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 120a
到120n(总的被称为AIUs 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 120n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 120n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。