CN107113754B - 通过非确定性网络在网络设备之间传输数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用多信道访问方法通过非确定性网络(100)在网络设备(100、120、130)之间传输数据的方法，其中，不能确定网络设备能否访问非确定性网络(1)，其中，非确定性网络(100)包括多个网络设备(100、120、130)，所述方法包括下述步骤：使多个网络设备(100、120、130)的各个网络设备的时钟彼此同步，将可用于传输数据的时间划分为时隙，为多个网络设备(100、120、130)中的各个网络设备指定相应的连续的时隙对，其中，各个网络设备(100、120、130)仅在被分配给它的相应的时隙对期间传输数据，并且评估多个网络设备(100、120、130)中的网络设备是否应在时隙对的第二时隙中重新传输在所述一对时隙的第一时隙期间已经传输的数据。

Description

通过非确定性网络在网络设备之间传输数据的方法

技术领域

本发明涉及一种通过非确定性网络在网络设备之间传输数据的方法。

背景技术

IEEE 802.11是无线网络的标准，其已经被使用了超过十年，并且提供了能够通过无线接口传输宽带数据的能力。但是第一代(IEEE 802.11b)仅具有有效的数据吞吐量，近来到IEEE 802.11n的更新显著地增大了该数字。利用增加的多个流(多输入多输出，MiMo)，数据吞吐量已经增加到600Mbps，并且未来将继续增加。

第一版IEEE 802.11已经给出了向以太网无线扩展的机会，以及能够运行在802.11PHY/MAC(物理层/媒体访问控制)之上的以太网物理层(例如IP、TCP/IP和UDP/IP)之上运行的所有协议的机会。

对于(有线的)以太网，具有各种的特别是低延时的用于传输媒体数据的协议(例如CobraNet、Dante、Ravenna、AVB和Livewire)。所有的这些协议均对延时、分组速率和带宽具有特殊要求。

802.11 MAC(媒体访问控制)的一个关键特征在于，其使用具有冲突避免(CSMA/CA)信道访问机制的所谓的载波侦听多路访问。多个网络设备可连接到相同的传输介质，以通过传输介质传输并共享传输介质的容量。该机制引发了实际数据传输中的非确定性。从而，这些类型的网络被称为非确定性网络。除了无线网络，这样的非确定性网络的其它示例是总线网络、环网、星形网络或半双工点对点链路。

利用这样的共享非确定性网络的多种网络设备，不能确定网络设备是否能够访问介质。而且，难以或甚至不能预测网络设备是否能够通过非确定性网络传输数据。如果媒体数据(媒体数据分组)被发送至网络接口，则根据非确定性介质是否被感测为忙碌，实际传输可能被延迟。

传统的媒体/数据流应用程序通过添加(大)数据缓冲区来处理这种非确定性，并且只有当缓冲区被填充时才开始播放。然而这为媒体/数据流增添了大量延时(经常为1s以上的范围)。而且，这些已知的实施方式设计用于有线网络，并且通常不与非确定性网络兼容。由于该非确定性，使用CSMA、如MAC(例如802.11)通过非确定性网络发送上述低延时协议并且实现良好的性能是不现实的。

发明内容

从而，本发明的任务是提供一种通过非确定性网络传输数据、特别是低延时媒体数据并实现良好的性能和低延时性的方法。

根据本发明，提出了一种利用独立权利要求1的特征通过非确定性网络在网络设备之间传输数据的方法。

非确定性网络特别是利用(多)信道访问方法的网络即，不能确定网络设备访问非确定性网络所需的时间的网络。尤其是不能确定网络设备能否访问非确定性网络。而且，不能确切地确定网络设备能否通过非确定性网络传输数据(可变的、不可预测的延迟)。根据本发明的方法包括三个阶段：同步阶段、调度阶段和重新传输阶段。

在同步阶段，同步非确定性网络中的网络设备。特别地，同步第一网络设备的第一时钟与第二网络设备的第二时钟。以该方式，多个网络设备中的所有的网络设备都具有相同的时间概念，并且因此以共同的时基操作。优选地利用精密时间协议(PTP)实现该同步。

利用每个网络设备的同步的时钟，能够执行调度阶段。将时间、特别是能够传输数据的可用时间划分为时隙。时隙相应地被指定给网络设备。时隙被划分为成对的连续时隙。这些时隙对被指定给网络设备。因此，始终将连续的时隙对分配给网络设备。

各个网络设备仅能够在它们的相应地被指定的时隙对期间传输数据。特别地，主机、例如非确定性网络的站控制器，将时隙成对分配给网络设备。

由于网络设备的时钟的同步，该调度是可行的。由于所有网络设备的共同的时基，可设定所有网络设备的所有网络设备都能够遵守的绑定时间表。以该方式，能够限定时分复用(TDM)。从而，能够调度网络设备的数据传输。以该方式，能够防止非确定性网络中的自干扰。

优选地，在时隙开始时，在具有固定的时隙偏移的情况下将时隙指定给各个网络设备。因此，在时隙的开始与数据和/或数据分组的开始之间具有固定的时隙偏移量。以该方式，避免了在连续的时隙中不同的网络设备的数据和/或数据分组之间的冲突。

优选地，根据要传输的数据的延时将相应的时隙对指定给各个网络设备。因此，以该方式，实现了具有低延时的数据的传输。

代替地或附加地，根据要利用网络设备传输的当前数据(量)特别地将相应的时隙对指定给网络设备。将相应的时隙对指定给需要传输数据的网络设备。特别地，需要传送数据的网络设备可向主机作出适当的通告。根据这些通告，主机指定时隙。

这些时隙对也可先验地指定。特别地，时隙对能够被连续地指定给网络设备，即，使得各个网络设备能够以固定的顺序和恒定的时间间隔传递数据。还能够根据各个网络设备的优先级向网络设备指定相应的时隙对。这意味着传输较高优先级的数据的具有较高优先级的网络设备被更频繁地指定时隙对。因此，与具有较低优先级的网络设备相比，具有较高优先级的网络设备能够更频繁地传递数据。还能够根据网络设备的活跃度将时隙对分配给网络设备。这意味着，更多对时隙被分配给比较低活跃度的网络设备传递更多数据的更活跃的网络设备。

重新传输阶段解决了网络设备重发数据的情况。特别地，数据被编译成数据分组。网络设备在指定的时隙对的第一时隙期间传输数据/数据分组。此后，评估网络设备是否应该在时隙对的第二时隙中重新传输网络设备在时隙对的第一时隙期间已经传输的所述数据/数据分组。如果评估为网络设备应重新传输数据/数据分组，则网络设备在时隙对的所述第二时隙中重新传输数据/数据分组。

根据本发明，只要可能，网络设备就二次传输数据。评估重新传输数据是否有意义以及是否合理。如果是该情况，则网络设备在时隙对的第二时隙中重新传输数据。从而，数据/数据分组通常由网络设备传输两次。以该方式，能够特别地确保在相应的接收端处收到数据。如果在对应的接收端处未接收到时隙对的第一时隙中的传输或者收到了缺陷，则(几乎)一定接收到该对时隙的第二时隙内的传输。

现有技术的解决方案，例如IEEE 802.11标准、尤其是IEEE 802.11MAC标准提供确认信号(ACK)和重新传输。确认信号(ACK)确认数据的接收。重新传输数据，直到接收确认信号。这些确认信号和重新传输造成了额外的通信量，并且使非确定性网络的数据传递紧张。本发明克服了这些问题。

根据本发明，指定给网络设备的时隙对的第一时隙被保留用于一次发送数据。指定给网络设备的时隙对的第二时隙被保留用于第二次传输数据。从而，不需要应用确认信号。而且，管理和控制了数据的重新传输。

特别地，评估在当前时隙对的剩余时间期间重新传输数据是否有意义或者是否可行。如果评估为不重新传输数据，则数据丢失。然后能够在指定给对应网络设备的下一对时隙中再次传输数据。特别地使用前向纠错(FEC)和/或数据包丢失隐藏(PLC)来执行该评估和重新传输阶段。

本发明防止自干扰并且降低非确定性网络中的通信量。当网络设备通过非确定性网络传输数据时，该数据传输将不被干扰或延迟。非确定性网络不可能太忙或过载，因为在任意给定的时刻仅允许指定的网络设备传输数据。而且，在非确定性网络中的根据本发明的数据传输是确定的。防止了数据传输被不可预测地延迟、取消或干扰。能够以良好的性能和低延时执行数据传输。利用本发明，可使用已建立的标准、如CSMA(如802.11)通过非确定性介质传输数据，然而可实现良好的性能和低延迟。

优选地，通过非确定性网络传输媒体数据。代替地或附加地，优选地通过非确定性网络传输具有低延迟的数据。通过能够实现良好的性能和低延时，根据本发明的方法对于具有低延时的媒体数据和/或数据是特别方便的。非确定性网络尤其是媒体网络的一部分。网络设备特别地设计为多媒体设备，例如电视设备或媒体播放器。本发明对于媒体数据、如音频和/或视频数据通过非确定性网络的流动是特别方便的。

优选地，在重新传输阶段依据数据的生存时间(TTL)执行评估。生存时间限定了合理传递数据的时间或时间间隔。当生存时间已经过去时，数据被丢弃。特别地评估生存时间是否大于数据/数据分组的分组持续时间。如果是该情况，则在时隙对的第二时隙中重新传输数据。特别地，如果剩余的生存时间小于分组持续时间，则判定不应重新传输数据。

网络设备包括至少一个时钟、特别地至少两个时钟。特别地，从设备的一个时钟是CPU时钟，即，对应的网络设备的主时钟。特别地，从设备的另一个时钟是数据时钟，尤其是时间敏感的数据时钟。该数据时钟特别用于通过非确定性网络传递数据。

能够通过大量的合适的方法实现网络设备在同步阶段中的同步。下文中，认为非确定性网络的第一网络设备为主机，并且非确定性网络的第二网络设备为从设备。调节从设备的时钟、特别是从设备的数据时钟，以使从设备的该时钟(称为从设备时钟)适应主机的时钟(称为主机时钟)。

为了同步两个时钟，两个值或参数是特别重要的：偏移量和漂移。偏移量是两个时钟之间的瞬间差异。漂移是该偏移量随着时间的增长。偏移通常还考虑延迟时间(也称为传输延迟时间或传递延迟时间)。该延迟时间是在主机与从设备之间传输数据所需的时间，反之亦然。待锁定的时钟的偏移量和漂移必须为零。特别地，为了将从设备时钟与主机时钟同步，将该从设备时钟的偏移量和漂移调整为零。

在一些已知的实施方案中，漂移用于补偿偏移量和提供控制环路。该控制环路的收敛时间与绝对偏移、包括延迟时间有关。通常要达到锁定状态需要一定的时间，漂移直到从设备时钟的偏移量为零的时间。如果偏移量大，则初始漂移花费长时间。从而，可花费很长时间，直到两时钟同步。

常用的解决方案是从设备系统时钟的硬调整。然而，这可能会对来自该系统时钟的时钟产生(稳定性)影响。此外，使用系统时钟可能引入不期望的行为，例如所有衍生时钟(也称为外设)都将具有“可变”频率，而不是只有需要同步的时钟具有“可变”频率。

根据使非确定性网络中的时钟同步的优选方法，使用确定性方法，而不是适应性方法。在这种确定性方法的过程中，时钟特别地在基于步进的方法中同步。直接确定并特别地补偿漂移和偏移量。以该方式，能够在短时间内非常快地实现时钟的同步。特别地通过交换适当的数据、特别是适当的消息和/或请求来实现同步。特别地以数据分组、即适当的同步分组的形式交换该数据。

特别地，将从设备时钟从非确定性网络中的其它时钟解耦。从而，所有网络设备的时钟彼此解耦。特别地，单个网络设备的每个时钟都从所述网络设备的所有其他时钟解耦，也从任何其它网络设备的任何其它时钟解耦。因此，独立地调整从设备的与主机时钟同步的从设备时钟，并且与非确定性网络中的任何其它网络设备的任何其它时钟分离地调整。

特别地，同步的从设备时钟相应地与从设备的系统时钟或本地时钟、特别是从从设备的CPU时钟解耦。因此，在该方法的过程中，从设备的本地/系统时钟不被调整，并且不需要为了使从设备时钟与主时钟同步而被调整。这为从设备的系统和从本地/系统时钟派生的其他时钟提供了更多的稳定性。时钟的这种解耦提供了许多优点和可能性。从而，能够对数据时钟作出平滑的调整。还能够具有不同速率的多个数据时钟。特别地，同步的从设备时钟是时间敏感的数据时钟。

特别地，日常时间(TOD)用作主机时钟的绝对时间。日常时间包含年、月、日、小时、分、秒和纳秒的信息。时间敏感数据也能够使用日常时间在不同的非确定性网络之间传输。

在基于步进的方法中的第一步骤、即分析步骤中，确定两个时钟的漂移。在第二步骤、即漂移补偿步骤中，通过相应地调整从设备时钟来补偿漂移。利用补偿的漂移，从设备时钟与主机时钟处于稳定状态。

特别地，在从设备时钟的单次更新中实现该漂移补偿。通过该更新，从设备时钟被迫进入所述稳定状态。对于该更新，控制信号与时钟偏差之间的关系必须是已知的。该控制信号特别是利用其调整从设备时钟的信号，特别是通过时钟偏差调整。在该更新之后，主机时钟和从设备时钟处于稳定状态，并且因此在两个时钟之间不存在漂移。但是通常将存在两个时钟之间的(初始)偏移量。

在第三步骤、偏移量修正步骤中确定并且补偿偏移量。特别地，在该第二偏移量修正步骤中，还补偿(传递)延迟时间。特别地，不需要特别地确定延迟时间，而是自动地与偏移量一起被补偿。

特别地，如下确定漂移和偏移量：主机在第一传输时间传输第一同步消息。从设备在第一接收时间接收第一同步消息。主机在第二传输时间发送第二同步消息。从设备在第二接收时间接收该第二同步消息。考虑第一和第二接收时间以及第一和第二传输时间，确定主机时钟与从设备时钟之间的漂移。然后补偿确定的漂移。

特别地利用延迟/回应请求确定从设备时钟与主机时钟之间的偏移量。主机在第三传输时间传输第三同步消息，从设备在第三接收时间接收第三同步消息。此后，从设备在第四传输时间传输延迟请求，主机在第四接收时间接收延迟请求。特别地通过第三接收时间、第三传输时间、第四传输时间和第四接收时间确定偏移量。然后补偿偏移量。

这种在非确定性网络中同步时钟的优选方法对于经由非确定性网络来传输诸如媒体数据这样的时间敏感数据是特别方便的。例如，数间敏感数据能够从第二网络设备传输到第三网络设备。第三网络设备以与第二网络设备相同的方式与第一网络设备、即主机同步。以该方式，也同步了第二与第三网络设备的时钟。因此，与主机时钟同步的从设备时钟特别地是时间敏感数据时钟。主时钟或主机通常特别是时间敏感的数据主时钟设备

时间敏感数据可以是在娱乐系统的非确定性网络中传输的流动数据或流动媒体。时间敏感数据也可以是事件驱动的数据，例如测量或投票数据。这样的数据例如可经由非确定性网络在电子控制单元(ECU)之间传输。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式进一步描述本发明，其中：

图1示意性地示出非确定性网络，所述非确定性网络设计成能够执行根据本发明的方法的一优选实施例，

图2作为流程图示意性地示出根据本发明的方法的一优选实施例，以及

图3作为流程图示意性地示出根据本发明的方法的一优选实施例。

具体实施方式

在图1中，示意性地描绘了非确定性网络、特别是无线网络，并且标记为100，所述非确定性网络设计成能够执行根据本发明的方法的优选实施例。

无线网络100包括多个网络设备。在图1中示例性地描绘了三个网络设备110、120和130。网络设备110、120和130通过标记为101的无线链路相互连接。

网络设备110、120和130被认为是从设备。主机150构成另外的网络设备，主机控制无线网络100。主机150例如设计为无线设备100的站控制器。主机150特别地控制网络设备110、120和130之间的通过无线网络100的数据传输。

无线网络100特别地设计为媒体网络。各个网络设备110、120和130特别地设计为诸如电视设备、媒体播放器和/或高保真设备的媒体设备。网络设备110、120和130通过无线网络100交换数据，特别是以低延时交换媒体数据。为了协调该数据交换，主机150被特别设计成能够执行根据本发明的方法的优选实施例。

在图2中以流程图示意性地描绘根据本发明的方法的该优选实施例。

在步骤210中，主机150在同步阶段期间同步各个网络设备110、120和130的时钟。主机150的时钟分配的时间是绝对时间。网络设备110、120和130的时钟被调节为与主机150的时钟锁定。特别地，主机150与网络设备110、120和130交换合适的同步数据诸如同步消息、延迟请求和延迟响应。

在步骤220中，利用网络设备110、120和130和主机150的同步的时钟，主机执行调度阶段。

主机将可用于无线网络100中的数据传输的时间划分为时隙。而且主机150将相应的连续的时隙对指定给各个网络设备110、120和130。网络设备110、120和130仅在它们的被指定的相应的时隙对期间传输数据。

在步骤230中，开始特定的一对时隙。在步骤240中，在该对时隙期间，对应的网络设备、例如110通过无线网络100将数据传输到接收实体、例如媒体接收设备。在该对时隙之后，开始了由标记250表示的连读的时隙对，并且对应的网络设备、例如120通过无线网络100传输数据。

在图3中，以流程图示意性地具体描绘了根据步骤240的传输数据的过程。

在步骤310中，开始了一对时隙的第一时隙。将关于特定数据和/或特定数据分组的分组触发器激活/触发。从而，在步骤320中，对应的网络设备、例如110传输该特定数据/数据分组。在步骤330中，完成该特定数据/数据分组的传输，并且所述第一对时隙的第一时隙结束。

在步骤340中，评估网络设备110是否将在当前一对时隙的第二时隙中重新传输特定数据/数据分组。

在步骤340中，评估分组持续时间是否小于特定数据/数据分组的生存时间(TTL)。

如果是这种情况(标记341)，则在该对时隙的第二时隙中在步骤350中重新传输特定数据/数据分组。如果不是该情况(标记342)，则执行步骤360。在步骤350中重新传输特定数据/数据分组之后，也执行步骤360。

在步骤360中，网络设备110等待，直到关于数据和/或数据分组的另一分组触发器被激活/触发。然后网络设备110重新以步骤310开始。执行步骤310至360，直到网络设备110的时隙结束。

Claims (6)

1.一种利用多信道访问方法通过非确定性网络(100)在网络设备(110、120、130)之间传输数据的方法，其中，非确定性网络(100)包括多个网络设备(110、120、130)，所述方法包括下述步骤：

-使所述多个网络设备(110、120、130)中的各个网络设备的时钟彼此同步(210)，

-将能够用于传输数据的时间划分为时隙(220)，

-为所述多个网络设备(110、120、130)中的各个网络设备指定相应的连续的时隙对，其中，各个网络设备(110、120、130)仅在被分配给其的相应的时隙对期间传递数据，

-评估所述多个网络设备(110、120、130)中的网络设备是否应在时隙对的第二时隙中重新传输在所述时隙对的第一时隙期间已传输的数据(340)，

其中，所述方法还包括：

保留指定给所述多个网络设备(110、120、130)中的网络设备的时隙对的第一时隙用于一次传输数据，保留指定给所述网络设备的时隙对的第二时隙用于第二次传输数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在网络设备(110、120、130)之间通过非确定性网络(100)传输媒体数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在网络设备(110、120、130)之间通过非确定性无线网络(100)传输具有低延时的数据。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依据待传输的数据的生存时间(TTL)执行所述评估。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在时隙开始时，在具有固定的偏移的情况下将时隙指定给网络设备(110、120、130)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

-其中，所述多个网络设备(110、120、130)中的第一网络设备的第一时钟与所述多个网络设备(110、120、130)中的第二网络设备的第二时钟同步(210)，

-其中，第一网络设备的第一时钟与第二网络设备的第二时钟能够相差一偏移量，并且由于漂移，该偏移量能够随着时间变化，

-其中，使第一网络设备的第一时钟与第二网络设备的第二时钟同步(210)包括下述步骤：

-在第一步骤中，确定第一网络设备的第一时钟与第二网络设备的第二时钟之间的漂移，

-在第二步骤中，补偿第一网络设备的第一时钟与第二网络设备的第二时钟之间的确定的漂移，以及

-在第三步骤中，确定和补偿第一网络设备的第一时钟与第二网络设备的第二时钟之间的偏移量。

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