用於減小通信網中延遲的方法和設備的製作方法

2023-04-28 07:34:11

專利名稱：用於減小通信網中延遲的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及在傳送ATM業務的通信網中減小業務的總延遲，其中多個用戶共享同一公共物理媒質。在使用對網絡延遲容限較低的所謂CBR(恆定比特率)業務時，這種減小特別有利。
現有技術在通過電話網傳輸語音時，限制從發射機到接收機的總延遲(往返延遲)非常重要。如果一條電話連接的延遲超過了約50ms，就需要一個回波消除器，因為這時由於雙方同時開始講話，延遲就幹擾通話。當這50ms在不同的標準和規範中被分配給不同的本地、轉接和國際局時，接入網則由沒有延遲的雙心電纜組成。這使得目前在接入網中也引入傳輸系統、交換和ATM(異步傳遞方式)時，「延遲預算」中已沒有可分配的時間。這導致對接入網的總延遲很低的苛刻要求。
傳統本地網生成延遲的原因也可以通過觀察以下事實來表達在路由器和網橋中傳輸大的數據分組和使用存儲轉發技術需要佔用時間。首先，當用戶收集數據以填充整個數據分組時就存在有延遲。分組每次被網橋或路由器接收時也會生成相同的延遲效應，因為必須等待整個分組到達之後，才能向下一鏈路傳送它。當分組在負荷很重的鏈路隊列中等待時，延遲會有變化。如果所有分組的優先級相同，一個時間要求很嚴格的分組就不可能超越該隊列。
關於隊列問題，ATM有一個優先級功能，它使時間要求嚴格的分組有可能超越一個隊列。
另外，終端可以要求為指定的信道分配一個確定的帶寬，它能保證需要的容量。這種系統與業務是被歸類為恆定比特率(CBR)、可變比特率(VBR)還是可用比特率(ABR)有關。要通過CBR或VBR傳送視頻或音頻序列的終端必須在連接建立時預留需要的帶寬。
如果所有業務具有相同的優先級，這一問題自然還將存在。當要傳輸組裝在ATM信元中的窄帶CBR信號(語音)以及當物理層只能提供一個固定的較低傳輸速率時，這一問題將會非常突出。當使用基於TDM(時分復用)的PON(無源光網絡)或同軸電纜系統時，上行鏈路方向會常常出現這種現象(從用戶或/和設備到一個公共節點，例如本地交換局或所謂「前端設備」的業務)。如果延遲還隨時間變化，將進一步增加接收機端的總延遲。延遲變化越大，需要的CDV(呼叫延遲變化)緩衝區也將越大。
例如，當多個節點使用一條總線在一個TDM網絡的上行鏈路方向(從用戶節點到一個公共節點)傳輸信元時，物理媒質(本例中為總線)就是一個必須以最佳可能方式使用的公共資源。因為每次只能有一個用戶在總線上傳輸信元，所以用戶節點處的信元在通過物理媒質傳輸之前必須等待「輪到它們的次序」。
在多個用戶共享一個時分復用公共物理媒質的若干應用領域內會生成這種問題。最現成的例子是在ATM連接上使用較低固定帶寬的語音(電話)和傳輸。另一領域是有線電視。當研究該技術的現有狀態時，我們發現大部分文獻都屬於有線電視的技術領域。但是，沒有任何文獻說明如何能減小所述延遲時間。
美國專利5，546，199揭示了一種通過在下行鏈路方向使用一個參考頻率來生成(合成)用於有線電視系統上行鏈路方向的載波的方法。其目的是提供一種具有精確頻率的低成本載波。於是該載波就可以用於公共媒質，在本例中是一條同軸電纜。但是，該文獻沒有揭示如何減小系統的總延遲。其他已有文獻，例如美國專利4，553，161，描述了上行鏈路數據業務的同步。
發明概要本發明通過在多個(n)用戶/節點共享一條公共物理媒質的通信網中使用的一種設備和方法，將能減小以固定速率生成的數據分組傳輸中的總延遲。
最佳或最簡單的情況自然應當是，一個連接應該具有的帶寬遠大於需求，並且存在有一個用於動態帶寬分配的功能，當數據分組/信元在一個節點中準備好時，該功能立即生成傳輸許可。與這種理想情況的一點區別是，幾個節點要共享的帶寬一般非常有限，並且完全用於有效負荷。
如果所有業務具有相同的優先級，動態傳輸許可分配將沒有用處。當所有節點同時準備發送一個信元時，最後一個信元必須等待一個整周期T，其中T是來自一個特定連接的兩個信元之間的時間(周期)，所有其他節點在該段時間內都必須有一個傳輸許可。
根據本發明，通過這樣一種設備和方法解決了該問題，其中ATM信元的生成在用戶端與公共物理媒質中上行鏈路時隙的生成同步，從而使得正好在收到一個傳輸許可時發送信元。其條件是一個ATM信元可以裝配到一個時隙中。因此，需要ATM信元的生成在用戶節點處與上行鏈路信道中所分配的時隙同步。同步可以用若干種方式實現，但重要的是生成的ATM信元到達的速率與公共物理媒質上的時隙相同，以便當數據分組不加延遲地被組裝到所述媒質上時，可以直接傳輸。例如使用一種相位延遲設備和相位檢測器、或者只是不使用一個信元並在正確相位上開始下一信元，可以使初始狀態下時隙和ATM信元生成之間導致的隨機相位得到校正。假設採用TDM，而且正常情況下每條連接使用固定「時隙」傳輸ATM信元。一幀可以定義為n個時隙，每條連接用一個時隙。一條連接在所有幀中使用「同一」時隙。幀周期是固定的。在同一長度的幀中也可能沒有定義時隙流，而只是作為一個固定的時隙流。不過重要的是用於一個特定連接的兩個時隙之間的周期是固定的。
使用這種方法獲得的優點很明顯。在用戶節點處的組裝ATM信元的延遲很短，有利於減小網絡中的總延遲。
可以相信在所附權利要求中定義的本發明特徵都是新穎的。然而，通過說明書和附圖可以最好地理解本發明的實施、功能和其他優點。
附圖簡述下面將根據附圖描述發明的實施例，其中

圖1根據該現有技術狀態，用示意圖簡單表示了在具有多個節點和一條公共物理媒質的PON/同軸系統中的上行鏈路業務，圖2表示以下所述本發明可以起作用的一種環境的方框圖，圖3表示如何實現一個用戶節點以及根據本發明進行同步的一種方法的方框圖，圖4表示如何實現一個用戶節點以及根據本發明進行同步的一種附加方法的方框圖。
優選實施例描述圖1表示用於具有n個節點的一個PON/同軸系統的上行鏈路方向。根據圖1，從n個節點到一個前端設備的上行鏈路業務延遲主要包括兩個部分，一個是ATM信元的組裝，另一個是在可以傳輸信元之前的延遲時間。
為了正確理解本發明背景和發明本身，可以使用兩個例子。在第一個例子中使用動態帶寬分配，這時採用的是在連接或連接組之間對可用容量進行連續控制和分配的某種形式的MAC功能(媒質接入控制)。其目的是在一個信元準備好之後儘可能快地發送，即動態地控制帶寬分配。這裡我們用到n=最大連接數t=發送一個信元的時間，它依賴於連接的容量。
T=來自一條連接的2個信元之間的時間(周期)，(64kb/s話音連接對應T=6ms)。
因此，連接容量能夠滿足所有n條連接需要的條件就是n×t≤T或等效為n≤T/t。
當最大限度地使用當前帶寬時，n=T/t。
等待時間是變化的，當所有連接同時要發送一個信元(=n個信元)時，出現最大等待時間。最後一個信元就將具有最大等待時間T。不過這種情況不太可能發生，但是可用帶寬通常把n限制到這樣低的值上，使得等待時間接近T的概率不可忽略。
相反，如果我們使用本發明中已有的靜態帶寬分配，無論是否有信元要發送，都以固定的時間間隔T1為每條ATM連接提供連續的傳輸許可。這種方法將導致以f1=1/T1的頻率對每條連接進行輪詢。當T1≤T時，可以獲得足夠高的連接容量。為了最大限度地使用連接的可用容量，選擇T1要儘可能大，但不能大於T。對於64kb/s語音，T=6ms。在這種非同步輪詢方法中，等待時間在區間0-T1內均勻分布。
結論是對於所述兩種方法，等待時間在0和6ms之間連續變化。不過，等待時間與固定且不可控的組裝延遲的區別在於它是可控的。
當使用建議方法時，除了組裝生成的那部分延遲之外，大部分延遲都可以避免。因此這些部分的總延遲減少到了約6ms。不過應當指出，這裡沒有考慮在傳輸或隊列中可能生成的任何附加延遲。
以下描述主要考慮64kb/s編碼語音的傳輸，但是也可用於其他數據速率。
因此，條件是使用TDM，而且正常情況下每條連接使用一個固定「時隙」傳輸ATM信元。一幀定義為n個時隙，每條連接一個時隙。一條連接使用所有幀中的「同一」時隙。幀周期是恆定的。
還要假定公共媒質上的上行鏈路和下行鏈路方向以及上行鏈路CBR信元的生成(隱含的還有用於語音編碼的參考頻率，通常為8kHz)具有一個公共同步源。
然後，如果滿足兩個條件，等待時間就幾乎可以減小到零。首先是ATM信元的生成必須與對應的時隙同步，即每個時間單位內的信元數和時隙數相同。其次ATM信元在分配時隙中傳輸之前剛好被組裝完並準備傳輸。後一條件要求在ATM信元準備進行傳輸的時刻(或相位)可以控制/選擇對應的所用時隙，或者可以為該連接分配一個「合適」的空閒時隙。後一種方法應該避免使用，因為它依賴於其它的建立連接。
ATM信元的速率由所用AAL和通常用於語音信號模擬/數字轉換的8kHz信號決定，即標稱的信元頻率/生成是固定和不可控的。其結果是分配時隙的標稱時間周期必須與ATM信元的生成相適配，反之則不然。
這裡我們討論語音信號，因為對這類信號的高質量標準要求使得必須用CBR傳送它們，最能從本發明中獲益的就是語音信號。不過本發明並不局限於語音信號，具有恆定比特率的其它類型信號當然也可以使用本發明的同一基本概念進行傳輸。
當多個用戶節點要向一個公共節點傳輸信元時，使用術語上行鏈路方向，當公共節點向用戶節點傳輸時，使用術語下行鏈路方向。如果上行鏈路信道中的所用時隙與ATM信元的生成具有相同的標稱時間周期，ATM信元的生成就可以按以下方式與上行鏈路信道同步首先是頻率同步，即用於生成ATM信元的時間周期與分配時隙的時間周期相適配/同步，這時假定時隙和ATM信元生成之間的相位是隨機的。其次調整相位，使得每個生成的ATM信元準備/組裝好的時刻正好是要在「它的」時隙中傳輸之前，即正好是傳輸該時隙之前或同一時間上，以便能夠把該信元裝載到時隙中。
該方法意味著無論一個ATM信元在哪個節點中生成，相位都要與分配時隙相適配。結果是等待時間可以變得任意短。
圖2表示本發明非常有用的一種應用環境實例。該圖表示了一個HPC(混合光纖同軸)有線電視系統1，其中多個用戶/節點2-4共享一條公共物理媒質，在本例中是總線5。為簡便起見，圖中只表示了三個節點，但是應當懂得這個數目可以大得多。
有線電視網是交互的，這意味著用戶可以在上行鏈路方向6中傳輸信息。該實施例提供了使用本發明的一個很好的例子，它要表示的是一種實際的實現方案。事實上，在多個節點/用戶共享一條公共物理媒質、並且要與一個公共單元通信的網絡中進行單工或雙工通信的所有系統中都可以使用本發明。
在本例中，總線5可以是一條普通的同軸電纜，不過上行鏈路方向6上常常有在轉換器7中進行的光/電轉換。
如上所述，總線5與多個用戶或節點2-4連接。一個節點4被放大，圖中對它作了更詳細的說明，大家可以從這裡看到如何進行連接的一個實例。網絡終端8作為到總線5的一個接口被連接。下文將更詳細地描述網絡終端。如果這是作為一個有線電視網使用，一臺電視機9作為接收下行鏈路數據10的外部單元被適當地連接。為了在上行鏈路方向6上傳輸數據，如圖所示，一臺電路仿真器11可以與網絡終端8連接。電路仿真器11就可用於把用戶產生的數據組裝到ATM信元中。為了在上行鏈路方向6上傳輸數據，用戶可以使用與節點4相連的一臺計算機12或普通話機13。當然，話機還需要一個A/D變換器29。
系統帶有一副天線14，用於接收要在其後傳輸給用戶的電視信號。模塊15代表HFC網絡中的一臺前端設備，並在通往PSTN 16或類似網絡的接口中提供電話功能。該模塊包括一個MAC(媒質接入控制)。在此要決定允許哪一個用戶進行傳輸以及何時進行。在同一模塊15中，還可以進行載波調製。通常下行鏈路使用QAM調製，上行鏈路使用QPSK解調。通過使用合併器17合併來自模塊15的信號和來自天線14的信號，可以在同一媒質19中傳輸它們。
圖3更詳細地表示了網絡終端8和電路仿真器11。電路仿真器11除包括一個ATM信元接收機20和一個PLL21(鎖相環)之外，還包括一個生成ATM信元的發射機22和一個A/D變換器29。在這個實施例中，A/D變換器29通過鏈路18接收來自電話13(見圖2)的數據。因此，仿真器11與網絡終端8相連，後者又與總線5連接。
可以在不加延遲的條件下調整所生成的數字語音信號相位，使得每個生成的ATM信元在最佳時刻上準備好傳輸，以便網絡終端8中緩衝區23內的等待時間減到最小時，其起始點總是來自網絡終端8中緩衝區23處的相位檢測器26的信息。檢測器26檢測來自發射機22的輸入ATM信元和總線5上分配時隙之間的相位。這樣，一個假定需要x ms來進行組裝的信號到達了本方案的電路中。與下行鏈路數據相伴的傳輸許可也是每x ms到達一次。因此，目的是使用下行鏈路業務的相位控制，以保證生成的ATM信元正好在公共媒質5中的傳輸進行之前被組裝好和傳送到緩衝區23。
控制ATM信元生成的可選方法有許多。圖3中說明的一種方法是使用下行鏈路方向10中的時鐘同時作為上行鏈路業務6的參考(這裡由網絡參考31代表)。然後就可以使用可控相位延遲單元24，根據經由連接28來自上述相位檢測器26的信息調整下行鏈路方向10到電路仿真器11的相位，直到上行鏈路信元獲得與其分配的時隙對應的一個合適相位(在一個如上所述的最佳時刻準備/組裝好)。這是通過延遲網絡終端8中模塊25內的下行鏈路方向業務的相位而實現的，以便電路仿真器11中的PLL 21最好地對A/D變換器29進行時鐘同步，以使得信元可以在發射機22中組裝，並正好在用於公共物理媒質時隙的傳輸許可到達之前準備向緩衝區26傳輸。
這被稱為一種間接方法，因為電路仿真器11不能「看到」相位變化。它只是跟蹤下行鏈路方向的相位。在上行鏈路ATM信元在網絡終端8中集成的單元中生成的實施例中也可以使用這種間接方法。這時不需要一個單獨的PLL，但是可以使用來自相位延遲24的輸出信號作為時鐘信號。
在圖4所示的另一實施例中，可以使用控制信道30控制來自PLL21』的相位。這時必須讓相位檢測器26』通過控制信道30向來自信元生成的PLL 21』傳輸與上面相同的相位控制信息，以便把相位控制到如上所述的一個適當位置。這種方法被稱為直接方法，因為這時是直接向電路仿真器的PLL 21』提供需要的信息。
所述方法並不局限於所示優選實施例，在每種要通過一條基於TDM的物理媒質(例如同軸、光纖或無線信道)傳輸來自許多不同位置信源的ATM信元的情況下都可以使用這些方法。應當指出圖3和4中的實施例只表示了實現發明的可能方式。發明的本質在於根據一個相應的所分配的時隙來控制ATM信元的生成，以減少信元的等待時間。
權利要求
1．減小通信網中ATM業務延遲的一種方法，其中生成ATM信元的多個節點(2-4)使用一條公共時分復用物理媒質(5)進行傳輸，該方法的特徵在於，用於所述節點(2-4)中ATM信元生成的周期和物理媒質時隙的周期在頻率和相位上同步，使得這些節點(2-4)中的信元將正好在一個特定節點的相應分配的時隙中要傳輸該信元的同時或之前被組裝完。
2．根據權利要求1減小ATM業務延遲的方法，其特徵在於，同步是通過使用下行鏈路連接10中的時鐘同時作為上行鏈路方向的同步源，從而對ATM信元的生成周期和公共物理媒質上行鏈路信道(6)上的分配時隙周期進行同步來實現的。
3．根據權利要求1或2減小ATM業務延遲的方法，其特徵在於，使用檢測來自發射機(22)的輸入ATM信元和總線(5)上的分配時隙之間相位的相位檢測器(26)，來確定ATM信元準備進行傳輸的時刻相對於各自分配的時隙的相位。
4．根據權利要求3減小ATM業務延遲的方法，其特徵在於，用相位延遲單元(24)來調整下行鏈路時鐘相位，使得發射機(22)中生成的ATM信元被組裝好並向緩衝區(23)傳輸時，在公共媒質(5)上傳輸這些信元之前的等待時間最小。
5．根據權利要求3減小ATM業務延遲的方法，其特徵在於，來自相位檢測器(26』)的控制信道(30)傳輸有關來自發射機(22)併到達相位檢測器(26』)的ATM信元和總線(5)上分配的時隙之間的相位的信息，該信道控制與發射機(22)相連的一個PLL(21』)，使得發射機中生成的ATM信元組裝好並向緩衝區(23)傳輸時，在公共媒質(5)上傳輸這些信元之前的等待時間最小。
6．減小通信網中ATM業務延遲的一種方法，其中生成ATM信元的多個節點(2-4)使用一條公共時分復用物理媒質(5)進行傳輸，該方法的特徵在於，用於所述節點(2-4)中ATM信元生成的周期由物理媒質(5)的下行鏈路方向(10)時鐘給出，上行鏈路方向(6)的物理媒質時隙受同一時鐘控制，使得信元生成和上行鏈路方向的分配時隙之間的相位是隨機的，調整該相位，使得每個生成的ATM信元將正好在為該特定連接分配的時隙內要傳輸該信元的同時或之前被組裝完。
7．減小通信網中ATM業務延遲的一種設備，該通信網包括多個節點(2-4)和與之連接的一條公共時分復用物理媒質(5)，上行鏈路(6)和下行鏈路(10)業務就在該媒質(5)上傳輸，而且上行鏈路業務(6)在所述節點(2-4)中生成，該設備的特徵在於，節點(2-4)包括至少一個與所述公共物理媒質(5)連接的網絡終端(8)和至少一個執行ATM信元生成的模塊(例如一個電路仿真器(11))，其中信元的生成受到控制，使得ATM信元正好在公共物理媒質(5)上為其分配的時隙中要進行傳輸的同時或之前被組裝完並準備進行傳輸。
8．根據權利要求7減小包括多個節點(2-4)的通信網中ATM業務延遲的設備，其特徵在於，節點包括一種裝置，用於控制ATM信元準備進行傳輸的時刻相對於各自分配的時隙的相位。
9．根據權利要求8減小包括多個節點(2-4)的通信網中ATM業務延遲的設備，其特徵在於，這些裝置包括至少一個相位檢測器(26)和一個控制下行鏈路方向數據相位的相位延遲單元(24)，以控制電路仿真器(11)中ATM信元的生成，使得信元正好要在物理媒質上行鏈路方向上為其分配的時隙中進行傳輸的同時或之前被組裝完。
10．根據權利要求8減小包括多個節點(2-4)的通信網中ATM業務延遲的設備，其特徵在於，這些裝置包括一個相位檢測器(26』)和一個控制信道(30)，該信道從相位檢測器向與發射機(22)相連的一個PLL(21』)傳輸相位信息，以用於控制發射機(22)中ATM信元的生成，使得信元被組裝完的時刻發生在正好要在物理媒質上為其分配的時隙中進行傳輸的同時或之前。
全文摘要
發明提出了用於減小通信網中ATM業務總延遲的一種方法和設備,其中多個節點(2－4)共享一條在上行鏈路方向(6)傳輸ATM信元的公共時分復用物理媒質(5)。節點(2－4)包括一個組裝要傳輸的ATM信元的電路仿真器(11)以及至少由一個PLL(27)和相位檢測器(26)組成、並最好包括一個相位延遲單元(24)的網絡終端(8)。用於物理媒質(5)上分配時隙的標稱頻率與ATM信元的生成頻率相同。通過使用上述部件,將能在頻率和相位上把ATM信元的生成鎖定到分配時隙上,以減小節點緩衝區(26)中的等待時間。
文檔編號H04Q11/04GK1282501SQ9881236
公開日2001年1月31日 申請日期1998年12月4日 優先權日1997年12月19日
發明者P·拉森 申請人:艾利森電話股份有限公司