CN101517944B - 向通信装置提供分组的方法、同步分组分配的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于将分组信息的分配同步的设备和方法。在一个实施例中，本发明包括时间戳处理逻辑和业务同步排队逻辑，其中时间戳处理逻辑处理分组信息内嵌入的发送时间指示符，发送时间指示符是基于时间基准的，业务同步排队逻辑保留分组信息直至在发送时间指示符之后经过一时间偏移，其中业务同步排队逻辑被同步至时间基准。

Description

向通信装置提供分组的方法、同步分组分配的方法和系统

相关申请的交叉引用 

本申请要求于2006年8月22日提交的序列号为60/839,549的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容被并入本文中作为参考。 

技术领域

本发明主要涉及对计算机网络中的分组业务量的处理。更具体而言，本发明涉及将分布式网络上的分组业务的分配进行同步。一个例子是将到达移动用户的实时流业务的分配进行同步。 

背景技术

近年来，对通过分布式网络传递实时应用和业务的需求增长得很快。分布式网络，尤其是其中的用户设备是移动设备的分布式网络，在用户设备在网络中移动时，通常会将用户设备从一个接入站(access station)越区切换(hand off)到另一个接入站。越区切换的目标是保持移动用户运行的当前业务继续进行，并且理想情况下不会降低业务质量，这是通过确保任何时刻正在进行的那些业务都是由为移动用户提供最好的服务的接入站来提供而实现的。在越区切换期间，用户设备可用诸如接收的信号功率或比特差错率这样的度量来测量来自多个接入站的入链路(incoming link)的质量。当来自为用户设备提供业务的第一接入站的入链路的质量变得比来自第二接入站的入链路的质量差相当多时，用户设备可切换成从第二接入站接收业务。 

图1示出了通过分布式网络140从信源100分配到用户130的分组业务120。分组业务120经由路径121和122横穿过网络140，到达多个接入站110和112。接入站110和112将分组业务发送到用户130。在越区切换期间，用户130可从自接入站110接收分组业务120切换到自接入站112接收分组业务120。每个接入站可以是基站收发信台(基站)，用户130可以是移动用户。 

若分组业务120是诸如流视频这样的实时业务，在对分组业务120进行越区切换出现一个难题，即在接入站110和112处(穿过路径121和122的)分组业务120的分组不是同步的。这意味着，当用户130从接入站110越区切换到接入站112时，由接入站112发送的代表分组业务120的分组流可能会提前于或落后于由接入站110发送的代表分组业务120的分组流。 

图2示出了在接入站110和112处分组业务120的给定分组的到达时间的失配的可能范围的例子。时间失配的量主要由分组在路经121和122上经历的分组延迟和分组延迟变化或抖动来限定。分组在路径121上经历的最小网络延迟202和网络抖动可以是零到最坏情况下的网络抖动204之间的任意值。分组在路径122上经历的最小网络延迟222和网络抖动可以是零到最坏情况下的网络抖动224之间的任意值。在此实例中，主要由于路径121和122上传输延迟和最小处理延迟的差异，最小网络延迟202和最小网络延迟222通常是不同的。传输延迟是由于信号以光速在给定物理介质上传播的距离造成的延迟，并且路径121和122上的传输延迟通常是不同的，因为接入站110和112通常位于不同物理位置处。最小处理延迟是由于分组穿过的设备对分组进行的处理(包括排队)造成的最小延迟。在路径121和122上这种延迟可能是不同的，因为每条路径上的分组通常会穿过不同设备组和/或设备内的不同内部路径。网络抖动经常在分组网络中变化很大，并且与路径有关。这种变化的原因在于，例如由于分组在路径121和122上穿过的设备处的多个突发通信量数据流的复用造成的变化的排队延迟，以及这些延迟与例如传输控制协议(TCP)等网络协议的操作的相互作用。最坏情况的网络抖动204和224分别是路径121和122上的网络抖动的最高值。给定分组在路径121和122上经历的实际网络抖动可分别在零与最坏情况的网络抖动204和224之间的范围。 

信源100发送的分组在路径121上到达接入站110的最短时间，最小延迟210，在此实例中等于最小网络延迟202。信源100发送的分组在路径121上到达接入站110的最长时间，最大延迟212，在此实例中等于最小网络延迟202与最坏情况下的网络抖动204的和。类似的，信源100发送的分组在路径122上到达接入站112的最短时间，最小延迟230，在此实例中等于最小网络延迟222。信源100发送的分组在路径122上到达接入站112的最长时间，最大延迟232，在此实例中等于最小网络延迟222与最坏情况下的网络抖动224的和。分组到达接入站110和112的最坏情况下的时间失配250 是路径121上的最大延迟212与路径122上的最小延迟230之间的差。给定分组在接入站110和112的实际时间失配可以为近似于零到最坏情况下的时间失配250这一范围的任意值。 

在大多数设计良好的网络中，99％以上的分组的最大延迟212和232都在合理的极限值以下，诸如100毫秒。如果网络的范围较小，分组从信源100穿过网络到达接入站110和112的最小网络延迟202和222可能远小于100毫秒。然而，这种网络中的某些分组可能会经历接近100毫秒的最坏情况下的网络抖动204和224。根据图2，这意味着分组到达接入站110和112的最坏情况下的时间失配250也接近于100毫秒。这意味着，在越区切换期间，当用户130从接入站110切换到接入站112时，用户130可能丢失100毫秒的分组业务120。这是因为，在此实例中，由接入站112发送的代表分组业务120的分组数据流比接入站110发送的代表分组业务120的分组数据流提前。这种相当大的最坏情况下的时间失配可能会降低越区切换期间的实时业务的质量，因为相当多的分组信息量可能会被丢失或被重复接收。可能导致的质量降低的例子是实时视频的严重短时脉冲干扰(glitching)，或者甚至是分组业务120的漏失(dropping)。 

在一种现有的解决方法中，抖动对分组业务120的影响可通过在网络终端处分别延迟所接收的分组业务120中的分组来减小，网络终端例如是在路径121或122上正好在接入站110或112之前的网络设备。在业务的起始点处，这些接收到的分组被堆积在每条路径121和122上的分组业务120的接收队列中。这些接收队列的效果是通过在路径121和122上增加最小网络延迟202和222，来用延迟取代最坏情况下的网络抖动204和224。然而，即使是对最坏情况下的网络抖动204和224的有效减小，也不会消除分组到达接入站110和112的时间失配，或者在这种时间失配存在时越区切换期间发生的实时业务的质量下降。在业务起始点上添加到路径121和122上的延迟量，无论其大小在网络终端之间是恒定的，还是根据对最坏情况下的网络抖动204和224的估计，都不能确保路径121和122上的总延迟相等，而这是消除时间失配所需要的。这种接收排队的方法甚至还可能会增大分组到达接入站110和112的时间失配，相应地可能会使实时业务的质量降低。造成这种情况的一个原因是，添加到路径121和122上的延迟量通常并不与分组业务起始点处的接收队列的填充水平相对应，因为在业务起始点处用于填充接 收队列的分组通常已经经历了变化相当大的网络抖动。 

为了消除这些缺点，希望能提供一种通过消除实时分组业务的分组到达诸如基站这样的接入站的时间失配来对分布式网络的分组业务进行同步的方法。还希望能提供一种网络设备，这种网络设备能有助于对这种分布式网络的分组业务进行同步。 

发明内容

本文中描述了用于同步分组信息的分布的设备和方法。本发明的一个实施例包括时间戳处理逻辑和业务同步排队逻辑，其中时间戳处理逻辑处理分组信息内嵌入的发送时间指示符，该发送时间指示符是基于时间基准的，业务同步排队逻辑保留该分组信息直到发送时间指示符之后经过一时间偏移，该业务同步排队逻辑被同步到时间基准。 

本发明还描述了一种用于向分布式分组网络中的通信装置提供分组信息的方法，该方法包括：在第一网络装置和第二网络装置处处理分组信息以基于时间基准获得发送时间指示符，在第一网络装置和第二网络装置处基于发送时间指示符和第一网络装置和第二网络装置可用的时间偏移延迟对分组信息的发送，从第一网络装置向通信装置提供分组信息，并且从第二网络装置向通信装置提供分组信息，其中基于时间基准将第二网络装置与第一网络装置同步。 

附图说明

为了更好地理解本发明的实质和目的，参考以下结合附图作出的详细描述，在附图中： 

图1示出了根据现有技术，经过分布式网络从信源分配到用户的分组业务； 

图2示出了根据现有技术，分组业务的给定分组在多个接入站的到达时间的失配的可能范围的实例； 

图3示出了根据本发明一个实施例的将跨越基站的分组业务同步的分布式网络的实例； 

图4示出了根据本发明一个实施例的将跨越基站的分组业务同步的图3中的网络的操作； 

图5示出了根据本发明一个实施例的队列同步装置的主功能块的逻辑框图； 

图6示出了根据本发明一个实施例的与多个分组业务有关的分组的调度传输的相关操作。 

具体实施方式

为了当用户在网络中移动时提供从接入站到接入站的无缝的同步越区切换，在分布式网络，尤其是在其中的用户设备为移动的分布式网络上的实时分组业务的传递需要通过终端接入站(诸如基站)的精确时间协议。同步的越区切换需要代表分组业务的分组流在每个接入站的出口被同步，使得用户经历无缝流。对于要跨越接入站同步的分组业务，分组业务的每个分组的复本应同时，或在实时分组业务的可接受误差容限内几乎同时到达每个正在接收分组业务的接入站。为了消除这些分组到达接入站的时间失配，网络应包含这样一种功能，该功能在每个分组的基础上，确定为了对网络上的分组所经历的最小网络延迟和实际网络抖动的差异进行补偿而将每个分组延迟的时间长度。我们将这种功能称为业务同步排队。 

一种实现服务同步排队的便利方式，是在每个接入站之前插入业务同步排队装置(或队列同步装置)，以插入这种每分组延迟。队列同步装置还可以是接入站的一部分，并且可正好位于向用户传输实际分组的硬件的之前。为了使队列同步装置能够精确地确定何时向接入站发送每个分组，应向实时分组业务的信源和每个队列同步装置提供公共时间基准。这种时间基准可由全球卫星导航系统(GNSS)来提供，该全球卫星导航系统(GNSS)包括但不限于全球定位系统(GPS)、伽利略(Galileo)、GLONASS和北斗(Beidou)。该时间基准可由包括但不限于WWVB和DCF 77的地面无线电系统来提供。该时间基准可由包括但不限于网络时间协议(NTP)服务器、精确时间协议(PTP)最高级时钟(grandmaster)和同步以太网的网络时间服务器来提供。时间基准还可由对于在分布式网络上运行的实时应用足够精确的任何其他高度精确时间基准来提供，包括但不限于较低层级的时间基准。源装置可在每个分组中插入发送时间指示符，诸如基于公共时间基准的时间戳。分组的时间戳可由诸如实时协议(RTP)的时间戳协议来执行，该协议从按公共时间基准计时的装置(诸如NTP服务器)得到其时基和时间基准。然后，每个队列同步装置能够基于分组中的发送时间指示符来精确地确定发送每个分组的时间。 

为了使多个队列同步装置发送的分组同步到达，每个队列同步装置应向每个分组中的发送时间指示符施加公共时间偏移，以确定何时向其下游接入站发送分组。这种时间偏移可以由例如网络操作员来配置，或者有时(包括连接设置时)自动确定。这种时间偏移也可以是所有队列同步装置和所有分组业务共用的，或者可以是队列同步装置的子集和/或分组业务的子集共用的。网络操作员可为穿过某组路径的分组业务的某个部分(诸如给定分组业务的分组)确定最坏情况下的延迟。这种确定例如可通过对分组延迟和抖动的网络测量的趋势来进行。根据这个最坏情况下的延迟，网络操作员可将时间偏移设置为大于或等于此最坏情况下的延迟的某个值。网络还可以自动确定这种最坏情况下的延迟。一种可能的方法是：每个队列同步装置在本地为分组的某子集(诸如给定分组业务的分组)估计最坏情况下的延迟，然后每个队列同步装置将此信息至少传送给接收此分组业务的其他队列同步装置。然后，每个队列同步装置可将时间偏移确定为某个值，该值大于或等于由接收分组业务的任意队列同步装置所估计的最大最坏情况下的延迟。 

通过利用公共时间偏移，队列同步装置确保了分组业务的各分组在每个接入站的出口被同步，使得信源发送的每个分组的复本被从参与的终端站同时广播、多播、任意播(anycast)，或单播到参与通信的用户。在终端用户在时分多址(TDMA)网络或基于分组的无线网络(IEEE 802.11或802.16)上的情况下，终端分组广播可被复制到几乎同时在介质上出现的几个传输中，使得越区切换相对于特定用户仍是无缝的。 

图3示出了根据本发明的一个实施例的使跨越基站的分组业务同步的分布式网络的实例。该网络消除了实时分组业务的分组到达所示三个基站310A、310B和310C的时间失配，从而使用户350能在各基站310之间无缝地越区切换。在此实例中，媒体网关300是代表所示路径321、322和323上的分组业务的分组流的信源。更广泛而言，信源可以是发送实时分组业务的任意网络设备，诸如视频服务器。分组业务可以是广播分组流、多播分组流、任意播分组流、多个单播分组流，或上述类型的分组流的某种组合。媒体网关300可基于GPS时间基准330来对每个发送的分组进行时间戳标记。在媒体网关300处分组发送的时间为T₀。每个分组可穿过网络，到达由广播、 多播、任意播或单播路由协议确定的基站集合306。在此实例中，每个分组分别沿路径321、322和323穿过网络，到达基站306A、306B和306C。路径321、322和323从媒体网关300到网络交换机302，然后在多业务操作员(multi-service operator)网络340的边界处分开。在此实例中，MSO网络340通过多协议标签交换(MPLS)隧道运载互联网协议(IP)分组。更广泛而言，MSO网络340可以是能够支持和/或传送广播、多播、任意播和单播分组业务的任何网络。路径321延伸到网络交换机304A，然后到队列同步装置306A，然后到达基站310A。路径322延伸到网络交换机304B，然后到队列同步装置306B，然后到达基站310B。路径323延伸到网络交换机304C，然后到队列同步装置306C，然后到达基站310C。在路径321、322和323上的从媒体网关300发送的给定分组的端到端延迟包括最小网络延迟和实际网络抖动，这些端到端延迟分别为T₁、T₂和T₃。队列同步装置306A、306B、306C也接收GPS时间基准330。在此实例中，时间偏移大于或等于MAX(T_n)，MAX(T_n)是在路径321、322和323上传输的分组的最坏情况下的延迟。如图3中所示，从基站到达用户的理想传输时间T_D因此大于或等于T₀与MAX(T_n)的和。队列同步装置360A、360B和360C可分别与基站310A、310B和310C并置，或分别作为基站310A、310B和310C的一部分被包含。T_D与从每个队列同步装置306到达每个基站310的发送时间之间的差异应该足够小并且是不变的，以便使其对任何分组业务的操作都是无关紧要的。 

图4示出了根据本发明一个实施例的使各基站间的分组业务同步的图3中的网络的操作。从源媒体网关300发送的分组沿路径321经历的延迟包括在到达队列同步装置306A之前的最小网络延迟402和实际网络抖动404，而沿路径322的延迟包括到达队列同步装置306B之前的最小网络延迟412和实际网络抖动414。沿路径321的延迟与沿路径322的延迟不同。队列同步装置306A和306B分别将分组以延迟406和416延迟。延迟406和416是基于分组中的发送时间指示符和时间偏移430确定的。因为队列同步装置306A和306B具有公共时间基准330，队列同步装置306A和306B可分别向分组中的发送时间指示符施加时间偏移430，以确定向基站310A和310B发送分组的时间，假设分组基本上同时到达基站310A和310B。因此，路径321和322上的端到端延迟408和418基本上相等，任何差异都是足够小并且是不变的，使得该差异对任何分组业务的操作带来的影响是微不足道的，这样，在基站310A和310B处的分组的到达被同步。实际网络抖动404和414在分组之间可变化相当大，但由于时间偏移430保持相同，延迟408和418将保持基本上相等。 

图5示出了根据本发明一个实施例的队列同步装置306的主功能块的逻辑框图。队列同步装置306可实现为一个或多个集成电路、现场可编程门阵列、网络处理器，或其他可配置的或可编程的硬件部件。分组在媒体接入逻辑500处被队列同步装置306接收到。媒体接入逻辑500可执行与用于网络协议层的开放系统互联(OSI)参考模型的物理层和媒体接入控制子层相关的接收功能。然后，时间戳处理逻辑502可处理该分组，以获得信源300嵌入在分组内的发送时间指示符。然后，分类逻辑504可处理分组，以将分组与分组业务关联起来。如果每个分组业务有单独的时间偏移430，则需要这种关联，并且这种关联使得能为每个分组业务进行统计收集。然后，统计收集逻辑505可收集关于分组的统计信息，诸如分组经历的网络延迟和抖动。然后，业务同步排队逻辑506可向分组中的发送时间指示符施加与分组业务相关的时间偏移，以确定分组的发送时间。当全球时间基准330指示分组的发送时间已来到时，那么业务同步排队逻辑506将该情况指示给调度逻辑508。如果例如对于每个分组业务，业务同步排队逻辑506都包含单独的队列，则调度逻辑508可向业务同步排队逻辑506指示从哪个队列发送分组。然后，分组被发送给媒体接入逻辑510，随后又被发送给基站310. 

图6示出了根据本发明一个实施例的对与多个分组业务相关的分组的传输进行调度有关的操作。调度逻辑508与业务同步排队逻辑506核对，分组是否为分组业务排队(方框600)。如果不是，则调度逻辑508转移至下一个分组业务(方框606)。如果存在为这个分组业务排队的分组，那么调度逻辑508与业务同步逻辑506核对，全球时间基准330指示的时间是否比分组中的发送时间指示符加上与该分组业务相关的时间偏移还早(方框602)。如果由全球时间基准330指示的时间已经到达了分组中的发送时间指示符加上与该分组业务相关的时间偏移，那么调度逻辑508发送该分组(方框604)，然后继续移动至下一个分组业务(方框608)。如果不是，则调度逻辑转移至下一个分组业务(方框608)。 

根据上述内容，可以看到，描述了用于对分布式网络的分组业务的分布进行同步的设备和方法。以上描述，出于解释的目的，利用具体术语来提供 对本发明的透彻理解。然而，应理解，本发明的实施例也可以为其他具体形式，而不会脱离本发明的精神或其本质特征。所描述的实施例并不旨在为排他性的，或将本发明限制到所公开的确切形式；显然，考虑到以上教导，可作出许多修改和变动。因此，本文公开的实施例从所有方面来看都是说明性的而非限制性的。实施例被选择和描述成，以便能对本发明的原理和其实际应用作出最好的解释，因此实施例使本领域技术人员能够更好地利用本发明，具有不同变型例的各个实施例适于预期的特定用途。以下权利要求与其等效物限定了本发明的范围。 

Claims (16)

1.一种对分组的分配进行同步的系统，包括：

多个队列同步装置，每个队列同步装置在本地为给定分组业务的分组估计最坏情况下的延迟，并且将所述最坏情况下的延迟至少传送给接收所述分组业务的其他队列同步装置，

所述队列同步装置包括：

时间戳处理逻辑，用于处理所述分组以获得所述分组中嵌入的发送时间指示符，其中所述发送时间指示符基于时间基准；和

业务同步排队逻辑，其保留所述分组，直至在所述发送时间指示符之后经过时间偏移，其中所述业务同步排队逻辑被同步至所述时间基准，

其中，所述时间偏移被每个队列同步装置确定为大于或等于由接收所述分组业务的任意队列同步装置所估计的最大最坏情况下的延迟的值。

2.如权利要求1所述的系统，还包括在所述多个队列同步装置中的每个中包括的分类逻辑，该分类逻辑将所述分组与至少一个分组业务相关联，其中每个分组业务是广播分组流、多播分组流、任意播分组流和多个单播分组流中的一个。

3.如权利要求2所述的系统，其中，每个分组业务有单独的时间偏移。

4.如权利要求2所述的系统，还包括在所述多个队列同步装置中的每个中包括的调度逻辑，该调度逻辑对与每个分组业务相关的分组的传输进行调度。

5.如权利要求2所述的系统，其中，所述发送时间指示符是分组中的时间戳字段。

6.如权利要求2所述的系统，其中，所述时间基准是由全球卫星导航系统、地面无线电系统和网络时间服务器中的一个提供的。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述队列同步装置还包括：

统计收集逻辑，该统计收集逻辑收集关于分组的统计信息，所述统计信息包括所述分组经历的抖动和网络延迟。

8.一种对分组的分配进行同步的方法，包括：

在多个队列同步装置中的每个处：

接收所述分组；

在本地为给定分组业务的分组估计最坏情况下的延迟；

将所述最坏情况下的延迟至少传送给接收所述分组业务的其他队列同步装置；

处理所述分组以获得所述分组中嵌入的发送时间指示符，其中所述发送时间指示符基于时间基准；以及

保留所述分组，直至在所述发送时间指示符之后经过时间偏移，其中所述时间偏移是利用所述时间基准确定的，

其中，所述时间偏移被每个队列同步装置确定为大于或等于由接收所述分组业务的任意队列同步装置所估计的最大最坏情况下的延迟的值。

9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述多个队列同步装置中的每个处对所述分组进行分类，以将所述分组与至少一个分组业务相关联，其中每个分组业务是广播分组流、多播分组流、任意播分组流和多个单播分组流中的一个。

10.如权利要求9所述的方法，其中，每个分组业务有单独的时间偏移。

11.如权利要求9所述的方法，还包括在所述多个队列同步装置中的每个处对与每个分组业务相关的分组的传输进行调度。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述发送时间指示符是分组中的时间戳字段。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述时间基准是由全球卫星导航系统、地面无线电系统和网络时间服务器中的一个提供的。

14.如权利要求8所述的方法，还包括：

在所述多个队列同步装置中的每个处：

收集关于分组的统计信息，所述统计信息包括所述分组经历的网络延迟和抖动。

15.一种向分布式分组网络中的通信装置提供分组的方法，包括：

在队列同步装置处本地为给定分组业务的分组估计最坏情况下的延迟；

将所述最坏情况下的延迟至少传送给接收所述分组业务的其他队列同步装置；

在包括所述队列同步装置的第一网络装置和第二网络装置处处理分组，以获得基于时间基准的发送时间指示符；

基于所述第一网络装置和所述第二网络装置可用的所述发送时间指示符和时间偏移，在所述第一网络装置和所述第二网络装置处延迟对所述分组的发送，其中所述时间偏移被每个队列同步装置确定为大于或等于由接收所述分组业务的任意队列同步装置所估计的最大最坏情况下的延迟的值；

从第一网络装置向所述通信装置提供所述分组；并且

从第二网络装置向所述通信装置提供所述分组，其中，所述第二网络装置基于所述时间基准与所述第一网络装置同步。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一网络装置和所述第二网络装置是基站收发信台。

Images