CN1262008A - 在共享媒体网络中对时间敏感的应用提供低接入延迟的系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种在共享媒体网络中对时间敏感的应用通过分组各MAC用户到高优先级组和低优先级组提供低接入延迟的系统、装置和方法。其中当MAC用户的优先级事先不知道的情况下,MAC用户的优先级从该MAC用户发送的数据组的大小来推断。发送小的数据组的MAC用户被放置在高优先级组中,而发送大数据组的MAC用户被放置在低优先级组中。首端单元首先轮询所有高优先级MAC用户,和然后轮询低优先级MAC用户,直至所有低优先级MAC用户都被轮询过,或者对于低优先级MAC用户的预定最大轮询时间已被用尽。首端单元按一系列顺序的轮询周期重复这个轮询序列,使得高优先级MAC用户以预期的延迟接入到共享信道。

Description

在共享媒体网络中对时间敏感的应用提供 低接入延迟的系统、装置和方法

发明背景

发明的技术领域

一般，本发明涉及通信系统，更具体地，涉及在一个共享通信媒体上使用的多址协议。

相关技术的描述

在当今的信息时代，存在着对高速通信日益增长的需要，而这种高速通信又是对日益增长数量的通信用户提供保证质量的服务(QoS)为前提的。为此，开发了各种通信网络和技术，以满足目前和未来的需求。具体讲，正在开发出各种新的网络，这些网络实现更大数量的终端用户，和正在开发出高效地利用这些网络的附加带宽的各种协议。

将来要被越来越多地使用的一种技术是共享媒体网络。共享媒体网络是单一通信信道(共享信道)由多个终端用户所共享的技术，使得来自不同终端用户的不同发送可以相互不干扰。在各种现代宽带通信网中，一般共享通信信道是通过一个共享物理媒介传送的若干个频段之一，这些共享物理媒介诸如是混合光纤/同轴电缆(HFC)网络或在自由空间中的电磁波。因为一般各种通信网络具有有限的通信信道数量，共享媒体网络允许许多终端用户通过单一通信信道得以接入网络，因此使得其余各通信信道将被用于其它用途。但是，仅当每个终端用户都间歇地发送数据，并在静止周期期间允许其它用户进行发送，共享媒体网络才是行得通的。

在共享媒体网络中，每个终端用户借助于接入接口单元(AIU)接口到共享信道，该接口单元允许终端用户经共享信道进行发送和接收。单一AIU可以支持一个或多个终端用户。希望利用该共享信道的每个终端用户按照媒体接入控制(MAC)协议进行共享，该协议提供一组用于接入共享信道的规则和程序。为了方便，在MAC协议中的每个共享者被称为一个MAC用户。

图1是按照现有技术已知的共享媒体网络100的逻辑关系。如图1所表示，首端单元110经共享信道130被连接到多个AIU 120_a到120_n(总的被称为AIU_s 120)。在该优选实施例中，共享信道130是通过诸如HFC或无线网络之类的共享物理媒体传送的多个通信信道之一。在其它实施例中，共享物理媒体可以是同轴电缆、光缆、双绞线等等，和还可以包括空气、大气，或用于无线和卫星通信的空间。首端单元110还被连接到通信网络140，该网络还可以包括诸如因特网、各种在线业务、电话和各种电缆网络，和其它通信系统。

继续参照图1，在该优选实施例中，诸如HFC或无线网络之类的共享物理媒体具有或者支持多个通信信道。为了参照容易，在通信信道中诸如首端单元110之类的首端单元用来发送信息、信号或其它数据到诸如AIU 120_n之类的AIU的信道被称为下行码流信道。还为了参照容易，在通信信道中诸如AIU 120_n之类的AIU用来发送信息、信号、或其它数据到诸如首端单元110之类的首端单元的信道被称为上行码流信道。当然，这些各种上行码流和下行码流信道可能是相同的物理信道或者可能是分别的物理信道，例如，通过时分复用或频分复用的信道。除了上行码流和下行码流方向外，这些各种信道还可能按其它方式在逻辑上进行划分。在优选实施例中，通信媒介是HFC网络，一般利用50-750MHz(最高可达1GHz)频谱(频段)的下行码流信道，和一般利用5-42MHz频谱的上行码流信道。

在示例性HFC网络的一种简单模式中，首端单元利用单一下行码流信道发送包含轮询消息的信息到各MAC用户，和单一上行码流信道被MAC用户用于发送信息到首端单元。因为首端单元是仅在下行码流信道进行发送的装置，下行码流信道并不是按照本发明进行定义的“共享信道”。但是，因为多个MAC用户在该上行码流信道上进行发送，上行码流信道是共享信道，并且用MAC协议来按顺序接入信道，使得通过该信道获得最大的数据通过量。

已经开发了对于用户的多种不同的接入技术。一般，这些技术可以被分类为：无竞争技术，该技术借助于各种预先安排方法避免在共享信道上的冲突；和有竞争技术，该技术并不避免冲突，代之以消除出现在共享信道上的任何冲突。诸如时分复用(TDMA)和循环轮询协议之类的无竞争协议与有竞争协议相比，一般在轻负荷下是低效率的，因为无论MAC用户是否有信息发送，一般无竞争协议都要分配一定数量的带宽给每个MAC用户。另一方面，有竞争协议仅分配带宽给有信息要发送的那些MAC用户，虽然每当要求解决冲突时，某些带宽被浪费了。已经开发出利用无竞争和有竞争接入的混合协议，以试图获得两种技术的优点。

在许多多址协议中，利用循环轮询的某些形式。在循环轮询技术中，要保持一个MAC用户表，和在该表上的MAC用户被顺序一个一个地轮询，提供每个MAC用户在共享信道上发送数据的机会。在直接循环轮询中，每个MAC用户被提供的接入到共享信道的机会是相等的，无论该MAC用户是“积极的”(即，经常性地产生数据)还是“不积极的”(即，不经常有数据发送)。

某些循环轮询协议试图通过按照MAC用户有数据发送的频度，将各MAC用户分为到不同列表中来改善轮询的效力和效率。一般“积极的”MAC用户被放置在“快速轮询”表中，和被以相对高的频度进行轮询，而一般“非积极的”MAC用户被放置在“慢速轮询”表中，和被相对低的频度进行轮询。一种可替代的方法保持“近来积极的”MAC用户(即，最近“不积极的”但不久前曾“积极”的MAC用户)表，该MAC用户被低于按快速轮询表的MAC用户频度，但高于按慢速轮询表的MAC用户的频度进行轮询。通过按与具有发送数据的可能性相匹配的频度轮询MAC用户，可以改善带宽效率。

混合协议再前进一步并利用有竞争接入替代“不积极的”MAC用户循环轮询。给“不积极的”MAC用户提供与其它“不积极的”MAC用户一起竞争接入到共享信道中的机会。在这种方法中，对没有数据发送的“不积极的”MAC用户的单独轮询消息没有被浪费掉。

利用循环轮询的一个问题是，在每个轮询表上的各MAC用户被看成具有相等优先级并被提供了相等的到共享信道的接入机会，即使各MAC用户具有不同的优先级。例如，一个高优先级的具有时间敏感数据的“积极的”MAC用户按与一个低优先级的具有时间不敏感数据的“积极的”用相同的方式和相同的频度被轮询户。在这种情况下，来自高优先级的MAC用户的数据可能被延迟，而来自低优先级用户的数据被发送。显然，仅按照数据可用性分组MAC用户并不适合解决对MAC用户传输进行优先分级的问题。关于MAC用户优先级的先验知识将能使轮询序列考虑到MAC用户的优先级。但是，一般MAC用户优先级在MAC用户进入系统时并不知道，并且由于MAC用户通过网络接入不同服务，优先级可能随着时间改变。因此，仍然存在对在共享媒体网络中的时间敏感应用提供低接入延迟的系统、装置和方法的需求。

                     附图简述

在附图中，

图1是现有技术公知的共享媒体网络的方框图；

图2是用于处理上行码流脉冲串发送的逻辑流程图；和

图3是对于一个轮询周期的逻辑流程图。

                     详细描述

如上所述，仍然存在在共享媒体网络中提供用于时间敏感应用的低接入延迟的系统、装置和方法的需求。本发明通过首端单元分组各个MAC用户为高优先级组和低优先级组，提供这种低接入延迟。该首端单元首先轮询所有高优先级MAC用户，和然后轮询低优先级MAC用户，直至所有低优先级MAC用户已经被轮询完毕或者低优先级MAC用户已经被服务一个预定最大轮询时间。该首端单元在顺序的各轮询周期中重复这个轮询序列，为各高优先级MAC用户提供到共享信道的迅速接入。

为了使首端单元分组各MAC用户为高优先级组和低优先级组，首端单元必须能够确定每个MAC用户的相对优先级。在某些网络中，MAC用户的优先级可以事先知道的，例如，通过网络管理员的配置或通过在ATM或其它网络中的服务类别的规定。在其它网络中，MAC用户的优先级事先是不知道的，并且事实上，由于终端用户通过网络接入不同应用，可能随时间而改变。在MAC用户优先级不能明确知道的网络中，首端单元必须通过其它措施确定MAC用户的优先级。

在该优选实施例中，MAC用户的优先级是事先不知道的和代之以是从该MAC用户产生的上行码流发送的特性推断出来的。首端单元监视该MAC用户的发送和按照由该MAC用户发送的诸如脉冲串/数据分组的大小，包含在MAC用户发送的数据分组的类型，MAC用户要访问的应用和对本专业技术人员将是显然的若干其它参数的任何一个之类的预定参数设置，确定该MAC用户的延迟要求。首端单元可以利用一个或多个参数确定MAC用户的相对优先级，并且对每个MAC用户可以使用不同的参数设置。

在该优选实施例中，MAC用户的优先级是只从由MAC用户发送的数据组的大小推断的。已经发现，一般时间敏感、低延迟的的应用产生小的数据组，而一般时间不敏感应用产生较大的数据组。例如，一般在传送TCP/IP业务的共享媒体网络中，对于TCP/IP应用的多数上行码流业务将是TCP确认数据组，该数据组通过上行码流信道进行发送，使得TCP/IP业务通过下行码流信道继续流动。一般，Web漫游和游戏的应用同样在上行码流方向产生小的数据组。通过上行码流信道发送的这些小的数据组是时间敏感的，因为在它们的传送中的延迟可能导致该应用的显著的不可接受的性能。另一方面，一般上行码流文件的传送将是以通过上行码流信道发送的大的数据组为特征的。通过上行码流信道发送的这些大的数据组被认为是时间不敏感的，因为一般在它们的传输中的延迟将是不引人注意的。虽然说时间敏感应用通过上行码流信道发送小的数据组和时间不敏感应用通过上行码流信道发送大的数据组并不总是正确的，数据组的大小被首端单元利用来作为该应用的延迟要求的一种假设并因此将MAC用户分类为高优先级或者低优先级。

因为发送的数据组可能在各次发送之间改变，该优选实施例利用对每个MAC用户接收的脉冲串大小的指数加权平均。当通过上行码流信道的脉冲串被接收时，首端单元对每个MAC用户计算指数加权平均。具有平均数据组大小低于预定阈值数据组大小的MAC用户被放置在高优先级组中，而剩余MAC用户被放置在低优先级组中。MAC用户的指数加权平均是按照以下公式进行计算的；

avg_packet_size＝α^*avg_packet_size+(1-α)^*received_burst_size

其中α是预定加权系数和received_burst_size是从MAC用户最近接收的脉冲串的大小。

每次一个上行脉冲串发送被从MAC用户接收时，首端单元更新对MAC用户的平均数据组大小的计算和重新分类MAC用户为高优先级组或低优先级组。图2表示用于处理上行脉冲串发送的逻辑流程图。在步骤210该逻辑开始，和在步骤220接收来自MAC用户的脉冲串发送，在步骤230该逻辑更新来自MAC用户的平均数据组的大小。然后在步骤240该逻辑确定是否该平均数据组大小低于预定阈值数据组的大小。如果对该MAC用户的平均数据组大小低于预定阈值数据组的大小(在步骤240中为“是”)，则在步骤250该逻辑分类该MAC用户在高优先级组中；否则在步骤260该逻辑分类该MAC用户在低优先级组中。该逻辑在步骤299结束。

因为MAC用户的分类表示了关于该MAC用户的延迟要求的假设，对于预定加权系数α和预定阈值数据组大小所选的值影响是否做出有效的分类。预定加权系数α的选择是一种基于策略上的确定，表示加在最近接收的脉冲串上的加权和加在通过过去各脉冲串计算的历史平均值上的加权的相对情况。在该优选实施例中，该预定加权系数被选择为0.5，该值位于按最近接收的脉冲串和历史平均值的加权相等上。预定阈值数据组大小的选择是基于观察到的业务特性。在该优选实施例中，该预定阈值大小被选为200字节。

图3表示一个轮询周期的逻辑流程图。在步骤310每个轮询周期的逻辑开始和在步骤320前进到轮询在高优先级循环轮询表中的下一个高优先级MAC用户。在步骤320中轮询MAC用户后，逻辑前进到330，确定是否在该轮询周期期间所有高优先级MAC用户都已被轮询过。如果在轮询周期期间不是所有高优先级用户都已被轮询过(在步骤330中“否”)，则该逻辑返回到步骤320，轮询下一个高优先级MAC用户。但是，如果在该轮询周期期间所有高优先级MAC用户都已被轮询过(在步骤330中“是”)，则该逻辑前进到步骤340，接下来轮询在低优先级循环轮询表中的低优先级MAC用户。在步骤340轮询了下一个低优先级MAC用户后，在步骤350该逻辑确定是否在该轮询周期期间所有低优先级MAC用户都已被轮询过。如果在该轮询周期期间所有低优先级MAC用户都已被轮询过(在步骤350中“是”)，则该逻辑返回步骤310开始一个新的轮询周期。但是，如果在该轮询周期期间不是所有低优先级MAC用户都被轮询过(在步骤350中“否”)，则在步骤360该逻辑确定是否这些低优先级MAC用户已经用尽预定的最大轮询时间。如果这些低优先级MAC用户尚未用尽预定最大轮询时间(在步骤360中“否”)，则该逻辑返回损步骤340轮询下一个低优先级MAC用户。但是，如果预定最大轮询时间已经达到(在步骤360中“是”)，则该逻辑返回步骤310，开始一个新的轮询周期。

如果在轮询所有低优先级MAC用户之前(即，在步骤360达到预定最大轮询时间)首端单元结束轮询周期，则在下一个轮询周期期间在步骤340中对低优先级MAC用户的轮询从表中接着上次轮询过的最后一个低优先级MAC用户的下一个低优先级MAC用户开始。结果，各低优先级MAC用户可以通过若干个轮询周期被循环轮询。

在不脱离其精神和基本特征的情况下，本发明可以被实施在其它特定的形式下。所描述的实施例在所有方面都将被认为仅仅是说明性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种分组多个MAC用户为高优先级组和低优先级组的方法，该方法包括以下步骤：

对每个MAC用户计算平均数据组的大小；和

对每个MAC用户：

如果该MAC用户的平均数据组的大小低于预定阈值数据组的大小，则分类该MAC用户在高优先级组；和

否则，分类该MAC用户在低优先级组。

2.权利要求1的方法，其中对MAC用户的平均数据组大小是按照从该MAC用户接收的各脉冲串按以下公式指数加权平均确定的：

平均数据组大小＝α^*平均数据组大小+(1-α)^*接收的脉冲串大小

其中α是预定加权系数和接收的脉冲串大小是从MAC用户最近接收的脉冲串的大小。

3.一种在共享媒体网络中对时间敏感应用提供低接入延迟的方法，其中每个应用通过MAC用户接入到共享媒体网络，该方法包括以下步骤：

分组各MAC用户为高优先级组和低优先级组；和

按各轮询周期的顺序轮询各MAC用户，其中每个轮询周期包括以下步骤：

轮询各高优先级MAC用户的每个用户；和

在轮询高优先级MAC用户的每个后，接着再轮询一些低优先级MAC用户，直至以下情况之一发生；

所有各低优先级MAC用户都已被轮询过；和

这些低优先级MAC用户已经被服务了预定最大轮询时间。

4.权利要求3的方法，其中分组MAC用户的步骤包括以下各步骤：

监视每个MAC用户的发送；和

为每个MAC用户：

从所述发送中确定该MAC用户的接入延迟要求；

如果该MAC用户要求低接入延迟，则放置该MAC用户到高优先级组；和

否则，放置该MAC用户到低优先级组。

5.权利要求4的方法，其中确定MAC用户的接入延迟要求的步骤包括以下步骤：

计算MAC用户的平均数据组大小；和

如果该平均数据组的大小低于预定阈值数据组的大小，则确定该MAC用户要求低延迟。

6.权利要求3的方法，其中每个轮询周期包括以下步骤：

(a)轮询下一个高优先级MAC用户；

(b)在该轮询周期期间，确定是否所有高优先级MAC用户都已被轮询过；

(c)在该轮询周期期间，如果至少一个高优先级MAC用户仍有待被轮询，则返回步骤(a)；

(d)在该轮询周期期间，如果所有高优先级MAC用户都已被轮询过，则轮询接着的低优先级MAC用户；

(e)确定在该轮询周期期间是否所有低优先级MAC用户都被轮询过；

(f)在该轮询周期期间，如果所有低优先级MAC用户都已被轮询过，则返回步骤(a)，开始下一个轮询周期；

(g)在该轮询周期期间，如果至少一个低优先级MAC用户仍有待被轮询，则确定这些低优先级MAC用户是否已经被服务了预定最大轮询时间；

(h)如果这些低优先级MAC用户没有被服务该预定最大轮询时间，则返回步骤(d)；和

(i)如果各低优先级MAC用户已经被服务了该预定最大轮询时间，则返回步骤(a)开始下一个轮询周期。

7.一种在共享媒体网络中对时间敏感应用提供低接入延迟的装置，其中每个应用通过MAC用户接入到共享媒体网络，该装置包括：

用于分组各MAC用户为高优先级组和低优先级组的逻辑电路；和

按连续的轮询周期顺序，轮询MAC用户的逻辑电路，其中每个轮询周期包括：

轮询高优先级MAC用户的每个用户；和

在轮询完每个高优先级MAC用户后，接着轮询多个低优先级MAC用户，直至以下情况之一发生：

所有低优先级MAC用户都已被轮询过；和

这些低优先级MAC用户已经被服务了预定最大轮询时间。

8.权利要求7的装置，其中用于分组MAC用户为高优先级组和低优先级组的逻辑电路包括：

用于对每个MAC用户计算平均数据组大小的逻辑电路；

如果该MAC用户的平均数据组大小低于预定阈值数据组大小，用于分组MAC用户到高优先级组的逻辑电路；和

否则，用于分组NAC用户到低优先级组的电路。

9.权利要求8的装置，其中MAC用户的平均数据组大小是按从MAC用户接收的脉冲串按以下公式指数加权平均确定的：

平均数据组大小＝α^*平均数据组大小+(1-α)^*接收的脉冲串大小

其中α是预定加权系数和接收的脉冲串大小是从MAC用户最近接收的脉冲串的大小。

10.一种组成用于控制多个MAC用户接入到共享传输媒体的首端单元的系统，其中该首端单元包括：

用于分组各MAC用户到高优先级组和低优先级组的逻辑电路；和

用于按连续的轮询周期顺序，轮询各个MAC用户的逻辑电路，其中每个轮询周期包括：

轮询高优先级MAC用户中的每一个；和

在轮询完高优先权MAC用户的每一个后，轮询多个低优先级MAC用户，直至以下情况之一发生：

所有低优先级MAC用户都已被轮询过；和

已经为这些低优先级MAC用户服务了预定最大轮询时间。

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