无源光网络的网际协议视频传送.pdf

在无源光网络(PON)上通过虚拟频道分发代表视频内容的数据，这些虚拟频道在用户请求TV频道时分配给电视(TV)频道并在用户不再观看它们时从TV频道解分配。通过采用诸如物理层运行管理维护(PLOAM)协议的近物理层协议，可以以非常低的延时将TV频道和虚拟频道进行关联和解关联。

1.  一种用于在无源光网络(PON)上传送代表视频内容的数据的方法，包括以下步骤：
在光网络终端(ONT)上检测用户视频内容请求；
响应于所述用户视频内容请求，所述ONT通过所述PON将第一消息发送给远端光线路终端机(OLT)，所述第一消息表明了所请求的视频内容并标识了所述ONT；
响应于所述第一消息，所述OLT从预定的多个虚拟频道中选择可用的虚拟频道；
所述OLT将所选择的虚拟频道与表明所请求的视频内容的源的标识符相关联，所述源是多个视频内容源之一；
所述OLT通过所述PON将第二消息发送给所述ONT，所述消息表明了所选择的虚拟频道；
所述OLT从所述源通过所选择的虚拟频道对代表所述视频内容的数据进行发送；以及
所述ONT响应于所述第二消息而接收所选择的虚拟频道，并在视频设备可连接的端口上提供所述数据。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述第二消息遵循近物理层协议。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中所述近物理层是传输汇聚(TC)层，并且所述第二消息还遵循物理层运行管理维护(PLOAM)协议。

4.  根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
当所述OLT接收到来自所述ONT的所述第一消息时，所述OLT确定是否已经通过虚拟频道发送了代表所请求的视频内容的数据；以及
如果当所述OLT接收到来自所述ONT的所述第一消息时，所述OLT已经通过虚拟频道发送了代表所请求的视频内容的数据，则：
所述OLT不执行选择可用的虚拟频道并将所选择的虚拟频道与所述用户所请求的视频内容的源相关联的步骤；
所述第二消息向所述ONT表明已经从中发送了所请求的视频内容的所述虚拟频道。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中所述OLT将所选择的虚拟频道与表明所请求视频内容的源的标识符相关联的步骤包括以下步骤：
所述OLT向第一表添加一个条目，所述条目将虚拟频道与表明所请求视频内容的所述源的标识符相关联。

6.  一种无源光网络(PON)，包括：
至少一个光网络终端(ONT)，用于检测用户视频内容请求，并响应于所述用户视频内容请求而发送第一消息，所述第一消息表明了所请求的视频内容并标识了所述ONT；以及
光线路终端机(OLT)，连接到所述ONT，用于接收所述第一消息，响应于所述第一消息而从预定的多个虚拟频道中选择可用的虚拟频道，并将所选择的虚拟频道与表明所请求视频内容的源的标识符相关联，所述源是多个视频内容源之一，所述OLT还在选择所述虚拟频道之后通过所述PON将第二消息发送给所述ONT，所述消息表明了所选择的虚拟频道，并且所述OLT通过所选择的虚拟频道对代表来自所述源的所述视频内容的数据进行发送。

7.  根据权利要求6所述的PON，其中所述OLT包括代表第一表的逻辑，并且所述OLT通过向所述第一表添加一个条目来将所选择的虚拟频道与表明所请求视频内容的源的标识符相关联，所述条目将虚拟频道与表明所请求视频内容的所述源的标识符相关联。

8.  根据权利要求7所述的PON，其中所述ONT包括代表第二表的逻辑，并且所述ONT通过接收所述视频内容请求并向所述第二二表添加一个条目来检测用户视频内容请求，所述条目将从中接收所述用户视频内容请求的端口与表明所请求视频内容的所述源的标识符相关联。

9.  根据权利要求8所述的PON，其中所述ONT通过检测对停止接收先前所请求的视频内容的请求，来检测用户视频内容请求，并且其中所述ONT通过从所述第二表中去掉将从中接收所述用户视频内容请求的所述端口与表明先前所请求的视频内容的所述源的标识符相关联的条目，并向所述OLT发送第三消息，来进行响应。

10.  根据权利要求9所述的PON，其中所述OLT通过从所述第一表中去掉将已经从中发送先前所请求视频内容的所述虚拟频道与表明先前所请求视频内容的所述源的所述标识符相关联的条目，来对所述第三消息进行响应。

无源光网络的网际协议视频传送
相关申请的交叉引用
本发明要求于2004年12月8日提交的、题为“PON网络中的IP视频传送”(“IP VIDEO DELIVERY IN PON NETWORKS”)的美国临时专利申请No.60/634,310的优先权，这里将其说明书通过参考引入。
技术领域
本发明一般地涉及从诸如广播设备的源经由网络向用户诸如定制广播服务的用户传送网际协议(IP)视频内容，并且更具体地涉及经由无源光网络(PON)传送IP视频内容。
背景技术
大多数数字电信网络(即，有助于在各方之间或在内容分发服务和用户之间进行数据、语音、视频等的通信)典型地在交换局(exchange)和用户之间的路径中包括有源部件，诸如转发器、中继器和其它消耗功率的这种设备。除了需要功率之外，有源部件随着时间会出现故障或性能降级，并且可能需要重要的定期维护。已经开发了无源光网络(PON)来克服一些缺陷。但对于在PON的交换局或中央局端和PON的用户端处的(有源)电子设备，PON的实质在于，PON只包括光纤和无源部件。单个光纤可以从中央局延伸到位于用户组诸如邻域或办公大楼(office complex)附近的无源分路器(splitter)，并且各个光纤可以从分路器延伸到各个用户。
国际电信同盟(ITU)以及电气和电子工程师协会(IEEE)是目前正在制定PON标准的两个标准制定机构。ITU已经采用了全业务接入网(FSAN)组织的建议，包括G983.x，用于宽带PON(BPON)的规范，也称为“APON”，参照了异步传输模式(ATM)数据传输协议，以及G984.x，用于吉比特PON(GPON)的规范。这些标准和建议对于本发明所涉及的本领域技术人员是已知的。
根据这些标准，PON包括典型地位于中央局的光线路终端机(OLT)，和多个光网络终端(ONT)(也称为光网络单元(ONU))，每个光网络终端都位于用户的驻地(例如，家和办公楼等)，其中在OLT及ONT之间有光纤和分路器。在下游方向上，即从OLT(例如，位于交换局)向ONT(例如，位于用户的驻地)发送数据，数据单元(例如，ATM数据分组)从OLT被广播到所有PON上的ONT，并且ONT可以通过将包含在数据单元中的地址与先前提供或知悉的地址相匹配，来选择要接收的数据。换句话说，ONT仅“收听”具有匹配地址的数据单元。因此，OLT可以通过将数据寻址到特定的或选择的ONT，来发送该数据到那个ONT。在上游方向上，即，从ONT向OLT发送数据，对数据单元进行时域复用。
所关注的内容在于，使用PON，以常规的即基于铜缆的数字有线电视系统的方式向用户分发压缩的数字视频(例如，MPEG编码电视(TV)内容)；以及使用网际协议(IP)作为传输协议，以便视频传送可以有效地与其它提供给用户的数字服务结合。已经考虑的最直接的方案包括，以类似于其中传统有线TV系统将所提供的电视频道广播给其用户的方式，将所有可用的TV频道广播给PON上的所有ONT，但是应当认识到带宽限制将妨碍这种方案。为了保持带宽，已经提出了其他更类似于多播而不是广播的方案。多播通常是指将数据分发到所定义的组，并且IP多播是一种术语，用于指将数据分发到单个IP地址定义的组。互联组管理协议(IGMP)是一种用于IP多播的已知标准。
在PON上使用IP多播电视频道的方案已经包括，响应用户观看电视频道的请求，创建OLT和ONT之间的连接(例如，通过用户使用远程控制输入机顶盒上的频道)。在许多情况中，在用户实际使用系统之前需要“设置”来提供每个IP TV频道和传送该TV频道的连接之一之间的关联。
ONT可以具有几个用户端口，每个端口可以连接到兼容的机顶盒、计算机或其它设备。例如，用户可以将机顶盒和位于家里一个房间内的电视连接到一个端口，将另一台机顶盒和位于另一个房间内的电视连接到另一个端口，从而几个家庭成员就可以同时看电视了。
当用户请求观看TV频道时，用户驻地的ONT将试图服务该请求(在本地)，如果在同一ONT上的至少一个其它的用户正在观看该TV频道则提供该TV频道，或者如果没有其它用户正在观看，则向OLT请求该TV频道。为传送TV频道而在OLT和ONT之间建立的连接正在使用ONT管理和控制接口(OMCI)建立。OMCI为服务级(service-level)协议，指定了协议无关管理信息库(MIB)的被管理实体，该管理信息库(MIB)建立了OLT和ONT之间信息交换的模型。另外，OMCI覆盖了ONT管理和控制频道协议和在OLT和ONT之间交换的用于在ONT上提供和设置服务的消息。本说明书中的术语“服务级”是指高级协议，与其它的、ONT协议栈所包括的低级协议形成对比。正如本发明相关的本领域技术人员所理解的，协议栈为一组或一套软件元件，其中每组或每套软件元件本身由根据它们共同涉及的网络连接协议相互作用或相互通信的协议来定义。最低级协议总是涉及与硬件的物理交互，并且典型地具有与次最高层的最基本接口。OMCI，一种服务级协议，在ONT协议栈的顶部附近，而ONT协议栈的其它层，诸如传输汇聚(TC)层，在栈的底部附近，靠近硬件接口。
OMCI消息使OLT能够建立从OLT向用户地ONT传送数据的连接。反过来，ONT向机顶盒发送数据，该机顶盒对视频信号进行解码并将该解码信号提供到电视机。用户以在数字有线电视系统中共用的方式操作机顶盒，使用远程控制改变TV频道、请求视频点播等。当用户请求不同的TV频道或请求退出该频道(例如关闭机顶盒)时，使用OMCI删除由OLT建立的用来承载将要退出的TV频道的虚拟频道。
在PON上使用IP多播TV频道的上述机制存在缺陷，包括长频道建立延时。换句话说，输入频道请求的用户和开始接收所请求的电视频道的用户ONT之间的时间间隔非常得长，可能为几秒钟的时间。这个长频道建立延时是由于在OLT和ONT之间使用了OMCI消息。由于OMCI是服务级即高级协议，其必需在OLT与ONT之间进行几个消息和确认的通信，因此会花费大量时间来建立虚拟频道。这可能还会涉及到提供在操作部署之前将TV频道与虚拟频道相关联的运营商。因此非常需要提供一种用于在PON网络上传送IP视频的方法和系统，其不仅可以保持带宽而且不需要过多的频道建立延时。本发明通过下述方式解决了这些及其他问题和不足。
发明内容
本发明涉及使用动态分配的虚拟频道，即在用户请求TV频道时分配给电视(TV)频道并在用户不再观看它们时从TV频道中解分配的虚拟频道，来在无源光网络(PON)上传送代表视频内容的数据。(术语“TV频道”在此采用其通俗意义以表示内容的源，而不是指频带或类似的在通信理论意义中的“信道”。)以这种方式动态地分配和解分配虚拟频道可以保持带宽，并且通过只对用户实际要观看的那些TV频道进行多播而不是给所有用户广播所有可用的TV频道，可以改善TV频道的建立。
通过使用在ONT协议栈的传输汇聚(TC)层上使用的、诸如物理层运行管理维护(PLOAM)协议之类的近物理层协议，可以以非常低的延时进行频道建立，即，将TV频道与虚拟频道进行关联或解关联。由G984.x和G983.x规范定义的TC层与由G984.2和G984.1规范定义的物理媒介依赖层相邻，两者都是本领域的技术人员所熟知的。然而，在此使用的术语“近物理层”的意思是指协议栈中与靠近最低层协议相比更不靠近最高层协议的一层。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，当在光网络终端(ONT)上接收到一个对视频内容的请求(例如用户改变TV频道)时，该ONT通过PON将第一消息发送到远端光线路终端机(OLT)。第一消息可以是识别或表明所请求的视频内容(例如与用户希望观看的TV频道相关联的信息)类型的传统IGMP(互联网组播协议)定义的消息。由于PON上可以有许多ONT，第一消息还可以识别ONT以便OLT可以使其发送到达发起请求的那个ONT。
响应于第一消息，OLT从预定的多个虚拟频道中选择可用的虚拟频道。例如，可以用12比特值定义虚拟频道，因此能得到4096个潜在的虚拟频道。OLT维护一个表或其他的数据结构以便了解哪个虚拟频道正在使用(即已经分配给TV频道并因此正在将视频内容或其他的数据业务传送给用户的ONT)以及哪个虚拟频道可用于分配给TV频道。然后OLT将所选择的虚拟频道与表明所请求的视频内容的标识符相关联。
在OLT已经将所请求的TV频道分配到虚拟频道之后，OLT将第二消息通过PON发送给请求ONT，另外该消息表示可以在其上找到所请求的TV频道的那个虚拟频道。第二消息遵循诸如PLOAM(在TC层上)之类的近物理层协议。以这种方式建立和激活虚拟频道之后，OLT就开始发送TV频道(或者如果该虚拟频道已经在为另一个用户传送该TV频道则继续发送)。ONT接收特定虚拟频道上的TV频道，并给用户的机顶盒或其他设备提供相应的信号。如在传统的ONT中那样，根据本发明的实施例的ONT具有一个或多个用户数据端口，在这些端口上其可以输出这种信号。数字电视、机顶盒、计算机等等可以连接到这些端口。
当OLT从ONT接收到类似于第一消息但是表明用户不再想要观看该TV频道(例如用户改变TV频道或关掉机顶盒)的消息时，OLT将停止为该特定ONT在与该TV频道相关联的虚拟频道上发送该TV频道。然后该OLT发送类似于第二消息的第三消息，其表明该ONT不再收听已经与该TV频道相关联的虚拟频道。
在其中从中发起请求的ONT以GPON封装模式(GEM)与OLT进行通信的情况下，例如，第二消息可以叫做“配置多播端口ID”，参考术语“端口ID”在现有技术中的用法，用来识别虚拟GEM频道。在其中从中发起请求的ONT以异步传输模式(ATM)与OLT进行通信的情况下，例如，第二消息(即PLOAM消息)可以叫做“配置多播VP”，参考术语“虚拟路径”或“VP”在现有技术中的用法，用来标识虚拟ATM频道。这种PLOAM消息可以用于向ONT表明虚拟频道的激活和去激活。
图1说明根据本发明的示例性实施例的无源光网络。
图2A是说明图1的实施例的示例性操作方法的流程图。
图2B是图2A的流程图的继续。
图2C是图2A-B的流程图的继续。
图3说明了在图1的实施例中用于以GEM模式建立或取消虚拟频道的示例性PLOAM消息格式。
图4说明了在图1的实施例中用于以ATM模式建立或取消虚拟频道的示例性PLOAM消息格式。
图5是在图1的实施例中光网络终端(ONT)可以保持跟踪物理订户或用户端口与TV频道的关联的一个表。
图6是在图1的实施例中光网络终端(ONT)可以保持跟踪TV频道与虚拟频道的关联的一个表。
如图1所示，在本发明的示例性实施例中，无源光网络(PON)包括光线路终端(OLT)10和多个光网络单元(ONU)12，14，16等。OLT 10以传统的方式，通过光纤18，20，22，24等以及一个或多个光分路器26等，与每个ONU 12，14，16等互连。为说明的目的，虽然只示出了一个这样的分路器26和三个这样的ONU 12，14和16，但PON可以具有任何其他适当的拓扑和ONU、分路器、光纤等的数量。OLT 10可以位于，例如，从其中操作诸如分发电视(TV)节目或提供互联网接入之类的服务的交换局或中央局。ONU12，14，16等可以位于，例如，居所或其他由定制这种服务的用户占用的驻地。在PON上对数据的通信是以本领域中众所周知的方式进行的，其使用多个适当的传统技术中任意技术，例如异步传输模式(ATM)或协议或者GPON封装方法(GEM)，因此，在此不作详细描述。本发明不涉及怎样在PON上对数据进行传送，而是涉及用于使TV频道(即TV节目)可以从OLT 10有效地分发到可能请求接收这种TV频道的ONT 12，14，16等。
根据本发明，对OLT 10进行编程或配置，使之包括用于控制OLT 10的操作的OLT控制逻辑28，其包括如下关于图2描述的操作方法的OLT部分。OLT控制逻辑28可以包括常规地包括在这种OLT中或本领域已知要用于这种OLT中的任何适当的(硬件，软件，固件等)元件，这些元件包括一个或多个处理器、存储器、接口逻辑等。这种元件的结构和功能在现有技术中是已知的，因此在此不作详细描述，除了当它涉及根据本发明实施例的方法、数据结构等时。除了OLT控制逻辑28之外，OLT 10还包括诸如光发射机和接收机的其他元件，在图1中由收发机系统30共同来表示。通常OLT控制逻辑28控制数据分组或其他数据单元在OLT 10和ONT 12，14，16等之间的双向通信。
收发机系统30经由一个或多个适当的接口元件(为清晰起见未示出)与OLT控制逻辑28通过接口连接。OLT控制逻辑28包括通信控制元件(通常为软件或固件的形式)32，其通常的类型是传统地包括在用于控制数据分组或其他数据单元在OLT 10和ONT 12，14，16等之间的双向通信的这种OLT中。通信控制元件32包括协议栈34以及诸如ATM和GEM客户机、滤波器、适配器、帧复用器等的常规元件(为清晰起见未示出)。协议栈34包括，在这种协议栈中传统包括的所有的层，包括处于低级上的、非常接近硬件(即收发机系统30)的传输汇聚(TC)层，以及诸如ONT管理和控制接口(OMCI)层的更高层(为清晰起见未示出)。
如现有技术已知的，TC层定义了为通过硬件(如收发机系统30和PON的其他部分)发送和接收数据的目的而对数据进行成帧和描述的协议。应该注意在本发明的说明性实施例中，协议栈34的TC层包括两个新颖的物理层运行管理维护(PLOAM)协议消息：“配置多播VP”和“配置多播端口ID”。如下所述，这些新消息，与目前由G984.x规范定义的消息一起，将被包括在可用于软件较高层的PLOAM协议消息集内。
ONT 12，14和16的每一个包括ONT控制逻辑36。ONT控制逻辑36控制ONT操作，包括以下关于图2描述的操作方法的ONT部分。ONT控制逻辑36包括与OLT控制逻辑28的元件类似的元件，并类似地包括包含了协议栈34’的通信控制元件38。协议栈34和34’基本上定义了同样的协议，使得OLT 10可以与ONT 12，14，16等进行通信。ONT 12，14，16的每一个都具有一个或多个ATM端口、GEM端口或两种类型的端口。虽然为清晰起见在图1中未示出，但可以将兼容的机顶盒，计算机或其他设备，以传统的方式，连接到这些ONT订户或用户端口之一。例如，用户可以将机顶盒和位于家里一个房间的电视连接到一个端口并且将另一个机顶盒和位于另一个房间的电视连接到另一个端口，使得两个家庭成员可以同时看电视。ONT以如下所述的方式，对哪一个TV频道与哪一个端口相关联保持跟踪。
图2说明了一个示例性操作方法。在步骤40中，ONT12，14，16等之一检测到用户正在使用设备来请求TV频道。例如，用户可以使用与连接到ONT用户端口之一的电视机或机顶盒(或与电视机或机顶盒相关联的远端控制)来改变TV频道。在步骤42，ONT可以检测该请求是要添加用户希望观看的新频道，还是要放弃用户在观看的一个频道。
该请求可以采用，经由ONT用户端口从请求设备接收的、互联网组管理协议(IGMP)的“加入”(Join)和“离开”(Leave)消息的形式。如本领域的技术人员熟知的，加入(Join)消息表示主机设备(如能使用IP多播的机顶盒)希望加入互联网协议(IP)多播组，即由对其将发送IP数据报的单个IP地址定义的一个或多个主机的组。反之，离开(Leave)消息表示主机设备希望离开多播组。
如果请求是要添加(或在IGMP字典中为“加入”)TV频道(多播组)，那么在步骤44，ONT会查阅可以具有图5所示格式的表。这个表将机顶盒或其他设备连接到的ONT用户端口与TV频道的地址相关联。
在步骤46中，ONT确定请求的TV频道是否已经可以由其使用，因为ONT可能已经在向其他用户端口提供那个TV频道(如在同一个住宅中的其他人可能已经在另一设备上观看那个TV频道)。如果ONT已经将请求的TV频道提供给其他用户端口，那么在步骤48，ONT将TV频道在本地提供给用户，如果ONT没有将请求的TV频道提供给其他用户端口，那么在步骤50，ONT将对TV频道的请求转发给OLT 10。
在步骤52，OLT查阅图6的表并且选择可用的虚拟频道。在步骤54，OLT通过更新图6的表以使请求的TV频道的地址与选择的虚拟频道相关联，将选择的虚拟频道与请求的虚拟频道相关联。
在步骤56，OLT 10将物理层运行管理维护(PLOAM)消息发送到请求ONT，以建立选择的虚拟频道。PLOAM消息向请求ONT表明在其上可以发现请求的TV频道的虚拟频道。为说明的目的，取决于由请求设备使用的模式类型(GEM或ATM)，PLOAM消息在此是指“配置多播端口ID”消息或“配置多播VP”消息，该PLOAM消息可以具有分别在图3和4中所示的格式。如现有技术中已知，PLOAM消息分为13个八位字节(octet)，即八比特的组。第一个八位字节可以表示请求ONT的地址，以便请求ONT可以确定它所打算接收的消息。第二个八位字节可以是消息标识符，在现有技术中已知，它为唯一标识PLOAM消息的、分配给每个PLOAM消息的一个数字。第三个八位字节的最后一位表示消息是代表虚拟频道的激活(即添加或分配TV频道)还是代表虚拟频道的去激活(即放弃或解分配TV频道)，并且剩余的比特可以为零。第四个八位字节可以表示选择的虚拟频道的上八位比特，并且第五个八位字节可以表示选择的虚拟频道的下四位比特，剩余的四个比特可以为零。八位字节之一(如第13个)可以用作循环冗余校验(CRC)比特。某些比特(如第6到第12个八位字节)可以为与本发明无关的其他用途保留。
在步骤58，请求ONT在选择的虚拟频道上开始接收TV频道。ONT在设备连接到的用户端口上将TV频道数据提供给请求设备(如机顶盒)。
如果ONT在步骤40检测的请求是要放弃(或在IGMP字典中为“离开”)TV频道(多播组)，那么在步骤64，ONT会查阅图5的表以确定它是否仍向其他用户端口提供该TV频道(如在同一个住宅中的其他人可能仍在另一设备上观看该TV频道)。如果在步骤66中，确定ONT仍然在向其他用户端口提供TV频道，那么在步骤68，ONT将不作任何改变。
如果在步骤66中，确定ONT没有在向其他用户端口提供TV频道，那么在步骤70，ONT将更新图5的表并且将一个消息发送到OLT以表明要放弃(或离开)的TV频道。在步骤72，OLT接收该消息并且，作为响应，在步骤74，更新图6的表以停止在关联的虚拟频道上发送TV频道。
在步骤76，OLT 10发送以上关于图3和图4描述的类型的PLOAM消息，即上述GEM情况下的“配置多播端口ID”或ATM情况下的“配置多播VP”，其中第三个八位字节的最后比特设定为表示去激活(也称为“取消”)在其上正在传送放弃的TV频道的虚拟频道。
本领域的技术人员很清楚，可以对本发明进行各种修改和变化而不会背离本发明的精神或范围。因此，本发明覆盖落入权利要求书及其等同范围之内的对于本发明的修改和变化。