CN101529771B - 广播网络中的分组排队丢失的瞬态分析 - Google Patents

Abstract

监视分组处理设备，比如无线接入点的传输的接收器分析被监视的传输，以估计由处理设备中的缓冲器溢出引起的分组丢失的概率。可关于各个分组估计丢失概率，以跟随通信状态的快速变化。估计的丢失概率的指示可被用于修改用于生成分组的前向纠错(FEC)参数，从而提高到接收器的数据传送的可靠性，同时优化通信信道带宽的使用。

Description

广播网络中的分组排队丢失的瞬态分析

技术领域

本发明涉及优化设备处理排列在分组中以便传输给接收器的数据流的操作，更具体地说，涉及使网络中设备的操作适于把在接收器的分组丢失降到最少。例如，本发明可有利地用在通过无线网络发送携带多媒体数据的分组流的系统中。

背景技术

通过无线网络的实时多媒体通信量的传送预计将是第三代蜂窝无线网络，WIFI无线网络和WIMAX无线网络中的重要应用。在这些应用中，诸如代表图像和声音的数字数据之类的多媒体数据被组织成分组。多媒体信源把这些分组的流发给处理设备，比如通过无线通信信道把分组传给最终用户接收器的无线接入点。如果处理设备不能立即传送分组，那么它把分组临时保存在队列或缓冲器中，直到该分组能够被传送为止。例如，当无线通信信道正被另一个处理设备使用时，处理设备就不能传送分组。

最终用户接收的多媒体数据的感知质量会受到包括分组丢失在内的许多因素的不利影响。分组丢失包括未被最终用户接收器接收的遗漏分组、被最终用户接收器接收但是其携带的数据已被破坏的破损分组。这些分组丢失可能起因于：(1)有噪声的通信信道，(2)多个发射器发送的分组的同时传输或“碰撞”，和(3)在传送分组之前，处理设备中用于临时保存分组的缓冲器的溢出。当处理设备必须把分组临时保存在其缓冲器中但是该缓冲器已满时会发生缓冲器溢出。

已提出各种技术来减小分组丢失的感知影响。一种称为前向纠错(FEC)的技术使接收器能够恢复由遗漏分组或破损分组携带的数据，只要引发分组丢失的状态不太频繁并且持续时间不太长。FEC能够处理的引发错误的状态的长度和频率由两个参数n和k控制，其中数目为(n-k)个“FEC分组”与数目为k的多媒体分组结合，从而形成具有多媒体分组和FEC分组总数为n的一组分组。如果接收器能够无破损地接收n个分组中的至少k个分组，那么归因于遗漏分组和破损分组的任何丢失能够被纠正。如果无破损地接收的分组少于n个分组中的k个分组，那么FEC不能恢复一个或多个分组的丢失数据。

遗憾的是，FEC有一定的代价。另外的(n-k)个分组增大了由于碰撞造成的延迟的风险，并且增大了传送每组分组所需的时间或者信道带宽。可以选择FEC参数(n，k)的值，以优化竞争的要求之间的折衷。较高的比率

提高了可能的纠错水平，不过也增大了延迟，并且把所需的信道带宽增大

倍。

可以选择FEC参数(n，k)，以对于规定的分组丢失概率满足保护、延迟和带宽要求。遗憾的是，不可能同时满足所有要求，并且必须在各个要求之间折衷。此外，可用的信道带宽对比率

施加了实践的限制。极高的比率会施加带宽要求，该带宽要求导致来自其它数据源的分组的匮乏，或者超过通信信道的可用带宽。FEC参数的最佳选择应考虑信道的可用带宽，以及其它数据源提供的分组所需的带宽。

但是实际上，通信系统中的状态会快速变化。在带宽增长最小的情况下，提供所需保护水平的FEC参数的最佳选择要求响应不断变化的状态而自适应地设置FEC参数(n，k)。在按专利合作条约于2006年5月26日提交的、2007年1日11日公开的国际专利申请公开No.WO 2007/005160标题为“Method and System for OptimizingForward Error Correction of Multimedia Streaming over WirelessNetworks”，在Bauer和Jiang的“Optimal Choice of FEC Parametersto Protect Against Queuing Losses in Wireless Networks”，IEEE Int.Conf.on Networks(ICON)，2005年11月，马来西亚，吉隆坡，和在Bauer和Jiang的“Optimal Parameter Settings for Forward ErrorCorrection Schemes for Multimedia Streaming over WirelessNetworks，”，IEEE Multimedia Sig.Proc.Workshop(MMSP)，2005年10月30日至11月2日，中国上海，pp.349-352中讨论了这里称为“FEC优化技术”的技术，所述FEC优化技术可用于自适应地设置这些参数。在这些参考文献中公开的一种实现中，接收器监视处理设备的传输、估计由于处理设备中的缓冲器溢出而造成的一组分组的分组丢失概率，并把估计的丢失概率的指示发给数据源。数据源可以响应丢失概率的指示，修改它所使用的FEC参数。

如果在估计一组分组的丢失概率之后状态发生显著变化，那么返回给数据源的丢失概率的指示将不能准确地反映当前状态，并且数据源不能按照最佳方式自适应修改其FEC参数。所需要的是一种能够准确地估计丢失概率，然而更快速地响应情况变化的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种估计由处理设备中的缓冲器溢出引起的分组通信系统中分组丢失的概率的改进方法。估计的概率可被用于修改分组通信系统中的纠错参数，以使分组丢失的影响最小化。

按照本发明的一个方面，通过确定一组分组中某个分组的到达时间，其中该到达时间是当所述分组处理设备从所述数据源接收到该分组的时刻，根据所述到达时间和释放时间得出在所述到达时间缓冲器已满的概率的度量，并且把具有表示所述概率量度的信息的控制信号提供给数据源，以使得数据源能够修改其在各组分组中的纠错分组的生成，来控制通信系统中的分组的供给。本发明的这一方面的全部或者部分可在处理设备中实现，或者在接收器中实现，所述接收器接收由处理设备发送的包括数据分组的输出信号，其中至少一些所述数据分组被保存在缓冲器中。

通过参考下面的讨论和附图，可更好地理解本发明的各个特征及其优选实施例。仅仅作为例子陈述了下面的讨论和附图的内容，所述内容不应被理解成对本发明范围的限制。

附图说明

图1是通信系统的示意图。

图2-3是分组帧的流的示意图。

图4-5是一系列的分组释放时间，和分组到达时间的范围的示意图。

图6是可用于实现本发明的各个方面的设备的示意方框图。

具体实施方式

A.导论

1.示例性通信系统

图1是可包含本发明的各个方面的通信系统的一个实例的示意图。数据源2、4、6提供向一个或多个处理设备10、12传送排列在多组分组中的数字数据的源信号，所述一个或多个处理设备10、12再广播该数字数据以便被接收器20、22、24中的一个或多个接收。除了举例说明的以外，该通信系统可包括其它数据源、处理设备、接收器和传输介质。

例如，在至少一些分组中携带的数据可以是多媒体数据。在下面讨论的一个例子中，数据源2提供的源信号传送排列在与一些应用关联的“基本分组(primary packet)”中的数据。诸如数据源4之类的其它数据源提供传送排列在被称为“竞争分组”的分组中的数据的源信号，被称为“竞争分组”是由于这些分组竞争对服务基本分组来说必需的资源；不过，来自其它数据源的信源信号不必携带相同种类的数据，并且竞争分组不必按照和关于数据源2所描述的相同的方式被排列。数据源2提供的多组分组包括分组中比如冗余数据的一些纠错数据，这些纠错数据可用在前向纠错(FEC)处理中以恢复遗漏的或者破损的数据。

来自数据源2、4、6的源信号沿着通信路径被传递给处理设备10、12。这些通信路径可由很多种通信技术实现。例如，可以使用诸如符合IEEE 802.3标准和诸如传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)之类的通信协议中的任意一个的金属导线或光纤之类的介质。

处理设备10、12(例如可以是路由器或无线接入点)把表示至少一些分组的数据保存在缓冲器中，并且随后把这些分组的数据发送到通信网络30中，以便被诸如接收器20、22、24之类的一个或多个接收器接收。如果当分组到达处理设备时缓冲器已满，那么一个或多个分组的数据将在处理设备发送的信号中丢失或者漏掉。接收器20、22、24从通信网络30接收分组，执行所希望的任何检错或纠错处理，并提供接收的数据以供按照一些应用的要求处理。通信网络30可以用很多种方式来实现，包括诸如金属导线、光纤或空间之类的通信介质，以便与通过利用诸如TCP/IP之类通信协议经所述介质进行通信的相关设备电磁通信。网络可以遵守诸如在IEEE 802.3标准中描述的以太网，或者在IEEE 802.11标准中描述的WiFi之类的标准。本发明的实践并不必需任何特殊的介质、协议或通信标准。

在一个例子中，数据源2向处理设备10提供排列成组的分组流，所述分组传送编码音频数据和预定给接收器20的纠错数据。处理设备10(在本例中，是无线网络中的接入点(AP))把代表所述分组的数据保存在其缓冲器中，并且随后把该数据发送到电磁通信网络30中。如上所述，如果当分组到达时处理设备10中的缓冲器已满，那么一个或多个分组的数据会从传输中丢失或者漏掉。接收器20接收所发送的数据，应用所需的任何纠错或者错误恢复处理，并把数据传递给比如音频解码器和音频回放系统的一些设备。

本发明的目的在于优化纠错处理，以使得由缓冲器已满而造成的丢失概率被降至最小或者被降低到某一可接受的水平。可在接收器或者处理设备中实现本发明的各个方面。如果在下面讨论的例子中描述的接收器20中实现本发明的各个方面，那么接收器20关于它能够接收的所有传输监视通信介质30。接收器20分析由比如处理设备10的特定处理设备发送的、以比如接收器20的特定接收器本身为目的地的信号。如果在处理设备10中实现本发明的各个方面，那么用基本相同的技术分析处理设备内的操作。下面详细讨论这些技术。

图1中所示的示例省略了在通信系统的实际实现中需要的但是对解释本发明来说不必要的许多组件。例如，图1未示出对确定通信网络30是否畅通，即，其它处理设备目前是否正在使用通信网络30，或者是否存在可能阻止意向接收器的接收的某些种类的干扰来说所需要的组件。另外没有示出对从接收器获得与分组丢失或者重传分组的必要性有关的任何信息来说所需要的组件。

在本公开的其余部分中，将特别提及其中数据源2、4和处理设备10之间的通信路径符合IEEE 802.3标准之一，并且通信网络30符合IEEE 802.11标准之一的实现。这些技术传送的数据流是按照媒体访问控制(MAC)协议排列的，MAC协议把数据排列成MAC帧，所述MAC帧包括附在MAC报头上的应用数据分组。MAC报头包括各种控制数据，比如应用数据的源的网络地址(“源地址”)、应用数据的一个或多个意向接收方的网络地址(“目的地址”)，和附加的应用数据分组的序号。这些实现细节是作为例子提供的。本发明实质上可以和任何所希望的通信技术一起使用。

对于符合IEEE 802.3和IEEE 802.11标准的技术来说，技术上准确地说是传送数据分组的MAC帧被发送和接收；不过，通过有时把这种活动描述成发送和接收分组，稍微简化下面的讨论。

2.示例性的纠错手段

通信系统60中的设备可以包含各种纠错或错误恢复技术，比如常规的前向纠错(FEC)处理或者服务质量处理，例如使数据源或处理设备重传接收器未确认接收的那些分组。本发明基本上可以和能够适于响应一个或多个参数以减少缓冲器溢出丢失的任何纠错手段一起使用。上面讨论了一种称为前向纠错(FEC)的适宜手段。该手段适于响应所述两个FEC参数(n，k)，其中数目为(n-k)的“FEC分组”与数目为k的多媒体分组结合，从而形成多媒体分组和FEC分组的总数为n的一组分组。如果接收器能够无破损地接收n个分组中的至少k个分组，那么归因于遗漏分组和破损分组的任何丢失能够被纠正。通过利用上面提及的FEC优化技术，能够从分组丢失概率的估计值得出FEC参数(n，k)的最佳值。

这些FEC优化技术获得分组丢失概率的估计值。下面的讨论描述了得出分组丢失概率的估计值的改进方法，所述估计值对影响分组丢失概率的情况的快速变化反应更迅速。

3.技术的概述

本发明教导的技术分析处理设备中的缓冲器的占用水平，并使用分析结果估计归因于缓冲器溢出的分组丢失的概率。这些技术实质基本上可以和提供向多个接收器广播信号的能力的任何基于分组的通信网络一起使用。下面描述的这些技术的示例性实现基于在下面的段落中解释的一些假设。

一个假设是传送多组分组的源信号在可以忽略不计的时间量内从数据源2传播到处理设备10。如果该假设对特定实现无效，那么可对分析进行适当的调整以考虑到传播时间。在Wenyu Jiang于2007年4月9日提交的国际专利申请No.PCT/US2007/008941，“EstimatingWireless Processing Device Queue Length and Estimating SignalReception Quality in Wireless Network”中描述了可用于估计传播时间的几种方法。

下面讨论的实现假定通信网络30传送具有附在MAC报头上的如上所述的数据分组的MAC帧，并使用尽力保证MAC帧被成功地传递给意向接收方的通信协议。特别提及符合IEEE 802.11标准之一并且直到意向接收方确认成功接收或者已尝试了规定的重传次数为止重传MAC帧的协议。

按照该协议，如果分组的意向接收器没有无差错地收到该分组，那么处理设备10将重传该分组。接收器20必须记录它接收的所有MAC帧，以使得它能够确定哪些分组是由处理设备10传送的以及哪些分组是唯一的。这可通过以下工作来实现：使用每个MAC帧中的循环冗余码(CRC)来检测错误并使用诸如前向纠错之类的校正处理来校正尽可能多的数据错误，检查MAC报头中的数据以确定MAC帧是否是由处理设备10发送的，并记录帧中指示该MAC帧是否代表分组的重传的其它数据。

通过检查MAC报头中称为Direction-flag的数据和信源地址，可确定MAC帧是否是由处理设备10发送的。通过检查MAC报头中称为分组序列字段的其它数据，能够确定MAC帧是否表示分组的重传。如果需要，也可使用称为Rerty flag的传输重试指示符。

许多协议，比如符合IEEE 802.11标准的协议使用一些手段来识别由相同设备发送的每个唯一分组。IEEE 802.11标准规定一个12位的字段，该字段传达每个唯一分组的单调递增的序号。对于携带唯一分组的每个后续MAC帧，所述序号被加1。如果由相同设备传送的两个相邻MAC帧具有相同的序号，那么后一帧被认为代表该分组的重传。如果两个相邻的MAC帧具有以2¹²为模相差1的序号，其中前一帧具有模2¹²的较小数，那么这两帧被认为传送分组流中的唯一连续分组。图2中示意说明了帧流中具有序号1、2、3、4的四个唯一分组P1、P2、P3、P4。

如果通信网络30是无线通信路径，那么低信噪比或者强的干扰信号会妨碍接收器20识别由处理设备10发送的一些分组。如果接收器20是意向接收方，那么该丢失可被处理设备10识别，因为接收器20未确认该分组的成功接收。处理设备10重传该分组，直到确认成功接收该分组为止。但是，如果接收器20不是意向接收方，那么可能不会检测到该丢失。图3中示意说明了这种情况，其中虚线框代表未被接收器20观察到的具有分组P3的帧。为此，如果将在接收器中实现本发明的各个方面，如果不能使用能够观察处理设备10发送的所有分组的接收器的话，那么优选基于对目的地为执行分析的接收器的分组的分析，估计分组丢失概率。

由于上面描述的重传能够显著增大传输的可靠性，因此遵守IEEE 802.11标准的通信网络中的分组丢失通常是由处理设备中的缓冲器溢出造成的。丢失很少直接由在通过空中接口的传输期间发生的比特错误造成；不过，退化的信道状态通常导致比特错误的增多，这会导致缓冲器溢出丢失。

当在通信网络中使用上面描述的重传处理时，特定分组的最后传输通常表示成功地把该分组传递给其意向接收方。当处理设备确认分组已被成功传送时，它不需要把该分组的数据保存在其缓冲器中。缓冲器中用于保存该分组的空间可被释放以用于其它用途，比如保存另一分组的数据。为此，特定分组的最后传输被认为对应于当处理设备为其它用途释放其缓冲器中先前使用的空间时的“释放时间”。

假定处理设备10把数据保存在其缓冲器中并且利用先进先出(FIFO)排队方案释放其缓冲器中的空间。下面描述的分析表达式假定缓冲器容量或者处理设备10中的缓冲器能够保存的数据的数量是就可由保存的数据同时表示的分组的数目而言规定的。如果在一个时刻，缓冲器能够保存表示10个分组的数据，那么缓冲器容量或者缓冲器占用率的最大水平被认为为10。通过恰当地修改分析表达式，可以使用其它方式规定比如字节的缓冲器容量。

缓冲器排队方案的模型表示三种事件。

(1)当来自数据源的分组到达处理设备10，并且缓冲器中的空间被分配以保存该分组的数据时，发生“存储事件”。该事件把队列长度加1。

(2)当处理设备成功地把分组传递给其意向接收方，或者已尝试了最大次数的重传，并且保存该分组数据的数据的缓冲器空间被释放以用于其它用途时，发生“释放事件”。下面有时把该事件称为从缓冲器释放分组；它使队列长度减1。

(3)当来自数据源的分组到达处理设备10，并且缓冲器没有保存该分组的数据的可用空间时，发生“丢弃事件”。缓冲器已满并且队列长度等于缓冲器占用率的最大水平。该事件不会改变队列长度。

按照该模型，归因于缓冲器溢出的分组丢失的概率等于丢弃事件的概率，所述概率可通过分析缓冲器占用率而得出。

如果持续足够长的一段时间，到达处理设备的所有分组的平均到达速率高于处理设备能够成功地把分组传递给意向接收方的平均速率，那么会发生缓冲器溢出。在这种情况下，队列长度L增大到缓冲器占用率的最大水平T或者最大队列长度，这被表示成L＝T。通过关于一组队列长度T，T-1，T-2，...T-n_C检查稳定状态，能够进行导致缓冲器溢出的过程的瞬态分析，其中n_C是瞬态分析中考虑的初始状态的数目。通常仅仅考虑有限数目的初始状态就足够了。例如，在一种实现中，n_C＝10。

瞬态分析可分两步进行。第一步确定队列长度的概率分布。第二步根据队列长度概率分布，分析到达分组的丢失概率。分组的丢失概率等于当分组到达处理设备时，缓冲器已满的概率。

如同可根据上述缓冲器排队模型推断的那样，缓冲器占用率的水平或者队列长度取决于何时从缓冲器释放分组，以及基本分组和竞争分组何时到达处理设备。丢失概率的极准确测量要求知道基本分组和竞争分组的到达时间，以及所有分组的释放时间。所有该信息可通过直接观察在处理设备中进行的处理而获得。如果在接收器中进行瞬态分析，那么进行该分析的处理通常能够通过直接观察处理设备的传输推断准确的释放时间，但是不能确定基本分组和竞争分组的准确到达时间；不过，如下所述，接收器能够通过观察处理设备进行的传输得出这些时间的估计值，并和利用上面提及的FEC优化技术计算出的概率一起使用这些估计值。

B.估计丢失概率的瞬态分析

1.到达时间

在这里说明的示例性实现中，一组分组中的所有n个分组是由数据源2在一系列间隔均匀的时隙内生成的，每个时隙一个分组，并且在由符号τ表示的规定时段内被发送给处理设备10。每组分组中的前k个分组是承载多媒体数据流中的数据段的“多媒体分组”。该组分组中的剩余(n-k)个分组是承载可用于恢复遗漏的或者破损的多媒体数据的冗余数据的“FEC分组”。在一个示例性系统中，所述一组n个分组的时隙持续的时段为n·τ＝n·21.33毫秒。如果不使用FEC，那么组中不存在FEC分组并且n＝k。

如果FEC参数(n，k)从不被修改，那么数据源2在发送时间t_S发送特定多媒体流中的第i个分组，所述发送时间t_S可被计算为

t_S＝t_INITIAL+(i-1)·τ    (1)

其中t_INITIAL＝多媒体流中初始分组的发送时间。

但是，如果FEC参数被修改，那么确定第i个分组的发送时间所需的表达式更复杂，因为每组分组中的分组数目发生变化，并且时隙之间的间隔不再恒定。唯一不变的是每组分组中的第一个分组的发送时间。如果该流中的第i个多媒体分组被限制为某组分组中的第一个分组，那么可根据表达式1计算该分组的发送时间。该组中的所有后续分组的发送时间必须考虑由于每组中的分组数目n可变化，从而会变化的相邻分组之间的间隔。关于发送时间的更一般表达式示于等式2中

$t_s=t_{\mathrm{INITIAL}}+(i-1)\·\mathrm{\τ}+\frac{k}{n}\·(j-1)\·\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

其中i∈{各组分组中的第一个分组}；和

j＝相应组内的分组号，1≤j≤n。

如果需要，时间t_INITIAL可被设置成等于任意一组分组中的第一个分组的发送时间。接收器20能够从该分组的应用层报头中承载的信息获得该时间。通过根据在应用层报头中承载的信息，确定哪些分组是多媒体分组和哪些分组是FEC分组，接收器20也能够得出每组分组的FEC参数。

由于处理延迟或者不能预测或控制的其它情况，数据源2使用的处理可能不能正好在正确的时间发送每个分组；于是，优选的是承认发送时间会变化，并且方程式1和2中的表达式确定名义发送时间，而不是准确发送时间。实际的发送时间可被模拟成范围(t_S-b，t_S+b)内均匀分布的随机变量。对于这里讨论的例子来说，b被设置成等于1毫秒。

通过监视处理设备10的发送，接收器20能够得出分组释放时间，并且随后计算在范围(t_S-b，t_S+b)内的不同到达时间的缓冲器占用水平。根据通过对计算出的整个到达时间范围内的占用水平求积分而获得的缓冲器占用水平，能够计算分组丢失概率的估计值。

2.在到达时间缓冲器已满的概率

根据在分组的MAC报头中承载的、指示何时发送该分组的信息，可获得分组的释放时间。如上所述，从分组被成功地发送给意向接收方的时间获得该分组的释放时间。

参见图4，时间t₀，t₁，t₂，...分别表示分组P0，P1，P2，...的成功发送的时间。这些时间被认为代表自缓冲器的释放时间，因为假定发送和从缓冲器释放之间的时间量可忽略不计。如果该假定不正确，那么下述技术可被调整，以允许适当的时间量。时间t_S代表分组的名义发送时间，它被假定为分组的到达时间。时间t₁表示在范围(t_S-b，t_S+b)内的第一释放时间，并且时间t_MAX代表在该范围之后发生的第一释放时间。

按照上面说明的建模假设，分组能够在t_S-b和t_S+b之间的任意时间到达处理设备10。令t_A表示实际到达时间。通过获得当分组到达时缓冲器占用水平L等于T的所有情况的概率，能够计算在时间t_A处理设备10中的缓冲器已满的概率。例如，如果t_A出现在释放时间t₁和t₂之间，那么如果任意下述条件为真则缓冲器已满：

(1)紧邻释放时间t₁之前，L＝T，这意味紧接在时间t₁之后，L＝T-1，并且至少一个竞争分组在释放时间t₁和实际到达时间t_A之间到达；或者

(2)紧接在释放时间t₁之前，L＝q＜T，这意味紧接在释放时间t₁之后，L＝q-1，并且至少T-(q-1)个竞争分组在释放时间t₁和实际到达时间t_A之间到达。

类似地，如果到达时间t_A在释放时间t₂和t₃之间，则如果任意下述条件为真，那么缓冲器已满：

(1)紧邻释放时间t₂之前，L＝T，这意味紧接在释放时间t₂之后，L＝T-1，并且至少一个竞争分组在释放时间t₂和实际到达时间t_A之间到达；或者

(2)紧接在释放时间t₂之前，L＝q＜T，这意味紧接在释放时间t₂之后，L＝q-1，并且至少T-(q-1)个竞争分组在释放时间t₂和实际到达时间t_A之间到达。

3.模拟缓冲器占用率的递归函数

上面讨论的概率可从递归函数p(m，B)得出，递归函数p(m，B)表示紧接在某个释放时间t_m(m＝1，2，...)之后，缓冲器占用率等于某一水平B的概率。当m＝0时，通过在给定三个值的条件下计算缓冲器占用率的水平等于B的稳态概率，初始化递归函数p(m，B)。第一个值是竞争分组到达分组处理设备10的比率p_C。这是来自所有信源的所有竞争分组的累积到达比率。第二个值是处理设备10从其缓冲器成功取出一个分组并且成功地把该分组发送给意向接收方或者到达重传极限的比率p_D。在任意一种情况下，从缓冲器释放该分组。第三个值是表示为T的缓冲器最大容量。假定只需要考虑缓冲器状态T-n_C≤B≤T。利用上面提及的FEC优化技术，可以计算概率p_C和p_D。

为了考虑不管分组是否刚刚从缓冲器被释放FEC优化技术都计算稳态概率的事实，需要调整计算出的概率。与这种情况相反，只有刚刚从缓冲器释放分组的时间t₀才发生递归函数p(0，B)的初始化。这种差异表现在概率p(0，T)上，概率p(0，T)代表紧接在t₀之后缓冲器占用率的水平等于T的概率。

按照FEC优化技术，只要p_C＞p_D，稳态概率p(0，T)就不为零。不过，按照这里使用的模型，其中t₀已知为释放时间，由于缓冲器决不会为满，因此概率p(0，T)总是为零。已知紧邻释放时间t₀之前，缓冲器占用率的水平决不会大于T；于是，紧接在释放时间t₀之后，缓冲器占用率的水平决不会大于T-1，因为在紧邻释放时间t₀之前的点和紧接在释放时间t₀之后的点之间的无限小的间隔内，一个分组刚刚从缓冲器释放，但是没有任何分组到达并被保存在缓冲器中。通过丢弃关于已满缓冲器的稳态概率，并使关于剩余的n_C种缓冲器状态的概率归一化以使得它们的总和等于1，能够补偿由这种差异产生的不准确性。

对于m＞0，递归地定义p(m，B)。对于上面提及的两种情况，即情况(1)B＝T-1和情况(2)B＜T-1，递归公式不同。对于情况(2)，递归可被表示成：

$p(m,T-l-1)=\underset{j=0}{\overset{m+l+n_c-1}{\mathrm{\Σ}}}p(m-1,T-l-j)\·P\[j,t_m-t_{m-1}\]---\left(3\right)$

其中P[j，dt]是泊松函数

它是在泊松过程中，在长度为dt的时间间隔内，正好具有竞争分组的j次到达的概率，泊松参数为λ＝pc。这里讨论的该技术假定所有竞争通信量的分布可用泊松分布以合理的精度表示。

通过检查其各个分量的含义，可看出方程式(3)的正确性。如果刚好在释放时间t_m-1之后，缓冲器占用率的水平为T-l-j，其概率为p(m-1，T-l-j)，并且如果在时间t_m-1和t_m之间，正好有j个竞争分组到达处理设备，其概率为P[j，t_m-t_m-1]，那么紧邻释放时间t_m之前，缓冲器占用率的水平应为T-l。紧接在时间t_m之后，从缓冲器释放一个分组并且缓冲器占用率的水平变成T-l-1。这考虑了紧接在时间t_m之后，j缓冲器占用率的为T-l-j的一个特殊值。通过相加j的所有正当的值的各个概率获得p(m，T-l-1)的值。在方程式3中，j被限制成不大于m+l+n_c-1，以使得B＝T-l-j≥T-n_c-(m-1)，因为只考虑n_c种缓冲器状态，其中假定B≥T-n_c，并且因为紧接在时间t_m-1或者自时间t₀以来m-1个分组释放之后，因此缓冲器占用率的水平将最多降低m-1；于是B≥T-n_c-(m-1)。结果，不需要包括关于p(m，B)(其中B＜T-n_c-(m-1))的各项，并且从而不需要j＞m+l+n_c-1。

在方程式3中，变量m局限于从1到MAX-1的范围。m的值局限于小于MAX，因为m代表紧接在时间t_m之后，缓冲器占用率的水平为T-l-1的概率。由于在释放时间t_MAX之前下一个分组未到达，因此不需要计算p(MAX，T-l-1)。

变量l被局限于从1到m+n_c-1的范围，因为紧接在释放时间t_m之后的缓冲器占用率的水平不可能比紧接在释放时间t_m-1之后存在的缓冲器占用率的水平低1以下。由于紧接在时间t₀之后的缓冲器占用率的水平介于T-n_c和T-1之间，因此紧接在时间t_m之后的最小水平(在释放m个分组之后)为T-n_c-m。在任意时间t_m之后的缓冲器占用率的最大水平为T-1。结果，紧接在释放时间t_m之后，缓冲器占用率的水平已知在T-m-n_c和T-1之间。这对应于变量l从0到m+n_c-1的范围。如下面在方程式4中所示，单独处理l＝0的特殊情况。

对于l＝0的特殊情况，根据下式计算p(m，B)：

$p(m,T-1)=\underset{j=0}{\overset{m+l+n_c-1}{\mathrm{\Σ}}}p(m-1,T-j)\·P\[\≥j,t_{m-1}-t_m\]---\left(4\right)$

其中 $P\[\≥j,\mathrm{dt}\]=\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}P\[i,\mathrm{dt}\]$

通过按照和上面关于方程式3所述相似的方式检查方程式4的各个分量的含义，可看出方程式4的正确性。如果紧接在释放时间t_m-1之后缓冲器占用率的水平为T-j，并且在时间t_m-1和时间t_m之间至少j个竞争分组到达，那么紧邻时间t_m之前缓冲器将已满，并且紧接在时间t_m之后缓冲器占用率的水平正好为T-1。

4.估计分组丢失概率

利用上面讨论的信息，在接收器20中进行的处理可关于由数据源2产生的一组给定分组，计算由缓冲器溢出引起的在处理设备10中的分组丢失的平均概率P_LOSS。该处理以下述认识为基础，即对于每个m，其中t_m-1＜t_A＜t_m，并且其中t_A是分组的实际发送时间，如果紧接在释放时间t_m-1之后缓冲器占用率的水平等于T-l-1，那么如果在从t_m-1到t_A的时间间隔内不超过l个竞争分组到达，则没有分组因缓冲器溢出而丢失。对于实际发送时间t_A，不发生分组丢失的概率等于这两个情况的概率的乘积。根据表达式p(m-1，T-l-1)，可获得紧接在释放时间t_m-1之后缓冲器占用率的水平等于T-l-1的概率，并且根据表达式P[≤l，t_A-t_m-1]，可获得在从t_m-1到t_A的时间间隔内，不超过l个分组到达的概率，如上所述。由于在接收器20中进行的处理通常不能确定实际发送时间t_A，因此通过在可能发送时间的规定范围内求所述乘积的积分，并用如上所述的发送时间的均匀概率分布对所述积分加权，获得该可能发送时间的指定范围的无分组丢失的概率，这可表述成：

$\frac{1}{2b}{\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}p(m-1,T-l-1)\·p\[\≤l,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A---\left(5\right)$

通过认识到概率函数p(m-1，T-l-1)是常数，并且可被移到积分之外，该积分能够被简化，如下所示：

$\frac{1}{2b}{\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}p(m-1,T-l-1)\·p\[\≤l,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A=$ (6)

$\frac{1}{2b}\·p(m-1,T-l-1){\∫}_{\max (t_{m-1},t_{S-b})}^{\min (t_m,t_S+b)}p\[\≤l,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A$

通过对所考虑的从0到m+n_C-1的所有缓冲器占用率水平l，以及对所有考虑的从1到MAX的分组释放事件m，计算结果的总和，可获得无丢失的概率。通过从1中减去无丢失的概率，可获得所需的分组丢失概率P_LOSS，这可被表述成：

$P_{\mathrm{LOSS}}=1-\frac{1}{2b}\underset{m=1}{\overset{\mathrm{MAX}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{m+n_C-1}{\mathrm{\Σ}}}p(m-1,T-l-1)\·{\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}p\[\≤l,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A---\left(7\right)$

积分内的项是如上所述的泊松分布的总和。该积分可被重写成如下所示的积分的总和：

${\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}P\[\≤l,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A={\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}\underset{i=0}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}P\[i,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A$ (8)

$=\underset{k=0}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}P\[k,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A$

通过求和可计算积分本身。通过首先认识到泊松分布的不定积分等于如下所示的总和可看出这一点：

$\∫P\[k,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}P\[j,t_A-t_{m-1}\]---\left(9a\right)$

利用下述牛顿-莱布尼兹公式，可计算定积分：

${\∫}_a^{b}f\left(x\right)\mathrm{dx}=F\left(x\right){|}_a^b=F\left(b\right)-F\left(a\right)$ 其中∫f(x)dx＝F(x)

利用该牛顿-莱布尼兹公式，可根据下述表达式计算定积分：

${\∫}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}P\[k,t_A-t_{m-1}\]d{t}_A=G(k,t_A){|}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}$

其中 $G(k,t_A)=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}p\[j,t_A-t_{m-1}\]$

借助该结果，能够根据如下所示的一系列求和计算丢失概率：

$P_{\mathrm{LOSS}}=1-\frac{1}{2b}\underset{m=1}{\overset{\mathrm{MAX}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{m+n_C-1}{\mathrm{\Σ}}}p(m-1,T-l-1)\·\underset{k=0}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\left(G(k,t_A){|}_{\max (t_{m-1},t_S-b)}^{\min (t_m,t_S+b)}\right)$

(10)

5.初始化的扩展

当通信信道状态突然恶化时，上面讨论的技术将预测更高的丢失概率。所述恶化由概率p_D的降低反映。p_D的值的减小等于分组流中的相邻分组的释放事件之间的时间间隔的增加。该间隔被称为“分组间时间”。这些技术对分组间时间的突然变化反应很快，只要所述变化发生在从时间t_S-b到时间t_S+b的时间间隔内。这些技术对紧邻时间t_S-b之前发生的分组间时间的变化反应不是很快。通过扩展该分析过程以考虑更早的释放时间能够克服这种缺陷，如在下面的段落中所述。

图5中所示的例子类似于图4中所示的例子，不过区别在于图5表示在释放时间t₀之前的两个分组P-2，P-1的释放时间。这两个分组的释放时间被分别表示成t_-2和t_-1。在所示的例子中，分组P-2和P-1之间的分组间时间远远大于后续分组的分组间时间。较大的分组间时间增大了缓冲器溢出的可能性。通过初始化关于较早的释放时间，比如关于时间t_-2的递归函数(它可被表示成p(-2，B))，能够考虑到这种影响。可按照上面在时间t₀的初始化所述的相同方式完成该初始化。通过用时间t_-2代替时间t₀，开始进行该初始化处理，并对p_C，p_D和T使用相同的值以初始化函数p(-2，B)，其中T-n_C≤B≤T。对于p_C和p_D可以使用相同的值，因为这两个值以与分组间时间相比变化慢得多的平均值为基础。

在初始化函数p(-2，B)之后，通过分别用时间t_-2，t_-1和t₀替代时间t₀，t₁和t₂，能够从p(-2，B)递归计算p(-1，B)的值，和从p(-1，B)递归计算p(0，B)的值。利用上面所述的相同技术，计算m＞0的其它值p(m，B)和丢失概率P_LOSS。这种扩展改进了对紧邻分析间隔之前发生的分组间时间的变化的响应性。包括在初始化中的在先释放事件的数目可被固定或者修改。经验研究建议介于2和5之间的固定值通常给出良好的结果。如果需要，可响应观察到的情况，例如在时间t₀之前和之后分组间时间的显著变化，或者在时间t₀之前的分组间时间与由p_D表示的平均时间之间的明显差异，修改所述数字。

6.修改FEC参数

通过执行按照方程式7或者方程式10中的对应表达式的计算，例如，接收器20能够计算分组流中的每个分组的估计的丢失概率P_LOSS。通过如下求一组n个分组中的每个分组的丢失概率的总和，能够确定该组分组中，将被丢失的分组的数目N的估计值：

$N=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{loss}}\left(i\right)---\left(11\right)$

其中P_LOSS＝一组n个分组中的分组i的丢失概率。

从方程式11获得的数字N指示在当前状态下，为了恢复在丢失的分组中传送的数据所需的每组分组中的FEC分组的平均数目。除非FEC参数改变，否则数据源2产生的当前一组分组将包含数目等于(n-k)的FEC分组。如果N明显不同于(n-k)，那么FEC参数未被最佳地设置。如果在生成当前一组分组之前，能够把该事实告知数据源2，那么可以考虑到状态的变化修改FEC参数。例如，数据源2能够修改n的值，并保持k的值而不必重新生成或重新发送任何FEC分组。这可按照希望的任意方式，比如在McAuley，“ReliableBroadband Communication Using a Burst Erasure CorrectionCode”，Proc.of ACM SIGCOMM′90，Philadephia，Sep.1990，pp.297-306中讨论的“码组合”技术来完成。

如果N＜(n-k)，那么在该组分组中存在过多的FEC分组。数据源2能够删减FEC分组的生成并且减少发送给处理设备10的分组的数目。

如果N＞(n-k)，那么存在于该组分组中的FEC分组的数量不足以允许恢复在所有丢失分组中传送的数据。根据一组分组中某一分组将被丢失的平均概率P_AVE，能够确定需要的额外FEC分组的数目，平均概率P_AVE为：

$P_{\mathrm{AVE}}=\frac{N}{n}---\left(12\right)$

该组中的分组将不会被丢失的平均概率为1-P_AVE。给定平均需要N-(n-k)个额外FEC分组，数据源2会需要产生等于以下数目的FEC分组：

$\frac{N-(n-k)}{1-P_{\mathrm{AVE}}}---\left(13\right)$

以使得剩下足够数目的额外FEC分组。假定额外FEC分组的引入对丢失概率的影响可以忽略不计。另外还假定足够快地向数据源2提供该信息，以使得数据源2能够调整相邻分组之间的时间间隔以考虑到该组中更多的分组。

如果需要，可对额外的FEC分组的数目或者FEC分组的总数施加一个上限。在一种实现中，分组的总数n被限制成小于或者等于多媒体分组数目的四倍，这等同于把FEC分组的总数(n-k)限制成小于多媒体分组数目k的三倍。

有益的是指出上面说明的瞬态分析过程是在接收器20中进行的，当一组中的最后一个分组到达处理设备10时分析结束。该时间点远在该组中的最后一个分组实际被接收器20接收或者应已被接收器20接收的时刻之前。这便于更快地把瞬态分析的结果提供给数据源2，从而允许通信系统60更快地对通信状态的快速变化作出反应。

C.实现

包含本发明的各个方面的设备可用各种方式来实现，包括由计算机或者一些其它设备执行的软件，所述一些其它设备包括更专门的组件，比如和与通用计算机中的组件类似的组件耦合的数字信号处理器(DSP)电路。图6是可用于实现本发明的各个方面的设备70的示意框图。处理器72提供计算资源。RAM 73是由处理器72使用以进行处理的系统随机存取存储器(RAM)。ROM 74代表用于保存操作设备70所需的程序，并且可能用于实现本发明的各个方面的某种形式的永久存储器，比如只读存储器(ROM)。I/O控制器75代表通过通信信道76、77接收和发送信号的接口电路。在所示的实施例中，所有主要的系统组件与总线71连接，总线71可代表一个以上的物理或逻辑总线；不过，实现本发明并不要求总线结构。

在由通用计算机实现的实施例中，可以包括另外的组件以便连接诸如键盘或鼠标和显示器之类的设备，以及用于控制具有诸如磁带或磁盘之类的存储介质，或者光学介质的存储设备78。存储介质可被用于记录操作系统、实用程序和应用程序的指令程序，并且可以包括实现本发明的各个方面的程序。

实践本发明的各个方面所需的功能可由按照各种方式实现的组件完成，所述组件包括离散的逻辑组件、集成电路、一个或多个ASIC和/或程控处理器。实现这些组件的方式对本发明来说并不重要。

本发明的软件实现可由各种机器可读介质传送，比如在包括从超声波频率到紫外线频率的整个频谱内的基带或调制的通信路径，或者基本上利用任何记录技术传送数据的存储介质，包括磁带、磁卡或磁盘，光卡或光盘，和包括纸张在内的介质上的可检测标记。

Claims (12)

1.一种控制通信网络中分组的供给的方法，所述通信网络包括：

提供源信号的数据源，所述源信号传送排列在一组分组中的数据，所述一组分组包括第一数目的应用数据分组和第二数目的纠错分组，并且该数据源响应控制信息修改所述第一数目或第二数目，其中第一数目是大于零的整数，第二数目是大于或等于零的整数，

分组处理设备，所述分组处理设备接收源信号，把所述一组分组中的至少一些分组的数据保存在缓冲器中，并发送输出信号，所述输出信号包含数据的分组，其中该数据的分组中的至少一些已被保存在缓冲器中，其中利用缓冲器排队方案把数据保存在缓冲器中，所述缓冲器排队方案包括分配和释放缓冲器中的空间以保存分组数据，并且当缓冲器没有可用空间保存分组数据时，丢弃到达该分组处理设备的分组的数据；和

接收输出信号中的至少一些分组的接收器，

其中所述方法包括：

获得在所述分组处理设备从所述数据源接收到该组分组中的分组时的该分组的到达时间；

获得当在输出信号中发送分组数据之后，释放缓冲器中保存该分组数据的空间时的释放时间；

根据所述到达时间和所述释放时间，得出在所述到达时间缓冲器没有可用空间保存分组数据的概率的度量；以及

根据所述概率的度量，生成控制信息。

2.按照权利要求1所述的方法，所述方法是在接收器中执行的，其中：

所述到达时间是从数据源用于生成源信号的处理模型获得的估计到达时间；

通过监视输出信号获得所述释放时间；和

根据多个丢失概率的平均值得出概率的度量，每个丢失概率是响应释放时间和围绕估计到达时间分布的多个到达时间中的各个到达时间确定的。

3.按照权利要求2所述的方法，其中：

该分组处理设备在一个或多个传输时间发送各个数据分组，直到分组处理设备从接收器接收到各个数据分组已被接收的确认为止，和

所述方法根据各个分组的最后传输时间，获得各个数据分组的释放时间。

4.按照权利要求3所述的方法，包括：

检查在输出信号中传送的控制信息，以识别被发送一次以上的分组；和

利用控制信息确定各个数据分组的最后传输时间。

5.按照权利要求2或3所述的方法，所述方法通过下述步骤确定各个丢失概率：

确定缓冲器的队列长度的概率分布；和

利用队列长度的概率分布来估计在各个到达时间缓冲器没有可用空间保存分组数据的概率。

6.按照权利要求5所述的方法，所述方法通过使用递归函数计算紧接在特定的释放时间之后缓冲器的占用率水平等于特定水平的概率，估计在各个到达时间缓冲器没有可用空间保存分组数据的概率。

7.一种控制通信网络中分组的供给的装置，所述通信网络包括：

提供源信号的数据源，所述源信号传送排列在一组分组中的数据，所述一组分组包括第一数目的应用数据分组和第二数目的纠错分组，并且该数据源响应控制信息修改所述第一数目或第二数目，其中第一数目是大于零的整数，第二数目是大于或等于零的整数，

分组处理设备，所述分组处理设备接收源信号，把所述一组分组中的至少一些分组的数据保存在缓冲器中，并发送输出信号，所述输出信号包含数据的分组，其中该数据的分组中的至少一些已被保存在缓冲器中，其中利用缓冲器排队方案把数据保存在缓冲器中，所述缓冲器排队方案包括分配和释放缓冲器中的空间以保存分组数据，并且当缓冲器没有可用空间保存分组数据时，丢弃到达该分组处理设备的分组的数据；和

接收输出信号中的至少一些分组的接收器，

其中所述装置包括：

用于获得在所述分组处理设备从所述数据源接收到该组分组中的分组时的该分组的到达时间的部件；

用于获得当在输出信号中发送分组数据之后，释放缓冲器中保存该分组数据的空间时的释放时间的部件；

用于根据所述到达时间和所述释放时间，得出在所述到达时间缓冲器没有可用空间保存分组数据的概率的度量的部件；以及

用于根据所述概率的度量，生成控制信息的部件。

8.按照权利要求7所述的装置，其中：

所述到达时间是从数据源用于生成源信号的处理模型获得的估计到达时间；

通过监视输出信号获得所述释放时间；和

根据多个丢失概率的平均值得出概率的度量，每个丢失概率是响应释放时间和围绕估计到达时间分布的多个到达时间中的各个到达时间确定的。

9.按照权利要求8所述的装置，其中：

该分组处理设备在一个或多个传输时间发送各个数据分组，直到分组处理设备从接收器接收到各个数据分组已被接收的确认为止，和

所述装置根据各个分组的最后传输时间，获得各个数据分组的释放时间。

10.按照权利要求9所述的装置，包括：

用于检查在输出信号中传送的控制信息，以识别被发送一次以上的分组的部件；和

用于利用控制信息确定各个数据分组的最后传输时间的部件。

11.按照权利要求8或9所述的装置，所述装置通过下述部件确定各个丢失概率：

用于确定缓冲器的队列长度的概率分布的部件；和

用于利用队列长度的概率分布来估计在各个到达时间缓冲器没有可用空间保存分组数据的概率的部件。

12.按照权利要求11所述的装置，所述装置通过用于使用递归函数计算紧接在特定的释放时间之后缓冲器的占用率水平等于特定水平的概率的部件，估计在各个到达时间缓冲器没有可用空间保存分组数据的概率。

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