CN1976269A

CN1976269A - 数据分组重传和前向纠错装置以及相应的方法

Info

Publication number: CN1976269A
Application number: CNA2006101468781A
Authority: CN
Inventors: N·德格朗德; P·德拉瓦利; D·德弗莱斯朔韦尔
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent SAS; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: US20070121639A1; EP1791285A1; CN1976269B

Abstract

本发明涉及一种数据分组重传装置，其具有重传缓冲器、计数器、前向纠错装置和控制逻辑。所述重传缓冲器存储最近所发送的数据分组。所述计数器跟踪所接收的对于数据分组(211)的重传请求的数目。如果这个数目低于第一整数值K，则重传所述数据分组(212、213)。如果这个数目等于或高于第一整数值K，则所述前向纠错装置计算关于最近所发送的L－1个数据分组以及将被重传的数据分组的N个前向纠错分组，N是等于或大于0的第二整数值，而L是等于或大于1的第三整数值。在后一种情况下，所述数据分组与所述N个前向纠错分组一起被重传(214)。

Description

数据分组重传和前向纠错装置以及相应的方法

技术领域

本发明通常涉及数据分组重传和前向纠错(FEC)，其中FEC用于保护数据分组传送免受由于接线或无线链路上的噪声引起的分组丢失或分组损坏，所述链路例如数字用户线路(DSL)或无线局域网(WLAN)链路。本专利申请文中的数据分组意味着任何定长或变长的分组，它们通过通信网络的链路来传送无论任何特性或服务(音频、视频、全音程、TV、互联网、多媒体、数据文件...)的信息。

背景技术

由于噪声，接线和无线物理层容易遭受最终可以转化为数据分组丢失的误码。在链路层存在用于免受在物理层上的误码的解决方案。通常，在基于分组的网络中存在两种用于差错保护的主要技术：重传和前向纠错(FEC)。这些技术必须确保(例如音频、视频、数据传送的)服务能够以期望的体验质量(QoE)运行。例如，为了实现可以接受的视频质量，高清晰度电视(HDTV)的观看者不应该看到由于视频分组丢失而造成的超过一次的十二小时内可视失真(1 VDT)。当通过室内无线链路发送包含视频信息的分组时，分组丢失率可能总计为几个百分点。在典型情况下，室内无线链路上的分组丢失率是2％到5％。从而，通过FEC或重传来保护视频分组是必不可少的。此外，在有线情况下，当例如在交错DSL线路上发送视频分组时，无法在缺乏恰当的视频分组保护之下保证1 VDT的目标。DSL线路上最糟糕的分组丢失率在10^-4到10^-5的范围内，从而导致对于8Mb/s的HDTV来说每30秒大约就有一次可视失真。

重传包括，要么在收到接收器的请求时，要么在已经过去一定时段并且没有接收到任何接收确认时，发送早先所发送的、被丢失或损坏的数据分组的拷贝。重传技术在开销方面很有效——仅重传被实际丢失或损坏的数据分组——但是与重传相关联的延迟或延时可能非常大。特别是在从远程缓冲器请求重传时，在慢链路的情况下，或者在所请求的重传数目很高的情况下，与重传相关联的延迟或延时可能非常大。例如对于广播电视服务来说，最大可接受频道切换延迟为所允许的延时设置了大约150毫秒的上限。在利用重传来恢复在通过DSL线路传输期间被丢失或损坏的视频分组的情况下，往返延迟可以高至40毫秒，所述往返延迟为通过DSL线路从机顶盒(STB)向DSLAM请求重传所需的时间加上把分组从DSLAM重传到STB所需的时间。在无线路由器配备有重传缓冲器的无线情况中，当由于室内无线链路上的传输而造成差错时，可以向所述缓冲器请求重传视频分组，这种情况下的往返延迟通常保持低于5毫秒。在无线局域网的情况下，其中，视频分组是在串联DSL线路和室内无线信道的信道中被丢失的，并且必须向DSLAM请求重传，因此可以预期往返延迟大约是45毫秒。结论是，尽管重传技术在链路上发送开销信息上是经济的，然而有关重传的主要瓶颈是所引入的延迟，其约束了重传的最大次数。对于数据分组的可接受重传次数可能低至2或3次(例如，在通过DSL链路传送的视频服务的情况下)，这取决于服务和物理层的往返延迟。

前向纠错(FEC)技术将奇偶校验分组或FEC分组添加到内容流中，以便使接收器能够重建所丢失或损坏的分组，而不用请求重传。FEC技术的缺陷在于所有分组都通过FEC分组而被保护，甚至是无差错接收的分组。换言之，FEC技术引入了一个参数，在某些情况下其可能成为过大的额外开销。而且，FEC技术也引入延迟，这是因为收集必须针对其计算FEC编码的分组耗费了时间，因为这些分组不是立即到达的，而是以链路速率到达的。在例如通过20Mbps的DSL环路发送视频分组的有线的情况下，不能容许超过6％的开销。低开销和低延时(频道切换延迟必须保持低于150ms)的约束阻碍了使用例如强大的二进制FEC码来保护在DSL线路上发送的视频分组。在室内无线链路上，可以使用更强大的FEC码，因为所允许的开销基本上超过了在DSL链路上所允许的开销。无线链路可以以54Mbps运行，而HDTV需要大约8Mbps的视频比特率。假设在无线室内链路上可以为传送视频分组有效地配置大约30到35Mbps，很清楚，所允许的开销可以比DSL链路上可接受的5％到6％高得多。研究已经显示，为了满足小于1 VDT的观看者要求，无线链路上强大的二进制码需要非常高的开销，超过60％。Reed-Solomon码是对于二进制副本(binarycounterpart)的替换，其只需要无线链路上20％到30％的开销，但是由于Reed-Solomon码的解码复杂度更高，因而没有太多吸引力。

总而言之，由常规重传技术引入的延时往往太大而不能获得可接受的体验质量(例如，好的频道切换性能)。这种情况是由于为了达到足够低的分组丢失率(例如，对于视频服务来说最多1 VDT)，某些分组需要被重传超过一次。特别是在分组丢失率可能总计为几百分点的无线链路上，或者在往返延迟等于数十毫秒的接线链路上，常规的重传技术不能够令人满意地执行。另一方面，FEC技术在净荷分组之外还引入了开销，并且所述开销可能太大。这种情况是由于为了达到足够低的分组丢失率，可能要求强大的FEC码，从而引入不能接受的高永久开销。

本发明的目的是公开一种分组重传技术，其以最小的延时、最小的开销以及最小的复杂度，在接线和无线情况下都实现了最优性能。

发明内容

上述目的通过权利要求1中定义的数据分组重传装置来实现，所述装置包括：

a.重传缓冲器，其用于存储最近所发送的数据分组；

b.计数器，其用于对所接收到的数据分组的重传请求的数目进行计数，并且用于将所述数目与第一整数值K进行比较；

c.前向纠错装置，其能够计算关于最近所发送的L-1个数据分组以及将被重传的数据分组的N个前向纠错分组；以及

d.控制逻辑，其适合于控制所述重传缓冲器和所述前向纠错装置，以在所接收的重传请求数目小于K的情况下重传所述数据分组，或者在所接收的重传请求数目等于K的情况下发送所述数据分组以及所述N个前向纠错分组。

实际上，本发明的基本思想是新的重传策略。对于每个分组的重传数目被限制为某个值K。如果分组被连续丢失K次，则这个分组将与最近所发送的L-1个分组组合，并且由N个FEC分组来保护这组L个的分组，在第K次重传所丢失的数据分组之后立即发送所述N个FEC分组。所述N个FEC分组将能够在(在第K次重传的过程中)连续丢失的情况下重建数据分组，并且最终将能够恢复被用于FEC分组计算的L-1个最近所发送的分组中的一个或多个。如果适当地选择整数值K，则可以将延时控制在所期望的界限之下，并且如果适当地选择FEC参数，则可以使开销和复杂度受到控制，而同时使失真(分组丢失或分组损坏)率处于对某个体验质量而言的最大可接受失真率之下。对于被无误差发送的分组，或可以在K-1次重传内恢复的分组，不发送永久FEC开销。延时将不会超过由K次重传引入的延迟，因为第K次重传必须能够通过重传或FEC解码来恢复分组。通过例如将所述L个分组中的一个或多个拷贝选择为FEC分组，可以将FEC编码/解码复杂度保持为很简单。

应注意，通过由权利要求10定义的用于重传数据分组的方法，本发明的上述目的被进一步地实现。

如权利要求2所定义的，根据本发明的分组重传装置的另一个特征在于，K被预先配置，从而使得分组的K次重传将在预定的、可接受的延迟界限内到达。这样，数据分组的K-1个无FEC的重传和一个FEC增强的重传可以被用于分组恢复，而不会影响体验质量。延迟界限被预先定义并且取决于所述重传缓冲器的位置、应用、物理介质的特性、比特率、DSL模式、其它差错回复模式的有效性，等等。

例如，在DSL环路上提供的视频服务的情况下，所述重传缓冲器被集成在DSLAM中，如权利要求3所述，可以选择延迟界限等于150毫秒。这样，数据分组的K-1个无FEC的重传和一个FEC增强的重传将不会超过使用视频或TV服务的观看者可接受的最大频道切换延迟——150毫秒。

根据本发明的分组重传装置的可选择特征在于，如权利要求4所定义地，可以选择N等于0。这样，即使可以有执行最后一个用FEC增强的重传的功能，根据本发明的分组重传装置的参数也可以是可配置的，从而使得第K次和最后一次重传将简单地重传所请求的分组的一个拷贝。

根据本发明的分组重传装置的一个可选择特征在于，如权利要求5所定义地，可以选择L等于1。在这种情况下，除了所请求的分组之外，没有最近所发送的分组将被使用在FEC计算中。在特定实施例中，N个FEC分组可以是请求将被重传的分组的N个普通的拷贝，由此最小化了复杂度，同时仍然比现有技术的重传或FEC系统的性能更好，这是因为在延迟界限内现在分组的K+N个拷贝可用于恢复。

如权利要求6到9中所指出的，根据本发明的分组重传装置可以被集成在不同类型的网络设备中，即接入节点，例如数字用户线路复用器(DSLAM)、数字环路载波(DLC)、电缆调制解调器终端系统(CMTS)、光纤汇集器，等等；最终用户设备，例如归属网关、机顶盒(STB)、DSL调制解调器、无线路由器、PC、视频编码解码器，等等；交换/路由装置，例如边缘IP路由器、核心IP路由器、交换机/路由器，等等。

附图说明

图1说明了根据现有技术的数据分组重传方案；

图2说明了根据本发明的数据分组重传方案；

图3说明了根据本发明的数据分组重传方法的实施例流程图；以及

图4说明了根据本发明的数据分组重传装置的功能框图。

具体实施方式

在图1中，示出DSL环路上的常规重传。假定往返时间等于35毫秒，所述往返时间即，把例如111的视频分组从集成在DSLAM中的发射器101发送到集成在最终用户的视频解码器中的接收器102的时间，加上把重传请求从接收器102发送到发射器101的时间(应注意，选择35毫秒这个值只是作为示例：对于交错DSL，在文献中可以发现所述往返时间值大约为40毫秒)。为了频道切换，假定最大可接受的、在传送视频分组的过程中的延迟为150毫秒。换言之，以超出150毫秒的延迟而被传送的分组到达得太迟，并且无法再被用于显示给观看者。假定在图1中的视频分组111在DSL线路上被损坏或丢失。响应重传请求(如图1中的虚线箭头所示)，发射器101重新发送视频分组111的拷贝。在图1中这个拷贝被标为112。视频分组的拷贝112以及同一视频分组的下两个重传(在图1中由113和114指出)，全部被损坏或丢失。在已经发送了分组112、113和114之后，新的重传请求被发送回在DSLAM中的发射器101。此外，在第三次重传之后，发射器101继续通过发送所述视频分组的另外拷贝来回应重传请求。然而，这些拷贝(图1中的115和116)在150毫秒的底线之后到达，并且对于解码起来说无用。在图1中，没有未损坏的视频分组样本按时到达解码器，因而在屏幕上引起可视失真。

在图2中，假设发射器201现在被集成在DSLAM中，该DSLAM具有根据图3中所述的流程图进行操作的重传和FEC装置。发射器201在流程图的步骤301中发送视频分组。正如图1中那样，假定原始视频分组211在通向最终用户的视频解码器中的接收器202的DSL传输路径上被损坏。因此，重传请求被发送回发射器201(图2中的虚线箭头)，并且在流程图的步骤302中被发射器201接收。假定发射器201内部的重传和FEC装置具有三个参数：K、L和N，它们被配置为分别等于3、1和2。选择参数K的值为3，这是因为已知往返时间等于35毫秒，所以在150毫秒的延迟界限内最多可以提供3次重传。一旦接收到第一重传请求，发射器201就在所述流程图的步骤303中将其重传计数器从0增加到1。在步骤304中将该计算器值与参数K的值进行比较，因为1＜3，所以发射器201继续发送视频分组的第一拷贝。这个拷贝在图2中被命名为212。在图3中，发射器返回到步骤301。假定第一拷贝212也受到了损坏。结果，第二重传请求被发送回DSLAM，并且一旦其到达该DSLAM时(图3中的步骤302)，重传和FEC装置就将其重传计数器从1增加到2(步骤303)，比较该计数器值与参数值K(步骤304)，并且因为2＜3，所以发射器201进行到步骤301，以发送所述视频分组的第二拷贝。这个第二重传在图2中被命名为213。此外，第二重传213在其到接收器202的途中也遭遇丢失或损坏，并且新的重传请求被发出并且在步骤302的另一次执行中被DSLAM接收。现在，所述重传计数器在步骤303中被从2增加到3。在流程图的步骤304中，发射器201中的重传和FEC装置决定进行步骤305，因为所述重传计数器不再小于参数K(它们都等于3)。因此，所述重传和FEC装置计算关于所述被损坏分组的2个FEC分组。因为参数L被选择等于1，所以在FEC计算中不涉及其它所发送的分组。FEC分组可以是针对将被发送的视频分组所计算的码字(例如，Reed-Solomon码或二进制码字)，或者所述FEC分组可以是将被发送的视频分组的简单拷贝。然后在流程图的步骤306中，将被发送的分组以及2个FEC分组一起被发送到接收器202。这在图2中以214来说明。这个第三重传连同2个FEC分组，将在150毫秒的可接受延迟界限内到达，并且在接收器202处被用于解码和显示。即使所述分组的第三重传被损坏(如图1中的情形)，接收器202仍然可以依靠2个FEC分组来恢复被损坏的分组。在2个FEC分组是视频分组211的拷贝的情况下，最后的重传包括同一视频分组的3个拷贝。如果3个分组之一无损坏地到达接收器202，那么就足以使得能够解码并且向观看者无可视失真地显示该视频流。在包括FEC分组的最后重传之后，发射器201中的重传和FEC装置转到流程图的步骤307。

在图4中示出了在图2的发射器201中使用的重传和FEC装置的可能结构。此处所示的重传和FEC装置400具有发射器401和接收器402，其用于耦合到传输介质411，在图2的情况下假定为DSL线路。所述发射器和接收器可以例如是DMT(离散多音)ADSL发射器和接收器。它们可以被集成在单个收发信机中。发射器401具有输入412，新的视频分组被应用到输入412以用于传输。发射器401还与重传缓冲器403接口，以用于临时存储最近所发送的视频分组，并且它具有一个输入，前向纠错装置406的输出被连接到该输入。显然，发射器401的这些接口是可以被合并或集成到一个或多个物理端口或引脚中的逻辑接口。接收器402具有用于提供已经接收的视频分组的输出413，并且它具有与重传计数器404互连的控制输出。每当接收到对于视频分组的重传请求时，这个控制接口将传达指令，该指令将对于特定视频分组的重传计数器增加1。重传计数器404还具有参数寄存器K，K的值被预定义并且表示重传的最大允许次数。如先前所指，参数K的值可以基于不同的要素而确定，比如物理介质、比特率、应用需要，等等。在任何情况下，都确定K，从而使得被重传K次的分组仍然能按时到达。在图2的情况下，值3被保留在这个寄存器中。除了保留对于每个视频分组的重传次数的计数器值之外，计数器404还能够将计数器值与参数K的值进行比较，并且能够通知控制逻辑405所述比较的结果。通过从计数器404接收到的信息，控制逻辑405决定接下来执行哪一个步骤。在视频分组的计数器值低于值K的情况下(分组丢失/损坏小于K次)，控制逻辑405将命令重传缓冲器403重新发送其重传请求被接收到的视频分组的一份拷贝。在视频分组的计数器值达到值K的情况下(分组被丢失/损坏了K次)，控制逻辑405将命令前向纠错装置406计算N个FEC分组。参数N被保留在控制逻辑405的寄存器中，并且假定被预先编程。在图2的情况下，参数N例如被赋予值2。所述N个FEC分组必须基于其重传请求被接收的视频分组以及其它最近所发送的L-1个视频分组来计算。参数L又被保留在控制逻辑405的寄存器中。为了获得将被发送的视频分组和最近所发送的L-1个视频分组，FEC装置406与存储了所有这些分组的重传缓冲器403接口。在图2的情况下，参数L被预编程为等于1，这意味着，将只基于将被发送的视频分组来计算这2个FEC分组。FEC分组和将被发送的分组最终被转发到发射器401，第K次重传包括被损坏/丢失视频分组和所述N个FEC分组。

虽然已经参考特定实施例和特定附图解释说明了本发明，但是本领域的技术人员显然可以在本发明的精神和范围内做出不同的变化和更改。因此，应注意，任何以及所有的更改、变化或等效形式都应该位于本专利申请中公开和要求的基本原则的精神和范围内。例如，重传和FEC装置可能被使用在完全不同的环境中，其中，所述重传和FEC装置被集成在既不是DSLAM也不是接入汇集网络节点的节点中，以便控制对于不同应用的分组的重传和前向纠错。例如，重传和FEC装置可以形成归属网关的一部分，其中，所述重传和FEC装置跟踪通过无线室内链路发送的分组的重传次数。基于这个数目，决定对于在无线链路上的常规重传所剩的时间是否足够，以及是否有必要将前向纠错应用于最后的重传。从结构的观点看来，设计网络设备的领域的技术人员应当理解，例如图4中所示的不同功能块可以用软件、硬件或其结合的方式来实现。例如计数器、控制逻辑以及FEC计算的某个功能可以被集成在单个软件模块中。此外，本发明也没有局限于FEC算法的任何特定选择上。设计者应该根据可提供的复杂度、计算时间等等，来选择一个或另一个FEC方案。在FEC方案的最简单的形式中，可以用只产生将被发送的分组和/或最近所发送的L-1个分组的FEC装置来实现本发明。所述最近所发送的L-1个分组可以是例如至今为止没有接收到其任何确认信息的最后L-1个分组。这样，除了保护必须被发送的分组之外，在接收器端FEC分组还可以被用于接收最近所发送的L-1个分组中的一个或多个。另外，选择将被用于FEC计算的L-1个分组是留给设计者的实施选择。在FEC方案的最简单的形式中，在实现当前发明时令L等于1，这意味着对于FEC计算不用考虑另外的分组。此外很重要的是，应注意到并理解，可以在分组的原始源头和最终目的地之间端到端地实施本发明，但是也可以通过相同的优点，在期望增强对分组传输的保护的单个链路或网络段上本地实施本发明。此外，本发明可以被应用在连续的网络段上，并且出于对本地情况的考虑而对参数K、L和N取不同的值。

Claims

1.一种适合于在刚一接收到重传请求就重传数据分组(211)的数据分组重传装置(400)，所述数据分组重传装置(400)包括：

a.重传缓冲器(403)，其用于存储最近所发送的数据分组；

其特征在于，所述数据分组重传装置(400)进一步包括：

b.计数器(404)，其用于对所接收到的关于所述数据分组(211)的重传请求的数目进行计数，并且用于将所述重传请求数目与第一整数值K进行比较；

c.前向纠错装置(406)，其能够计算关于最近所发送的L-1个数据分组以及将被重传的所述数据分组(211)的N个前向纠错分组，N是等于或大于零的第二整数值，而L是等于或大于1的第三整数值；以及

d.控制逻辑(405)，其适合于控制所述重传缓冲器(403)和所述前向纠错装置(406)，使其在所述重传请求数目小于K的情况下重传所述数据分组(211)，或者使其在所述重传请求数目等于K的情况下发送所述数据分组(211)以及所述N个前向纠错分组。

2.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述第一整数值K被预先配置，从而使得所述数据分组(211)的K次重传仍然在预定义的、可接受的延迟界限之内到达。

3.根据权利要求2的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述预定义的、可接受的延迟界限等于150毫秒。

4.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述第二整数值N被配置为0。

5.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述第三整数值L被配置为1，并且所述N个前向纠错分组是将被重传的所述数据分组(211)的拷贝。

6.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述数据分组重传装置(400)被集成在数字用户线路接入复用器中(DSLAM)。

7.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述数据分组重传装置(400)被集成在机定盒(STB)中。

8.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述数据分组重传装置(400)被集成在无线路由器中。

9.根据权利要求1的数据分组重传装置(400)，

其特征在于，所述数据分组重传装置(400)被集成在归属网关中。

10.一种用于刚一接收到重传请求就重传数据分组(211)的方法，所述方法包括：

a.存储最近所发送的数据分组；

其特征在于，所述方法进一步包括：

b.对所接收到的所述数据分组(211)的重传请求的数目进行计数；

c.将所述重传请求数目与第一整数值K进行比较，并且如果所述重传请求数目低于K，则执行步骤：

d.重传所述数据分组(211)；

或者如果所述重传请求数目等于K，则执行步骤：

e.计算关于最近所发送的L-1个数据分组以及将被重传的所述数据分组(211)的N个前向纠错分组，N是等于或大于0的第二整数值，而L是等于或大于1的第三整数值；并且

f.重传所述数据分组(211)以及所述N个前向纠错分组。