专利名称：通信网络的动态带宽分配的制作方法
本申请对1996年3月18日提交的美国临时申请06/014,230号提出权益要求。
本发明的背景本发明涉及分层数据通信方案中的数据传送，特别适用于光纤同轴电缆网络中向上消息的传送。例如，本发明适用于多个订户单元与一个中央控制器(例如有线电视提供端)交流信息以进行互连网访问、电视会议、声音通信等。中央控制器根据可用的全部带宽、各订户当时使用的带宽量、当时的订户数、以及其他一些因素动态地给各网络订户分配带宽。
过去，有线电视系统曾用同轴电缆把信号从提供端传递到各个订户单元。随着新的数字电视服务以及能够与订户单元互传数据的愿望的出现，光纤光缆所能提供的增大的带宽变得有吸引力。但由于要建立一个让光线一直通到各个家庭的光纤系统成本昂贵，所以目前要实现从提供端一直到各个订户的全光纤网络来替代原有网络是不实际的。作为一种折衷，正在实现的是光纤电缆混合(HFC)系统。在HFC系统中，光纤从提供端通到各个相邻的转接中枢。然后把原有的同轴电缆与光纤相耦合以从光纤接收信号，再分配给各个家庭。
将由数字传送系统提供的各种交互式服务需要在中央控制器和各个用户单元之间有双向连接。提供从订户单元返回中央控制器的返回路径的一种方法是依赖于已有的电话线路。不过很明显，如果能在与向订户单元提供向下电视信号的同一个系统上，例如一个HFC系统上提供双向通信将是有利的。为此已提出了开发HFC系统上的健全的向上通信网络的提议。例如，已提出了单载频和时分复用访问(F/TDMA)的风险高容量方法，该方法对于在HFC系统上的向上数据调制提供了合适的特性。
为了有效地实现实用的的向上通道，使中央控制器能按照当时的订户要求来分配向上通道中的带宽将是有利的。中央控制器应该能够给每个订户提供最小的带宽，并以公允的方式给各个用户分配带宽。中央控制器还应该能够给某些用户，例如支付额外费用的用户，赋予优先权。通信方案应该基本上适用于所有类型的网络，包括电视通信和/或其他数据信号通信网络并且以对订户单元透明的方式操作。
本发明提供了具有上述优点和其他优点的通信方案。
本发明的概述提供一种在一个分层数据通信网络中分配带宽的方法和设备，在该通信网络中多个订户单元为了进行例如互连网访问、电视会议或声音通信而与一个中央控制器通信。
该方法含有在各相继的控制时段(intevval)中保持未分配带宽的变动的总量的步骤。例如通过在一个控制时段中对每个订户单元所使用的时隙(slot)数目进行计数来确定每个订户单元的通信计数(traffic count)。时隙使用率对应于一个带宽。
然后根据该通信计数来调整各订户单元的指定带宽。举例来说，如果当前的指定带宽比通信计数多出了例如一个大于或等于零的可编程量时，则可以减小该指定带宽。对于每个特定的订户单元可以把指定带宽设定得等于通信计数。一般，通过把指定带宽调整到订户单元所需的带宽来优化带宽的使用效率。
或者，为了保证给每个订户单元分配一个非零的带宽，也可以把指定带宽设定为以下两者中的较大者(a)某特定订户单元的通信计数；(b)一个最小带宽Rmin。然后，未分配带宽的变动的总量将增加对各个订户单元所减小的指定带宽。未分配的带宽的变动的总量将转移到下一个控时段(例如控制时间间隔)，以那里指定带宽将再次被调整。
或者，也可以对特定的订户单元确定通信计数对指定带宽的比值，并且当该比例等于或小于一个使用率低阈T1时可以减小指定带宽。
当某一特定订户单元的通信计数等于或接近于当时的指定带宽时，可以根据未分配带宽的变动的总量来增大该订户单元的指定带宽。这一点可以这样来完成对需要增大指定带宽的各特定订户单元作出标记，然后把未分配带宽在这些被标记的订户单元之间分配。例如，未分配带宽可以均匀地分配给各个被标记的订户单元。或者，也可以按照订户单元的等级来确定各订户单元的指定带宽。例如，对于交付额外费用的用户可以赋予各种优惠，包括可优先获得未分配带宽和/或可有较大的最大带宽分配额(顶额，ceiling)。此外，还可以根据订户单元的带宽使用历史、一天中什么时候使用、或其他因素来指定带宽。
或者，也可以确定特定订户单元的通信计数对指定带宽的比值，并且当该比值等于或一个使用率高阈T2时增加指定带宽。
带宽可以在订户单元与中央控制器之间的一个传送路径中分配，也可以在中央控制器与另一个通信网络之间的一个传送路径中分配。
还提供出一种相应的设备。
附图的简单说明
图1是用来执行根据本发明的动态带宽分配(DBA)的一种媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)管理实体的图示说明。
图2是根据本发明的一种双向通信网络的方框图。
图3是一种可使用于本发明的时分复用访问(TDMA)帧结构的图示说明。
图4是根据本发明的动态带宽分配方案的流程图。
图5是根据本发明的双向通信网络的另一个实施例的方框图。
本发明的详细说明本发明提供在一个例如多通道光纤同轴电缆混合(HFC)有线电视系统的通信网络的向上通道中，在多个订户单元之间动态地分配带宽的一种方法和设备。
图2是根据本发明的一种双向通信网络的方框图。一个中央控制器210把例如电视和/或其他数据信号发送给多个订户单元，包括第一订户单元250、第二订户单元252和第X订户单元254。中央控制器含有位于HFC物理层和媒体访问控制层一端的设备。“中央控制器”一词用来描述一个有线电视网络提供端以及原则上任何其他通信网络的控制单元的所在地，这些其他通信网络例如包括卫星网络、无线电网络、局域网、宽域网、内部网和互连网。“订户单元”是一个位在订户家中或公司中的单元，它位于HFC物理层和MAC层的另一端。订户单元也被称作台面盒(set-top box)、解码器、或终端，被订户用来在电视屏幕上观看节目服务或其他数据。应该指出，“订户”一词用来涵括所有能使订户单元在一个网络中进行通信，而不论是否付费或是否有任何其他合同性协议的布局类型。这样，HFC物理层和MAC层终止于中央控制器210和各个订户单元250、252和254这些分离的端点上。
在图示的光纤同轴电缆混合电视系统中，一个传送路径220，例如一条光纤，在中央控制器210和一个转接中枢230之间运载双向信号。同轴电缆240、242和244分别用来在转接中枢230与各订户单元250、252和254之间运载信号。典型地，还会提供一些另外的转接中枢和光纤与同轴电缆的分支和亚分支。不过应该理解，本发明同样适用于全光纤系统、全同轴电缆系统、或基本上任何其他通信网络，包括无线网络。此外，一些特定的订户单元可以组合成组，共用一个公共的向上通道。中央控制器可以与一个宽域网225相通信以访问各种资源，例如其他的订户单元或诸如文件服务器之类的存储媒体。
根据本发明的一个实施例，中央控制器210通过分配传送路径220上的带宽来管理各订户单元与中央控制器之间的通信。路径220可以包括一个或几个例如按照已知的时分复用方案在一些订户单元之间共用的通道。此外，中央控制器210还可以通过分配宽域网225上的带宽来管理其他网络资源与中央控制器210之间的通信。
图5是根据本发明的另一个双向通信网络实施例的方框图。这里，各订户单元550、552……554分别通过独立的传送路径540、542……544与中央控制器510通信。传送路径540、542……544可以是一些物理上独立的线路，以及/或者可以按照已知的波分复用方案由一条共同的线路搭载。中央控制器510通过宽域网525与其他网络资源通信。根据本发明的该另一个实施例，中央控制器510通过分配传送路径525上的带宽来管理其他网络资源与中央控制器之间的通信。
图3是可应用于本发明的一种时分复用访问(TDMA)帧结构的图示说明。图中总的用300代表的一个传送数据流，包括分别由代号310,350和380代表的第一、第二和第三超帧(superframe)。虽然不同通道上的每个超帧不一定要由同样数目的帧构成，但图中示出的每个超帧都由NF个帧构成。具体地说，第一超帧310含有帧320、330……340，第二超帧350含有帧360、362……364，第三超帧380含有帧390、392……394。此外，虽然每一帧内的时隙数目不一定需要相同，但图中示出每一帧含有NS个时隙。例如超帧310的第一帧320含有时隙322、324、326和328。还有，每个超帧、帧或时隙的长度都是可变的。还应指出，由于在一个TDMA通信方案中只需要设置两层，所以设置超帧并不是必需的。
MAC利用频分与时分多重访问(F/TDMA)在频度和时间两个方面控制订户单元的向上发送。MAC在需要时也支持对网络的异步访问。利用中央控制器中的资源管理可以在同一通道上存在多种访问模式。由于TDMA能支持高度的可编程性、具有易行的可重新构形性、并允许有可变的数据率，所以是向上传送的基本访问方案。也就是说，向上访问TDMA在时隙大小、帧大小、超帧大小和帧格式等方面是完全可构形和可编程的。中央控制器的MAC管理实体控制各个敏感的向上频率并把TDMA构形参数传送给各个用户单元。
时隙大小由一个时隙所占用的时基计量(例如时基脉冲)数定义。时基脉冲用来计量一个比特或一组比特的向上传送所需的时间。MAC管理实体在初始化和准备状态时期把时隙大小信息提供给订户单元。帧大小用每帧中的时隙数表示，它可在不同的频率通道之间构形，由此提供多种向上数据率。超帧大小用每超帧中的帧数表示。
每个帧可以任意地由可变数目的时隙组成，当两个或多个用户竞争同一个时隙时这些时隙将以竞争访问的方式被分配。一个帧中的其余部分可以用作“固定分配的”或“要求分配的”TDMA访问。对于固定分配访问，时隙被分配给一些特定用户。对于要求分配访问，时隙按照实际需要来分配。应该指出，全部的帧可以按照基于竞争的访问、固定访问、动态分配访问、或它们的任何组合来分配。如下面将讨论的，MAC连接管理功能根据用户的通信需要动态地确定所需的帧组成。
图1是用来执行根据本发明的动态带宽分配(DBA)的一种媒体访问控制(MAC)管理实体的图示说明。在概念上，该图示的MAC管理实体，这里也简称为MAC，是在数据流的一个MAC子层中实现的。熟悉本技术领域的人们显然可以看到，这里所描述的MAC管理实体功能可以用中央控制器的硬件和/或软件实现。总的由102代表的传送层包括一个物理层180、一个MAC子层100、和一些高级层160。MAC子层100含有一个MAC管理实体105，该实体又含有一个连系(link)管理功能块110、一个连接(connection)管理功能块115、和一个初始化、登录、准备管理功能块120。MAC子层100还含有一个数据适配功能块130、一个MAC给信号功能块135、一个多重地址分辨(multicast address resolution)功能块140、和一个单重(singlecast)地址分辨功能块145。
代号185总的代表一个参考模型(该模型对应于IEEE802标准)，它含有一个对应于MAC子层100的MAC层192、一个对应于物理层180的物理层192、和一个对应于高级层160的逻辑连系控制(LLC)层190。LLC层190和MAC层192是数据连系层的一部分。MAC层是关于裁决不同用户对媒介的访问的协议。LLC层控制数据连系上的通信。
MAC管理实体105对向下和向上的MAC资源进行必要的控制和管理。向上是指从订户单元向中央控制器的通信，向下是指从中央控制器向订户单元的通信。这种管理包括控制初始化、准备和登录，以使得能进入网络。MAC管理实体还控制接连管理和连系管理；前者使得能建立和释放网络带宽资源，后者对与连系有关的以及功率和范围的参数提供控制和定标。MAC管理实体也还保持着关于订户单元、安全性、键管理、诊断、和网络构形的数据库。
MAC子层所采用的协议与物理调制方案及所用的数据率无关。这使得在各种类型的物理通道上实现一个共用的MAC给信号协议具有灵活性。物理调制方案包括256QAM、64QAM和QPSK等，但并不局限于这些。
数据适应功能块130提供自适应服务，这种服务例如对应于提供HFC命令消息的MAC给信号功能块135与ATM层之间的ATM自适应层5(AAL-5)标准。
MAC控制整个HFC上的媒体。在向上方向上，不应该把媒体仅仅看成是某个特定的通道。应该把媒体看成是全部的向上通道谱，例如在有线电视(CATV)系统中，这个谱可以在5MHz-40MHz范围内扩展。然而应该理解，基本上任何网络中的任何谱都是可以使用的。因此，MAC所做的不仅是裁决或控制用户对某个特定通道的访问。MAC还负责管理向上谱的带宽(包括谱的带宽和数据的带宽)，这个向上谱可以包含几个通道，每个通道有不同的带宽和数据率。让MAC能适应于各种通道率不同的通道也可能是有益的。
此外，向上谱中的某些区域可以比其他区域有较好的误差率性能。于是有可能让MAC根据服务的类型来分配通道上的数据带宽。例如，较重要的数据可以在具有较好误差率性能的通道上运载。根据不同的通道情况，可以会需要数据连系层上的再次发送。
这样，在具有上述的控制和管理全部向上媒体以及选择MAC的准则的情况下，本发明的MAC管理实体有如下的关键特性。首先，MAC应该有效地和友好地支持向上和向下通信的异步传送模式(ATM)。MAC应使数据连系层处的和ATM单元中的前端部数据最少化。MAC应能支持恒定比特率(CBR)、可变比特率(VBR)和可获得比特率(ABR)等类型的服务。MAC应能提供数据连接的竞争访问或完全非竞争访问，或者两者都提供。MAC对于因众知的和实际存在的窄带入口而可能成为有问题媒体的向上通道还应具有数据连系层再次发送方案和误差监视功能。最的，MAC应含有能与向下调制类型、符号率和帧结构无关地工作的时分多重访问(TDMA)同步方案。
MAC能任选地提供通过竞争时隙实现的对接通电源和初始化的访问。竞争时隙是指那种可以分配给多个用户而不是专为某个特定用户保留的时隙。而且，竞争时隙可以在一个或多个向上通道上构形，在该情况下中央控制器周期性地以邀请消息的形式向各订户单元通知通道频率、帧结构(例如每帧的时隙数目)和时隙号码。可以用各种方法实现同步，其中例如包括利用时基同步消息的方法。由于中央控制器中的MAC管理实体可以在一个特定通道上进行电源接通，并在电源接通和初始化步骤完成之后把用户转移到其他通道上去，所以可以假设在通道上不存在电源接通时隙。
对于会议通信可以采用竞争机制。可以使用一种在一个帧内含有一些竞争时隙和一些指定时隙的简单的帧结构。竞争可能涉及到希望预留的要求，发送数据的要求，或者同时对这两者的要求。已提出了各种竞争访问的方法。通常各种竞争访问方案需要额外的前端部，也可能会遇到稳定性问题，而且当许多用户因在同一时间请求访问同一时隙而出现冲突时，还可以出现对大量用户的某种功率控制问题。此外，还必须确定对冲突的探测准则和相关的虚警概率(即出现假冲突的概率)。
应该指出，许多基于竞争的随机访问方案确实做到了高载荷时和出现超载时的高度稳定性。但是，高载荷时的访问延迟可能会比某些其他方案中的大。例如在这里的一个优选实例中所公开的一种方案提供了有保证的某一最小的带宽。换言之，当一个订户单元至少能访问一个指定时隙时，MAC管理实体就会给该订户单元指定一个最小带宽。如下面将讨论的，最小带宽是一个可构形的参数。
MAC可以是一个基于ATM的系统，其中用ATM给信号来建立ATM连接，并且存在一个ATM-MAC接口，其中ATM给出的信号通知MAC管理实体关于连接、相关的通信合约、和服务参数质量等的信息。服务参数质量通常是指连接的比特率，包括恒定比特率(CBR)、或变比特率(VBR)、和未规定的比特率(UBR)。注意，即使一个连接具有未规定的比特率(UBR),MAC管理实体也知道了某一特定订户正在进行连接活动。
根据本发明，除了指定一个最小带宽之后，还使用了动态带宽分配(DBA)来提供向上带宽在各订户单元之间的有效利用。因此，DBA应该与有保证的最小带宽和不同的服务参数质量结合工作。ATM层期望MAC层能提供ATM单元从订户单元到中央控制器的向上方向上的高质量传送。此外，还期望ATM层和MAC层能交换给信号信息和用户信息。
在建立ATM连接时，ATM层向MAC层提供给信号信息，以求保留可能得到的MAC层资源。这种给信号信息例如可以是请求某种服务质量等级和通信合约中的通信参数。通信参数是在通信合约中规定的一些参数项，例如峰值单元率、可支持的单元率、最小和最大单元率、和延时变化容差等。通信合约是指为建立一个ATM连接而规定的准则。对于每个已建立的ATM连接，在其存在期间MAC层根据服务质量和通信合约中的通信参数协议保持ATM单元传送的质量。如果在MAC层上添加或删除某些ATM连接，MAC层必须不会影响其他已建立的ATM连接上的ATM单元传送质量。
下面的例子将说明，对于一个可能同时具有多个ATM连接的订户，MAC级别上的带宽是如何管理的。超初，当在HFC连系上尚没有建立任何ATM连接时，把用于ATM给信号通信的最小带宽Rmin设定为缺省值。当建立ATM连接时，根据服务等级所要求的质量和通信合约中的通信参数按如下方式增大Rmin(1)如果选择了恒定比特率(CBR)，则Rmin=Rmin+PCR，其中PCR为规定的峰值单元率；(2)如果选择了实时可变比特率(VBR)或非实时VBR，则Rmin=Rmin+SCR，其中SCR为规定的可保持单元率；(3)如果选择了未规定的比特率(UBR)，则Rmin不改变；以及(4)如果选择了可获得比特率(ABR)，则Rmin=Rmin+MCR，其中MCR为最小单元率。ABR由用户网络接口(UNI)4.0给信号支持。
当建立了连接之后，将发生动态带宽分配(DBA)处理。有利的做法是，DBA一方面能在从订户到中央控制器的向上传送路径中做到可获得带宽的优化利用，另一方面又同时能保持每个订户单元的最小带宽。此外，当ATM连接结束时，最小带宽Rmin可以相应地减小。
下面说明MAC实现DBA时所假设的TDMA结构。MAC假定各向上时隙是被组织在帧结构中的。例如，可以规定两种组帧的等级，即帧等级和超帧等级，前者是由中央控制器来管理时隙分配的级别，后者涉及到TDMA的同步。图中示出帧320有整数NF个时隙，类似地每个超帧有整数个帧。特别是，超帧的长度是主时基时钟的循环(rollover)值，其中循环值是主时基计数器返回到零时的时钟脉冲计数。换言之，主时基时钟是一个模M的计数器，其中M是以脉冲数表示的超帧长度。
本发明DBA方案的一个目的是提供一种不需要订户单元参与的系统。订户单元只需接收关于带宽(例如时隙)的指定并减小向上、向下方向上所需的MAC层前端部。订户单元不需要向中央控制器发送关于请求带宽的信号或报告订户单元缓存器的大小。这样，该DBA方案对于订户单元基本上是透明的，于是可以适用于通常的订户单元。
订户单元通过被确认、登记、指定MAC地址、归类、电源控制、指定加密参数而进行初始化。然后订户单元被指定对应于一个带宽最小量(例如Rmin)的一个或几个时隙。当订户单元的有线调制解调器或类似器件从非激活状态变为激活状态时，例如当在ATM转接器与订户单元之间建立了一个转接虚拟通路时，中央控制器可以增大指定给订户单元的向上带宽的最小量。
例如，如果已建立了恒定比特率(CBR)的服务等级质量，则最小向上带宽至少应该是对应于CBR连接的维持单元率(SCR)。即使对于建立了多个未规定比特率(UBR)连接的情况，也可以从省缺值(例如初始值)开始增大最小带宽。
中央控制器在每个控制时段的末尾调整向上传送路径中分配给订户单元的带宽。总共有j=1、2、…L个向上通道，在第j个通道中总共有Xj个用户。对于第j通道中的第i个用户，中央控制器中的一个有线数据调制解调器保持了每个用户在一个或几个控制时段中的通信计数Ci。每个用户被分配一个信息带宽Bi，该带宽可以对应于例如每帧的时隙数、以每秒比特数或字节数为单位的数据率、或者ATM网络中的单元率。在一个控制时段期间，第i用户具有指定给他的Bi个时隙。有线数据调制解调器和中央控制器中的一个有线数据调制解调器终端系统保持了关于每个用户的每帧指定时隙数Si的记录。该有线数据调制解调器终端系统还保持了关于每个通道的激活用户数的计数并跟踪每个通道的已分配带宽累计量BW(j)。
图4是根据本发明的动态带宽分配方案的流程图。有关的参数包括每帧的时隙数、每时隙的带宽、每控制时段的帧数、每通道的用户数、和使用率的高、低阈值。在图示的处理中，可以在相继的各控制时段中给每个通道中的每个用户分配(即)调整带宽。每个通道中的Xj个用户，其中i=1、2、…Xj代表第j通道中的第i用户。虽然同步并不是必要的，但代表控制时段的时间增量可以与一个通道的一些时隙、帧、和/或超帧相同步。此外，控制时段也可以调整，使得能在一个通道或多个通道上提供不同长度的控制时段。
首先在模块400中初始化通道计数器j，其中j=1,…,L代表各通道。在模块405中，通道计数器增加1。例如，j=1表明第1通道正被处理。应该指出，如果有多于1个的通道，则各个通道可以串行地处理，也可以并行地处理。图4中对每个通道和每个用户是串行处理的，但这仅是为了示例说明的目的。此外，并不是每个通道或用户都需要在每个控制时段中处理。例如，某些通道和用户可以在某个控制时段中处理，而另一些通道和用户则在另一个控制时段中处理。中央控制器首先初始化当前通道中的未分配带宽BWA(j)。BWA(j)是在各相继控制时段中所保持的变动的总量，表明在某一给定控制时段中可供分配的未分配带宽量。注意，虽然原则上可以用任何已有的数据度量方法表示带宽，但本例中将用时隙数来度量带宽。所以，这里带宽将直接对应于在一个控制时段中分配给订户的向上发送时隙(或帧、超帧等)数目。
在模块415中初始化用户计数器。在模块420中用户计数器增加1。例如第一个用户(i=1)可以首先处理。在模块425中，对第j通道上的每个第i用户计算比值K=C(i)/B(i)，其中C(i)是当前用户在一个控制时段中的通信计数，B(i)是该控制时段中指定的时隙数。也就是说，C(i)是中央控制器的MAC管理实体所确定的当前用户在该控制时段中向上发送数据所实际使用的时隙数。B(i)是MAC管理实体对该控制时段指定给用户的时隙数。注意到时隙的大小和数目对应于一个带宽，所以C(i)对应于用户所使用的带宽，而B(i)对应于分配给(即指定给)用户的带宽。
在模块430中，判断K≤T1是否成立，其中T1是一个使用率低阈，例如为0.85。如果K≤T1，则MAC管理实体将把下一个控制时段(或相继的控制时段)中指定给第i用户的带宽B(i)减小为实际使用的带宽(例如C(i))与Rmin中的较大者。也可以把Rmin选为分配的最小带宽。图4的处理称为非竞争系统，因为每个用户都被提供以一个最小带宽。不过应该指出，这并不一定意味着在每一帧或每一控制时段中每个用户都被提供以一个或几个时隙。一般，最小带宽要求应该对应于一个帧或一个控制时段中的平均数据率或单位时间的时隙数。
在模块440中，收回的带宽(例如指定带宽的减小量B(i)-C(i))被加到可获得带宽BWA(j)中。接着在模块445中判断当前用户是否是该通道中的最后一个用户(例如i=Xj)。如果不是，则流程回到模块420，用户计数器增加1，以处理该通道上的下一个用户。如果i=Xj，则流程进入模块450，判断当前通道是否是最后一个通道(例如j=L)。如果不是，则流程回到模块405，通道计数器增加1，以处理下一个通道。然而，如果j=L，则将对下一个控制时段或相继的控制时段重复从模块400开始的整个带宽指定处理。通常，每个控制时段中的带宽分配将提供向上通道中的最佳通信流量。
回到模块430，如果K＞T1，则流程进入模块460，判断K≥T2是否成立，其中T2是使用率的高阈，其值例如可以在0.90至1.0的范围内。如果不成立，则当前的指定带宽匹配于用户的要求，于是如模块490所示，指定的时隙数目不改变。注意，T1和T2都是可调整的。然后流程进至前面已讨论过的模块445。如果在模块460中判定K≥T2，则将在模块465中，把当前用户标记为有可能在相继的控制时段中增大指定带宽。这一标记可以通过把用户识别符和相应的状态存储在一个存储器中并在相继控制时段中访问该存储数据来实现。在模块475中，判断当前用户是否是该通道的最后一个用户(例如i=Xj)。如果不是，则流程返回前面已讨论过的模块420。
如果i=Xj，则在模块480中MAC管理实体计算在当前控制时段的当前通道中被标记的用户数目n。在模块485中，对这n个用户中的每个用户都把指定带宽增加BWA(j)/n，如果这个值不是整数，则取其整数部分。这就是说，可供分配的未分配带宽被平均地分配给被标记的各用户。需要指出，由于例如在TDMA时隙的情况下非整数的时隙是不能分配的，所以经过上述平均分配的步骤之后BWA(j)可能不为零。例如，假定当前控制时段的当前通道中有n=12位被标记的用户，并且当前的BWA(j)结余为40个时隙。于是在模块485中，可以给这12位用户中的每一用户再额外地指定40/12=3.33个时隙。为了避免指定非整数个时隙，取3.33的整数部分(即3.33取整=3)。于是每个被标记的用户可以额外地指定3个时隙，于是剩下的BWA(j)结余将为12×0.33=4个时隙。这4个时隙可以在被标记用户之间分配，或者也可以带到相继的控制时段去。
特别地，当BWA(j)/n对应于非整数个的时隙时，MAC管理实体能够执行第二次甚至第三次分配步骤，以在当前控制时段中尽量地把剩下的BWA(j)分配出去。例如，若第一次分配后剩余4个时隙，则可以随机地或者按预定次序，例如基于轮转的次序，在12位被标记用户中分配这些时隙。如果经过一次或几次分配之后剩下的还是非整数个未分配时隙，则可以把这些时隙带到接着的那个控制时段去。最后，流程进入模块487,BWA(j)被减少新指定给被标记用户的带宽，然后进到前面讨论过的模块450。如果给B(i)指定了分数值的时隙数，则在相继的控制时段它将在B(i)中体现出来。
此外，也可以选择根据用户(例如订户单元)的等级来分配BWA(j)。例如，对支付了额外费用的高级用户可以在接受额外带宽上给予优先权。这可以通过给每个用户设定一个可由中央控制器从一存储器提取的权重因子来实现。例如，可以给非高级用户指定权重因子“1”，而给高级用户指定权重因子“2”。这时，对于上述BWA(j)=40个时隙、用户数为12的例子，再假定其中6位为高级用户，6位为非高级用户，则每位高级用户可分配到40×2/18=4.4个时隙(例如舍去小数后为4个时隙)，而每位非高级用户分配到40×1/18=2.2个时隙(例如舍去小数后为2个时隙)。其中的分数2/18和1/18是用户权重对所有被标记用户的权重之和的比值。由于高级用户将首先得到任何可得到的未分配带宽，这种加权方案在不经常可得到未分配带宽的情况中是特别有效的。
此外，还有可能通过把指定带宽与一个存储在存储器中的顶额相比较来限制指定给一个用户的最大带宽。这个顶额还可以根据上述的用户等级来调整，使具有较高优选权的用户可被给予较大的顶额带宽。
另外，还可能存在这样一种担忧，即如果一个用户连续地使用所有指定给他的带宽，则这个DBA方案便总也不能减小该用户的指定带宽。这一情况对其他网络用户来说可能是不公平的。在此情形中，出问题的那个用户的一部分指定带宽(例如指定时隙数)可以重新被分配给那些使用了他们全部的或大部分的指定带宽的其他用户，其方式例如是一种逐渐变动的方式，其中每个这样的用户按一个预定的次序接受这些新的时隙，这预定次序例如是轮转的次序或随机的次序。或者可以给用户加上最大带宽(顶额带宽)的限制，或同时采用上述两种措施。此外，也有可能利用定时机制来给重负荷用户提供额外带宽，不过这只是在一定的时间段内有效。在又一种可选的方法中，MAC管理实体可以保持每个用户的带宽使用历史记录。然后当带宽使用程度较低的用户在请求否则可能会被限制的带宽大小时，可以给他较高的优先权。MAC管理实体还可以根据全部通道带宽使用情况的历史文档来分配带宽。例如，在网络的非高峰时间中，可以增大用户带宽的顶额。本发明带宽分配方案的其他改变对于熟悉本技术领域的人们来说是明显的。
这样，可以看到，本发明的动态带宽分配方案通过把指定带宽调节到用户的实际需要而优化了通信网络中的通道使用情况。有线电视等系统的中央控制器中的一个媒体访问控制管理实体监视着向上通道中的带宽使用情况，并相应地对每个用户调整指定带宽。该管理实体可以用硬件和/或软件实现。还可以给每个用户提供一个有保证的最小带宽。而且，该方案能适用于对用户分等级的情况，其中例如支付了额外费用的高级用户可以得到比其他用户高的优先权。
虽然本发明是结合各种所公开的实施例来说明的，但应该看到，可以在不偏离如权利要求中所规定的本发明的范畴的情况下对这些实施例作出各种调整和修改。
权利要求
1.一种在一个分层数据通信网络中分配带宽的方法，在该网络中有多个订户单元与一个中央控制器相通信，该方法包括以下步骤在各相继控制时段中保持未分配带宽的变动的总量；确定上述各订户单元中每个订户单元的通信计数；根据上述通信计数调整上述各订户单元的指定带宽；以及根据指定带宽的调整情况修改上述未分配带宽的变动的总量。
2.根据权利要求1的方法，它还包括以下步骤当上述订户单元中的某个特定订户单元的当前指定带宽比通信计数大一个可编程的量时减小该特定订户单元的指定带宽。
3.根据权利要求2的方法，其中上述减小指定带宽的步骤包括把上述特定订户单元的指定带宽调整为近似等于上述特定订户单元的通信计数的步骤。
4.根据权利要求2的方法，其中上述减小指定带宽的步骤包括把上述特定订户单元的指定带宽调整为下述两个量中的较大者的步骤，这两个量为，(a)上述特定订户单元的通信计数，(b)一个最小带宽。
5.根据权利要求2的方法，它还包括以下步骤使上述未分配带宽的变动的总量增加上述减小指定带宽的步骤中的上述指定带宽的减小量。
6.根据权利要求1的方法，它还包括以下步骤确定一个特定订户单元的通信计数对指定带宽的比值；以及当上述比值等于或小于一个使用率低阈时减小该特定订户单元的指定带宽。
7.根据权利要求1的方法，它还包括以下步骤当上述订户单元中的某一特定单元的通信计数超过一个预定量时，根据上述未分配带宽的变动的总量增大该特定单元的指定带宽。
8.根据权利要求7的方法，其中上述增大指定带宽的步骤包括以下步骤至少对一个特定订户单元作出要增加指定带宽的标记；以及至少把一部分的上述未分配带宽在一个或多个被标记的订户单元之间分配。
9.根据权利要求1的方法，它还包括以下步骤对上述各订户单元中的一个特定订户单元确定通信计数对指定带宽的比值；以及当上述比值等于或大于一个使用率高阈时增加该特定订户单元的指定带宽。
10.根据权利要求1的方法，其中上述通信计数是根据各个订户单元所使用的带宽来确定的。
11.根据权利要求1的方法，它还包括以下步骤根据一个订户单元的等级来调整上述各订户单元的上述指定带宽。
12.根据权利要求1的方法，其中带宽是在下述两种传送路径中的至少一种传送路径上分配的(a)上述订户单元与上述中央控制器之间的传送路径，和(b)上述中央控制器与另一个通信网络之间的传送路径。
13.一种用来在一个分层数据通信网络中分配带宽的设备，在该通信网络中有多个订户单元与一个中央控制器相通信，该设备包括用来在各个相继控制时隙中保持未分配带宽的变动的总量的装置；用来确定每个上述订户单元的通信计数的装置；用来根据上述通信计数调整上述订户单元的指定带宽的装置；以及用来根据指定带宽的调整情况修改上述未分配带宽的变动的总量的装置。
14.根据权利要求13的设备，它还包括用来在上述各订户单元中的某个特定订户单元的当前指定带宽比通信计数大一个可编程的量的时候，减小该特定订户单元的指定带宽的装置。
15.根据权利要求14的设备，其中上述用来减小指定带宽的装置把上述特定用户单元的指定带宽调整为近似等于上述特定用户单元的通信计数。
16.根据权利要求14的设备，其中上述用来减小指定带宽的装置把上述特定订户单元的指定带宽调整为以下两者中的较大者(a)上述特定订户单元的通信计数，和(b)一个最小带宽。
17.根据权利要求14的设备，它还包括用来把上述指定带宽的减小量加到上述未分配带宽的变动的总量上的装置。
18.根据权利要求13的设备，它还包括用来确定特定订户单元的通信计数对指定带宽的比值的装置；以及用来当上述比值等于或小于一个使用率低阈时减小该特定订户单元的指定带宽的装置。
19.根据权利要求13的设备，它还包括用来当上述各订户单元中的某一特定订户单元的通信计数超过一个预定量时，根据上述未分配带宽的变动的总量增大该特定订户单元的指定带宽的装置。
20.根据权利要求19的设备，其中上述用来增大指定带宽的装置能够对至少一个要增大指定带宽的特定订户单元作出标记；并且在一个或多个被标记的订户单元之间分配至少一部分的上述未分配带宽。
21.根据权利要求13的设备，它还包括用来确定上述各订户单元中的某一特定订户单元的通信计数对指定带宽的比值的装置；以及用来当上述比值等于或大于一个使用率高阈时增大该特定订户单元的指定带宽的装置。
22.根据权利要求13的设备，其中上述通信计数是根据各个订户单元所使用的带宽来确定的。
23.根据权利要求13的设备，它还包括用来根据订户单元的等级来调整上述订户单元的上述指定带宽的装置。
24.根据权利要求13的设备，其中带宽是在下述两种传送路径中的至少一种传送路径上进行分配的(a)上述订户单元与上述中央控制器之间的传送路径，和(b)上述中央控制器与另一个通信网络之间的传送路径。
全文摘要
在一个分层数据通信网络的例如用来运载许多订户单元(250,252,…,254)到一个中央控制器(210)的消息的向上通道中,带宽被自适应地进行分配,以使各订户单元能发送例如关于互连网访问、电视会议或声音通信的数据。在各个相继的控制时段中保持了未分配带宽的变动的总量(BWA(j))。通过测量每个订户单元所使用的带宽来确定每个订户单元的通信计数(C(i)),其中的带宽测量例如通过对在一个控制时段中所使用的时隙数进行计数而实现。然后,当订户单元的通信计数对指定带宽的比值(K)等于或小于一个低阈(T1)时,就调整订户单元的指定带宽(B(i)),并且使未分配带宽的变动的总量增加指定带宽的减小量。当一些订户单元的通信计数对指定带宽的比值(K)等于或大于一个高阈(T2)时,可以通过在这些订户单元之间分配未分配带宽而增大指定带宽。可以采用对订户单元分级的方法来给一些选定的用户授予优先权。
文档编号H04L12/56GK1218592SQ97194548
公开日1999年6月2日 申请日期1997年3月17日 优先权日1996年3月18日
发明者维克多·T·侯, 乔纳森·A·费洛斯 申请人:通用仪器公司