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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Kabelmodemsystem,
in dem Informationen zwischen einer Vielzahl von Kabelmodems und
einem Kabelmodem-Terminierungssystem kommuniziert
werden. Sie lässt
sich auf jede Umgebung anwenden, die eine Einträgermodulation aufweist, die
Zeit und Frequenz unter mehreren Benutzern aufteilt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
gewünschte
Lösung
für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationen
scheint das Kabelmodem zu sein. Ein Kabelmodem ist in der Lage, Übertragungsgeschwindigkeiten
von bis zu 56 Mbit/s bereitzustellen, und ist somit für einen
Hochgeschwindigkeits-Dateitransfer, Videotelekonferenzen und Pay-TV
geeignet. Außerdem
können
Kabelmodems gleichzeitig einen Hochgeschwindigkeits-Internetzugang,
digitales Fernsehen (wie zum Beispiel Pay-TV) und digitale Telefonie
bereitstellen.
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Obwohl
Kabelmodems in einem gemeinsam genutzten Zugangssystem verwendet
werden, in dem eine Vielzahl von Teilnehmern um eine Upstream-Bandbreite über ein
gemeinsames Koaxialkabel konkurrieren, wird jegliche unerwünschte Reduzierung
der tatsächlichen Übertragungsgeschwindigkeit
mühelos
dadurch gesteuert, dass einfach die Anzahl der gemeinsamen Benutzer
in jedem System begrenzt wird. Auf diese Weise ist jeder Benutzer
einer ausreichenden Übertragungsgeschwindigkeit versichert,
um zum Beispiel eine Videotelefonkonferenz oder Pay-TV ohne Unterbrechung
bereitzustellen.
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In
der WO 97/35410 ist ein Verfahren zur Zuordnung einer dynamischen
Bandbreite für
ein Kommunikationsnetzwerk offenbart. Die Bandbreite wird in einem
Upstream-Kanal eines schichtförmigen
Datenkommunikationsnetzwerkes, wie zum Beispiel demjenigen, der
für die Übertragung
von Nachrichten von einer Anzahl von Teilnehmereinheiten zu einem zentralen
Steuergerät
verwendet wird, adaptiv zugeteilt, um zum Beispiel den Teilnehmereinheiten
zu erlauben, Daten für
einen Internetzugang, Videokonferenzen oder Sprachkommunikation
zu senden. Eine laufende Summe von nicht zugeteilter Bandbreite wird
in aufeinander folgenden Kontrollintervallen verwaltet. Eine Verkehrszählung wird
für jede
Teilnehmereinheit bestimmt, indem die Bandbreite, die benutzt wird,
gemessen wird, indem zum Beispiel die Anzahl an Schlitzen gezählt wird,
die in einem Kontrollintervall verwendet wird. Die zugewiesene Bandbreite
der Teilnehmereinheiten wird dann korrigiert, wenn ein Verhältnis der
Verkehrszählung
zu der zugewiesenen Bandbreite bei einem oder unterhalb eines unteren
Schwellwerts liegt, und die laufende Summe der nicht zugeteilten
Bandbreite wird durch die Verringerung der zugewiesenen Bandbreite
inkrementiert. Die zugewiesene Bandbreite kann vergrößert werden,
wenn ein Verhältnis
der Verkehrszählung
zu der zugewiesenen Bandbreite bei einem oder oberhalb eines oberen
Schwellwerts liegt, indem die nicht zugeteilte Bandbreite unter
den Teilnehmereinheiten verteilt wird. Es kann eine Teilnehmereinheiten-Hierarchie
verwendet werden, um ausgewählten
Benutzern eine Priorität
einzuräumen.
Ein MAC steuert das Medium durch ein HFC. In der Upstream-Richtung
kann das Medium als das komplette Upstream-Spektrum betrachtet werden,
das sich zum Beispiel zwischen 5–40 MHz in einem Kabelfernseh-(CATV;
cable television)-System erstrecken kann. Die MAC ist auch verantwortlich
für die Verwaltung
der Bandbreite (sowohl spektrale Bandbreite als auch Datenbandbreite)
des Upstream-Spektrums, welches mehrere Kanäle enthalten kann, die unterschiedliche
Bandbreiten, Übertragungsgeschwindigkeiten
und Kanalgeschwindigkeiten aufweisen können. Da einige Bereich des Upstream-Spektrums
bessere Fehlerratenperformanzen aufweisen können als andere Bereiche, kann
die MAC Datenbandbreiten auf Kanälen
entsprechend dem Typ des Dienstes zuteilen. Zum Beispiel können kritischere
Daten auf Kanälen
mit einer besseren Fehlerratenperformanz übertragen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im
allgemeinen wird ein Kabelmodem in einem einzigen Kanal initialisiert
oder auf einen einzigen Kanal eingestellt, wobei Burst-Profile verwendet werden,
die für
diese Initialisierungszwecke optimiert worden sind, und geht dann
zur Verwendung anderer Burst-Profile in diesem Kanal für Anforderungen
und die Datenkommunikation weiter. Aber gemäß der vorliegenden Erfindung
kann ein Kabelmodem auf wenigstens zwei Trägerfrequenzen oder Kanäle eingestellt
werden, wobei wenigstens ein Kanal ein Schmalband ist und wenigstens
ein Kanal ein Breitband ist. Ein Kabelmodem mit einem größeren Betrag
an Daten zur Übertragung
würde im
Allgemeinen bevorzugen, den Breitbandkanal wegen seiner höheren Burst-Kapazität zu verwenden.
Der Schmalbandkanal kann für
kürzere
Pakete verwendet werden; aber anstatt den Schmalbandkanal in der
Abwesenheit von Anforderungen für Über tragungen
von kurzen Paketen unbenutzt zu lassen, könnten lange Pakete auch dem
Schmalbandkanal zugewiesen werden, wenn dieser sofort zur Verfügung steht.
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Die
Initialisierung eines Kabelmodems auf mehreren Kanälen kann
unter Verwendung von zwei Verfahren implementiert werden. Bei dem
ersten Verfahren überträgt das Kabelmodem
eine Anforderung in Minischlitzen zu der Kopfstelle (head end) und zeigt
an, dass Pakete vorhanden sind, die eine Übertragung verlangen. Das erste
Verfahren erlaubt wenigstens zwei verschiedene Techniken (Methode
1A und Methode 1B), die verwendet werden können, um ein Einträger-Kabelmodem
mehreren Kanälen
zuzuweisen. Die erste Technik (Methode 1A) erfordert eine Änderung
bei dem Kabelmodem, das DOCSIS-konform ist. Das Kabelmodem wird
zur Identifizierung von speziellen Fähigkeiten während des Herstellungsprozesses
mit händlerspezifischen
Informationen codiert, um die Kopfstelle darüber zu informieren, dass es
eine Initialisierung auf mehr als einem Kanal wünscht. Die zweite Technik (Methode
1B) schließt
eine Modifikation der DOCSIS-Spezifikation ein. Ein zusätzliches
Byte wird der Registrierungsnachricht hinzugefügt, das die Kopfstelle von
seinem Wunsch informiert, auf mehr als einem Kanal initialisiert
zu werden. Bei dem zweiten Verfahren überträgt das Kabelmodem an die Kopfstelle
eine Anforderung in Bytes, die anzeigt, dass Pakete vorhanden sind, die
eine Übertragung
verlangen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn sie im Hinblick auf die nachfolgende
genaue Beschreibung, die angehängten
Ansprüche
und die beigefügten
Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Hybrid-Faser-Koaxialkabel-(HFC)-Netzwerks ist,
das typische Wege für
die Datenübertragung
zwischen der Kopfstelle (die das Kabelmodem-Terminierungssystem
enthält)
und einer Vielzahl von Haushalten (die jeder ein Kabelmodem enthalten)
zeigt;
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2 ein
vereinfachtes Blockdiagramm eines Kabelmodemsystems ist, bei dem
eine Leitungskarte, die ein Kabelmodem-Terminierungssystem (CMTS;
cable modem termination system) definiert, an der Kopfstelle angeordnet
ist, und ein Kabelmodem in einem repräsentativen Haushalt angeordnet ist;
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3A ein
schematisches Blockdiagramm ist, das die Querverbindungen zwischen
dem Burst-Empfänger,
der Medienzugangskontrolle (MAC) und dem Sender-Downstream-Modulator
in einem Kabelmodem-Terminierungssystem zeigt;
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3B ein
schematisches Blockdiagramm ist, das die Konstruktion des Kabelmodems,
das in 2 gezeigt worden ist, bei dem Teilnehmer, wie zum
Beispiel dem Haushalt zeigt;
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4 eine
graphische Darstellung des MAP-Nachrichtenformats vor der Nachrichtenfilterung
ist;
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5 eine
graphische Darstellung des MAP-Nachrichtenformats nach der Nachrichtenfilterung
ist;
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6 eine
graphische Darstellung des Standes der Technik der Verwendung eines
Einträger-Kabelmodems
(single carrier CM) in einem Breitbandkanal (hohe Symbolrate) zur
Handhabung des gesamten Datenverkehrs des Kabelmodems ist;
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7 eine
graphische Darstellung des Standes der Technik der Verwendung eines
Einträger-Kabelmodems
in einem Schmalbandkanal (niedrige Symbolrate) zur Handhabung des
gesamten Datenverkehrs des Kabelmodems ist;
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8 eine
graphische Darstellung des Standes der Technik von parallelen, niedrigen
Symbolraten-Wellenformen ist;
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9 ein
Ablaufdiagramm ist, das den gesamten Ablauf zwischen den Stufen
der Initialisierung in einem Kabelmodem für mehrere Kanäle und der
Kopfstelle veranschaulicht, die Datenpakete bestimmten Kanälen für die Übertragung
zuweist;
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10 einen
Zeit- und Frequenzbereich veranschaulicht, der mit einem Kabelmodem
verwendet wird, das die Verfahren implementiert, die von dieser Erfindung
verwendet werden;
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11 eine
Modifikation von 1 ist, die die Erfindung an
eine drahtlose Übertragung
anpasst;
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12 eine
Modifikation von 2 ist, die die Erfindung an
eine drahtlose Übertragung
anpasst; und
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13 eine
schematische Darstellung eines einzelnen integrierten Schaltungs-Chips
ist, der so ausgelegt ist, dass er die Erfindung praktisch umsetzen
kann.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Einleitung
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In
einem Kabelmodemsystem ist eine Kopfstelle oder ein Kabelmodem-Terminierungs- bzw. Endsystem
(CMTS) bei den Anlagen einer Kabelgesellschaft positioniert und
funktioniert als ein Modem, das eine große Anzahl an Teilnehmern bedient.
Jeder Teilnehmer hat ein Kabelmodem (CM). Somit muss das Kabelmodem-Terminierungssystem
in der Lage sein, eine bidirektionale Kommunikation mit jedem gewünschten
Kabelmodem der Vielzahl von Kabelmodems zu ermöglichen.
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So,
wie es hier verwendet wird, ist das Kabelmodem-Terminierungssystem
(CMTS) so definiert, dass es denjenigen Abschnitt einer Kopfstelle
umfasst, der die Kommunikation mit einer Vielzahl von Kabelmodems
ermöglicht.
Ein typisches Kabelmodem-Terminierungssystem umfasst einen Burst-Empfänger, einen
Dauersender und eine Medienzugangskontrolle (MAC).
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Das
Kabelmodem-Terminierungssystem kommuniziert mit der Vielzahl von
Kabelmodems über
ein Hybrid-Faser-Koaxialkabel-(HFC-)Netzwerk, in dem eine Glasfaser
die Kommunikation zu einer Vielzahl von Faserknoten bereitstellt
und jeder Faserknoten typischerweise etwa 500 bis 2.000 Teilnehmer
versorgt. Diese Teilnehmer kommunizieren mit dem Knoten über ein
gemeinsam genutztes Koaxialkabel. Genau diese gemeinsame Nutzung
des gemeinsamen Koaxialkabels macht es erforderlich, dass die Anzahl
an Kabelmodems, die daran angeschlossen sind, begrenzt ist, um so
die Wahrscheinlichkeit von unerwünschten
Bitratenreduktionen abzuschwächen,
die inhärent
auftreten, wenn eine zu große
Anzahl an Kabelmodems gleichzeitig über ein einziges Koaxialkabel
kommunizieren.
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Das
Hybrid-Faser-Koaxialkabel-Netzwerk eines Kabelmodems verwendet eine
Punkt-zu-vielen-Punkten-Topologie, um die Kommunikation zwischen
dem Kabelmodem-Terminierungssystem und der Vielzahl von Kabelmodems
durchzuführen.
Der Frequenzbereich-Vielfachzugriff (FDMA; frequency domain multiple
access)/der Zeitmultiplexbetrieb (TDM; time division multiplexing)
wird verwendet, um die Kommunikation von dem Kabelmodem-Terminierungssystem
zu jedem der Kabelmodems, d.h. in der Downstream-Richtung (downstream
direction), zu ermöglichen.
Der Frequenzbereich-Vielfachzugriff (FDMA)/der Zeitbereich-Vielfachzugriff
(TDMA; time domain multiple access) wird verwendet, um die Kommunikation
von jedem Kabelmodem zu dem Kabelmodem-Terminierungssystem, d.h.
in der Upstream-Richtung (upstream direction), zu ermöglichen.
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Das
Kabelmodem-Terminierungssystem umfasst einen Downstream-Modulator
zu Ermöglichung der Übertragung
von Datenkommunikationen davon zu den Kabelmodems und einen Upstream-Demodulator
zur Ermöglichung
des Empfangs von Datenkommunikationen von den Kabelmodems.
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Typischerweise
verwendet der Downstream-Modulator des Kabelmodem-Terminierungssystems
entweder 64 QAM oder 256 QAM in einem Frequenzband von 54 MHz bis
860 MHz, um eine Übertragungsgeschwindigkeit
von bis zu 56 Mbit/s bereitzustellen. Da der Upstream-Kanal eine viel
niedrigere Übertragungsgeschwindigkeitsanforderung
aufweist, verwendet der Upstream-Demodulator typischerweise entweder
QPSK oder 16 QAM in einem Frequenzbereich von 5 MHz bis 42 MHz,
um eine Übertragungsgeschwindigkeit
von bis zu 10 Mbit/s bereitzustellen. In der Zukunft werden größere Upstream-Konstellationen
in die Praxis umgesetzt werden, wie zum Beispiel 64 QAM und mehr,
um noch höhere
Upstream-Übertragungsgeschwindigkeiten
bereitzustellen.
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Der
asymmetrische Datendurchsatz, der von dem Upstream-Kanal definiert
wird, der eine viel niedrigere Übertragungsgeschwindigkeit
benötigt
als der Downstream-Kanal, ergibt sich aus dem inhärent größeren Betrag
an Daten, der über
den Downstream-Kanal während
Pay-TV, Internetzugang und dergleichen kommuniziert wird, wobei
ein Videosignal über
den Downstream-Kanal kommuniziert wird, während über den Upstream-Kanal nur
Steuersignale wie diejenigen, die mit der Betrachtung des Videosignals
verknüpft
sind, kommuniziert werden. Somit kann die Anforderung des Downstream-Kanals 1,5
Mbit/s übersteigen,
während
die Anforderung des Upstream-Kanals so niedrig wie 16 kbit/s sein
kann.
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Es
wird erwartet, dass in der Zukunft die Kabelübertragung in der Upstream-Richtung breitbandiger
werden wird, da die digitale Fernsehübertragung weniger Bandbreite
benötigt
als die analoge Fernsehübertragung.
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Jedes
Kabelmodem umfasst einen Upstream-Modulator zur Ermöglichung
der Übertragung
von Daten zu dem Kabelmodem-Terminierungssystem und einen Downstream-Demodulator zum
Empfangen von Daten von dem Kabelmodem-Terminierungssystem. Der Upstream-Modulator jedes
Kabelmodems verwendet entweder QPSK oder 16 QAM innerhalb der Bandbreite
von 5 MHz bis 42 MHz des Upstream-Demodulators, und der Downstream-Demodulator
jedes Kabelmodems verwendet entweder 64 QAM oder 256 QAM in der Bandbreite
von 54 MHz bis 860 MHz des Downstream-Modulators (in Nordamerika).
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Moderne
Kabelmodemsysteme arbeiten auf einer Vielzahl von Upstream-Kanälen und
verwenden ein Zeitmultiplex-Verfahren (TDMA; time division multiple
access), um die Kommunikation zwischen einer Vielzahl von Kabelmodems
und einem einzelnen Kabelmodem-Terminierungssystem auf jedem Upstream-Kanal
zu ermöglichen.
Typischerweise kommunizieren zwischen 250 und 500 Kabelmodems mit
einem einzigen Kabelmodem-Terminierungssystem auf einem gegebenen
Upstream-Kanal.
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Um
das TDMA für
die Upstream-Kommunikation zu verwirklichen, ist es notwendig, Zeitschlitze zuzuweisen,
innerhalb denen es Kabelmodems, die eine Nachricht aufweisen, die
zu dem Kabelmodem-Terminierungssystem gesendet werden soll, erlaubt
ist, eine Übertragung
durchzuführen.
Die Zuweisung von solchen Zeitschlitzen wird dadurch erzielt, dass
ein Anforderungskonkurrenzbereich in dem Upstream-Datenweg bereitgestellt
wird, innerhalb dem es den Kabelmodems erlaubt ist, sich darum zu
bewerben, eine Nachricht platzieren zu dürfen, die zusätzliche
Zeit in dem Upstream-Datenweg für die Übertragung
ihrer Nachricht anfordert. (Kleine Datenpakete werden manchmal auch
in Konkurrenzbereichen übertragen.)
Das Kabelmodem-Terminierungssystem antwortet auf diese Anforderungen
mit der Zuweisung von Zeitschlitzen für die Kabelmodems, die eine
solche Anforderung stellen, so dass so viele Kabelmodems wie möglich ihre
Nachrichten zu dem Kabelmodem-Terminierungssystem
unter Verwendung von TDMA übertragen
können,
und damit die Übertragungen
ohne unerwünschte
Kollisionen durchgeführt
werden.
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Nun
wird Bezug auf 1 genommen. Ein Hybrid-Faser-Koaxialkabel-(HFC-)Netzwerk 1010 ermöglicht die Übertragung
von Daten zwischen einer Kopfstelle 1012, die wenigstens
ein Kabelmodem-Terminierungssystem umfasst, und einer Vielzahl von
Haushalten 1014, von denen jeder ein Kabelmodem enthält. Solche
Hybrid-Faser-Koaxialkabel-Netzwerke werden allgemein von den Kabelanbietern
verwendet, um Teilnehmern einen Internet-Zugang, Kabelfernsehen,
Pay-TV und dergleichen bereitzustellen.
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Etwa
500 Haushalte 1014 stehen in elektrischer Kommunikation
mit jedem Knoten 1016, 1034 des Hybrid-Faser-Koaxialkabel-Netzwerks 1010,
typischerweise über
Koaxialkabel 1029, 1030, 1031. Verstärker 1015 ermöglichen
die elektrische Verbindung der weiter entfernt liegenden Haushalte 1014 mit
den Knoten 1016, 1034, indem sie die elektrischen
Signale verstärken,
um so den Störabstand solcher
Kommunikationen auf wünschenswerte
Weise zu verbessern, und indem sie dann die elektrischen Signale über Koaxialkabel 1030, 1031 übertragen.
Das Koaxialkabel 1029 verbindet die Haushalte 1014 elektrisch
mit den Koaxialkabeln 1030, 1031, die sich zwischen
den Verstärkern 1015 und
den Knoten 1016, 1034 erstrecken.
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Jeder
Knoten 1016, 1034 ist elektrisch mit einem Verteiler
(Hub) 1022, 1024 verbunden, typischerweise über eine
Glasfaser 1028, 1032. Die Verteiler 1022, 1024 stehen über Glasfasern 1020, 1026 in
Kommunikation mit der Kopfstelle 1012. Jeder Verteiler
ist typischerweise in der Lage, die Kommunikation mit etwa 20.000
Haushalten 1014 zu ermöglichen.
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Die
Glasfasern 1020, 1026, die sich zwischen der Kopfstelle 1012 und
jedem Verteiler 1022, 1024 erstrecken, definieren
einen Faserring, der typischerweise in der Lage ist, eine Kommunikation
zwischen etwa 100.000 Haushalten 1014 und der Kopfstelle 1012 zu
ermöglichen.
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Die
Kopfstelle 1012 kann Video-Server, Satellitenempfänger, Video-Modulatoren,
Telefon-Switches und/oder Internet-Router 1018 sowie auch
das Kabelmodem-Terminierungssystem enthalten. Die Kopfstelle 1012 kommuniziert über eine Übertragungsleitung 1013,
die eine T1-Leitung oder eine T2-Leitung sein kann, mit dem Internet,
anderen Kopfstellen und/oder jeder anderen gewünschten Vorrichtung oder jedem
anderen gewünschten
Netzwerk.
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Nun
wird Bezug auf 2 genommen. Ein vereinfachtes
Blockdiagramm zeigt die Querverbindung zwischen der Kopfstelle 1012 und
einem beispielhaften Haushalt 1014, wobei ein Kabelmodem 12 über ein
Hybrid-Faser-Koaxialkabel-Netzwerk 1010 mit
einem Kabelmodem-Terminierungssystem kommuniziert, das als eine
Leitungskarte 1042 verkörpert
ist.
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Genauer
gesagt ist ein Personal Computer 1048, der sich in dem
Haushalt 1014 befindet, über ein Kabel 1011 mit
dem Kabelmodem 12 verbunden, das über ein Koaxialkabel 1017 mit
dem Hybrid-Faser-Koaxialkabel-Netzwerk 1010 kommuniziert,
welches wiederum über
eine Glasfaser 1020 mit dem Kabelmodem-Terminie rungssystem
(CMTS) kommuniziert, das die Leitungskarte 1042 der Kopfstelle 1012 umfasst.
Der Internet-Router 1040 ermöglicht die Kommunikation zwischen
der Kopfstelle 1012 und dem Internet oder irgendeinem anderen
gewünschten
Gerät oder
Netzwerk.
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In
einem typischen Kabelmodemsystem wird ein einzelnes Kabelmodem-Terminierungssystem, das
eine Leitungskarte 1042 umfasst, typischerweise mit 250
bis 500 Kabelmodems 12 kommunizieren. Somit umfasst das
Kabelmodemsystem der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Kabelmodems 12.
Obwohl die nachfolgende Beschreibung allgemein den Betrieb eines
einzigen Kabelmodem-Terminierungssystem, das eine Leitungskarte 1042 umfasst,
und eines einzigen Kabelmodems 12 erläutert, wird es den Fachleuten
auf diesem Gebiet klar sein, dass in gleicher Weise eine Vielzahl
von Kabelmodem-Terminierungssystemen, die Leitungskarten 1042 umfassen,
und eine Vielzahl von Kabelmodems 12 verwendet werden können.
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Unter
Bezugnahme auf 3A wird nun das Kabelmodem-Terminierungssystem
von 2, das eine Leitungskarte 1042 umfasst,
genauer gezeigt. Das Kabelmodem-Terminierungssystem, das die Leitungskarte 1042 umfasst,
ist so konfiguriert, dass es Signale von einer Glasfaser 79 des
Hybrid-Faser-Koaxialkabel-(HFC-)Netzwerks 1010 (2) über eine Glasfaser-zu-Koaxialkabel-Stufe 49,
die in Bezug auf das Kabelmodem-Terminierungssystem, das die Leitungskarte 1042 umfasst,
typischerweise extern angeordnet ist, empfängt und Signale an diese sendet. Die
Glasfaser-zu-Koaxialkabel-Stufe 49 stellt über das
Koaxialkabel 54 eine Ausgabe für den 5–42 MHz HF-Eingang (RF input) 84 bereit,
und in ähnlicher Weise
empfängt
es ein Signal von dem HF-Aufwärtswandler 78 über das
Koaxialkabel 54.
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Die
Ausgabe des HF-Eingangs 84 wird einem Splitter 57 des
Kabelmodem-Terminierungssystems,
das die Leitungskarte 1042 umfasst, bereitgestellt, der
den 5–42
MHz HF-Eingang in N separate Kanäle
trennt.
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Jeder
der N separaten Kanäle
wird einem separaten QPSK/16-QAM (oder mehr) Burst-Empfänger-Kanal 85 bereitgestellt.
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Jeder
separate QPSK/16-QAM Burst-Empfänger-Kanal 85 steht
in elektrischer Kommunikation mit der Kopfstellen-MAC 60.
Die Kopfstellen-MAC 60 steht in elektrischer Kommunikation
mit der Backplane-Schnittstelle 62, die eine Schnitt stelle
zu dem ROM 73, dem RAM 68, der CPU 66 und
der 100BASE-T-Ethernet-Schnittstelle 64 bereitstellt.
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Die
Kopfstellen-MAC 60 stellt einen Takt und eine Datenausgabe
für den
Downstream-Modulator 72 bereit, der eine Ausgabe an den
Verstärker 76 durch
ein Oberflächenwellen-(SAW-)Filter 74 bereitstellt.
Der Verstärker 76 stellt
eine Ausgabe für
den 44 MHz ZF-Ausgang bereit, der wiederum eine Ausgabe für den HF-Aufwärtswandler 78 bereitstellt. Aber
zukünftige
Implementierungen benötigen
vielleicht kein SAW.
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Jeder
Burst-Empfänger 85 ist
so konfiguriert, dass er in der Lage ist, sowohl QPSK-(4-QAM)-Signale
als auch 16-QAM-Signale zu empfangen. Die QPSK-Signale stellen 2 Bits pro Symbol bereit,
wobei jedes Bit ±1
Amplitudenstufen aufweist. Die 16-QAM-Signale stellen 4 Bits pro
Symbol bereit, wobei jedes Bit eine ±1 oder ±3 Amplitudenstufe auf den Quadraturträgern aufweist.
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Aber
die Beschreibung und Veranschaulichung eines Burst-Empfängers, der
so konfiguriert ist, dass er QPSK- und 16-QAM-Eingänge erfassen kann,
dient lediglich zur Veranschaulichung und ist nicht beschränkend gedacht.
Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird es klar sein, dass andere
Modulationsverfahren, wie zum Beispiel 32 QAM, 64 QAM und 256 QAM
alternativ verwendet werden können.
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Das
Kabelmodem 12 in 2 ist in
Einzelheiten in 3B innerhalb eines Rechtecks 258 gezeigt.
Das in 3B gezeigte System umfasst ein
Diplex-Filter 259. Die in den 3A und 3B gezeigten
Systeme können
zu einem einzigen Blockdiagramm kombiniert werden, indem 3B um
einen Winkel von 180° gedreht
wird, so dass das Diplex-Filter 259 in umgekehrter Form
an dem rechten Ende erscheint, und indem dann die Blätter nebeneinander gelegt
werden.
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Die
Signale von dem Diplex-Filter 259 in dem Bereich von 54–860 MHz
wandern zu einem HF-Tuner 260 und dann zu einem Oberflächenwellenfilter (SAW) 261,
das Signale mit einer geeigneten Frequenz wie zum Beispiel etwa
44 MHz einem Verstärker 262 bereitstellt.
Die verstärkten
Signalen wandern dann zu einem 64/256-QAM-Downstream-Empfänger 263 mit
einer Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC; forward error correction). Automatische Verstärkungsregelungen
werden dem Tuner 260 von dem Empfänger 263 bereitgestellt.
Takt- und Datensignale wandern dann von dem Empfänger 263 zu einer
Medienzugangskontrolle (MAC) 264, die die Signale durch
eine Schnittstelle 265 zu einem 10BASE-T-Transceiver 266,
einer CPU 267, einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 268 und
einem Nur-Lese-Speicher (ROM) 269 einleitet.
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Die
Signale von dem 10BASE-T-Transceiver 266, der CPU 267,
dem RAM 268 und dem ROM 269 wandern durch die
Schnittstelle 265 zu der Medienzugangskontrolle (MAC) 264.
Die Signale von dem MAC-Controller 264 werden dann in einen QPSK-16QAM-Upstrem-Burst-Modulator 270 mit
einer Vorwärtsfehlerkorrektur
eingeleitet. (Der Upstream-Burst-Modulator 270 ist nicht
auf die gezeigten QPSK-16QAM begrenzt, dies ist lediglich ein Ausführungsbeispiel).
Die Signale von dem Burst-Modulator 270 werden einem Tiefpassfilter 271 bereitgestellt,
das die Signale in dem Bereich von 5–42 MHz weiterleitet, wenn
das System in Nordamerika verwendet wird. Die Tiefpasssignale werden dann
in einen Leistungsverstärker 272 eingeleitet, dessen
Ausgabe dem Diplex-Filter 259 bereitgestellt wird. Die
Verstärkung
in dem Leistungsverstärker 272 wird
von dem Burst-Modulator 270 reguliert.
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Um
ein verbessertes Verständnis
der Erfindung bereitzustellen, wird nun eine bestimmte Terminologie,
die in dieser Anmeldung verwendet wird, definiert. Ein "MAP" wird von der Kopfstelle 10 für das Teilnehmer-Modem 12 bereitgestellt.
Ein MAP definiert einen nächsten
Rahmen. Ein "Rahmen" ("frame") ist ein Gattungsbegriff
zur Definierung einer Gruppe oder einer multiplen Anzahl von Schlitzen.
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Weitere
Einzelheiten eines Kabelmodems werden unter Bezugnahme auf die 4 und 5 für ein verbessertes
Verständnis
der Erfindung dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4 wird
nun das Format der MAP-Nachricht 421 vor der Verarbeitung durch
das Nachrichtenfilter des MAC gezeigt. Die MAP-Nachricht 421 enthält typischerweise
einen MAC-Management-Header 422, der Informationen enthält, die
die gewünschte
Verarbeitung durch die MAC ermöglichen.
Eine Upstream-Kanal-ID 423 zeigt
an, welchem Upstream-Frequenzkanal die MAP-Nachricht zugewiesen
werden soll. Die UCD-Zählung 424 gleicht
den Wert der Konfigurationsänderungszählung des
UCD ab, der die Burst-Parameter beschreibt, die für das MAP
gelten.
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Die
Anzahl an Elementen 425 sieht einen Hinweis auf die Anzahl
an Elementen vor, die in diesem MAP übertragen werden. Die Zuweisungsstartzeit 427 zeigt die
effektive Startzeit von der Kabelmodem-Terminierungssystem-Initialisierung
(in Einheiten von Minischlitzen) an, die für die Zuweisungen gemäß diesem
MAP zur Verfügung
steht. Die Bestätigung
(Ack) 428 zeigt die späteste
Zeit von der Kabelmodem-Terminierungssystem-Initialisierung (in Einheiten
von Minislots) an, die in den stromaufwärtigen Datenkommunikationen
verarbeitet worden ist. Diese Zeit wird von den Kabelmodems für Kollisionserfassungszwecke
verwendet.
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Der
Ranging-Backoff-Start (ranging back-off start) 429 ist
ein Anfangs-Backoff-Fenster zur anfänglichen Ranging-Konkurrenz,
ausgedrückt
als eine Potenz hoch zwei. Werte für den Ranging-Backoff-Start
reichen von 0 bis 15, wobei die höchstwertigen Bits frei sein
müssen
und auf 0 gesetzt sein müssen.
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Das
Ranging-Backoff-Ende 430 ist das End-Backoff-Fenster für die anfängliche
Ranging-Konkurrenz, ausgedrückt
als eine Potenz hoch zwei. Werte für das Ranging-Backoff-Ende
reichen von 0 bis 15, wobei die höchstwertigen Bits frei sein müssen und
auf 0 gesetzt sein müssen.
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MAP-Informationselemente 433 definieren die
Zeitschlitze, während
denen einzelne Kabelmodems auf einem bestimmten Upstream-Kanal eine Übertragung
zu dem Kabelmodem-Terminierungssystem durchführen. Eine Vielzahl von Intervallen des
MAP, wie zum Beispiel das erste Intervall 435, das zweite
Intervall 436 und das letzte Intervall 437 definieren
die einzelnen Zeitschlitze.
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Jedes
Intervall 435–437 umfasst
einen Stations- oder Dienstidentifizierungs-(SID; service identifier)-Wert 439,
der das Kabelmodem identifiziert, für den das Intervall (und deshalb
die dadurch definierten Zeitschlitze) gilt. Eine SID gleich 0 definiert
das Ende der Liste von Intervallen und zeigt somit an, dass alle
Intervalle definiert worden sind. Der Intervallverwendungscode (IUC;
interval usage code) 440 definiert die Burst-Parameter,
die während
der spezifizierten Zeitschlitze verwendet werden sollen. Solche
Burst-Parameter umfassen den Modulationstyp, z.B. QPSK oder 16 QAM.
Der Offset 441 gibt an, wann im Hinblick auf einen gemeinsamen
Zeitbezug jedes Intervall beginnt. Ein Offset gleich 0 definiert
einen Beginn des ersten Intervalls.
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Optional
weist jedes MAP eine feste Länge und
ein festes Format auf, so dass freie Intervalle 442 nach
dem letzten Intervall 437 auftreten können. Eine Bestäti gung und
Verzögerungen 443 können optional in
die Liste der Intervalle eingeführt
werden, im Allgemeinen nach dem Ende der Liste 438.
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Nun
wird Bezug auf 5 genommen. Nachdem das Format
der MAP-Nachricht
von der MAC für
die Kommunikation von der MAC zu dem Burst-Empfänger
gefiltert worden ist, umfasst die MAP-Nachricht eine Zuweisungsstartzeit 150 und eine
Vielzahl von MAP-Informationselementen 151–153.
Jedes MAP-Informationselement umfasst im allgemeinen eine Dienst-ID 155,
die das Kabelmodem identifiziert, für das die Schlitzzeit der MAP-Informationen
gilt, einen Intervallverwendungscode 159, der den Burst-Typ
identifiziert, der von dem Kabelmodem während des Zeitschlitzes verwendet wird,
und auch die Schlitzzeit identifiziert, typischerweise in Einheiten
von Minischlitzen.
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Verbesserung
der Performanz von kurzen Bursts in einer Impulsstörungsumgebung
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Angesichts
der obigen Beschreibung eines Kabelmodems wird nun eine Einrichtung
zur Verbesserung der Performanz von kurzen Bursts in einer Impulsstörungsumgebung
beschrieben. Bei den existierenden und sich entwickelnden Standards
für Kabelmodems,
die Zwei-Wege-Kommunikationen unterstützen, ist das Konzept einer
flexiblen stromaufwärtigen
physikalischen Schicht eingeführt
worden. Das Wesen der Flexibilität
bei diesen existierenden und sich weiterentwickelnden Standards
hat sich zu einer Organisation der flexiblen Parameter in "Kanal"-Parameter, "Burst-Profil"-Paramenter und "eindeutige Benutzer"-Parameter entwickelt. "Kanal"-Parameter umfassen
die Trägerfrequenzen,
die für
die Kabelmodems zur Verfügung
stehen. "Burst-Profil"-Paramenter umfassen
die Modulation, DiffEnc und die Präambellänge. "Eindeutige Benutzer"-Parameter umfassen den Leistungspegel,
die Offset-Frequenz und einen Ranging-Offset. Eine komplette Liste
von "Burst-Profil"- und "eindeutige Benutzer"-Parameter sind in
der DOCSIS-Spezifikation aufgelistet. (Siehe DOCSIS Abschnitt 4.2.7.)
Das Konzept für
die Verwendung dieser Parameter liegt darin, dass die Kopfstelle
der Anlagen der Kabelgesellschaft an jedes Kabelmodem (CM) eine
Liste von Kanalparametern und eine Liste von Burst-Profilparametern
für eine
Anzahl von Burst-Typen schicken wird, die in diesem Kanal betrieben
werden sollen. Das Kabelmodem wird dann die MAPs von Gewährungen
von der Kopfstelle lesen, die den Burst-Typ für jede der Gewährungen
in den MAPs spezifizieren wird. Die Kabelmodems werden Übertragungen
mit den geeigneten Attributen/Charakteristiken für die Gewährungen, die sie erhalten,
durchführen.
Die Burst-Profile in einem gegebenen Kanal (d.h. Trägerfrequenz)
können
sich im Modulationstyp (zum Beispiel QPSK oder 16 QAM), in Vorwärtsfehlerkorrektur-(FEC)-Fähigkeiten und in der Präambellänge unterscheiden.
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Es
wird allgemein angenommen, dass ein Kabelmodem in einem einzigen
Kanal initialisiert oder auf einen einzigen Kanal eingestellt wird,
und zwar unter Verwendung von Burst-Profilen, die für diese
Initialisierungsprozesse optimiert worden sind, und dann dazu übergeht,
andere Burst-Profile auf diesem Kanal für Anforderungen und Datenkommunikation
zu verwenden. Die DOCSIS-Spezifikation sieht nicht vor, dass ein
Kabelmodem auf zwei oder mehr Kanäle gleichzeitig eingestellt
wird oder in diesen initialisiert wird; tatsächlich gibt es keine Bestimmung,
die es erfordert, dass das Kabelmodem mehr als zum Beispiel einen
Satz von eindeutigen Benutzerparametern speichern muss. Es ist möglich, dass der
Leistungspegel, die Frequenzfeinabstimmung und das Ranging eines
Kabelmodems mit einer Aussicht auf Erfolg auf neue Trägerfrequenzen
und Symbolraten extrapoliert werden können. Aber es gibt auch keine
Bestimmung in der DOCSIS-Spezifikation, die ein Kabelmodem anweist,
dass diese Extrapolation auftreten muss oder welche Regeln in diesem
Fall angewendet werden sollen. Es ist möglich, dass dann, wenn ein
Kabelmodem eine Gewährung für sich in
einem MAP auf einem Kanal erkennt, auf den es noch nicht eingestellt
ist, das Kabelmodem seine existierenden eindeutigen Benutzerparameter verwenden
würde und
der Gewährung
Folge leisten würde.
Aber da diese Situation nicht explizit in der DOCSIS-Spezifikation
definiert ist, gibt es eine Möglichkeit,
dass verschiedene Kabelmodems ihre eindeutigen Parameter – übertragen
auf eine neue Trägerfrequenz
und Symbolrate – auf
unterschiedliche Weisen implementieren können. (Es ist sogar möglich, dass
ein Kabelmodem einige Gewährungen
in einem MAP nicht beachtet, wenn die Gewährungen andere Trägerfrequenzen
erfordern.)
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Im
Augenblick können
Kabelmodems nicht nahtlos zwischen Kanälen hin- und herwechseln. Sie können keine "eingestellte" (Leistungspegel,
Feinfrequenz, Zeitsteuerung und sogar Senderentzerrung) Bedingung
in mehr als einer Trägerfrequenz
zur gleichen Zeit aufrechterhalten. Die Standards nehmen diesen
Typ von Operation nicht vorweg und sehen diesen Typ von Operation
nicht vor. Dies trifft vor allem für den sich entwickelnden fortgeschrittenen
physikalischen Schicht-Standard zu, bei dem die Übertragungsentzerrung an dem
Kabelmodem unterstützt wird,
aber es gibt keine Bestimmung, die es erfordert, dass sich ein Kabelmodem
an eine Ent zerrung für mehr
als einen Träger
(oder Symbolrate) zur gleichen Zeit "erinnern" muss.
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Im
Stand der Technik, wie er in den 6–8 gezeigt
ist, arbeitet das Kabelmodem mit einem Burst-Profil, das für kurze
Pakete anders ist als für
lange Pakete, mit der Erkennung, dass die physikalische Schicht
für jeden
Fall mit unterschiedlichen Parametern optimiert ist, aber die Übertragung den
gleichen Kanal oder die gleiche Trägerfrequenz verwendet. Ein
Kabelmodem wechselt relativ nahtlos zwischen dem Burst hin und her,
der für
kurze Pakete und lange Pakete auf einem gegebenen Kanal optimiert
worden ist. Aber das Kabelmodem ist immer für entweder einen Breitbandkanal
mit seinem hohen Übertragungsgeschwindigkeiten-Burstvorteil
oder einen Schmalbandkanal mit seiner Robustheit gegenüber Impulsrauschen
für kurze
Pakete dediziert. Ein Kabelmodem kann nicht den Vorteil aus beiden
dieser wünschenswerten
Merkmale ziehen. Im Augenblick besteht eine Notwendigkeit, diese
Burstflexibilität
zu erweitern, um die Übertragung
der langen Pakete und der kurzen Pakete auf separaten Trägerfrequenzen
zu umfassen, mit jeweils hohen und niedrigen Symbolraten (Bandbreiten)
(sowie auch anderen Unterschieden bei den Burst-Attributen).
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6 veranschaulicht
den Stand der Technik der Verwendung eines Einträger-Kabelmodems in einem Breitbandkanal
(hohe Symbolrate) zur Handhabung des gesamten Datenverkehrs des
Kabelmodems. Wie vorher schon erwähnt wurde, sind die kurzen
Pakete anfällig
für Impulsrauschen;
FEC kann angewandt werden, aber der notwendige Betrag an Parität ist für die Effizienz
von kurzen Datenpaketen eine Belastung.
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7 veranschaulicht
den Stand der Technik der Verwendung eines Einträger-Kabelmodems in einem Schmalbandkanal
(niedrige Symbolrate) zur Handhabung des gesamten Datenverkehrs
des Kabelmodems. Die Figur veranschaulicht adäquat die längere Dauer der Übertragung
für lange
Datenpakete, was zu mehr Latenzzeit und zum Aufbau der Warteschlangenverzögerung führt; diese
Vorgehensweise erlaubt potentiell eine weniger effiziente Verwendung
der Upstream-Frequenzressourcen.
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8 veranschaulicht
den Stand der Technik der Verwendung von parallelen Wellenformen niedriger
Symbolraten. Obwohl diese Modulationsverfahren aufgrund der niedrigen
Symbolrate (in kurzen Paketen) eine gewisse Immunität gegenüber Impulsrauschen
bereitstellen, gehen sie auf Kosten von (1) der Notwendigkeit von
signifikant genaueren Spezifikationen (und somit Testen); (2) der
Notwendigkeit von mehr Rechenintensität; (3) der Notwendigkeit von
mehr Wiedergabetreue in der Frequenz- und Zeitsteuerungssynchronisation;
und (4) sie entwickeln sich nicht so kontrolliert in der Anzeige
eines langen Pakets, das eine Übertragung über einen Breitbandkanal
benötigt.
Eine Anforderung für
eine Gewährung
von 13 Minischlitzen oder weniger weist auf ein kurzes Datenpaket
hin, das eine Übertragung über einen
Schmalbandkanal verlangt. Mit der Fragmentierung könnte die
Kopfstelle ein langes Datenpaket in mehrere kürzere Pakete aufteilen, um
diese auf zur Verfügung
stehenden Schmalbandkanälen
zu übertragen.
Wenn zum Beispiel das Kabelmodem eine Gewährung für ein langes Paket anfordert, könnte die
Kopfstelle eine Übertragung
für mehrere kurze
Pakete gewähren,
so dass das lange Datenpaket für
die Übertragung
in mehrere kurze Pakete aufgeteilt werden würde. Wenn das Kabelmodem andererseits
Gewährungen
für mehrere
kurze Pakete anfordert, könnten
diese kurzen Pakete zusammengepackt werden und könnten eine Gewährung für einen Breitbandkanal
bekommen. Mit anderen Worten, die Kopfstelle kann Gewährungen
erteilen, die nicht explizit angefordert wurden.
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Wenn
viele Kabelmodems eine große
Menge an langen Paketen und wenige kurze Pakete zur Übertragung
aufweisen, dann kann der Schmalbandkanal von dem Scheduler für eine Verwendung
für lange
Pakete gewährt
werden, wobei dies nur die Netzwerkkapazität verbessert. Die Upstream-Bandbreite
bleibt vollständig
benutzt. Wenn eine große Menge
an kurzen Paketen vorhanden ist, dann können die Kabelmodems separaten
Schmalbandträgern
zugewiesen werden und sie können
darauf eingestellt werden. Wenn der Verkehr zu mehr langen Paketen
zurückkehrt,
dann können
die Schmalbandkanäle
wieder für
lange Pakete aufgerufen werden und können die volle Verwendung der Upstream-Bandbreite
aufrechterhalten. Dies erlaubt es, dass das Kabelmodem mehr als
einen Kanal zur Übertragung
von Datenpaketen verwenden kann.
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Mit
anderen Worten, lange Datenpakete können dem Schmalbandkanal zugewiesen
werden, wobei ein robustes und effizientes Burst-Profil verwendet
wird (effizienter als für
die kurzen Pakete). Die Kopfstelle kann auf eine Anforderung für ein langes Datenpaket
mit einer Gewährung
in dem Breitbandkanal antworten, oder wenn ein Defizit an kurzen
Paketen besteht, kann sie den schmalen Kanal benutzen, anstatt diesen
untätig
sein zu lassen.
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Erweiterung,
um mehrere Breitbandkanäle
und mehrere Schmalbandkanäle
zu enthalten
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Wenn
aufgrund eines Mangels an Upstream-Verkehr von langen Datenpaketen
eine Unterbenutzung des Breitbandkanals besteht, dann wird schließlich im äußersten
Fall nur ein einziger Breitbandkanal in dem gesamten Upstream-Band vorhanden
sein, um alle Kabelmodems zu versorgen. Diese Kanalisierung der
gesamten Upstream-Bandbreite zur Versorgung des Verkehrsgemisches,
die das Verhältnis
der Schmalbandkanäle
zu den Breitbandkanälen
variiert, stellt ähnlich
wie das "statistische
Multiplexing" Vorteile
gegenüber
den vorgeschlagenen niedrigen Symbolratenkonfigurationen bereit.
Die Konfigurationen, die eine Vielfalt von niedrigen Symbolratenwellenformen
benutzen, weisen oder "ordnen" jedes Kabelmodem
einem gegebenen Träger,
wahrscheinlich einem Breitband, zu. Die Anzahl von solchen Kabelmodems,
die einem gegebenen Träger
zugewiesen werden, wird von dem Verkehr abhängen, aber für eine gegebene
Anzahl wird es Zeiten geben (gemäß traditionellen
Verkehrs- und Multiplexing-Analysen), in denen es einen Rückstau in
den zusammengesetzten Warteschlangen gibt. Mit der hohen Kapazität des Breitbandkanals
wird diese Warteschlange so schnell wie möglich entleert. Aber es gibt
immer noch eine feste Anzahl von Benutzern, die einen festgelegten
einzelnen Breitbandkanal gemeinsam nutzen (höchstens 6,4 MHz).
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Mit
der vorliegenden Erfindung kann ein Satz von Benutzern eine größere Bandbreite
als die des breitesten Kanals gemeinsam benutzen. Zum Beispiel kann
die doppelte Anzahl von Benutzern einen Breitbandkanal gemeinsam
benutzen und kann unter mehreren Schmalbandkanälen aufgeteilt werden, die gleich
der Bandbreite eines anderen Breitbandkanals sind. Obwohl bei diesem
Szenario nur ein Breitbandkanal für die doppelte Anzahl von Benutzern
zur Verfügung
steht, steht immer noch doppelt soviel Bandbreite für diesen
Satz von Benutzern zur Verfügung. Dieses
Verdoppeln der gepoolten Bandbreite, die von der doppelten Anzahl
von gepoolten Benutzern gemeinsam genutzt wird, ist heuristisch
die Schlüsselkomponente
in dem Argument für
den Nutzen des statistischen Multiplexing – größere Pools von Benutzern, die
größere Beträge an Bandbreite
gemeinsam benutzen, führen
zu einer besseren Netzwerkperformanz.
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Wie
vorher erwähnt
worden ist, gibt es mindestens zwei Verfahren zur Durchführung von
mehreren Kanalinitialisierungen eines Kabelmodems. Das erste Verfahren
erlaubt wenigstens zwei unterschiedliche Techniken (Methode 1A und
Methode 1B), die verwendet werden können, um ein Einträger-Kabelmodem
mehreren Kanälen
zuzuordnen. Die erste Technik (Methode 1A) erfordert eine Änderung
bei dem Kabelmodem, das DOCSIS-konform ist, während die zweite Technik (Methode
1B) eine Modifikation der DOCSIS-Spezifikation einschließt.
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9 veranschaulicht
den Initialisierungsprozess, der auf die erste Technik (Verfahren
1A) anwendbar ist, um den Gesamtfluss zwischen den Stufen der Initialisierung
eines Kabelmodems auf mehreren Kanälen und der Kopfstelle, die
die Datenpakete speziellen Kanälen
zur Übertragung
zuweist, zu erhalten. Aber die anderen Verfahren könnten dem gleichen
Modell folgen. Der Block 900 stellt den ersten Schritt
in dem Prozess dar, in dem das Kabelmodem nach einem Downstream-Kanal
scannt. Dies tritt nicht nur während
der Initialisierung auf, sondern auch dann, wenn ein Verlust eines
Signals besteht. Bei der Initialisierung eines Kabelmodems muss
das Kabelmodem einen Downstream-Kanal akquirieren. Außerdem muss
es auch einen nicht-flüchtigen
Speicher aufweisen, in dem die letzten Operationsparameter gespeichert
sind. Das Kabelmodem versucht zuerst, den Downstream-Kanal zu reakquirieren,
den es vorher benutzt hat. Wenn dies fehlschlägt, muss das Kabelmodem damit
beginnen, kontinuierlich die 6 MHz Kanäle des Downstream-Frequenzoperationsbandes
zu scannen, bis ein gültiger Downstream-Kanal
gefunden ist, den es verwenden kann. Das Kabelmodem weiß, dass
ein Kanal gütig ist,
wenn es Folgendes erreicht hat: (1) Synchronisation des QAM Symbol
Timing; (2) Synchronisation des FEC Framing; (3) Synchronisation
der MPEG-Paketisierung; und (4) Erkennung von SYNC Downstream MAC-Nachrichten.
Dieser erste Schritt ist Teil des Standardprozesses, der bei der
Initialisierung eines Kabelmodems verwendet wird. (Siehe DOCSIS
Abschnitt 9.2.1.)
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Block 902 stellt
den zweiten Schritt in dem Prozess dar, in dem das Kabelmodem Übertragungsparameter
erhält.
Wenn das Kabelmodem einen Downstream-Kanal akquiriert hat, muss es auf eine Upstream-Kanal-Deskriptor-(UCD;
upstream channel descriptor)-Nachricht warten. Diese Nachricht wird
von dem CMTS übertragen,
so dass das Kabelmodem einen Satz von Übertragungsparametern für einen
Upstream-Kanal abrufen kann. Das CMTS überträgt periodisch die Parameter
für alle zur
Verfügung
stehenden Upstream-Kanäle.
Das Kabelmodem bestimmt, ob es den Upstream-Kanal aus seinen Kanalbeschreibungsparametern
verwenden kann. Es sammelt alle UCDs, die sich in ihrem Kanal-ID-Feld
unterscheiden, und baut einen Satz von Kanal-IDs, die es verwenden
kann. Nachdem eine geeignete Zeit vergangen ist und das Kabelmodem keinen
Kanal gefunden hat, den es verwenden kann, wird es nach einem anderen
Downstream-Kanal suchen, um dies zu versuchen.
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Auf
der Grundlage der Kanalbeschreibungsparameter bestimmt das Kabelmodem,
ob es den Upstream-Kanal verwenden kann. Wenn es einen Kanal findet,
den es verwenden kann, extrahiert es die Parameter für diesen
Upstream-Kanal aus dem UCD. Danach wartet das Kabelmodem auf die nächste SYNC-Nachricht
und extrahiert den Upstream-Minischlitz-Zeitstempel aus dieser Nachricht.
Nachdem das Kabelmodem ein Bandbreitenzuordnungs-MAP für den ausgewählten Kanal
empfangen hat, kann es damit beginnen, in Übereinstimmung mit der MAC-Operation
in die Upstream-Richtung zu übertragen.
Dieser zweite Schritt ist Teil des Standardprozesses, der bei der
Initialisierung eines Kabelmodems verwendet wird. (siehe DOCSIS
Abschnitt 9.2.2.)
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Block 904 stellt
den dritten Schritt in dem Prozess dar, das Ranging (Bereichserstreckung; Aushandeln
der Kanalqualität),
durchgeführt
in dem Kabelmodem. Das Ranging erlaubt es dem Kabelmodem, den korrekten
Offset zu erwerben, so dass Übertragungen
auf die korrekte Minischlitz-Bereichsgrenze ausgerichtet sind. Der
erste Schritt bei dem Ranging-Prozess ist, dass das Kabelmodem eine Synchronisation
auf den Downstream durchführen muss
und die Upstream-Kanalcharakteristiken durch die UCD-MAC-Managementnachricht
lernen muss. Es scannt die Bandbreitenzuordnungs-MAP-Nachricht,
um einen Anfangs-Betreuungsbereich (Initial Maintenance Region)
zu finden.
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Während des
Ranging-Prozesses wird der Zeitsteuerungs-Offset jedes Kabelmodems
so eingestellt, dass es so erscheint, als ob es direkt neben dem
CMTS angeordnet ist. Dies wird ausgeführt, damit der Betrag der internen
festen Verzögerung äquivalent
ist zu dem Anordnen des Kabelmodems neben dem CMTS. Dieser Betrag
umfasst nicht nur die Verzögerungen,
die durch eine bestimmte Implementierung eingeführt werden, sondern umfasst
auch die Downstream-PHY-Verschachtelungs-Latenzzeit.
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Wenn
die Anfangs-Betreuungs-Übertragungsgelegenheit
auftritt, sendet das Kabelmodem eine Ranging-Anforderungsnachricht
(ranging request message). Aufgrund des Zeitsteuerungs-Offsets sieht
es so aus, als ob das Kabelmodem die Nachricht so sendet, als ob
es sich physikalisch an dem CMTS befinden würde. Eine Ranging-Rückantwortnachricht
(return ranging response message) wird an das Kabelmodem gesendet,
wenn das CMTS die Ranging-Nachricht erfolgreich empfängt. In
der Ranging-Antwortnachricht ist eine temporäre SID enthalten, die dem Kabelmodem
zugewiesen wird, bis das Kabelmodem den Registrierungsprozess vollendet
hat (was unter Bezugnahme auf Block 912 diskutiert wird),
sowie auch Informationen bezüglich der
HF-Leistungspegeleinstellung, Offset-Frequenzeinstellungen und alle
Zeitsteuerungs-Offset-Berichtigungen.
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Nun
wartet das Kabelmodem auf einen individuellen Stations-Betreuungsbereich
(Station Maintenance Region), der seiner temporären SID zugewiesen ist. Das
Kabelmodem muss dann zu diesem Zeitpunkt eine Ranging-Anforderungsnachricht
unter Verwendung der temporären
SID zusammen mit allen Leistungspegel- und Zeitsteuerungs-Offset-Berichtigungen übertragen.
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Das
CMTS sendet dann eine andere Ranging-Antwortnachricht an das Kabelmodem
zurück mit
allen zusätzlichen
Feineinstellungen, die notwendig sind. Die Ranging-Anforderungs-/-Antwortschritte werden
wiederholt, bis eine Mitteilung empfangen wird, dass das Ranging
erfolgreich war. Wenn dies eingetreten ist, schließt sich
das Kabelmodem dem normalen Datenverkehr in dem Upstream an. Dieser dritte
Schritt ist Teil des Standardprozesses, der bei der Initialisierung
eines Kabelmodems verwendet wird. (siehe DOCSIS Abschnitt 7.3.3.)
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Block 906 stellt
den vierten Schritt in dem Prozess dar, in dem das Kabelmodem eine
IP-Konnektivität
aufbaut. Das Kabelmodem ruft DHCP-Mechanismen auf, um eine IP-Adresse
und alle anderen Parameter zu bekommen, die notwendig sind, um eine
IP-Konnektivität
zu errichten. Die DHCP-Antwort muss den Namen einer Datei enthalten,
die weitere Konfigurationsparameter enthält. Dieser vierte Schritt ist
Teil des Standardprozesses, der zur Initialisierung eines Kabelmodems
verwendet wird. (Siehe DOCSIS Abschnitt 9.2.5.)
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Block 908 stellt
den fünften
Schritt in dem Prozess dar, in dem das Kabelmodem die Tageszeit einrichtet.
Es ist sowohl für
das Kabelmodem als auch für
das CMTS wichtig, das augenblickliche Datum und die augenblickliche
Zeit zu haben. Dies ermöglicht
Zeitstempel-protokollierte Ereignisse, die von dem Managementsystem
abgerufen werden können.
Es besteht keine Notwendigkeit für
die Authentifizierung, und die Zeit muss nur auf die nächste Sekunde
genau sein. Dieser fünfte
Schritt ist Teil des Standardprozesses, der bei der Initialisierung
eines Kabelmodems verwendet wird. (Siehe DOCSIS Abschnitt 9.2.6.)
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Block 910 stellt
den sechsten Schritt in dem Prozess dar, den Transfer von Betriebsparametern. Wenn
das DHCP erfolgreich ist, lädt
das Kabelmodem die Parameterdatei unter Verwendung von TFTP herunter.
Wenn ein Kabelmodem eine Konfigurationsdatei herunterlädt, die
einen Upstream-Kanal und/oder eine Downstream-Frequenz enthält, die
anders sind als diejenigen, die es augenblicklich verwendet, muss
das Kabelmodem nun eine Registrierungsanforderung an das CMTS senden.
Dann muss es das anfängliche
Ranging unter Verwendung des konfigurierten Upstream-Kanals und/oder
der konfigurierten Downstream-Frequenz erneut durchführen. Dieser
sechste Schritt ist Teil des Standardprozesses, der bei der Initialisierung
eines Kabelmodems verwendet wird. (Siehe DOCSIS Abschnitt 9.2.7.)
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Nun
wird Bezug auf Block 910 genommen. Wenn die Parameter bei
dem Kabelmodem während der
Initialisierung oder einer späteren
Rücksetzung empfangen
werden, werden sie unter der Steuerung der CPU 267 auf
Bus 265 zum RAM 268 transferiert, wobei jeder
Parameter in einem IUC abgebildet wird. Wenn dem Kabelmodem eine
Bandbreite gewährt wird,
werden die Parameter aus dem RAM 268 unter Verwendung des
IUC in der Gewährung
abgerufen. Durch Hinweis auf die Offenbarung der Anmeldung mit dem
Aktenzeichen Nr. 09/574,558 wird diese hier vollständig eingefügt. Unter
Bezugnahme auf diese Anmeldung wird der Zeitsteuerungseinstellungsparameter
in den Zeitsteuerungs-Offset-Detektor 38 geladen, wie in 6A veranschaulicht ist, der Leistungseinstellungsparameter
wird dem Leistungsverstärker 272 zu
Verstärkungsregelungszwecken
zugeführt, wie
in 5B veranschaulicht ist, der Kanalparameter
wird dem HF-Tuner 260 zugeführt, um den spezifizierten
Kanal auszuwählen,
und die Burst-Profilparameter werden zu den Registern 562 transferiert, um
die Operation der physikalischen Schicht zu optimieren, wie dies
in 65 veranschaulicht ist.
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Block 912 stellt
den siebten Schritt in dem Prozess dar, den Registrierungsprozess,
der für
das Kabelmodem erforderlich ist. Wenn das Kabelmodem initialisiert und
konfiguriert ist, muss es eine Erlaubnis erhalten, Verkehr in das
Netzwerk weiterleiten zu dürfen.
Das Kabelmodem wird über
die Registrierung dazu autorisiert, Verkehr in das Netzwerk einzuleiten.
Um sich bei einem CMTS zu registrieren, muss das Kabelmodem seine
konfigurierte Dienstklasse (class of service) und alle anderen Operationsparameter
in der Konfigurationsdatei an das CMTS als einen Teil einer Registrierungsanforderung weiterleiten.
Die Konfigurationsparameter, die zu dem Kabelmodem heruntergeladen
werden, müssen ein
Netzzugangs-Kontrollobjekt enthalten. Wenn dieses auf "kein Weiterleiten" eingestellt ist,
darf das Kabelmodem keine Daten von dem angeschlossenen CPE zu dem
Netz weiterleiten, aber das Kabelmodem muss dennoch auf die Netzwerkmanagementanforderungen
antworten. Dies erlaubt es dem Kabelmodem, auf eine Weise konfiguriert
zu werden, in der es zwar verwaltet werden kann, aber keine Daten weiterleiten
wird. Dieser siebte Schritt ist Teil des Standardprozesses, der
bei der Initialisierung eines Kabelmodems verwendet wird. (Siehe
DOCSIS Abschnitt 9.2.8.)
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Wie
vorher angegeben wurde, stellen die Blöcke 900–912 die
ersten sieben Schritte des Standardprozesses dar, der im Augenblick
im DOCSIS-Standard zur Kabelmodeminitialisierung durchgeführt wird.
Er ordnet ein Einträger-Kabelmodem nur
einem Kanal zu. Wie vorher diskutiert worden ist, kann ein Einträger-Kabelmodem
auch auf mehreren Kanälen
verwendet werden.
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Block 914 stellt
den achten Schritt in dem Prozess dar, in dem das Kabelmodem die
Kopfstelle von seiner Mehrkanalfähigkeit
informiert. Das Kabelmodem zeigt der Kopfstelle an, dass es auf
mehr als einem Kanal initialisiert werden kann und zeigt auch an,
auf wie vielen zusätzlichen
Kanälen
es initialisiert werden kann. Wie vorher erwähnt worden ist, erfordert die
erste Technik (Methode 1A) eine Änderung bei
dem Kabelmodem, das DOCSIS-konform ist. Während des Herstellungsprozesses
des Kabelmodems kann es mit händlerspezifischen
Informationen zur Identifizierung spezieller Fähigkeiten codiert werden, um
die Kopfstelle darüber
zu informieren, dass es auf mehr als einem Kanal initialisiert werden möchte. Dies
wird es dem Kabelmodem erlauben, Anforderungen auf mehr als einem
Kanal zu stellen. Der DOCSIS-Standard erlaubt diesen Typ von Änderung.
(Siehe DOCSIS Abschnitt C.1.1.17.) Das Kabelmodem signalisiert der
Kopfstelle, dass es in diesem Modus arbeiten will.
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Das
Kabelmodem geht durch den Standardinitialisierungsprozess bis zu
dem Registrierungsprozess. Nachdem das Kabelmodem den Registrierungsschritt
vollendet hat, der in dem Block 912 angezeigt ist, signalisiert
es der Kopfstelle unter Verwendung der "händlerspezifischen
Informationen", die
im DOCSIS bereitgestellt werden, dass es wünscht, auf zusätzliche
Kanäle
eingestellt zu werden.
-
Wie
vorher erwähnt
worden ist, umfasst die zweite Technik (Methode 1B) eine Modifikation
der DOCSIS-Spezifikation. (Siehe DOCSIS Abschnitt C.1.3.1.) Während des
Registrierungsprozesses von Block 912 sendet das Kabelmodem
eine Nachricht an das CMTS und fordert die Initialisierung auf wenigstens
einem Kanal mehr an. Dies erfordert das Hinzufügen eines zusätzlichen
Byte zu der Registrierungsnachricht. Das Hinzufügen des Byte wird keine Last
auf der Bandbreite schaffen, weil dies während des Registrierungsprozesses
auftritt. Das zusätzliche Byte
ist eine neues Untertypenfeld, das das Kabelmodem in die Lage versetzt,
auf mehreren Kanälen
zu arbeiten.
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Block 916 stellt
den neunten Schritt in dem Prozess dar, in dem die Kopfstelle eine
auf Benutzer gerichtete Mitteilungsübermittlung benutzt, um das Kabelmodem
zu instruieren, sich auf einen oder mehrere zusätzliche Kanäle einzustellen. Die Kopfstelle sendet
eine Bestätigungsnachricht
zurück
zu dem Kabelmodem und bestätigt
die Anforderung, auf zusätzlichen
Kanälen
initialisiert zu werden, zusammen mit Befehlen für das Kabelmodem, auf welchem
zusätzlichen
Kanal oder welchen zusätzlichen
Kanälen es
initialisieren soll.
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Block 920 stellt
den zehnten Schritt in dem Prozess dar, in dem das Kabelmodem auf
die zusätzlichen
Kanäle
eingestellt wird. Block 920 wiederholt die gleiche Prozedur,
wie sie oben unter Bezugnahme auf Block 904 beschrieben
worden ist.
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Block 922 stellt
den letzten Schritt in dem Prozess zur Initialisierung des Kabelmodems
dar, die Initialisierung der Baseline Privacy. Nachdem die Registrierung
vollendet ist und das Kabelmodem auf mehreren Kanälen initialisiert
ist, und wenn das Kabelmodem so ausgestattet ist, dass es die Baseline Privacy
betreibt, muss das Kabelmodem Baseline Privacy Operationen initialisieren.
Ein Kabelmodem ist damit ausgestattet, eine Baseline Privacy zu
betreiben, wenn seine Konfigurationsdatei eine Konfigurationseinstellung
für die
Baseline Privacy umfasst und wenn der Privacy-Freigabeparameter auf Aktivieren eingestellt
ist. Dieser letzte Schritt ist Teil des Standardprozesses, der bei
der Initialisierung eines Kabelmodems verwendet wird. (Siehe DOCSIS
Abschnitt 9.2.9.)
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Anforderung
in Bytes
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Mit
der oben beschriebenen ersten Methode weiß das CMTS nicht, wie viele
Informationsbytes das Kabelmodem tatsächlich für eine bestimmte Gewährung anfordert.
Das Kabelmodem weiß auf
der Grundlage von Regeln in dem DOCSIS-Standard für einen bestimmten Informationstransfer,
welches Burst-Profil es verwenden soll und stellt dann die Anforderung
in Form von Minischlitzen. Der DOCSIS-Standard gibt dem Kabelmodem einen Satz
von Burst-Profilen, und das Kabelmodem entscheidet, welches davon
für die
spezielle Gewährung
benötigt wird,
die das Kabelmodem anfordert. Das Kabelmodem teilt dem CMTS nicht
mit, welche Informationen es zu übertragen
wünscht.
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Mit
der zweiten Methode werden Anforderungen in Bytes gestellt. Verschiedene
Ebenen von Komplexität
der ersten Technik (Methode 1A) gelten hier auch für die zweite
Methode. Eine adäquate
Robustheit und Kanalverwendung wird über den Scheduler erhalten,
wenn die Anforderungen in Bytes gestellt werden. Dies ist eher aufgrund
der Effizienz der Kanalverwendung geeignet, das Scheduling ist flexibler.
Auch die physikalische Schicht wird effizienter verwendet, weil
nun die Kopfstelle alle Informationen besitzt, sie sieht die verschiedenen
Kanalanforderungen, und somit kann sie Burst-Profilbeurteilungen treffen.
Das Kabelmodem kann dort, wo die Anforderung zu der Kopfstelle gekommen
ist, während
die Anforderung darauf wartet, gewährt zu werden, sich dynamisch ändernde
Bedingungen aufweisen, es gibt einen Störburst, und die Kopfstelle
weiß davon, aber
das Kabelmodem kann immer noch kommunizieren, wenn es mit einem
ausreichend robusten Profil versehen worden ist. Die Kopfstelle
kann alternative Burst-Profilparameter verwenden und kann dann dem
Kabelmodem die Gewährung
für das
Informationspaket geben, das dieses immer noch übertragen will.
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Veranschaulichendes Beispiel
eines Zeit- und Frequenzbereichs, der ein einzelnes Kabelmodem verwendet
-
Hierbei
wird entweder die erste Methode, Anforderung in Minischlitzen, oder
die zweite Methode, Anforderung in Bytes, verwendet. 10 veranschaulicht
einen Zeit- und Frequenzbereich, der mit einem Kabelmodem verwendet
wird, das die Technik implementiert, die von dieser Erfindung benutzt
werden. Die Kopfstelle kann auf eine Weise, die ausgeklügelt genug
ist, damit ein gegebenes Kabelmodem keine sich überlappenden Gewährungen
auf den beiden Kanälen
erhält,
kurze Datenpakete für
einen Träger
gewähren,
der einen schmalen Kanal benutzt, und längere Datenpakete für einen
anderen Träger gewähren, der
einen breiten Kanal benutzt. Die Performanz von kurzen Bursts in
einer Impulsrauschumgebung wird verbessert.
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Die Erfindung ist nicht
auf Kabelmedien beschränkt
-
Nun
wird für
eine Beschreibung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung
Bezug auf die 12 und 13 genommen.
In diesem Ausführungsbeispiel
gibt es drahtlose Übertragungsverknüpfungen
zwischen Haushalten 14 und einem HFC-Netzwerk 1010.
Jeder der Haushalte 14 ist mit einem Hochfrequenzmodem
(HFM) 2000 ausgestattet. Eine Basisstation 2002 steht
in einem drahtlosen HF-Kontakt
mit dem HFM 2000. Die drahtlose Architektur ist einem Funktelefonsystem ähnlich.
Die Basisstation 2002 ist über eine Faser 2004 mit
einem CMTS-Verteiler 2006 verbunden. Der Verteiler 2006 ist
Teil des HFC-Netzwerks 1010. Ansonsten sind die Komponenten
in den 12 und 13 identisch
zu denjenigen und tragen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen,
die in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben worden sind. Wie in 12 veranschaulicht
ist, kann der CMTS-Verteiler 2006 in
das gleiche Kabelsystem integriert sein, das auch Kabelmodems dient,
die über
eine Faser mit dem Verteiler 22 verbunden sind. Somit können Upstream- und/oder
Downstream-Kanäle
in einem Haushalt installiert werden, ohne dass physisch Kabel über die ganze
Strecke zu dem Haushalt verlegt werden müssen. Falls gewünscht, könnte aufgrund
der großen Bandbreitenanforderung
der Downstream-Kanal eine Faser sein, und der Upstream-Kanal könnte drahtlos sein,
weil es dort eine kleinere Bandbreitenanforderung gibt.
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Vorher beschriebene veranschaulichende
Ausführungsbeispiele
sind nicht beschränkend
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Es
ist selbstverständlich,
dass die beispielhafte Datenpaketfragmentierung, die hier beschrieben
worden ist, nur im Augenblick erwünschte Ausführungsbeispiele der Erfindung
darstellt. In der Tat können
verschiedene Modifikationen und Hinzufügungen bei solchen Ausführungsbeispielen
vorgenommen werden, ohne dass vom Schutzbereich der Erfindung abgewichen
wird. Zum Beispiel brauchen Anforderung zur Übertragung von Daten von Kabelmodems
nicht von dem Kabelmodem-Terminierungssystem empfangen werden, und
das MAP muss nicht von dem Kabelmodem-Terminierungssystem generiert
werden; Anforderungen können
auch von einer autonomen Vorrichtung empfangen werden, die unabhängig von
dem Kabelmodem-Terminierungssystem
arbeitet, und die MAPs können
von dieser oder einer anderen autonomen Vorrichtung generiert werden.
Somit können
diese und andere Modifikationen und Hinzufügungen den Fachleuten auf diesem
Gebiet offensichtlich sein und können
implementiert werden, um die vorliegende Erfindung zur Verwendung
in einer Vielfalt von unterschiedlichen Anwendungen anzupassen.
Die beschriebene Fragmentierungsfähigkeit kann in den Kabelmodems
auf einer selektiven Basis aktiviert oder deaktiviert werden. Speziell
dann, wenn ein Kabelmodem eine Registrierungsnachricht an das CMTS
zu dem Zeitpunkt überträgt, an dem
das Kabelmodem einen Dienst beginnt, umfasst die Bestätigungsantwort
des CMTS ein Signal, das die Fragmentierung entweder aktiviert oder deaktiviert.
Wenn die Fragmentierung aktiviert ist, arbeiten das Kabelmodem und
das CMTS wie oben beschrieben, um die Daten zu fragmentieren, die upstream übertragen
werden sollen. Wenn die Fragmentierung deaktiviert ist, überträgt das Kabelmodem
nur Daten an die Kopfstelle, wenn der gewährte Betrag an Bandbreite gleich
oder größer als
die Bandbreite ist, die für
die Übertragung
der Daten benötigt
wird. Alternativ dazu überträgt das CMTS, wenn
die Fragmentierung deaktiviert ist, nur dann eine Gewährung, wenn
die angeforderte Bandbreite gleich oder kleiner als die Bandbreite
ist, die für
die Übertragung
zu der Kopfstelle zur Verfügung
steht.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele der
Erfindung werden nur als bevorzugt und veranschaulichend für das erfinderische
Konzept in Betracht gezogen; der Schutzumfang der Erfindung soll nicht
auf solche Ausführungsbeispiele
beschränkt sein.