用于无线计算机网的动态带宽商议方案 相关申请
本申请是Rajugopal R.Gubbi、Natarajan Ekambaram和NirmalenduBikash Patra于1998年9月11日提交，名称为“接入计算机网通信信道的方法和装置”的待审查申请09/151,579的部分继续申请，并转让给本申请的受让人。本发明的领域
本发明通常涉及一种在计算机网内通信的方案，特别是涉及一种分配无线通信链路的可用带宽的方案，该无线通信链路用于中心服务器或其它网络主机装置和多个客户装置之间的通信。背景
现代的计算机网允许在例如个人计算机、工作站、外围单元等等的多个节点之间相互通信。网络链路在这些节点之间传送信息，这些节点有时相隔遥远的距离。但是，迄今大多数计算机网依赖有线链路传送此信息。在利用无线链路的地方，这些无线链路通常是一个非常大型网络的组件，该大型网络例如是广域网，它利用卫星通信链路互连相隔非常远距离的网络节点。在这些情况下，横跨无线链路所用的传输协议通常由传送要传输数据地业务实体来建立，例如电话公司和其它的业务提供商。
在家庭环境下，计算机传统上用作独立应用的设备。但近来，已经采取一些措施将家庭计算机集成到其它的器具中。例如，在所谓的“智能家庭”中，计算机可用来打开和关闭各种器具和控制它们的工作设置。在这种系统中，有线通信链路用于将计算机互连到它要控制的器具。这种有线链路安装昂贵，特别是在住房最初建造以后增加这些线路的情况下。
为了降低与有线通信链路相关的难度和成本，某些互连计算机与器具的系统采用模拟无线链路用于在这些单元之间传送信息。这些模拟无线链路工作在无线电话机共同使用的频率。虽然比传统的有线通信链路易于安装，但模拟无线通信链路遇到许多缺点。例如，由于多径干扰这些链路上会出现信号降级。此外，也会遭受来自已有器具，例如电视、蜂窝电话机、无线电话机等等的干扰。因此，模拟无线通信链路无法为家庭环境提供最佳的性能。
在上述引用的待审查申请09/151,579中，这里并入它作为参考，描述了一种适用于家庭环境的采用数字无线通信链路的计算机网络。该体系结构包括多个以分级方式排列的网络组件，并通过工作在分级体系不同级的通信链路彼此通信连接。在该分级体系的最高级，使用了这样一种的通信协议，即根据工作在网络分级体系的最高级的通信信道内的带宽要求支持在该分级体系的任何一级的新的网络组件动态增加。
此广义的网络结构在图1中示出。子网10包括服务器12。在此方案中，术语“子网”用于描述包括服务器和多个与其有关(例如，通过无线通信链路连接)的客户的一串网络组件。但是，根据讨论的上下文，子网还可以指包括客户和一个或多个与其有关的子客户的网络。“客户”是通过无线通信链路链接到服务器的网络节点。客户的实例包括音频/视频设备，例如电视、立体声组件、个人计算机、卫星电视接收机、有线电视分布节点和其它家用器具。
服务器12可以是控制通信链路的单独的计算机，但在其它情形下，服务器12可以具体体现为主计算机(例如，个人计算机)13附带的增加卡或其他组件。服务器2具有相关的无线电设备14，用于将服务器12无线连接到子网10的其它节点。无线链路通常支持高和低带宽的数据信道和命令信道。这里信道定义为传输频率(更正确的说，是传输频带)和用于扩频通信方案的伪随机(PN)码的组合。通常，多个可用的频率和PN码可以在子网10内提供多条可用信道。如上述引用的待审查申请所述，服务器和客户能够搜索这些可用的信道以找到想得以彼此通信的信道。
子网10中还包括多个客户16，某些客户具有与其相关的静区(shadow)客户18。静区客户18定义成接收与相关客户16相同的数据输入(来自服务器12或另一个客户16)，但与相关客户16无关地同服务器12交换命令。每个客户16具有相关的无线电设备14，用于与服务器12通信，一些客户16具有相关的子客户20。子客户20可以包括与特定客户16有关的键盘、操纵杆、遥控装置、多维输入装置、光标控制装置、显示单元和/或其它输入和/或输出装置。客户16与其相关的子客户20经可以是无线(例如，红外、超声、扩频等等)通信链路的通信链路21彼此通信。
每个子网以分级方式排列，该分级体系的各级对应发生网内组件通信的各级。在该分级体系的最高级存在服务器12(和/或其相关的主机13)，服务器12经无线信道与各个客户16通信。在该分级体系的其它较低级，客户16例如利用有线通信链路或诸如红外链路的无线通信链路与它们的各个子客户20通信。
在服务器12和客户16之间的无线链路上使用半双工无线通信的地方，采用基于具有动态时隙分配的时隙链路结构的通信协议。这种结构支持子网10内的点对点连接，时隙大小可以在一次会话内再商议。因此，支持无线通信的数据链路层可以容纳数据分组处理、分组传输的时间管理和时隙同步、纠错编码(ECC)、信道参数测量和信道交换。较高级的传送层提供所有必要的与连接有关的业务、带宽利用监督、低带宽数据处理、数据广播和可选的数据加密。传输层还为每个客户16分配带宽，连续监督带宽的利用不足或过度利用，也允许任何带宽的再商议，只要在线出现新客户16或其中一个客户16(或相关的子客户20)需要更多的带宽时要求再商议带宽。
用于在子网10内传输实时多媒体数据(例如，帧)的无线通信协议的时隙链路结构在图2中示出。在一条信道内的最高级，在每帧的传输周期内提供固定(但可以商议)时间段的正向(F)和后向或反向(B)时隙。在正向时隙F期间，服务器12会向处于接听模式的客户16传送视频和/或音频数据和/或命令。在反向时隙B，服务器12接听来自客户16的传输。这种传输包括来自客户16或相关子客户20的音频、视频或其它数据和/或命令。在该分级体系的第二级，每个传输时隙(正向或反向)由一个或多个可变长度的无线数据帧40组成。最后，在该分级体系的最低级，每个无线数据帧40包括可以是可变长度的服务器/客户数据分组42。
每个无线数据帧40由一个服务器/客户数据分组42及其相关的纠错编码(ECC)比特组成。ECC比特可用于简化接收侧对数据分组开始和结束的检测。可变长度成帧优选于固定长度成帧，以便在信道状况严峻的时候容纳较小的帧长度，反之亦然。这增加了信道的强壮性并节省了带宽。尽管使用的是可变长度帧，但ECC块长度最好是固定的。因此，只要数据分组长度小于ECC块长度，就截短ECC块(例如，利用传统的虚零技术)。当数据分组较大时，也可以对最后一块ECC比特采用类似的处理。
如图所示，每个无线数据帧40包括报头44，用于同步发射机和接收机的伪随机(PN)发生器。链路ID46是固定长度的字段(例如，在某一实施例中是16比特)，并对该链路是唯一的，因此用于识别特定的子网10。来自服务器12/客户16的数据具有长度字段48所示的可变长度。循环冗余校验(CRC)比特50可用于以传统方式进行检错/纠错。
对于示出的实施例，每帧52分成正向时隙F、后向时隙B、静止时隙Q和多个无线转向时隙T。时隙F表示服务器12-客户16的通信。时隙B是多个小型时隙B1、B2等共用的时间，它们是服务器12为各个客户16分别传输到服务器12而分配给各个客户16的。每个小型时隙B1、B2等包括用于传输音频、视频、话音、有丢失数据(即利用有丢失技术编码/解码的数据或可以容忍发射/接收期间丢失一些分组的数据)、无丢失数据(即利用无丢失技术编码/解码的数据或无法容忍发射/接收期间丢失一些分组的数据)、低带宽数据和/或命令(Cmd.)分组。时隙Q剩下静止，因此当新客户向注册到子网10时，新客户可以插入请求的分组。在从发射到接收和反之亦然地任何变化之间现时隙T，这表示容纳各个无线电设备的转向时间(即，半双工无线电设备14从发射转换到接收的操作或相反所用的时间)。每个这些时隙和小型时隙的持续时间可以通过服务器12和客户16之间的再商议来动态改变，以实现信道最佳可能的带宽利用。注意在利用全双工无线电设备的情况下，每个定向时隙(即F和B)在一个方向时是全时的，不需要无线转向时隙。
正向和后向带宽分配依赖客户16处理的数据。如果客户16是一位视频消费者，例如电视，则为该客户分配较大的正向带宽。类似的，如果客户16是视频产生者，例如视频摄像机，则为该特定客户分配较大的反向带宽。服务器12保持一动态表(例如在服务器12或主机13的存储器中)，该动态表包括所有在线客户16的正向和后向带宽需求。当确定是否授权新客户的新连接时，使用此信息。例如，如果新客户16需要增加任何一个方向的可用带宽，服务器12可以拒绝该连接请求。带宽需求(或分配)信息还可用于判断将分组传送到服务器12之前特定客户16需要等待多少个无线电分组。另外，只要信道状况改变，就有可能增加/减少ECC比特数以符合新的信道状况。因此，根据信源的信息速率是否改变，它需要动态的改变正向和后向带宽分配。本发明综述
在一实施例中，在计算机网的通信信道内的带宽根据计算机网内装置的带宽请求来动态分配。这种请求可以包括释放过多的带宽，除了对额外带宽地请求之外。在某些情况下，通信信道可以是无线、扩频通信信道。
通常，带宽可以根据请求的优先级来动态的分配。例如，这些请求是这样安排的，即与计算机网络内的等时传输有关的请求被给予最高的优先级。
可以保持这样一种带宽分配表(例如，通过网络主机装置)以说明网络内的带宽利用。此表可以包括根据信息流变化的优先级为各种信息流分配的带宽。然后此表可以根据带宽请求和根据带宽请求作出的任何带宽分配来动态地更新。
最好，根据一种处理满足与除等时以外的其它信息流相关地带宽请求，在该处理中，首先满足与最低总带宽利用的装置相关的带宽请求，之后是其它的请求。然后根据有关信息流的优先级及之后根据先来先服务的顺序满足其它的请求。附图的简要描述
本发明用实例来说明，而不是对本发明的限制，在附图中：
图1说明本发明的实施例可以在其中操作的一般网络结构；
图2说明根据本发明的实施例用于在子网内传输数据的分级体系配置；
图3是说明根据本发明的实施例的评价和报告带宽要求过程的流程图；和
图4是说明根据本发明的实施例的容纳带宽请求过程的流程图。详细描述
这里描述的是一种用于动态分配在计算机网的通信信道内的网络主机装置(例如，服务器)和相关网络客户之间的带宽使用的技术方案。本方案通常可用于各种网络环境，但在处于家庭环境的无线计算机网中特别有用。因此，参照家庭环境的特定方面来讨论本技术方案。但是，此讨论决不能看作是对本发明用到或用于其它网络环境中的能力的限制，在此讨论之后的权利要求书中陈述了本发明更宽的精神和范围。
如上所述，子网10内的一些或所有的装置与主机装置(例如，服务器12)动态的商议它们所需的带宽。这种能力特别是在目前只分配了相对较低带宽的装置(例如，客户16)产生新的等时信息流的情况下有用。在这种情况下，客户16可以在连接期间改变为它分配的带宽。实际上，在本技术方案的情况下，子网10内的任何装置在连接期间的任何时候都能请求改变分配的带宽(用于附加的甚至更少的带宽)。最好用一实例解释本技术方案的一些细节。
假设视频源客户加入子网10。此时，在建立最初的连接时，可以为客户提供相对较大的带宽，因为需要这种带宽容纳要传送的视频信息。然后，如果在连接期间的某些时间点存在视频回放的暂停或停止，则目前不再需要较大的带宽。结果，视频客户实际向网络主机请求减少带宽分配。视频客户释放的带宽现在可用于传送来自子网10内不同装置的其它信息流。另一方面，如果视频客户现在需要增加新的信息流，例如音频，则要向主机请求附加的带宽和(如果可用的话)分配相应的带宽。
在本技术方案的实施例中，主机装置(例如，服务器12)跟踪子网10内的所有的带宽分配。如果装置(例如，客户16)请求多于目前可用带宽的带宽，则主机只分配可用带宽。如果要传送的信息流可以容纳在此带宽内，则请求的装置决定使用所分配的带宽。例如，如果要传送的信息流不是等时信息流(等时信息流需要保证的带宽)，则装置确定接受使用分配的带宽。另一方面，如果最初的带宽请求对于等时信息流作出的，则拒绝低于所需带宽的分配并且不连接该信息流。
许多不同的技术方案可用于实现本发明的动态带宽分配方案，这些实现方式的细节对本发明并不关键。已经发现的特别有用的一种实现方式如下所述。允许子网的每个客户装置收集每个信息流在一时间段平均所需带宽的统计信息。这些带宽需求根据信息流的优先级分成四组(等时、高、中和低)。然后，每个装置比较每个优先等级内的平均带宽需求与当前分配的带宽(例如，当装置加入子网时最初商议的带宽)。如果所需的带宽小于分配的带宽，则该装置释放过多的带宽，例如通过向主机装置发送通知消息。另一方面，如果所需的带宽超过当前分配的带宽，则向主机发送更多带宽的请求。
在主机装置，收集来自子网内所有装置的请求并与子网内可用的总带宽相比较。如果当前分配的带宽已经等于可用带宽(在考虑到任何一个网络客户释放的带宽之后)，则拒绝附加带宽的请求并通知各个客户装置。但是，如果可以得到附加带宽，则附加带宽的请求如下分配。首先，分配传送等时信息流的附加带宽的请求。如果在已经满足这些请求以后仍然有带宽可用，则依次访问高、中和低优先级信息流的请求。在任何一个信息流优先级内，按照下面的优先级顺序分配带宽：
1.首先满足当前分配的总带宽最低的装置的请求；
2.接下来满足当前优先级的当前分配的总带宽最低的装置的请求；和
3.根据先来先服务满足其它的请求。
为了本发明的带宽分配方案，如表1所示，主机装置保持列出在每个客户装置为每个信息流优先级已分配的带宽(例如，兆比特/秒)、在每个装置中每个信息流优先级需要的带宽和请求时间的列表。当做出新的带宽请求和/或当释放过多的带宽时这些值可与实际可用的带宽(可单独的存入同一表中单独的项)比较。每次做出/满足新的请求和/或当释放过多的带宽时，更新带宽分配表(可以存入主机13或服务器12的存储器中)。为了分配带宽，主机装置的要求当做子网内其它装置的同样的要求被处理。
表1装置 优先级分配的带宽(Mbps)需要的带宽(Mbps)请求时间装置0(主机) 等时 高 中 低装置1(客户1) 等时 高 中 低 . . .装置N(客户N) 等时 高 中 低
总结上述的过程，每个网络装置周期地评价带宽要求/分配，如图3所示。最初，每个装置确定在每个上述优先级别中的平均带宽要求(步骤60)。然后这些要求与当前的带宽分配进行比较(步骤62)，做出关于当前的分配是否适当的确定，包括过多的带宽或提供不足的带宽(步骤64)。如果当前的分配适当，则不需要进一步的行动，并且装置周期地重复带宽评价(步骤66)。如果当前的带宽多于所需的带宽，则装置通过向网络主机告知这种情形并请求分配新的降低的带宽来释放过多的带宽(步骤68)。但是，如果当前的分配不足，则装置向主机传送附加带宽的请求(步骤70)。
至于网络主机，如图4所示管理动态带宽分配和请求。从网络装置(包括主机自己的报告)接收带宽报告(例如，请求新的分配)(步骤80)并在考虑到释放的带宽后，比较当前的利用方案(步骤82)。检验比较结果以确定是否有过多的带宽剩余保留(步骤84)。如果没有，则拒绝附加带宽的请求(步骤86)。
但是，如果附加带宽可用于子网中，则可以满足容纳等时信息流的新的带宽请求直到总的可用带宽(步骤84)。如果满足所有的这些请求(或者如果没有)，则检验是否有其它的带宽可用(步骤90)，如果有，则按照上述讨论的顺序满足其它的请求(步骤92)。当然，如果没有带宽可用或此时用尽，则拒绝其它的请求。在接收和分析新的带宽报告的同时周期地重复此过程。
尽管附图中没有详细示出，但可以理解可响应主机的请求来接收带宽报告。例如，如果主机装置需要容纳来自一装置的高优先级的信息流，则主机请求带宽报告以确定哪个装置具有能释放的可用带宽来容纳该高优先级的信息流。根据此信息(它甚至表示具有高优先级的信息流地装置具有其它的带宽，例如与可以释放的另一个(低优先级)信息流相关地带宽)，主机可以开始商议释放带宽来容纳高优先级的信息流。
因此，描述了一种在计算机网的通信信道内用于动态分配带宽的方案。尽管参照特定的实施例进行描述，但本发明并不局限于此。相反，本发明只能用随后的权利要求书的术语来衡量。