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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kabelmodems. Genauer bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf die Sprachübertragung über Kabelmodems. Die Data Over
Cable Systems Interface Specification (DOCSIS) beschreibt eine Norm
für die
Kabelmodemschnittstelle zwischen einem Kabelfernsehbetreiber und
einem Computer. Die DOCSIS ist als die Norm für Vorrichtungen, die ankommende
und abgehende Datensignale über
diese Schnittstelle behandeln, angenommen worden, seit DOCSIS 1.0 durch
den Internationalen Fernmeldeverein (ITU) im März 1998 ratifiziert worden
ist. Kabelmodems, die zur DOCSIS konform sind, sind in vielen Bereichen verfügbar, in
denen Kabelbetreiber arbeiten.
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Die
Norm DOCSIS 1.1 stellt als einen von mehreren Datenübertragungsmechanismen
für das Ergreifen
von Bandbreite für
Pakete den nicht angeforderten Gewährungsdienst bereit. Dieser
Dienst wird vorzeitig zwischen einem Kabelmodem und der Kopfstellenausrüstung (CMTS)
aufgebaut und durch die gewünschte
Datenpaket-Ankunftsrate, Paketgröße und Jitter-Toleranz
parametrisiert. Wenn er aufgebaut worden ist, gibt die Kabelnetz-Kopfstellenausrüstung nicht
angeforderte Übertragungsgelegenheiten
(Gewährungen)
mit der angeforderten Rate an das Kabelmodem. Dieser Dienst stellt
einen effizienten Mechanismus für
den Transport von Sprachpaketen bereit, sichert aber nicht die Maximierung
der Sprachqualität.
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Im
US-Patent 5.710.765 wird das Problem übertragungsentfernungsbezogener
Verzögerungen in
Bezug auf Zeitmultiplex-Mehrfachzugriffssysteme behandelt, in denen
auf jedes Kabelmodem eine Zeiteinstellung angewendet wird.
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Anders
als Anrufer in einem leitungsvermittelten Telephonnetz, die einer
dedizierten Verbindung zugeordnet sind, belegen Kabelmodemnutzer
während
ihrer Online-Sitzungen keine feste Menge an Bandbreite, sondern
nutzen das Netz stattdessen mit anderen Online-Nutzern gemeinsam,
wobei sie nur Netzbetriebsmittel verwenden, wenn sie Daten in schnellen
Bündeln
senden und empfangen. Die Nutzer ergreifen typisch in dem Moment,
in dem sie ihre Daten heraufladen müssen, was sie von der verfügbaren Bandbreite
benötigen.
Verzögerungen
beim Übertragen
von Datenpaketen beeinflussen nicht die Datenqualität. Allerdings
verschlechtern Verzögerungen
der Übertragung
für Sprachpakete
die Sprachqualität,
so dass es insbesondere in Kabelnetzen einen Bedarf an einer engen
Zeitsteuerung der Sprachpaketverfügbarkeit mit Gelegenheiten
für die Übertragung
gibt.
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DOCSIS
ist eine sich entwickelnde Norm, die Modulationsschemata und -protokolle
für den
Austausch doppelt gerichteter Signale über Kabel spezifiziert, wobei
sie ermöglicht,
dass Version-4-IP-Verkehr eine transparente Übertragung zwischen der Kabelmodem-Abschlusssystem-Netzseiten-Schnittstelle
(CMTSNSI) und dem Kabelmodem zur Kundenstandortausrüstungs-Schnittstelle
(CMCI) erreicht. Die IP-Telephonie (VoIP) ist ein neuer Dienst, der
durch DOCSIS-Kabelnetze unterstützt
werden kann. Aktualisierungen an vorhandenen Kabelmodems und DSPs,
um die VoIP-Qualität
maximal zu machen, können
durch Ändern
der Programmierung in ihrem EEPROM-Flash-Speicher erreicht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Synchronisieren
der Paketverfügbarkeit
mit den nicht angeforderten Datenübertragungsgewährungsgelegenheiten
in einem DOCSIS-1.1-Kabel. Das Ziel dieser Synchronisierung ist es
sicherzustellen, dass die Paketübertragungsverzögerung in
einem Kabelmodem dadurch minimal gemacht wird, dass veranlasst wird,
dass die Sprache oder die Daten so nahe bei der Gewährungsgelegenheit
wie möglich
durch das Kabelmodem verarbeitet, zu Paketen gebildet und übertragungsbereit gemacht
werden. Wegen der Auswirkung der Verzögerung auf die Sprachqualität ist dies
allgemein eine wichtige Betrachtung bei Sprache über Paketnetze und speziell
bei Sprache über
Kabelnetze.
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Das
Hauptproblem bei der Implementierung der Paket/Gewährungs-Synchronisierung
ist, dass das Modul, das die Pakete erzeugt (digitaler Signalprozessor
oder DSP) typisch von dem Modul getrennt ist, das die Kabeldatenübertragung/den
Kabeldatenempfang behandelt (Kabelmodem). Somit muss irgendein Synchronisierungsschema
insbesondere darin, wenn die verschiedenen Module in verschiedener
physikalischer Hardware liegen und keine synchronisierten Takte
ausführen,
Latenzzeiten berücksichtigen
sowie die Paketwartezeit bei der Ausgabe von Neusynchronisierungsanweisungen minimieren.
Diese Erfindung beschreibt einen Mechanismus, der zum größten Teil
unabhängig
von diesen Latenzzeiten ist und somit die Implementierung erleichtert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in Verbindung mit der
folgenden ausführlichen
Beschreibung sichtbar gemacht.
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Insbesondere
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung,
wie sie in den Ansprüchen
dargelegt sind.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung, wie sie im Folgenden beschrieben wird, enthält für ein DOCSIS-1.1-Kabelmodem
ein Tiefpassfilter und einen Gerätetreiber,
der die Filterausgabe abtastet, so dass der Gerätetreiber die durchschnittliche
Paketwartezeit und die maximale Ausbreitungsverzögerung bestimmt und ihre Differenz
als einen Neusynchronisierungsbetrag an den DSP übermittelt. Der DSP synchronisiert
daraufhin die Paketübertragung
neu, indem er die Übertragung
des nächsten Pakets
in der Folge um den Neusynchronisierungsbetrag verzögert. Daraufhin
sendet der DSP ununterbrochen, durch die Gewährungsperiode in der Zeit getrennt,
Pakete. Das Gesamtergebnis ist, dass nachfolgende Pakete in zeitlicher Übereinstimmung zur Übertragung über das
Kabel, d. h. innerhalb einer kleinen Zeittoleranz vor den nicht
angeforderten Gewährungsgelegenheiten
in einem DOCSIS-1.1-Kabel, bei dem Modem ankommen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Für ein besseres
Verständnis
des Wesens der vorliegenden Erfindung, ihrer Merkmale und ihrer Vorteile
wird die nachfolgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gegeben, in
der:
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1 ein
Diagramm für
eine DSP-Kabelmodem-Paketübertragung
in einem DOCSIS-1.1-Kabelmodem gemäß dem Stand der Technik ist.
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2 ein
Diagramm der Neusynchronisierung, die nur eine Paketbildungsperiode
dauert, gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung ist.
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3 ein
beispielhaftes Format für
die Neusynchronisierungsnachricht gemäß der vorliegenden Erfindung
ist.
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4 ein
beispielhafter Ablaufplan des Prozesses der Neusynchronisierung
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
in 1 veranschaulicht ist, stellt eine DOCSIS-Kabelverbindung 10 nach
dem Aufbau nicht angeforderte Gewährungsgelegenheiten G bereit, die
in einem vorgegebenen Intervall N beabstandet sind. Das Modem 14 empfängt vom
DSP 12 Paketdaten PK und lädt die Paketdaten bei G in
das Kabel herauf. Die Verzögerung
D zwischen PK und XMIT umfasst die Ausbreitungsverzögerung P
zwischen dem DSP und dem Modem und die Wartezeit W in dem Modem,
das auf die nächste
nicht angeforderte Gewährung
G wartet. Ohne Neusynchronisierung bleibt D wie im Stand der Technik
konstant.
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Paketübertragungsverzögerung
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Die
Situation vor der Neusynchronisierung ist in der vorliegenden Erfindung
gleichwertig der des Standes der Technik und in 1 veranschaulicht, wo
Folgendes angenommen ist:
- P
- = Ausbreitungsverzögerung oder
Latenzzeit, d. h. die Zeit, die es dauert, damit die Paketübertragung
von dem DSP in dem Kabelmodem ankommt und über das Kabelmodem verarbeitet
wird,
- W
- = die Zeitdauer, die
das Paket in der netzaufwärts
gerichteten Warteschlange des Modems wartet, bevor es über das
Kabel übertragen wird,
- D
- = gesamte Paketverzögerungszeit
von dem Zeitpunkt, an dem es durch den DSP übertragen wird, bis zur nächsten Gewährungsgelegenheit,
d. h. P + W,
- N
- = Paketbildungsperiode
= Gewährungsperiode,
- T
- = Wartezeittoleranz
für D.
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Neusynchronisierung
durch den DSP
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Es
wird angenommen, dass D > T
ist, d. h., dass die Gesamtverzögerung
die voreingestellte Wartezeittoleranz überschreitet. Wie in 2,
einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform, veranschaulicht
ist, wird die Paketübertragung
des nächsten
Pakets 18 durch den DSP 16 zu dem Kabelmodem 17 um W1 – P = Neusynchronisierungsverzögerung =
SHIFT AMOUNTverzögert,
um eine Neusynchronisierung der in 1 veranschaulichten
Situation auszuführen.
Da die Wartezeit die voreingestellte Toleranz T übersteigt, wird durch den DSP 17 eine
Neusynchronisierungsanforderung 18 erzeugt, so dass das
nächste
Paket innerhalb der gewünschten
Toleranz der Gewährungsgelegenheit
des DOCSIS-Kabels 15 zur Übertragung verfügbar sein
kann. Wenn die Paketübertragung
verschoben wird, wird die Bildung des Pakets ebenfalls verschoben.
Da das Paket eine Standardgröße haben
muss, erfordert diese Verschiebung einen kleinen Verlust des vorderen
Endes oder des hinteren Endes des verschobenen Pakets.
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Das
Ziel eines Neusynchronisierungsereignisses ist es, D minimal zu
machen. Die Ausbreitungsverzögerung
(Latenzzeit) P kann nicht minimal gemacht werden: P ändert sich,
hat aber einen bestimmbaren oberen Grenzwert Pmax.
Pmax ist ein Konfigurationsparameter und könnte durch Messen der ungünstigsten
Sprachpaketübertragungszeitdauer
von dem DSP zu dem Modem mit einem Logikanalysator oder ähnlichen
Hilfsmitteln bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
könnte
zwischen dem Kabelmodem und dem DSP eine spezielle Rückschleifennachricht
verwendet werden. Der DSP könnte
durch Zeitsteuerung der Umlaufverzögerung zum Senden/Empfangen
dieser Nachricht und anschließendes
Dividieren durch zwei periodisch Pmax messen. Dieser Wert könnte daraufhin
zur Verwendung als Pmax an das Kabelmodem berichtet werden. Lediglich
die Wartezeit W des Pakets in der netzaufwärts gerichteten Warteschlange
kann verringert werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird dies dadurch
ausgeführt,
dass die Übertragung des
nächsten
Pakets des DSP an das Kabelmodem um SHIFT AMOUNT
= [AVG(W) – Pmax] = WAVE – Pmax auf
einen späteren
Zeitpunkt verschoben wird. Idealerweise sendet der DSP das nächste Paket
SHIFT AMOUNT später
als normal, so dass das nächste
Paket in zeitlicher Übereinstimmung
für die
nicht angeforderte Gewährungsgelegenheit,
d. h. nur etwas früher
als die Gewährungsgelegenheit 11,
in dem Gerätetreiber
ankommt, um den potentiellen Abfall der Sprachqualität minimal
zu machen. Wie im Folgenden veranschaulicht wird, ist aber nicht
entscheidend, dass dies der Fall ist.
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Da
der DSP ununterbrochen weiter in der Zeit durch N getrennte Pakete
sendet, ist dies eine Rückwärtsverschiebung
von SHIFT AMOUNT aller nachfolgenden Pakete, die durch den DSP an
das Kabelmodem gesendet werden. Obgleich diese Verschiebung nicht
zu irgendeinem Datenverlust für
die nachfolgenden Pakete führt,
kann diese Verzögerung zum
Verlust einiger Informationen aus dem Strom, der durch den DSP abgetastet
wird, führen,
die in das nächste
Paket hätten
aufgenommen werden sollen. Das Hinzufügen einer Verzögerung erhöht nur für das nächste Paket
die Paketbildungsperiode über
N hinaus. Potentiell führt
diese Erhöhung
dazu, dass mehr Daten abgetastet werden, als in ein einzelnes Paket gepackt
werden können.
Möglicherweise
müssen
einige Daten verworfen werden.
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Bevor
ein stationärer
Zustand erreicht ist, d. h., wo die Pakete weiter ohne häufige Neusynchronisierungen
kurz vor der Gewährungsgelegenheit
ankommen, können
einige wenige nachfolgende Neusynchronisierungen erforderlich sein.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist angenommen, dass der DSP immer bei dem nächsten Paket, das auf dasjenige
folgt, das eine Neusynchronisierungsanforderung ausgelöst hat,
neu synchronisieren kann. Die Situation ist in 2 veranschaulicht,
wo die Neusynchronisierung durch eine wie durch das Kabelmodem angewiesene
DSP-Neusynchronisierung erreicht wird, da die resultierende Wartezeit
kleiner als T ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird der DSP nicht immer bei dem nächsten Paket, das er sendet,
neu synchronisieren können,
wobei er aber eine Anzahl von Paketen in der Folge S überträgt, bevor
er eine Neusynchronisierung ausführt.
In dieser alternativen Ausführungsform
wird in dem Modem ein Schutzgatter verwendet, um sowohl die Resychronisationsprüfung als
auch die Anforderungserzeugung für
S-Pakete zu sperren, um für
den DSP Zeit zum Neusynchronisieren einzuplanen.
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Kabelmodem
und Gerätetreiber
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In
der bevorzugten Ausführungsform
enthält das
Kabelmodem ein Tiefpassfilter zum Erzeugen des laufenden Durchschnitts
der Paketwartezeiten. Wenn der DOCSIS-Dienstablauf für den Sprachstrom
erzeugt wird, was den Dienst für
nicht angeforderte Gewährungen
startet, kann der Treiber mit einer Gewährungssynchronisierungsfunktion
und mit einem Zeiger auf ein Stück
undurchsichtiger Zustandsdaten oder auf einen Cookie versehen werden.
Wenn die Dienstablauf-Übertragungsroutine aufgerufen
wird, wird die Zeit notiert und die Gewährungssynchronisierungsfunktion
mit einem Funktionscode PKT_ARR gemeinsam mit dem Cookie aufgerufen,
das zum Speichern des Filterzustands verwendet wird. Nachdem das
Paket übertragen
worden ist, notiert der Kabelmodemtreiber die Zeit und ruft die
Gewährungssynchronisierungsfunktion
mit einem Funktionscode PKT_XMIT auf. Dies hat intern die Wirkung,
den laufenden Durchschnitt der Wartezeit WAVE zu erzeugen. Ein Ansatz
zu dieser Berechnung ist die Verwendung einer exponentiellen Glättung; mit
dieser Technik wird die Ausgabe des Filters WAVE wie folgt bestimmt: WAVEnew = a·W
+ (1 – a)·WAVEold;wobei "a" der Glättungsfaktor (0 < a < 1) ist.
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"a" ist typisch ein abstimmbarer Parameter, der
höchstwahrscheinlich
so eingestellt wird, dass er den Einfluss kurzzeitiger Oszillationen
in der Wartezeitmessung begrenzt. Zum Beispiel könnte "a" so eingestellt
werden, dass wenigstens K Beobachtungen der maximalen Wartezeit
beobachtet werden müssten,
bevor WAVE den Schwellenwert für
die Neuausgabe von Neusynchronisierungsnachrichten an den DSP erreicht.
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Dieses
Filterungsobjekt würde
einen Funktionscode PKT_DROP liefern, so dass der Kabelmodemtreiber
Beobachtungen negieren kann, falls das Paket nie übertragen
wurde. Außerdem
ermöglicht ein
Funktionscode PKT_INIT, dass der Kabelmodemtreiber den laufenden
Durchschnitt nach Ausnahmebedingungen wie etwa dem Verlust des netzaufwärts gerichteten
Stroms des Kabelmodems usw. zurücksetzt.
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DSP/Kabelmodem-Schnittstellenprotokoll
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist das DSP/Modem-Protokoll aktualisiert, so dass es die folgenden
Schritte, siehe 4, enthält:
der DSP erzeugt ein
Paket und überträgt das Paket an
das Kabelmodem 20;
das Paket kommt bei dem Kabelmodem
an, wobei die Paketankunft zeitgestempelt wird, und das Paket wird
in einer netzaufwärts
gerichteten Warteschlange 21 angeordnet;
das Paket
wird durch das Kabelmodem übertragen und
die Paketübertragung
zeitgestempelt 22;
der Kabelmodem-Gerätetreiber
berechnet die Wartezeit W für
das Paket durch Berechnen der Differenz zwischen den Zeitstempeln
seiner Übertragung
und seiner Ankunft 23;
W, die gemessene Wartezeit,
wird durch den Grätetreiber
einem Tiefpassfilter (z. B. laufender Durchschnitt) zugeführt, dessen
Ausgabe ein Maß der durchschnittlichen
Wartezeit WAVE ist 24;
WAVE wird mit einem Schwellenwert
oder mit einer Toleranz T verglichen 25, wobei ein Neusynchronisierungsereignis
stattfindet 27, falls WAVE > T ist:
an den DSP 26 wird
eine Neusynchronisierungsnachricht, deren Format in 3 gezeigt
ist, gesendet, die SHIFT AMOUNT enthält,
im nächsten Paket
führt der
DSP eine Neusynchronisierung aus 27, indem er die Bildung
dieses Pakets und die Übertragung
an das Kabelmodem um SHIFT AMOUNT verzögert.
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Neusynchronisierungsnachricht(en)
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In 3 ist
ein einfaches Format für
die Neusynchronisierungsnachricht an den DSP veranschaulicht. Die
minimalen Anforderungen sind:
Kanal: ein Feld zum Identifizieren
des Sprachkanals in dem DSP, der neu synchronisiert werden muss.
Nachrichtentyp:
ein Nachrichtentyp, der gleich einer Konstanten GTANT_SYNCH ist,
und
Verschiebungsbetrag: der Verschiebungsbetrag in zweckmäßigen Zeiteinheiten
wie etwa Sprachabtastwerten (typisch 125 Mikrosekunden)
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Neu-Neusynchronisierung
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Da
der DSP das Gewährungsintervall
N verwendet, um alle Pakete nach dem Neusynchronisierungsereignis
gleich zu beabstanden, sollten alle durch den DSP gesendeten künftigen
Pakete in zeitlicher Übereinstimmung
für die
Gewährungsgelegenheit
ankommen. Allerdings gibt es nach Neusynchronisierungsereignissen
eine gelegentliche Drift, wobei sehr gelegentlich eine Neu-Neusynchronisierung
erforderlich ist. Um diese Drift auszugleichen, wird ununterbrochen
oder periodisch die durchschnittliche Wartezeit WAVE ausgegeben,
mit einer Wartezeittoleranz T verglichen, wobei ein weiteres Neusynchronisierungsereignis
stattfindet, wenn WAVE > T
ist. Anschließend
kommen die der Drift unterliegenden Pakete wieder innerhalb der
Toleranz T des Gewährungsintervalls,
d. h. in zeitlicher Übereinstimmung, um
durch das Kabelmodem übertragen
zu werden, an.
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Schutzgatter
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In
einer alternativen Ausführungsform braucht
das Kabelmodem die Neusynchronisierungsnachricht nicht in Echtzeit
zu senden und/oder braucht der DSP nicht sofort beim Empfang einer Neusynchronisierungsnachricht
auszugleichen, mit dem Ergebnis, dass es mehrere in dem Kabelmodem ankommende
Pakete hintereinander gibt, die zusätzliche Neusynchronisierungsereignisse
auslösen
würden.
Um vor dem Senden einer Folge von zwei oder mehr gleichen Neusynchronisierungsnachrichten
an den DSP zu schützen,
muss das Kabelmodem mehrere Pakete, d. h. S, warten, nachdem ein
Neusynchronisierungsereignis ausgelöst worden ist, bevor es wieder
WAVE gegenüber
T prüft.
In einer alternativen Ausführungsform
ist dies als ein Schutzgatter 30 realisiert.
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Wie
der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, können an der DSP/Kabelmodem-Schnittstelle zahlreiche
weitere Änderungen
vorgenommen werden, um die vorliegende Erfindung zu schaffen. Da
innerhalb des Umfangs des hier gelehrten erfinderischen Konzepts
viele unterschiedliche und verschiedene Ausführungsformen vorgenommen werden
können und
da an den hier in Übereinstimmung
mit den gesetzlichen Anforderungen an die Beschreibung ausführlich geschilderten
Ausführungsformen
viele Änderungen
vorgenommen werden können,
sind die hier gegebenen Einzelheiten selbstverständlich als veranschaulichend
und nicht in beschränkendem Sinn
zu verstehen.