CN102983930B - 使用时分双工的以太网物理层设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用时分双工的以太网物理层设备。时分双工帧可以用上行链路传输期间和下行链路传输期间定义限定。这些限定的上行链路传输期间和下行链路传输期间可以基于网络链路的带宽和等待时间因素来调节。

Description

使用时分双工的以太网物理层设备

相关申请的引用

本申请要求2011年9月6日提交的临时专利申请US 61/531,184和2011年11月21日提交的US 13/300,996的优先权，通过引用将其全部内容结合到本文用于所有目的。

技术领域

本发明主要涉及一种以太网物理层设备，更具体地说，涉及一种使用时分双工的以太网物理层设备。

背景技术

以太网是通过有线网络进行数据通信的最成功、长寿的设计之一。以太网物理层设备（PHY）规范有了显著的发展。用于10Mbps和100Mbps的以太网物理层设备的最新格式使用两对绞合电缆，而对于1Gbps，在IEEE802.3标准中规定使用四对绞合电缆。

在现有的电话线中，通常采用的是一根双绞线。该线可以被抽头以在多个点处提供服务。这些抽头线（tapped wire）（通常称作“桥接抽头”）引起影响信号质量的强反射或者回音。主要用于电视信号分配的同轴电缆网络也是单对。通常使用分离器（splitter，分路器）抽头以便多房间服务的这些同轴电缆引起强反射。

因此需要一种通过单对电缆发送标准的以太网数据包的机制（mechanism），该发送方式能够杠杆作用（leverage）于集成的混合信号硅设备以及开发用于现有以太网物理层设备的信号处理技术。

发明内容

一种使用时分双工的以太网物理层设备，大致如至少一幅附图所示和/或结合和至少一幅附图的描述，在权利要求要求中更完整地阐述。

本发明的一个方面涉及一种在第一以太网物理层设备中的方法，所述第一以太网物理层设备经由单对网络链路耦接到第二以太网物理层设备，该方法包括：在第一时间期间接收传输控制，所述传输控制使所述第一以太网物理层设备利用所述单对网络链路传输至所述第二以太网物理层设备，其中，在所述第一时间期间阻止所述第二以太网物理层设备通过所述单对网络链路传输；以及在所述第一时间期间之后的第二时间期间接收所述第二以太网物理层设备传输的数据，其中在所述第二时间期间，对所述第二以太网物理层设备释放传输控制并且阻止所述第一以太网物理层设备通过所述单对网络链路传输，其中所述第一时间期间和所述第二时间期间与所述第一和第二以太网物理层设备进行的传输之间的两个间隔期间一起限定反复时分双工帧（repeating time division duplex frame）。

根据本发明的一个方面的方法优选所述第一时间期间和所述第二时间期间被突发流间隔隔开。

根据本发明的一个方面的方法优选所述第一时间期间和所述第二时间期间是大致相等的时间长度。

根据本发明的一个方面的方法优选所述第一时间期间和所述第二时间期间是不同的时间长度。

根据本发明的一个方面的方法优选还包括如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送就缩短所述第一时间期间的长度。

根据本发明的一个方面的方法优选还包括如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送，则在所述第一时间期间所述第一物理层设备进入低功率空闲模式。

本发明的另一方面涉及一种与单对电缆一起使用的以太网物理层设备，包括：耦接单对电缆的第一发送器，所述第一发送器响应传输控制信号，所述第一发送器确定所述第一发送器能够通过所述单对电缆传输数据并且在第二物理层设备中的第二发送器不能通过所述单对电缆传输数据的第一分配时间期间；以及产生所述传输控制信号的控制器，所述控制器被设计为与所述第二以太网物理层设备相配合以限定所述第一发送器不能通过所述单对电缆传输数据并且所述第二发送器能够通过所述单对电缆传输数据的在所述第一分配时间期间之后的第二分配时间期间。

根据本发明的另一个方面的设备优选所述第一分配时间期间和所述第二分配时间期间被突发流间隔隔开。

根据本发明的另一个方面的设备优选所述第一分配时间期间和所述第二分配时间期间是大致相等的时间长度。

根据本发明的另一个方面的设备优选所述第一分配时间期间和所述第二分配时间期间是不同的时间长度。

根据本发明的另一个方面的设备优选如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送，所述控制器就缩短所述第一分配时间期间的长度。

根据本发明的另一个方面的设备优选如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送，则在所述第一分配时间期间所述第一物理层设备进入低功率空闲模式。

根据本发明的另一个方面的设备优选还包括在介质访问控制层接口的先进先出缓冲器，其中在所述先进先出缓冲器的第一侧上的时钟比所述先进先出缓冲器的第二侧快。

根据本发明的又一个方面涉及一种在第一以太网物理层设备中的方法，所述第一以太网物理层设备经由网络链路耦接到第二以太网物理层设备，该方法包括：在两个交替时间期间中的第一交替时间期间从所述第一以太网物理层设备传输到所述第二以太网物理层设备，在所述第一交替时间期间允许所述第一以太网物理层设备通过所述网络链路传输并且不允许所述第二以太网物理层设备通过所述网络链路传输；在两个交替时间期间中的所述第一交替时间期间以后的第二交替时间期间在所述第一以太网物理层设备从所述第二以太网物理层设备接收，在第二交替时间期间不允许所述第一以太网物理层设备通过所述网络链路传输并且允许所述第二以太网物理层设备通过所述网络链路传输；以及基于由所述第一以太网物理层设备传输的数据的可获得性调节两个交替时间期间中的所述第一交替时间期间的长度。

根据本发明的又一方面的方法优选所述第一交替时间期间和所述第二交替时间期间被突发流间隔隔开。

根据本发明的又一方面的方法优选所述第一交替时间期间和所述第二交替时间期间是大致相等的时间长度。

根据本发明的又一方面的方法优选所述第一交替时间期间和所述第二交替时间期间是不同的时间长度。

根据本发明的又一方面的方法优选还包括如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送就缩短所述第一交替时间期间的长度。

根据本发明的又一方面的方法优选还包括如果所述第一以太网物理层设备有数据要发送就延长所述第一交替时间期间的长度。

根据本发明的又一方面的方法优选还包括如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送，所述第一物理层设备就在所述第一交替时间期间进入低功率空闲模式。

附图说明

为了描述可以获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将通过提供在附图中示出的具体实施方式而更详细地描述在上文中简要描述的本发明。应该理解的是，这些附图仅示出本发明的典型实施方式，而并不因此视为限定本发明的范围，将通过利用附图以其他特征和细节来描述和说明本发明，其中：

图1示出了时分双工以太网物理层设备的传输框图；

图2示出了时分双工以太网物理层设备的接收框图；

图3示出了具有对称的下行链路和上行链路吞吐量的发送器活动（transmitter activity）；

图4示出了具有不对称的下行链路和上行链路吞吐量的发送器活动；

图5示出了具有低功率闲置能力的发送器活动；

图6示出了本发明的过程的流程图。

具体实施方式

下面详细地讨论本发明的不同的实施方式。尽管讨论了具体的实施方案，但是应该理解的是这仅是用于说明的目的。相关领域的技术人员将会认识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以使用其他部件和构造。

100Mbps链路的IEEE标准以太网物理层设备使用两对导线（wire）。该100Mbps以太网链路（Ethernet link）至单对导线的延伸包括使用回波消除技术。不幸的是，这些回波消除技术通常地限于对于具有给定动态范围的接收器具有受控信号反射的电缆。可以理解的是，存在返回信号不被控制的一些电缆敷设（cabling）情况。这类电缆敷设情况的一个实例是具有桥接抽头的电话线。

在本发明中，认识到时分双工（TDD）可以应用于现有的以太网PHY，从而允许通过单对电缆的双向、点对点通信。这里，本发明的一个特征是将时分双工结合以太网本身的调制和信号处理格式允许高吞吐量的以太网包（packet）传输，该传输重新使用在更高速度以太网PHY中的现有数字和模拟模块。可以理解的是，由于该通信的格式不受大信号反射影响，因此消除了对高分辨率、回波消除方法的需要。

如下面将要更加详细描述那样，将时分双工应用到以太网物理层允许在上行链路和下行链路中的可编程的对称和不对称的吞吐量。其还允许较高的功率效率和较低的无线电辐射。还应该指出的是，尽管下面的描述主要是通过单对电缆的双向通信的情形，但是本发明的原理可以用于具有其它固有益处的多对电缆。

图1和图2分别示出了时分双工以太网PHY的简化的传输和接收框图。在一个实施方式中，可以在MII接口处使用冲突（COL）和载波感测（CRS）信号以控制介质可获得性（availability，可用性），从而允许标准的半双工操作。尽管该机制可以在许多情形中很好地工作，其不能提供系统的全带宽利用并且可能导致等待时间增加。应该注意的是，以半双工连接到MAC，没有必要使用FIFO缓冲器，尽管它们可以改善链路吞吐量。

在图1和图2中示出的其他实施方式中，在MII接口处使用的FIFO缓冲器110、120具有比CLK1快的CLK2。如果CLK2足够快并且FIFO缓冲器110、120的尺寸适当的设计，那么在MAC接口处的信道通常是可获得的，从而允许用于全双工操作。

利用TDD，介质在上行链路与下行链路之间共享。图3示出了具有对称下行链路和上行链路数据速率的系统的时序图。如图所示，当数据在主设备侧（master side）或从设备侧（slave side）的介质上传输时，由控制器产生的TX ON信号呈现不同的时间期间。应该注意的是，尽管TDD系统不必要求主设备分配（master assignment）和从分配，但这些主设备分配和从设备分配可以帮助初始训练（initial training）和环时序（looptiming）。

在本发明中，当传送信号时以及在突发流间隔（inter-burst gap）（IBG）期间300，本地接收器可以与线路分隔开以避免由于发送器的回波而讹误接收器DSP状态。接收器DSP模块220可以仅在其从其它侧接收数据或者闲置信号的期间被训练。

图4示出了用于具有不对称下行链路和上行链路数据速率的TX_ON信号。如图所示，TX_ON信号410可以用于限定主设备（master）的较长的传输期间，而TX_ON信号420可以用于限定从设备（slave）的较短的传输期间。通过该机制，在此情形中，更多的时间可以分配到主设备或从设备，有效地增加用于下行链路或者上行链路的吞吐量。不对称下行链路与上行链路数据速率的使用有利于那些不是对称的流量特征（trafficprofile）。

例如，以监控摄像机或流式视频流量为代表的流量特征是不对称，因为在一个方向上的流式视频数据的量将远超过在另一方向上的控制数据的量。因此，不对称下行链路和上行链路数据速率的应用将在两个传输方向上匹配不同吞吐量等级。

在一个实施方式中，下行链路速率与上行链路速率的自动调节可以用于改善等待时间和吞吐量。例如，如果下行链路没有数据发送，则信道可以被释放给上行链路，即使下行链路传输期间可能还没结束。在此情况下，当下载时可以将大部分带宽提供给下行链路，当上传时提供给上行链路。

以被赋予的适应性下行链路数据速率和上行链路数据速率，传输时间周期可被积极地调整用于上行链路和下行链路，以提供最大吞吐量并且保持延迟要求的方式。例如，如过传输FIFO缓冲器在一个方向上是空的，则可进行控制提供给链路的另一侧用于传输。

在一个实施方式中，最小和最大突发时间可以用于确保接收器DSP能够保持其状态并且跟踪时钟或者信道的变化。最大突发时间还可以考虑等待时间要求。尽管在允许TDD帧适应性地变化时可以实现最高吞吐量，但在一个实施方式中，在上行链路和下行链路传输时间期间被适应性分配时，可以考虑TDD帧大小恒定。

在一个实施方式中，如果在没有数据通信的系统空闲期间没有信号发送，也可以改善功率效率和不期望的无线电辐射。图5示出了具有低功率空闲（LPI）能力的系统的TX_ON信号。当没有要传送数据时，由于LPI能力被杠杆作用，线路可以在两个方向都静止长于IBG的期间。

在一个实施方式中，可以认为数据或者空闲信号的周期性最小传输确保了维持接收器DSP的状态。本发明的一个特征是可以考虑LPI并且与对称、不对称或者适应性突发时间分配相结合。

作为示例性系统设计，考虑CLK1为25MHz并且数据为4比特宽的标准100MbpsMII接口。此外，假定上行链路和下行链路传输期间持续时间各自为220μs并且存在10μs的IBG。如果CLK2大于25*2*（220+10）/220=52.27MHz并且FIFO缓冲器大小大于25/2*（10+220+10）=3KB，则可以实现以标准100Mbps速率在MII接口全双工连接。

对于与以上相同的例子并且CLK2固定在52.27MHz，，假定下行链路传输期间持续时间被编程为是上行链路传输期间持续时间的10倍（例如400μs对40μs）。这允许高达400/（460）*52.27MHz*4bits/Hz=182Mbps的下行链路吞吐量以及高达18Mbps的上行链路吞吐量。如果MAC设备允许中间时钟速度，则在MII接口或者CLK1的时钟可被调节为允许该速率变化。也可以MII接口选择固定的较高速率时钟并且使用流量控制以允许在下行链路和上行链路的可变化的和/或可调节的吞吐量。在此情况下，IEEE标准PAUSE命令也可用于提供流量控制。

已描述了本发明的原理的示例性应用，现在参照示出本发明的过程的图6的流程图。如图所示，该过程从限定TDD帧的步骤602开始。如上所述，在一个实施方式中，在上行链路和下行链路传输期间在TDD帧内变化时TDD帧可以视为恒定。一旦被限定，TDD帧可以描述上行链路传输期间和下行链路传输期间以适合网络链路的给定流量特征。在各个不同的实例中，上行链路传输期间和下行链路传输期间可以用相等的时间期间或者不相等的时间期间限定。

在步骤604，在TDD帧的第一传输部分期间，可以根据在第一物理层设备中的控制器产生的TX_ON信号对上行链路方向上的发送器提供传输控制。该TX_ON信号可以由控制器根据被限定的TDD帧结构产生。一旦TX_ON信号指示上行链路传输周期完成，传输控制将会在链路的另一端有效地提供给第二物理层设备，其中产生相应的TX_ON信号以指示可以进行在下行链路方向的传输。在步骤606，在TDD帧的第二传输部分期间第一物理层设备将会接收数据。

在本发明中，在TDD帧的情况下，在上行链路方向和下行链路方向上对应于传输的时间期间可以动态地变化。这样，在步骤608，第一和第二传输部分的长度可以基于数据的可获得性调节。例如，特定方向的传输对带宽和等待时间有负面影响的指示（indication）可导致对所限定的TDD结构关于上行链路传输期间和下行链路传输期间的调节。

可以理解的是，用于启动调节的具体机制可以基于在调节机制中的期望的粒度（granularity）而变化。在一个实例中，可以响应于某个时刻的特定FIFO电平而进行该调节。在另一个实例中，可以响应于在特定监控时间期间的带宽和/或等待时间的统计测量而进行调节。

如上文所述，本发明的原理可以应用到单对或多对电缆网络。此外，本发明的原理可以与双绞电缆、同轴电缆或者光纤电缆一起应用。值得注意的是，本发明的原理可以与各种不同的调节技术组合使用。此外，本发明的原理可以设计为具有预定的上行链路吞吐量和下行链路吞吐量或者可以制成可编程的或者事件适应性的。

本领域的技术人员通过研究上述的详细说明，本发明的上述和其它方面将会变得显而易见。尽管上面已经描述了本发明的大量显著特征，但是对于阅读了本文公开内容的本领域普通技术人员显而易见的是，本发明可以具有其它实施方式并且可以各种不同的方式实践和实施，因此以上的描述不应当视为排除这些其它的实施方式。此外，应该理解的是，这里所使用的措词和术语只是为了描述的目的，而不应当视为限定性的。

Claims (7)

1.一种在第一以太网物理层设备中的方法，所述第一以太网物理层设备经由单对网络链路耦接到第二以太网物理层设备，该方法包括：

在第一时间期间接收传输控制，所述传输控制使所述第一以太网物理层设备利用所述单对网络链路传输至所述第二以太网物理层设备，其中，在所述第一时间期间阻止所述第二以太网物理层设备通过所述单对网络链路传输；

在所述第一时间期间之后的第二时间期间接收所述第二以太网物理层设备传输的数据，其中在所述第二时间期间，对所述第二以太网物理层设备释放传输控制并且阻止所述第一以太网物理层设备通过所述单对网络链路传输，其中所述第一时间期间和所述第二时间期间与所述第一以太网物理层设备和第二以太网物理层设备进行的传输之间的两个间隔期间一起限定反复时分双工帧；以及

所述方法还包括：

如果所述第一以太网物理层设备没有数据要发送，就缩短所述第一时间期间的长度或者所述第一以太网物理层设备进入低功率空闲模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间期间和所述第二时间期间被所述两个间隔期间中的其中一个间隔隔开。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间期间和所述第二时间期间是大致相等的时间长度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间期间和所述第二时间期间是不同的时间长度。

5.一种与单对电缆一起使用的以太网物理层设备，包括：

耦接单对电缆的第一发送器，所述第一发送器响应传输控制信号，所述第一发送器确定所述第一发送器能够通过所述单对电缆传输数据并且在第二以太网物理层设备中的第二发送器不能通过所述单对电缆传输数据的第一分配时间期间；以及

产生所述传输控制信号的控制器，所述控制器被设计为与所述第二以太网物理层设备相配合以限定所述第一发送器不能通过所述单对电缆传输数据并且所述第二发送器能够通过所述单对电缆传输数据的在所述第一分配时间期间之后的第二分配时间期间，其中如果第一以太网物理层设备没有数据要发送，所述控制器就缩短所述第一分配时间期间的长度或者在所述第一分配时间期间所述第一以太网物理层设备进入低功率空闲模式。

6.一种在第一以太网物理层设备中的方法，所述第一以太网物理层设备经由网络链路耦接到第二以太网物理层设备，该方法包括：

在两个交替时间期间中的第一交替时间期间从所述第一以太网物理层设备传输到所述第二以太网物理层设备，在所述第一交替时间期间允许所述第一以太网物理层设备通过所述网络链路传输并且不允许所述第二以太网物理层设备通过所述网络链路传输；

在两个交替时间期间中的所述第一交替时间期间以后的第二交替时间期间在所述第一以太网物理层设备从所述第二以太网物理层设备接收，在第二交替时间期间不允许所述第一以太网物理层设备通过所述网络链路传输并且允许所述第二以太网物理层设备通过所述网络链路传输；以及

当所述第一以太网物理层设备没有数据发送给所述第二以太网物理层设备时，就缩短所述第一交替时间期间的长度或者所述第一以太网物理层设备进入低功率空闲模式。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括如果所述第一以太网物理层设备有数据要发送就延长所述第一交替时间期间的长度。