CN1337108A - 传输系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的传输系统用于可靠地从一个主站(2)通过网络(4)例如因特网向多个辅助站(6)多点传送一组数据分组。主站(2)收集辅助站(6)发出的反馈信息,该反馈信息与接收该数据分组的组的状态(Li)有关。为了防止反馈信息消息的内向爆炸使网络(4)拥塞,主站(2)向辅助站(6)重复地发送反馈请求,该反馈请求包括应答概率值(p)和迄今为止向主站(2)报告的最差的接收状态(Lthresh)。取决于应答概率值(p)和只当接收状态(Li)比迄今为止报告的最差的接收状态(Lthresh)更差时,辅助站(6)才向主站(2)发送反馈信息。主站(2)根据接收的反馈信息来改变应答概率值(p)和迄今为止报告的最差的接收状态(Lthresh),这样,可以在不拥塞网络(4)的情况下从辅助站(6)收集最大数量的反馈信息消息。如果接收状态(Li)包括由辅助站(6)错误接收的数据分组的数量(Li),主站(2)可以向辅助站(6)传送校正信息,该校正信息是基于错误接收数据分组的数量(Li)和传送给辅助站(6)的该组数据分组,这样,辅助站(6)可以以该校正信息有效地校正错误接收的数据分组。

Description

传输系统
本发明涉及从一个主站通过网络向多个辅助站多点传送数据的一种传输系统，主站用来收集辅助站发送的反馈信息，该反馈信息与辅助站接收数据的状态有关。
本发明还涉及一种通过网络向多个辅助站多点传送数据的主站，一种通过网络接收主站发送的数据的辅助站，以及从一个主站通过网络向多个辅助站多点传送数据的方法。
上面所述的传输系统在题为“Scalable Feedback control for MulticastVideo Distribution in the Internet(在因特网中多点传送视频分发的可缩放反馈控制)”的论文中可知，该论文发表在1994年的ACM SIGCOMM的会议录第58到67页中。多点传送提供了用比单点传送连接更有效的方式把相同的数据传送给多个接收机的可能。在已知的传输系统中，一个主站通过因特网网络向多个辅助站多点传送视频数据分组。在传送了多个数据分组之后向辅助站请求关于网络状态的反馈信息。根据这个反馈信息可调整主站向网络发送数据分组的速率，这样就可以防止网络拥塞。
然而，通过向许多辅助站请求信息，网络可能会因为很多辅助站在同时向主站传送反馈信息而被拥塞。在已知的传输系统中，这个所谓的反馈内向爆炸问题经过一系列的探查循环从辅助站得出反馈信息来解决。在该系列探查循环开始时，主站和辅助站都产生16位的随机密钥。主站在其反馈请求中将密钥发送给辅助站。该反馈请求还包括指出密钥的多少比特是有效位的数字。初始时，所有的数字都是有效的。如果使用声明的有效比特数量，由主站产生的密钥等于由辅助站产生的密钥，则这个辅助站传输它的网络状态的本地感知到主站。如果在设置为接收机群中最大往返时间两倍的超时期间以内没有响应，那么有效位的数量减少并且主站发送包含相同的密钥和减小数量的有效位的新的反馈请求。这个过程一直重复到主站知道网络的状态或者直到向辅助站传送的反馈请求中的有效位的数量为零。
在已知的传输系统中，主站向辅助站传送校正信息，这样辅助站可以校正任何错误接收的数据分组。然而，这只是在辅助站的数量相对较小时才进行，这样，反馈信息的内向爆炸的危险比较小。而且，在这种情况下，由辅助站发送的反馈信息仅包含一个指出数据分组已经丢失的否定确认。主站接收否定确认后对数据分组中的数据块使用模内编码并向所涉及的辅助站传送得到的校正信息。
尽管有了这些措施，但是在已知的传输系统中出现反馈信息的内向爆炸的概率还是相对高的。
本发明的一个目的是提供根据前序部分所说的一种传输系统，在该系统中出现反馈信息内向爆炸的概率相对低。在根据本发明的传输系统中达到上述目的，其特征在于反馈信息包括辅助站错误接收的数据的份额。
在这种方式下，只有辅助站错误接收的数据的份额被反馈给发送器，如在传输一组数据分组时，该份额可能是错误接收的数据分组的数量。这样，反馈信息的数量比为数据中包含的、辅助站错误接收的每个数据单元反馈一个否定确认时相对低。
根据本发明的传输系统的另一个实施例，其特征在于主站向辅助站传送反馈请求，该反馈请求包括迄今为止向主站报告的错误接收数据分组的最大数量，辅助站被安排用于只在错误接收的数据分组的数量大于错误接收数据分组的最大数量时才向主站发送该数量。
通过这些措施，只有其错误接收的数据分组的数量大于报告给主站(并包含在反馈请求中)的最大数量的辅助站才向主站报告反馈信息。这样，通过网络传送的反馈信息的量将进一步减少，以及反馈信息内向爆炸的概率进一步降低。
根据本发明的传输系统的另一个实施例，其特征在于主站被安排用于向辅助站传送校正信息，该校正信息是基于错误接收的数据分组的数量和主站传送的该组数据分组，该辅助站还被安排用于以该校正信息校正错误接收的数据分组。
通常，辅助站错误接收的数据分组是相互分散的，例如，辅助站A可能已错误地接收第一个和第三个数据分组，而辅助站B错误地接收第三个和第四个数据分组。进一步来说，辅助站C可能只错误地接收第一个数据分组。尽管错误接收的是不同的数据分组，主站仍可能传送一个校正信息码给辅助站，如Reed-Solomon码或者Tornado码，所有辅助站可以利用其来校正它们错误接收的数据分组。
为了确定校正信息码，主站需要知道任一个辅助站错误接收的数据分组的最大数量。只有当存在更差即大于迄今报告的最大错误地接收数据分组的数量时，辅助站才依赖于应答概率值，通过在接收状态中包含错误接收数据分组的数量来应答其错误接收数据分组的本地数量。这样，错误接收的数据分组的最大数量可以较快的找到，同时保持相对较低的反馈内向爆炸概率。而且，通过这些措施，错误接收的数据分组可以由辅助站校正，并且传输系统更可靠。
根据本发明的传输系统的另一个实施例，其特征在于通过一个独立的信道传送反馈请求。反馈请求的丢失或错误接收可能与数据分组的丟失或错误接收有强的关联。这可以通过利用一个独立的返回信道传输反馈请求来防止。当通过卫星网络多点传送数据分组时，经常将电话连接用作返回信道。在这种情况下，这个电话连接也用来向辅助站传送反馈请求。
从下面参照附图的优选实施例的详细描述中，本发明的上述目的和特征将会更清楚，其中
图1表示根据本发明的传输系统的实施例的方框图。
图2表示说明根据本发明的传输系统的实施例的操作的流程图。
多点传送提供有效地将相同的数据从主站或者发送器通过网络(如因特网)传送给多个辅助站或者接收机的可能性。传统上，因特网主要用于非实时应用中，如文件传输和网页浏览。对实时应用，如音频和视频应用，质量并非总是可接受的。这是因为互联网协议(IP)只提供尽力而为的数据报业务，而对数据分组的丢失率和网络的抖动没有保证。这种状况将会随着给因特网增加某种服务质量等级结构的发展而在将来有所改善。
为了使因特网更适合于实时应用，通过应用端对端的自动重复请求(ARQ)，可在较大程度上降低有效的数据分组的丢失率。这样以传输需要的一些额外的延时为代价改善了可感觉的质量。换句话说，从下载后重放的方向中的数据流(连续数据的同时下载和重放)做了一些小退步。辅助站需要有一个缓冲器，在等待重发时用来存储发送的数据分组。ARQ要求辅助站给主站一个ACK或者NACK形式的反馈。
在因特网中，IP的多点传送模式仍然不经常使用。一个原因是缺少在IP多点传送上增加可靠性和拥塞控制的标准化协议。为使多点传送可靠，通常不能使用如在单点传送中使用的相同技术。如果辅助站的数量比较大，则ARQ(例如在TCP中使用的)将会遇到伸缩性的问题：首先，由不同的辅助站重发所有丢失的数据分组可能需要很长时间，其次，如果许多辅助站同时向主站传送其反馈信息，返回信道将拥塞(“反馈内向爆炸”)。当多点传送实时数据时，这两个伸缩性问题是特别烦人的。
使用校正码可以以精巧的方式解决前向伸缩的问题。如果数据分组丢失，则不是重发原始数据而是根据请求来多点传送编码的数据，这样可以使不同的辅助站用相同的分组恢复不同的丢失的数据分组。ARQ与校正码的这种组合通常称为二型混合ARQ。
反馈内向爆炸问题最公知的解决方法是使用随机延时或者分级聚合。第一种方法通过随着时间散布业务流而减少返回的业务流。这种方法本身并不随辅助站的数量缩放，但它和别的技术组合确实是有用的。第二种方法是使用网络中的逻辑树，其中每个节点从它的子节点中收集反馈，并发送给父节点。这种方法有较好的伸缩特点，但是它需要在网络中建立一个树。例如在使用卫星广播信道时这并不总是都适合的。
图1表示根据本发明的传输系统的方框图。传输系统包括一个主站2，网络4和很多辅助站6。在图中只示出了3个辅助站2。但是本发明不限于相对较小数量的辅助站6，而可以与任意数量的辅助站2一起使用。传输系统通过网络4诸如因特网由主站2向辅助站6多点传送多组数据分组。在向辅助站6传输了一组数据分组之后，主站2通过向辅助站6重复地传送反馈请求来收集辅助站6来的反馈信息。辅助站6响应反馈请求，向主站2传送反馈信息。根据本发明的传输系统包含一个独立信道8，通过该信道主站2向辅助站6传送反馈请求。而且，独立信道8例如电话线路也可以由辅助站6用来向主站2传送一个反馈信息。
图2表示说明根据本发明的传输系统操作的流程图。假设有以下设置：
—基站2希望通过不可靠的网络4向G辅助站6传送数据分组的连续流；
—数据分组或者由辅助站6接收或者丢失；已破坏的数据分组被识别并且被认为丢失了。不同的辅助站6可能丢失不同的数据分组。术语“丢失数据分组”与术语“错误接收的数据分组”的意思是等效的；
—主站2或/和网络4只能处理有限数量的返回通信量。rmax是在时间间隔RTT内可由主站2接收的反馈消息的最大数量，其中RTT是从主站2到辅助站6的(测量的)最大往返时间。用于减少反馈的方法不保证通信量总是低于最大值，其目标是给出统计的保证。特别的，这个解决方案保证内向爆炸(即在一个来回中接收到多于rmax的消息)发生的机会不超过Pmax。参数Pmax可以由应用程序选择。总的目标是改进可靠性而同时保持附加的延迟尽可能小。
首先，如方框12所示的，通过网络4传送一组B个数据分组。此后反馈过程开始，通知基站2有关传输的成功，特别是关于由任何一个辅助站6丢失的数据分组的最大数量。然后，主站2多点传送足够数量的擦除校正码，使每个辅助站6能恢复它的丢失的数据分组。为达到完美的可靠性，反馈和校正周期应重复，直到每一个辅助站6都接收到该组中的所有的B个原始数据分组，但单个的校正循环也可以认为是对不可靠数据报业务的第一个改进。在那个校正循环后，主站继续传送下一组B个数据分组，接下来又传送反馈和校正，等等。
可靠的多点传送中的校正码应用具有大的优点，不同的辅助站6可以使用相同的数据来恢复丢失的不同的数据分组。这样这种技术改进了数据转递的可伸缩性。校正编码是在分组级完成的并对每组B个数据分组独立地应用。假设产生B+C个编码的数据分组，以这样的方式，即B+C个数据分组中的B的每个子集允许恢复原始数据。主站2可传送所有的B+C个数据分组(前向纠错，FEC)，允许每个辅助站6至多丢失C个数据分组，或者主站2可初始传送B个数据分组，并且只在需要时才传送剩余的数据分组。进一步来说，可以使用两种选择的组合，其中预先传送一部分校正数据，而其余的数据仅在有请求时才传送。如果可得到的冗余的数据分组的数量C足够大，就可以在随后的校正循环中传送彼此互补的不同的校正数据分组。
校正信息中可以用Reed-Solomon码。它们有这样一种属性：可以恢复的丢失的数据分组的数量等于冗余的数据分组的数量。解码速度可能是一个限制因素，尤其是当B大时。这是因为辅助站6需要倒置B×B矩阵，并且操作通常是在有限域GF(n)中完成的，这个域通常不是二进制数字域。如果这是一个瓶颈，就可以使用如Tornado码等更新的技术，这些码是基于奇偶校验操作而不需要矩阵转置。其代价是需要解码的数据分组的数量是次优的，甚至可能以不确定的方式变化。
当通过发送校正信息恢复丢失的分组时，主站2只需要知道丢失的数据分组的最大数量Lmax这是然后它需要传送的校正数据分组的数量。反馈过程的目标是尽可能快地找到此数字Lmax，但仍然遵守对返回通信量的(统计的)限制。
反馈过程的组织如下。首先(图2中的方框12)，主站2传送一组B个数据分组，并使Lmax等于B。然后，主站2传送带有两个参数的轮询请求(反馈请求)：一个应答概率p，和一个门限值Lthresh(方框16)，该门限值Lthresh代表迄今为止辅助站6报告的丢失数据分组的最大数量。只有当Li＞Lthresh时要求每个辅助站i＝1，……G以概率p通知它的丢失的数据分组的数量Li≤B。主站2收集响应直到定时器到时(这个定时例如是传输系统中已知的最大往返时间的两倍)。根据前面接收的应答，主站2用新的p和Lthresh重复轮询，一直到p等于1。初始时，Lthresh等于零，并且p也尽可能的小以防止内向爆炸(方框14)。在后面的循环中，Lthresh被设置为上一个轮询中所报告的丢失的的数据分组的最大数量(方框20)，p也以可控制的方式增加，但注意内向爆炸的机率不能超过Pmax(方框34)。最后Lthresh包含丢失的数据分组的最大数量和可以向辅助站6传送的校正数据分组的数量(方框28)。
作为选择，Lthresh可以被初始化为-1，以便在第一循环中能估计接收机的数量。这个信息在确定反馈内向爆炸的概率时很重要，并且因此可以用更新p。
在图2中显示了为了达到较完美可靠性而进行的多次校正循环的一般情况。如果校正循环的数量例如由实时约束限制，则协议终止在替换(虚线)“结束”状态32。
更新应答概率值p(方框34)可使用几种策略。例如，在没有收集到来自辅助站6的响应的一个循环后，主站根据下式增加p值： p k + 1 = 1 - γ γ ( γ P max ) 1 r max 1 - ( γ P max ) 1 r max 式中： γ = ∏ i = l k ( 1 - ρ i )
取决于都给予零响应的、连续的前面的轮询序列的应答概率p1，…，Pk。而且，当在收集到来自辅助站6的至少一个响应的一个循环后，主站2可保持p值不变。
在上面指出的论文中描述了实现辅助站6的概率应答的一种方法。在轮询请求的头标中发送一个16比特随机密钥与用来指出在该密钥中有效比特数的4比特的数字。每个辅助站6还独立地给出一个16比特密钥，并且把它与主站的密钥进行比较。只有直到所给的有效位都相一致时，辅助站才发送应答。通过减少有效比特的数量，主站2有效地增加了p值。在本方案中，p值限制为2-k，k＝0，1，…，15。但是，最好有p更精细的参数化。有时允许增加p值，但是2倍(或者2次幂)太大了。在这种情况下，可以选择一个中间值。每个辅助站6类似地给出一个随机的16比特密钥，并且将其与反馈请求中的16比特密钥相比较。辅助站6只有在它的密钥较小时(全部16位；不使用减少的有效位)才应答。主站密钥b1b2…b16不是随机给出而是与二进制表示的p直接相关：p＝0.b1b2…b16°这样p就可以取0到1之间的216个等间隔的值，包括在已知的传输系统中的指数间隔的值。
根据本发明的传输系统可以有利地用于可靠地多点传送连续流数据，例如音频和视频数据。
本发明的范围不限于明确地公开的实施例。本发明以每个新的特征和与特征的每个组合实施。任何参考符号不限定权利要求的范围。词“包括”并不排除存在权利要求中列出之外的其它单元或步骤。在单元之前使用词“一个”不排除存在多个这样的单元。

Claims (20)

1.一种从一个主站(2)通过网络(4)向多个辅助站(6)多点传送数据的传输系统，主站(2)被安排用于收集来自辅助站(6)的反馈信息，该反馈信息与辅助站(6)接收数据的状态有关，其特征在于：所述的反馈信息包括由辅助站(6)错误接收的数据的份额。
2.根据权利要求1的传输系统，其特征在于数据括一组数据分组，并且该份额包括由辅助站(6)错误接收的数据分组的数量(Li)。
3.根据权利要求2的传输系统，其特征在于所述的主站(2)向辅助站(6)传送反馈请求，该反馈请求包括迄今为止向主站(2)报告的错误接收的数据分组的最大数量(Lthresh)，辅助站被安排用于只当错误接收的数据分组的数量(Li)大于错误接收数据分组的最大数量(Lthresh)时，才向主站(2)发送该数量(Li)。
4.根据权利要求2或者3的传输系统，其特征在于主站(2)被安排成向辅助站(6)发送校正信息，该校正信息是基于错误接收的数据分组的数量(Li)和主站(2)发送的该组数据分组，辅助站(6)进一步被安排用于以该校正信息校正错误接收的数据分组。
5.根据权利要求3或者4的传输系统，其特征在于所述的反馈请求通过一个独立的信道(8)传送。
6.根据权利要求4或者5的传输系统，其特征在于所述的校正信息包括Reed-Solomon码。
7.根据权利要求4或者5的传输系统，其特征在于所述的校正信息包括Tomado码。
8.根据权利要求1至7中任何一个权利要求的传输系统，其特征在于网络(4)包括因特网。
9.一种通过网络(4)向多个辅助站(6)多点传送数据的主站(2)，该主站(2)被安排用于收集来自辅助站(6)的反馈信息，该反馈信息与辅助站(6)接收数据的状态有关，其特征在于：所述的反馈信息包括由辅助站(6)错误接收的数据的份额(Li)。
10.根据权利要求9的主站(2)，其特征在于数据包括一组数据分组，并且该份额包括由辅助站(6)错误接收的数据分组的数量(Li)。
11.根据权利要求10的主站(2)，其特征在于所述的主站(2)向辅助站(6)传送反馈请求，该反馈请求包括迄今为止向主站(2)报告的错误接收的数据分组的最大数量(Lthresh)。
12.根据权利要求10或者11的主站(2)，其特征在于主站(2)被安排用于向辅助站(6)发送校正信息，该校正信息是基于错误接收的数据分组的数量(Li)和由主站(2)传送的该组数据分组。
13.一种通过网络(4)从主站(2)接收数据的辅助站(6)，该辅助站(6)被安排用于向主站(2)提供反馈信息，该反馈信息与辅助站(6)接收数据的状态有关，其特征在于：所述的反馈信息包括由辅助站(6)错误接收的数据的份额(Li)。
14.根据权处要求13的辅助站(6)，其特征在于该数据包括一组数据分组，并且该份额包括由辅助站(6)错误接收的数据分组的数量(Li)。
15.根据权利要求14的辅助站(6)，其特征在于所述的辅助站(6)被安排用来从主站(2)接收反馈请求，该反馈请求包括迄今为止向主站(2)报告的错误接收的数据分组的最大数量(Lthresh)，该辅助站(6)被安排用于只有当错误接收的数据分组的数量(Li)大于错误接收数据分组的最大数量(Lthresh)时，才向主站(2)发送该数量(Li)。
16.根据权利要求14或者15的辅助站(6)，其特征在于所述的辅助站(6)被安排用于从主站(2)接收校正信息，所述的校正信息基于错误接收的数据分组的数量(Li)和由主站(2)传送的该组数据分组，该辅助站(6)进一步被安排用于以该校正信息校正错误接收的数据分组。
17.一种从主站(2)通过网络(4)向多个辅助站(6)多点传送数据的方法，该方法包括以下步骤：主站(2)收集来自辅助站(6)的反馈信息，该反馈信息与辅助站(6)接收数据组的状态有关，其特征在于：所述的反馈信息包括由辅助站(6)错误接收的数据的份额(Li)。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于该数据包括一组数据分组，并且该份额包括由辅助站(6)错误接收的数据分组的数量(Li)。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于该方法还包括：
—所述的主站(2)向辅助站(6)传送反馈请求，该反馈请求包括迄今为止向主站(2)报告的错误接收的数据分组的最大数量(Lthresh)，
—只有当错误接收的数据分组的数量(Li)大于错误接收数据分组的最大数量(Lthresh)时，辅助站(6)才向主站(2)发送该数量(Li)。
20.根据权利要求18或者19的方法，其特征在于该方法还包括步骤：
—主站(2)向辅助站(6)发送校正信息，该校正信息是基于错误接收的数据分组的数量(Li)和主站(2)发送的该组数据分组，
—辅助站(6)以该校正信息校正错误接收的数据分组。
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