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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Empfangseinrichtung für
ein synchrones Mehrpunkt-zu-Punkt CDMA Netzwerk gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Synchronisationsverfahren für ein synchrones
Mehrpunkt-zu-Punkt CDMA Netzwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
2.
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Mehrpunkt-zu-Punkt CDMA Netzwerke
werden zunehmend zur Realisierung von Rückkanälen in interaktiven Kommunikationsnetzen
eingesetzt. Interaktive Kommunikationsnetze sind beispielsweise als
sog. HFC-Netze oder HFR-Netze ausgeführt; HFC=Hybrid Fibre Coax,
HFR=Hybrid Fibre Radio. Für
den Vorwärtskanal
wird ein Punkt-zu-Mehrpunkt Netzwerk verwendet, das einen optischer
Zubringer plus ein daran anschließendes Koaxialkabelnetz bzw.
Funknetz beinhaltet. Für
den Rückkanal
wird zunehmend ein Mehrpunkt-zu-Punkt Netzwerk, z.B. ein CDMA Netzwerk
verwendet, das optisch, elektrisch oder als Funknetz sowie in Mischformen
ausgebildet werden kann; CDMA=Code Division Multiple Access.
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Bei einem synchronen CDMA-Netzwerk
mit einer Zentrale und einer Vielzahl von Endstellen kommt hinzu,
daß die
Endstellen auf den Takt (master clock) der Zentrale in Frequenz
und Phase synchronisiert werden müssen. Der Takt der Zentrale wird über den
Vorwärtskanal
zu den Endstellen übertragen,
die jeweils mittels einer PLL (Phase Locked Loop) eine Frequenzsynchronisation
durchführen und
eine Phasensynchronisation mit Phasenkorrektur, um ihren individuellen
Takt zu generieren. Zur Aufsynchronisation sendet jede Endstelle
ein Synchronisationssignal über
den Rückkanal
des CDMA Mehrpunkt-zu-Punkt Netzwerks zur Zentrale.
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Aus WO97/08861 A1 ist ein Synchronisationsverfahren
bekannt, bei dem Synchronisationssignale CDMA kodiert zur Zentrale
gesendet werden. Der Rückkanal
ist dabei zeitlich aufgeteilt in einen ersten Bereich, der für die Übermittlung
von Informationssignalen reserviert ist und einen zweiten Bereich,
der für
die Übermittlung
von Synchronisationssignalen reserviert ist. Der zweite Bereich
steht somit nicht zur Informationsübermittlung zur Verfügung, wodurch
die vorhandene Übertragungskapazität nicht
optimal ausgenutzt wird.
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US 5,715,521 A1 offenbart ein System, bei dem
für eine
Telekommunikationsverbindung von einer ersten zu einer zweiten Station
für die
gesamte Dauer der Verbindung zwei CDMA-Kodes benötigt werden. Ein CDMA-Kode
ist für
die Synchronisation erforderlich, ein weiterer für die Daten.
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GB 2 282 300 A offenbart ein Punkt-zu-Mehrpunkt
System. Daten werden von einer Basisstation (base station) zu mehreren
Empfängern
(receiver stations) übertragen.
Für die
Ubertragung von Daten wird für
jeden Empfänger
ein CDMA-Kode verwendet. Zusätzlich
wird ein CDMA-Kode für
alle Empfänger
gemeinsam für
die Übertragung
eines Synchronisationssignals verwendet. Alle Empfänger synchronisieren
sich somit mittels des einen Synchronisationssignals und erhalten
die Daten kodiert mit einem individuellen CDMA-Kommunikations-Kode.
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US
4,641,322 offenbart ein System, bei dem in jedem Sender
ein CDMAkodiertes Synchronisationssignal und ein CDMA-kodiertes
Datensignal erzeugt wird, die beide überlagert werden ünd gemeinsam
ausgesandt werden. Für
Synchronisation und Daten werden verschiedene CDMA-Kodes verwendet,
deren Längen
gleich sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Synchronisationsverfahren bereitzustellen, das den Einfluß auf die
Informationsübermittlung
minimiert.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch
eine Empfangseinrichtung gemäß Patentanspruch
1 sowie ein Synchronisationsverfahren gemäß Patentanspruch 2.
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Anstelle einer zeitlichen Schachtelung
von Informations- und Synchronisationssignalen wird eine gleichzeitige
Aussendung vorgeschlagen, bei der die Synchronisationssignale den
Informationssignalen überlagert
werden. Die Synchronisationssignale werden mit einem speziellen
Synchronisations-Kode kodiert, der nicht dem CDMA-Kommunikations-Kode
der Informationssignale entspricht. Zudem werden die Synchronisationsignale
mit einer im Vergleich zu den Informationsignalen geringeren Amplitude
ausgesandt, um die Übertragung
der Informationssignale nicht übermäßig zu stören. Auf
der Empfangsseite werden die Synchronisationssignale durch Korrelation
und anschließender
Akkumulation detektiert. Durch dieses Verfahren wird die Übertragungskapazität für die Informationssignale
maximiert. Es sind nun keine zeitlichen Lücken/Bereiche im Rückkanal
mehr vorhanden; die Informationssignale können kontinuierlich ausgesandt
werden. Zudem wird die Aufsynchronisationszeit dadurch verringert,
daß erstens
keine zeitlliche Lücke/Bereich
mehr abgewartet werden muß,
in der/dem die Übertragung der
Synchronisationsignale zwingend erfolgen mußte, sondern die Synchronisationssignale
können
nun jederzeit ausgesandt werden. Zudem können adaptive Kollisionsauflösungsverfahren
unter Einbeziehung der geschätzten
Anzahl kollidierender Endstellen verwendet werden.
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Zweitens wird durch die Verwendung
eines speziellen Synchronisations-Kodes, der wesentlich kürzer als
der CDMA-Kommunikations-Kode ist, der Hardware-Aufwand für die Detektion
der Synchronisationsignale reduziert.
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Durch den Wegfall der Rahmenstruktur
im Rückkanal
wird des weiteren die Realiserung des gesamten Netzwerks aufgrund
des Wegfalls einiger Schaltungselemente, z.B. Steuereinheit, etc.
vereinfacht. Es kann eine für
die Informationsübertragung vorteilhafte
Struktur gewählt
werden.
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Die negative Beeinflussung der Informationssignale
durch die Synchronisationssignale kann durch eine Regelung der Signalpegel,
z.B. online unter Berücksichtigung
der tatsächlichen
Signal-zu-Rausch Verhältnisse
minimiert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
den abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Zuhilfenahme einer Figur erläutert. Die Figur zeigt eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen CDMA Mehrpunkt-zu-Punkt Netzwerks.
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Das CDMA Mehrpunkt-zu-Punkt Netzwerk NET
stellt den Teil eines interaktiven Kommunikationsnetzes dar, der
für die
Implementierung des Rückkanals
vorgesehen ist. Für
den Vorwärtskanal des
interaktiven Kommunikationsnetzes, der für die Übertragung von breitbandigen
Informationen, wie z.B. Fersehsignale, Videosignale, Steuersignale,
von einer Zentrale ro mehreren Endstellen vorgesehen ist, ist aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
keine schematische Darstellung erfolgt. Der Vorwärtskanal kann beispielsweise
durch ein hybrides Netzwerk implementiert werden, das ausgehend
von der Zentrale die Endstellen über
ein Verteilnetz aus optischen Glasfaserleitungen und optischen Splittern
miteinander zu einem Punkt-zu-Mehrpunkt Netzwerk verknüpft. Anstelle
von optischen Leitungen können
auch elektrische verwendet werden oder ein Funknetz sowie eine Mischform
aus den vorgenannten. An den Übergangsstellen
werden sog. ONU, BONT oder BS verwendet; ONU=Optical Network Unit,
BONT=Broadband Optical Network Termination, BS=Base Station.
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Anstelle zweier separater Netzwerke
für den Vorwärtskanal
und den Rückkanal
kann auch ein und dasselbe physikalische Netzwerk sowohl für den Vorwärts- als
auch den Rückkanal
verwendet werden. Dann ist das Netzwerk beispielsweise aus optischen Leitungen
aufgebaut, wobei für
den Vorwärtskanal üblicherweise
eine andere Wellenlänge
verwendet wird als für
den Rückkanal.
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Das CDMA Mehrpunkt-zu-Punkt Netzwerk NET
stellt somit eine Möglichkeit
einer Implementierung eines Rückkanals
eines interaktiven Kommunikationsnetzes dar. Das CDMA Mehrpunkt-zu-Punkt Netzwerk
NET beinhaltet eine Zentrale 1, die über optische Glasfaserleitungen
und einem optischen Kombiner 6 mit im Ausführungsbeispiel
vier Endstellen 2, 3, 4, 5,
in realen Netzwerken beispielsweise mit eintausend Endstellen verbunden
ist.
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Die Zentrale 1, die üblicherweise
auch als Head End bezeichnet wird, beinhaltet eine Empfangseinrichtung 10,
die dem Empfang der von den Endstellen 2, 3, 4, 5 ausgesandten
Informationssignalen, z.B. Anforderungssignale zur Übermittlung von
Videofilmen, sog. Video-on-demand,
oder web pages aus dem Internet, und der von den Endstellen 2, 3, 4, 5 ausgesandten
Synchronisationssignalen dient. Die Zentrale 1 beinhaltet
des weiteren eine Steuereinheit 13, die die Verarbeitung
der empfangenen Signale übernimmt.
Die Steuereinheit 13 ist beispielsweise als Prozessor plus
Speicher, Register, etc. ausgeführt.
Die Steuereinheit 13 hat eine Schnittstelle zu einer nicht
dargestellten Sendeeinheit, die Informationssignale im Vorwärtskanal überträgt sowie
ggf. weitere Schnittstellen, z.B. zu einer Fernsehanstalt für einen
Zugang zu Fernsehsignalen, zu einem Internet-Serviceprovider für einen
Zugang zum Internet, zu einem Video-Server für einen Zugang zu Videofilmen.
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Die Empfangseinrichtung 10 der
Zentrale 1 ist für
ein synchrones Mehrpunkt-zu-Punkt CDMA Netzwerk NET ausgelegt und
beinhaltet dementsprechend eine Einheit 15 zum Empfang
und zur Detektion eines CDMA-kodierten Informationssignals und eine
Einheit 11, 12 zum Empfang und zur Detektion eines
Synchronisationssignals. Die Einheit 11, 12 beinhaltet
einen logischen Korrelator 11 zur Korrelation von mindestens
zwei zeitlich nacheinander ausgesandten, identischen Synchronisationssignalen
mit einem Synchronisations-Kode, der kein CDMA-Kommunikations-Kode
ist, und einen Akkumulator 12 zur Akkumulation der korellierten
Synchronisationssignale. Der Signalpegel jedes Synchronisationssignals wird
telemetrisch über
die Zentrale 1 direkt eingestellt. Alternativ gibt die
Zentrale 1 einen maximalen Pegel vor, der nicht überschritten
werden darf, so daß eine
indirekte Einstellung erfolgt. Die Zentrale 1 stellt die
Signalpegel beispielsweise derart ein, daß der Summen-Signalpegel aller
gleichzeitig gesendeten Synchronisationssignale mindestens 10dB
niedriger als der Summen-Signalpegel aller gleichzeitig gesendeten
Informationssignale ist. Die Zentrale mißt dazu alle über den
Rückkanal
empfangenen Signalpegel und errechnet daraus optimierte Signalpegel,
die über
den Vorwärtskanal
zu den Endstellen übertragen
werden. Die Messung mit anschließender Übertragung der erlaubten Signalpegelwerte
erfolgt beispielsweise periodisch in vorgegebenen Zeitschlitzen,
sog. time slots. Das Signal-zu-Rauschverhältnis der in der Zentrale 1 empfangenen
Informationssignale darf durch die Synchronisationsignale nicht
oder nur unwesentlich beeinträchtigt
werden. Das Synchronisationssignal wird im gleichen Übertragungskanal
wie das Informationssignal übertragen.
Des weiteren ist eine Einheit 14 vorgesehen. Sie enthält beispielsweise
einen Optisch/Elektrisch Umsetzer zum Umsetzen der empfangenen optischen
Signale in elektrische zur weiteren elektrischen Verarbeitung. Die
elektrischen Signale durchlaufen ggf. einen Verstärker, einen
Filter, einen Entzerrer etc. Die so modifizierten Signale werden
anschließend
der Einheit 15 und der Einheit 11 bzw. 12 zugeführt.
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Die Endstellen 2, 3, 4, 5 werden üblicherweise
auch als Set-Top Unit, Set-Top
Box, Decoder, Modem, ADSL Modem oder XDSL Modem bezeichnet. Jede
Endstelle 2, 3, 4, 5 beinhaltet
eine Sendeeinrichtung 20, die der Aussendung der von der
entsprechenden Endstelle 2, 3, 4, 5 generierten
Informationssignale, z.B. Anforderungssignale zur Übermittlung
von Videofilmen, sog. Video-on-demand, oder web pages aus dem Internet,
und der von der entsprechenden Endstelle 2, 3, 4, 5 generierten
Synchronisationssignale zur Anmeldung und Aufsynchronisation bei
der Zentrale 1 dient. Jede Endstelle 2, 3, 4, 5 beinhaltet
des weiteren eine nicht dargestellte Steuereinheit, die die Verarbeitung
der über den
Vorwärtskanal
empfangenen Signale übernimmt. Die
Steuereinheit ist beispielsweise als Prozessor plus Speicher, Register,
etc. ausgeführt.
Die Steuereinheit hat beipielsweise eine Infrarot-Schnittstelle zum
Empfang von über
eine Fernbedienung ausgesandten Anforderungsignalen eines Teilnehmers
und eine Schnittstelle zu einem Fernsehgerät und/oder einen Computer zur
Darstellung der über
den Vorwärtskanal
empfangenen Informationen.
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Die Sendeeinrichtung 20 der
Endstelle 2 ist für
ein synchrones Mehrpunkt-zu-Punkt
CDAAA Netzwerk NET ausgelegt. Die Sendeeinrichtung 20 beinhaltend
eine Einheit 23 zur Generierung eines CDMA-kodierten Informationssignals
sowie eine Einheit 21 zur Generierung eines Synchronisationssignals.
Die Kodierung des Synchronisationssignals erfolgt mittels eines
Synchronisations-Kodes, der kein CDMA-Kommunikations-Kode ist. Der Signalpegel des
Synchronisationssignals ist in der Regel wesentlich niedriger, mindestens
10dB, z.B. 20dB niedriger als der Summen-Signalpegel der Informationssignale der
aktiven Endstellen 2, 3, 4, 5.
Die Signalleistung des Synchronisationssignals kann dynamisch variert werden,
z.B. adaptiv in Abhängigkeit
von der Anzahl der sich gleichzeitig aufsynchronisierenden Endstellen.
Die Signalleistung wird so gewählt,
daß die
Summe der Signalleistungen aller sich aufsynchronisierenden Endstellen
die Informationsübertragung
nicht beeinträchtigt.
Das Synchronisationssignal kann Steuersignale, wie z.B. Start der
Synchronisation, Anzahl der zu sendenden Signale, Sendeleistung, Kollisionsauflösungssignale
beinhalten. Die Zentrale 1 kann dann z.B. die Sendeleistung
für die
nachfolgend auszusendenden Synchronisationssignale telemetrisch über den
Vorwärtskanal
vorgeben. Das Synchronisationssignal wird im gleichen Übertragungskanal
wie das Informationssignal ausgesandt. Des weiteren ist eine Einheit 22 vorgesehen.
Die Einheit 22 beinhaltet beispielsweise einen Elektrisch/Optisch
Umsetzer zur Umsetzung der elektrischen Informations- und Synchronisationssignale
in optische und zur Aussendung der optischen Signale über die
Glasfaserleitung. Die Einheit 22 beinhaltet ggf. einen
Schalter, der verhindert, daß Synchronisationssignale
und Informationssignale gleichzeitig ausgesandt werden. Zur Aufsynchronisation
werden ausschließlich
Synchronisationssignale, während
der Informationsübertragung
ausschließlich
Informationssignale ausgesandt. Alternativ wird anstelle des Schalters
ein Koppler verwendet.
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Im folgenden wird ein Synchronisationsverfahren
für das
synchrone Mehrpunkt-zu-Punkt CDMA Netzwerk NET, das im Ausführungsbeipiel
vier Endstellen 2, 3, 4, 5 und
eine Zentrale 1 beinhaltet, beschrieben.
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Die Endstellen 2, 3, 4, 5,
die bereits aufsynchronisiert sind, senden CDMAkodierte Informationssignale
zur Zentrale 1. Die CDMA Kodierung erfolgt durch orthogonale
Kodes. Jeder Endstelle 2, 3, 4, 5 werden
ein oder mehrere individuelle Kodes zugewiesen, mittels derer sie
ihre Informationen, d.h. zu übertragenden
Daten vor der Aussendung kodiert. Als CDMA Kode kann z.B. ein Extended
Preferentially Phased Gold Kode oder ein Walsh Hadamard Kode, jeweils
mit einer Länge
von 128 chips, verwendet werden.
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Während
nun bereits einige Endstellen, z.B. Endstellen 5 und 4 aufsynchronisiert
sind und kontinuierlich, jeweils mit unterschiedlichen CDMA-Kommunikations-Kodes
in einem vorgegebenen Übertragungskanal
Informationssignale zur Zentrale 1 übertragen, kann sich eine nach
nicht synchronisierte Endstelle, z.B. Endstelle 2 jederzeit
und gleichzeitig zur Übertragung
der Informationssignale aufsynchronisieren, indem sie ein Synchronisationssignal
generiert, das sie zeitlich nacheinander mehrfach an die Zentrale 1 sendet.
Der Signalpegel des Synchronisationssignals ist dabei geringer als
der Signalpegel des von einer Endstelle ausgesandten Informationssignals.
Beispielsweise ist die Summe der Signalpegel der Synchronisationsignale
aller sich aufsynchronisierenden Endstellen um 20dB geringer als
die Summe der Signalpegel der Informationssignale aller Nutzinformation
aussendenden Endstellen. Dadurch wird erreicht, daß die Synchronisationsignale
die Informationsübermittlung
nur in einer vernachlässigbaren
Weise beeinträchtigt.
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Das Synchronisationsignal wird im
gleichen Übertragungskanal
wie das Informationssignal übertragen.
Es sind damit keine Rahmen mehr vorgesehen, in denen zeitliche Bereiche
zur exklusiven Nutzung einer bestimmten Übermittlung vorgesehen sind,
sondern jede Endstelle 2, 3, 4, 5 ist
frei, ihre Synchronisationssignale zu jeder beliebigen Zeit zu senden,
parallel zu gleichzeitig ausgesandten Informationssignalen anderer
Endstellen 2, 3, 4, 5.
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In der Zentrale 1 wird das
empfangene Synchronisationssignal erst durch logische Korrelation 1 1
mit einem Synchronisations-Kode, der kein CDMA-Kommunikations-Kode ist, und anschließender Akkumulation 12 der
korellierten Synchronisationssignale detektiert.
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Als Synchronisations-Kode wird beipielsweise
ein Barker Kode mit einer Länge
von 1 1 chip verwendet. Die Länge
des Synchronisations-Kodes ist damit mindestens um den Faktor fünf kürzer ist
als die Länge
des CDMA-Kommunikations-Kodes.
Dadurch wird erreicht, daß die
Detektion der Synchronisationsignale vereinfacht wird. Zudem wird
die Beeinträchtigung
der Informationsübermittlung
durch den kürzeren
Kode minimiert. Die Generierung eines Synchronisationssignals kann
beispielsweise auf einfache Art und Weise dadurch erfolgen, daß der Barker-Kode
mit einer vorgegebenen Signalleistung ausgesandt wird. Alternativ
kann beispielsweise die Adresse der Endstelle 2, 3, 4, 5 mit
dem Barke Kode moduliert und anschließend ausgesandt werden.
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Der Akkumulator 12 ist beispielsweise
als Register oder Integrator oder dgl. ausgeführt.
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Der logische Korrelator 11 ist
beispielsweise als signglgngepqsstes Filter, ein sogengnntes Matched
Filter, das auf den Synchronisations-Kode, z.B. Barker Kode abgestimmt ist,
ausgeführt. Bei
der Verwendung von kohärenter
Detektion wird zuerst korreliert und anschließend akkumuliert. Bei der Verwendung
von quasi-kohärenter
Detektion wird nach der Akkumulation eine Quadrierung durchgeführt. Bei der
Verwendung von nicht-kohärenter
Detektion wird zuerst korreliert, dann quadriert und anschließend akkumuliert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist die Empfangseinrichtung 10 dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens
zwei logische Korrelatoren und mindestens zwei Akkumulatoren vorgesehen
sind, um mindestens zwei Synchronisationsignale mit unterschiedlichen
zeitlichen Relationen zu den Informationssignalen zu detektieren.
In einem signalangepassten Filter (Matched Filter) können mehrere
logische Korrelatoren integriert sein, jeder Korrelator kann aber
auch als separates signalangepassten Filter (Matched Filter) ausgeführt sein.
Die zusätzliche
Verwendung von unterschiedlichen Synchronisations-Kodes hat den
Vorteil, daß bei
gleichzeitiger Aufsynchronisation unterschiedliche Endstellen 2, 3, 4, 5 schneller
differenziert werden können und
der Synchronisationsprozeß sich
dadurch beschleunigt.
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Nach Detektion des Synchronisationssignals wird
unabhängig
von der Anzahl der verwendeten Synchronisations-Kodes ein Algorithmus
zur Erkennung von Kollisionen gestartet, um gleichzeitige Aufsynchronisationsversuche
mehrerer Endstellen 2, 3, 4, 5 zu
detektieren. Dazu werden mehrere zeitlich gestaffelte logische Korrelatoren
verwendet. Erst wenn eine einzelne Endstelle 2, 3, 4, 5 isoliert
ist, z.B. durch ein im Vorwärtskanal
ausgesandtes Blockierungssignal worauf die Endstellen 2, 3, 4, 5 beispielsweise
gesteuert durch einen Splitting-Algorithmus reagieren, werden die
nachfolgenden Schritte der Synchronisation wie Identifikation, Authentizitätskontrolle,
Kommunikation etc. durchgeführt.