CN101026569B - 用于减小数据分组传输中的脉冲噪声的影响的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于减小通信线路(102)上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响的设备(112)至少部分上根据通信线路(102)的物理层特性而被配置。作为例子，数据分组重传设备(112)可能被配置为响应于每个重传请求而重传一定量的数据分组，所述量取决于物理层交织时延ID和/或数据比特率DBR。

Description

用于减小数据分组传输中的脉冲噪声的影响的设备和方法
技术领域
本发明一般涉及减小通信线路上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响。脉冲噪声是短时的噪声，其通常但并非一定影响通信线路上的宽频率范围。其典型地是通信线路邻域中的短时干扰或事件的产物，例如，电车或火车经过部署在轨道附近的通信线路，或者家用电器的变化，例如开/关电灯、调光器、冰箱、洗衣机、干燥器、电梯等。这种电器中的变化典型地导致针对例如内部或接入网络中的数据分组传输所使用的频谱范围从几百微秒至几秒的噪声突发。脉冲噪声可以穿过协议栈，并且可能影响从数据链路层至应用层的高层。因此，未校正的脉冲噪声可能导致降低终端用户的体验质量的数据分组破坏，即数据分组的丢失或影响。在例如视频部署的情况下，在物理或高层仍未校正的脉冲噪声可能对观看者带来视觉假相。由脉冲噪声产生的稳定性问题预期在将来会增长，特别是在被部署于性能边缘附近的线路上，例如用于DSL(数字用户线)网络中的双绞铜线。由于网络运营商乐于升级这种通信线路以提供更高的比特率来实现三合一服务，脉冲噪声影响的减小因而将是主要的挑战之一。
应当指出，在本专利申请的上下文中的“通信线路”应当被宽泛地解释为覆盖了用于数据分组传输的任何有线或无线传输介质。例子是部署于传输、接入或内部网络中的如ADSL线路(非对称数字用户线)或VDSL线路(甚高速数字用户线)的数字用户线、同轴电缆或光纤，无线链路，如GPRS链路(通用分组无线服务)、UMTS链路(通用移动电信系统)、内部无线LAN连接等。在本专利申请上下文中的“数据分组”是指作为单一实体被传输的任何固定长度或可变长度的数据字节或比特组。换句话说，它还覆盖了数据帧、数据信元、数据字、数据符号、数据段等。例子是在通信线路上传输的、包含1500个连续视频流字节的视频分组。
背景技术
用于减少由脉冲噪声引起的分组丢失的现有机制可以被归类为重传机制或前向纠错(FEC)机制。
重传机制在于通过重发已经针对其而接收到重传请求的数据分组来修复被破坏的数据分组。重传请求可以由已接收了受到不可恢复影响的数据分组的接收器发出(这种实现通常称作ARQ或自动重传请求机制)，或者可选地可以由定时器发出，该定时器等待接收器确认数据分组的接收但在从发送该数据分组开始的预定时间内未接收到该确认。也详细描述了二者的组合，即来自接收器的对于受到不可恢复损坏的分组的重传请求，和来自发送器中或附近的定时器的、对于未被确认的或丢失的数据分组的重传请求。
重传典型地在高层完成，即物理层以上的协议栈层，例如TCP层或传输控制协议层。
重传也已针对物理层而被建议，例如法国电信的标题为“Impulse NoiseCorrection in SDSL Using Retransmission Request”的ETSI SDSL标准文献054t34。在这个标准文献中，建议在SDSL(对称数字用户线)系统的PMD(物理介质相关，Physical Medium Dependent)层实现在SDSL发送器中记录最近传送的数据段。SDSL接收器可以通过指示要重发的数据段的段号，来请求重传由于铜线对上出现脉冲噪声而被破坏的数据段。接收重传请求的SDSL发送器优先处理该请求。
重传的另一种实现是如在美国专利6,931,569中公开的双层重传方案。这里，接收器的链路层和发送器的物理层包括为差错恢复而彼此交互的增强。检测到丢失的或受影响的数据分组的接收链路层向发送物理层发送重传请求，以发起对受破坏分组的重传。
其他重传方案可在2003年的A.S.Tanenbaum的“ComputerNetworks”第四版、特别是在章节3.3和3.4中找到。
现有重传机制在通信线路上是低效的，其具有高丢失(由于重传固有的带宽扩展)、高时延(由于重传固有的延迟)。已知的重传机制与介质无关，这意味着它们被配置为在每个线路上等同地操作，而不考虑线路的物理条件和/或物理配置。
前向纠错(FEC)机制是基于FEC码的计算的，即一些冗余比特或字节，其被添加给每个数据分组并可以被用在接收器的解码器中以恢复例如由脉冲噪声引起的差错的有限数量的传输差错。常用的FEC机制例如是Reed-Solomon编码、基于奇偶的编码、Harris Ascent编码等。一些FEC机制的概述及它们特别针对广播或组播应用而减小分组丢失影响的效率，在作者为Jeffrey S.Pattavina的出版物“Mitigating Packet Loss in IPAudio，Multicast Transmission”中被给出。该出版物可以在以下网址找到http://www.commsdesign.com/show Article.jhtml？articleID＝18901393。
FEC机制通常被实现在物理层，并且通常与交织(interleaving)相组合。通过在发送器交织并在接收器去交织连续FEC码字的数据字节，短时噪声或脉冲噪声的影响在几个FEC码字上扩展，这增加了接收解码器能够恢复由脉冲噪声引起的差错的机会。Reed-Solomon FEC和交织例如用在ADSL(非对称数字用户线)环路上。物理层FEC编码器/解码器和交织器/去交织器的组合配置，确定了对于通信线路的脉冲噪声保护或INP的量。这种脉冲噪声保护或INP可以被看作是通过FEC和交织来保护线路以使其免于脉冲噪声突发的最大长度。与INP无关，也可以配置DSL线路所消耗的最大时延。最小INP和最大时延需求二者确定了编码和交织参数。ADSL线路可以例如在其物理层被配置为具有最大时延为16毫秒的两个DMT(离散多音调)符号的最小INP。
高层的重传技术可以与物理层的FEC技术相结合，以减小长度上超过INP的脉冲噪声突发的影响。在其中FEC被用于修复单一分组丢失，而重传被用作附加恢复机制的两种机制间的协作，例如在RFC 2354的段落4.1“Options for Repair of Streaming Media”中被建议，其发表于IETF网站上并可从以下网址下载：http://www.ietf.org/rfc/rfc2354.txt？number＝2354。
当脉冲噪声突发超过通过FEC机制所保护的线路上的INP时，将发生较大的差错突发，其典型地影响几个数据分组。这种差错突发将引入高层的相关数据分组破坏，即多个连续的数据分组同时丢失或受影响。例如，可以考虑ADSL线路，其物理层交织功能被配置为引入16毫秒的交织时延。当超出脉冲噪声保护时，由于交织功能将连续的被破坏字节展开至少16毫秒，因此将发生至少16毫秒的差错突发。如果ADSL线路被用于传送长度为1500字节的视频分组，并且假设该ADSL线路上的下行比特率为4Mbps(兆比特每秒)，则将被破坏的连续视频分组的数量至少是：
ceil[16.10-3s×4.106bits/s/(1500×8bits/packet)]＝6packets因此，在物理层的配置确定了数据分组破坏的突发度。传统的现有技术重传机制可以与FEC和交织技术相结合，但它们与物理介质无关。换句话说，这种重传技术对于所有线路被等同地配置，并且不考虑例如数据破坏突发度的线路间的差别。
最后，公认地已知在例如RTP(实时协议)层的高层应用FEC机制以克服低层的差错突发。这种高层FEC机制还与介质无关地被配置，即不考虑不同线路之间的物理层差别。这种FEC机制可以在J.Rosenberg等的标题为“An RTP Payload Format for Generic Forward ErrorCorrection”的IETF RFC 2733中找到。这个1999年12月的RFC可以在以下网址找到：http://www.ietf.org/rfc/rfc2733.txt？number＝2733。其中可找到这种FEC机制的另一出版物是ProMPEG论坛的论文“Transmissionof Professional MPEG-2Transport Streams over IP Networks”，其可以从http://62.73.167.57/publications/pdf/Vid-on-IP-CoP3-r2.pdf下载。还存在专有FEC码，例如所谓的Raptor码，该码在Digital Fountain的网站上的“DF Raptor FEC Technology”中被说明，其可以在以下网址找到：http://www.digitalfountain.com/technology/index.cfm。
本专利申请的目的是公开一种用于减小通信线路上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响的设备和方法，其克服了上述的现有脉冲噪声减小技术和这种技术的组合的缺点。
发明内容
根据本发明，刚才定义的目的通过一种用于减小通信线路上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响的设备而被实现，至少部分上根据所述通信线路的物理层特性来配置所述设备。这种设备在权利要求1中被定义。
实际上，当根据线路的物理层特性来配置脉冲噪声减小技术时，更好地保证了从一端传送至另一端的数据分组的完整性。这样，脉冲噪声减小技术，例如重传机制或FEC机制，可能根据例如比特率、延迟、每FEC码字的DMT符号数、交织深度等因线路而不同，这因此补偿了不同线路的物理层特性之间的固有差别。
当运营商具有不同的每线路配置时，根据本发明的重传机制或FEC机制甚至可以通过考虑最坏情况下的线路条件、在全网络范围内被配置，所述最坏情况下的线路条件例如是DSL链路上的最坏情况时延。
本发明还涉及如在权利要求12中定义的一种物理层代理，以及如在权利要求13中定义的一种用于减小通信线路上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响的方法。
由权利要求2定义的根据本发明设备的可选特征在于，所述设备是数据分组重传设备，其包括：
a.用于存储最近发送的数据分组的装置；
b.用于接收对于破坏的数据分组的重传请求的装置；
c.用于生成超时的装置；以及
d.用于至少重传破坏的数据分组的装置。
实际上，根据本发明的用于减小脉冲噪声的影响的设备的一种可能实例是重传设备，其基于来自接收器和/或定时器的重传请求而操作，其中所述定时器在没有接收到任何确认或重传请求时生成超时。如将在下面说明的那样，存在可选的实现，例如前向纠错设备。
应当指出，所述重传请求可以从已接收破坏的数据分组的接收器来接收，或者可选地从在发送器中或其附近的、等待来自接收器的确认的定时器来接收。
根据本发明的设备的另一可选特征在于，其可以被配置为响应于每个重传请求而重传一定量的数据分组，所述量取决于所述通信线路的物理层交织时延ID。这个可选特征由权利要求3定义。
如上面已说明的，所述物理层交织时延确定了分组丢失的突发度，因此确定了将被超过脉冲噪声保护INP的脉冲噪声突发所破坏的连续数据分组的数量。因此，相应于例如将被脉冲噪声突发破坏的最小数据分组量而自动重传一些数据分组的设备，利用物理层特性来提高重传机制的效率。
可选的或其他可选特征可能是考虑脉冲噪声持续时间的直方图。如果交织时延太低，则脉冲噪声突发可能大于该交织时延。因此，如果交织时延的统计可用，则突发度将通过max(交织时延，脉冲噪声突发长度)来确定。然而，脉冲噪声持续时间的直方图并非总是可用。
根据本发明设备的又一可选特征在于，其可以被配置为根据通信线路的物理层数据比特率DBR、响应于每个重传请求来重传一些数据分组。该可选特征由权利要求4定义。
这个特征是基于这样的见识：将被特定持续时间的脉冲噪声突发所破坏的数据分组数量与通信线路上的数据比特率成比例(至少当假设所有数据分组具有相同长度时)。因此，将重传配置为自动在具有较高数据比特率的线路上重传更多数据分组，将比传统的物理介质无关的重传机制更有效地操作，所述物理介质无关的重传机制对于所有线路被等同配置。
由权利要求5定义的另一可选特征在于，被重传的数据分组的量被配置为等于ceil(ID×DBR/DPL)，其中ID是交织时延，DBR是线路上的数据比特率，而DPL是数据分组的分组长度。注意，需要最高限度(ceiling)获得整数值的分组数量。
可选地，被重传的分组的量可以被配置为等于例如ceil(ID×VBR/DPL)，其中，VBR是视频比特率。在视频比特率远远低于线路上的比特率的情况下，分组在时间上被扩展，其间可能具有例如来自高速因特网的其他业务。在这种情况下，视频分组不是紧接着的。这意味着将击中较少数量的视频分组，这假设在重传仅关于视频业务被激活的情况下。
再次假设固定的数据分组长度和具有交织功能的物理层，ID×DBR/DPL将在长度超过由FEC和交织产生的脉冲噪声保护的脉冲噪声突发的情况下，与破坏的连续数据分组的最小量相对应。因此，通过在每次接收到重传请求时自动重传这个数据分组量，线路的性能在由重传方案引入的延迟和带宽开销方面被优化。
作为根据权利要求2的重传设备的替代，根据本发明的用于减小脉冲噪声的影响的设备的可能实例可以是如由权利要求6定义的前向纠错设备。
实际上，特别是在高层(即物理层以上的层)实现的前向纠错设备，可以根据物理层特性来被配置，以变得与线路相关且更高效。
针对根据本发明的前向纠错设备的一种选择是，其是根据通信线路上所测量的脉冲噪声的物理层到达间隔时间统计来被配置的。该可选特征由权利要求7定义。
实际上，FEC编码/解码可能随链路而不同，这取决于针对各个线路上的脉冲噪声所收集的到达间隔时间统计。应当指出，实际上，所述到达间隔时间统计将确定要在线路上被配置的DSL时延，该DSL时延又确定了高层重传或FEC参数的配置。
用于根据本发明的前向纠错设备的又一可选特征在于，被重传数据分组的量被配置为等于ID×DBR/DPL，其中ID是交织时延，DBR是线路上的数据比特率，而DPL是数据分组的分组长度。该特征由权利要求8定义。
如由权利要求9至11所指出的，根据本发明的设备可以被集成到芯片中(例如数字ASIC)、可以被集成到服务器中(例如执行对于几条线路的重传的重传服务器)、可以被实现在线路卡上(例如DSLAM或数字用户接入多路复用器中的ADSL或VDSL线路卡)等。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于减小脉冲噪声的影响的设备的实施例，所述实施例是接入节点中的重传设备的实例。
具体实施方式
图1示出了ADSL CO(中心局)101，ADSL CPE(客户端设备)103经由双绞铜线102连接到该ADSL CO。假设ADSL线路用于视频传输。假设从网络深处且图1中未示出的视频或TV服务器接收的视频分组具有1500字节的分组长度PL。
典型集成到中心局101中的ADSL线路卡上的数字ASIC或DSP中的ADSL物理层功能，在图1中用功能块111表示。关于本发明应当理解，在中心局101所接收的视频分组在物理层111被转换成Reed-Solomon码字，并且这些Reed-Solomon码字在被转换成DMT(离散多音调)符号之前被交织，其中该DMT符号通过线路102上的ADSL下行信道而被传送到ADSL CPE 103。假设根据针对交织的ADSL标准规范操作的物理层111中的交织器，被配置为引入例如16毫秒的交织时延ID。如在ADSL初始化过程中所确定的、从ADSL CO 101到ADSL CPE 103的下行信道上的数据比特率DBR，被假设为例如4Mbps(兆比特每秒)。
图1所示的ADSL线路还通过操作于物理层以上的层的重传机制、针对脉冲噪声而被保护。这个重传机制在图1中用块112在功能上表示。作为例子，假设重传功能112被集成到数字ASIC 110中，物理层功能111也构成数字ASIC 110的一部分。
按照物理层111的配置并且具体按照交织特性和包括线路上的数据比特率DBR的附加物理层特性，来调整重传功能112，其中所述交织特性是交织深度和每RS码字的DMT符号数或时延ID。此外，物理层111包括代理，该代理与高层的重传功能112接合并且与其共享参数ID和DBR。重传功能112包括定时器，该定时器在已超出特定时间间隔且没有从ADSL CPE 103中的接收器接收到任何确认时，指示视频分组被破坏(丢失或被影响)。应当指出，这还可以反向进行，其中交织时延可能对于上行和下行而不同。重传功能112因此从其存储了最近发送的视频分组的存储器中选择若干连续的视频分组，这开始于被破坏的一个分组。所选择的连续视频分组的数量是通过在物理层可知的时延来确定的，并且被配置为最小等于：
ceil(ID×DBR/PL)
根据上面的假设，所选视频分组的数量因此最小等于：
ceil[16.10-3s×4.106bits/s/(1500×8bits/packet)]＝6packets，以被破坏的视频分组作为开始，重传功能112因此将自动重发六个连续的视频分组，而不考虑这些视频分组是否被有效地破坏。
对于经由不同铜线对从ADSL CO 101延伸到不同ADSL CPE的其它ADSL线路，物理层特性可能不同，这导致对于这些线路上的重传功能的不同配置。根据那些线路上的交织时延和实际下行比特率，每次接收到重传请求时被自动重传的连续分组的数量可以大于或小于6，这取决于该线路上的物理配置。总之，由于所述重传功能将被配置并调整为线路上的物理特性，因此在脉冲噪声面前每个ADSL线路的性能将被优化。
图中未示出的第二实施例可以是这样的用户线路，其中在例如RTP层的高层使用FEC来克服低层的脉冲噪声差错突发。根据在用户线路上(例如由远程终端)所执行的脉冲噪声测量而导出的、例如到达间隔时间统计的物理层脉冲噪声信息，可以被用来配置RTP FEC功能。这里，时延将起作用。结果，该RTP FEC功能将随用户线路而不同，这优选地利用了对用户线路的物理特性的知识。上面引用的出版物之一中的Pro-MPEG FEC方案例如是二维FEC方案。这个Pro-MPEG FEC方案是基于奇偶(XOR)计算的，其中基于RTP分组矩阵的列和行进行该计算。基于行计算的FEC分组恢复单个分组丢失，而基于列计算的FEC分组恢复分组突发丢失。根据本发明，行数必须由丢失分组的突发长度来确定。因此，这个数目以与重传方案类似的方式而取决于物理层设置。
应当指出，如交织时延的物理层特性可以在初始化时间或在初始化(show time)期间被改变。如果RTP FEC保护功能或重传协议需要对于发送和接收端二者以同步的方式被在线重配置，则根据本发明的这种物理层特性的在线适配可能影响例如RTP协议层的高层。
尽管已经参考图1示出的指定实施例描述了本发明，然而可以在本发明的精神和范围内进行各种改变和修改，对于本领域的技术人员是显而易见的。因此设想覆盖了落在本专利申请所公开且主张其权利的基本原理的精神和范围内的所有修改、变型或等价物，其根据物理层特性来配置脉冲噪声减小功能-即高层的重传功能或FEC功能。例如，ADSL上下文仅作为例子而被给出。本领域技术人员应当理解，本发明的变型实现可以被实现在ADSL环路上，例如有线或无线LAN连接、接入用户线、传输线路等。另一种更加人为的选择是将物理层功能和重传功能集成到单一ASIC中。更有可能使重传功能构成服务于几条线路的服务器的一部分。这种服务器可能构成分离的卡的一部分，其中所述卡包含重传缓冲器或存储器，以及用于处理多个ADSL线路的重传的处理能力。可选地，重传功能可以被实现在DSLAM或接入节点外部的分布式服务器中。同样，被选择用来调整上述重传功能的物理层参数(即交织时延ID和数据比特率DBR)是作为例子而被选定的。再次，本领域技术人员应当认识到，各种其他物理层参数或其组合可以用作输入来配置高层的重传功能或FEC功能。例如在ADSL的情况下，Reed-Solomon码字的数量或所谓的物理层参数，可以被用来配置高层的重传。还应当指出，重传功能可能被实现在物理层或例如TCP层的高层。因此，有可能在接入节点代理视频业务，或者将物理层特性或要重传的分组的数量传送给TCP发送主机或者不同层，所述不同层例如是对于基于UDP的重传的UDP(用户数据报协议)传输层。此外，图1中示出的且在上面说明的功能块可以以软件、硬件或软件和硬件的组合来实现，这对于电信设备领域的技术人员是显而易见的。

Claims (5)

1.一种用于减小通信线路(102)上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响的数据分组重传设备(112)，所述数据分组重传设备包括：
a.用于存储最近发送的数据分组的装置；
b.用于接收对于破坏的数据分组的重传请求的装置；
c.用于在没有接收到任何确认或重传请求的情况下生成超时的装置；以及
d.用于至少重传所述破坏的数据分组的装置，
其特征在于，所述用于重传的装置被配置为响应于每个重传请求而重传以所述破坏的数据分组为开始的一定量的数据分组，所述量取决于所述通信线路(102)的物理层交织时延ID并且被配置为等于ceil(ID×DBR/DPL)，其中DBR是线路上的数据比特率并且DPL是所述数据分组的分组长度。
2.根据权利要求1的数据分组重传设备(112)，
其特征在于，所述设备被集成到芯片中。
3.根据权利要求1的数据分组重传设备(112)，
其特征在于，所述设备被集成到服务器中。
4.根据权利要求1的数据分组重传设备(112)，
其特征在于，所述设备被实现在线路卡上。
5.一种用于减小通信线路(102)上的数据分组传输中的脉冲噪声的影响的数据分组重传方法，所述数据分组重传方法包括：
a.存储最近发送的数据分组；
b.接收对于破坏的数据分组的重传请求；
c.在没有接收到任何确认或重传请求的情况下生成超时；以及
d.至少重传所述破坏的数据分组，
其特征在于，所述方法包括响应于每个重传请求而重传以所述破坏的数据分组为开始的一定量的数据分组，所述量取决于所述通信线路(102)的物理层交织时延ID并且被配置为等于ceil(ID×DBR/DPL)，其中DBR是线路上的数据比特率并且DPL是所述数据分组的分组长度。
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