-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Telekommunikationssysteme
und genauer auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion
und Klassifikation von Kollisionen in einem RF-Netz mit gemeinsamem
Zugriff.
-
HINTERGRUND
-
Daten-
und Sprachkommunikationssysteme verwenden häufig das Frequenzmultiplexen
(frequency division multiplexing = FDM) zur Erhöhung der Bandbreite des Systems.
Das FDM ermöglicht
es, dass zwei oder mehr simultane und kontinuierliche Kanäle von einem Übertragungsmedium
mit einem gemeinsamen Zugriff abgeleitet werden können. Beim
FDM werden jedem der individuellen Kanäle getrennte Bereiche des verfügbaren Frequenzspektrums
zugeteilt, die durch einen minimalen Kanalabstand innerhalb eines
Spektrumsblocks getrennt sind. Beim FDM ist jedoch nur eine feste
Anzahl von physikalischen Kanälen
(d. h. getrennten Frequenzen) in einem Netz mit gemeinsamem Zugriff
vorgesehen.
-
Deshalb
verwenden viele Kommunikationssysteme das Zeitmultiplexen (time
division multiplexing = TDM), um mehrere Kanäle bereitzustellen und um die
Anzahl der Benutzer zu erhöhen,
die in einem Netz mit gemeinsamem Zugriff operieren können. Das
TDM stellt einen Zeitmultiplex-Zugriff (TDMA) bereit, bei dem Benutzer über eine
gemeinsame Trägerfrequenz
in dem Kommunikationssystem verfügen,
indem sie eine begrenzte Zeit zur Übertragung über den Zeitmultiplex-Kanal
anfordern und gewährt
bekommen (Zeitschlitze). In der Tat erhält jeder Benutzer einen anderen
Zeitschlitz auf der gleichen Frequenz zugewiesen. Auf diese Weise können viele
Benutzer die gleiche Frequenz nutzen. Das Auftreten von gleichzeitigen Übertragungen
durch zwei oder mehrere Stationen wird Kollision genannt. In Daten
und Sprachnetzen, bei denen in einem gemeinsamen Medium auf Contention
basierende Anforderungsschlitze verwendet werden, wie zum in Beispiel
Kabel-, drahtlose und Leistungsdaten- und Sprachnetzen, kollidieren
die Signale häufig
dann, wenn ver sucht wird, wahlfrei bzw. zufällig auf das gemeinsame Netz
zuzugreifen.
-
Wenn
eine Kollision in einem Ethernet oder einem anderen Basisband-Netz
auftritt, addieren sich die Spannungen der empfangenen Signale linear.
Deshalb überwachen
Systeme zur Detektion von Kollisionen für Basisband-Netze typischerweise
den Signalpegel in dem koaxialen Kabel oder einem anderen Übertragungsmedium
und ein Aufruf einer Kollision erfolgt, wenn der empfangene Signalpegel
den des durch den Ortssender erzeugten Signals übersteigt. Des Weiteren kann
die Anzahl der kollidierenden Signale ebenso dadurch bestimmt werden,
dass der höchste
Signalpegel in dem koaxialen Kabel durch die nominale Amplitude
einer einzelnen Übertragung
dividiert wird, da sich die Spannungen bei Basisband-Netzen linear
addieren.
-
In
RF-Übertragungssystemen
(wie zum Beispiel einem Kabelnetzwerk oder einem drahtlosen Netzwerk)
wird jedoch das Informationssignal auf einen RF-Träger moduliert.
Des Weiteren werden in einem typischen RF-Übertragungssystem die Phasen
der durch die einzelnen Stationen übertragenen Signale nicht synchronisiert.
Die fehlende Phasensynchronisation kann eine zufällige Phasenverschiebung zwischen
den Signalen, die von den einzelnen Stationen übertragen werden, verursachen.
Deshalb können
in einem typischen RF-Übertragungssystem
die Phasen der Signale, die beim Empfänger kollidieren, nicht ausgerichtet
werden, und der Signalpegel des empfangenen Signals kann nicht direkt
linear mit der Anzahl der kollidierten Signale korrelieren. Tatsächlich kann
die zufällige
Phasenverschiebung zwischen den kollidierenden Signalen kann bewirken,
dass sich Signale konstruktiv (phasengleich), destruktiv (180 Grad
phasenverschoben) oder auf jedem Pegel zwischen den beiden Extremen
addieren. Deshalb können
relativ ideale Systeme zur Detektion von Kollisionen, die in Basisband-Netzen
verwendet werden, in einem RF-Netz mit gemeinsamem Zugriff keine
genaue Detektion von Kollisionen zur Verfügung stellen.
-
In
typischen Anforderungs-Gewährungs-Systemen
geht die Station oder das Modem davon aus, dass eine Kollision aufgetreten
ist, wenn ein Anzeichen für
eine Gewährung
oder eine ausstehende Gewährung
einer bestimmten Anforderung in dem nächsten Downstream-Medien-Zuweisungs-
und Partitionierungs-Zyklus (Downstream-MAP-Zyklus) nicht vorhanden
ist. Somit wird in diesen typischen Systemen eine Konfliktlösung bis
zum nächsten
verfügbaren
MAP-Zyklus verzögert.
-
In
gängigen
RF-Netzen mit gemeinsamem Zugriff, wie zum Beispiel Data Over Cable
Service Interface Specification (DOCSIS), kann das Cable-Modem-Termination-System
(CMTS) über
Physical-Layer- oder Protocol-Algorithmen versuchen abzuleiten,
dass eine Kollision aufgetreten ist. Das CMTS kann zum Beispiel
ein Kollisionsereignis basierend auf Unterschieden im Signal-Rausch-Verhältnis zwischen
dem Vorspann und dem Datenpaket aufrufen oder kann ableiten, dass
ein Kollisionsereignis über
Protokoll-Zustandsübergänge aufgetreten
ist. Alternativ dazu kann in gängigen
Systemen ein Kollisionsereignis ebenso aufgerufen werden, wenn Energie
in einem Contention-Mini-Slot vorhanden ist, die Daten in diesem
Mini-Slot jedoch aufgrund einer fehlgeschlagenen Header-Check-Sequence
(HCS) oder einer fehlgeschlagenen Synchronisation nicht dekodiert werden
können.
Herkömmliche
Systeme zur Detektion von Kollisionen können jedoch Fehler aufgrund
einer Kollision von zwei oder mehr Signalen nicht genau von Fehlern
aufgrund anderer Hindernisse auf diesem Kanal unterscheiden, die
auf andere Weise den Kanal stören
können.
-
Gängige Systeme
beinhalten typischerweise Contention-Resolution-Algorithmen (CRAs)
neben Kollisions-Detektions-Algorithmen, um die Verzögerung beim
erneuten Übertragen
der Zugriffsanforderungen zu minimieren. Contention-Resolution-Algorithmen
verwenden typischerweise Informationen, die durch das CMTS geliefert
werden, um die erneute Übertragung
von fehlgeschlagenen Anforderungen sowie von anderen Übertragungsparametern
zu steuern. In diesem Zusammenhang wird die Information, die aus
dem Ergebnis der Übertragung
extrahiert wird, Feedback genannt.
-
Während des
Betriebs sammelt das CMTS eines DOCSIS-kompatiblen RF-Netzes mit
gemeinsamem Zugriff typischerweise Informationen darüber, wie
viele totale Kollisionen in dem System auftreten. Typische DOCSIS-kompatible
Kollisions-Detektions-Algorithmen erzeugen ein binäres Feedback
in der Form von Entscheidungen ob es sich um eine Kollision (K)
bzw. Nicht-Kollision (NK) handelt, und schätzen nicht die Anzahl der Benutzer
oder Signale, die bei jedem Kollisionsereignis betroffen sind. Theoretische
Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass CRAs Kollisionen schneller
von Fehlern unterscheiden können,
wenn das CMTS oder das zentrale Steuergerät nicht nur das Auftreten einer
Kollision erkennt, sondern auf die Anzahl der kollidierten Signale
schätzt
(auch Multiplizität
von Kollisionen genannt).
-
Aufgrund
der nicht-linearen Eigenschaft der Kollisionsereignisse in RF-Netzen
mit gemeinsamem Zugriff ist es schwierig, direkt ein genaues Feedback
zu der Kollisions-Multiplizität
zu erhalten. Daher sind gängige
Einrichtungen zur Schätzung
der Multiplizität
häufig
protokollbasiert und schätzen
die Kollisions-Multiplizität
in Übereinstimmung
mit der Anzahl der Kollisionen, die davor in dem System aufgetreten
sind. Protokollverfahren sind direkt von den verwendeten CRA-Algorithmen
abhängig,
da zukünftige
Kollisionen davon abhängig
sind, wie oft die Benutzer eine fehlgeschlagene Übertragung erneut ausführen.
-
Es
wäre daher
vorteilhaft, einen physikalischen Schichtdetektor zum Schätzen der
Kollisions-Multiplizität
auf der Basis von Kanalinformationen bereitzustellen.
US-A-5 272 700 bezieht sich
auf den Oberbegriff von Anspruch 1.
-
EP-A-0 877 511 bezieht
sich auf ein System und ein Verfahren zur Detektion – während einer
Kollision – der
Anzahl der kollidierten Parteien, die von der Kollision betroffen
sind.
-
Ein
Ziel der Erfindung ist es, eine wirkungsvolle Kollisions-Detektion
in einem RF-Netz
mit gemeinsamem Zugriff zur Verfügung
zu stellen.
-
Dieses
Ziel wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und mit dem System nach
Anspruch 17 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Un teransprüchen
definiert.
-
In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur
Detektion von Kollisionen in einem Netz mit gemeinsamem Zugriff
zwei oder mehrere RF-modulierte
Signale mit einer Vielzahl von verschiedenen Phasenzuständen, wobei
zwei oder mehrere der übertragenen
Signale an einem zentralen Steuergerät kollidieren, und wobei das
Kollisionssignal mit einer Vielzahl von vorgespeicherten Parametern
korreliert wird, und wobei die Anzahl der übertragenen und dann kollidierten
Signale als Funktion dieser Korrelation bestimmt wird.
-
In
einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Datenkommunikationssystem
zwei oder mehrere Teilnehmer-Sende-Empfangsgeräte und ein zentrales Steuergerät, das ein
oder mehrere Steuer-Sende-Empfangsgeräte in Wechselsprechbetrieb
mit den Teilnehmer-Sende-Empfangsgeräten und einem Kollisions-Detektion-System
aufweist. Die Kollisions-Detektion umfasst einen Korrelationsprozessor
zum Korrelieren einer Eigenschaft einer kollidierten RF-Signalwellenform
mit einer Vielzahl von vorgespeicherten Eigenschaften, wobei die
Anzahl der empfangenen Signale, die von einem Kollisionsereignis
betroffen sind, gemäß der Korrelation
bestimmt wird.
-
In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Detektion von Kollisionen in einem Netz mit gemeinsamem Zugriff
das Übertragen
von zwei oder mehreren RF-modulierten Signalen mit einer Vielzahl
von verschiedenen Phasenzuständen,
wobei zwei oder mehrere der übertragenen
Signale an einem zentralen Steuergerät kollidieren, dabei wird eine
Eigenschaft des Kollisionssignals bestimmt, wie der absolute Wert
der größten Amplitude,
und mit der Eigenschaft einer Vielzahl von vorgegebenen Schwellenwerten
verglichen. Ein Beispielverfahren zur Kollisions-Detektion bestimmt
dann als Funktion des Vergleichs die Anzahl der RF-modulierten und kollidierten
Signale.
-
Das
Verfahren zur Kollisions-Detektion kann des Weiteren umfassen: das Überwachen
einer Vielzahl von Kollsionsereignissen, um die Eigenschaften eines
jeden die ser Kollisionsereignisse zu bestimmen, und das Bestimmen
der vorgegebenen Schwellenwerte gemäß den Eigenschaften der überwachten
Kollisionsereignisse. Die überwachten
Kollisionsereignisse können
simuliert werden, oder das Ergebnis tatsächlicher Experimente im Labor
sein. Für
den Fachmann ist es offensichtlich, dass andere Eigenschaften als
der absolute Wert der höchsten
Amplitude des kollidierten Signals, wie zum Beispiel der einfache
Scheitelwert, der durchschnittliche Scheitelwert, etc. verwendet
werden können,
um Schwellenwerte zum Bestimmen der Anzahl der kollidierten Signale
festzulegen.
-
Es
versteht sich von selbst, dass für
den Fachmann andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung aus der folgenden genauen Beschreibung
leicht ersichtlich sind. In der Darstellung der Erfindung und der
Beschreibung der Ausführungsformen
werden Vorgehensweisen zur Umsetzung der Erfindung aufgezeigt, die
am besten geeignet erscheinen. Wie noch deutlich werden wird, kann
die Erfindung andere und unterschiedliche Ausführungsformen umfassen, und
die Einzelheiten können
in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden, ohne dass von der
Idee und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen
wird. Dementsprechend sollen die Zeichnungen und die genaue Beschreibung
zur Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend verstanden werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Hinblick auf die folgende Beschreibung, die Unteransprüche und
die beigefügten
Zeichnungen besser zu verstehen sein, in denen gilt:
-
1 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Kabelmodem-Systems und veranschaulicht
eine Umsetzung eines beispielhaften Systems zur Detektion von Kollisionen;
-
2 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Cable-Modem-Termination-Sys tems
(CMTS) nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
-
3 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Kabelmodems nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
4 ist
eine graphische Darstellung der Spitzenleistung eines Kollisionsereignisses
als Zeitfunktion für
fünf repräsentative
Kollisionsereignisse;
-
5 ist
eine beispielhafte Rahmenstruktur eines Datenpakets beim Zeitmultiplexverfahren;
-
6 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb eines beispielhaften Systems
zur Detektion von Kollisionen nach einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
-
7 ist
ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus zur Kollisionssimulation nach
einer beispielhaften Ausführungsform;
-
8 ist
eine graphische Darstellung des Spitzensignalpegels bei Kollisionen,
bei denen zwei, drei und vier kollidierende Signale betroffen sind,
nach einer beispielhaften Ausführungsform;
-
9 ist
eine graphische Darstellung des Spitzensignalpegels bei Kollisionen,
bei denen fünf,
zehn und fünfundzwanzig
kollidierende Signale betroffen sind, nach einer beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
10 ist
ein Ablaufdiagramm und veranschaulicht den Betrieb eines beispielhaften
Systems zur Detektion von Kollisionen nach einer beispielhaften
Ausführungsform,
wobei die Anzahl der kollidierenden Signale gemäß der maximalen Signalamplitude
im empfangenen Paket errechnet wird;
-
11 ist
ein Ablaufdiagramm und veranschaulicht den Betrieb eines beispielhaften
Systems zur Detektion von Kollisionen nach einer beispielhaften
Ausführungsform,
in dem ein Bereich von kollidierenden Signalen gemäß der maximalen
Signalamplitude in dem empfangenen Paket relativ zu vorgegebenen
minimalen und maximalen Schwellenwerten geschätzt wird.
-
12 ist
ein Ablaufdiagramm und veranschaulicht den Betrieb eines beispielhaften
Systems zur Detektion von Kollisionen nach einer beispielhaften
Ausführungsform,
in dem ein Bereich von kollidierenden Signalen gemäß der Kreuzkorrelation
des Spitzensymbols in dem empfangenen Paket mit einem einzelnen
nicht kollidierten Symbol errechnet wird.
-
13 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems zur Detektion von
Kollisionen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
-
14 ist
ein Ablaufdiagramm eines alternativen Systems zur Detektion von
Kollisionen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, in dem die Anzahl der kollidierenden Signale gemäß der Korrelation
der empfangenen Wellenform mit einer Vielzahl von gespeicherten
Wellenformen errechnet wird.
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Eine
beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren und ein Gerät zur frühen Detektion
des Auftretens einer Kollision bei der Signalerzeugung von empfangenen
Signalen zur Verfügung.
Zusätzlich
stellt die vorliegende Erfindung ferner eine grobe Schätzung der
Anzahl der kollidierten Signale zur Verfügung, was die Umsetzung von
optimierten CRAs und Zeitplan-Algorithmen ermöglicht, um die Latenzzeit des
Systems zu reduzieren und die Effizienz des Netzes zu erhöhen. Damit
der Wert der Vorteile der vorliegenden Erfindung erkannt wird, wird
es sinnvoll sein, die Erfindung im Zusammenhang mit einem beispielhaften Duplex-Verbindungsnetz,
wie zum Beispiel einem gemischten digitalen Glasfaser/Koaxialkabel-Netz
(HFC-Netz), zu beschreiben.
-
Ein
vereinfachtes Blockschaltbild einer besonderen beispielhaften Umsetzung
ist in 1 abgebildet. Ein beispielhaftes, mit DOCSIS kompatibles
Netz 10 umfasst eine Empfangsstelle 12 mit einem
Cable-Modem-Termination-System (CMTS) 14, das sich in der
Anlage einer Kabelbetreibergesellschaft befindet. Das CMTS erfüllt die
Funktion eines Modems, das eine große Zahl von Teilnehmern über ein
HFC-Netz 18 bedient, von denen ein jeder über Kundengeräte verfügt, wie
zum Beispiel ein Kabelmodem 16. Ein beispielhaftes CMTS
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ist in der U.S.-Patentanmeldung
Nr. 09/574 558 mit dem Titel „KABELMODEM-VORRICHTUNG
UND VERFAHREN",
angemeldet am 19. Mai 2000, offen gelegt, auf deren vollständigen Inhalt
hiermit Bezug genommen wird. In dieser und in anderen Ausführungsformen werden
gemeinsame Bezugszeichen zur Darstellung gleicher Bestandteile verwendet.
-
Mit
Bezug auf 2 umfasst das Cable-Modem-Termination-System 14 einen
Downstream-Modulator bzw. eine Sendeeinheit 30 zur Erleichterung
der Übertragung
von Datenkommunikation zu den Kabelmodems, und einen Upstream-Demodulator
bzw. eine Empfangseinheit 32 zur Erleichterung des Empfangs
von Datenkommunikation von den Kabelmodems. Der Downstream-Modulator 30 verwendet
zum Beispiel eine 64-QAM oder eine 256-QAM in einem Frequenzband
im Bereich von 54 bis 860 MHz, um eine Datenübertragungsrate von bis zu
56 Mbps zu liefern. Der Upstream-Demodulator 32 kann entweder
QPSK oder 16-QAM in einem Frequenzbereich von 5 MHz bis 42 MHz verwenden,
um eine Datenübertragungsrate
von bis zu 10 Mbps zu liefern.
-
Ein
Media-Access-Controller (MAC) 34 bettet die von einer Datennetz-Schnittstelle
empfangenen Daten mit der geeigneten MAC-Adresse des Kabelmodems
in dem System ein. Jedes Kabelmodem in dem System (ohne Abbildung)
hat seine eigene MAC-Adresse. Immer dann, wenn ein neues Kabelmodem
installiert wird, wird seine Adresse mit dem MAC 34 registriert.
Die MAC-Adresse wird zur Unterscheidung von den Daten der Kabelmodems
benötigt,
da alle Modems zusammen einen gemeinsamen Upstream-Pfad verwenden, somit "weiß" das System, wohin
die Daten zu senden sind. So werden Datenpakete unabhängig von
ihrem Format mit einer bestimmten MAC-Adresse verbunden.
-
Um
bei der Upstream-Kommunikation den Zeitmultiplex-Zugriff (TDMA)
zu ermöglichen,
weist das CMTS Zeitschlitze zu, in denen die Kabelmodems, die Nachrichten
an das CMTS zu senden haben, zum Übertragen freigegeben werden.
Die Zuweisung solcher Zeitschlitze wird durch Bereitstellen eines
Request-Contention-Bereichs in dem Upstream-Datenpfad erreicht,
innerhalb dessen den Kabelmodems gewährt wird, sich für das Schalten
einer Nachricht in dem Upstream-Datenpfad zu „bewerben", die zum Senden ihrer Nachricht zusätzliche
Zeit anfordert. In dem beschriebenen beispielhaften CMTS stellen
ein MIPS-Prozessorkern 40 in Verbindung mit seinem lokalen
SRAM-Speicher Contention-Resolution- und Zeitplan-Funktionen zur
Verfügung,
um die Effizienz des Netzes durch Anpassen der Anzahl der Zeitschlitze
gemäß den Netzverkehr-Patterns
zu maximieren. Ferner interpretiert der MIPS-Prozessorkern 40 Verwaltungsnachrichten
und stellt grundlegende Datenbank-Verwaltungsfunktionen zur Verfügung.
-
Wegen
der Verwendung des TDMA verwendet das CMTS 14 einen Burst-Empfänger anstatt
eines Dauerempfängers,
um Datenpakete von Kabelmodems über
Upstream-Kommunikation zu empfangen. Der Burst-Empfänger des
CMTS umfasst ein analoges sichtbares Ende 38 mit einem
Analog-Digital-Wandler (ohne Abbildung), der analoge Datenpakete
von einem Upstream-Kanal empfängt
und die analogen Datenpakete in digitale Datenpakete umwandelt.
Der Upstream-Demodulator 32 verstärkt die digitalisierten Datenpakete und
demoduliert das verstärkte
Signal mittels Takt- und Trägerrückgewinnungs-Timing.
Angepasste Filter und adaptive Filter entfernen Mehrweg-Ausbreitungseffekte
und Schmalband-Gleichkanalstörungen.
Ein integrierter Decoder kann auch eine Fehlerkorrektur ausführen und
leitet die empfangenen und bearbeiteten Daten an das DOCSIS-MAC 34 weiter,
entweder in ei nem parallelen oder seriellen MPEG-2-Format.
-
Ein
beispielhaftes Kabelmodem ist in 3 schematisch
dargestellt. Die beschriebene beispielhafte Ausführungsform kann eine integrierte,
mit DOCSIS verträgliche
Einzelchip-Lösung
zur Verfügung
stellen, wie in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 09/548.400 mit dem
Titel „Gateway
with Voice", angemeldet
am 13. April 2000, offen gelegt ist, auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug
genommen wird. Die beschriebene beispielhafte Ausführungsform
kann integrierte Funktionen zur Kommunikation mit Far-End-Geräten/prozessfernen
Geräten über das
CMTS zur Verfügung
stellen (ohne Abbildung). Zum Beispiel überträgt ein QPSK-Upstream-Modulator 130 Daten
an ein Far-End-Datenübertragungs-
bzw. -anschlussgerät
und ein QAM-Downstream-Demodulator 132 empfängt Daten
von dem Far-End-Datenübertragungs-
bzw. -anschlussgerät.
-
Der
Upstream-Modulator 130 und der Downstream-Demodulator 132 sind
mit einem DOCSIS-MAC 134 gekoppelt. Das DOCSIS-MAC 134 implementiert
die Downstream-Abschnitte des DOCSIS-Protokolls. Das DOCSIS-MAC 134 extrahiert
DOCSIS-MAC-Frames aus MPEG-2-Frames, verarbeitet MAC-Header und filtert
und verarbeitet Nachrichten und Daten. Downstream-Datenpakete und
-Nachrichtenpakete können
dann in dem Systemspeicher 36 über einen internen Systembus
(ISB) 138 abgelegt werden.
-
Zusätzlich kann
das beschriebene Kabelmodem eine Vielzahl von Peripheriegeräten gemäß verschiedenen
Protokollen unterstützen.
Zum Beispiel stellen ein USB-Sende-Empfangsgerät 144 und ein USB-MAC 142 transparenten
bidirektionalen IP-Verkehr zwischen Kommunikationsgeräten, die
mit einem USB betrieben werden, wie beispielsweise einem PC-Arbeitsplatzrechner,
einem Server-Drucker oder ähnlichen
anderen Geräte
und dem Far-End-Datenübertragungs-
bzw. -anschlussgerät
zur Verfügung.
Zusätzlich
kann auch eine I.E.E.E. 802.3-konforme medienunabhängige Schnittstelle
(MII = media independent interface) 148 in Verbindung mit
einem Ethernet-MAC 146 enthalten sein, um einen bidirektionalen
Datenaustausch zwi schen Kommunikationsgeräten, wie zum Beispiel einer
Anzahl von PCs oder Ethernet-Telefonen und dem Far-End-Datenübertragungs-
bzw. -anschlussgerät
zur Verfügung
zu stellen.
-
In
typischen RF-Übertragungssystemen,
wie dem in 1 vorgestellten HFC-Netz werden
die Phasen der von den einzelnen Stationen übertragenen Signale nicht synchronisiert.
Die fehlende Phasensynchronisation kann eine zufällige Phasenverschiebung zwischen
den Signalen, die von den einzelnen Stationen übertragen werden, verursachen.
Deshalb können
in einem typischen RF-Übertragungssystem
die Phasen der an dem CMTS oder der zentralen Steuerungseinheit
kollidierenden Signale nicht abgeglichen werden. In diesem Fall
können
sich die empfangenen Signale nicht linear addieren.
-
Des
Weiteren kann das relative Phasenverhältnis zwischen den kollidierenden
Signalen während
der Übertragung
eines Bursts auf dem Upstream-Kanal aufgrund von Phasengeräuschen in
den einzelnen übertragenen
Signalen variieren. Deshalb korreliert in typischen RF-Netzen die
Amplitude des kollidierten Signals nicht linear mit der Anzahl der
kollidierten Signale. Wir haben jedoch herausgefunden, dass variierende
Pegel von Kollisions-Scheitelwerten, von denen manche eine Höhe von 10
dB über
dem nominalen empfangenen Leistungspegel für eine einzelne Übertragung
erreichen, auf der Bitübertragungsschicht
bzw. physikalischen Ebene (PHY) des CMTS erkannt werden können, indem
die Leistung als Zeitfunktion auf dem Upstream-Kanal beobachtet
wird.
-
In 4 ist
zum Beispiel die Leistung gegenüber
der Zeit bei fünf
Kollisionsereignissen auf dem Upstream-Kanal am CMTS für über QPSK-Modulation
kommunizierte Upstream-Signale graphisch dargestellt. Der erste
Teil eines jeden Anforderungspakets ist der Vorspann. Die willkürliche Phasenverschiebung zwischen
den Trägern
der kollidierten Anforderungspakete kann einen Leistungspegel im
Vorspann eines kollidierten Pakets erzeugen, der höher oder
niedriger als der Leistungspegel einer einzelnen Übertragung
ist. Zusätzlich
wird, wenn das Phasengeräusch
der Upstream- Modulatoren
von Kabelmodems stark genug ist, die Amplitude des Vorspanns innerhalb
des kollidierten Pakets variieren, wie in der zweiten Spur 150 dargestellt. Vielmehr
wird in der letzten Spur 152 der Vorspann des empfangenen
Signals durch destruktive Addition der kollidierten Signale beinahe
vollständig
eliminiert. Wie jedoch in der dargestellten Kollision 152 zu
sehen ist, kann der Datenabschnitt der Anforderung, auch wenn der
Vorspann durch destruktive Beeinflussung beinahe eliminiert wird,
immer noch hohe Leistungsspitzen enthalten.
-
Nach
einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Upstream-Modulator der Teilnehmer-Kabelmodems
eine höherwertige
Modulationstechnik verwenden, um die Anzahl der verschiedenen Phasenzustände zu erhöhen, die
in einem übertragenen
Signal vorhanden sind. Solche Techniken verschieben die Phase der
elektromagnetischen Trägerkurve
um einen Wert, der dem Symbol entspricht, das kodiert wird. Zum
Beispiel kann die QPSK-Modulation verwendet werden, so dass es für jedes
Symbol vier mögliche
Phasenzustände
gibt. Beim Betrieb kann der Störpegel
zwischen zwei oder mehreren kollidierenden Signalen in Übereinstimmung
mit der willkürlichen
Phasenverschiebung zwischen den kollidierenden Signalen sowie den
tatsächlichen
kollidierten Symbolen variieren.
-
Deshalb
wird, auch wenn die Träger
der kollidierenden Signale auf dem Upstream-Kanal innerhalb des Vorspanns im Wesentlichen
phasenverschoben sind, und dabei beinahe völlig gelöscht werden, die Kollisionsamplitude
ein Spitzenwert für
zwei Symbole sein, die sich an gegenüberliegenden Diagonalen befinden
(d. h. um 180 Grad phasenverschoben). Daraus folgt, dass sich aus
der Wahrscheinlichkeit, dass Symbole während eines Kollisionsereignisses
auf dem Upstream-Kanal in zufälligen
Patterns zusammen auftreten, die Möglichkeit ergibt, dass die
Phase von zwei Symbolen während
einer Kollision im Wesentlichen ausgerichtet ist. Die Amplituden
der ausgerichteten Symbole werden dann im Wesentlichen addiert,
um einen Spitzenwert in dem Signalpegel eines kollidierten Signals
zu erzeugen, unabhängig
von der zufälligen
Phasenverschiebung zwischen den übertragenen
RF-Trägern.
-
Im
Betrieb ist, wenn die Anzahl der kollidierenden Symbole in einem
Upstream-Signal relativ zu der Anzahl der kollidierenden Signale
groß ist,
die Wahrscheinlichkeit hoch, dass das CMTS eine Kombination von Symbolen
empfängt,
die sich in einer Phase konstruktiv addieren. In diesem Fall wäre die maximale
Amplitude während
einer Kollsion sehr nahe an N-mal der Amplitude einer einzelnen Übertragung,
wobei N die Anzahl der kollidierenden Signale ist. Die Amplitude
wäre im
Allgemeinen aufgrund der Tatsache geringer, dass die Phase um einen
Bruchteil eines Zyklus immer noch verschoben sein kann. Diese Abweichung
um einen Bruchteil wäre
jedoch bei der QPSK-Modulation, bei der vier Phasenzustände pro
Symbol verwendet werden, geringer als ein Viertel eines Zyklus.
-
Die
Wahrscheinlichkeit, dass die kollidierenden Signale alle möglichen
Kombinationen von Symbolen enthalten, nimmt jedoch mit steigender
Anzahl der kollidierenden Signale ab, und ebenso die Wahrscheinlichkeit,
dass jedes der kollidierenden Signale im Wesentlichen in Phase addiert
wird. Zusätzlich
können
Laser-Umkehrverstärker
und/oder RF-Verstärker
in dem HFC-Netz 18 (siehe 1) eine
Sättigung
bei hohen Spitzenleistungspegeln erreichen. Deshalb können im
Betrieb ein starker Netzverkehr in Form einer großen Anzahl
von Online-Stationen sowie Sättigungseffekte
die maximale Amplitude eines kollidierten Signals limitieren, was
die Detektion und Klassifikation von Kollisionen komplizierter macht.
-
Eine
beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung optimiert das Format eines Upstream-Pakets,
um die Anzahl von eindeutigen Phasenzuständen innerhalb der von den
Teilnehmer-Kabelmodems übertragenen
Signale zu erhöhen.
Die große
Anzahl von verschiedenen Phasenzuständen erhöht die Wahrscheinlichkeit,
dass wenigstens ein Abschnitt der kollidierten Wellenform durch
die konstruktive Addition von im Wesentlichen ausgerichteten kollidierenden
Signalen gebildet wird. Die kollidierenden Signale mit relativen
Phasen, die sich beinahe in Ausrichtung befinden, erzeugen einen
Scheitelwert in der Amplitude der kollidierten Wellenform, der mit
der Anzahl der kollidierenden Signale korreliert werden kann.
-
Mit
Bezug auf 5 umfassen TDMA-Signale im Allgemeinen:
einen Vorspann, der für
die Synchronisation verwendet wird, eine Equalizer-Trainingssequenz,
eine Daten-Nutzlast, und eine Schutzzeit, die die Bursts im Zeitbereich
trennt. Das Format eines jeden Abschnitts des durch den Uptstream-Modulator
des Teilnehmer-Kabelmodems übertragenen
Signals kann verändert
werden, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, dass wenigstens
ein Symbol eines jeden der kollidierenden Signale im Wesentlichen
ausgerichtet wird. In der beschriebenen beispielhaften Ausführungsform
ist die Phasendifferenz zwischen wenigstens einem Symbol eines jeden
der kollidierenden Signale vorzugsweise geringer als ungefähr +/–22,5 Grad.
Bei der beschriebenen beispielhaften Ausführungsform kann eine Vielzahl
von Ansätzen
genutzt werden, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, dass während des
Auftretens einer Kollision Symbole beinahe ausgerichtet werden.
In einer Ausführungsform
kann der Upstream-Modulator des Teilnehmer-Kabelmodems Techniken
zum Variieren der Phasen verwenden, die die Amplitude des übertragenen
Signals konstant halten. Zum Beispiel kann ein beispielhaftes System
zur Detektion von Kollisionen eine zufälligen Binärsequenz für den Vorspann verwenden, die
von allen Stationen gemeinsam verwendet wird. Alternativ dazu können die
Upstream-Modulatoren den Vorspann eines Upstream-Pakets mit höherwertigen
Modulationstechniken, wie zum Beispiel 8-PSK oder 16-PSK, mit konstanten
Symbolamplituden modulieren, um die Anzahl der verschiedenen Phasenzustände im Vorspann
zu erhöhen.
-
Es
ist jedoch auch möglich,
die größte Amplitude
eines Kollisionsereignisses auf dem Upstream-Kanal mit der Anzahl
der kollidierenden Stationen zu korrelieren, wenn die Upstream-Modulatoren
Techniken zur Pulsformung in Verbindung mit variablen Signalamplituden
nutzen. Auf ähnliche
Weise kann in den Nutzdaten eine höherwertige Modulation genutzt
werden, mit Nyquist-Pulsformung erzeugten Symbolen, um zusätzliche variable
Phasenzustände
sowie zusätzliche
variable Amplitudenzustände
zu erzeugen. Zusätzlich
kann in einem System zur Detektion von Kollisionen für die Nutzdaten über die
natürlich
auftretende Zuordnung hinaus eine zufällige Zuordnung genutzt werden,
um die Anzahl der Phasenzustände
im Nutzdatenabschnitt des Anforderungspakets weiter zu erhöhen. Alternativ
dazu können
Phasen kodierungspläne,
wie zum Beispiel lineare FM (Frequenzmodulation), quadratische PM
(Phasenmodulation), oder CDMA (codegeteilter Mehrfachzugriff) genutzt
werden, um die Anzahl eindeutiger Phasenzustände im Vorspann des übertragenen
Signals zu erhöhen.
-
Mit
Bezug auf 6 ist bzw. sind in einer beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Vorspann und/oder die Nutzdaten eines
upstream durch das Teilnehmer-Kabelmodem übertragenen Anforderungspakets
so strukturiert, dass er und/oder sie die Anzahl der verschiedenen
Phasenzustände
in dem Upstream-Paket maximiert bzw. maximieren, um so die Anzahl
der kollidierten Stationen zu bestimmen 170. In einer Ausführungsform
kann zum Beispiel der Upstream-Modulator des Teilnehmer-Kabelmodems
die QPSK-Modulation ohne Nyquist-Pulsformung nutzen. Eine Zufallssequenz
kann für
den Vorspann verwendet werden und eine zufällige Verteilung der Symbole
in dem Anforderungspaket, und zwar so, dass insgesamt achtundvierzig
Zufallssymbole in jedem Anforderungs-Burst enthalten sind, dies
ergibt eine gewollte zufällige Verteilung
von achtundvierzig Symbolen während
eines Bursts.
-
Das
beschriebene beispielhafte System zur Detektion von Kollisionen
kann dann bestimmen, ob eine Kollision aufgetreten ist 172.
Ein beispielhaftes System zur Detektion von Kollisionen kann auf
der physikalischen Ebene bzw. Bitübertragungsschicht, nämlich in
dem CMTS-Upstream-Demodulator 32 (siehe 2), Leistungsmessungen
dazu nutzen, Kollisionsereignisse zu erkennen. In einer Ausführungsform
erkennt zum Beispiel der MIPS-Prozessorkern des CMTS den höchsten Leistungspegel
eines jeden Symbols und vergleicht dann Symbol für Symbol die minimalen und
maximalen Spitzenleistungspegel der Symbole in der kollidierten Wellenform.
Wenn die Leistungsdifferenz größer ist
als X-mal die normalerweise erwartete Differenz, wobei X im Bereich
von 1,5 bis 2,0 dB liegt, nimmt der MIPS-Prozessorkern an, dass ein Kollisionsereignis
aufgetreten ist. Für
den Fachmann ist es jedoch selbstverständlich, dass die normalerweise
erwartete Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Spitzenleistungspegel
eines Symbols abhängig
von den verwendeten Modulationstechniken variiert. Wenn eine Kollision
aufgetreten ist, korreliert ein beispielhaftes System zur Detektion von
Kollisionen die kollidierte Wellenform mit gespeicherten Daten,
um die Anzahl der kollidierenden Signale 174 zu schätzen.
-
Mathematische
Simulationen oder direkte Labormessungen können zum Untersuchen der Variation der
Amplituden der Kollision sowie der Korrelation der größten Amplitude
der Kollision mit der Anzahl der kollidierenden Signale genutzt
werden. In einer Ausführungsform
vergleicht ein beispielhaftes System zur Detektion von Kollisionen
die größte Amplitude
der kollidierten Wellenform mit einem Schwellenwert, der durch mathematische
Simulation ermittelt wird, um die Anzahl der kollidierenden Signale
zu schätzen.
-
7 ist
ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Algorithmus zum Simulieren
von Kollisionsereignissen auf dem Upstream-Kanal am CMTS. Nach dem
beschriebenen beispielhaften Simulator kann ein Benutzer am Anfang
die Betriebsparameter der Simulation 175, wie zum Beispiel
die Anzahl der durchzuführenden
Simulationen, oder die Anzahl der kollidierenden Stationen ermitteln.
Der Benutzer kann dann die Betriebsparameter, wie zum Beispiel die
Modulationsrate, die Anzahl der Abfragewerte pro Wellenlänge, die
Anzahl der verschiedenen Phasenzustände etc. für die durch die Teilnehmer-Kabelmodems übertragene
Upstream-Wellenform festlegen 176. Der mathematische Algorithmus
für die
Simulation der Kollision generiert und speichert dann ein erstes
Datenpaket 178. Wenn ein Paket für jede kollidierende Station
generiert wurde 180(b), werden die Paketwellenformen addiert,
um in Übereinstimmung
mit einem benutzerdefinierten Kollisionsereignis eine einzige Kollisionswellenform
zu bilden 182. Ansonsten erzeugt und speichert der Kollisionssimulator
zusätzliche
Paket-Wellenformen 180(a).
-
Die
Kollisions-Wellenformen werden verarbeitet, um den Pegel der größten Amplitude
für jede
simulierte Kollision zu lokalisieren und zu speichern 184.
Wenn ein Kollisionssignal für
jedes benutzerdefinierte Kollisionsereignis erzeugt und analy siert
wurde 186(b), verarbeitet der Simulator die Ergebnisse
und zeichnet sie auf 188. Ansonsten werden zusätzliche
Kollisions-Wellenformen erzeugt und gespeichert 186(a).
Für den Fachmann
ist es selbstverständlich,
dass alternierende Simulationsalgorithmen zum Simulieren von Kollisionen
in einem RF-Netz mit gemeinsamem Zugriff verwendet werden können. Des
Weiteren können
direkte Labormessungen anstelle von mathematischen Simulationen
zur Untersuchung der Variation der Amplitude von Kollisionsereignissen
sowie der Korrelation zwischen der Amplitude der Kollision und der
Anzahl der kollidierenden Signale verwendet werden. Deshalb ist
der beschriebene Kollisionssimulator lediglich als Beispiel und nicht
einschränkend
zu verstehen.
-
8 ist
eine graphische Darstellung des höchsten Signalpegels einer jeden
von eintausend simulierten Kollisionen auf dem Upstream-Kanal relativ
zu der Amplitude einer einzelnen Übertragung, für Kollisionen mit
zwei kollidierenden Signalen 194, drei kollidierenden Signalen 195,
und vier kollidierenden Signalen 196. In dem dargestellten
Beispiel verwenden die kollidierenden Upstream-Signale die QPSK-Modulation ohne Nyquist-Pulsformung
und mit jedem Burst werden achtundvierzig zufällige Symbole übertragen.
Es ist zu sehen, dass für
eine Kollision mit zwei kollidierenden Signalen die maximale Amplitude
während
der Kollision von zwei Signalen beinahe zweimal so hoch wie die
Amplitude einer einzelnen Übertragung
ist. Zusätzlich
ist die Verteilung der Scheitelwerte bei zwei kollidierenden Signalen 194 relativ
kompakt und korreliert sehr gut mit der Anzahl der kollidierenden
Stationen.
-
Wenn
jedoch die Anzahl der kollidierenden Signale auf drei und vier steigt,
sind die maximalen Amplituden sowohl niedriger als auch variabler.
Bei drei kollidierenden Signalen 195 liegt die maximale
Kollisionsamplitude im Bereich von ungefähr 2,3 und 3,0. Kollisionsscheitelwerte
zwischen 2,3 und 3,0 können
jedoch nicht eindeutig Kollisionen mit drei kollidierenden Signalen
zugeordnet werden, da manchmal ein Scheitelwert bei einer Kollision
mit vier Stationen unter 3,0 liegt.
-
Mit
Bezug auf 9 variiert die maximale Amplitude
während
einer Kollision des Weiteren von einer idealen linearen Korrelation
zwischen der Anzahl der kollidierenden Signale und der Amplitude
einer einzelnen Übertragung
bei Kollisionen mit zusätzlichen
kollidierenden Signalen. Zum Beispiel liegt die maximale Amplitude
bei fünf
kollidierenden Signalen 197 im Verlauf von eintausend Kollisionen
in der Größenordnung
von ungefähr
4,25. Die Korrelation verschlechtert sich vom Idealwert im Fall
von zehn kollidierenden Signalen 198, wo die maximale Amplitude
in der Größenordnung
von ungefähr
sechseinhalb liegt, und bei fünfundzwanzig kollidierenden
Signalen 199, wo die maximale Amplitude im Bereich von
ungefähr
zwölf bis
vierzehn liegt. Somit weicht die maximale Amplitude, wenn die Anzahl
der kollidierenden Signale zunimmt, weiter von dem idealen Wert
N-mal die Amplitude eines einzelnen Signals ab und variiert auch über einen
größeren Amplitudenbereich.
-
Im
Allgemeinen nimmt jedoch die höchste
Kollisionsamplitude mit einer zunehmenden Anzahl von kollidierenden
Signalen zu. Somit kann ein beispielhaftes System zur Detektion
von Kollisionen, wenn die Kollisionsamplitude größer ist als der ideale Schwellenwert
für N Signale
(d. h. N-mal die Amplitude eines einzelnen Signals) daraus schließen, dass
die Anzahl der kollidierenden Signale größer ist als N. Wenn zum Beispiel
die erkannte Spitzenleistung bei einer bestimmten Kollision größer ist
als drei mal die Amplitude eines nicht kollidierten Pakets, kann
man annehmen, dass die Anzahl der kollidierenden Stationen größer als
oder gleich vier ist.
-
Mit
Bezug auf 10 kann deshalb ein beispielhaftes
System zur Detektion von Kollisionen am Anfang bestimmen, dass auf
dem Upstream-Kanal am CMTS eine Kollision aufgetreten ist 200.
Kollisionen können
auf folgende Weise erkannt werden: durch Untersuchen der höchsten Leistungspegel
der Symbole in dem kollidierten Signal und durch Beobachten, wann
die Differenz zwischen dem maximalen Leistungspegel des Spitzensymbols
und dem minimalen Leistungspegel des Spitzensymbols in dem kollidierten
Signal größer ist als
ein vorgegebener Schwellenwert, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 1,5 bis
2,0 dB. Alternativ dazu kann ein beispielhaftes System zur Detektion
von Kollisionen annehmen, dass ein Kollisionsereignis aufgetreten
ist, wenn der absolute Wert der höchsten Symbolamplitude größer ist
als ein vorgegebener Schwellenwert, vorzugsweise im Bereich von
ungefähr
1,2 bis 1,7 mal der nominale Amplitudenpegel bei einem nicht kollidierten
Signal.
-
Als
Nächstes
bestimmt das beschriebene System zur Detektion von Kollisionen den
absoluten Wert der maximalen Symbolamplitude 202 eines
kollidierten Signals in einem Contention-Mini-Slot, in dem eine
Kollision aufgetreten ist. In einer Ausführungsform vergleicht ein beispielhaftes
System zur Detektion von Kollisionen den Scheitelwert eines Kollisionsereignisses
mit dem erwarteten nominalen Scheitelwert für Übertragungen an eine einzelne
Station. Wenn der Scheitelwert höher
ist als ein vorgegebener Schwellenwert, vorzugsweise im Bereich
von ungefähr
2,0 bis 2,5 mal der nominale Wert 204, schätzt ein
beispielhaftes System zur Detektion von Kollisionen eine Kollision
von M Signalen 206, wobei M = oberer Grenzwert (die maximale
Symbolamplitude in der Übertragung
geteilt durch den nominalen Pegel einer Übertragung an eine einzelne
Station). Ansonsten schätzt
das System zur Detektion von Kollisionen, dass zwei Signale kollidiert
sind 208. Das System zur Detektion von Kollisionen leitet
dann die geschätzte
Anzahl von kollidierten Signalen zum MIPS-Prozessorkern des CMTS 209.
-
Ein
alternatives System zur Detektion von Kollisionen profitiert von
der Tatsache, dass bei einer großen Anzahl von kollidierten
Signalen (bei mehr als fünf
bis sieben Signalen) der maximale mögliche Scheitelwert deutlich
unter den Betrag der Anzahl der kollidierenden Signale mal der nominale
Wert sinkt. Mit Bezug auf 11 werden
in einem Beispiel minimale und maximale Schwellenwerte zunächst durch
mathematische Simulation oder Laborexperimente entwickelt. Die Schwellenwerte
können
dann verwendet werden, um den absoluten Wert der größten Amplitude
eines auf dem Upstream-Kanal eines CMTS empfangenen kollidierten Signals
mit der Anzahl der kollidierten Upstream-Signale zu korrelieren.
-
Um
den minimalen und den maximalen Schwellenwert zu entwickeln, wird
eine Schätzung
der maximalen Anzahl von erwarteten kollidierenden Signalen auf
dem Upstream-Kanal des Netzes mit gemeinsamem Zugriff durchgeführt 250.
In einer Ausführungsform
können
geeignete Modelle für
den Datenverkehr für
die über
das Netz auszuführenden
Dienste in eine Computersimulation des Contention-Resolution-Algorithmus eingebunden
werden, um die Kollisions-Patterns des Netzes zu schätzen. Eine
Vielzahl von Kollisionen, vorzugsweise mindestens eintausend, werden
dann für
Kollisionsereignisse mit jeder Anzahl von erwarteten kollidierenden
Stationen auf dem Upstream-Kanal eines voll ausgelasteten Netzes
mathematisch simuliert, oder ein dafür repräsentativer Abfragewert.
-
Das
System zur Detektion von Kollisionen errechnet dann den absoluten
Wert der größten Amplitude einer
jeden simulierten Upstream-Kollision 254. Der absolute
Wert der größten Amplituden
kann dann statistisch analysiert werden, um Schwellenwerte zum Schätzen der
minimalen und maximalen Anzahl der kollidierten Signale zu ermitteln.
-
In
einer Ausführungsform
werden Schwellenwerte, die dem 5. Perzentil entsprechen, hier definiert
als der Wert bei dem 5% der größten Amplituden
größer sind
als der Schwellenwert der dem 5. Perzentil entspricht, für eine Vielzahl
von simulierten Kollisionen gemäß der Anzahl
der erwarteten kollidierenden Stationen in einem voll ausgelasteten
Netz berechnet. Die Schwellenwerte, die dem 5. Perzentil entsprechen,
können dann
zur Bestimmung der maximalen Anzahl der kollidierten Stationen verwendet
werden 256. Auf ähnliche Weise
werden Schwellenwerte, die dem 95. Perzentil entsprechen, hier als
der Wert definiert, bei dem 95% der größten Amplituden größer als
der Schwellenwert, der dem 95. Perzentil entspricht, für eine Vielzahl
von simulierten Kollisionen gemäß der Anzahl
von erwarteten kollidierenden Stationen in einem voll ausgelasteten Netz
berechnet. Die Schwellenwerte, die dem 95. Perzentil entsprechen,
können
dann zum Bestimmen der wahrscheinlichen minimalen Anzahl der kollidierten
Stationen verwendet werden 258. Die minimalen und maximalen
Schwellenwerte können
dann in dem CMTS gespeichert werden 260.
-
Im
Betrieb kann ein beispielhaftes System zur Detektion von Kollisionen
am Anfang bestimmen, dass eine Kollision auf dem Upstream-Kanal
am CMTS aufgetreten ist 262, wenn die Differenz zwischen
dem maximalen Leistungspegel und dem minimalen Leistungspegel in
der kollidierten Wellenform größer ist
als ein vorgegebener Schwellenwert. Das beschriebene beispielhafte
System zur Detektion von Kollisionen kann dann die maximale Symbolamplitude
in einem Contention-Mini-Slot ermitteln 264, innerhalb
dessen eine Kollision aufgetreten ist.
-
Das
System zur Detektion von Kollisionen schätzt die maximale Anzahl von
kollidierenden Upstream-Signalen 266, indem es den nächsten Wert
ermittelt, der dem 5. Perzentil entspricht, und der kleiner als
oder gleich dem erkannten Scheitelwert ist. Auf ähnliche Weise kann das System
zur Detektion von Kollisionen die minimale Anzahl von kollidierenden
Signalen schätzen 268,
indem es den nächsten
Wert ermittelt, der dem 95. Perzentil entspricht, und der größer als
oder gleich dem erkannten Scheitelwert ist. Das System zur Detektion
von Kollisionen leitet dann den geschätzten Bereich von kollidierten
Signalen zu dem MIPS-Prozessorkern des CMTS 270.
-
Der
CRA und der Zeitplan-Algorithmus, die im MIPS-Prozessorkern des
CMTS resident sind, können dann
die Anzahl der in dem Request-Contention-Bereich auf dem Upstream-Datenpfad
verfügbaren
Zeitschlitze gemäß der geschätzten Anzahl
der kollidierten Signale anpassen. Auf diese Weise kann die Anzahl
der Zeitschlitze in dem Request-Contention-Bereich genauer auf die
Netzverkehr-Patterns ausgerichtet werden, und dabei die Latenzzeit
des Systems verringert und die Effizienz des gesamten Netzes erhöht werden.
-
Mit
Bezug auf die Tabelle 1 ist, wenn die erkannte größte Kollisionsamplitude
4,3 mal der nominale Wert ist, der nächste niedrigste 5%-Schwellenwert
4,1, und dies zeigt, dass die Anzahl der kollidierenden Signale
höchstwahrscheinlich
kleiner oder gleich neun ist. Der nächste höchste 95%-Schwellenwert ist
4,7, und dies zeigt, dass die Anzahl der kollidierenden Signale
höchstwahrscheinlich
größer oder
gleich fünf
ist. Daraus folgt, dass der Kollisions-Multiplizitäts-Detektor
dem MTS meldet, dass die Anzahl der kollidierenden Stationen im
Bereich von einschließlich
[5,9] liegt.
| Anzahl
der Stationen | 5.
Perzentil | 95.
Perzentil |
| 2 | 1.9 | 2.0 |
| 3 | 2.5 | 3.0 |
| 4 | 2.8 | 3.9 |
| 5 | 3.1 | 4.7 |
| 6 | 5.4 | 5.4 |
| 7 | 3.7 | 6.0 |
| 8 | 4.0 | 6.5 |
| 9 | 4.1 | 7.0 |
| 10 | 4.4 | 7.4 |
| 15 | 5.4 | 9.3 |
| 20 | 6.4 | 10.7 |
| 25 | 6.9 | 11.9 |
TABELLE
1
-
Als
zweites Beispiel meldet der Kollisions-Multiplizitäts-Detektor,
wenn die höchste
Amplitude 9,5 mal der nominale Wert ist, dass die Anzahl der kollidierenden
Stationen größer oder
gleich sechzehn ist oder kleiner oder gleich zwanzig. Des Weiteren
ist es für
den Fachmann selbstverständlich,
dass die Anzahl der kollidierenden Stationen ermittelt werden kann,
indem andere statistische Berechnungen durchgeführt werden, wie zum Beispiel
des einfachen Scheitelwerts, des durchschnittlichen Scheitelwerts,
etc. Zusätzlich
können,
abhängig
von der Struktur des CRA, die Werte, die dem 5. Perzentil und dem
95. Perzentil entsprechen, durch andere Perzentil-Werte ersetzt
werden, wie zum Beispiel die Werte, die dem 1. und dem 99. Perzentil
entsprechen. Zusätzlich
kann die Tabelle für
jede erwartete Anzahl von kollidierenden Stationen in einem voll
ausgelasteten Netz erstellt werden.
-
Des
Weiteren können
Impulsgeräusche
während
eines Kollisionsereignisses die Genauigkeit des beschriebenen Systems
zur Detektion von Kollisionen beeinträchtigen. Deshalb kann ein alternatives
System zur Detektion von Kollisionen eine Korrelationsfunktion nutzen,
um die Anzahl der kollidierenden Signale auf dem Upstream-Kanal gemäß der Korrelationsfunktion
zu bestimmen. Die Verwendung einer Korrelationsfunktion reduziert
die Auswirkungen der Impulsgeräusche
auf die Vollständigkeit
der Schätzung
der Kollisions-Multiplizität.
-
Im
Betrieb tritt der Spitzenleistungspegel in einem Kollisionsereignis
auf dem Upstream-Kanal dann auf, wenn die kollidierenden Signale
Symbole aufweisen, die sich überwiegend
phasengleich addieren. Deshalb ähnelt
das Symbol mit der größten Amplitude
(Spitzensymbol), das sich aus der Addition von zwei oder mehreren,
relativ phasengleichen Symbolen ergibt, einem einzelnen Symbol einer
nicht kollidierten Wellenform.
-
Mit
Bezug auf 12 werden in einem Beispiel
minimale und maximale Schwellenwerte wiederum durch mathematische
Simulation oder Laborexperimente entwickelt. Die Schwellenwerte
können
dann für
eine Kreuzkorrelation des Spitzensymbols eines empfangenen kollidierten
Signals auf dem Upstream-Kanal eines CMTS mit der Anzahl der kollidierten
Signale verwendet werden.
-
Um
die minimalen und maximalen Schwellenwerte zu entwickeln, wird für Kollisionen
mit 1 – N
Signalen wiederum eine Vielzahl von Kollisionen mathematisch simuliert 272,
wobei N die Anzahl der in einem voll ausgelasteten Netz erwarteten
kollidierenden Signale ist. In der beschriebenen beispielhaften
Ausführungsform
werden vorzugsweise mindestens eintausend Kollisionen für jedes
Kollisionsereignis simuliert. Das beschriebene System zur Detektion
von Kollisionen kann dann das Spitzensymbol eines jeden aus der
Vielzahl der simulierten Kollisionen mit jeder möglichen wellenförmigen Repräsentation
eines einzelnen nicht kollidierten Signals (z. B. vier bei QPSK)
kreuzkorrelieren, um den maximalen Kreuzkorrelationswert zu bestimmen.
In der beschriebenen alternativen Ausführungsform werden Kreuzkorrelationen
vorzugsweise für
Kollisionen mit jeder erwarteten Anzahl von kollidierenden Signalen
durchgeführt 274.
-
Die
Kreuzkorrelationen werden statistisch analysiert, um Schwellenwerte
zum Schätzen
der minimalen 276 und der maximalen 278 Anzahl
der kollidierten Signale festzulegen. Die minimalen und maximalen Schwellenwerte
können
dann in dem CMTS gespeichert werden 280. Für den Fachmann
ist es selbstverständlich,
dass sich die Genauigkeit der Schwellenwerte mit einer steigenden
Anzahl der simulierten Kollisionsereignisse verbessern wird.
-
In
einer Ausführungsform
werden Schwellenwerte, die dem 5. Perzentil entsprechen – diese
sind hier als der Wert definiert, für den 5% der maximalen Kreuzkorrelationswerte
größer als
die Schwellenwerte sind, die dem 5. Perzentil entsprechen – wiederum
für simulierte
Kollisionen mit einer repräsentativen
Anzahl von kollidierten Signalen berechnet. Die Schwellenwerte,
die dem 5. Perzentil entsprechen, können dann zum Bestimmen der
maximalen Anzahl der kollidierten Stationen verwendet werden. Auf ähnliche
Weise werden Schwellenwerte, die dem 95. Perzentil entsprechen – diese
sind hier als der Wert definiert, für den 95% der maximalen Kreuzkorrelationswerte
größer sind,
als die Schwellenwerte, die dem 95. Perzentil entsprechen – ebenso
für Kollisionen
mit einer repräsentativen
Anzahl von kollidierten Signalen berechnet. Die Schwellenwerte,
die dem 95. Perzentil entsprechen, können dann zum Bestimmen der
wahrscheinlichen minimalen Anzahl der kollidierten Stationen verwendet
werden.
-
Im
Betrieb kann ein beispielhaftes System zur Detektion von Kollisionen
wiederum am Anfang bestimmen, dass eine Kollision auf dem Upstream-Kanal
am CMTS aufgetreten ist 282, wenn die Differenz zwischen dem
maximalen Leistungspegel und dem minimalen Leistungspegel in der
kollidierten Wellenform größer als der
vorgegebene Schwellenwert ist. Das beschriebene beispielhafte System
zur Detektion von Kollisionen kann dann das Symbol mit der größten Amplitude
(Spitzensymbol) lokalisieren bzw. auffinden 284, das aus
der Addition von zwei oder mehreren relativ phasengleichen Symbolen
resultiert. Das Spitzensymbol des kollidierten Signals wird dann
mit jeder möglichen
wellenförmigen
Repräsentation
eines einzelnen nicht kollidierten Signals kreuzkorreliert 286,
um den maximalen Kreuzkorrelationswert zu ermitteln.
-
Das
System zur Detektion von Kollisionen schätzt dann die maximale Anzahl
der kollidierenden Signale 288, indem der nächste Wert
ermittelt wird, der dem 5. Perzentil entspricht, und der kleiner
als oder gleich dem maximalen Kreuzkorrelationswert ist. Auf ähnliche
Weise kann das System zur Detektion von Kollisionen die minimale
Anzahl der kollidierenden Signale schätzen 290, in dem der
nächste
Wert ermittelt wird, der dem 95. Perzentil entspricht, und der größer als
oder gleich dem maximalen Kreuzkorrelationswert ist. Das System zur
Detektion von Kollisionen leitet dann den geschätzten Bereich von kollidierten
Signalen zu dem MIPS-Prozessorkern des CMTS 292.
-
Der
CRA und der Zeitplan-Algorithmus, die im MIPS-Prozessorkern des
CMTS resident sind, können dann
die Anzahl der in dem Request-Contention-Bereich auf dem Upstream-Datenpfad
verfügbaren
Zeitschlitze gemäß der geschätzten Anzahl
der kollidierten Signale anpassen. Auf diese Weise kann die Anzahl
der Zeitschlitze in dem Request-Contention-Bereich genauer auf die
Netzverkehr-Patterns ausgerichtet werden, und dabei die Latenzzeit
des Systems verringert und die Effizienz des gesamten Netzes erhöht werden.
-
Bei
Systemen, die höherwertige
Modulationstechniken verwenden, wie 16-QAM oder 64-QAM, kann die
empfangene Wellenform mit einer Filterbank korreliert werden, wodurch
jedes erwartete Symbol repräsentiert
wird. Alternativ dazu kann, da ein präzises Sample-Timing für den Zweck
der Kollisionsdetektion nicht relevant ist, ein generalisiertes
Symbol (das nur ein einzelner Teil des Signal-Basis-Sets sein kann)
verwendet werden. Ein vereinfachtes Blockschaltbild einer beispielhaften
Umsetzung eines in ein CMTS eingebundenen Kollisionsdetektors ist
in 13 dargestellt. Das analoge sichtbare Ende 38 liefert
abgetastete Wellenformen simultan an eine herkömmliche Schaltung zur Signalverarbeitung,
in diesem Fall den Upstream-Demodulator 32 und das DOCSIS-MAC 34,
und an eine parallele Signalverarbeitungseinheit 300 (z.
B. einen FFT-Prozessor = Fast-Fourier-Transformation-Prozessor).
Der FFT-Prozessor 300 kann die zeitabgetasteten Wellenformen ohne
Durchführung
der FFT 300(a) an die Mikroprozessor-Schnittstelle 302 leiten,
und dann zu dem MIPS-Prozessorkern 40 des CMTS. In diesem
Fall analysiert der MIPS-Prozessorkern 40 die Wellenform,
die aus dem Kollisionsereignis resultiert und führt den Algorithmus zur Schätzung der
Kollisions-Multiplizität
aus.
-
Alternativ
dazu kann ein Korrelationsprozessor 304 und eine Vergleichseinrichtung 306,
die der Schätzung
der Kollisions-Multiplizität
dienen sollen, mit dem FFT-Prozessor 300 integriert werden,
um eine schnellere Durchführung
der Schätzung
der Kollisionsmultiplizität
zu erreichen. In der beschriebenen beispielhaften Ausführungsform
leitet der MIPS-Prozessorkern 40 einen Kollisions-Detektions-Anzeiger 40(a) zu
dem Korrelationsprozessor 304, so dass die Schätzung der
Kollisions-Multiplizität
sofort durchgeführt
werden kann, sobald durch den MIPS-Prozessorkern 40 des
CMTS ermittelt wurde, dass das empfangene Paket das Resultat eines
Kollisionsereignisses ist.
-
Der
Korrelationsprozessor 304 kreuzkorreliert die empfangene
Wellenform mit dem typischen nicht kollidierten Symbol oder einer
FFT des typischen nicht kollidierten Symbols. Die Vergleichseinrichtung 306 vergleicht
die Kreuzkorrelation mit den minimalen und maximalen Schwellenwerten,
die wie oben beschrieben durch mathematische Simulation ermittelt
wurden, und leitet eine Schätzung
der Anzahl der kollidierten Signale an den MIPS-Prozessorkern 40 des
CMTS. Dieses Verfahren kann parallel zu herkömmlichen Schaltungen zur Signalverarbeitung
angewendet werden, so dass eine Kollisionsschätzung für jeden Zeitschlitz eines Anforderungsbereichs
erstellt werden kann.
-
Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, soll diese nicht so
ausgelegt werden, dass sie den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche einschränkt. Diese
Erfindung soll nicht auf die dargestellten und beschriebenen Anordnungen
und Strukturen beschränkt
sein. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung in jedem RF-Netz mit
gemeinsamem Zugriff, wie zum Beispiel drahtlose sowie über das
Stromversorgungsnetz gehende Datennetze, Satellitennetze, und Sprachnetze,
zur Detektion von Kollisionen genutzt werden. Für den Fachmann ist es selbstverständlich,
dass die beschriebenen Ausführungsformen
auf verschiedene Weise abgewandelt werden können.
-
Zum
Beispiel vergleicht mit Bezug auf 14 ein
alternatives System zur Detektion von Kollisionen die gesamte aus
einem Kollisionsereignis resultierende Wellenform (nachfolgend Kollisionswellenform
genannt) mit einer gespeicherten Reihe von Kollisionswellenformen,
um die Anzahl der kollidierenden Signale oder die Kollisions-Multiplizität zu schätzen. Die
alternative Ausführungsform
empfangt die digitali sierte Kollisionswellenform 320 und
führt eine
vollständige
Korrelation 322 der Wellenform mit gespeicherten Kollisionswellenformen 324 durch,
um die Kollisions-Multiplizität
zu schätzen 326.
-
In
einer Ausführungsform
kann eine in der Technik bekannte Kreuzkorrelationsfunktion verwendet
werden, um zu zeigen, wie ähnlich
die empfangenen und gespeicherten Wellenformen sind, und wie lange
die Signale ähnlich
bleiben, wenn ein Signal im Hinblick auf das andere verschoben wird.
In dieser Ausführungsform kann
die Anzahl der kollidierenden Signale gemäß der gespeicherten Wellenform
ermittelt werden, die die größte Korrelationsfunktion
im Hinblick auf das empfangene kollidierte Signal aufweist. Die
alternative Ausführungsform
führt eine
vollständige
Korrelation der Wellenform mit gespeicherten oder vorhergesagten
Kollisionswellenformen durch, um die Kollision-Multiplizität zu schätzen.
-
Des
Weiteren der Fachmann auf verschiedenen Bereichen aus dieser Erfindung
selbst Lösungen
für andere
Aufgaben und Anpassungen an andere Anwendungen entnehmen können. Es
ist daher wünschenswert,
dass die vorliegenden Ausführungsformen
in allen Punkten als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet
werden, wobei stärker
auf die beigefügten
Ansprüche
als auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird, um den
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu kennzeichnen.