CN1100425C - 具有改进的接入协议的电信网 - Google Patents

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Abstract

在传输系统中，其中许多从属站(30～40)通过中介(14)与主站(6)相连。这就需要具有上行通信的能力。为了给从属站提供足够的业务，上行接入协议必须具有高传输效率，尤其是在高负载的条件下。为达到上述要求，使用了请求发送信元，其中所有的从属站可提出发送请求。主站发送分配信号来响应传输请求信号，使得从属站能够发送它们的有效负载数据。而在所有的有效负载数据被从属站发送完毕，下一个发送请求信元就可以被用来发送请求信号。

Description

具有改进的接入协议的电信网
本发明涉及一种电信网络，该网络包含一个主站和许多从属站，从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共用的。
本发明还涉及用于所述网络的站以及用于所述网络的通信手段.
依据前言所述的电信网络可从参考文献中了解，文章名为“为最终用户接入交互数字业务的网络演化”(Network Evolution for EndUser Access to Interactive Digital Services)，作者C.-J.L.vanDeril和W.A.M.Snijders，会议“信息高速公路的最后里程”(The LastMile of the Information Superhighway)，IBC会议，Sydney，1994年8月。
上述电信网络用于通过一些对于一些从属站公用的，或至少部分公用的传输信道，一些从属站到主站之间的通信。上述传输信道可以包括光纤、同轴电缆或无线链路。所述传输系统的应用可以是无源光纤网络，有线电视系统，本地网，用于卫星通信的系统和移动无线系统。
在对于一些从属站使用公用信道的传输系统中，必须保证没有因从属站同时发送信息到主站而产生的干扰。为保证对从属站的足够的服务，就需要网上的数据传输效率很高，尤其是在高负载的情况下。
现存有许多不同的接入协议，例如对上述类型的网络有Aloha和分时隙Aloha。但是，这类协议在高负载条件下效率极低。
本发明的一个目标是依据前文，提供一个在高负载条件下有高效率的电信网络。
因此，该电信网络的特征在于，从属站包括了用于向主站发送传输请求信号的请求发送设备，主站包括了用于响应接收到的传输请求信号并向从属站发送分配信号的分配发送设备，其中从属站包括了用于响应分配信号，向主站发送有效负载数据的有效负载发送设备，以及在由从属站发送完毕有效负载数据之后，用于向主站发送传输请求信号的请求发送设备。
通过使具有要发往主站的有效负载数据的从属站发送了一个传输请求信号后，主站了解到哪个从属站有有效负载数据要发送往主站。然后主站向从属站发送分配信号，表示有一个时隙可被它们使用。接下来从属站在分配给它们的时隙里向主站发送它们的有效负载数据。从属站传输完毕有效负载数据之后，从属站将发送它们的下一个传输循环的请求信号。还可以想到，下一个传输请求信号是在从属站发送完预定义量的有效负载数据后被发送的。这便带来更高的传输效率，因为这样便不需要所有的从属站在发送它们的有效负载数据之前等待分配信号。
在高负载的情况下，从从属站到主站的传输路径基本上载满了由从属站而来的有效负载数据，带来了高效率。
另一个优越性是，在向主站发送数据的时候，子站遇到的延迟被限制在一个最大值以内。因为在它们传输完毕之后，发送传输请求信号的子站很快就获得了一个时隙，这就保证了子站遇到的延迟被限定在某个最大值范围之内。对于每个从属站的实际可用传输取决于网络的传输负载。
参看“计算机网络(Computer Networks)”一书，作者A.S.Tanenbaum，出版社Prentice-Hall，1989，ISBN 0-13-166836-6 pp 130-131，书中公开了在重负载条件下具有高效率，且具有延迟上限的协议。不过在该协议中没有提出接收由从属站发送的传输请求信号并对它们发送分配信号的主站。
本发明的进一步的实施方案的特征在于，从属站的请求发送设备被安排在与所述从属站有关的时隙发送传输请求信号。
区分不同从属站的传输请求信号的一个简单的方法是，将时隙与所述从属站相关联，其中上述从属站必须发送传输请求信号。
本发明的进一步的实施方案的特征在于，分配发送设备被安排在主站接收到传输请求信号后，将该信号作为分配信号发送。
将接收到的发送请求信号作为分配信号再传输是提供分配信号的一个简单的方法。接收到上述分配信号的从属站便可知道需要向主站发送有效负载数据的所有的其它从属站。用这个信息，便可以决定它们可用于发送的时隙号。例如，可以由与从属站相关的顺序号来决定允许从属站传输的次序。
本发明的进一步的实施方案的特征在于，有效负载发送设备被安排在预定义数量的符号间隔中发送一些完整的短信息信元，或者单个的同步转移模式信元。
用有效负载发送设备发送一些短信息信元或单个ATM信元，使得在网络中允许在一个预定义时间间隔传输几种类型的信号。这对于更高层次的协议是有利的，每个从属站只需要处理传输的一个预定义的时间间隔。
上述短信息信元的首选长度特征在于，短信息信元具有十六字节的长度，其中预定义短信息数等于4。使用四个16字节的短信息信元，全部就是64字节，也可以传送一个ATM信元(53字节)加上一些额外的开销信息。
上述短信息信元的第二选择长度特征在于，短信息信元具有九字节的长度，其中预定义短信息信元数等于6。使用六个9字节的短信息信元，全部就是54字节，也可以传送一个ATM信元(53字节)加上一个些额外的开销信息。
根据本发明的一个方面，包含主站和多个从属站的电信网络，从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，其中，每个从属站包括了用于向主站发送传输请求信号的请求发送设备，主站包括请求接收装置，用于从从站接收发送请求信号，和分配发送设备，用于向从其接收了发送请求信号的每个从属站发送分配信号，其特征在于，每个从属站包括了用于响应分配信号，在相等预定期间的相应分配时隙中，顺次向主站发送有效负载数据的有效负载发送设备，其中以及在由从属站发送完毕有效负载数据之后，用于在分配的时隙中向主站发送传输请求信号的请求发送设备。
根据本发明的另一个方面，用于电信网络的从属站，其中多个从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，其中，从属站包括了用于发送传输请求信号的请求发送设备，其特征在于，从属站包括了用于响应分配信号，在相等预定期间的相应分配时隙中，向主站发送有效负载数据的有效负载发送设备，以及在由从属站发送完毕有效负载数据之后，在分配的时隙中用于向主站发送传输请求信号的请求发送设备。
根据本发明的再一个方面，用于电信网络的主站，其中多个从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，其中，主站包括了用于接收由从属站发送的传输请求信号的请求接收设备，并且主站包括了分配发送设备，用于向从其接收了发送请求信号的每个从属站发送分配信号，其特征在于，主站包括了用于接收从属站在相等预定期间的相应分配时隙中发送的数据的有效负载接收设备，以及用于在收到有效负载数据之后，用于在分配的时隙中接收请求信号的请求接收设备。
根据本发明的另一个方面，电信网络中使用的通信方法，该网络包含主站和多个从属站，从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，该方法包括：
在预定期间内将至少一个从属站发出的传输请求信号传到主站；
响应接收到的传输请求信号向从属站发送分配信号；
以及响应从属站的分配信号有效负载数据，在相等预定期间的相应分配时隙中，向主站发送；
在从属站传输有效负载数据后，在分配的时隙中向主站发送传输请求信号。
本发明现将参考附图加以解释。这里显示了
图1，发明可以应用的双向电缆网络；
图2，用于图1网络中的主站；
图3，用于图1网络中的从属站；
图4，根据本发明的接入协议的示意图；
图5，根据使用本发明协议的图1网络中的上行和下行信号；
图6，根据使用本发明协议的图1网络中的上行和下行信号，但传输请求信号间插在与前一请求信号相关的有效负载数据中。
在依据图1的有线网络中，前端(head end)2通过中继网络4与主站相连，这里是本地节点6，并与其它的一些主站相连。主站6的输入/输出与前向路径放大器8的输入相连，且与返回路径放大器10的输出相连。前向路径放大器8的输出与返回路径放大器10的输入连接在一些馈电电缆段13、14和1 5上。馈电电缆段14连接到前向路径放大器12的输入和返回路径放大器16的输出上。前向路径放大器12的输出和返回路径放大器1 6的输入连接到引入电缆段18、20、22、24、26和28上，而这些引入电缆段又与从属站30、32、34、36、38和40相连。
根据图1的有线网络基本上包括三个部分：中继网络，馈电网络和引入网络。中继网络4用于连接前端2和本地节点。光纤被经常使用在中继网络4中，但同轴电缆也可以在中继网络4中使用。如果有线网络将要用于一个大的区域，在中继网络中使用光纤便可以带来明显的更低的开销。
每个本地节点可以服务于100-1500个从属站。为防止不稳定，前向路径放大器8与返回路径放大器10具有不重叠的通带。目前，返回路径放大器的通带是5MHZ～42MHZ，前向路径放大器的通带是55MHZ～750MHZ。放大器8的输出信号被分为到馈电电缆13、14和15的信号。从馈电电缆13、14和15而来的上行信号被合成为返回路径放大器10的输入信号。从馈电电缆段4出来的信号在前向路径放大器12中放大，并通过引入电缆段18....28分配给从属站30...40。由从属站而来的信号通过引入电缆段18...28发送，并在返回路径放大器16的输入端合成。
为了防止上行信号间的互干扰使用了一些技术。通常使用返回频率从5-42MHZ的一些上行载波，每一个分配了N个从属站。为防止N个从属站发送的上行信号之间的干扰，依据本发明，应用了一种接入协议。
可以设想，主站不是本地节点6，但是主站的所有功能都集中在前端2。中继网络4必须把抵达本地节点的上行信号传递给前端2。
根据图2，本地节点6中，一个宽带分布信号通过带通滤波器57加在信号合成/分解器58的第一个端口。ATM网关42，SONET/SDH网关44，帧中继网关46和X.25网关连接到协议变换器/调制解调器52上。协议变换器/调制解调器52连接到信号合成/分解器58的第二个端口。电话交换机54与PSTN网以及协议变换器/调制解调器56相连。协议变换器/调制解调器56与信号合成/分解器58的第三个端口相连。信号合成/分解器58的输入/输出构成了本地节点6的输入/输出。
本地节点6被用于向从属站提供不同类型的业务。经过中继网络4，从前端而来的分布信号在接收之后，直接加合成/分解器58上。分布信号主要包括一些调制在55-750MHZ带宽内独立载波上的电视信号。
网关42，44，46和48分别用来作有线网与公共ATM网，公共SONET/SDH网，帧中继网和x.25网的接口。通过网关42...48发送的数据信号从馈电电缆段接收，并被协议变换器/调制解调器52解调与变换成所需协议。从网关42...48接收的数据信号被转换成在有线网中使用的格式，并由协议变换器/调制解调器52调制到载波上。
从从属站接收的传输请求信号被协议变换器/调制解调器52检测，并传送到控制单元50。处理了传输请求信号之后，控制单元50将分配信号传递给协议变换器/调制解调器52，后者将分配信号和从网关42，44，46和48接收的有效负载数据复用。复用后的信号由协议变换器/调制解调器52调制到载波上去，用来传输给从属站。这里分配传输设备由协议变换器/调制解调器52与控制单元50共同构成。
这里的电话交换机54是用来在有线网中的从属站之间互联电话呼叫。协议变换器/调制解调器56用于有线网和电话交换机的接口。电话交换机54与公共电话网相连，使得从属站可以对在有线网之外完成呼叫。
依据图3的从属站30...40中，引入电缆段与带通滤波器60的输入，协议变换器/调制解调器64以及协议变换器/调制解调器66相连。协议变换器/调制解调器64与电视接口72，以太网接口68和(窄带)ISDN接口70相连。带通滤波器60的输出以及电视接口的输出与信号合成器74相连。协议变换器/调制解调器66的输出与电话接口76相连。
依据图3的从属站中，将加在电视接收器上的分布信号被从引入电缆段接收的输入信号中分解出来。上述的分配信号通过带通滤波器60与合成器74相连，在该处所述分配信号与由电视接口72而来的控制信号合成，用在set top盒。该控制信号可以包括，例如用来解密加密了的可视信号的密钥，加密信号是为了使上述可视信号只被有权用户接收。
以太网接口68的输出为一个或多个PC提供了连接。ISDN的接口可以连接到ISDN电话或可视电话终端。最后，电话接口76为模拟电话装置提供了对网络的接入。当然，不是所有提到的可能接口都要在主站和/或从属站中实现。
传输请求设备由协议变换器/调制解调器64和控制单元62共同组成，有效负载传输设备由协议变换器/调制解调器64，控制单元62和从接口86和70的有效接口组成。控制单元62检测是否有接口之一要发送的数据。如果有，控制单元62便往协议变换器/调制解调器64发一个传输请求信号，协议变换器/调制解调器64将信号传递给上述的调制器，调制器在适当的时段交换到载波上，向主站发送。协议变换器/调制解调器64识别由从属站接收的分配信号，并将其传送给控制单元62。些处理后，控制单元62用协议变换器/调制解调器64开始向主站传输有效负载数据。
图4中提出了从属站接入公用信道使用的接入协议。根据发明的概念，给从属站提供了发送请求信号，表示上述从属站有需传输的数据。请求发送设备被包括在图3的协议变换器/调制解调器64中。在图3中可见，有一个请求信元R，其中从属站可以发送它们的传输请求信号。该请求时段被分为M个子时隙，其中M＜＝N。对于N个从属站中的每一个，都分配有唯一的一个子时隙，这样，每个从属站都可以发信号表明它有需传输的数据。
为了以下的分析，所有时长都被表示成符号周期，一个符号周期是发送一个基本符号所用的时间。为表示从属站有需发送的数据，它在自己的子时隙里交换到载波上。如果假设交换时间是gs个符号，在主站中检测载波的时间等于dss符号，那么子时隙Sss的时长至少等于：
              Sss＝dss+2gs                    (1)
如果请求信元的时长是Smc个符号，在请求信元中子时隙M的数量应该等于 M = [ Smc Sss ] - - - - ( 2 )
再假设所有的有效负载数据用信息信元发送，该信息信元包括了一些V微信元。假设请求信元与微信元具有同样的时长Smc。
当请求信元被从不同从属站来的请求信号填充后，所有发送了发送请求信号的从属站就能够向主站发送一个信息信元。在请求信元结束后这使得产生W0个微信元。如果从属站I是唯一一个发送请求发送信号的从属站，上述站的信息信元就可以在请求信元结束之后发送W0个符号周期。如果所有具有低于I的顺序号的从属站都提出了一个发送请求信号，从属站I可以在请求信元结束后发送它的信息信元W0+IV个符号周期。
如果第I个从属站需要提出发送请求，它可能刚好错过了它在请求信元中的子时隙。在这种情况下，在请求信元中就有最多剩下Smc-i个子时隙。如果两个请求信元间的微信元的数量限定在W1，那么从从属站发送的有效负载数据的延迟DI就可获得一个上限：
Di＝Smc-iSss+W1Smc+W0Smc+iVSmc   (3)
在(3)中，假设在两个请求信元之间至少有I个信息信元可用。该条件可以被表示为i+1＜＝(w1-w0)/v。(3)也可以写为 D i = S mc [ 2 + W 1 + W 0 + i · [ V - S ss S mc ] ] - - - - ( 4 )
如果i+1＞(w1-w0)/v，另外的请求信元便被提出，因为用第一个请求元来表示的最后的信息信元在第二个请求信元之后在周期W0内发送。这便得到延迟的上限，等于： D i = S mc [ 3 + W 1 + W 0 + i · [ V - S ss S mc ] ] - - - - ( 5 )
忽略Sss/Smc，依据公式(4)和(5)的上限可以简化为： D i = S mc ( 2 + W 1 + W 0 + iV ) ; i + 1 ≤ ( W 1 - W 0 ) V - - - - ( 6 ) D i = S mc ( 3 + W 1 + W 0 + iV ) ; i + 1 > ( W 1 - W 0 ) V - - - - ( 7 )
如果从属站的数量N大于可在一个微信元中发送的传输请求的数量，请求信元的数量就得增加到数量[N/M]。这就意味着必须在值W1上加上值[N/M]-1。对延迟上限Dmax，将(7)中的W1用新值代替，得到公式： D max = S mc ( 2 + V + 2 NV + [ N M ] ) - - - - ( 8 )
可见，公式(8)对N＜＝M也是成立的，因为在这种情况下，[N/M]等于1且W1设为原始值。
系统的效率E可以很容易地计算。在低负载条件下，每个信息信元需要一个请求信元。结果是： E low = VS mc S mc + VS mc = V 1 + V - - - - ( 9 )
在高负载条件下，所有N个从属站都要连续地提出发送请求信号，于是在两个连续达到请求信元之间有N个信息元。效率Ehigh可由下式得到： E high = NVS mc S mc + NVS mc = NV 1 + NV - - - - ( 10 )
结果效率E限制在： V 1 + V ≤ E ≤ NV 1 + NV - - - - ( 11 )
用公式(8)和(11)，对不同的值Smc，V，W0和N，可以算出返回信道的延迟和效率。上述计算的结果在下文的表格中给出。进一步可见，使用的调制结构使得每符号传输两个比特。
 load  N  Smc  Sss   V  W0   W1     E     Rch   Rstation     Dmax
 high  8  64  8   4  8   32     97％     2Mb/s   248kb/s     3.3ms
low 8 64 8 4 8 32 80％ 2Mb/s 1.6Mb/s
 high  288  64  8   4  8   1979     97％     2Mb/s   8kb/s    109ms
 low  288  64  8   4  8   1979     6％     2Mb/s   120kb/s
 high  18  36  2   6  12   108     99％     2Mb/s   113kb/s    6.2ms
low 18 36 2 6 12 108 86％ 2Mb/s 1.7Mb/s
 high  288  36  2   6  12   2957     99％     2Mb/s   8kb/s    107ms
low 288 36 2 6 12 2957 18％ 2Mb/s 372kb/s
在V等于4，Smc等于64的情况下，一个微信元可载16字节，而一个信息信元或请求信元可载64字节。这对于运载一个ATM信元(53字节)加上一些额外开销是足够的。如果只用了一个请求信元，且如果Sss等于8，N的最大值就是8。通过使用多个包含有ATM包的微信元，有可能得到这样的系统，它可以使用微信元来运载具有低传输延迟的有关语音的数据，也可以发送更大传输延迟的ATM信元。
在V等于6，Smc等于36的情况下，一个微信元可载18字节，而一个信息信元或请求信元可载54字节。这对于运载一个ATM信元(53字节)加上一个额外开销字节是足够的。如果只用了一个请求信元，且如果Sss等于2，N的最大值就是18。
在N等于288的情况下，请求信元的数量在第一种情况下必须增加到36，在第二种情况下请求信元的数量必须增加到18。从表格中可以清楚地看到，在高负载的情况下，效率比其它情况都要高。还可以看到，延迟的最大值约为100ms，这对于大多数应用来讲是可以接受的。
图5显示了下行数据D和上行数据U之间的第一种可能的关系。从图5中可见，在从前端接收分配信号S后，从属站顺序开始发送它们的信息信元。这里一个信元用CELL I表示，其中I是一个整数，该信元是由顺序号为I的从属站产生的。在所有的从属站发送完信息信元后，具有可用的有效负载数据的从属站在请求信元的相应时隙发送一个传输请求信号。随之，从属站等待，直到请求信号由主站处理后，且接收到分配信号。在连续的分配信号间，主站发送为从属站预定的有效负载数据。
如果传输请求信号的处理时间会长，由于等待分配信号，这就会导致上行链路的一些效率损耗。
图6显示了对上述问题的一个解决方法。这时从属站在它发送的倒数第二个信息元之后在请求信元中发送传输请求信号。最后一个信息元直接在请求信元之后发送。用这种方法，对分配信号的等待时间就不会造成上行传输结构的效率下降了。

Claims (13)

1.包含主站和多个从属站的电信网络，从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，其中，每个从属站包括了用于向主站发送传输请求信号的请求发送设备，主站包括请求接收装置，用于从从站接收发送请求信号，和分配发送设备，用于向从其接收了发送请求信号的每个从属站发送分配信号，其特征在于，每个从属站包括了用于响应分配信号，在相等预定期间的相应分配时隙中，顺次向主站发送有效负载数据的有效负载发送设备，其中以及在由从属站发送完毕有效负载数据之后，用于在分配的时隙中向主站发送传输请求信号的请求发送设备。
2.根据权利要求1所述的电信网，其特征在于，请求接收装置被耦合到分配发送装置，并被安排将从从站接收的发送请求信号馈送给分配发送装置，而分配发送设备又被安排发送所述信号作为分配信号。
3.根据权利要求1或2所述的电信网络，其特征在于，有效负载发送设备包括一个以太网接口，被安排在预定义数量的符号间隔中发送一些完整的短信息元，或者单个的同步转移模式信元。
4.用于电信网络的从属站，其中多个从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，其中，从属站包括了用于发送传输请求信号的请求发送设备，其特征在于，从属站包括了用于响应分配信号，在相等预定期间的相应分配时隙中，向主站发送有效负载数据的有效负载发送设备，以及在由从属站发送完毕有效负载数据之后，在分配的时隙中用于向主站发送传输请求信号的请求发送设备。
5.用于电信网络的主站，其中多个从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，其中，主站包括了用于接收由从属站发送的传输请求信号的请求接收设备，并且主站包括了分配发送设备，用于向从其接收了发送请求信号的每个从属站发送分配信号，其特征在于，主站包括了用于接收从属站在相等预定期间的相应分配时隙中发送的数据的有效负载接收设备，以及用于在收到有效负载数据之后，用于在分配的时隙中接收请求信号的请求接收设备。
6.根据权利要求5所述的主站，其特征在于，请求接收装置被耦合到分配发送装置并被安排为将从从站接收的一个发送请求信号馈送给分配发送装置，而分配发送装置又被安排为根据分配信号发送所述信号。
7.电信网络中使用的通信方法，该网络包含主站和多个从属站，从属站通过传输媒介与主站相连，传输媒介对于一些从属站来讲至少有一部分是共同的，该方法包括：
在预定期间内将至少一个从属站发出的传输请求信号传到主站；
响应接收到的传输请求信号向从属站发送分配信号；
以及响应从属站的分配信号有效负载数据，在相等预定期间的相应分配时隙中，向主站发送；
在从属站传输有效负载数据后，在分配的时隙中向主站发送传输请求信号。
8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，由主站接收的发送请求信号，将被作为分配信号发送。
9.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，在预定义数量的符号间隔中发送有效负载数据作为一些完整的短信息元，或者单个的同步转移模式信元。
10.根据权利要求9所述的通信方法，其特征在于，短信息信元具有16字节的长度，且预定义短信息元的数量等于4。
11.根据权利要求10所述的通信方法，其特征在于，短信息信元具有9字节的报头，且同步转移模式被提供额外的4字节报头。
12.根据权利要求9所述的通信方法，其特征在于，短信息信元具有9字节的长度，且预定义短信息元的数量等于6。
13.根据权利要求12所述的通信方法，其特征在于，短信息信元具有1字节的报头，且同步转移模式信元被提供额外的1字节报头。
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