In die Multiplizierer 5117 und 5119 können unterschiedliche Koeffizienten geladen werden, so dass die Bandbreite des Schleifenfilters von einer größeren Bandbreite während einer anfänglichen Erfassung in eine kleinere Bandbreite während des Betriebs abgeändert werden kann. Die anfänglich verwendete größere Bandbreite ermöglicht eine schnelle Erfassung, indem zugelassen wird, dass Frequenzfehlerwerte mit größeren Abweichungen akzeptiert werden. Wenn die digitale Verfolgungsschleife 5042 konvergiert, wird der Frequenzfehlerwert häufig kleiner. Zu diesem Zeitpunkt würden Frequenzfehlerwerte mit größeren Abweichungen häufig dazu führen, dass sich die Stabilität der digitalen Verfolgungsschleife 5042 verringert, und sind somit unerwünscht. Daher werden unterschiedliche Koeffizienten verwendet, die die Bandbreite des Schleifenfilters verringern, um die Stabilität der digitalen Verfolgungsschleife 5042 aufrechtzuerhalten.
  • Eine Tabelle, die Beispiele für grobe und feine Koeffizienten K0 und K1 darstellt, die für mehrere unterschiedliche Aktualisierungsraten und Bandbreiten geeignet sind, ist in 16 gezeigt.
  • Der Ausgang des Schleifenfilters wird dem Haltekreis 5131 zugeführt. Der Ausgang des Haltekreises 5131 wird vom Summierer 5133 zu einer Nennfrequenz addiert, um ein Steuersignal für den numerisch gesteuerten Oszillator 5044 zu definieren.
  • Fachleute werden erkennen, dass die Addition eines Frequenzversatzes, sofern dieser ordnungsgemäß auf eine normale Frequenz programmiert ist, die Erfassungszeit der Schleife verkürzt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Endwert des Akkumulators 5127 näher bei seinem Anfangswert liegt.
  • Die Nennfrequenz wird im Allgemeinen so gewählt, dass ihr Wert nahe dem gewünschten Ausgang des numerisch gesteuerten Oszillators 5044 liegt. Daher beträgt, wenn der numerisch gesteuerte Oszillator 5044 auf der gewünschten Frequenz arbeitet, der vom Haltekreis 5131 zugeführte gefilterte Frequenzfehlerwert nominal null.
  • Bezug nehmend nun auf 17 muss der Schlitztaktsteuerungsversatz zwischen dem Takt des CM 5046 und dem Takt des CMTS 5042 bestimmt werden, um sicherzustellen, dass vom CM 1046 gesendete Nachrichten während der vom CM-System 5010 zugewiesenen Zeitschlitze gesendet werden. Wie Fachleute erkennen werden, verbinden sich Ausbreitungsverzögerungen (Tgp) 5400 und Verarbeitungsverzögerungen (Tgp) 5402, um zu bewirken, dass das CM 5046 tatsächlich zu einem späteren Zeitpunkt sendet, als es vom CMTS 5042 aufgefordert wird, dies zu tun. Somit muss jedem CM 5046 ein Schlitztaktsteuerungsversatz zugeführt werden, um sicherzustellen, dass es zur korrekten Zeit sendet. Dieser Schlitztaktsteuerungsversatz wird vom CMTS 5042 bestimmt, indem das CMTS 5042 einen spezifischen Schlitztaktsteuerungsversatzschlitz in der Upstream-Datenübertragung überwacht, um darin die Position einer Schlitztaktsteuerungsversatznachricht zu bestimmen. Die Position der Schlitztaktsteuerungsversatznachricht in dem spezifischen Schlitztaktsteuerungsversatzschlitz in der Upstream-Datenübertragung bestimmt den Schlitztaktsteuerungsversatz zwischen dem Takt des CMTS 5042 und dem Takt des CM 5046. Daher kann das CMTS 5042 diesen Fehler verwenden, um zu bewirken, dass das CM 5046 zu einem früheren Zeitpunkt sendet, um Ausbreitungs- und Verarbeitungsverzögerungen zu kompensieren. Diese Schlitztaktsteuerungsversatzkorrektur ist gleich 2Tpg + T Prozess.
  • Anfangs umfasst der Schlitztaktsteuerungsversatzschlitz einen vergleichsweise großen Zeitschlitz, d.h. mit vergleichsweise langen Schutzzeiten, um so vergleichsweise große Schlitztaktsteuerungsversatzfehler aufzunehmen. Bei einem normalen Datenpaket kann die Breite des Taktsteuerungsversatzschlitzes verringert werden, wenn. die Schlitztaktsteuerungsversatzfehler niedriger werden (und somit kleinere Schutzbänder benötigen), um effizientere Upstream-Datenübertragungen zu ermöglichen.
  • Im Allgemeinen werden Datenübertragungen unter Verwendung einer vergleichsweise langen Schutzzeit initialisiert. Nach der Erfassung, wenn die Schlitztaktsteuerungsgenauigkeit erhöht worden ist, kann die Schutzzeit erheblich reduziert werden, um eine entsprechende Erhöhung der Kanalnutzungseffizienz bereitzustellen.
  • Datenpakete werden schnell erfasst, z.B. in einer Größenordnung von sechzehn Symbolen oder dergleichen, um eine erhöhte Effizienz der Bandbreitennutzung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass es erwünscht ist, Datenpakete so schnell wie möglich zu erfassen, um die Länge eines Headers, einer Präambel oder von anderen keine Informationen mit sich führenden Teilen des Datenpakets, die ausschließlich für solche Erfassungen verwendet werden, zu minimieren.
  • Wie hierin verwendet, wird eine Erfassung so definiert, dass sie an einem Empfänger durchgeführte Modifikationen oder Anpassungen umfasst, so dass der Empfänger den Informationsgehalt von an ihn gesendeten Datenpaketen richtig interpretieren kann. Mit der Erfassung eines Datenpakets verbrachte Zeit vermindert die Zeit, die zum Senden von Informationen im Datenpaket zur Verfügung steht (aufgrund der endlichen Bandbreite des Kanals) und wird daher als unerwünscht betrachtet.
  • Die Erfassung umfasst die Durchführung von Feineinstellungen der Parameter, die während der Bereichsverfahren definiert oder eingestellt werden. Während der Bereichsverfahren werden die Schlitztaktsteuerung, die Trägerfrequenz und die Gesamtamplitude (Energie) des Datenpakets bestimmt. Während der Erfassung werden diese Parameter fein eingestellt, um die fraktionale Symboltaktsteuerung, die Trägerphasenkorrektur und die Feinamplitude des Datenpakets aufzunehmen.
  • Ein Bereichsverfahren wird darüber hinaus dazu verwendet, die Energie, die Schlitztaktsteuerung und die Trägerfrequenz im Upstream-TDMA-Kanal zu steuern. Die Energie muss gesteuert werden, um am CMTS eine normierte empfangene Energie bereitzustellen, um die Interkanalinterferenz zu vermindern. Die Trägerfrequenz muss gesteuert werden, um eine ordnungsgemäße Kanalisierung in der Frequenzdomäne sicherzustellen. Die Schlitztaktsteuerung muss gesteuert werden, um die unerwünschte Kollision von Datenpaketen in der Zeitdomäne zu vermindern und differentielle Ausbreitungsverzögerungen zwischen unterschiedlichen CMs zu berücksichtigen.
  • Bezug nehmen nun auf 18 umfasst das CMTS 5042 einen Burst-Empfänger 5292 zum Empfangen von Datenpaketen im Upstream-Datenfluss, einen kontinuierlichen Sender 5290 zum Senden an die CMs 5046 über den Downstream-Datenfluss und eine Medienzugriffssteuerung (MAC) 5060 zum Bereitstellen einer Schnittstelle zwischen dem Burst-Empfänger 5292, dem kontinuierlichen Sender 5290 und anderen Kopfstellen-Datenübertragungseinrichtungen, wie etwa Video-Servern, Satellitenempfängern, Video-Modulatoren, Telefon-Switches und Internet-Router 5018 (5).
  • Jedes CM 5046 (5) umfasst einen Burst-Sender 5294 zum Senden von Daten an das CMTS 5042 über den Upstream-Datenfluss, einen kontinuierlichen Empfänger 5296 zum Empfangen von Übertragungen vom CMTS 5042 über den Downstream-Datenfluss und eine Medienzugriffssteuerung (MAC) 5090 zum Bereitstellen einer Schnittstelle zwischen dem Burst-Sender 5294, dem kontinuierlichen Empfänger 5296 und Teilnehmer-Kommunikationsgeräten, wie etwa einen PC 5048 (5), ein Telefon, einen Fernsehapparat, etc.
  • Der Burst-Empfänger 5292, die Medienzugriffssteuerung (MAC) 5060 und der kontinuierliche Sender 5290 des CMTS 5042 sowie der Burst-Sender 5294, die Medienzugriffssteuerung (MAC) 5090 und der kontinuierliche Empfänger 296 eines jeden CM können jeweils durch einen einzelnen separaten, integrierten Schaltungschip ausgebildet werden.
  • Bezug nehmend nun auf 19 ist das CMTS 5042 aus 5 genauer dargestellt. Das CMTS 5042 ist dafür konfiguriert, Signale von einer Glasfaser 5079 des HFC-Netzes 5010 (5) über eine Glasfaser-/Koaxialkabelstufe 5049 zu empfangen und an diese zu senden, die typischerweise bezogen auf das CMTS 5042 extern angeordnet ist. Die Glasfaser-/Koaxialkabelstufe 5049 führt dem 5–42 MHz-HF-Eingang 56 über ein Koaxialkabel 54 einen Ausgang zu und empfängt ebenso ein Signal vom HF-Aufwärtswandler 5078 über das Koaxialkabel 5052.
  • Der Ausgang des HF-Eingangs 5056 wird einem Splitter 5057 des CMTS 5042 zugeführt, der den 5–42 MHz-HF-Eingang in N separate Kanäle aufteilt. Jeder der N separaten Kanäle wird einem separaten QPSK/16 QAM-Burst-Empfängerkanal 5058 zugeführt.
  • Jeder separate QPSK/16 QAM-Burst-Empfängerkanal 5058 steht in elektrischer Verbindung mit der Kopfstellen-MAC 5060. Die Kopfstellen-MAC 5060 steht mit einer Backplane-Schnittstelle 5062 in elektrischer Verbindung, die für das ROM 5070, das RAM 5068, die CPU 5066 und die 100BASE-T-Ethernet-Schnittstelle 5064 eine Schnittstelle bereitstellt. Die Kopfstellen-MAC 5060 führt dem Downstream-Modulator 5072 einen Takt und einen Datenausgang zu, welcher dem Verstärker 5076 über ein SAW-(Surface Acoustic Wave/akustisches Oberflächenwellen-)Filter 74 einen Ausgang zuführt. Der Verstärker 5076 führt dem 44 MHz-ZF-Ausgang einen Ausgang zu, welcher wiederum dem HF-Aufwärtswandler 5078 einen Ausgang zuführt.
  • Jeder Burst-Empfänger 5058 ist dafür konfiguriert, sowohl QPSK-(4 QAM-) oder 16 QAM-Signale empfangen zu können. Die QPSK-Signale stellen 2 Bis pro Symbol bereit, wobei jedes Bit ±1-Amplitudenniveaus aufweist. Die 16 QAM-Signale stellen 4 Bits pro Symbol bereit, wobei jedes Bit ein ±1- oder ±3-Amplitudenniveau aufweist.
  • Die Beschreibung und Darstellung eines Burst-Empfängers, der dafür konfiguriert ist, QPSK- und 16 QAM-Eingänge aufzunehmen, ist rein veranschaulichender Natur und stellt keine Einschränkung dar. Fachleute werden erkennen, dass andere Modulationstechniken, wie etwa 32 QAM, 64 QAM und 256 QAM alternativ verwendet werden können.
  • Abtast- und Paketsynchronisierung
  • Zusätzlich zu der vorstehend genannten standardgemäßen Anfrage-/Bewilligungsverarbeitung stellen die wohlbekannten Data-over-Cable-Service-Interface-Spezifikationen (DOCSIS) eine unangeforderte Bewilligungsbetriebsart bereit. Gemäß dieser Betriebsart wird eine feststehende Anzahl an Minischlitzen einer ausgewählten SID bewilligt, ohne die Verzögerung erdulden zu müssen, die ein stetiger Strom von Anfragen vor dem Empfang entsprechender Bewilligungen mit sich bringt. Die Upstream-Bandbreite wird in zeitlich geplanten Intervallen in diskreten Blöcken zugewiesen. Die Blockgröße und Zeitintervalle werden zwischen dem CM und dem CMTS ausgehandelt. Mit anderen Worten, bei Erhalt einer anfänglichen Anfrage plant das CMTS einen stetigen Strom von Bewilligungen in feststehenden Intervallen. Der Anfangsminischlitz dieser unangeforderten Bewilligungen startet eine feststehende Anzahl an Minischlitzen, ausgehend vom Ende der letzten ähnlichen Bewilligung. Dieser Mechanismus kann dadurch einen feststehenden Bitratenstrom zwischen dem CM und dem CMTS bereitstellen, der bei Sprachpaketsystemen besonders nützlich ist, die die Sprache in einem feststehenden Intervall (8 kHz) abtasten und ein Paket feststehender Länge zur Übertragung zusammensetzen. Eine solche Paketverarbeitung mit festgelegter Abtastung und feststehender Länge macht die Verwendung solcher feststehender Bewilligungsintervalle besonders attraktiv.
  • Wenn Sprachabtastwerte jedoch unter Verwendung eines asynchronen Taktes bezogen auf den den Minischlitzen zugeordneten Takt erfasst werden, kommen Pakete bezogen auf den Burst zu einem beliebigen Zeitpunkt an. Die Zeitdifferenz (D) zwischen dem Burst und der Paketankunft variiert kontinuierlich von Burst zu Burst als Funktion der Differenz zwischen der Abtast- und Minischlitztakffrequenz. 20 zeigt die variablen Verzögerungen, die sich ergeben, wenn solche Sprachdienste unter Verwendung der unangeforderten DOCSIS-Bewilligungsbetriebsart gesendet werden. Abtastwertpakete (Si, Si + 1, ...) kommen basierend auf dem Abtasttakt an und Upstream-Bewilligungen (G, G + 1, ...) kommen basierend auf dem vom CMTS-Netzwerktakt abgeleiteten Netzwerktakt an. Die Verzögerung (Di, Di + 1, ...) zwischen dem verfügbaren Abtastwertpaket und der Bewilligungsankunft variiert mit jedem Paket als Funktion der Differenz zwischen den Abtast- und Netzwerktakten.
  • DOCSIS-Systeme erzeugen jedoch einen Takt, der zum Synchronisieren der Upstream-Übertragungsfunktionen verwendet wird. Ein Protokoll wird definiert, das an jedem CM-Modem eine synchronisierte Version des CMTS-Taktes bereitstellt, wie vorstehend im Detail besprochen. Es kann auch ein Protokoll definiert werden, das eine Synchronisierung zwischen dem Sprachabtasttakt und dem CM vorsieht. Ebenso kann, wenn die Kopfstelle mit dem PSTN über ein PSTN-Gateway kommuniziert, das über eine eigene Taktung verfügt, ein Protokoll definiert werden, das eine Synchronisierung zwischen dem PSTN und der Kopfstelle bereitstellt. Demgemäß kann dann eine Synchronisierung vorgesehen werden, so dass die Abtastung der Anruferstimme mit dem CM synchronisiert wird, das wiederum mit dem CMTS synchronisiert wird, welches wiederum mit dem PSTN synchronisiert wird, was es schließlich ermöglicht, das angerufene Ziel mit dem Anrufer zu synchronisieren. Die vorliegende Erfindung stellt eine solche Synchronisierung bereit.
  • Bezug nehmend auf 21 ist, wie in 20, eine Reihe von Bewilligungen (G, G + 1, ...) und eine Reihe von Sprachabtastwerten (Si, Si + 1, ...) dargestellt, wobei die Verzögerungen (Di, Di + 1, ...) zwischen der Abtastwertpaketankunft und der unangeforderten Bewilligungsankunft festgelegt sind. Die festgelegte Verzögerung ist das Ergebnis der Synchronisierung zwischen dem CM und dem lokalen Telefonsystem, wie nachfolgend beschrieben. Die feststehende Verzögerung ist beliebig und wird durch das zufällige Verhältnis zwischen dem Beginn des Anrufereignisses und der Bewilligungstaktsteuerung bestimmt. Es ist jedoch erwünscht, die Verzögerung zwischen der Paketankunft und der Bewilligungsankunft zu minimieren, wie in 22 gezeigt.
  • Zwischen der Bewilligungsankunftsverarbeitung und der Paketankunftszusammensetzungsverarbeitung wird eine Koordinierung bereitgestellt, um dazu beizutragen, eine solche Verzögerung zu minimieren.
  • Die Ankunft des Bewilligungssignals am CM zeigt an, dass "es nun für das CM Zeit ist, die Daten zu senden". Daher müssen die Daten, wenn die Bewilligung ankommt, zur Übertragung bereit sein. Um die Daten für die Übertragung fertig zu machen, ist sowohl zur Datenerfassung (Sprachabtastung) als auch zur Verarbeitung der erfassten Daten (z.B. Vorsehen einer Sprachkomprimierung) Zeit erforderlich. Zur Minimierung der Verzögerung sollten die Daten direkt vor der Ankunft der Bewilligung zur Übertragung bereit sein. Eine Verzögerung tritt auf, wenn die Datenerfassung und Verarbeitung der erfassten Daten zu früh beendet ist und das System darauf warten muss, dass die Bewilligung ankommt. Eine solche Verzögerung kann bei einer Voice-over-IP-Verarbeitung besonders störend sein, die gewisse Maximalverzögerungsspezifikationsanforderungen aufweist. Daher ist es für das System vorteilhaft, zu wissen, wie viel Zeit zum Erfassen der Daten nötig ist, wie viel Zeit zum Verarbeiten der Daten erforderlich ist und dadurch in der Lage zu sein, eine solche Datenerfassung und -verarbeitung mit der Bewilligung zu synchronisieren.
  • Das Downstream-CM handelt eine Bewilligungsperiode mit dem CMTS aus, wie vorstehend beschreiben. Ein unangefordertes Bewilligungsintervall wird vom CMTS festgelegt, z.B. in Intervallen von 10 ms. Sobald die Bewilligung basierend auf einer Anfrage (z.B. ein von einem Anrufertelefon gesendetes Signal, dass ein Telefonanruf über einen offenen Telefonkanal getätigt werden soll, um einen Empfänger anzurufen, wie etwa einen mit dem PSTN verbundenen Benutzer) festgelegt worden ist, wird die unangeforderte Bewilligung zugeführt, das heißt die Bewilligungen kommen in regelmäßigen Intervallen. Die unangeforderte Bewilligungsbetriebsart wird verwendet, da die Sprachübertragung während des Telefonanrufs kontinuierlich ist und während jedem Bewilligungsintervall ständig erfasst wird (z.B. alle 10 ms). Die Bewilligungsintervalle können als "Fenster" zum Senden der abgetasteten Pakete erfasster Daten betrachtet werden. Wenn jedoch die Datenerfassung und -verarbeitung nicht synchronisiert ist, ist sie nicht in regelmäßigen Intervallen bereit, was sowohl eine Übertragungsverzögerung als auch, wiederum, eine Empfangsverzögerung am Endpunkt (d.h. beim Anrufempfänger) verursacht.
  • Bezug nehmend auf 23 ist eine repräsentative Ausführungsform einer Implementierung der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der ein lokaler Anrufer einen Anruf über ein CM-/CMTS-System tätigen kann, um einen Anrufempfänger 6002 zu erreichen, der mit dem PSTN über ein PSTN-Gateway 6004 verbunden ist. Bei der repräsentativen Ausführungsform bilden vier Anrufertelefone 1047a, 1047b, 1047c, 1047c einen Teil eines Analog-/Digital-Signalverarbeitungssystems 6010, das Fachleuten wohlbekannt ist. Jedes Anrufertelefon ist mit einem jeweiligen Standard-Codierer-/Decoder (CODEC) und Teilnehmerschleifenschnittstellenschaltungen (SLIC/Subscriber Loop Interface Circuits) 6012a, 6012b, 6012c, 6012d verbunden, die Teil eines Sende-Analog-/Digital-(A/D-) und Empfangs-Digital-/Analog-(D/A-)Umsetzerteilsystems 6014 sind, das außerdem jeweilige Puffer 6016a, 6016b, 6016c und 6016d zum Speichern der digital abgetasteten Daten sowie einen Multiplexer/Demultiplexer 6018 umfasst. Das Umsetzerteilsystem 6014 ist an einen digitalen Signalprozessor (DSP) 6020, wie etwa das LSI-Logic-Corporation-Modell ZSP56402, angeschlossen ist. Der DSP 6020 steuert die Signalkomprimierung. Wenn beim Senden beispielsweise ein Anrufer (z.B. der Anrufer 5047a) einen Telefonhörer abnimmt und spricht, wird in der Praxis die Stimme abgetastet und dann von analogen in digitale Signale umgewandelt. Der DSP steuert die Komprimierung der Daten, die unter der Steuerung des CM 5046 zu Paketen zusammengesetzt und vom CM 5046 an das CMTS 5042 gesendet werden, wie vorstehend beschrieben. Ebenso wird beim Empfang unter der Steuerung des CM 1046 ein eingehendes digitales Signal empfangen und die Pakete zerlegt und unter der Steuerung des DSP dekomprimiert. Die resultierenden digitalen Signale werden dann in analoge Signale umgewandelt, um vom Anrufer gehört zu werden.
  • Wenn ein Telefonanruf über das CM getätigt werden soll, bewirkt das Abheben des Telefons, dass eine Nachricht an das CMTS gesendet wird, die um eine unangeforderte Bewilligung, z.B. eine periodische Bewilligung mit einer Bewilligungsdauer von 10 ms, ersucht. Die Sprachdaten werden dann während jedem 10 ms-Intervall zwischen Bewilligungen erfasst und verarbeitet. Die Verarbeitung umfasst, dass der DSP das digitale Signal vom Umsetzerteilsystem übernimmt und die digitalen Daten komprimiert (z.B. mittels eines ITU-Standard-G.729-Algorithmuscodierers), um die Verwendung einer geringeren Bandbreite zum Senden zu ermöglichen. Die A/D-Umsetzung einer Sequenz von Abtastwerten und deren Pufferspeicherung können als "Datenerfassungsaspekt" betrachtet werden. Die Verarbeitung der erfassten Daten hat eine vom verwendeten Komprimierungsalgorithmus festgelegte Zeitspanne. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die DSP-Verarbeitungszeitspanne bei einer 10 ms-Datenerfassungs-Frame-Größe für verschiedene ITU-Komprimierungsalgorithmen unter Verwendung eines typischen DSP, z.B. des LSI-Logic-Corporation-Modell-ZSP16402-140 MHz-DSP.
    Komprimierung DSP-Verarbeitungszeitspanne
    (a) G.711 2 MIPS = 1,4% DSP-Last = 0,0282 ms zur Verarbeitung von 2,0 ms Daten
    (b) G.722 16 MIPS = 11,4% DSP-Last = 0,228 ms zur Verarbeitung von 2,0 ms Daten
    (c) G.726 16 MIPS = 11,4% DSP-Last = 0,228 ms zur Verarbeitung von 2,0 ms Daten
    (d) G.728 35 MIPS = 25% DSP-Last = 0,5 ms zur Verarbeitung von 2,0 ms Daten
    (e) G.729 20 MIPS = 14,29% DSP-Last = 1,1 ms zur Verarbeitung von 2,0 ms Daten
    TABELLE 1
  • Daher ist bei der G.711-Komprimierung beispielsweise eine Datenerfassungszeitspanne von 2,0 ms zuzüglich einer Datenverarbeitungszeitspanne von 0,0282 ms, d.h. 2,0282 ms, erforderlich, um die erfassten und verarbeiteten Daten direkt vor der Bewilligungsankunft fertig zu machen. Somit muss die Datenerfassung 2,0282 ms vor der Ankunft der Bewilligung gestartet und 0,0282 ms vor Ankunft der Bewilligung abgeschlossen sein. Mit anderen Worten, die Taktsynchronisierung zwischen dem Bewilligungsankunftszeitplan und der Datenerfassungsfrist wird in Anbetracht des Bewilligungsankunftszeitplans und der basierend auf der gewählten Komprimierung erforderlichen DSP-Verarbeitungsdauer festgelegt. Um sicherzustellen, dass die Datenerfassungsfrist eingehalten wird, wird ein Takt für die A/D-Umsetzung basierend auf den Takten des CMTS und des CM-Systems abgeleitet und ein Zeiger bereitgestellt, um einen Abschnitt des Puffers anzuzeigen, in dem die abgetasteten Daten erfasst sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung basieren die zu erfassenden Daten (Abtastung) auf dem vom CMTS gesendeten CMTS-Takt, der die CMs synchronisiert. Eine Bewilligungszeitberechnungsschaltung 6022 ist zwischen dem DSP 6020 und dem CM 5046 angeschlossen. Erfasste Daten werden dem jeweiligen Puffer entnommen, so dass sie im Puffer gespeicherte Daten umfassen, die über eine Zeitspanne vor der Bewilligungsankunft gesammelt wurden, nämlich der Verarbeitungszeitspanne zuzüglich der Datenerfassungszeitspanne. Der CODEC-/SLIC-Block verfügt über einen Takt zum Erfassen der Daten. Die Sprachabtastung wird daher basierend auf einem Abtasttaktsignal vom CM getaktet. Somit werden die direkt vor der Bewilligungsankunft zuletzt im Puffer gespeicherten Daten gemäß der Bewilligung zur Übertragung verwendet. Die Details der Abtasttaktung sind nachfolgend dargelegt.
  • Bezug nehmend nochmals kurz auf 23 wird der Anrufempfänger 6002 über das wohlbekannte PSTN-Telefon-Gateway 2004 mit dem PSTN verbunden. Das PSTN-Telefon-Gateway 6004 wird durch ein Telefonienetztaktsignal 6006 von der Netztaktreferenz 6003 getaktet, die ebenfalls mit dem CMTS 5042 verbunden ist, so dass das PSTN-Telefon-Gateway 6004 mit dem CMTS-Takt zur Übertragung von Telefonabtastwertpaketen 6007 zwischen dem CMTS 5042 und dem PSTN-Telefon-Gateway 6004 synchronisiert werden kann. Der Telefonienetztaktgeber ist der wohlbekannte Building-Integrated-Timing-Supply-(BITS-)Taktgeber. Die Geräteanforderungen zum Anschließen dieses Taktgebers sind Fachleuten bekannt und in dem Bellcore-Dokument TR-NWT-001244 beschrieben. Das Konzept zur Synchronisierung von Büros (Intraoffice Synchronisation) ist Fachleuten ebenfalls bekannt und in dem Bellcore-Dokument TA-NWT-000436 beschrieben. Der CMTS-Takt wird mit dem Telefonienetztaktsignal 2006 über die Kopfstellen-Taktsynchronisierung synchronisiert, die den Kopfstellen-Referenz-Tick-Taktgeber 5015 verwendet, wie vorstehend in Bezug auf 14 beschrieben.
  • Bezug nehmend nun auf 24 wird der Betrieb der Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung 5018 in Verbindung mit dem Telefonienetztakt näher beschrieben. Die digitale Verfolgungsschleife 6021 stellt einen im Wesentlichen stabilen Taktausgang für das CMTS 5042 dar. Eine Differenz zwischen einer absoluten Zeitreferenz und dem Ausgang einer lokalen Zeitreferenz 6022, die von dem numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) 5024 abgeleitet wird, wird durch die Differenzierschaltung 6026 gebildet. Diese Differenz definiert einen Frequenzfehlerwert, der die Differenz zwischen dem Takt des CMTS 5042 (der durch die lokale Zeitreferenz 6022 bereitgestellt wird) und dem Takt des PSTN-Telefon-Gateway 5004 (der durch das Telefonienetztaktsignal 6006 bereitgestellt wird) darstellt. Dieser Frequenzfehlerwert wird durch das Mittelwertermittlungs-Schleifenfilter 6028 gefiltert, wodurch verhindert wird, dass unerwünschte Abweichungen des Frequenzfehlerwertes den numerisch gesteuerten Oszillator 5024 auf eine Weise beeinträchtigen, die seine Stabilität herabsetzen oder bewirken würde, dass der numerisch gesteuerte Oszillator 5024 mit einer anderen als der gewünschten Frequenz arbeitet. Das Schleifenfilter 5028 ist dafür konfiguriert, die schnelle Erfassung des Frequenzfehlerwerts auch dann zu ermöglichen, wenn der Frequenzfehlerwert groß ist, und dann vergleichsweise Frequenzfehlerwerte zurückzuweisen, wenn die digitale Verfolgungsschleife 6021 konvergiert, d.h. wenn sich der Ausgang der lokalen Taktsteuerungsreferenz 6022 der absoluten Zeitreferenz annähert, wodurch bewirkt wird, dass sich der Frequenzfehlerwert null nähert. Die Taktsteuerungsversatzkorrektur 2030 besteht aus einem einfachen Addierer, der mit der lokalen Zeitreferenz 6022 und dem zeitbasierten Nachrichtengenerator 2032 verbunden ist, der zeitbasierte Nachrichten als Ausgang bereitstellt. Der CMTS-Takt ist nun mit dem PSTN-Gateway-Takt synchronisiert.
  • Bezug nehmend nochmals kurz auf 23 wird darauf hingewiesen, dass die Bewilligungszeitberechnungsschaltung 6023 und die CODEC-/SLIC-Blöcke 6012a, 6012b, 6012c, 6012d auf ein Abtasttaktsignal von der CM-Taktsynchronisierschaltung 2034 des CM 5046 ansprechen. Ein solches Abtasttaktsignal stellt eine Taktsynchronisierung für die Sprachabtastung mit 8 kHz bereit, die von dem 4,096 MHz-CM-Takt abgeleitet wird (der mit dem CMTS-Takt synchronisiert ist, der wiederum mit dem PSTN-Takt synchronisiert ist).
  • Bezug nehmend nun auf 25 wird der Betrieb der CM-Taktsynchronisierschaltung 6034 beschrieben. Der Betrieb der CM-Taktsynchronisierschaltung 6034 ähnelt demjenigen der Kopfstellen-Taktsynchronisierschaltung 6008. Der Zeitstempel-Detektor 6050 ermittelt Downstream-Daten, die die vom Zeitbasisnachrichtengenerator 6032 des CMTS 1042 erzeugten Zeitbasisnachrichten umfassen. Der Zeitbasisnachrichten-Detektor 6050 stellt eine absolute Zeitreferenz bereit, die repräsentativ für die Frequenz der Kristalloszillator-Taktsteuerungsreferenz 5016 des CMTS 5042 ist. Die digitale Verfolgungsschleife 6036 ist enthalten, um einen im Wesentlichen stabilen Taktausgang bereitzustellen. Eine Differenz zwischen einer absoluten Zeitreferenz und dem Ausgang einer lokalen Zeitreferenz 6038, die von dem numerisch gesteuerten Oszillator 6040 abgeleitet wird, wird durch die Differenzierschaltung 6042 gebildet. Diese Differenz definiert einen Frequenzfehlerwert. Dieser Frequenzfehlerwert wird durch ein Mittelwertermittlungs-Schleifenfilter 6044 gefiltert, wodurch verhindert wird, dass unerwünschte Abweichungen des Frequenzfehlerwerts den numerisch gesteuerten Oszillator 6040 auf eine Art und Weise beeinträchtigen, die seine Stabilität verringern oder bewirken würden, dass der numerisch gesteuerte Oszillator 6040 mit einer anderen Frequenz als der gewünschten arbeitet. Das Schleifenfilter 6044 ist so konfiguriert, dass es die schnelle Erfassung des Frequenzfehlerwerts auch dann ermöglicht, wenn der Frequenzfehlerwert groß ist, und dann vergleichsweise große Frequenzfehlerwerte zurückweist, wenn die digitale Verfolgungsschleife 6036 konvergiert, d.h. wenn sich der Ausgang der lokalen Taktsteuerungsreferenz 6038 der absoluten Zeitreferenz annähert, wodurch bewirkt wird, dass sich der Frequenzfehlerwert null nähert. Die Taktsteuerungsversatzkorrektur 6052 besteht aus einem einfachen Addierer, der mit der lokalen Zeitreferenz 6038 verbunden ist, um den Abtasttaktgeber 6054 zu speisen, der einen 4,096 MHz-Abtasttakt zur Verwendung durch die Bewilligungszeitberechnungsschaltung 6023 und die CODEC/SLIC-Blöcke 6012a, 6012b, 6012c, 6012d bereitstellt.
  • Bezug nehmend nun auf die 26a, 26b und 26c sind jeweils der erzeugte 4,096 MHz-Abtasttakt, eine GrantRcv[4] (d.h. eine Angabe, dass eine Bewilligung vorhanden ist) und eine GrantRcv[3:0]-SID (d.h. eine Kanalnummer, auf dem die Bewilligung vorliegt) dargestellt.
  • Bezug nehmend nun auf die 27a, 27b und 27c sind jeweils ein abgeleiteter 8 kHz-Abtasttakt für die Sprachabtastung, die GrantRcv[4] (in abwärts skalierter Darstellung) und die abgetasteten Daten dargestellt.
  • Bezug nehmend auf die 28, 29 und 30 ist eine Bewilligungszeitberechnungsschaltung 6023 genauer dargestellt. Der Epochen-Zähler 6060 wird durch einen vom Pulsgenerator 6062 erzeugten 8 kHz-Puls gepulst, der vom von der CM-Taktsynchronisierschaltung 6034 im CM 1046 erzeugten 4,096 MHz-Abtasttakt abgeleitet wird. Die Bewilligungstaktsteuerungswarteschlange 6064 spricht auf die 4 Bit-SID-Kanalnummer und das Bewilligung-vorhanden-Signal an, wie in den 26a, 26b und 26c gezeigt. Die Bewilligungszeitberechnungsschaltung ist an den DSP 6020 angeschlossen und zählt zwischen aufeinander folgenden unangeforderten Bewilligungen. Der Epochen-Zähler ist ein 12 Bit-Zähler und wird durch den 4,096 MHz-Abtasttakt mit einem 8 kHz-Freigabepuls vorgerückt. Die Bewilligungsankunftstaktsteuerungswarteschlange wird von dem Bewilligung-vorhanden-Signal vom CM 5046 angehalten. Dieses Signal ist immer dann vorhanden, wenn eine interessierende Bewilligung im Upstream vorhanden ist. Die Bewilligungstaktsteuerungswarteschlange nimmt einen 16 Bit-Eingang an, wovon 4 Bits die dem Bewilligungvorhanden-Signal zugeordnete Hardware-Warteschlangennummer und 12 Bits den Epochen-Zählerwert darstellen. Der DSP kann den aktuellen Epochen-Zählerwert lesen. Das Ergebnis der Bewilligungszeitberechnung durch die Bewilligungszeitberechnungsschaltung 2023 ist die Erzeugung eines historischen Maps darüber, wann Bewilligungen bezogen auf den Epochen-Zählerwert ankommen, wie in 29 gezeigt. Bezug nehmend insbesondere auf 30 umfasst eine Bewilligungstaktsteuerungswarteschlange 2064 die Logikblöcke SID_REG, SID_SYNC und SID_FILT zur Erfassung von SID-Informationen. Ein 16×16-FIFO speichert die Tick-Zählung für jede jeweilige Bewilligung und ihre entsprechende SID. Jeder Eintrag im FIFO enthält die SID und gnt_tick_cnt (Bewilligungs-Tick-Zählung), die der Bewilligungsankunft entspricht. Diese Informationen ermöglichen es der DSP-Software, eine Tabelle aus SIDs und gnt_tick_cnt zu erstellen, die die Berechnung einer durchschnittlichen Zwischenankunftszeit für jede Bewilligung ermöglicht. Diese Informationen ermöglichen es der Software, die Datenverarbeitung, wie nachfolgend in Bezug auf 32a genauer dargestellt und beschrieben, zeitlich zu planen, um sicherzustellen, dass die Pakete rechtzeitig für die Bewilligungen fertig sind.
  • Bezug nehmend auf 31 ist das Verhältnis zwischen der Bewilligungszeitberechnungsschaltung 2023, dem DSP 2020 und den Puffern 2016a, ... 2016d genauer dargestellt. Wie vorstehend angegeben, führt die Bewilligungszeitberechnungsschaltung 2023 DSP-Datenlesezugriffsinformationen (SID und gnt_tick_cnts) dem DSP zu. Diese DSP-Datenlesezugriffsinformenen führen dem DSP Taktsteuerungsinformationen zu, so dass er weiß, wann und wo die Upstream-Daten aus dem Upstream-Datenpuffer auszulesen sind. Sie stellen auch dahingehend Taktsteuerungsinformationen bereit, wann die unkomprimierten Downstream-Sprachdaten in den Downstream-Datenpuffer zu platzieren sind. Diese Taktsteuerungsinformationen ermöglichen es der Software 2070 des DSP 2020, eine Tabelle 2072 aus SIDs und Bewilligungs-Tick-Zählungen zu erstellen, eine durchschnittliche Zwischenankunftszeitspanne für jede Bewilligung zu berechnen, die Datenverarbeitung zeitlich zu planen und die Datenübertragung in und aus den Datenpuffern zu steuern.
  • Wie aus 31 zu ersehen ist, umfassen der repräsentative Puffer 2016a (z.B. SID/Kanal 1) und der Puffer 2016d (z.B. SID/Kanal 4) sowohl einen Upstream- Datenpuffer als auch einen Downstream-Datenpuffer, von denen jeder seinen jeweiligen CODEC/SLIC-Block aufweist und durch den vorstehend beschriebenen Abtasttakt getaktet wird. Wenn abgetastete Sprachpaketdaten in Antwort auf eine Bewilligung über den Kanal 1 gesendet werden sollen, verwendet ein Kanal-1-Datenzeiger unter der Steuerung des DSP 6020 die Bewilligungszeitberechnungsinformationen von der Bewilligungszeitberechnungsschaltung 6023, um festzustellen, wo im Upstream-Datenpuffer die aktuellsten abgetasteten Daten zu entnehmen und an das CM 5046 zu senden sind, wobei nicht so aktuelle Abtastwerte jenseits des Zeigers (d.h. früher im Puffer des Kanals 1 gespeichert) verworfen werden. Ebenso verwendet, wenn abgetastete Sprachpaketdaten in Antwort auf eine Bewilligung über den Kanal 4 gesendet werden sollen, ein Kanal-4-Datenzeiger unter der Steuerung des DSP 6020 die Bewilligungszeitberechnungsinformationen von der Bewilligungszeitberechnungsschaltung 6023, um festzustellen, wo im Upstream-Datenpuffer die aktuellsten abgetasteten Daten zu entnehmen und an das CM 5046 zu senden sind, wobei nicht so aktuelle Abtastungen jenseits des Zeigers (d.h. früher im Puffer des Kanals 4 gespeichert) verworfen werden. Die ausgewählten abgetasteten Sprachpaketdaten werden dann vom DSP 6020 an das CM 5046 zur Übertragung an das CMTS 5042 gesendet, wie vorstehend beschrieben.
  • Bezug nehmend auf die 32a und 32b ist ein Betriebsflussdiagramm bereitgestellt, das eine erfindungsgemäße DSP-System-Softwareentscheidungsimplementierung zeigt.
  • Gehen wir von einem System aus, bei dem der DSP 6020 ein digitaler 140MIPS-Signalprozessor ist, wie etwa das LSI-Logic-Corporation-Modell ZSP16402, die Transportpaket-(TP-)Packungsgröße 10 ms beträgt, d.h. die Sprachpaketgröße in Millisekunden in jedem Bewilligungsintervall, die an das/von dem Telefon gesendet wird, und die Datenverarbeitung die aus der vorstehend angegebenen Tabelle 1 ausgewählte Sprachkomprimierung umfasst, wobei die vor der Bewilligung erforderliche Datenverarbeitungszeitspanne bei diesen Komprimierungsalgorithmen 2 ms beträgt, außer bei G.729, wobei die erforderliche Zeit 10 ms beträgt. Mit anderen Worten, der DSP muss, Bezug nehmend nochmals auf Tabelle 1, jeweils 2,0 ms lang 4 Datenkanäle codieren und decodieren, während die 10 ms für die Signalisierung einer TP-Packungsübertragung verwendet werden. Die Stimme am entfernten Ende und die Stimme am nahen Enden werden über den Abtasttakt synchronisiert. Es wird darauf hingewiesen, dass beispielsweise 100% der DSP-Last nötig wären, um bei dem 140MIPS-DSP 4 G.728-Kanäle zu verarbeiten.
  • Bezug nehmend nochmals auf 32a, werden in Stufe 6080 Eingänge bezüglich einer eine Anfrage initiierenden Kanalnummer, entsprechender Bewilligungvorhanden-Signale und des Abtasttakts vom Kabelmodem 5010 für die Bewilligungszeitberechnung 6082 bereitgestellt und in 6084 wird die Kanalbewertung von der DSP-Software gestartet. In Stufe 6086 wird bestimmt, ob ein spezifischer Kanal offen ist, d.h. Kanal i = 1, 2, 3 oder 4. Wenn nicht, beginnt die Verarbeitung von neuem, wenn ja, wird die Verarbeitungszeit Ti, wie aus 32a zu ersehen, in Stufe 6088 basierend auf dem gewählten Komprimierungsalgorithmus eingestellt. In Stufe 6090 werden beim Empfang der Bewilligungszeitberechnung durch den DSP Daten von 2 ms Dauer aus der Zeigerstelle im entsprechenden Puffer, der dem offenen Kanal zugeordnet ist, ausgelesen. Bei den Algorithmen, die eine Verarbeitungszeit von 2 ms haben, werden fünf Verarbeitungszyklen mit einem Index j von 1 bis 5, benötigt. Bei dem G.729-Algorithmus kann keine 2 ms-Verarbeitungszeit verwendet werden, da die unkomprimierten Sprachdaten nur mit einer 10 ms-Frame-Größe zur Verfügung stehen. Somit wird in Stufe 6092 eine Bestimmung in Bezug auf G.729 durchgeführt, und wenn die Bestimmung nein ergibt, werden Daten von 2 ms Dauer in Stufe 6094 verarbeitet. Wenn eine G.729-Komprimierung vorhanden ist, wird der Zyklusindex j in Stufe 6096 bestimmt, und wenn dies nein ergibt, werden in Stufe 6098 mehr inkrementell ausgelesen, j = j + 1. Sobald in Stufe 6096 j = 5, werden Daten von 10 ms Dauer in Stufe 7000 verarbeitet und die 10 ms-Packung wird dann in Stufe 7002 gemäß der aktuellen Bewilligungsankunft gesendet. Wie bei der j-Indexierung für das Auslesen von Daten wird in den Stufen 7004 und 7006 eine j-Indexierung für die Datenverarbeitung durchgeführt. Sobald in Stufe 7004 der Verarbeitungsindex j = 5, wobei die 5 2 ms-Iterationen abgeschlossen sind, wird die 10 ms-Packung in Stufe 7002 gesendet.
  • Fachleute werden erkennen, dass alternative Ausführungsformen des hierin Beschriebenen implementiert werden können.

Claims (10)

  1. Kommunikationssystem, das umfasst: – ein Kabelmodemanschlusssystem (4010), das über ein Gateway (Protokollumsetzer) (3050) an ein erstes Netzwerk angeschlossen ist, wobei das erste Netzwerk ein erstes Telefon (3001) umfasst, – das ferner ein Kabelmodem (4300) umfasst, welches an das Kabelmodemanschlusssystem (4010) angeschlossen ist, und – das ein zweites Netzwerk umfasst, welches an das Kabelmodem (4300) angeschlossen ist, wobei das zweite Netzwerk ein zweites Telefon (4002) umfasst, das mit dem ersten Telefon (3001) kommuniziert, – wobei das Kommunikationssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner umfasst: – eine von dem Kabelmodemanschlusssystem (4010) externe Uhr (3040), wobei das Kabelmodemanschlusssystem (4010), das Gateway (3050) und das Kabelmodem mit der externen Uhr (3040) synchronisiert sind.
  2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei das Kabelmodem (4300) mit dem Kabelmodemanschlusssystem (4010) synchronisiert ist.
  3. Kommunikationssystem nach Anspruch 2, wobei das zweite Gerät mit dem Kabelmodem (4300) synchronisiert ist.
  4. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, das ferner ein öffentliches Telefonnetz (public switched telephone network) (3000) umfasst, wobei die externe Uhr (3040) mit dem öffentlichen Telefonnetz (3000) synchronisiert ist.
  5. Kommunikationssystem nach Anspruch 4, wobei das Gateway (3050) zwischen dem öffentlichen Telefonnetz (3000) und dem Kabelmodemanschlusssystem (4010) angeschlossen ist.
  6. Kommunikationssystem nach Anspruch 5, wobei das erste Netzwerk durch ein globales Weitverkehrsnetz (globales WAN) gekennzeichnet ist.
  7. Verfahren zur Datenübertragung in einem System, das ein über ein Gateway (3050) an ein erstes Netzwerk angeschlossenes Kabelmodemanschlusssystem (4010), eine von dem Kabelmodemanschlusssystem (4010) externe Uhr (3040), ein Kabelmodem (4300) und ein an das Kabelmodem (4300) angeschlossenes zweites Netzwerk umfasst, wobei das Verfahren umfasst: – Austauschen von Daten oder Sprachdaten zwischen dem Kabelmodemanschlusssystem (4100) und dem Kabelmodem (4300), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst: – Synchronisieren des Kabelmodemanschlusssystems (4010), des Gateways (3050) und des Kabelmodems (4300) mit der externen Uhr (3040).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Austauschen der Daten oder Sprachdaten zwischen dem Kabelmodem (4300) und dem zweiten Netzwerk, wobei das zweite Netzwerk ein Gerät umfasst, und das Synchronisieren des Geräts mit dem Kabelmodem (4300) umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Synchronisieren der externen Uhr (3040) mit einem öffentlichen Telefonnetz (3000) umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Austauschen der Sprachdaten oder Daten zwischen dem Gateway (3050) und dem Kabelmodemanschlusssystem (4010) umfasst.
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