DE69534813T2 - Verfahren und Anordnung zur dynamischen Bandbreitenzuordnung in einem TDM/TDMA-Übertragungssystem - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur dynamischen Bandbreitenzuordnung in einem TDM/TDMA-Übertragungssystem Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentralstation und ein Endgerät zur Durchführung einer Zeitmultiplex-(TDMA)-Verwaltung, sowie in diesem Verfahren verwendete Rahmen, wie in den Präambeln von Anspruch 1, 2, bzw. 3 beschrieben.
  • Eine solche Zentralstation, ein Endgerät und Rahmen sind bereits in der Technik bekannt, z.B. aus dem IEEE 802.14 Beitrag (Dallas, Mai 1995) "ATM-based Hybrid Fiber Coax System" von Peter Vandenabeele und Chris Sierens. Darin wird ein System beschrieben, über das Video-Verteildienste und interaktive Dienste von einer Zentralstation für eine Vielzahl von Endgeräten bereitgestellt werden. Die Video-Dienste werden mittels Downstream-HF-Kanälen bereitgestellt, die einen MPEG2-Transport-Strom (MPEG2-TS) enthalten, während die interaktiven Dienste unter Verwendung von Downstream-HF-Kanälen bereitgestellt werden, die einen Rahmen mit einer Kombination von ATM-(Asynchronous Transfer Mode)-Zellen und TDMA-Steuerinformation enthalten, d.h. Zugriffs-Gewährungs-Information (Access Grant Information, AGI), um das Senden von Upstream-Rahmen vom Endgerät zur Zentralstation zu steuern. In diesem Dokument sind zwei Betriebsarten definiert: Ein Standard-Modus und ein High-Modus. Im Standard-Modus enthält der Rahmen 748 Bytes, aufgeteilt in 6 Bytes für die TDMA-Steuerinformation und den Rest für ATM-Zellen, und im High-Modus enthält der Rahmen 6 Bytes für die TDMA-Steuerinformation und 181 Bytes für ATM-Zellen. Der letztgenannte Rahmen wird für hohe Upstream-Bitraten benutzt.
  • Da die Anzahl der in diesen Rahmen für die TDMA-Signalisierung vorgesehenen Bytes und somit auch die Anzahl von AGI begrenzt ist, ist es klar, dass in diesem System auch eine Einschränkung der Upstream-Datenrate und des Verhältnisses zwischen Upstream- und Downstream-Datenraten vorliegt, wobei die Upstream-Datenrate die Summe der Datenraten aller Upstream-Kanäle ist, die von einem Downstream-Kanal gesteuert werden. Zusätzlich dazu kann nur eine feste Anzahl von Endgeräten durch einen Downstream-Rahmen gesteuert werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zentralstation und ein Endgerät des oben angegebenen bekannten Typs bereitzustellen, die aber flexibler bezüglich der Übertragungsraten und der Anzahl von zu steuernden Endgeräten ist.
  • Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch die Zentralstation, das Endgerät und den Rahmen erreicht, die in den Ansprüchen 1, 2, bzw. 3 beschrieben werden.
  • Sieht man im Überrahmen einen Kopfinformations-Teil vor, der flexibel anpassungsfähig ist, kann dieser Teil und somit auch die TDMA-Steuerinformation, wie die AGI und folglich die Anzahl von durch einen Downstream-Kanal gesteuerten Upstream-Kanälen in der Tat entsprechend der unterstützten Raten und der Anzahl von zu steuernden Endgeräten erhöht oder verringert werden. Darüber hinaus ist der Überrahmen sowohl für die Inband-, als auch für die Außerband-Signalisierung geeignet.
  • Um die Endgeräte in die Lage zu versetzen, den Downstream-Rahmen decodieren zu können, werden die Stationen über die Größe dieses Kopfinformations-Teils informiert, entweder durch Einfügen von Informationen über diese Größe in den Kopfinformations-Teil, durch Übertragen dieser Information in Betriebs- und Wartungs-Rahmen zu den Endgeräten, oder durch Vorkonfigurieren dieser Information in den Endgeräten. Die zuletzt genannte Art der Information der Endgeräte über die Größe des Kopfinformations-Teils hat zur Folge, dass immer, wenn diese Größe angepasst wird, auch die vorkonfigurierte Information angepasst werden muss, z.B. durch Eingreifen des Bedieners.
  • Die oben erwähnten und weitere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden deutlicher, und die Erfindung selbst wird am besten verstanden, wenn man auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug nimmt, in denen 1 die Darstellung einer Downstream-Rahmenstruktur und der damit verbundenen Upstream-Burst-Strukturen gemäß der Erfindung ist, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Netzwerk-Systems gemäß der Erfindung ist.
  • 1 zeigt eine Downstream-Rahmenstruktur DS und eine damit verbundene Upstream-Burst-Strom-Struktur US zur Verwendung in einem Netzwerk-System, wie in 2 gezeigt, worin Downstream-Rahmen DS von einer Zentralstation CS zu einer Vielzahl von Endgeräten TS1 – TSn über die Reihenschaltung eines gemeinsamen Übertragungspfades c und individueller Übertragungspfade i1-in gesendet werden, und worin Upstream-Bursts UB im Zeitmultiplex mit Vielfachzugriff (Time Division Multiple Access, TDMA) von den Endgeräten zur Zentralstation übertragen werden. Ein solches Netzwerk wird zum Beispiel für interaktive Dienste, wie Video on Demand und Video-Verteildienste benutzt. In der betrachteten Ausführung werden die Upstream- und Downsteam-Datenraten als gleich angenommen, z.B. 2,048 MBit/s, um die Funktionsbeschreibung des Systems zu vereinfachen, die Erfindung lässt sich jedoch gleich gut auf Systeme anwenden, in denen die Upstream- und die Downstream-Raten unterschiedlich sind. Der Upstream-Kanal wird von einer Vielzahl von Endgeräten gemeinsam genutzt, in der betrachteten Ausführung von 4, und wird dazu in die Zeitschlitze 1, 2, 3, 4 unterteilt, die den Endgeräten mittels in der DS enthaltenen Zugriffs-Gewährungs-Informationen oder Sende-Freigabe-Informationen (TEA) zugeordnet werden.
  • Der Downstream-Rahmen ist 204 Bytes lang und ist kompatibel zum Digital-Video-Broadcast-(DVB)-Rahmen, der für die Verteilung von MPEG-TS über Kabel standardisiert ist. Der Rahmen besteht aus einem MPEG2-Rahmen mit 188 Bytes, zu denen ein Reed-Solomon-FEC von 16 Bytes hinzugefügt wird, um die Fehlerkorrektur des ATM-Teils oder sowohl des ATM-, als auch des TDMA-Steuerblock-Teils durchzuführen. Das erste Byte dieses Rahmens ist ein vorher festgelegtes Synchronisations-Byte S. Die Bytes 2 bis 188 können für Benutzerdaten verwendet werden. Unter Verwendung dieses Rahmens als Grund-Block (Zeile) wird ein Überrahmen aus 8 aufeinander folgenden Rahmen aufgebaut. Der Überrahmen ist in Spalten unterteilt, die zugeordnete Blöcke enthalten. Die Spalte, welche das erste Byte jedes Rahmens enthält, enthält ein Synchronisations-Byte S des DVB-Rahmens, wie bereits oben erwähnt. Die nächsten 8 Spalten bilden einen TDMA-Steuerblock TCB, der 1 Bit zur Überrahmen-Synchronisation S', ein zweites Bit zur Spezifikation eines Zählers C zur Zeitschlitz-Synchronisation des TDMA und pro Zeile maximal 4 Sende-Freigabe-Adressen (Transmit Enable Addresses) TEA1-TEA4 zur Spezifikation des Endgerätes enthält, das Information in einem entsprechenden Zeitschlitz des Upstream-Kanals senden darf. Der Zählerstand, der aus dem oben erwähnten zweiten Bit in den 8 Zeilen gebildet wird, wird zur Synchronisation eines zyklischen 8-Bit-Zählers für das Upstream-TDMA verwendet, wie später noch erläutert wird. Die nächsten sechs Bits jeder Zeile des TCB sind für andere Zwecke reserviert.
  • Jeder Rahmen des Upstream-Bursts ist 60 Bytes lang und besteht aus einer Präambel, einer ATM-Zelle, einem Fehlercode und einem Sicherheitsabstand. Die Teile der Rahmen sind in 1 nicht gezeigt und werden nicht weiter berücksichtigt, da sie für die Erfindung nicht relevant sind.
  • Im Folgenden wird die prinzipielle Funktion des Upstream-TDMA erläutert. Detailliertere Informationen über die Funktionsweise findet man in dem oben zitierten IEEE-Beitrag und in der zugehörigen Europäischen Patentanmeldung EPA 95201108.8.
  • Zur Realisierung von TDMA werden zwei Funktionen benötigt: Zeitschlitz-Synchronisation, d.h. die Festlegung, in welchem Augenblick oder in welchem Zeitschlitz ein Endgerät Informationen senden darf, und die Endgeräte-Adressierung, d.h. die Anzeige, welches Endgerät Upstream-Informationen senden darf.
  • Die Zeitschlitz-Synchronisation wird mittels zyklischer Synchronisations-Zähler ausgeführt. Die Zentralstation hat einen Haupt-Zähler, der auf einen vorher festgelegten Wert hochzählt, dann auf Null zurückkehrt und erneut mit dem Zählen beginnt. Dieser Zähler zählt mit der Geschwindigkeit der Downstream-Bytes. Bei jedem Nulldurchgang dieses Zählers darf ein Endgerät einen Upstream-Burst senden. Jedes Endgerät hat einen gleichen lokalen Zähler, den nachgeordneten Zähler, der ebenfalls auf denselben vorher festgelegten Wert wie die Zentralstation und mit derselben Geschwindigkeit (ein Zählschritt pro empfangenes Downstream-Byte) hochzählt. Um die Zähler in allen Endgeräten mit dem zentralen Zähler zu synchronisieren, wird der Wert des letztgenannten Zählers in regelmäßigen Zeitabständen von der Zentralstation im Feld C des Downstream-Rahmens an die Endgeräte rundgesendet. Für den Fall einer gleichen Upstream- und Downstream-Rate, wie in der beschriebenen Ausführung, ist der vorher festgelegte Wert der Zähler gleich der Länge des Upstream-Bursts. Für Ausführungen, in denen die Downstream-Rate größer als die Upstream-Rate ist, müssen die vorher festgelegten Zählwerte entsprechend angepasst werden. Für den vorliegenden Fall einer Upstream-Burst-Länge von 60 Bytes, d.h. 58 gesendete Bytes und ein Sicherheitsabstand von 2 Bytes, beträgt der Mittelwert der Upstream-Bursts 204/60 = 3,4 pro Downstream-Rahmen. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Upstream-Burst-Länge von 68 sicherstellt, dass exakt 3 Upstream-Kanäle für einen Downstream-Kanal vorhanden sind.
  • Die im Downstream-Rahmen aufgelisteten TEAs geben an, welches Endgerät bei den aufeinander folgenden Nulldurchgängen dieses Zählers einen Upstream-Burst senden darf. Wenn 4 Upstream-Bursts in einem speziellen Downstream-Rahmen beginnen müssen, werden 4 TEAs in der entsprechenden Zeile des TCB-Teils des Downstream-Rahmens benötigt. Wenn nur 3 Upstream- Bursts beginnen müssen, wird der vierten TEA von der Zentralstation der Wert Null zugeordnet. Typischerweise steuert eine Zeile des TCB den Burst, der während des nächsten Rahmens mit der Übertragung beginnt. Sie kann die Übertragung im aktuellen Rahmen nicht steuern, da eine Verzögerungszeit erforderlich ist, um die TEA im Endgerät zu verarbeiten.
  • Es muss darauf hingewiesen werden, dass speziell codierte TEAs verwendet werden können, die zur Folge haben, dass jedes Endgerät Upstream-Information senden darf, wodurch eine Kombination von TDMA und des Aloha- oder Wettstreit-Prinzips realisiert wird. Quittungen können dann in Betriebs- und Wartungs-Nachrichten rundgesendet werden.
  • Eine detailliertere Beschreibung der Zeitschlitz-Synchronisation und der Endgeräte-Adressierung und der praktischen Implementation in der Zentralstation und in den Endgeräten findet man in dem oben erwähnten IEEE-Beitrag und in der zugehörigen Europäischen Patentanmeldung.
  • Nimmt man eine zukünftige Erweiterung der Dienste an, kann es erforderlich sein, den Endgeräten mehr Upstream-Bandbreite anzubieten, d.h. mehr Upstream-Kanäle durch einen Downstream-Kanal zu steuern. In diesem Fall wird der 8 Spalten breite TDMA-Steuerblock im Überrahmen einige Male auf Kosten des ATM-Blocks dupliziert. Der Wert des TDMA-Steuerblocks wird den Benutzer-Stationen mitgeteilt, um sie in die Lage zu versetzen, den Überrahmen zu decodieren. Diese Kommunikation kann auf mehrere Arten erfolgen, indem der Wert in den Überrahmen und spezieller in die oben erwähnten Bits für weitere Verwendung aufgenommen wird, indem der Wert in Betriebs- und Wartungs-(OAM)-Downstream-Rahmen aufgenommen wird, oder durch Eingreifen de Bedieners.
  • Auf ähnliche Weise kann im Fall einer geänderten Konfiguration die Größe des TDMA-Steuerblocks angepasst werden, d.h. bei einer Erhöhung oder Verringerung der Anzahl von Endgeräten, oder wenn zum Beispiel Upstream-Rahmen mit 68 Bytes benutzt werden und nur 3 Upstream-Kanäle durch einen Upstream-Kanal gesteuert werden müssen.
  • Es muss darauf hingewiesen werden, dass auch die Größe des Rahmen-Teils, der den FEC-Code enthält, flexibel gemacht werden kann.
  • Es werden keine weiteren Einzelheiten bezüglich der Realisierung von Ausführungen einer Zentralstation und von Endgeräten gemäß der Erfindung angegeben, da diese Realisierung für einen Fachmann auf der Grundlage der oben angegebenen Funktionsbeschreibung der Erfindung offensichtlich ist und wenn man die bekannte Implementation eines Systems, wie in den zitierten Dokumenten beschrieben, berücksichtigt.
  • Es muss darauf hingewiesen werden, dass, obwohl in der betrachteten Ausführung die Anzahl von Zeilen des Überrahmens gleich 8 angenommen wird, dies keine Einschränkung darstellt. In der Tat kann die Anzahl von Zeilen jeden Wert haben. In der betrachteten Ausführung wurde eine Anzahl von 8 gewählt, weil dies die Anzahl von Bits in einem Byte ist. Die Anzahl der Zeilen kann in einer anderen vorteilhaften Implementation gleich 53 gesetzt werden, was der Anzahl der Bytes in einer ATM-Zelle entspricht.
  • Es muss auch darauf hingewiesen werden, dass die Verbindung zwischen der Zentralstation und dem Endgerät zum Beispiel mittels eines Satelliten-Kommunikations-Pfades oder eines Pfades in einem Zellularfunknetz oder in einem hybriden Faser-Koax-Netz realisiert werden kann, das aus der Reihenschaltung einer optischen Faser, einer Umwandlungseinheit, die einen elektro-optischen Wandler und einen opto-elektrischen Wandler enthält, und von Koaxialkabeln besteht, die alle in 2 nicht gezeigt sind. Im letztgenannten Netzwerk können Untergruppen von Endgeräten definiert werden, die in Downstream- und Upstream-Richtung durch Frequenzmultiplex getrennt sind und wobei jede dieser Untergruppen Endgeräte enthält, die einen einzelnen Upstream-Träger im Zeitmultiplex gemeinsam nutzen.
  • Zusätzlich dazu kann das oben beschriebene Prinzip des flexiblen Kopfinformations-Teils auch auf die Upstream-Rahmen angewendet werden.
  • Obwohl die Prinzipien der Erfindung oben in Verbindung mit einer speziellen Vorrichtung beschrieben wurden, muss deutlich verstanden werden, dass diese Beschreibung nur als Beispiel und nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung erfolgt.

Claims (4)

  1. Zentralstation (CS) für ein Zeitmultiplexsystem mit Vielfachzugriff, in dem die Zentralstation mit jedem aus einer Vielzahl von Endgeräten (TS1-TSn) gekoppelt ist, wobei die Zentralstation Erzeugungs-Mittel enthält, um Downstream-Rahmen zu erzeugen, die Zugriffs-Gewährungs-Informationen (TEA1-TEA4) enthalten, und Sende-Mittel enthält, um die Downstream-Rahmen zu den Endgeräten zu senden, um es den Endgeräten zu erlauben, Upstream-Rahmen (US) in Zeitschlitzen zur Zentralstation zu übertragen, die dafür mittels der Zugriffs-Gewährungs-Information zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Downstream-Rahmen ein Überrahmen ist, der eine Matrix-Struktur mit Zeilen und Spalten hat, wobei ein erster Teil und ein zweiter Teil der Matrix-Struktur ein Kopfinformations-Teil (S, TCB), bzw. ein Informations-Teil (ATM) ist, und dass das Erzeugungs-Mittel so angepasst ist, dass es die Zugriffs-Gewährungs-Information in den Kopfinformations-Teil einfügt und die Größe des Kopfinformations-Teils entsprechend einem vorher festgelegten Größen-Wert, der aus der Zugriffs-Gewährungs-Information berechnet wird, flexibel anpasst.
  2. Endgerät (TS1;..; TSn) für ein Zeitmultiplexsystem mit Vielfachzugriff, in dem eine Zentralstation (CS) mit einer Vielzahl von Endgeräten (TS1-TSn) gekoppelt ist, wobei jedes aus der Vielzahl der Endgeräte im wesentlichen gleich den anderen ist, wobei das Endgerät Empfangs-Mittel enthält, um einen Downstream-Rahmen (DS) zu empfangen, der von der Zentralstation über das System zum Endgerät gesendet wird, und Interpretations-Mittel enthält, um den Downstream-Rahmen zu interpretieren, wobei der Downstream-Rahmen Zugriffs-Gewährungs-Information (TEA1-TEA4) enthält, um es den Endgeräten zu erlauben, Upstream-Rahmen in Zeitschlitzen zur Zentralstation zu übertragen, die dazu mittels der Zugriffs-Gewährungs-Information zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Downstream-Rahmen (DS) ein Überrahmen ist, der eine Matrix-Struktur mit Zeilen und Spalten hat, wobei ein erster Teil und ein zweiter Teil der Matrix-Struktur ein Kopfinformations-Teil (S, TCB), bzw. ein Informations-Teil (ATM) ist, wobei die Größe des ersten Teils variabel ist, und dass das Interpretations-Mittel so angepasst ist, dass es die Zugriffs-Gewährungs-Information im Kopfinformations-Teil erkennt und interpretiert und dabei Informationen bezüglich der Größe des Kopfinformations-Teils berücksichtigt, wobei die Information entweder von der Zentralstation zum Endgerät übertragen oder vorkonfiguriert wird.
  3. Rahmen (DS), der dazu geeignet ist, in einem Zeitmultiplexsystem mit Vielfachzugriff, das eine Zentralstation (CS) enthält, die mit einer Vielzahl von Endgeräten (TS1-TSn) gekoppelt ist, von der Zentralstation zu den Endgeräten übertragen zu werden, wobei der Rahmen Zugriffs-Gewährungs-Informationen (TEA1-TEA4) enthält, um es den Endgeräten zu erlauben, Upstream-Rahmen (US) zur Zentralstation zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (DS) ein Überrahmen ist, der eine Matrix-Struktur mit Zeilen und Spalten hat, wobei ein erster Teil und ein zweiter Teil der Matrix-Struktur ein Kopfinformations-Teil (S, TCB), bzw. ein Informations-Teil (ATM) ist, wobei der Kopfinformations-Teil die Zugriffs-Gewährungs-Information (TEA1-TEA4) enthält und die Größe des Kopfinformations-Teils variabel ist.
  4. Rahmen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfinformations-Teil in zwei Teile unterteilt ist, von denen einer einen Fehlerkorrektur-Code enthält.
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