DE19737897C2 - Datenübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungssystem zur digitalen Übertragung von Daten, wozu u. a. auch Sprache gehört.

Aus DE 33 37 648 C2 ist ein dezentrales Datenübertra­ gungsnetz mit zahlreichen verteilt angeordneten Statio­ nen bekannt, bei dem eine direkte Datenübertragung nur zwischen benachbarten Stationen erfolgt. Durch ein spe­ zielles Routing wird der Übertragungsweg von einer Quellstation zu einer Zielstation festgelegt und an­ schließend werden die Daten in beiden Richtungen auf unterschiedlichen Kanälen von Station zu Station wei­ tergeleitet. Dabei senden die Stationen jeweils auf einem Kanal, der nur für die Verbindung genau zweier Stationen verwendet wird. Hierbei ist jedoch eine ent­ sprechend angepaßte Datenrate nötig.

Bei diesem Datenübertragungssystem sind die Stationen mit Relais- und Vermittlungsfunktionen ausge­ stattet und es können nach Bedarf synchrone transpa­ rente Verbindungen nach dem Kanalvermittlungsverfahren zwischen benachbarten Stationen und zwischen Endteilneh­ mern beliebiger Stationen auf-/abgebaut werden. Hierbei erfolgt die Datenübertragung im Zeitmultiplex-Betrieb, wobei zahl­ reiche Kanäle zu einem Rahmen zusammengefaßt sind. Auch hierbei kann die Umsetzung von einem Sendekanal auf einen Empfangskanal erst erfolgen, nachdem das auf dem Em­ pfangskanal ankommende Datenpaket vollständig empfangen wurde.

Ferner ist eine paketweise Datenübertragung zwischen den Stationen eines Datenübertragungsnetzes aus dem Internet bekannt. Hierbei werden Daten zu Paketen ge­ bündelt und diese Pakete werden über den jeweils gün­ stigten Übertragungsweg separat übermittelt. Bei einer solchen Paketübertragung treten erhebliche Verzögerun­ gen auf, die mindestens der für die Übertragung eines Paketes benötigten Zeit entsprechen. Für ein Telefonsy­ stem ist eine solche Paketübertragung wegen der damit verbundenen Verzögerungen ungünstig. Insbesondere bei einem dezentralen Datenübertragungsnetz, bei dem die Übertragung jeweils von Station zu Station erfolgt, würden sich die Verzögerungen entsprechend der Anzahl der an der Übertragung beteiligten Stationen summieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dezentra­ les digitales Datenübertragungssystem zu schaffen, das die Benutzung unterschiedlicher Übertragungskanäle zwischen jeweils zwei Stationen ermöglicht und dabei die Verzögerungen äußerst gering hält.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem zeichnet sich dadurch aus, daß in jeder Station die Umsetzung der empfangenen Signale von den Empfangskanälen auf mindestens einen hiervon verschiedenen Sendekanal sym­ bolweise erfolgt. Dies bedeutet, daß jeder auf einem Empfangskanal ankommende Symbolstrom auf die Sende­ kanäle umgesetzt wird. Hierbei werden gewissermaßen Informationspakete gebildet, die nur aus einem einzigen Symbol bestehen. Ein Symbol ist im einfachsten Fall ein Bit. Es kann aber auch aus einer Mehrzahl von zusammen­ gehörenden Bits bestehen, so wie z. B. ein Buchstaben- Symbol durch 8 Bits repräsentiert wird. Innerhalb eines Subkanals ist während einer Übertragung die Anzahl der Bits pro Symbolstelle konstant. Am Beginn der Übertra­ gung wird in Abhängigkeit von dem erforderlichen oder gewünschten Grad der Übertragungsqualität die Zahl der Bits pro Symbol festgelegt. Die symbolweise Umsetzung bedeutet, daß an jeder Station lediglich eine Verzöge­ rung in der Größenordnung von einer Symbolstelle des Symbolstromes erforderlich ist. Diese Verzögerung hängt damit zusammen, daß eine Synchronisation der Symbol­ folge auf den ankommenden Kanälen und auf den abgehen­ den Kanälen normalerweise nicht vorhanden ist, so daß eine gewisse Wartezeit erforderlich ist, bevor das ab­ gehende Signal in Synchronisation mit den Sendekanälen ausgesandt werden kann. Diese Verzögerung ist jedoch minimal. In der Praxis beträgt sie etwa ein bis zwei Symbolstellen. Die Verzögerung der einzelnen Stationen addieren sich. Wegen der geringen Verzögerung jeder Einzelstation ist die sich ergebende Gesamtverzögerung auf dem Übertragungsweg immer noch akzeptabel.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Übertragungskanäle in Subkanäle aufgeteilt, von denen jeder zur Übertragung eines Symbolstromes geeignet ist, wobei die Symbole aller Subkanäle eines Übertragungskanals zeitsynchron übertragen werden. Dies bedeutet, daß jede Station ankommende Signale in allen Kanälen empfangen kann. Die abgehenden Subkanäle können in einem einzigen oder in wenigen ausgewählten Kanälen konzentriert ausgesendet werden. In jedem Kanal, der aus einer vorgegebenen Anzahl von Subkanälen besteht, werden die Symbolstellen sämtlicher Subkanäle zeit­ synchron übertragen. Jeder Subkanal ist für einen uni­ direktionalen Datenfluß geeignet. Die Daten kommen an der Station in jedem Subkanal des gesamten Kanalsystems in kontinuierlichem Datenstrom an, ohne daß eine Zerle­ gung in "Rahmen" oder "Pakete" erfolgt. Folglich braucht der Datenstrom auch keine Header oder andere Ordnungselemente. Vielmehr wird jedes Symbol des Daten­ stroms nach seinem Empfang innerhalb kürzester Zeit auf den für das Senden ausgewählten Subkanals umgesetzt und in Synchronisation mit dem Sendekanal ausgesendet.

Die Zuteilung der Subkanäle zu einem Übertragungskanal zwischen zwei Stationen erfolgt in der Weise, daß der Übertragungsfrequenzbereich dynamisch dem zu Übertra­ genden Informationsgehalt angepaßt wird. Dies bedeutet, daß die Anzahl der Subkanäle pro Kanal variieren kann.

Vorzugsweise erfolgt die Zuteilung für das Senden vor­ gesehener Kanäle bei einer Station in der Weise, daß alle sendenden Subkanäle dieser Station innerhalb weni­ ger Kanäle liegen. Somit wird die Anzahl der zu benut­ zenden Kanäle erheblich reduziert. Dabei ist zu berück­ sichtigen, daß in dem Fall, daß eine Station auf einem Kanal sendet, dieser Kanal von benachbarten Stationen nicht benutzt werden darf, um Interferenzen oder andere Störungen zu vermeiden. Wenn in einem Kanal auch nur ein Subkanal von einer Station benutzt wird, wird der gesamte Kanal für diese Station reserviert. Daher wer­ den vorzugsweise alle Verbindungen, die über eine be­ stimmte Station laufen, auf Subkanäle verteilt, die sämtlich in demselben Kanal enthalten sind.

Um die Fehlerwahrscheinlichkeit der Datenverbindung zu reduzieren, werden bei einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung den Inhalten der zeitsynchron über­ tragenen Symbolstellen der Subkanäle eines Kanals ent­ sprechende Fehlerkorrekturbits hinzugefügt, wobei in der empfangenden Station eine Fehlerkorrektur erfolgt. Als Fehlerkorrekturverfahren können bekannte Verfahren angewandt werden, wie das FEC-Verfahren (Forward Error Correction) oder das ARQ-Verfahren (Automatic Re-trans­ mission Request). Die Besonderheit besteht im vorlie­ genden Fall darin, daß für die Fehlerkorrektur die In­ halte der zeitsynchron übertragenen Symbolstellen der Subkanäle eines Kanals benutzt werden, wobei in den Subkanälen voneinander völlig unabhängige Informations­ inhalte fließen. Dies bedeutet, daß die Fehlerkorrektur anhand von Bits durchgeführt wird, die unterschiedli­ chen Informationen angehören und sich lediglich zufäl­ lig an den einander zeitgleichen Positionen im Kanal befinden.

Die Anwendung eines Fehlerkorrekturverfahrens ist erst dann sinnvoll, wenn eine Bitfehlerrate von etwa 10^-3 unterschritten werden soll. Für höhere Bitfehlerraten ist eine bloße Fehlererkennung ausreichend, um zumin­ dest Aufschluß über die Qualität der Verbindung zwischen den beiden beteiligten Stationen zu erhalten. Eine solche Fehlererkennung kann durch einen redundan­ ten Sicherungsanhang (z. B. Paritätsbit) erfolgen, wobei dieser Sicherungsanhang den zeitsynchron übertragenen Symbolstellen sämtlicher Subkanäle eines Kanals hinzu­ gefügt wird. Alternativ hierzu oder zusätzlich ist es möglich, jeweils nach Übertragung einer vorgegebenen Anzahl von Symbolstellen eines Subkanals für jeden Sub­ kanal ein Fehlererkennungsbit zu erzeugen, das den auf­ einanderfolgenden Informationsinhalten dieses Subkanals entspricht, wobei in der empfangenden Station eine Feh­ lererkennung erfolgt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Teiles des Datenübertra­ gungssystem mit den verteilt angeordneten Sta­ tionen,

Fig. 2 ein Beispiel für eine Verbindung von einer Quellstation zu einer Zielstation,

Fig. 3 eine Koppelmatrix für die Frequenzumsetzung in jeder Station,

Fig. 4 ein Beispiel von Datenströmen, die die Koppel­ matrix von Fig. 3 durchlaufen, und

Fig. 5 eine Darstellung der zeitlich aufeinanderfol­ genden Symbolstellen in einem Kanal mit Fehler­ korrekturbits und Fehlererkennungsbits.

Das Datenübertragungssystem besteht aus zahlreichen verteilt angeordneten Stationen S, wobei jede Station eine Teilnehmerstelle darstellt. Jede Station enthält eine Sende- und Empfangseinrichtung. Für die Funküber­ tragung der Daten stehen zwei Frequenzbänder von je­ weils 12,8 MHz zur Verfügung. Beide Frequenzbänder sind durch einen Duplex-Abstand voneinander getrennt. Das eine Frequenzband wird als Uplink und das andere als Downlink bezeichnet. Für einen Verbindungsaufbau wird für die Verbindung in der einen Richtung ein Kanal im Uplink und in der Verbindung in der anderen Richtung ein Kanal im Downlink benutzt, so daß beide Richtungen frequenzmäßig voneinander völlig entkoppelt sind.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Frequenz­ bänder von jeweils 12,8 MHz Bandbreite aufgeteilt in insgesamt 1.280 Kanäle mit einem Abstand von 20 kHz. Von diesen Kanälen werden einige Kanäle als Informa­ tionskanal für den Verbindungsaufbau und andere Zwecke benutzt. Jede der Stationen kann auf jedem der verfüg­ baren Kanäle empfangen und auf jedem der verfügbaren Kanäle senden.

Gemäß Fig. 1 sei angenommen, daß eine Verbindung zwi­ schen einer Quellstation S61 und einer Zielstation S65 hergestellt werden soll. Diese Verbindung läuft über die als Relaisstationen wirkenden Stationen S60 und S63. Zusätzlich wird über die Station S60 auch noch eine Verbindung von einer Station S62 zu einer Station S64 übertragen.

Das in Fig. 2 dargestellte Beispiel einer aufgebauten Verbindung sieht vor, daß die Informationsübertragung von S61 in dem Kanal C1 erfolgt, die Informationsüber­ tragung von S60 nach S63 in einem Kanal C25 und die Informationsübertragung von S63 zur Zielstation S65 in einem Kanal C12. Die hier besonders betrachtete Station S60 sendet in dem Kanal C25 auch noch für die Stationen S61 und S64.

Das Routing, d. h. die Auswahl der Stationen, über die die Verbindung hergestellt werden soll, und die Auswahl der Kanäle erfolgt im übrigen durch einen Dialog, den die beteiligten Stationen untereinander vornehmen. Das Routing (die Wegfindung) und der Verbindungsaufbau sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 3 ist eine Koppelmatrix KM dargestellt, die in jeder Station enthalten ist. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel ist aus Gründen der Einfachheit jede als Kästchen dargestellte Symbolstelle als aus einem Bit bestehend angenommen.

Jede Station enthält für jeden Kanal C1...Cn ein Kanal­ register CR-1...CR-n. Das Kanalregister CR-1 enthält acht Informations-Symbolstellen 1...8, wobei jede dieser Symbolstellen einem Subkanal SC entspricht. Der Kanal C1 ist somit in acht Subkanäle 1...8 unterteilt. Jeder Subkanal hat eine Bandbreite von 20 kHz, wobei die Frequenzen aller Subkanäle 1-8 unmittelbar aufein­ anderfolgen. Über einen Subkanal SC kann eine unidirek­ tionale Datenverbindung laufen.

In Fig. 3 sind für die Subkanäle 4 und 5 des Kanals C1 die Zeitraster dargestellt, in denen Symbole in das Kanalregister 1 übertragen werden. Die Übertragung er­ folgt mit der Frequenz von 20 kHz in einem ununter­ brochenen Symbolstrom.

Die zeitsynchron empfangenen Symbole (hier: Bits) der Subkanäle eines Kanals gelangen in ein Empfangsregister ER1...ERn und sie werden von dort mit einer Verzögerung von zwei Symbolzeiten in das jeweilige Kanalregister CR-1...CR-n übertragen. Die Kanalregister CR-1...CR-n sind jeweils mit den Spalten der Koppelmatrix verbun­ den. Die Koppelmatrix enthält n Zeilen und m Spalten, wobei jede Zeile und jede Spalte einem anderen Subkanal bzw. einer anderen Frequenz zugeordnet ist. Die Zeilen der Koppelmatrix KM entsprechen jeweils einem Subkanal bzw. einer Sendefrequenz. Für jeweils einen Kanal ist ein Kanalregister CR-1...CR-n vorgesehen, das für jeden Subkanal 1...8 eine Symbolstelle enthält. Die Symbol­ stellen aller sendeseitigen Kanalregister sind mit den Zeilen der Koppelmatrix KM verbunden. Jedem sende­ seitigen Kanalregister CR-1...CR-n ist ein Sendere­ gister SR1...SRn zugeordnet.

Die Koppelmatrix KM ist in integrierter Schaltungstech­ nik ausgebildet, wobei durch entsprechende Ansteuersi­ gnale die Knotenpunkte an den Verbindungsstellen einer Zeile und einer Spalte durchgeschaltet werden können. Während einer Verbindung bleibt der betreffende Knoten­ punkt durchgeschaltet.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenom­ men, daß diejenigen Informationen, die auf dem Subkanal No. 1 von Kanal C1 empfangen wurden, auf dem Subkanal No. 2 von Kanal 25 weitergesendet werden sollen. An dem betreffenden Schnittpunkt der Koppelmatrix befindet sich ein durchgeschalteter Knotenpunkt KP, so daß das an der Stelle No. 1 des empfangenden Kanalregisters CR- 1 stehende Bit in die Stelle No. 2 des sendenden Kanal­ registers CR-25 für den Kanal C25 übertragen wird.

In gleicher Weise werden die im Subkanal No. 4 des Ka­ nals C2 empfangenen Signale auf den Subkanal No. 6 des Kanals C25 übertragen und in diesem Kanal ausgesendet.

In Fig. 4 ist ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf von Signalen angegeben, die in den Subkanälen der Kanä­ le C1, C2 und C3 empfangen werden. An der betreffenden Station, beispielsweise der Station S60 von Fig. 1 und 2, erfolgt die Umsetzung der dort empfangenen und für die Weiterleitung vorgesehenen Signale auf Kanal C25. Für die Station S60 wurde zuvor im Dialog mit den be­ nachbarten Stationen ermittelt, daß der Kanal C25 für eine Datenübermittlung verfügbar ist.

Wie bei dem gewählten Ausführungsbeispiel nunmehr aus Fig. 2 hervorgeht, empfängt die Station S60 von der Station S61 im Kanal C1 diejenigen Daten, die sie an die Station S63 weitergeben soll. Demnach werden diese Daten in der Station S60 auf den Kanal C25 umgesetzt. In der Station S63 werden dieselben Daten auf einen anderen Kanal, beispielsweise C12, umgesetzt und an die Zielstation S65 übertragen.

Die hier betrachtete Station S60 empfängt im gewählten Beispiel von der Station S62 Signale im Kanal C2. Diese Signale sollen an die Station S64 weitergegeben werden. Hierfür wird ebenfalls der Kanal C25 ausgewählt. Schließlich sollen von der Station S60 noch Signale an die Station S61 übermittelt werden, wozu ein anderer Subkanal des Kanals C25 gewählt wird. Alles, was die Station S60 sendet, erfolgt auf dem Kanal C25, und zwar in unterschiedlichen Subkanälen.

In Fig. 4 ist die Umsetzung der Daten in der Station S60 dargestellt, die von den Stationen S61 und S62 in den Kanälen C1 und C2 empfangen werden. Diese Daten werden auf den Kanal C25 umgesetzt, und zwar in unter­ schiedliche Subkanäle. Dabei ist die Zeitachse jeweils mit t bezeichnet. Aus der oberen Zeile in Fig. 4 ist erkennbar, daß die Symbolstellen, die in den Kanälen C1, C2 und C3 übertragen werden, gegeneinander zeitver­ setzt sind, und zwar maximal bis zur Dauer einer Sym­ bolstelle. Daher werden die Daten jeweils in dem Kanal­ register CR-1...CR-n (Fig. 3) so lange festgehalten, bis die betreffende Symbolstelle für alle Kanäle em­ pfangen wurde. Danach erfolgt zeitgleich eine Umsetzung in der Koppelmatrix KM auf die ausgehenden Kanäle.

Zusätzlich zu den Symbolstellen der Subkanäle 1...8, die die Informationen übertragen, sind jedem Kanal noch drei weitere Bitstellen für Fehlerkorrekturbits A, B, C hinzugefügt. Die Inhalte dieser weiteren Bitstellen werden in dem Empfangsregister ER1...ERn ausgewertet und zur Fehlerkorrektur der Informationsbits benutzt, die innerhalb eines Kanales zeitgleich empfangen wur­ den. In das entsprechende Kanalregister CR-1...CR-n werden nur die korrigierten Informationsbits eingege­ ben.

In den Senderegistern SR1...SRn werden den acht Infor­ mationssymbolen eines Kanals Fehlererkennungsbits A, B, C hinzugefügt, bevor die gesamte Bitmenge gesendet wird. Diese Fehlererkennungsbits werden entsprechend den In­ halten der Informationssymbolstellen nach einem Fehler­ erkennungs-Algorithmus erzeugt. In gleicher Weise er­ folgt nach Empfang des Gesamtsignals die Fehlerkorrek­ tur unter Anwendung des Algorithmus.

In Fig. 5 sind für einen Kanal die einzelnen Symbol­ stellen hinsichtlich ihrer zeitlichen Verläufe darge­ stellt, wobei die Nummern 1...8 die Informations-Sym­ bolstellen bezeichnen und Subkanäle darstellen. Diese Subkanäle haben unterschiedliche Frequenzen. Die Fre­ quenz f steigt mit zunehmender Ordnungszahl in Fig. 5 von links nach rechts. Dem letzten Subkanal (Kanal "8") sind die drei Fehlerkorrektur-Bitstellen A, B, C hinzu­ gefügt.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in dem Kanal nach insgesamt acht aufeinanderfol­ genden Symbole eine weitere Symbolstelle P hinzugefügt, die ein ebenfalls der Fehlererkennung dienendes Pari­ tätsbit für jeden Subkanal enthält. Das Hinzufügen der Fehlererkennungsbits und der Fehlerkorrekturbits sowie die Auswertung dieser Bits anhand der Informationsin­ halte erfolgt jeweils für jede Übertragungsstrecke se­ parat. An der Frequenzumsetzung nehmen diese Zusatzbits nicht teil.

Alternativ zu dem obigen Ausführungsbeispiel, bei dem die Zuordnung von Subkanälen zu den Frequenzen fest ist, kann die Zuordnung der Subkanäle zu den Frequenzen nach jedem Symbolschritt verändert werden. Damit wird erreicht, daß ein Störer einen Subkanal nicht dauerhaft stören kann.

Claims (5)

1. Datenübertragungssystem mit verteilt angeordneten Stationen (S), die jeweils auf auswählbaren Über­ tragungskanälen nur mit benachbarten Stationen einen direkten Datenverkehr durchführen können, wobei ein aus aufeinanderfolgenden Symbolen be­ stehender Symbolstrom über den Kanal übertragen wird und wobei zwischen einer Quellstation und einer Zielstation liegende Stationen die Funktion von Relaisstationen haben, wobei in jeder Station (S) eine Umsetzung der empfangenen Signale von dem jeweiligen Empfangskanal auf einen hiervon ver­ schiedenen Sendekanal erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung des auf dem Empfangskanal ankom­ menden Symbolstromes auf den Sendekanal symbolweise erfolgt.

2. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den einzelnen Empfangs­ kanälen zeitversetzt empfangenen Symbolstellen vor der Umsetzung auf einen Sendekanal solange festge­ halten werden, bis die betreffende Symbolstelle für alle Empfangskanäle empfangen wurde.

3. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskanäle in Subkanäle (SC) unterteilt sind, von denen jeder zur Übertragung eines Symbolstromes geeignet ist, und daß die Symbole aller Subkanäle (SC1...SC8) eines Übertragungskanals zeitsynchron übertragen werden, und in einer Station parallel symbolweise von einem oder mehreren Empfangskanälen auf einen oder mehrere Sendekanäle übertragen werden.

4. Datenübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den zeitsynchron übertragenen Symbolstellen der Subkanäle (SC1...SC8) eines Ka­ nals entsprechend den Informationsinhalten dieser Symbolstellen Bits (A, B, C) hinzugefügt werden, wobei in der empfangenden Station eine Fehlerer­ kennung und/oder Fehlerkorrektur erfolgt.

5. Datenübertragungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur über eine vorgegebene Anzahl von Symbolstellen in jedem einzelnen Sub­ kanal erfolgt.