CN1080055C - 具有多链路协议的数据通信系统的操作方法 - Google Patents

Abstract

包含有第一、第二和第三远地通信单元、用来经一个公共通信信道进行通信的一种数据通信系统。在第一单元中产生出要送到第二单元的消息。第一单元要等待信道空闲。如果在信道变空闲之前从第三单元处收到一个要求确认的新消息，便接收此新消息，并返送一个接收确认信号，再可连续地将置备的第一消息传输给第二单元。进一步能将多个消息置备给不同的单元，对这些消息可指配以优先权，供由那些单元依次序接收、确认。

Description

具有多链路协议的数据通信系统的操作方法

本发明涉及数据通信系统及其操作方法，该系统具有许多通信单元，用以在一个公共通信信道上传送通信数据。本发明还涉及不同的通信媒体，包括射频信道、同轴电缆和多点(multidrop)的调制解调器。

在所有参与单元共享一个多址联接信道的数据通信系统中，为了防止在同一时间在试图使用该信道的诸多单元之间发生碰撞，通常设想出一种仲裁方法。在诸如载波检测多址访问(CSMA)、时隙式CSMA、有碰撞检测的CSMA(CSMA-CD)、数字检测多址访问(DSMA)等文献中叙述了几种方法。

在这些方法中，如果一个单元想要传送，就须先执行某种检验。例如，在单纯CSMA的情况下，任一单元在传送之前先通过检测载波来监测信道是否空闲。如果一个传输要用当前正占用的信道，则该单元抑止住传输。一旦检测出信道空闲，该单元才能传送其数据包。

OSI(开放系统互连)通信模型是以链路层的响应性会可靠地在同一物理媒体上将数据包从单元A传递到单元B为先决条件的。这通常是在纯数据信息的末尾附加上根据该数据包计算的一个检错码(例如循环冗余码校验(CRC))实现的。接收单元根据所接收的纯数据再计算CRC。如果它与该数据包中原来的CRC相符，则接收单元表明该接收的数据包是正确的，将它传送新上述的层通常是网络层。与此同时，接收单元负责向始发单元发送一个肯定确认包(ACK)，以表明已正确地接收到该包。然而，如果计算的CRC与原来的CRC不符，则接收单元向始发单元发送一个否定确认包(NAK)。该始发单元将利用同一机构再发送该数据包，直至它接收到一个肯定的ACK时为止。有时，它不发送NAK，在此情况下始发单元经过一定时限后再试送该数据包。

在不应用NAK的情况下，接收单元尽快地发送其ACK以使上述的定时不致过早地到期而不必要地执行再次试送，这是很重要的。

鉴此，考虑到上述的情况对CSMA方案作了修改。一个想要传送的单元在检测信道“忙”时就要等待直到信道空闲时为止。一旦检测出信道空闲，该信道不立即传送，而是等待一段时间，通常是一段随机的时段具均匀地分布在某个低限T1与某个高限T2之间，再检查该信道是否空闲。如果这时信道空闲，则传送数据。这称为信道访问过程。这个随机等待时间对于减少碰撞可能性是需要的。如果一个以上的单元要传送数据而信道检测为“忙”并且未采取随机等机措施，则这些单元的传输可能发生碰撞。

接收到数据包和需要发送ACK的那个单元在检测信道空闲后应立即发送ACK。因信道空闲时原来被抑止传送的单元有数据要发送，这就确保ACK的发送不致受其它单元的扰乱。

每次访问信道要花费一定时间是一个问题，这取决于诸如信道分辨率时间(包括载波检测分辨率时间)、传播延时和等待时间等因素。这些因素意味着，当有大量的短消息和短ACK时，信道的总体利用率低。

为此，现在需要具有一种改进的多链路层协议的通信系统的改进的操作方法。

按照本发明，提供一种数据通信系统的操作方法，该系统包括第一、第二和第三远地无线电单元，经一个公共无线电信道通信。本方法包括以下步骤：在第一单元之后产生一个要发送到第二单元的第一消息，并等待信道变为可用，以独立地传输第一消息；如果在信道变为可用以独立地传输之前接收到来自请求一个ACK的第三单元的一个新消息，则从第三单元处接收该新消息，发送一个接收到该消息的ACK，并处于基本上连续发送的状态，将第一消息发送给第二单元；另一方面，如果在接收到任一个请求ACK的新消息之前信道变为可用以独立地发送，则向第二单元发送消息。

按照这种方式，第一消息(与从第三单元处接收到的消息无关)能在最早的方便的时机被传送，而在信道变为可用为第一单元独立地传输消息之前在请求第三单元ACK的场合下，它与对第三单元的确认分段(piggy-backed)。

根据本发明的另一个方面，提供出一种数据通信系统(例如一个数据无线电通信系统)的操作方法，该通信系统包含有多个通信单元，用以经一个公共通信信道(例如一个无线电信道)进行通信，该方法包括以下步骤：从第一单元发送一个消息，其内含有目的地单元的地址和优先权参数；在目的地单元接收该消息，向第一单元传输一个ACK，在此确认顺序之后向一个选定号数的其它单元传送一个选定的消息号，这里该其它单元号是按照优先权参数选定的。

在低优先权单元访问信道之前等待较长时间而较高优先权单元等待较短时间的情况下本方法特别有益，因一个单元“知道”当它访问信道时它是访问竞争中的最高优先权单元，故可利用其最高优先权单元的地位向选定号数的其它单元发送选定的消息号数，以开始进一步的通信。

在传输之前信道变为空闲之后，在一个单元接收带有优先权参数的消息而且它等待时间取决于接收到的优先权参数的情况下，在接收低优先权参数时该单元最好等待较长时间，而在接收高优先权参数时等待较短时间，所提供的优选特性是当接收低优先权参数时向较大号数的其它单元发送，而接收高优先参数时向较小号数的其它单元发送。

按照这种方式，可以利用信道上较高优先权的单元不存在不同等级问题，这些等级可以暂时用于或指配给选定号数的其它单元，当可应用的等级越多时其它单元越多些，可应用的等级越少时其它单元越少。尤其是，向该选定号数的其它单元发送的那个单元最好对那些其它单元中的每一个传送不同的优先权参数。所传送的每个优先权参数最好代表这样一个优先权，它不低于先前接收的优先权参数的优先权。

本发明的其它方面限定在权利要求书中。

现在，参考以下附图来描述本发明的一个优选实施例，这只是以示例性的说明。

图1示出一个普遍性的典型的多址联接系统。

图2根据本发明优选实施例示出图1所示的通信单元之中的一个单元的细节。

图3根据本发明优选实施例示出图1中一些单元操作的定时图。

图4示出图1中一些单元操作传送给多个单元的第二个定时图。

图5是示出图1中各单元操作的一个较复杂顺序的再一个定时图。

参考图1，该图示出一个普遍性的通信系统。在此系统中，举例说，所有单元共享同一射频媒体，所有的发送和接收都在同一频率f1上进行。所有单元都能收听任一发送单元，并判定该信道正被使用(信道“忙”)还是未被使用(信道“空闲”)。

虽然该例是指一个射频媒体，但它也能应用于任何多址联接系统，诸如同轴电缆、RS-485下的多点调制解调器等。

该系统包括单元10、11、12、13、14，对它们可分别称为“单元A、……、单元E”。

图2示出图1中诸单元之中的一个单元的细节。该单元包括：一个接收机，该接收机包括一个接收放大器20和一个中频放大(IF)级和解调器21；一个发射机，它包括一个调制级22和一个功率放大器(PA)23。接收机放大器20和发射机放大器23都与天线24相连接。接收机放大器20具有一个接收信号强度指示25，它耦合到信道检测电路26。

微处理器30设有一个存储器31。微处理器30具有解码功能32、消息编译程序功能33和调度程序功能34。一个数据输入装置35与微处理器30连接。

在操作过程中，由天线24接收信号，到放大器20放大，到电路21下变频和解调，向微处理器30中的解码功能块32提供输入数据。解码功能32从接收的信号中取出地址信息，判定该接收信号是否指向所述的单元。解码功能32还从接收的信号中取出优先权参数。如果接收的消息是供所述的单元使用的，则将优先权参数存入存储器37中。

接收机放大器20向载波检测电路26提供一个接收信号强度指示信号25，检测电路26向微处理器30中的调度程序功能34提供一个中断或其它信号。当检测电路26检测接收的输入消息开始和结束时，提供所述中断或其它信号。

为了传输消息，数据经数据输入装置35进入，消息编译器33将该数据编译成为一个消息，编译好的消息存入消息存储器38内为传输作准备。调度程序功能34确定消息存储器38中所存储消息的传输时间。根据载波检测电路26检测到信道空闲，并依据优先参数37，设在调度程序34内的一个定时器在检测信道空闲跟随的等待时段过去之后，安排时间传输消息。如果定时器超时，则消息编译程序33向调制器电路22传送该消息，在那里进行调制，再由放大器23放大信号，通过天线24发送出去。

一收到由解码功能32解码的消息，消息编译程序33就产生ACK。调度程序34根据检测电路26对空闲信道的检测和根据接收到的并存储在存储器37中的优先权参数，确定传输一个ACK的时间。

参考图3，该图示出操作的一个例子。在时刻t₀单元A开始向单元B传送数据，该消息在时刻t₁结束。单元B经其检测电路26检测信道空闲，立即向单元A发送一个ACK。(图3中把ACK示为立即发送的，但在检测空闲信道和开启发射机的过程中实际上不可避免地有一点延时。)

在向单元A实际连续发送ACK过程中，单元B可向单元C发送一个具有数据的新消息，该消息从时刻t₂到时刻t₃发送。在时刻t₃，单元C向单元B发送一个ACK。

图3中所示的这个区域内，不需要单元A、B、C具有不同的优先权参数，也不需要在从单元A到单元B的消息中包含任何优先权参数，在从单元B到单元C的消息中也是如此。

假定有一个单元例如单元D在单元A正传送时也想传送，单元D将检查信道，并发现有个单元在传送。一旦单元A完成其传送，单元D将等待一段时间，再检查信道状态。紧随单元A的传送，单元B将为其ACK争夺信道，并且在此同一个传送期间向单元C发送一个数据包。如果单元D仍要传送，信道为检测为“忙”。在单元B发送其数据给单元C后，单元C将立即发送其ACK。可以看到，应用上面的方案，数据传输可与各ACK分段(piggy-backed)而无碰撞。在上述的情况下，如果需要，单元C可以向另一个单元E发送新的数据，依然无碰撞之虞。

鉴于这个方案，可以看到，譬如在上面的例子中，单元A不能向一个以上的单元发送数据。如果要这样做，譬如单元A要向单元B和C发送数据包，则单元B和C的ACK将发生碰撞，因为它们会要在同一时间上传送。这样，如果一个单元须向几个单元发送数据包，则它就要执行几次信道接通，如果信道正被繁重地使用，则可能引起严重的延时。

在参考图4叙述的下面的安排可以解决这种不利情况。

一个想要向多到N个不同单元进行传送的单元为ACK对每个目的地单元赋以优先权从0到N-1。接收一个数据包的单元其优先权置为j(这里，j在0与N-1之间)，它将准确地等待j个时段称作“时隙”，检测信道空闲时立即回送出其ACK信号。例如，如果单元B指配为优先权0，则在紧随单元A的传送之后它将立即发送其ACK信号。如果单元C指配为优先权3，则它将等待3个空闲时隙，然后传送。

通常，一个单元要向N个单元传送数据，需向它们赋与优先权0给第1单元，1给第2单元，……，N-1给第N单元。在这个过程正进行时一个单元要传送的需等待N个空闲时隙，然后再等待一段额外的随机时间。如前面所说明，这段额外的随机时间是使诸单碰撞的可能忙减至最小所必需的，而那些单元在信道处于上述的Data-ACK(数据-确认)方式时是处在等待(pending)传输的。数目N是一个参数，必须为所有单元在全系统内设定，它定义为在一次传输中能够寻址的单元的最大数目。这个参数必须让所有单元知道，以使它们知道在它们的信道接通过程中必须等待多少个空闲时隙。

上述的安排能提供从一个终端单元到多个单元的数据传输。下面要说明数据如何能够与来自多个单元的ACK分段。每个单元按下述的规则操作：

规则1：一个“得到一个数据包并被指配以优先权j”的单元可为将数据与其ACK分段给直到j+1个单元，并指配它们优先权o到j，供它们的ACK应用。

规则2：一个“须发送未与一个待传送的ACK分段的的数据包”的单元监测信道中的N个空时隙，等待一段额外的随机时间，再检查该信道。如果信道空闲，它可以进行其传送。

规则3：一个“从其它单元中得到几个不同优先权”的单元能选择任一个指配的优先权来进行传输。

列举以下例子来说明上述规则的含意。

例子1

假定单元A向单元B传送，指配单元B为优先权O，按照上述的规则，单元B可以分段数据给一个单元。这是一个链路的一种特殊情况，类似于图3中表明的那一种情况。

例子2

该例子示于图5中。

单元A向单元B和C发送数据，并指配优先权O给单元B和优先权1给单元C。这意味着单元B可以以其ACK传送给一个单元，而单元C可以这样地传给两个单元。单元B将其ACK以优先权O发送给单元A，将数据发送给单元D，并赋予单元D以优先权序O。于是，单元D以优先权O响应ACK。接着，指配以优先权1的单元C检测信道已空闲一个时隙，向单元A传送ACK，再向单元E和A传送数据，将优先权O和1分别指配给它们两者。单元E以优先权O向单元C发送其ACK，向单元B发送数据，对单元B指配优先权O供其ACK用。单元B向单元A发送其ACK。然后，单元A等待一个空闲时隙，发送其ACK。

可以看到，在其对单元A的第一次接收中得到优先权1的单元C如何能利用其优先次序权向较多单元发送数据，它不需要经过信道通接过程。

认定上述的规则正当的理由如下。假设优先权指配为j的一个单元要发送其ACK，一等到出现j个空闲时隙，该单元便知道，所有那些在其优先权指配中具有较低号数的单元都已经完成它们ACK方面的数据处理。因此，该单元可以重新使用直至j的那些优先权。就规则2来说，它依循一种访问过程，在新的数据未与各ACK分段的情况下，要等待到系统中的全部ACK工作都完成。规则3只是在完整性上才是必需的，指配有几个优先权的单元可以从这些优先权中作出选择。

按照这种方式，现在提供一种系统，它给出一种在同一传输期间向多个单元传输数据并确保从寻址到的单元发送出的各ACK不会碰撞的途径。

此外，该配置提供一种数据与ACK分段(piggy-backing)途径，这对于被寻址ACK的那种单元是不需要的。这种分段方式可保证系统中的所有ACK传输都不会发生碰撞。

一个主要优点是在传送数据中延时最小。这是可以实现的，其原因是：传输一个ACK时在数据等待到同一单元或其它单元的情况下，该数据可以不需进入耗时的信道接通过程而被传送。

对所述细节可作出修改，例如，尽管上面的规则2约定在ACK时期过去之后(它们的RN空闲时隙)是一段随机等待时间，但也能采用CSMA方式的任一种信道访问过程，诸如单纯CSMA和时隙式CSMA等。

Claims (6)

1.一种数据通信系统的操作方法，它包含有经一个公共通信信道安排通信的第一、第二和第三远地通信单元，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在第一单元之后产生一个要发送的第一消息，并等待信道变到可用来独立地传输第一消息；

如果在信道变到可用来独立地传输之前从要求一个确认的第三单元处接收到一个新消息，则从第三单元处接收该新消息，传输出一个接收到该新消息的确认，并以实际上连续传输的状态将第一消息传输给第二单元；

如果在接收到任一个要求确认的新消息之前信道变到可用来独立地传输，则向第二单元传输出消息。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，通信信道是一个无线电通信信道。

3.一种数据通信系统的操作方法，该通信系统包含有许多通信单元，安排来用以经一个公共通信信道进行通信，其特征在于，该方法包括以下步骤：

从第一单元处传输出一个包含目的地单元地址和优先权参数的消息；

在目的地单元处接收此消息，传输一个确认给第一单元，在此确认顺序之后传输一个选定的消息给一个选定的其它单元号数，这里该其它单元号数是依照优先权参数选定的。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于：

在传输之前信道已变到空闲着后，一个接收带有优先权参数之消息的单元其等待时间取决于接收到的优先权参数，当接收到低优先权参数时等待较长的时间，当接收到高优先权参数时等待较短的时间；

当接收到低优先权参数时传输给较大号数的其它单元，当接收到高优先权参数时传输给较小号数的其它单元。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，向选定号数的其它单元进行传输的单元给那些其它单元之每一个传输出不同的优先权参数，每个传输的优先权参数代表这样一个优先级，它不低于先前接收到的优先权参数中的优先级。

6.按照权利要求3的方法，其特征在于，通信信道是一个无线电通信信道。

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