DE69727660T2

DE69727660T2 - Dynamische zuordnung der bandbreite für ein kommunikationsmetz

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Publication number: DE69727660T2
Application number: DE69727660T
Authority: DE
Inventors: T. Victor HOU; A. Jonathon FELLOWS
Original assignee: Arris Technology Inc; General Instrument Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: JP2000508132A; AU708348B2; US6324184B1; CA2249260C; CN1218592A; KR20000064758A; NZ331915A; EP0888679B1; CN1094277C; AU2329197A; DE69727660D1; CA2249260A1; WO1997035410A1; ATE260006T1; ES2216138T3; EP0888679A1; KR100442411B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Übertragung von Daten in einem geschichteten Datenkommunikationsschema und ist insbesondere auf die Übertragung von netzaufwärts gerichteten Nachrichten in einem hybriden Faser-/Koaxnetz anwendbar. Die Erfindung ist zum Beispiel nützlich, um es Teilnehmereinheiten zu ermöglichen, für Internet-Zugang, Videokonferenzen, Audiokommunikation oder ähnliches Nachrichten an einen zentralen Kontroller (z. B. eine Kabelfernseh-Kopfstelle) zu kommunizieren. Bandbreite wird von dem zentralen Kontroller unter anderem entsprechend der insgesamt verfügbaren Bandbreite, der Menge an Bandbreite, die gegenwärtig von jedem Teilnehmer verwendet wird, und der Anzahl der gegenwärtigen Teilnehmer an die Teilnehmer des Netzes dynamisch zugeordnet.
In der Vergangenheit haben Kabelfernsehsysteme Koaxialkabel benutzt, um Signale von einer Kopfstelle an individuelle Teilnehmereinheiten zu tragen. Mit dem Aufkommen neuer digitaler Fernsehdienste sowie dem Wunsch, Daten von und zu Teilnehmereinheiten zu tragen, ist die durch Glasfaserkabel bereitgestellte erhöhte Bandbreite attraktiv geworden. Die Implementierung von optischen Fasernetzen durchweg von der Kopfstelle bis zu den individuellen Teilnehmereinheiten ist gegenwärtig wegen der hohen Kosten für den Bau einer optischen Faseranlage, in der Fasern den ganzen Weg in individuelle Haushalte laufen, keine praktische Alternative. Als Kompromiss werden hybride Faser-/Koax-(HFC-)Anlagen implementiert. In HFC-Systemen laufen Fasern von der Kopfstelle zu Nachbarschaftsnetzknoten. Vorhandenes Koaxialkabel wird dann angekoppelt, um die Signale von der optischen Faser zur Verteilung an individuelle Haushalte zu empfangen.
Verschiedene, durch digitale Übertragungssysteme bereitzustellende interaktive Dienste erfordern eine doppeltgerichtete Verbindung zwischen dem zentralen Kontroller und den individuellen Teilnehmereinheiten. Ein Weg, um einen Rückweg von den Teilnehmereinheiten zurück zu dem zentralen Kontroller bereitzustellen, besteht darin, sich auf vorhandene Telefonleitungen zu verlassen. Es wäre jedoch deutlich von Vorteil, doppeltgerichtete Kommunikation über die gleiche Anlage, wie etwa eine HFC-Anlage, bereitzustellen, in der die netzabwärts gerichteten Fernsehsignale den Teilnehmereinheiten bereitgestellt werden. Um dies zu erreichen, sind Vorschläge gemacht worden, um widerstandsfähige netzaufwärts liegende Kommunikationsnetze über HFC-Anlagen zu entwickeln. Zum Beispiel ist ein einbahniger Frequenz- und Zeitvielfachzugriff (F/TDMA) vorgeschlagen worden, um eine Vorgehensweise mit niedrigem Risiko und hoher Kapazität bereitzustellen, die geeignete Eigenschaften für Netzaufwärts-Modulation über ein HFC-System hinweg bietet.
EP 0 522 391 A2 offenbart einen Knotenpunktkontroller, der die Bandbreite kontrolliert, die auf einer Kommunikationsleitung, die eine Vielzahl von Benutzerendgeräten aufweist, verfügbar ist. Die insgesamt verfügbare Bandbreite wird in zwei Betriebsmittel unterteilt, ein Betriebsmittel der freien Bandbreite und ein Betriebsmittel der Pool-Bandbreite. Das Betriebsmittel der Pool-Bandbreite wird üblicherweise von allen Anschlüssen geteilt. Freie Bandbreite wird verwendet, wenn neue Anschlüsse aufgebaut werden, wobei die Menge an verfügbarer freier Bandbreite vermindert wird. Der Kontroller empfängt eine Anschlussanfrage von einem Benutzerendgerät, die abhängig von der Menge an Betriebsmitteln, die von dem Terminal angefragt wurde, von dem Kontroller entweder akzeptiert oder zurückgewiesen wird. Wenn sie akzeptiert wird, wird ein Teil der freien Bandbreite dem Terminal für die Dauer des Anschlusses ausschließlich zugeordnet. Pool-Bandbreite wird dem Benutzer ebenfalls als Reaktion auf eine Akzeptanznachricht vorübergehend zugeordnet, wodurch angezeigt wird, dass die gleiche Menge der reservierten Pool-Bandbreite in einem netzabwärts liegenden Netzknoten verfügbar ist.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, Bandbreite effizient als Reaktion auf die gegenwärtigen Anforderungen der Teilnehmer zuzuordnen.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10 und der Ansprüche 12 bis 20.
Um einen praktischen Rückkanal effizient zu implementieren ist es der Vorteil der vorliegenden Erfindung, es dem zentralen Kontroller zu ermöglichen, Bandbreite auf einem Rückkanal gemäß den gegenwärtigen Anforderungen der Teilnehmer zuzuordnen. Der zentrale Kontroller kann jedem Teilnehmer eine Kleinstbandbreite bereitstellen und Bandbreite unter den Benutzern gleich verteilen.
Insbesondere kann der zentrale Kontroller auch ausgewählten Benutzern Priorität geben, wie beispielsweise denen, die eine zusätzliche Gebühr entrichten.
Das Schema ist zum Beispiel auf fast jede Art von Netz anwendbar, einschließlich Netzen, die Fernseh- und/oder andere Datensignale kommunizieren, und funktioniert auf eine Weise, die für die Teilnehmereinheiten transparent ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Kommunikationsschema bereit, das die obigen und andere Vorteile genießt.
Vorgestellt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung werden vorgestellt zum Zuordnen von Bandbreite in einem geschichteten Datenkommunikationsnetz, in dem eine Vielzahl von Teilnehmereinheiten mit einem zentralen Kontroller für z. B. Internet-Zugang, Videokonferenzen oder Sprachkommunikation kommuniziert.
Das Verfahren umfasst den Schritt des Beibehaltens einer laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite in aufeinander folgenden Kontroll-Abständen. Eine Verkehrszählung wird für jede Teilnehmereinheit. festgelegt, zum Beispiel durch das Zählen der Anzahl von Schlitzen, die in einem Kontroll-Abstand verwendet werden. Die Benutzungsquote der Schlitze entspricht einer Bandbreite.
Die zugeteilte Bandbreite der Teilnehmereinheiten wird dann gemäß der Verkehrszählung eingestellt. Die zugeteilte Bandbreite kann zum Beispiel vermindert werden, wenn die gegenwärtig zugeteilte Bandbreite die Verkehrszählung z. B. um eine programmierbare Menge, die größer als oder gleich null ist, übersteigt. Die zugeteilte Bandbreite kann gleich der Verkehrszählung für jede bestimmte Teilnehmereinheit festgesetzt werden. Im Allgemeinen wird die Nutzung der Bandbreite optimiert, indem die zugeteilte Bandbreite für die von der Teilnehmereinheit erforderte Bandbreite maßgeschneidert wird.
Um sicherzustellen, dass jeder Teilnehmereinheit eine Bandbreite zugeordnet wird, die nicht null ist, kann die zugeteilte Bandbreite wahlweise auf die größere (a) der Verkehrszählung für die bestimmte Teilnehmereinheit oder (b) einer Kleinstbandbreite R_min festgesetzt werden. Die laufende Summe von nicht zugeordneter Bandbreite wird dann durch die Verminderung der zugeteilten Bandbreite für jede Teilnehmereinheit inkrementiert. Die laufende Summe von nicht zugeordneter Bandbreite wird auf nachfolgende Kontroll-Abstände (z. B. Zeitabstände) übertragen, bei denen die zugeteilte Bandbreite erneut eingestellt wird.
Alternativ kann für die bestimmte Teilnehmereinheit ein Verhältnis der Verkehrszählung zu der zugeteilten Bandbreite festgelegt werden, und die zugeteilte Bandbreite kann vermindert werden, wenn das Verhältnis auf oder unterhalb einer unteren Nutzungsschwelle T1 liegt.
Die zugeteilte Bandbreite kann für bestimmte Teilnehmereinheiten gemäß der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite erhöht werden, wenn die Verkehrszählung bei oder in der Nähe der gegenwärtig zugeteilten Bandbreite liegt. Dies kann durch Kennzeichnen bestimmter Teilnehmereinheiten für eine Erhöhung der zugeteilten Bandbreite und Verteilen der nicht zugeordneten Bandbreite unter den gekennzeichneten Teilnehmereinheiten erreicht werden. Die nicht zugeordnete Bandbreite kann an die gekennzeichneten Teilnehmereinheiten gleich verteilt werden. Die zugeteilte Bandbreite für die Teilnehmereinheiten kann wahlweise gemäß einer Teilnehmereinheit-Hierarchie festgelegt werden. Benutzern, die eine zusätzliche Gebühr entrichten, können zum Beispiel verschiedene Leistungen zugestanden werden, einschließlich Prioritätszugang zu nicht zugeordneter Bandbreite und/oder ein höheres Maximum (z. B. Obergrenze) in der Zuordnung von Bandbreite. Zusätzlich kann zugeteilte Bandbreite auf einer Teilnehmereinheit-Bandbreitennutzungsgeschichte, Tageszeit oder anderen Faktoren basieren.
Alternativ kann für die bestimmten Teilnehmereinheiten ein Verhältnis der Verkehrszählung zu der zugeteilten Bandbreite festgelegt werden, und die zugeteilte Bandbreite kann erhöht werden, wenn das Verhältnis auf oder oberhalb einer oberen Nutzungsschwelle T2 liegt.
Die Bandbreite kann in einem Übertragungsweg zwischen den Teilnehmereinheiten und dem zentralen Kontroller oder in einem Übertragungsweg zwischen dem zentralen Kontroller und einem anderen Kommunikationsnetz zugeordnet werden.
Eine entsprechende Vorrichtung wird ebenfalls vorgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine diagrammatische Darstellung einer Übertragungsmittelzugriff-(MAC)Verwaltungsinstanz zur Durchführung von dynamischer Bandbreitenzuordnung (DBA) gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm eines doppeltgerichteten Kommunikationsnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine diagrammatische Darstellung einer Zeitvielfachzugriff(TDMA-)Rahmenstruktur, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
4 ist ein Flussdiagramm des dynamischen Bandbreitenzuordnungsschemas gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform eines doppeltgerichteten Kommunikationsnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen Zuordnen von Bandbreite unter einer Vielzahl von Teilnehmereinheiten in einem Rückkanal eines Kommunikationsnetzes wie etwa eines hybriden Faser-/Koax-(HFC-)Kabelfernsehsystems mit mehreren Kanälen bereit.
2 ist ein Blockdiagramm eines doppeltgerichteten Kommunikationsnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein zentraler Kontroller 210 kommuniziert Signale wie etwa Fernseh- und/oder andere Datensignale an eine Vielzahl von Teilnehmereinheiten, einschließlich einer ersten Teilnehmereinheit 250, einer zweiten Teilnehmereinheit 252 und einer X-ten Teilnehmereinheit 254. Der zentrale Kontroller umfasst eine Ausrüstung, die sich an einem Ende der HFC-Bitübertragungsschicht und der Übertragungsmittelzugriffsschicht befindet. Der Begriff „zentraler Kontroller" soll auf die Speicherstelle einer Kabelfernsehnetzkopfstelle zusätzlich zu einer Kontrolleinheit von fast jedem beliebigen andere Kommunikationsnetz einschließlich zum Beispiel Satellitennetzen, Radionetzen, lokalen Datennetzen, weiträumigen Netzen, Intranets und dem Internet anwendbar sein. Die „Teilnehmereinheit" ist eine Einheit in dem Haushalt oder dem Betrieb des Teilnehmers, die sich an einem anderen Ende der HFC-Bitübertragungsschicht und der MAC-Schicht befindet. Die Teilnehmereinheit, die alternativ als eine Set-Top-Box, ein Decodierer oder ein Endgerät bekannt sein kann, wird von einem Teilnehmer verwendet, um Programmierdienste oder andere Daten auf einem Fernsehbildschirm anzusehen. Zu beachten ist, dass der Begriff „Teilnehmer" jede Art von Anordnung umgreift, die es einer Teilnehmereinheit ermöglicht, in einem Netz zu kommunizieren, ungeachtet dessen, ob eine Gebühr entrichtet wird oder eine andere vertragliche Vereinbarung besteht. Die HFC-Bitübertragungsschicht und die MAC-Schicht werden daher durch den zentralen Kontroller 210 und die entsprechenden Teilnehmereinheiten 250, 252 and 254 an getrennten Enden beendet.
In dem gezeigten hybriden Faser-/Koaxkabelfernsehsystem trägt ein Übertragungsweg 220, wie etwa eine optische Faser, doppeltgerichtete Signale zwischen dem zentralen Kontroller 210 und einem Netzknoten 230. Koaxialkabel 240, 242 und 244 werden verwendet, um die Signale zwischen dem Netzknoten 230 und den jeweiligen Teilnehmereinheiten 250, 252 und 254 zu tragen. Typischerweise werden zusätzliche Netzknoten und Zweige und Unterzweige der optischen Faser und des Koaxialkabels bereitgestellt. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung gleichermaßen zur Verwendung mit einem vollständig aus optischen Fasern bestehenden System, einem vollständig aus Koaxialkabel bestehenden System oder fast jedem anderen Kommunikationsnetz einschließlich Funknetzen geeignet ist. Zusätzlich können spezifische Teilnehmereinheiten gruppiert werden, um einen gemeinsamen Rückkanal zu teilen. Der zentrale Kontroller kann mit einem weiträumigen Netz 225 kommunizieren, um auf verschiedene Betriebsmittel wie etwa andere Teilnehmereinheiten oder Speichermedien wie etwa Daten-Server zuzugreifen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ordnet der zentrale Kontroller 210 Bandbreite auf dem Übertragungsweg 220 zu, um Kommunikationen zwischen den Teilnehmereinheiten und dem zentralen Kontroller zu steuern. Der Weg 220 kann einen oder mehrere Kanäle beinhalten, die unter den Teilnehmereinheiten zum Beispiel gemäß bekannten Zeitmultiplexschemen aufgeteilt werden. Wahlweise kann der zentrale Kontroller 210 ebenfalls Bandbreite auf dem weiträumigen Netz 225 zuordnen, um die Kommunikation zwischen anderen Netzbetriebsmitteln und dem zentralen Kontroller 210 zu steuern.
5 ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform eines doppeltgerichteten Kommunikationsnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung. Hier kommunizieren die Teilnehmereinheiten 560, 562, ..., 554 mit dem zentralen Kontroller 510 über entsprechende unabhängige Übertragungswege 540, 542, ..., 544. Die Übertragungswege 540, 542, ..., 544 können physikalisch unabhängige Leitungen sein, und/oder sie können gemäß bekannten Wellenlängenmultiplexschemen in einer gemeinsamen Leitung getragen werden. Der zentrale Kontroller 510 kommuniziert über ein weiträumiges Netz 525 mit anderen Netzbetriebsmitteln. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ordnet der zentrale Kontroller 510 Bandbreite auf dem Übertragungsweg 525 zu, um Kommunikationen zwischen den anderen Netzbetriebsmitteln und dem zentralen Kontroller zu steuern.
3 ist eine diagrammatische Darstellung einer Zeitvielfachzugriff(TDMA-)Rahmenstruktur, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ein Transportstrom, im Allgemeinen bei 300 gezeigt, umfasst erste, zweite und dritte Mehrfachrahmen, die jeweils durch die Verweiszahlen 310, 350 und 380 bezeichnet werden. Jeder Mehrfachrahmen wird als aus einer Anzahl N_f von Rahmen bestehend gezeigt, obwohl die Anzahl der Rahmen in jedem Mehrfachrahmen auf verschiedenen Kanälen nicht die gleiche sein muss. Insbesondere umfasst der erste Mehrfachrahmen 310 die Rahmen 320, 330 ... 340, der zweite Mehrfachrahmen 350 umfasst die Rahmen 360, 362 ... 364, und der dritte Mehrfachrahmen 380 umfasst die Rahmen 390, 392 ... 394. Weiterhin wird jeder Rahmen einschließlich einer Anzahl N_s von Schlitzen gezeigt, obwohl die Anzahl der Schlitze nicht die gleiche in jedem Rahmen sein muss. Der erste Rahmen 320 des Mehrfachrahmens 310 umfasst zum Beispiel Schlitze 322, 324, 326 und 328. Des Weiteren kann die Größe von jedem Mehrfachrahmen, Rahmen oder Schlitz variieren. Zu beachten ist ebenfalls, dass die Bereitstellung von Mehrfachrahmen nicht notwendig ist, da nur zwei Schichten in einem TDMA-Kommunikationsschema bereitgestellt werden müssen.
Der MAC kontrolliert die netzaufwärts gerichtete Übertragung von einer Teilnehmereinheit sowohl in Frequenz als auch Zeit unter Verwendung von Frequenz- und Zeitvielfachzugriff (F/TDMA). Der MAC unterstützt ebenfalls nicht synchronisierten Zugang zu dem Netz wie erforderlich. Vielfachzugriffmodi können durch Verwendung von Betriebsmittelverwaltung in dem zentralen Kontroller auf dem gleichen Kanal vorhanden sein. TDMA ist das grundlegende Zugangsschema für netzaufwärts gerichtete Übertragung, da es einen hohen Grad an Programmierbarkeit, leichte Rekonfigurierbarkeit unterstützt und variable Datenraten ermöglicht. Das heißt, dass der netzaufwärts gerichtete TDMA voll konfigurierbar und im Hinblick auf Schlitzgröße, Rahmengröße, Mehrfachrahmengröße und Rahmenformat programmierbar ist. Die MAC-Verwaltungsinstanz des zentralen Kontrollers kontrolliert die agilen netzaufwärts Frequenzen und sendet die TDMA-Konfigurationsparameter an die Teilnehmereinheiten weiter.
Die Schlitzgröße wird im Hinblick auf die Anzahl der Zeitbasis-Referenzzählungen (z. B. Haken), die der Schlitz belegt, definiert. Der Referenzhaken wird verwendet, um den Verlauf der Zeit für die netzaufwärts gerichtete Übertragung für ein Bit oder eine Gruppe von Bits zu messen. Die MAC-Verwaltungsinstanz versieht die Teilnehmereinheiten mit Schlitzgrößeninformationen während der Initialisierung und den Stadien der Bereitstellung. Die Rahmengröße wird als die Anzahl der Schlitze pro Rahmen ausgedrückt und ist über verschiedene Frequenzkanäle hinweg konfigurierbar, wodurch eine Vielzahl von Datenraten netzaufwärts ermöglicht wird. Die Mehrfachrahmengröße wird als die Anzahl der Rahmen pro Mehrfachrahmen ausgedrückt.
Jeder Rahmen kann wahlweise aus einer variablen Anzahl von Schlitzen bestehen, die für Vielfachzugriff mit reiner Konkurrenz zugeordnet sind, bei dem zwei oder mehr Benutzer um denselben Schlitz konkurrieren. Der Rest des Rahmens kann entweder für „fest zugeteilten" oder „nach Bedarf zugeteilten" TDMA-Zugriff verwendet werden. Bei fest zugeteiltem Zugriff werden die Schlitze spezifischen Benutzern zugeteilt. Bei nach Bedarf zugeteiltem Zugriff werden Schlitze auf einer Bedarfsbasis zugeteilt. Es sollte beachtet werden, dass der gesamte Rahmen für Vielfachzugriff auf der Basis reiner Konkurrenz, festen Zugriff, dynamisch zugeteilten Zugriff oder jede beliebige Kombination hiervon konfiguriert sein kann. Die MAC-Anschlussverwaltungsfunktion legt dynamisch die erforderliche Rahmenzusammensetzung auf der Basis der Verkehrsanforderungen der Benutzer fest, wie unten besprochen.
1 ist eine diagrammatische Darstellung einer Übertragungsmittelzugriff-(MAC) Verwaltungsinstanz zur Durchführung von dynamischer Bandbreitenzuordnung (DBA) gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung ist dahingehend konzeptionell, als dass die MAC-Verwaltungsinstanz, hier auch einfach als MAC bezeichnet, in einer MAC-Unterschicht eines Datenstroms implementiert gezeigt wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die hier beschriebenen Funktionen der MAC-Verwaltungsinstanz in die Hardware und/oder Software an dem zentralen Kontroller implementiert werden. Eine Transportschicht, im Allgemeinen bei 102 gezeigt, umfasst eine Bitübertragungsschicht 180, eine MAC-Unterschicht 100 und höhere Schichten 160. Die MAC-Unterschicht 100 umfasst eine MAC-Verwaltungsinstanz 105, die wiederum eine Verbindungsverwaltungsfunktion 110, eine Anschlussverwaltungsfunktion 115 und eine Initialisierungs-, Registrierungs- und Bereitstellungsverwaltungsfunktion 120 umfasst. Die MAC-Unterschicht 100 umfasst ebenfalls eine Datenanpassungsfunktion 130, eine MAC-Signalisierungsfunktion 135, eine Gruppenadressenauflösungsfunktion 140 und eine Einzeladressenauflösungsfunktion 145.
Ein Schichtenmodell (das der IEEE 802 Norm entspricht) wird im Allgemeinen bei 185 gezeigt, und umfasst eine MAC-Schicht 192, die der MAC-Unterschicht 100 entspricht, eine Bitübertragungsschicht 194, die der Bitübertragungsschicht 180 entspricht, und eine Schicht der logischen Verbindungssteuerung (LLC) 190, die den höheren Schichten 160 entspricht. Die LLC-Schicht 190 und die MAC-Schicht 192 sind Teil der Datenverbindungsschicht. Die MAC-Schicht ist das Protokoll, das den verschiedenen Benutzern Zugang zu dem Übertragungsmedium vermittelt. Die LLC-Schicht kontrolliert Kommunikationen über die Datenverbindung.
Die MAC-Verwaltungsinstanz 105 führt die notwendige Kontrolle und Verwaltung der MAC-Betriebsmittel netzabwärts und netzaufwärts durch. Netzaufwärts bezieht sich auf Kommunikation von den Teilnehmereinheiten zu dem zentralen Kontroller, und netzabwärts bezieht sich auf Kommunikation von dem zentralen Kontroller zu den Teilnehmereinheiten. Diese Verwaltung umfasst die Kontrolle von Initialisierung, Bereitstellung und Registrierung, um Eintritt in das Netz zu ermöglichen. Die MAC-Verwaltungsinstanz kontrolliert ebenfalls die Anschlussverwaltung, die die Etablierung und Auslösung von Netzbandbreitenbetriebsmitteln ermöglicht, und Verbindungsverwaltung, die Kontrolle und Eichung von verbindungsbezogenen und Leistungs- und Bereichswahlparametern bereitstellt. Die MAC-Verwaltungsinstanz unterhält ebenfalls auf Teilnehmereinheiten bezogene Datenbanken, Sicherheits- und Schlüsselverwaltung, Diagnosen und Netzwerkkonfiguration.
Das durch die MAC-Unterschicht eingesetzte Protokoll ist unabhängig von dem physikalischen Modulationsschema und der verwendeten Datenrate.
Dies ermöglicht Flexibilität beim Implementieren eines üblichen MAC-Signalisierungsprotokolls über eine Vielfalt von physikalischen Kanalarten hinweg. Die physikalischen Modulationsschemen umfassen 256 QAM, 64 QAM und QPSK, sind aber nicht auf diese begrenzt.
Die Datenanpassungsfunktion 130 stellt Anpassungsdienste bereit, die zum Beispiel der ATM-Anpassungsschicht 5 (AAL-5)-Norm entsprechen, zwischen der MAC-Signalisierungsfunktion 135, die HFC-Befehlsnachrichten bereitstellt, und der ATM-Schicht.
Der MAC kontrolliert das Übertragungsmedium über die HFC. In der netzaufwärts gerichteten Richtung sollte das Übertragungsmedium nicht nur als ein bestimmter Kanal betrachtet werden. Das Übertragungsmedium sollte als komplettes netzaufwärts gerichtetes Spektrum betrachtet werden, das sich zum Beispiel zwischen 5–40 MHz in einem Kabelfernseh-(CATV-) System erstrecken kann. Es versteht sich jedoch, dass praktisch jedes Spektrum in jedem Netz verwendet werden kann. Daher macht der MAC mehr, als den Zugang von Benutzern auf einen bestimmten Kanal zu vermitteln oder zu kontrollieren. Er ist ebenfalls dafür verantwortlich, die Bandbreite (sowohl die spektrale Bandbreite als auch die Datenbandbreite) des netzaufwärts gerichteten Spektrums, das mehrere Kanäle inkorporieren kann, wobei jeder verschiedene Bandbreiten und Datenraten aufweisen kann, zu verwalten. Es kann für den MAC ebenfalls von Vorteil sein, verschiedene Kanäle unterzubringen, in denen sich die Kanalraten unterscheiden.
Des Weiteren können manche Bereiche des netzaufwärts gerichteten Spektrums eine bessere Fehlerratenleistung als andere Bereiche aufweisen. Demgemäß kann es für den MAC möglich sein, Datenbandbreite auf Kanälen gemäß der Art des Dienstes zuzuordnen. Kritischere Daten können zum Beispiel auf Kanälen mit besserer Fehlerratenleistung getragen werden. Abhängig von dem Zustand des Kanals kann Übertragungswiederholung an der Datenverbindungsschicht erforderlich sein.
Mit der oben erwähnten Perspektive des Kontrollierens und Verwaltens des kompletten netzaufwärts gerichteten Übertragungsmediums und den Kriterien zum Auswählen einer MAC sind die Schlüsselmerkmale der MAC-Verwaltungsinstanz der vorliegenden Erfindung daher wie folgt. Als erstes sollte der MAC asynchrone-Übermittlung-(ATM)-Kommunikationen auf eine effiziente und freundliche Weise unterstützen, einschließlich sowohl der netzaufwärts gerichteten als auch der netzabwärts gerichteten Kommunikationen. Der MAC sollte Zusatzdaten an der Datenverbindungsschicht und in der ATM-Zelle minimieren. Der MAC sollte Dienste von der Art von Festbitrate (CBR), variable Bitrate (VBR) und verfügbare Bitrate (ABR) unterstützen. Der MAC sollte Vielfachzugriff mit reiner Konkurrenz, vollständigen nicht-Vielfachzugriff mit reiner Konkurrenz oder beides bereitstellen. Der MAC sollte ferner ein Datenverbindungsschicht-Übertragungswiederholungsschema und eine Fehlerüberwachungsfunktion für netzaufwärts gerichtete Kanäle umfassen, die, aufgrund des wohlbekannten und beobachteten Eindringen von Schmalband, ein problematisches Übertragungsmedium sein können. Schließlich sollte der MAC ein Zeitvielfachzugriff-(TDMA)-Synchronisierungsschema umfassen, das unabhängig von netzabwärts gerichteter Modulationsart, Symbolgeschwindigkeit und Rahmenstruktur läuft.
Der MAC kann wahlweise Zugang zum Hochfahren und Initialisierung über Konkurrenzschlitze bereitstellen. Ein Konkurrenzschlitz ist ein Schlitz, der einer Anzahl von Benutzern zugeordnet werden kann, und der keinem bestimmten Benutzer vorbehalten ist. Des Weiteren können Konkurrenzschlitze auf einem oder mehreren netzaufwärts gerichteten Kanälen konfiguriert werden, in welchem Fall die Teilnehmereinheiten über eine Aufforderungsnachricht, die periodisch durch den zentralen Kontroller rundgesendet wird, über die Kanalfrequenz, Rahmenstruktur (z. B. die Anzahl der Schlitze pro Rahmen) und Schlitznummern informiert werden. Synchronisierung kann unter Verwendung einer Vielfalt von Verfahren einschließlich z. B. der Verwendung von Zeitbasissynchronisierungsnachrichten erreicht werden. Es kann angenommen werden, dass keine Schlitze zum Hochfahren auf dem Kanal vorhanden sind, da die MAC-Verwaltungsinstanz an dem zentralen Kontroller wählen kann, das Hochfahren auf einem bestimmten Kanal durchzuführen und Benutzer auf andere Kanäle zu bewegen, wenn die Sequenz des Hochfahrens und der Initialisierung abgschlossen ist.
Für Sitzungskommunikation kann ein Konkurrenzmechanismus eingesetzt werden. Eine einfache Rahmenstruktur kann verwendet werden, in der Konkurrenzschlitze und zugeteilte Schlitze in einem Rahmen enthalten sind. Konkurrenz kann Versuche, eine Reservierung vorzunehmen, Versuche, Daten zu übertragen oder eine Kombination von beidem einbinden. Verschiedene Konkurrenzzugriffsvorgehensweisen sind vorgeschlagen worden. Korrekturschemen erfordern im Allgemeinen zusätzlichen Overhead, können Stabilitätsproblemen unterliegen und können in Zusammenhang mit einer großen Anzahl von Benutzern, die in eine Kollision eingebunden sind, in der eine Anzahl von Benutzern Zugriff auf denselben Schlitz zur selben Zeit anfordert, gewisse Leistungssteuerungsprobleme aufwerfen. Zusätzlich müssen die Kriterien für die Erkennung einer Kollision und die damit verbundenen Wahrscheinlichkeiten eines falschen Alarms (d. h. einer falschen Kollision) festgelegt werden.
Es sollte beachtet werden, dass viele auf Konkurrenz basierende Direktzugriffsschemen bei hohen Ladungen und bis hin zur Überladung einen hohen Grad an Stabilität erreichen. Zugriffsverzögerungen bei hohen Ladungen können jedoch größer als gewisse Alternativen sein. Eine Alternative besteht darin, eine garantierte Bandbreite auf einem Kleinstniveau bereitzustellen, wie in der hier bevorzugten Ausführungsform offenbart. Anders ausgedrückt, wenn eine Teilnehmereinheit Zugriff zu mindestens einem zugeteilten Zeitschlitz hat, kann die MAC-Verwaltungsinstanz der Teilnehmereinheit eine Kleinstbandbreite zuteilen. Die Kleinstbandbreite ist ein konfigurierbarer Parameter, wie unten besprochen.
Die MAC kann ein auf ATM basierendes System sein, in dem ATM-Signalisierung eingesetzt wird, um ATM-Anschlüsse festzusetzen, und es gibt eine ATM-MAC-Schnittstelle, in der die ATM-Signalisierung die MAC-Verwaltungsinstanz über Anschlüsse, den zugehörigen Verkehrsvertrag und die Qualität der Dienstparameter informiert. Die Qualität der Dienstparameter gibt im Allgemeinen die Bitrate des Anschlusses an, und umfasst eine Festbitrate (CBR), eine variable Bitrate (VBR) und eine unbestimmte Bitrate (UBR). Zu beachten ist, dass, selbst wenn ein Anschluss eine unbestimmte Bitrate (UBR) aufweist, die MAC-Verwaltungsinstanz weiß, dass eine bestimmte Teilnehmereinheit gegenwärtig aktive Anschlüsse aufweist.
Zusätzlich zu der Zuteilung einer Kleinstbandbreite wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine dynamische Bandbreitenzuordnung (DBA) verwendet, um eine effiziente Benutzung von netzaufwärts gerichteter Bandbreite unter den Teilnehmereinheiten bereitzustellen. Die DBA sollte daher in Verbindung mit der garantierten Kleinstbandbreite genauso wie mit der unterschiedlichen Qualität von Dienstniveaus arbeiten. Die ATM-Schicht erwartet, dass die MAC-Schicht dem zentralen Kontroller einen Qualitätstransport von ATM-Zellen von den Teilnehmereinheiten in die netzaufwärts gerichtete Richtung bereitstellt. Des Weiteren wird von der ATM- und der MAC-Schicht erwartet, dass sie Signalisierungs- und Benutzerinformationen austauschen.
Während des Festsetzens des ATM-Anschlusses stellt die ATM-Schicht der MAC-Schicht Signalisierungsinformation bereit, um MAC-Niveaubetriebsmittel zu reservieren, wenn diese verfügbar sind. Diese Signalisierungsinformation kann zum Beispiel eine Klasse von Dienstleistungsqualität und Verkehrsparameter in dem Verkehrsvertrag anfordern. Verkehrsparameter beziehen sich auf Begriffe wie etwa Spitzenzellrate, Dauerzellrate, Mindestzellrate und Höchstzellrate sowie Verzögerungsvariationstoleranz und werden in dem Verkehrsvertrag spezifiziert. Ein Verkehrsvertrag bezieht sich auf Kriterien, die für die Festsetzung von einem ATM-Anschluss aufgebaut werden. Für die Lebensdauer jedes aufgebauten ATM-Anschlusses behält die MAC-Schicht die Qualität des ATM-Zelltransports gemäß der Dienstleistungsqualität und der Verkehrsparametervereinbarung in dem Verkehrsvertrag bei. Wenn ATM-Anschlüsse über der MAC-Schicht zugegeben oder gelöscht werden, darf die MAC-Schicht die Qualität des ATM-Zelltransports auf anderen bereits vorhandenen ATM-Anschlüssen nicht beeinflussen.
Das folgende Beispiel zeigt, wie MAC-Niveaubandbreite für eine Teilnehmereinheit verwaltet werden kann, die mehrere ATM-Anschlüsse gleichzeitig aufweisen kann. Anfangs, wenn keine ATM-Anschlüsse über die HFC-Verbindung aufgebaut sind, wird die Kleinstbandbreite R_min auf Vorgabe gestellt, die für den ATM-Signalisierungsverkehr verwendet wird. Wenn ATM-Anschlüsse festgesetzt werden, wird R_min abhängig von der erforderlichen Klasse der Dienstklasse und Verkehrsparameter in dem Verkehrsvertrag wie folgt erhöht:

(1) wenn eine Festbitrate (CBR) ausgewählt wird, dann ist R_min = R_min + PCR, wobei PCR die spezifische Spitzenzellrate ist;
(2) wenn eine Echtzeit variable Bitrate (VBR) oder eine Nicht-Echtzeit VBR ausgewählt wird, dann ist R_min = R_min + SCR, wobei SCR die spezifische Dauerzellrate ist;
(3) wenn eine unbestimmte Bitrate (UBR) ausgewählt wird, bleibt R_min unverändert, und
(4) wenn die verfügbare Bitrate (ABR) ausgewählt wird, dann ist R_min = R_min + MCR, wobei MCR die Mindestzellrate ist. Die ABR wird durch Benutzernetzschnittstellen (UNI) 4.0 Signalisierung unterstützt.

Nachdem der Anschluss aufgebaut worden ist, erfolgt dynamische Bandbreitenzuordnung (DBA)-Bearbeitung. Günstigerweise kann die DBA die Verwendung der verfügbaren Bandbreite im netzaufwärts gerichteten Übertragungsweg von den Teilnehmereinheiten zu dem zentralen Kontroller optimieren, während eine Kleinstbandbreite für jede Teilnehmereinheit ebenfalls beibehalten wird. Wenn der ATM-Anschluss beendet wird, kann die Kleinstbandbreite R_min des Weiteren dementsprechend vermindert werden.
Die TDMA-Struktur, die für die MAC zum Implementieren von DBA angenommen wird, ist wie folgt. Die MAC nimmt an, dass die netzaufwärts gerichteten Schlitze in einer Rahmenstruktur ausgerichtet sind. Zwei Niveaus des Rahmens können zum Beispiel spezifiziert werden, einschließlich eines Rahmenniveaus, welches das Niveau ist, auf dem Schlitzzuteilungen durch den zentralen Kontroller verwaltet werden, und eines Mehrfachrahmenniveaus, das sich auf TDMA-Synchronisierung bezieht. Der Rahmen 320 wird mit einer ganzzahligen Anzahl N_F von Schlitzen gezeigt, wobei jeder Mehrfachrahmen in ähnlicher Weise eine ganzzahlige Anzahl von Rahmen aufweist. Insbesondere ist die Länge eines Mehrfachrahmens der Bildverschiebungswert des Zeitbasis-Bezugstaktgebers, der die Taktzykluszählung ist, bei der der Zeitbasis-Bezugszähler zurück auf null geht. Mit anderen Worten ist der Zeitbasis-Bezugstaktgeber ein Modulo-M-Zähler, bei dem M die Länge des Mehrfachrahmens in Haken ist.
Ein Ziel des DBA-Schemas der vorliegenden Erfindung ist es, ein System bereitzustellen, das keine Mitwirkung der Teilnehmereinheiten erfordert. Die Teilnehmereinheiten empfangen Bandbreiten- (z. B. Schlitz-) Zuteilungen und verringern den erforderlichen MAC-Schichtoverhead in den netzaufwärts und netzabwärts gerichteten Richtungen. Die Teilnehmereinheiten müssen kein Signal an den zentralen Kontroller senden, um Bandbreite anzufordern oder die Teilnehmereinheitpufferlänge zu melden. Dementsprechend ist das DBA-Schema im Wesentlichen für die Teilnehmereinheiten transparent, so dass herkömmliche Teilnehmereinheiten eingesetzt werden können.
Die Teilnehmereinheiten werden durch Authentifizierung, Registrierung, Zuteilung einer MAC-Adresse, Ausrichten, Leistungssteuerung und Zuteilung von Verschlüsselungsparametern initialisiert. Den Teilnehmereinheiten wird dann ein Schlitz oder Schlitze zugeteilt, die einer minimalen Menge Bandbreite (z. B. R_min) entsprechen. Wenn sich ein Kabelmodem oder ähnliches der Teilnehmereinheit von einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand bewegt, z. B. wenn eine geschaltete virtuelle Verbindung zwischen dem ATM-Schalter und der Teilnehmereinheit aufgebaut worden ist, kann der zentrale Kontroller die minimale Menge der netzaufwärts gerichteten Bandbreite, die der Teilnehmereinheit zugeteilt wird, erhöhen.
Wenn ein Anschluss der Festbitraten (CBR)-Klasse von Dienstleistungsqualität festgesetzt worden ist, sollte die netzaufwärts gerichtete Kleinstbandbreite mindestens die Dauerzellrate (SCR) sein, die dem CBR-Anschluss entspricht. Sogar bei mehrfachen unbestimmten Bitraten (UBR)-Anschlüssen kann die Kleinstbandbreite von der vorgegebenen (z. B. anfänglichen) Menge erhöht werden.
Der zentrale Kontroller stellt die Bandbreite, die den Teilnehmereinheiten im netzaufwärts gerichteten Übertragungsweg am Ende jedes Kontroll-Abstands zugeordnet wird, ein. Es gibt insgesamt j = 1, ..., L netzaufwärts gerichtete Kanäle, und insgesamt X_J Benutzer im j-ten Kanal. Für den i-ten Benutzer im j-ten Kanal behält ein Kabeldatenmodem am zentralen Kontroller eine Verkehrszählung C₁ bei jedem Benutzer im Verlauf von einem oder mehreren Kontroll-Abständen bei. Jedem Benutzer wird eine Informationsbandbreite B_i zugeordnet, die zum Beispiel einer Anzahl von Schlitzen pro Rahmen, Datenrate in Bits oder Bytes pro Sekunde oder der Zellrate in einem ATM-Netz entsprechen kann. Im Verlauf eines Kontroll-Abstands werden dem i-ten Benutzer B_i Schlitze zugeteilt. Das Kabeldatenmodem und ein Kabeldatenmodembeendigungssystem am zentralen Kontroller behalten einen Datensatz der Anzahl von zugeteilten Schlitzen pro Rahmen, S_i, für jeden Benutzer bei. Das Kabeldatenmodembeendigungssystem behält ebenfalls eine Zählung der Anzahl von aktiven Benutzern auf jedem Kanal bei und verfolgt den Gesamtbetrag von zugeordneter Bandbreite BW(j) für jeden Kanal.
4 ist ein Flussdiagramm des dynamischen Bandbreitenzuordnungsschemas gemäß der vorliegenden Erfindung. Relevante Parameter umfassen die Anzahl von Schlitzen pro Rahmen, die Bandbreite pro Schlitz, die Anzahl von Rahmen pro Kontroll-Abstand, die Anzahl von Benutzern pro Kanal und untere und obere Nutzungsschwellen. In dem gezeigten Prozess kann die Bandbreite für jeden Benutzer in jedem Kanal in aufeinander folgenden Kontroll-Abständen zugeordnet (d. h. eingestellt) werden. Jeder Kanal weist eine Anzahl X_J von Benutzern auf, wobei i = 1, ..., X_J den i-ten Benutzer im j-ten Kanal angibt. Kontroll-Abstände sind Zeitinkremente, die mit einer Anzahl von Schlitzen, Rahmen, und/oder Mehrfachrahmen eines Kanals synchronisiert werden können, obwohl eine Synchronisation nicht zwingend ist. Des Weiteren kann der Kontroll-Abstand eingestellt werden, so dass Kontroll-Abstände von unterschiedlicher Dauer in einem einzelnen Kanal oder in mehreren Kanälen bereitgestellt werden.
Als erstes wird ein Kanalzähler j bei Block 400 initialisiert, wobei j = 1, ..., L Kanäle. Bei Block 405 wird der Kanalzähler inkrementiert. j = 1 gibt zum Beispiel an, dass der erste Kanal bearbeitet wird. Zu beachten ist, dass jeder Kanal serienmäßig oder parallel bearbeitet werden kann, wenn mehr als ein Kanal bereitgestellt ist. Der Prozess aus 4 zeigt, dass jeder Kanal und jeder Benutzer allein für Darstellungszwecke serienmäßig bearbeitet wird. Zusätzlich muss nicht jeder Kanal oder Benutzer in jedem Kontroll-Abstand bearbeitet werden. Manche Kanäle und Benutzer können zum Beispiel in einem Kontroll-Abstand bearbeitet werden, während andere Kanäle und Benutzer in einem anderen Kontroll-Abstand bearbeitet werden. Der zentrale Kontroller initialisiert zuerst einen Pool von nicht zugeordneter Bandbreite BWA(j) in dem gegenwärtigen Kanal. BWA(j) ist eine laufende Summe, die über aufeinander folgende Kontroll-Abstände beibehalten wird und die Menge von nicht zugeordneter Bandbreite, die in einem gegebenen Kontroll-Abstand verfügbar ist, anzeigt. Zu beachten ist, dass in dem vorliegenden Beispiel Bandbreite hinsichtlich der Schlitze betrachtet wird, obwohl praktisch jedes verfügbare Maß an Daten verwendet werden kann. Daher entspricht die Bandbreite direkt einer Anzahl von Schlitzen (oder Rahmen oder Mehrfachrahmen oder ähnlichem), die einem Teilnehmer zur netzaufwärts gerichteten Übertragung in einem Kontroll-Abstand zugeordnet werden.
Ein Benutzerzähler wird bei Block 415 initialisiert. Bei Block 420 wird der Benutzerzähler inkrementiert. Der erste Benutzer (i = 1) kann zum Beispiel als erstes bearbeitet werden. Bei Block 425 wird für jeden i-ten Benutzer auf dem j-ten Kanal ein Verhältnis K = C(i)/B(i) berechnet, wobei C(i) die Verkehrszählung des gegenwärtigen Benutzers über einen Kontroll-Abstand und B(i) die Anzahl der zugeteilten Schlitze über den Kontroll-Abstand ist. Das heißt C(i) ist die Anzahl von Schlitzen, die der gegenwärtige Bernutzer tatsächlich verwendete, um Daten netzaufwärts über den Kontroll-Abstand zu übertragen, wie durch die MAC-Verwaltungsinstanz an dem zentralen Kontroller festgelegt. B(i) ist die Anzahl von Schlitzen, die die MAC-Verwaltungsinstanz dem Benutzer für den Kontroll-Abstand zugeteilt hat. Zu beachten ist, dass die Größe und Anzahl der Schlitze einer Bandbreite entspricht, so dass C(i) einer Bandbreite entspricht, die durch den Benutzer verbraucht wird, und B(i) einer Bandbreite entspricht, die dem Benutzer zugeordnet (z. B. zugeteilt) ist.
Bei Block 430 wird bestimmt, ob K ≤ T1, wobei T1 eine niedrigere Nutzungsschwelle ist, die zum Beispiel 0,85 sein kann. Wenn K ≤ T1 ist, verringert die MAC-Verwaltungsinstanz die zugeteilte Bandbreite B(i) für den i-ten Benutzer in dem nächsten Kontroll-Abstand (oder einem anschließenden Kontroll-Abstand) auf die Bandbreite, die tatsächlich verwendet wurde (z. B. C(i)) oder R_min, was auch immer größer ist. R_min wird wahlweise als eine Kleinstbandbreitenzuordnung bereitgestellt. Der Prozess aus 4 ist als ein Nicht-Konkurrenz-System bekannt, da jeder Benutzer mit einer Kleinstbandbreite versehen wird. Zu beachten ist jedoch, dass dies nicht notwendigerweise bedeutet, dass jeder Benutzer mit einem oder mehreren Schlitzen in jedem Rahmen oder Kontroll-Abstand versehen wird. Im Allgemeinen entspricht die Kleinstbandbreitenanforderung einer durchschnittlichen Datenrate oder Schlitze pro Einheitszeitbemessung über einem Rahmen oder Kontroll-Abstand.
Bei Block 440 wird die wiedergewonnene Bandbreite (z. B. die Verringerung der zugeteilten Bandbreite B(i)–C(i)) zu dem Pool verfügbarer Bandbreite BWA(j) hinzugefügt. Als nächstes wird bei Block 445 bestimmt, ob der gegenwärtige Benutzer der letzte Benutzer in dem Kanal (z. B. i = X_j) ist. Wenn nicht, geht der Fluss weiter zu Block 420, wo der Benutzerzähler inkrementiert wird, um den nächsten Benutzer auf dem Kanal zu bearbeiten. Wenn i = X_j geht der Prozess weiter zu Block 450, wo bestimmt wird, ob der gegenwärtige Kanal der letzte Kanal (z. B. j = L) ist. Wenn nicht, geht der Fluss weiter zu Block 405, wo der Kanalzähler inkrementiert wird, um den nächsten Kanal zu bearbeiten. Wenn jedoch j = L ist, wird der gesamte Bandbreitenzuteilungsprozess, der bei Block 400 beginnt, im nächsten Kontroll-Abstand oder einem nachfolgenden Kontroll-Abstand wiederholt. Im Allgemeinen stellt die Zuordnung von Bandbreite in jedem Kontroll-Abstand den optimalen Durchsatz auf den Rückkanälen bereit.
Wenn zurück bei Block 430 K > T1 ist, geht der Fluss weiter zu Block 460,wo bestimmt wird, ob K ≥ T2 ist, wobei T2 eine obere Nutzungsschwelle ist, die zum Beispiel im Bereich 0,90 bis 1,0 liegen kann. Wenn nicht, wird die gegenwärtig zugeteilte Bandbreite auf die Anforderungen des Benutzers abgestimmt, und bei der Anzahl von zugeteilten Schlitzen gibt es keine Veränderung, wie bei Block 490 angezeigt. Zu beachten ist, dass T1 und T2 einstellbar sind. Der Fluß geht dann weiter zu Block 445, wie oben besprochen. Wenn bei Block 460 K ≥ T2 ist, dann ist bei Block 465 der gegenwärtige Benutzer für eine mögliche Erhöhung der zugeteilten Bandbreite in einem nachfolgenden Kontroll-Abstand gekennzeichnet. Dies kann durch das Speichern eines Benutzerkennzeichners und des angemessenen Status in einem Speicher dann das Zugreifen auf die gespeicherten Daten in einem nachfolgenden Kontroll-Abstand erreicht werden. Bei Block 475 wird bestimmt, ob der gegenwärtige Benutzer der letzte Benutzer in dem Kanal (z. B. i = X_j) ist. Wenn nicht, kehrt der Fluss zu Block 420 zurück, wie oben besprochen.
Wenn i = X_j, dann berechnet die MAC-Verwaltungsinstanz bei Block 480 die Anzahl n von gekennzeichneten Benutzern im gegenwärtigen Kanal für den gegenwärtigen Kontroll-Abstand. Bei Block 485 wird die zugeteilte Bandbreite für jeden der n Benutzer um BWA(j)/n abgerundet auf die nächste ganze Zahl, wenn BWA(j)/n nicht ganzzahlig ist, erhöht. Das heißt, die verfügbare nicht zugeteilte Bandbreite wird gleichmäßig unter den gekennzeichneten Benutzern verteilt. Zu beachten ist, dass es sein kann, dass BWA(j) nach diesem Schritt keinen Nullwert aufweist, da zum Beispiel im Fall von TDMA-Schlitzen nicht ganzzahlige Anzahlen von Schlitzen nicht zugeordnet werden können. Zum Beispiel wird angenommen, dass es n = 12 gekennzeichnete Benutzer in dem gegenwärtigen Kanal und Kontroll-Abstand gibt, und dass der gegenwärtige Ausgleich von BWA(j) 40 Schlitze ist. Daher werden bei Block 485 jedem der 12 Benutzer zusätzliche 40/12 = 3,33 Schlitze zugeteilt. Um das Zuteilen von gebrochenen Schlitzen zu vermeiden, wird die Abrundungszahlfunktion von 3,33 (z. B. Abrundungszahl (3,33) = 3) genommen. Dementsprechend werden jedem der gekennzeichneten Benutzer drei zusätzliche Schlitze zugeteilt, und der verbleibende Ausgleich für BWA(j) ist 12 × 0,33 = 4 Schlitze. Diese vier Schlitze können unter den gekennzeichneten Benutzern verteilt oder auf einen nachfolgenden Kontroll-Abstand übertragen werden.
Insbesondere wenn BWA(j)/n einer nicht ganzzahligen Anzahl von Schlitzen entspricht, kann die MAC-Verwaltungsinstanz einen zweiten oder sogar dritten Schritt durchführen, um so viel des verbleibenden Ausgleichs von BWA(j) wie möglich in dem gegenwärtigen Kontroll-Abstand zu verteilen. Wenn es etwa nach der ersten Verteilung einen Rest von vier Schlitzen gibt, können diese Schlitze unter den 12 gekennzeichneten Benutzern zufällig oder in einer vorbestimmten Reihenfolge, z. B. auf Rotationsbasis, verteilt werden. Wenn eine nicht ganzzahlige Anzahl nicht zugeordneter Schlitze sogar nach einer oder mehreren Verteilungen zurückbleibt, kann der zurückgebliebene Ausgleich auf einen nachfolgenden Kontroll-Abstand übertragen werden. Schließlich geht der Fluss dann weiter zu Block 487, wo BWA(j) durch die neu zugeteilte Bandbreite für die gekennzeichneten Benutzer verringert wird, und zu Block 450, oben besprochen. Wenn gebrochene Schlitzwerte für B(i) zugeteilt werden, wird dies in B(i) in einem nachfolgenden Kontroll-Abstand bekundet.
Des Weiteren kann BWA(j) wahlweise gemäß einer Benutzer-(z. B. Teilnehmereinheit-)Hierarchie zugeordnet werden. Zum Beispiel kann privilegierten Benutzern, die eine zusätzliche Gebühr entrichten, beim Empfangen von zusätzlicher Bandbreite Priorität eingeräumt werden. Dies kann erreicht werden, indem jedem Benutzer eine Bewertungsziffer bereitgestellt wird, die der zentrale Kontroller aus einem Speicher abrufen kann. Einem nicht privilegierten Benutzer kann zum Beispiel eine Bewertungsziffer von „1" zugeteilt werden, während einem privilegierten Benutzer eine Bewertungsziffer von „2" zugeordnet wird. Unter Verwendung des obigen Beispiels, bei dem BWA(j) = 40 Schlitze ist und es 12 Benutzer gibt, und unter der weiteren Annahme, dass es 6 privilegierte Benutzer und 6 nicht privilegierte Benutzer gibt, können dann jedem privilegierten Benutzer 40 × 2/18 = 4,4 Schlitze (z. B. abgerundet auf vier Schlitze) zugeordnet werden, während jedem nicht privilegierten Benutzer 40 × 1/18 = 2,2 Schlitze (z. B. abgerundet auf zwei Schlitze) zugeordnet werden. Die Brüche 2/18 und 1/18 wurden erhalten, indem das Verhältnis der Bewertung des Benutzers zu der Summe der Bewertung aller gekennzeichneten Benutzer genommen wurde. Ein derartiges Bewertungsschema ist besonders effektiv, wenn nicht zugeordnete Bandbreite selten verfügbar ist, da die privilegierten Benutzer die ersten sein werden, die jegliche verfügbare nicht zugeordnete Bandbreite empfangen.
Des Weiteren ist es möglich, die Höchstbandbreite, die einem Benutzer zugeteilt wird, zu begrenzen, indem die zugeteilte Bandbreite mit einem Obergrenzwert verglichen wird, der in einem Speicher gespeichert wird. Der Obergrenzwert kann ferner gemäß der oben besprochenen Benutzerhierarchie eingestellt werden, so dass Benutzern mit größerer Priorität eine höhere Obergrenzbandbreite gegeben wird.
Zusätzlich kann eine Sorge bestehen, dass das DBA-Schema nie die zugeteilte Bandbreite eines Benutzers verringert, wenn der Benutzer dauernd die ganze ihm zugeteilte Bandbreite verwendet. Eine derartige Situation kann gegenüber anderen Netzbenutzern ungerecht sein. In diesem Fall kann ein Teil der Bandbreiten-(z. B. Schlitz-)Zuteilung an den besagten Benutzer auf andere Benutzer umverteilt werden, die die ganze oder den größten Teil der ihnen zugeteilten Bandbreite zum Beispiel auf eine gemischte Weise verwenden, wobei jeder derartige Benutzer neue Schlitze in einer vorbestimmten Ordnung empfängt, wie etwa in einer Rotations- oder einer zufälligen Ordnung. Alternativ oder zusätzlich kann eine Höchst-(z. B. Obergrenzen-)bandbreite dem Benutzer auferlegt werden. Des Weiteren ist es möglich, einen Zeitsteuerungsmechanismus zu verwenden, um einen häufigen Benutzer mit zusätzlicher Bandbreite zu versorgen, aber nur für eine bestimmte Zeit. Bei einer weiteren Option kann die MAC-Verwaltungsinstanz einen Stammrekord der Bandbreitenbenutzung für jeden Benutzer beibehalten. Dann kann Benutzern mit relativ niedrigen Benutzungsniveaus höhere Priorität eingeräumt werden, wenn ein Bandbreitenniveau angefragt wird, dass andernfalls begrenzt sein könnte. Die MAC-Verwaltungsinstanz kann ferner Bandbreite gemäß einem Stammprofil der gesamten Kanalbandbreitenbenutzung zuordnen. Eine Benutzerbandbreitenobergrenze kann zum Beispiel außerhalb der Spitzenzeiten der Netzbenutzung erhöht werden. Andere Variationen im Bandbreitenzuordnungsschema der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann ersichtlich werden.
Dementsprechend ist es ersichtlich, dass das dynamische Bandbreitenzuordnungsschema der vorliegenden Erfindung die Kanalbenutzung in einem Kommunikationsnetz durch das Maßschneidern der zugeteilten Bandbreite auf die aktuellen Benutzeranforderungen optimiert. Eine Übertragungsmittelzugriff-Verwaltungsinstanz am zentralen Kontroller eines Kabelfernsehsystems oder ähnlichem überwacht die Bandbreitenbenutzung in Rückkanälen und stellt die zugeteilte Bandbreite für jeden Benutzer entsprechend ein. Die Verwaltungsinstanz kann in Hardware und/oder Software implementiert sein. Eine garantierte Kleinstbandbreite kann ebenfalls für jeden Benutzer bereitgestellt werden. Des Weiteren kann das Schema für die Verwendung mit einer Hierarchie von Benutzern angepasst werden, wobei privilegierten Benutzern wie etwa denen, die eine zusätzliche Gebühr entrichten, Priorität gegenüber anderen Benutzern eingeräumt werden kann.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit verschiedenen offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass zahlreiche Modifikationen und Angleichungen daran vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen aufgeführt, zu verlassen.

Claims

Ein Verfahren zum Zuordnen einer Bandbreite in einem geschichteten Datenkommunikationsnetz, in dem eine Vielzahl von Teilnehmereinheiten mit einem zentralen Kontroller kommuniziert, das folgende Schritte beinhaltet: Beibehalten einer laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite in aufeinander folgenden Kontroll-Abständen; Festlegen einer Verkehrszählung von jeder der Teilnehmereinheiten; Einstellen einer zugeteilten Bandbreite der Teilnehmereinheiten gemäß der Verkehrszählung; und Modifizieren der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite gemäß der Einstellung in der zugeteilten Bandbreite; dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite in mindestens entweder (a) einem Übertragungsweg zwischen den Teilnehmereinheiten und dem zentralen Kontroller oder (b) einem Übertragungsweg zwischen dem zentralen Kontroller und einem anderen Kommunikationsnetz zugeordnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Festlegen eines Verhältnisses der Verkehrszählung zu der zugeteilten Bandbreite für eine bestimmte der Teilnehmereinheiten; und Erhöhen der zugeteilten Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit, wenn das Verhältnis auf oder oberhalb einer oberen Nutzungsschwelle liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei: die Verkehrszählung gemäß einer Bandbreite, die durch die jeweiligen Teilnehmereinheiten verwendet wird, festgelegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Vermindern der zugeteilten Bandbreite einer bestimmten der Teilnehmereinheiten, wenn die gegenwärtig zugeteilte Bandbreite die Verkehrszählung um eine programmierbare Menge übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei: der Verminderungsschritt den Schritt des Einstellens der zugeteilten Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit auf ungefähr gleich viel wie die Verkehrszählung für diese bestimmte Teilnehmereinheit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei: der Verminderungsschritt den Schritt des Einstellens der zugeteilten Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit auf die größere (a) der Verkehrszählung für die bestimmte Teilnehmereinheit und (b) einer Kleinstbandbreite umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Inkrementieren der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite durch die Verminderung der zugeteilten Bandbreite in dem Verminderungsschritt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner folgende weitere Schritte beinhaltet: Festlegen eines Verhältnisses der Verkehrszählung zu der zugeteilten Bandbreite für die bestimmte Teilnehmereinheit; und Vermindern der zugeteilten Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit, wenn das Verhältnis auf oder unterhalb einer unteren Nutzungsschwelle liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Erhöhen der zugeteilten Bandbreite einer bestimmten der Teilnehmereinheiten gemäß der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite, wenn die Verkehrszählung ein vorgegebenes Niveau übersteigt; wobei der Erhöhungsschritt folgende Schritte beinhaltet: Kennzeichnen mindestens einer bestimmten Teilnehmereinheit für eine Erhöhung der zugeteilten Bandbreite; und Verteilen mindestens eines Teils der nicht zugeteilten Bandbreite unter der(den) gekennzeichneten Teilnehmereinheit(en).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Einstellen der zugeteilten Bandbreite der Teilnehmereinheiten gemäß einer Teilnehmereinheit-Hierarchie.
Eine Vorrichtung zum Zuordnen einer Bandbreite in einem geschichteten Datenkommunikationsnetz, in dem eine Vielzahl von Teilnehmereinheiten mit einem zentralen Kontroller kommuniziert, die Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Beibehalten einer laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite in aufeinander folgenden Kontroll-Abständen; ein Mittel zum Festlegen einer Verkehrszählung jeder der Teilnehmereinheiten; ein Mittel zum Einstellen einer zugeteilten Bandbreite der Teilnehmereinheiten gemäß der Verkehrszählung; und ein Mittel zum Modifizieren der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite gemäß der Einstellung der zugeteilten Bandbreite; dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite in mindestens entweder (a) einem Übertragungsweg zwischen den Teilnehmereinheiten und dem zentralen Kontroller oder (b) einem Übertragungsweg zwischen dem zentralen Kontroller und einem anderen Kommunikationsnetz zugeordnet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, die ferner Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Festlegen eines Verhältnisses der Verkehrszählung zu der zugeteilten Bandbreite für eine bestimmte der Teilnehmereinheiten; und ein Mittel zum Erhöhen der zugeteilten Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit, wenn das Verhältnis auf oder oberhalb einer oberen Nutzungsschwelle liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei: die Verkehrszählung gemäß einer Bandbreite, die durch die jeweiligen Teilnehmereinheiten verwendet wird, festgelegt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, die ferner Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Vermindern der zugeteilten Bandbreite einer bestimmten der Teilnehmereinheiten, wenn die gegenwärtig zugeteilte Bandbreite die Verkehrszählung um eine programmierbare Menge übersteigt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei: das Mittel zum Vermindern die zugeteilte Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit auf ungefähr gleich viel wie die Verkehrszählung für diese bestimmte Teilnehmereinheit einstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei: das Mittel zum Vermindern die zugeteilte Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit auf die größere (a) der Verkehrszählung für diese bestimmte Teilnehmereinheit und (b) eine Kleinstbandbreite einstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, die ferner Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Inkrementieren der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite durch die Verminderung der zugeteilten Bandbreite.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, die ferner Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Festlegen eines Verhältnisses der Verkehrszählung zu der zugeteilten Bandbreite für die bestimmte Teilnehmereinheit; und ein Mittel zum Vermindern der zugeteilten Bandbreite der bestimmten Teilnehmereinheit, wenn das Verhältnis auf oder unterhalb einer unteren Nutzungsschwelle liegt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, die ferner Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Erhöhen der zugeteilten Bandbreite einer bestimmten der Teilnehmereinheiten gemäß der laufenden Summe von nicht zugeordneter Bandbreite, wenn die Verkehrszählung ein vorgegebenes Niveau übersteigt; wobei: das Mittel zum Erhöhen angepasst ist, um mindestens eine bestimmte Teilnehmereinheit für eine Erhöhung der zugeteilten Bandbreite zu kennzeichnen; und mindestens ein Teil der nicht zugeteilten Bandbreite unter der(den) gekennzeichneten Teilnehmereinheiten) verteilt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, die ferner Folgendes beinhaltet: ein Mittel zum Einstellen der zugeteilten Bandbreite der Teilnehmereinheiten gemäß einer Teilnehmereinheit-Hierarchie.