CN101569190B - Tdma mac层中的自适应时间分配 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于以无线方式对多媒体流进行再分配的方法和装置，包括：在主设备处接收来自源的多媒体流；响应于发送队列的状态信息和传输信道条件，来自适应地确定信道时间分配；通过所述多媒体流构建超帧，以将超帧插入到下行信道时间分配中；以及以无线方式发送信道时间分配，以实现向远程设备再分配所述多媒体流。还描述了一种以无线方式接收再分配多媒体流的方法，包括：接收信标信号和信道时间分配；以及接收所述再分配多媒体流。

Description

TDMA MAC层中的自适应时间分配
技术领域
本发明涉及在无线视频服务器系统中从诸如机顶盒(STB)等主设备向诸如STB等远程设备分配压缩的多媒体/视频。 
背景技术
对于有线视频服务，通常在线缆上特定视频节目专用的频带内广播该特定视频节目。房屋中的任何电视可以通过调谐至该频率而被调谐至任何特定节目。就更新的电视服务(例如，卫星电视分配、因特网电视分配)而言，在主STB中调谐节目，然后通过家庭网络分配至远程STB。在许多情况下，需要安装家庭网络(或家庭分配系统)。尽管线(同轴电缆、双绞线等)是可靠的，但是安装起来十分昂贵，并且房主可能不希望安装员为了安装而钻穿墙壁。因此，厂家对于视频节目再分配系统问题的无线解决方案很感兴趣。 
多数现有的家庭视频分配系统使用以太网作为分配介质。由于多数以太网安装使用至少100Mbps的链路速率并使用交换机而交换机有选择地仅向包含编址设备的分支发送业务，因此当使用在业务速率受控的视频再分配系统时存在极少的QoS问题。如果在相同网络上发送通用IP数据业务而不采用某种类型的QoS保护，则使用以太网会存在问题。当前存在可用于以太网的一种类型的MAC级QoS。使用虚拟局域网(VLAN)标签中的用户优先字段是一种基于优先级的方案。当前，附加参数化QoS(带宽请求、带宽保证、允许控制等)是研究IEEE802网络桥接的IEEE802.1小组委员会中多个工作组之一的研究主题。然而，以太网的缺点在于，需要线路来实现，并且十分需要一种针对视频节目再分配的无新线(no-new-wires)安装技术。 
所需要的是一种通过MAC级桥接来代替以太网分配的无线分配系统。许多家庭网络使用IP协议来分配视频，但存在许多其他可能性。 在一些情况下，使用由实时传输协议(RTP)指定的UDP来发送视频，而在其他情况下(例如，数字生活网络联盟(DLNA))，视频通过TCP进行分配。UDP仅需要单向通信，而TCP需要双向通信。还存在其他可能。希望存在一种不需要对已具有以太网接口的主设备/STB和远程设备/STB进行任何修改(即，无需带宽预留、无需与无线网桥设备对话等)的家庭分配系统。由于介质是无线的从而是频带受限的公共介质，还期望MAC层是极其高效的。为此，本发明使用TDMA MAC方案。但是在TDMA MAC方案中，必须分配时隙以产生每一客户端/远程设备(STB)的专用带宽。但是视频的确切比特率和其他特征可以是未知的，甚至对于先验的主STB来说也是如此。即使视频的确切比特率是先验已知的，也希望能够不需要主STB就能具有与无线设备(远程STB)的任意特定或新的通信。因此，希望具有一种与当前正被分配的MAC级业务的类型相适配的家庭分配系统。 
当前正在IEEE中进行标准化的IEEE802.11N正作为一种用于视频分配的方法得到大力宣扬。对于IEEE 802.11N的主题技术尚存在许多问题。首先，该技术仍旧基于CSMA(IEEE 802.11)。该类型的MAC层内在上是效率低的并且不提供QoS保证。尽管向IEEE 802.11N添加了许多MAC级QoS增强，但是基于CSMA的MAC与TDMA MAC一样高效是不可能的。QoS增强包括：源自IEEE 802.11E的基于优先级的QoS和一些形式的轮询。这些增强对管理IEEE802.11网络的资源非常有用，但是不提供无线家庭视频分配系统所需要或期望的任何QoS保证。轮询可以用来创建本发明能够对其进行操作的类TDMA服务，但是轮询本身降低了MAC效率。MAC效率对于无线网络来说甚至更关键，这是由于可用于房屋的更远程区域的链路速率是有限的。多数当前无线LAN利用公共传输介质(即，相同传输频率下的无线频谱)。因此，MAC需要共享该介质的机制。 
一些服务供应商寻找基于同轴电缆、电话线和/或电源线的无新线技术。存在许多不同的可能，多数可能具有优先级或参数化QoS的形式。这些解决方案的固有问题在于，即使在房屋中已存在同轴电缆或电话线，那些线路可能还没有连接至正确的点，或者是对于技术来说 很难处理的拓扑。大多数这样的技术还与其他房屋共享带宽(例如，在一个电源变压器上最多有4个房屋的电源线)并且当前缺乏可靠性。对于参数化服务，STB必须知道为每一条链路保留多少带宽。对于视频家庭分配系统来说，业务不受控，可以是突发的，并且至少部分上是未知的。 
本发明包括解决了上述突出问题的家庭多媒体流分配系统。 
发明内容
多数当前无线LAN利用公共传输介质(即，相同传输频率下的无线频谱)。因此，媒体访问控制(MAC)层需要共享该介质的机制。多数机制基于载波侦听多路访问(CSMA)MAC层(例如，IEEE802.11)。这种类型的MAC层内在地效率很低，并且不提供服务质量(QoS)保证。由于可用于房屋更远程区域的链路速率是有限的，因此MAC效率对无线网络来说甚至更关键。为了实现极高的效率和QoS保证，本发明使用基于时分多址(TDMA)的MAC。对于基本的TDMA功能使用标准MAC，但是添加了适应数据业务模式而无需改变应用或中间件软件的能力。 
本发明的设计所针对的典型系统包括：主设备，用于向多达三个客户端/远程设备分配基于因特网协议(IP)的视频。所述设备是以太网/无线MAC层设备，其中在基于以太网的STB中进行实际的视频调谐以及呈现。尽管就STB而言对本发明进行了描述，但是不管该设备的名称如何，通过本发明可以想到具有等同或类似功能的任何设备。通常，MAC网桥连接可能相同或可能不同的LAN网段。通过网桥互联的不同LAN技术的集合被称作网桥局域网。MAC网桥在MAC服务边界以下工作，并且对于MAC网桥服务边界以上所使用的协议来说是透明的，只不过在QoS方面有可能不同。 
下面，就与三个远程STB进行受限通信(即，发向/来自主STB的所有通信)的示例家庭视频分配系统而言，对本发明的系统和方法进行描述。本文所述技术可以容易地被扩展至更一般的家庭网络。应当注意的是，到目前为止，不存在可以将三条高清晰视频流分配至房屋 中的三个远程位置的无线家庭分配系统。应当理解的是，尽管就包括视频流的示例实施例而言对本发明进行描述，但显而易见的是，术语“视频”可以被扩展至包括“多媒体流”，“多媒体流”包括诸如数字音频等其他流媒体。 
所有业务被限制为去往或来自主桥接设备。主桥接设备周期性地发送信标，信标制定了每一设备可以在其中发送其数据的信道时间分配(CTA)。信标加上到下一信标为止的所有CTA被称作如图8所示的“超帧”。CTA 1、2和3用于下行业务(多数为视频)。CTA 4、5和6用于上行业务(多数为TCP确认(ACK)和其他管理/控制帧)。主桥接设备在传输信标之前确定CTA分配。通常，CTA可以是由主设备(主STB)确定或由远程设备(远程STB)请求的固定时隙。然而，无论请求还是设置CTA时间，没有设备真正事先知道所有IP业务特征。业务可以基于用户数据报协议(UDP)(不返回ACK)或基于传输控制协议(TCP)。有时，所有业务都是下行的(非对称的)，而有时较为对称。期望充分利用所有可用的时间分配/时隙。 
根据本发明的一方面，主桥接设备以自适应方式设置CTA时间。主桥接设备接收与所有发送队列的状态有关的信息(每一CTA一个状态信息)。状态信息包括诸如队列中分组数、队列中分组的平均长度、以及分组队列到达率等的最小集合。每一发送队列的服务率与相应CTA的长度成正比。CTA受限于，它们必须合计达到通常周期性出现的超帧的长度。因此，在本发明中，主STB向更满的和/或具有更高输入到达率的队列分配更多时间。根据所使用的确切准则，许多不同的自适应算法是可行的。在本发明中，使用传统技术来估计平均队列级。将那些表达式(即，与每一CTA相关联的性能准则，在这种情况下是平均队列级)组合到总度量(例如求和、均方误差等)中。采用自适应处理技术来分配时间，从而使分配实现大约最小度量(在某种程度上这是最优的)。本发明的系统具有的优点在于：它能够快速进行调整，从而以这样的方式分配CTA，使针对任何给定稳定状态业务模式的吞吐量最大化，然而随后可以快速适应若干超帧内的新模式。本发明还具有以下优点：上述最优分配是基于业务模式来确定的。假设不存在 对业务模式的控制，并且没有足够信息来为每一设备“预留”固定量的带宽(BW)。本发明还具有的优点是，不需改变应用级(在这种情况下为视频系统中间件，视频系统中间件包括承载视频的协议)。 
描述了一种以无线方式对多媒体流进行再分配的方法和装置，包括：在主设备处接收来自源的多媒体流；响应于发送队列的状态信息和传输信道条件，来自适应地确定信道时间分配；通过所述多媒体流构建超帧，以将超帧插入到下行信道时间分配中；以及以无线方式发送信道时间分配，以实现向远程设备再分配所述多媒体流。还描述了一种用于以无线方式接收再分配多媒体流的方法，包括：接收信标信号和信道时间分配；以及接收所述再分配多媒体流。 
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以更好地理解本发明。附图包括以下简要描述的图： 
图1是根据本发明原理的示例无线家庭视频分配系统。 
图2是MAC级网桥。 
图3是通用无线网桥。 
图4是本发明的示例实施例中、具有适于无线家庭视频分布的约束路径的无线网桥。 
图5是主STB和无线MAC网桥的服务器侧的软件(逻辑结构)的方框图。 
图6是远程/客户端STB和无线MAC网桥的客户端侧的软件(逻辑结构)的方框图。 
图7是根据本发明原理的无线高清晰MAC网桥的方框图，示出了如何使用CTA。 
图8示出了根据本发明的超帧。 
图9是针对连接至视频服务器(主STB)的PNC的高层发送分组流图。 
图10是针对连接至视频服务器(主STB)的PNC的高层接收分组流图。 
图11是针对连接至视频客户端(远程STB)的DEV-x的高层发送分组流图。 
图12是针对连接至视频客户端(远程STB)的DEV-x的高层接收分组流图。 
图13示出了一般的MAC交换转发功能。 
图14示出了单个下行CTA(PNC至DEV-x)。 
图15示出了超MAC(MAC帧的非标准汇聚)和物理帧格式。 
图1 6示出了单个上行CTA(DEV-x至PNC)。 
图17是根据本发明原理的PNC中的处理的流程图。 
图18示出了根据本发明原理的单个队列模型。 
图19示出了根据本发明原理的多个无线发送队列。 
具体实施方式
本发明以支持TDMA服务的IEEE802.15.3B MAC为基础(信标在超帧的起始处，传输时间分配在超帧内)。尽管可以使用其他TDMAMAC(例如，IEEE802.16)，但是现有技术中还没有尝试纯粹基于MAC层可以使用的业务特征来动态分配CTA长度。 
当设置CTA时存在一些必须考虑的TCP特征。TCP是利用32位序号和请求号以及16位滑动窗口长度字段的传输协议。这三组数用来实现“停止等待”或“退回N帧”ARQ差错恢复方案。由于正被发送的发送队列中的TCP分组“在网络中”，因此必须由目的地将TCP窗口设置的足够大，以允许那些分组延迟。本发明并不对设置窗口的大小进行控制，然而CTA的初始选择和超帧的长度可以被选择得足够短以尽量减少问题。超帧的长度是可调整的(可适应的)，以便能够改变TCP窗口大小。 
对于10毫秒超帧，每10毫秒发送大约19个1400字节的TCP分组。这相当26600比特。为了描述以下示例实施例，已选择接近165千字节的发送缓冲队列。对于TCP业务，由于TCP窗口大小不允许多于64千字节的延迟数据，因此发送缓冲队列将永远不会溢出。甚至可能的是，窗口可以足够小以甚至不允许完全填满CTA。为此，最好以短的超帧 (5毫秒)开始。此时发送缓冲队列无需大于51千字节，但至少能够处理单个TCP会话。然而，对于示例实施例选择165千字节发送缓冲队列，以避免在通过UDP发送视频的情况下丢失分组。 
应注意的是，ARQ差错恢复方案的数学模型已在队列理论领域中得到了充分的发展，并且如果需要可以用它来更精确地对TCP性能进行建模。假设窗口足够大从而允许足够的延迟TCP分组(一些分组在队列中而另一些分组在CTA中)。在示例实施例中，允许多达5次的重传，CTA应当足够小以致于约5次的数据可以加入发送缓冲队列。如果使用最大的TCP窗口，5毫秒的超帧将满足上述情况。 
尽管初始应用将是使用TCP的流视频，在允许所述方法适配于业务模式的一般意义下，在实现方式中存在足够灵活性，以保证良好性能。 
实时的长度灵活的超帧结构是可行的，这种超帧结构被认为增加了系统健壮性并改进了系统性能。超帧的长度可以取决于示例实施例中三个单独视频队列的长度、下行传输信道条件和任何其他可能的因素。在长度灵活的超帧的情况下，信标必须广播后继CTA的长度，并且通知每一远程STB针对于它的CTA的长度。 
如上所述，存在这样的可能：如果相对于CTA的长度TCP接收窗口足够小，则直到从前帧接收到ACK服务器才释放下个分组，从而有效地减慢了源处的流。所述速率可能降至期望的实时流速率以下。为了避免上述情况，本发明选择不会导致该欠数据情况(starvedcondition)的CTA大小。为了保持适当的速率，如果CTA大小减少了，那就需要提高出现的频率。这通过减小超帧的大小或通过每一超帧向该链路分配多个一个CTA来实现。 
进一步如上所述，TCP窗口大小的不确定性导致改变超帧长度的可能。改变超帧长度可以在MAC层处通过基于查看TCP首部来触发超帧改变予以实现；或更恰当地通过监控发送缓冲队列，并在发送缓冲队列为空的状态过于频繁导致CTA缺少发送数据的情况下缩短超帧予以实现。首先，在示例实施例中使用固定超帧长度。给定固定超帧长度，研究如何修改CTA长度以适应业务特征。在这种情况下，由于TCP 可以将ACK分组和/或可以在包含数据的分组的首部中包括ACK，因此对于向通常用于TCP ACK的CTA分配多长时间而言，存在某种不确定性。 
至少，已知任何给定发送队列的平均输出分组率必须保持在平均分组到达率之下，否则，队列将溢出。然而，即使平均到达率小于平均离开率，由于输入流的统计属性的缘故，输入速率可能临时超过输出速率。保持平均输出速率高于平均输入速率是必需的，但是是不足够的。由于缺乏IP业务的专一性，最好使系统具有自适应性。 
为了实现自适应性，记录每一超帧的队列信息。队列信息包括：队列大小(如果是固定的，则不需要发送)、队列中分组的数目、队列中分组的平均长度、以及输入分组速率的估计。将该信息与有关于到每一DEV或远程STB的可靠链路速率的信息一起用作自适应算法的输入，自适应算法的目标是不使分组丢失，并且以达到所述目标的方式向CTA分配超帧时间。本文“/”的使用表示相同组件的别名。自适应算法尽量使每一队列中分组数量的期望值最小化(从而最小化延迟)，和/或使队列溢出的概率最小化。通过监控队列级，MAC可以调整每一超帧的CTA，以优先发送几乎充满的队列。 
本发明涉及无线视频服务分配系统的MAC和桥接层，所述无线视频服务分配系统从主STB向远程STB分配压缩的视频。系统部分利用了IEEE 802.15.3b TDMA MAC，因此使用该标准的一些术语。在图1中示出了将所述技术内建于STB中的示例系统。 
主STB 105从视频的各种视频源(包括先进电视制式委员会(ATSC)天线(数字电视)、卫星天线和广域网(WAN)调制解调器)接收输入。主STB向视频显示器110(例如，电视)提供输出，视频显示器110包括：合成式国家电视标准委员会(NTSC)视频显示器、高清晰多媒体接口(HDMI)分量视频显示器、以及连接至用户交换机的局域网(LAN)。主STB具有5个卫星调谐器(电子节目指南(EPG)、主调谐器、三个远程调谐器和记录调谐器)。主调谐器用于调谐至与主STB进行通信的显示器的用户所期望的节目。三个远程调谐器用于调谐至远程显示器的每个用户期望的节目。EPG调谐器用于调谐至电子 节目指南。记录调谐器用于在与主STB进行通信的显示器的用户正在观看由主卫星调谐器调谐至的节目时，调谐至该用户期望记录的节目。主STB具有两个ATSC调谐器：主调谐器和记录调谐器。主调谐器用于调谐至与主STB进行通信的显示器的用户期望的节目。记录调谐器用于在与主STB进行通信的显示器的用户正在观看由主调谐器调谐至的节目时，调谐至该用户期望记录的节目。主STB还具有解复用器(多路分配器)、个人录像机(PVR)、与遥控设备一起使用的红外(IR)接收机、卫星/ATSC解码器和无线集线器。主STB 105可以以大约20Mbps向每一远程STB发送视频。主STB 105可以与每一远程STB交换卫星供应商IP业务。主STB 105可以与每一远程STB交换控制信息。 
主STB与三个远程STB(远程STB1 115、远程STB2 125和远程STB3 135)进行通信。远程STB1 115与视频显示器120进行通信。远程STB2 125与视频显示器130进行通信。远程STB3 135与视频显示器140进行通信。远程STB是以类似方式配置的，因此将仅描述远程STB1。远程STB1 115具有卫星/ATSC解码器、与遥控设备一起使用的IR接收机、以及无线站。远程STB1 115可以以大约20Mbps从接收主STB 105接收视频。远程STB1可以在其自身与主STB 105之间交换卫星供应商IP业务。远程STB1 115可以与主STB 105交换控制信息。 
将本发明构建为MAC级无线网桥(见图2)。通常，MAC网桥连接相同或不同的LAN网段。通过网桥互联的不同LAN技术的集合被称作网桥局域网。MAC网桥在MAC服务边界以下工作，并且对于MAC网桥服务边界以上所使用的协议来说是透明的，只不过在QoS方面有可能不同。MAC服务用户位于MAC服务边界之上，MAC服务供应商位于MAC服务边界之下。MAC层网桥包括与每一LAN网段/组件连接的中继。 
图3中示出了通用无线网桥。无线网桥305经由以太网连接与服务器进行通信。图中示出了两个服务器310、315。无线网桥305还经由以太网连接与客户端进行通信。图中示出了4个客户端320、325、330、335。DEV0在通用无线网桥内，DEV0是微微网控制器(PNC)340。PNC 340与多个设备进行无线通信。图中示出了三个设备DEV1 345、 DEV2 350和DEV3 355。DEV0/PNC 340与服务器310、315进行通信。DEV1 345与客户端320进行通信。DEV2 350与客户端325进行通信。DEV3 355与客户端330、335进行通信。 
然而，本发明的示例实施例具有适于无线家庭视频服务分配应用的约束路径。在图4中由虚线示出了可能的数据路径。无线网桥405与主STB 410进行无线通信。无线网桥405还与远程STB 415、420、425进行无线通信。无线网桥405的内部配置如图2所示。所有业务去往/来自主STB 410。 
图5示出了服务器端(主STB和网桥设备)的软件架构。应注意的是，主网桥设备还是如IEEE 802.15.3所述的微微网控制器(PNC)。主STB 505具有主STB 505中的中间件视频服务器应用510。多媒体流中间件515与媒体QoS控制520和设备驱动525连接。多媒体流中间件515向设备驱动525转发视频数据，并与媒体QoS控制中间件520交换控制信息。媒体QoS控制中间件与设备驱动525交换控制信息。设备驱动525主要与网络接口(IEEE 802.3)530交换视频数据。可移植操作系统Unix(POSIX)驱动535的子集位于设备驱动525内，用于从媒体流中间件515接收视频数据和控制信息，并与媒体QoS控制中间件520交换信息。POSIX驱动的子集与TCP/IP栈540和媒体流协议545以及QoS管理和控制550中的QoS中间件交换信息。PNC 555具有无线MAC视频服务器网桥应用560，无线MAC视频服务器网桥应用560与软件565交换控制信息，软件565包括多个软件模块。软件565与无线射频接口570和IEEE802.3驱动575交换视频数据和控制信息。IEEE 802.3驱动主要与IEEE802.3网络接口580交换视频数据，IEEE802.3网络接口580与IEEE 802.3网络接口530连接并交换该视频信息。软件565包括许多软件组件，所述软件组件包括覆盖在无线设备管理实体(DME)和IEEE802.2帧汇聚子层(FCSL)服务接入点(SAP)上层的IEEE802.1D桥接模块。无线MAC视频服务器网桥应用560与无线DME管理SAP连接。无线DME管理SAP以及无线DME和IEEE 802.2 FCSL SAP均覆盖在IEEE 802.2FCSL DME的上层，IEEE 802.2 FCSL DME执行IEEE 802.15.3b PNC的功能、进行QoS调度、以及管理网桥功能。IEEE 802.2 FCSL DME覆 盖在IEEE 802.15.3b MAC SAP和IEEE 802.13.3b MAC层管理实体(MLME)SAP的上层。IEEE 802.13.3b MAC层管理实体(MLME)SAP覆盖在IEEE 802.15.3b MLME上层，IEEE 802.15.3b MLME覆盖在无线物理层管理实体(PLME)SAP上层。IEEE 802.15.3b MAC SAP覆盖在IEEE 802.15.3b MAC子层上层，IEEE 802.15.3b MAC子层覆盖在无线物理SAP上层。IEEE 802.15.3b MAC SAP覆盖在无线物理层上层。无线物理层管理实体(PLME)SAP覆盖在无线物理层PLME上层。无线PLME与无线物理层进行通信。IEEE 802.15.3b MAC子层与IEEE802.15.3b MLME进行通信。无线物理层和无线PLME分别与无线射频接口交换视频数据和控制信息。软件565和560自适应地确定CTA、发送信标信号和下行CTA内的下行分组、以及接收再分配视频/媒体已接收到的MAC级ACK/NAK。 
图6示出了客户端侧(远程STB和网桥设备)的SW架构。应注意的是，本发明处于网桥设备中，而上下文示出了STB。应注意的是，远程/客户端网桥设备还是如IEEE 802.15.3所述的DEV-x(非PNC设备)。远程/客户端STB 605中具有中间件视频客户端应用610。媒体流中间件615与媒体QoS控制620和设备驱动625连接。媒体流中间件615从设备驱动625接收视频数据，并与媒体QoS控制中间件620交换控制信息。媒体QoS控制中间件与设备驱动交换控制信息。设备驱动625主要与网络接口(IEEE 802.3)630交换视频数据。POSIX驱动635的子集位于设备驱动625内，用于主要向媒体流中间件615发送视频数据并与媒体QoS控制中间件620交换信息。POSIX驱动的子集与TCP/IP栈640和媒体流协议545以及QoS管理和控制650中的QoS中间件交换信息。DEV-x 655具有无线MAC视频客户端网桥应用660，无线MAC视频客户端网桥应用660与包括多个软件模块的软件665交换视频数据和控制信息。软件665与无线射频接口670和IEEE 802.3驱动675交换视频数据和控制信息。IEEE 802.3驱动主要与IEEE 802.3网络接口680交换视频数据，IEEE 802.3网络接口680与IEEE 802.3网络接口630连接并与其交换该视频数据。软件665包括许多软件组件，所述软件组件包括覆盖在无线DME和IEEE 802.2 FCSL SAP上层的IEEE 802.1D桥接模块。 无线MAC视频客户端网桥应用660与无线DME管理SAP连接。无线DME管理SAP与无线DME和IEEE 802.2 FCSL SAP均覆盖在IEEE802.2 FCSL DME上层，IEEE 802.2 FCSL DME执行IEEE802.15.3bDEV-x的功能、向PNC发送状态以进行QoS调度、以及管理网桥功能。IEEE802.2 FCSL DME覆盖在IEEE 802.15.3b MAC SAP和IEEE802.13.3b MLME SAP上层。IEEE 802.13.3b MLME SAP覆盖在IEEE802.15.3b MLME上层，IEEE 802.15.3b MLME覆盖在无线物理层管理实体(PLME)SAP上层。IEEE 802.15.3b MAC SAP覆盖在IEEE802.15.3b MAC子层上层，IEEE 802.15.3b MAC子层覆盖在无线物理SAP上层。IEEE 802.15.3b MAC SAP覆盖在无线物理层上层。无线PLME SAP覆盖在无线物理层PLME上层。无线PLME与无线物理层进行通信。IEEE 802.15.3b MAC子层与IEEE 802.15.3b MLME进行通信。无线物理层和无线PLME与无线射频接口交换视频数据和控制信息。软件665和660接收具有关于CTA信息的信标信号、接收下行CTA内的再分配视频/媒体、并在适当的上行CTA中发送MAC级ACK或NAK。应注意的是，这些ACK不同于在使用TCP的情况下可以在视频客户端处产生的TCP ACK。 
下面参照图7，图7是根据本发明原理的无线MAC网桥的方框图。PNC 705在所分配的CTA中向/从远程STB 710、715、720发送和接收数据/信息。主设备705周期性地发送信标，信标制定了每一设备可以在其中发送其数据的信道时间分配(CTA)。CTA 1、2和3用于下行业务(多数为视频)。CTA 4、5和6用于上行业务(多数为TCP ACK和其他管理帧)。 
在图8中示出了超帧。主设备在传输信标之前确定CTA。通常，CTA是由主设备/PNC确定或由远程设备/STB请求的固定时隙。特别地，对于IEEE 802.15.3b，标准指定远程STB/设备通过向PNC发送“CTReq”消息来请求带宽。然而，无论请求还是设置CTA时间，没有设备真正事先知道所有的IP业务特征，尤其对于远程STB更是如此。业务可以基于UDP(不返回ACK)或基于TCP。有时，所有的业务都是下行的，而有时较为对称。期望通过适配CTA内的时间量来优化业 务流，以充分利用所有可用时间。首先通过无线方式发送超帧的最左部分，然后通过无线方式发送超帧的最右部分。在信标之后，以首先发送下行CTA然后发送上行CTA的顺序来发送CTA。本发明上下文中，超帧可以在5毫秒和10毫秒之间改变。 
在图9和10中示出了针对连接至主STB的PNC的示例分组流图。在图11和12中示出了针对连接至远程STB的DEV-x(即，非PNC设备)的示例分组流图。如上所述，示例高清晰视频分配系统的无线MAC网桥充当约束网桥。 
现在参照图9，PNC在以太网端口905上接收以太网视频数据帧(主要为视频)。PNC确定超帧的长度和每一CTA。根据目的地MAC地址来将帧放入适当的发送队列910a、910b、910c。PNC可以通过如IEEE 802.D所述的泛洪(flooding)来学习MAC地址，或者可以手动填写滤波/路由表。为了减小图上的混乱，在描述本发明时假设每一发送端口(发往每一DEV-x/远程STB)仅有一个队列。如果期望有多个优先级，则每一发送端口(发往每一DEV-x/远程STB)将存在多个队列。即，每一优先级组一个队列。将以太网视频数据帧划分成队列。在示例实施例中，队列分别是165千字节，并且超帧在5毫秒长和10毫秒的长度之间。将队列中的视频数据帧转发至软件模块915，软件模块915将以太网视频数据帧转换成IEEE 802.15.3b MAC帧，IEEE802.15.3b MAC帧包括优先级映射、帧校验序列(FCS)、分段和报头校正码(HCC)计算。软件模块915接收转发表和服务流，以处理从数据存储单元920接收的以太网视频数据帧。软件模块915与用于存储发送MAC服务数据单元(MSDU)的缓冲器925进行通信。软件模块930从软件模块915请求MAC帧，以便构建超帧。软件模块915向软件模块930转发多个MSDU。软件模块930从数据存储单元935接收物理特征和参数，并从缓冲器940接收来自在先服务帧的MSDU确认(ACK)，以便构建超帧。数据存储单元945从在先超帧接收被存储为本地和远程DEV(STB)队列长度的MAC带宽管理命令，从而可以改变CTA长度。将该信息转发至MAC带宽管理实体950，MAC带宽管理实体950向软件模块930转发CTA长度，以便进一步支持超帧的构建。软件模块930 还从超帧重传缓冲器955接收来自在先帧的、要被重传的MSDU，所述超帧重传缓冲器955在每一远程STB MAC协议数据单元(MPDU)中存储多个MSDU并丢弃已确认的MSDU。将由软件模块930构建的超帧存储在超帧构建缓冲器960中。由软件模块930构建的超帧包括下行MPDU和上行时间。超帧构建缓冲器960以每一远程STB MPDU多个MSDU的形式将所构建的超帧转发至超帧发送缓冲器965。超帧发送缓冲器965将其从超帧构建缓冲器接收的超帧转发至超帧重传缓冲器955。超帧发送缓冲器965将完整的MPDU转发至软件模块970。软件模块在接收间隔期间从远程STB接收延迟的ACK，并从定时时钟975接收定时信息。软件模块970将多个MSDU汇聚在每一MPDU中，并将它们转发至发送用的物理层模块980。软件模块970基于信标中的定时使用定时，并将发送数据、发送数据速率、发送长度、发送功率电平和发送天线控制转发至物理层模块980，物理层模块980将物理数据协议单元(PPDU)从PNC发送至指定的远程STB。 
由于图10示出了接收分组的流动，描述将从图的右侧开始进行。在物理层软件模块1005处接收PPDU，物理层软件模块1005还从定时时钟1010接收输入。物理层软件模块将所接收的数据、长度、链路质量指示符(LQI)、接收信号强度指示符(RSSI)和PHY接收错误转发至软件模块1015。软件模块1015基于定时信标利用定时将PPDU分成由MSDU汇聚的MPDU，并将MPDU转发至软件模块1020，软件模块1020执行HCC计算、分离完整MSDU帧或片段、处理帧校验序列、记录正确接收的MSDU、响应于延迟的ACK请求来构建延迟的ACK、以及对MSDU进行过滤从而将仅用于服务器的正确MSDU传送至服务器(主STB)。软件模块1020转发针对所接收的MSDU的延迟ACK，并丢弃不用于服务器(主STB)的MSDU。软件模块1020从数据存储单元1025接收物理特征和参数，以便执行上述功能。软件模块1020将诸如延迟ACK等MAC命令和带宽管理消息转发至软件模块1030，软件模块1030分离MAC命令，并将MSDU ACK转发至MSDU ACK缓冲器1035以及将MAC带宽信息单元(IE)转发至MAC带宽管理实体1040。软件模块1020还将MSDU(主要是TCP ACK)转发至软件模块1045，软件 模块1045根据片段重构完整的MSDU、存储不完整的MSDU的片段以及以适当的顺序放置MSDU。软件模块1045与重排序帧构建缓冲器1050以及接收MSDU片段缓冲器1055进行通信。软件模块1045将完整的MSDU转发至软件模块1060，在软件模块1060中将完整的MSDU转换成包括帧校验序列和优先级映射的以太网帧。软件模块从数据存储单元1065接收转发表和服务流信息，并将以太网帧转发至服务器(主STB)。 
图11是针对连接至远程STB(视频客户端)的DEV-x的高层发送分组流。由软件模块1105接收以太网帧，软件模块1105对来自视频客户端的输入帧进行过滤和分类。软件模块1105将以太网帧转发至帧队列1110。由于所有的业务都将去往服务器(主STB)，因此仅存在一个队列。然而，如果期望多个优先级，则应实现多个队列(每一优先级组一个队列)。将队列中的数据转发至软件模块1115，软件模块1115将以太网帧转换成包括优先级映射、帧校验序列、分段和HCC计算的IEEE 802.15.3 MAC帧。软件模块1115从数据存储单元1120接收转发表和服务流信息。软件模块1115还与发送MSDU发送缓冲器1125进行通信。软件模块将多个MSDU转发至软件模块1130，软件模块1130在下个超帧内构建用于发送的上行MPDU。软件模块1115还接收来自软件模块1130的请求。软件模块1130从缓冲器1135接收来自在先超帧的MSDU ACK。软件模块1130从数据存储单元1140接收物理特征和参数，并从数据存储单元1140接收来自信标的CTA信息。软件模块1130从软件模块1150接收MAC带宽管理命令，软件模块1150使用从数据存储单元1155接收的本地队列长度信息和从数据存储单元1160接收的来自在先超帧的MAC带宽请求响应(以非标准方式使用IEEE 802.15.3MAC命令来交换队列信息)来构建带宽管理消息。软件模块1130从超帧重传缓冲器1165接收来自在先帧的、要被重传的MSDU。超帧重传缓冲器1165还丢弃已确认的MSDU。软件模块1130与构建缓冲器1170进行通信，构建缓冲器1170是针对下一超帧的上行MPDU的缓冲器。构建缓冲器1170将上行MPDU转发至超帧发送缓冲器1175，超帧发送缓冲器1175将上行MPDU转发至软件模块1180。超帧发送缓冲器1175 还将上行MPDU转发至超帧重传缓冲器1165。软件模块1180基于信标利用定时将多个MSDU汇聚在每一MPDU中，并将MPDU传送至发送用的物理层软件模块1185。软件模块从定时时钟1190接收定时，并在接收间隔期间从服务器(主STB)接收延迟的ACK。软件模块1180将发送数据、发送数据速率、发送长度、发送功率电平、以及发送天线控制转发至物理层软件模块1185。 
在图12中示出了远程DEV中接收处理的大致过程。接收处理主要包括分解超帧然后重构以太网帧(包括重组被分为片段的帧)。接收端还检查错误，并准备用于发回PNC的DLY ACK(一种大的ACK)。在与其中有分组到达CTA反方向的CTA的起始时刻发送DLY ACK。这是与标准存在的另一偏差。 
图12是针对连接至视频客户端(远程STB)的DEV-x的高层接收分组的流图，因此描述将从图的右侧开始进行。软件模块1205接收PPDU并将所接收的数据、所接收的错误、长度、LQI和RSSI转发至软件模块1215。软件模块1205从软件模块1215接收天线控制信息，并从定时时钟1210接收定时信息。软件模块1215从物理层软件模块1205接收MPDU。将多个MSDU汇聚到每一MPDU中。软件模块1215从定时时钟1210接收定时。软件模块1215将MPDU片转发至软件模块1220，软件模块1220执行HCC计算、分离完整MSDU帧或片段、处理帧校验序列、记录正确接收的MSDU、响应于延迟的ACK请求构建延迟的ACK、以及对MSDU进行过滤并仅转发用于服务器(主STB)的正确接收的MSDU。软件模块从数据存储单元1225接收物理特征和参数，并转发针对所接收的MSDU的延迟ACK。软件模块1220丢弃不用于视频客户端(远程STB)的MSDU，并将MAC命令转发至软件模块1230，软件模块1230分离MAC管理消息，并将MAC带宽响应转发至数据存储单元1235，以及将来自远程STB的MSDU ACK转发至MSDU缓冲器1240。软件模块1220将MSDU转发至软件模块1245，软件模块1245根据片段重构完整的MSDU、存储不完整MSDU的片段、以及以适当顺序放置MSDU。软件模块1245与重排序和帧构建缓冲器1250以及接收MSDU片段缓冲器1255进行通信。软件模块1245将完整的MSDU转发 至软件模块1260，软件模块1260将MAC帧转换成包括优先级的以太网帧。软件模块1260还从数据存储单元1265接收转发表和服务流信息。 
在图13中示出了如IEEE 802.1D所述的通用交换转发功能的图。图13中的一个发送队列与图9中的发送队列集合相对应。由于通用优先级支持，在图13中每一发送端口存在多个队列。在图9和11中未明确示出所述特征。在该图与图9和11之间，一些其他功能的顺序略微有所不同(例如，当将帧从IEEE 802.3转换至IEEE 802.15.3时)，但是最终的功能是相同的。PNC接收以太网帧，并构建信标和用于在如图14所示的CTA1-CTA3中发送至DEV1-DEV3的帧(图14示出了一个CTA)。一旦确定了CTA长度，PNC将构建如图15所示的超Mac帧(IEEE 802.15.3MAC帧的非标准汇聚)。构建超Mac帧来填充包括最后一个MAC帧的分段在内的CTA。该非标准封装仅仅是在CTA1、2或3内发送的帧的示例，并非必须将MAC PDU汇聚到单个PHY分组中。然后将超帧转发至用于同步发送的PHY层。CTA在信标中公开的时刻准时开始。 
参照图14，物理前导和物理报头组成每一CTA中的一个物理帧。发往远程STB的延迟ACK、对远程STB的队列状态信息请求和发往远程STB的多个数据分组组成具有保护MAC报头的MAC帧的集合。与CTA内任何剩余时间级联的上述物理帧和MAC帧集合组成了发往远程STB的PNC的下行CTA。 
应注意的是，放置在CTA中的第一和/或最后的MPDU可以包括来自原始MAC有效载荷的片段。由于IEEE 802.15.3 MAC报头包含针对分段和重组的信息，应当理解的是，本文所述方法可以包括分段和重组，而不再进一步解释。 
现在参照图15，对于每一MAC有效载荷，存在相应的MAC报头。对HCC进行计算并将其插在MAC报头之后MAC有效载荷之前。对FCS进行计算，并将其插在MAC有效载荷之后。这可以针对每一MAC有效载荷来进行以创建超MAC帧。超MAC帧长度是物理报头的一部分，将物理报头插入超MAC帧之前来形成CTA，对CTA进行调制和并通过无线方式将其发送。以慢而可靠的速率来发送物理报头，并以某期望速率来发送CTA的超MAC部分。 
以类似的方式来发送CTA4、5和6内的帧。图16中示出了这些CTA之一中发送的帧的示例，图16示出了单个上行CTA(DEV-x至PNC)，单个上行CTA包括物理帧和具有保护报头的MAC帧的集合以及CTA内的任何剩余时间。类似于图14中所示的下行CTA，物理帧包括物理前导和物理报头。MAC帧的集合包括：发往PNC的延迟ACK、发往PNC的队列状态信息和发往PNC的数据分组。应注意的是，该CTA包括将队列状态信息携带回PNC的帧。该队列状态信息可以包括：队列的大小(如果队列的大小是可变的)、队列中的帧数、帧的平均长度、以及队列输入处的帧到达率。 
本发明使用固定长度的5毫秒或10毫秒的超帧。对于超帧和CTA的长度固定的情况，表1示出了一些合理的值。表2示出了在一些特定假设条件下，每一CTA内期望的分组的近似数目。然而，如上所述，本发明涉及调整CTA的长度甚至可能是超帧的长度，以使队列溢出的概率最小化并使时间利用率最大化，从而实现较高的效率。 
表1超MAC帧大小和推荐CTA长度 
Figure G2006800566380D00181
表2每一CTA中数据帧的近似数目 
Figure G2006800566380D00191
在本发明中，PNC以自适应的方式确定CTA的长度，可能还有超帧的长度。为此，PNC需要与需被发送的业务有关的信息。PNC显然可以获得与嵌入自身的三个发送队列有关的信息。为了获得关于远程DEV中发送队列的信息，远程DEV(在新命令中)在每一超帧中，在其CTA中发送一次队列状态信息。操作流程遵照图17的流程图。PNC将接收与所有发送队列的状态有关的信息(每一CTA对应一个状态信息)。状态信息包括：诸如队列中分组数、队列中分组的平均长度和分组队列到达率以及队列大小(如果是可变的)等的最小集合。 
图17示出了示例实施例中、与主STB相关联的PNC中的调整的高层流程图。在1705，如果输入业务指示短TCP窗口，则PNC缩短超帧的长度。如果将返回业务发送至主STB后，存在输入业务的短突发，则上述假设为真。在1710，PNC获取关于队列状态的信息(本地的或远程的)。在1715，PNC处理队列状态信息和链路速率信息，以计算新的CTA长度，并且PNC构建超帧的输出部分，并将其转发至用于传输的物理层。在1725，接收输入分组(CTA 4-6)并分离MAC帧，存储队列状态信息，将MAC数据帧转换成以太网帧，并将其转发至主STB。在1730，进行测试，以确定超帧是否可以被预定数(例如，5)整除。如果超帧可以被预定数整除，那么处理前进至1705(即，每5个超帧调整一次超帧长度)。如果超帧不能被预定数整除，则处理前进至1710。 
图18示出了根据本发明原理的单个队列模型。图19示出了根据本 发明原理的多个无线队列。 
发送队列的分组服务率与相应CTA的长度成正比。CTA受限于，它们必须合计达到超帧的长度。在本发明中，主STB向更满的和/或具有更高输入到达率的队列分配更多时间。在本发明中，使用现有技术来估计平均队列级。将平均队列级组合到总度量(例如，求和、均方误差等)中。采用自适应处理技术使系统分配时间，从而使系统以大约所使用的最小度量工作(在某种程度上这是最优的)。所述系统具有的优点在于：能够快速进行调整，从而以这样的方式分配CTA，使针对任何给定稳定状态业务模式的吞吐量最大化，然而随后可以快速适应若干超帧内的新模式。本发明还具有以下优点：它基于业务模式来寻找上述最优分配。假设不存在对业务模式的控制，并且没有足够信息来为每一设备“预留”固定量的带宽。 
虽然上述描述集中于适于高清晰视频分配应用的具有一个主设备和三个客户端设备的无线桥接系统，但是对本领域技术人员显而易见的是，所述方法可以扩展至一般的无线TDMA MAC，甚至是运行在公共介质(例如，电力线)上的有线TDMA MAC。 
应当理解的是，本发明可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实现。优选地，本发明可以实现为硬件和软件的组合。此外，软件优选地实现为有形地包含在程序存储设备上的应用程序。应用程序可以被上传至并由包括任意适当架构的机器来执行。优选地，所述机器可以在具有硬件(例如，一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、和输入/输出(I/O)接口)的计算机平台上实现。计算机平台还包括操作系统和微指令代码。本文所述的各种处理和功能可以是经由操作系统执行的微指令代码的一部分或应用程序的一部分(或其组合)。此外，各种其他外围设备可以连接至诸如附加数据存储设备和打印设备等计算机平台。 
还应当理解的是，由于附图中示出的一些构成系统组件和方法步骤优选地以软件来实现，因此根据对本发明进行编程的方式，系统组件(或处理步骤)之间的实际连接可以是不同的。针对本文给出的教导，本领域普通技术人员将能够想到本发明的这些和类似实现方式或配置。 

Claims (28)

1.一种用于以无线方式对多媒体流进行再分配的方法，包括：
在主设备处接收来自源的多媒体流；
响应于发送队列的状态信息和传输信道条件，来自适应地确定信道时间分配；
通过所述多媒体流构建由信标信号和所述信道时间分配组成的超帧，使得所述多媒体流包含在下行信道时间分配中；以及
以无线方式发送所述下行信道时间分配，以实现向远程设备再分配所述多媒体流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：接收所述远程接收机已接收到所述再分配的多媒体流的确认。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将来自所述源的所述多媒体流封装为以太网帧，并且所述方法还包括：
将所述以太网多媒体帧过滤并分类为发送队列；以及
根据所述以太网多媒体帧来构建媒体访问控制层帧。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：向所述发送队列分配信道时间，使得：发送队列越满和/或发送队列的输入到达率越高，向发送队列分配的信道时间越多。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定行为基于接收到的关于所述发送队列状态的信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，关于所述发送队列状态的所述信息包括：每一发送队列中分组数量、每一发送队列中的分组的平均长度和估计的输入分组到达率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信道分配时间和所述信标信号的和等于所述超帧的长度。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述超帧的长度能够基于所述发送队列的长度和下行信道条件进行调整。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，基于从所述远程接收机接收的队列状态信息来自适应地确定所述信道时间分配。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，基于对度量进行最小化，来自适应地确定所述信道时间分配。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，基于可用的业务特征，来自适应地确定所述信道时间分配。
12.根据权利要求3所述的方法，其中，基于使每一发送队列中的分组的期望数量最小化，来自适应地确定所述信道时间分配。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，基于使任何所述发送队列溢出的概率最小化，来自适应地确定所述信道时间分配。
14.一种用于以无线方式对多媒体流进行再分配的设备，包括：
用于在主设备处接收来自源的多媒体流的装置；
用于响应于发送队列的状态信息和传输信道条件，来自适应地确定信道时间分配的装置；
用于根据所述多媒体流构建由信标信号和所述信道时间分配组成的超帧，使得所述多媒体流包含在下行信道时间分配中的装置；以及
用于以无线方式发送所述下行信道时间分配，以实现向远程设备再分配所述多媒体流的装置。
15.根据权利要求14所述的设备，还包括：用于接收所述远程接收机已接收到所述再分配的多媒体流的确认的装置。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，将来自所述源的所述多媒体流封装为以太网帧，并且所述设备还包括：
用于将所述以太网多媒体帧过滤并分类为发送队列的装置；以及
用于根据所述以太网多媒体帧来构建媒体访问控制层帧的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，还包括：向所述发送队列分配信道时间，使得：发送队列越满和/或发送队列的输入到达率越高，向发送队列分配的信道时间越多。
18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述确定装置的确定行为基于接收到的关于所述发送队列状态的信息。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，关于所述发送队列状态的所述信息包括：每一发送队列中分组数量、每一发送队列中的分组的平均长度和估计的输入分组到达率。
20.根据权利要求14所述的设备，其中，所述信道分配时间和所述信标信号的和等于所述超帧的长度。
21.根据权利要求16所述的设备，其中，所述超帧的长度能够基于所述发送队列的长度和下行信道条件进行调整。
22.根据权利要求14所述的设备，其中，基于从所述远程接收机接收的队列状态信息来自适应地确定所述信道时间分配。
23.根据权利要求14所述的设备，其中，基于对度量进行最小化，来自适应地确定所述信道时间分配。
24.根据权利要求14所述的设备，其中，基于可用的业务特征，来自适应地确定所述信道时间分配。
25.根据权利要求16所述的设备，其中，基于使每一发送队列中的分组的期望数量最小化来自适应地确定所述信道时间分配。
26.根据权利要求14所述的设备，其中，基于使任何所述发送队列溢出的概率最小化，来自适应地确定所述信道时间分配。
27.根据权利要求14所述的设备，其中，所述用于以无线方式对多媒体流进行再分配的设备是无线媒体访问控制网桥。
28.一种用于以无线方式从主设备接收再分配多媒体流的方法，其中，在主设备处，通过所述多媒体流构建由信标信号和信道时间分配组成的超帧，使得所述多媒体流包含在下行信道时间分配中，所述方法包括：
以无线方式接收信标信号；和
以无线方式接收下行信道时间分配；
其中，所述信道时间分配是响应于发送队列的状态信息和传输信道条件自适应地确定的。
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