专利名称：在一个基于分组的数据系统中的带宽控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及在一个基于分组的数据系统中的带宽控制。
图1表示一个通常的多点对单点的基于分组的数据系统100(例如那些用于各种计算机网络以及各种通信系统的数据系统)的简要的方框图，其中一个基站102跟多个网络节点进行通信，在本文中，诸网络节点被称为诸网络接口单元(诸NIU)104。在下行方向，基站102的发射机106向诸NIU发送诸数据分组。在上行方向，诸NIU中的一个或多个向基站102的接收机108发送诸数据分组。在一个可能的实施例中，使用一种时分多址(TDMA)方案，在上行与下行两个方向上诸数据分组被交织在一起。该基站以及诸NIU都是在该数据系统中的不同的诸节点，并由该基站来控制该网络的带宽(例如，针对上行方向的传输，向各个不同的NIU分配诸时隙)。
当例如在一个远程通信应用场合中使用时，在数据系统100中的每一个NIU104，为该网络中的一个电话或其他节点提供通往该数据系统的接口，并且基站102可以是位于一个中心局里面的一部交换机，或者是与多个NIU进行通信的其他部件。在这样一种应用中，每一个NIU104都能够向基站102发送各种控制报文。各种控制报文是在各个NIU以及该基站之间进行交换的信息，这些信息使得该基站在该通信系统所分配的带宽范围内适当地监测和维持诸通信信道。使用众所周知的分时ALOHA技术，例如，在该上行方向上，可以将诸控制报文嵌入到从该NIU发往该基站的诸分组之中。当一次电话呼叫有待于送达一个特定的NIU104时，该基站102为该NIU分配一个特定的信道以便用于它的上行通信。然而，当一个特定的NIU需要开始一次电话呼叫时，它必须向该基站发送一组上行控制报文，以便为这次电话呼叫请求带宽。由于该NIU没有一条已经分配好的专门的信道，所以它可以任意地或随机地为它的带宽请求报文选择一条信道。这组上行报文可能跟在同一信道中从一个或多个其他NIU发往该基站的其他上行报文发生冲突，从而导致不能被该基站精确地处理的被损坏了的诸报文。
根据分时的ALOHA技术，当两个或多个NIU试图在同一时间内发送这样的控制报文时，为了保证成功的NIU到基站单元的诸报文通信，随即执行一种冲突/后退算法。一种通常的冲突/后退算法要求每一个正在竞争中的NIU在延迟一个随机的时间间隔之后重发它的带宽请求。不幸的是，当许多NIU试图在同一时间内发出各种控制报文时，所引起的冲突、重发、以及进一步的冲突可能有效地阻塞了几乎所有的上行报文传输。这种情况是不希望发生的，因为从理论上来说，在格外地高的呼叫容量下，可能出现这样一种过负荷状态，它使该系统向诸NIU分配带宽的能力(例如，对各种电话系统来说，就是向新的诸呼叫提供拨号音)受到限制。
本发明专注于一种后退(back-off)策略，这种策略能解决在重负荷的基于分组的数据系统中因各种报文冲突而引起的各种问题。
根据一个实施例，本发明是在一个基于分组的、包括一个基站以及多个网络接口单元(诸NIU)的系统中用以控制带宽的一种方法，该基站向诸NIU发送特定的数据，其中诸NIU被编为两个或多个小组，并且该特定数据标识那些NIU小组被授权向该基站发送各种上行报文。只有已被授权的诸NIU才能向该基站发送各种上行报文。
通过以下的详细说明，所附的权利要求书以及诸附图，将使本发明的其他方面、特征和优点变得更加鲜明，在诸附图中图1表示一种通常的基于分组的数据系统的简要的方框图；图2提供了一种图解显示，说明如何使用双比特小组字来标识四个不同的NIU小组；图3表示当在该代码字中的所有比特都被置位(置1)时，这四个NIU小组的状态；图4(A)-(B)表示对于双比特代码字的一个第1级后退；图5(A)-(D)表示对于双比特代码字的一个第2级后退；
图6提供一种图解显示，说明如何使用4比特小组字来标识1 6个不同的NIU小组；图7(A)-(D)表示对于4比特代码字的一个第1级后退；图8(A)-(D)表示对于4比特代码字的一个第2级后退；图9(A)-(B)表示对于4比特代码字的一个第3级后退；以及图10(A)-(B)表示对于4比特代码字的一个变通的第1级后退。
本发明专注于在一个基于分组的数据系统例如图1中的数据系统100中用于控制带宽的一种方案。在数据系统100中，使用一种特定的帧结构来组织数据，以便在下行方向从该基站102发往各NIU104。根据本发明，诸网络接口单元(例如，图1的诸NIU104)被编为两个或多个小组，并且该基站(例如图1中的102)将包含于下行的诸帧中的特定数据发往诸NIU，用以标识哪些NIU小组被授权向该基站发送诸上行报文。在一个实施例中，向所有诸NIU广播该特定数据。诸NIU监测在下行诸帧中的特定数据，以确定它们是否已被授权。一般来说，该数据系统可以是任何适当类型的通信网络，例如一个用于各种计算机的局域网或者一个远程通信网络。在一个远程通信网络的情况下，发往该基站的诸上行报文可以是来自诸NIU的用以建立诸电话呼叫的诸带宽请求。
在本发明的一个实施例中，由包含在两个小组字中的诸比特来标识每一个NIU小组，这两个小组字是一个水平小组字和一个垂直小组字。例如，在一个可能的实施例中，该水平和垂直小组字两者都是双比特字，它们唯一地标识4个不同的NIU小组，如在表1中所定义的那样。每一个NIU都被分配一个水平小组字和一个垂直小组字，用以标识它属于哪一个小组。一般来说，该水平和垂直小组字可以分别是任何n比特和m比特的字，而在每一个小组字中仅有一个比特置位(置1)。
图2提供了一种图解显示，说明如何用表1中的双比特小组字来标识四个不同的NIU小组。例如，若该水平小组字中的比特1被置1，并且该垂直小组字中的比特1也被置1，则该NIU属于第1小组。类似地，若该水平小组字的比特2被置1，并且该垂直小组字的比特1也被置1，则该NIU属于第2小组，对于第3小组和第4小组也依此类推。
从该基站发往诸NIU的该特定数据包括两个代码字(即，一个双比特水平代码字以及一个双比特垂直代码字)，它们跟分配于每一个NIU的该水平和垂直小组字相对应。包含于该特定数据之中的该水平和垂直代码字定义一个二维(2D)图形，它标识哪些NIU小组当前被授权向该基站发送诸上行报文。每一个NIU将其被分配的诸小组字跟诸下行代码字的内容进行比较，以确定它是否当前被授权向该基站发送诸上行报文。在一个可能的实施例(被称为#1号规则实施例)中，仅当对应于在该NIU的水平的和垂直的诸小组字中被置1的诸比特的在该水平的和垂直的二者的诸下行代码字中的诸比特都被置1时，一个NIU才能被说成是已被授权。在另一个可能的实施例(被称为#2号规则实施例)中，若对应于在该NIU的水平的和垂直的诸小组字中被置1的诸比特的在该NIU水平的和垂直的其中之一的诸下行代码字中的诸比特被置1，则一个NIU才能被说成是已被授权。在下文中，将进一步地详细叙述这些不同的诸实施例。
用诸双比特字来实施规则#1根据本发明，当在诸上行报文之间很少发生冲突(即，在同一时隙之内，两个或多个NIU稀疏地尝试发送诸上行报文)时，所有的NIU小组都可以被授权在必要时发送诸上行报文。在这种情况下，诸下行帧所包含的水平和垂直二者的诸双比特代码字中，所有的诸比特都被置1，其对应的二维图形示于图3。如所述的，每一个NIU将它被分配的诸小组字跟诸下行帧中对应的诸代码字进行比较，以确定它是否被授权去发送诸上行报文。
在一个实施例中，该基站密切注意被检测到的冲突次数的移动平均值，它提供关于上行过载的指示。随着通信量的增加，出现越来越多的报文冲突，该基站可以修改诸下行代码字，以便仅授权于诸NIU小组中的一个子集，使之能发送诸上行报文。通过循环地修改诸下行代码字的诸内容，该基站保证，至少在某些时间内，每一个NIU小组都被授权去发送诸上行报文，并且保证，在任何给定的时间内，都有粗略地相同数目的诸NIU被这样授权。
图4(A)-(B)表示用以定义两个二维图形的水平的和垂直的代码字，其中每一个图形将两个NIU小组的一个不同的集合标识为被授权发送诸上行报文。例如，在图4(A)中，第1和第3小组被授权(即，“接通”)，因为与这两个小组相关的水平的和垂直的诸比特都被置1，而第2和第4小组均未被授权(即，“断开”)，因为与这两个小组相关的水平的和垂直的诸比特没有都被置1(在这种情况下，只有该垂直的比特被置1)。通过周期性地在这两个二维图形中进行循环(即，发送在这两个图形之间交替变换的下行代码字)，该基站保证所有的NIU都得到发送诸上行报文的机会，而与此同时，通过限制被授权在任何给定的时间内发送诸上行报文的诸NIU的数目，来降低报文冲突的发生率。
若报文冲突的发生率仍然太高，则通过进一步地减少被授权发送诸上行报文的诸NIU小组的数目，该基站102可以进一步地后退。图5(A)-(D)表示用以定义4个2维图形的诸下行代码字，其中每一个图形将一个不同的单独的NIU小组标识为被授权发送诸上行报文。通过周期性地在这4个2维图形中进行循环，就能获得上行传输率的进一步的降低，从而使报文冲突过多的问题得以减轻并可能缓解。
用诸4比特字来实施#1号规则在表1和图2-5的例子中，该2维图形是由两个双比特字(即，被分配的诸小组字或诸下行代码字二者之一)来定义的(2×2)图形。在另一个实施例中，可以由具有其他大小的小组字和代码字来定义诸图形。例如，在两个4比特小组字的情况下，可能得到16个不同的小组，如图6所示。
诸小组字和诸代码字的比特数目越多，在一种后退方案中可能得到的诸等级的数目也就越大。例如，对于图6所示的16个不同的NIU小组来说，可以设计这样一种后退方案来定义下列8个不同的后退等级o第1级后退如图7(A)-(D)所示，在一种4图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的12个被授权发送诸上行报文(即，“接通”)。
o第2级后退如图8(A)-(D)所示，在一种4图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的9个处于接通状态。
o第3级后退如图9(A)-(B)所示，在一种2图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的8个处于接通状态。
o第4级后退如表Ⅱ所示，在一种8图形循环的每一个阶段中，1 6个不同的NIU小组中的6个处于接通状态。
o第5级后退如表Ⅲ所示，在一种4图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的4个处于接通状态。
o第6级后退如表Ⅳ所示，在一种16图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的3个处于接通状态。
o第7级后退如表Ⅴ所示，在一种8图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的2个处于接通状态。
o第八级后退如表Ⅵ所示，在一种1 6图形循环的每一个阶段中，16个不同的NIU小组中的1个处于接通状态。
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这8种不同的后退等级中的每一种都被这样设计，以便保证所有不同的NIU小组都在一个相等的时间量之内被授权发送诸上行报文。在一些变通的方案中，可以不要求这样的均等性。例如，可以将表示于图10(A)-(B)并表示于表Ⅶ的2图形循环用于该第1级后退，以取代示于图7(A)-(D)的4图形循环。在这一种后退等级中，在任何一段时间之内，在16个小组中仅有12个被授权，如同在图7(A)-(D)中的4图形循环的情形那样。然而，在图10(A)-(B)的2图形循环下，第1-8小组通常处于接通状态，而第9-12小组以及第13-16小组则在两种图形之间在接通与断开两种状态之间交替变换。如所述的即使对于相同的时间量来说，并非所有的NIU小组都处于接通状态，但仍能实现所希望的传输率的降低。
可以这样来选择在诸后退等级中的诸图形的序列，使得任何一个NIU未被授权发送诸上行报文的最大时间长度最小化。例如，当在针对一种特定的后退等级的循环的一种图形中，一个特定的NIU小组处于断开状态时，如果可能的话，则该循环中的下一个图形可以设计成这样，使得那个特定的NIU小组处于接通状态。在处于本发明范围内的一些变通方案中，则不要求这样做。
用诸4比特字实施#2号规则在以上的实施方案中，若对应于被分配到该NIU小组的诸小组字中的诸比特的在该两个下行代码字中的诸比特都被置1(#1号规则的实施方案)，则一个NIU被授权去发送诸上行报文。如图7-9和表Ⅱ-Ⅵ所示，#1号规则的实施方案提供了一种针对4比特代码字的后退方案，其中该8个后退等级包括(总数为16个小组中的)12,9,8,6,4,3,2和1个NIU小组，它们在相应的后退等级的每一个阶段上都分别处于接通状态。
在一个变通的实施方案(即，#2号规则实施方案)中，若对应于被分配到该NIU的诸小组字中的诸比特的在该两个下行代码字的其中一个的诸比特被置1，则一个NIU才能被说成是已被授权去发送诸上行报文。这个变通的实施方案提供了一种后退方案，其中该8个后退等级包括(总数为16个小组中的)15,14,13,12,10,8,7，和4个NIU小组，它们在相应的后退等级的每一个阶段上都分别处于接通状态。
一般来说，当希望得到对介于诸初始的后退等级之间的上行传输率的降低的更为精细的控制，而不是如同在#1号规则实施方案的情况下介于诸最终的后退等级之间时，可以用#2号规则实施方案来代替#1号规则实施方案。在另一个变通的实施例中，可以采用一种混合的实施规则，其中，由该基站向诸NIU发送在被包含于诸下行帧之中的特定数据中的一个附加的比特，用以指明在#1号规则实施方案以及#2号实施方案中，被采用的是哪一个。在这样一种混合的实施方案中，对于诸4比特代码字来说，可以设计这样一种后退方案，使之具有包括15,14,13,12,10,9,8,7,6,4,3,2和1个NIU小组在内的13个后退等级，它们在相应的后退等级的每一个阶段上，分别处于接通状态。这种混合的实施方案对诸后退等级的全部范围提供了最佳的传输率控制，所付出的代价是在诸下行帧中一个附加的比特。
一般来说，可以结合各种常规的后退策略，例如那些典型地被应用于分时的ALOHA技术的后退策略，来实施本发明的各种形式。当真的出现个别的冲突时，因为这将是不可避免的，可以用常规方法来对付它们。本发明以一种降低冲突次数、而不严重地妨碍介于该基站以及任何一个和所有的NIU的通信的方法，提供了一种用以对大量的这种冲突作出反应的方案。
虽然已经在基于水平的和垂直的诸小组字和诸代码字的2维图形的情况下对本发明进行了叙述，但是，一般来说，也可以使用基于一个单独的小组字和一个单独的代码字的诸1维图形来实施本发明，还可以使用基于3个或多个小组字和代码字的多维图形(例如，3维以上)来实施本发明。
若在该系统中有1个或多个NIU总是需要被授权以便发送诸上行报文，则可以向这些特殊的NIU分配全部比特都被置1的诸小组字。
在启动时，每一个NIU从不同的诸小组中随机地选择其中一个。当一个NI U被添加到该网络时，该基站将该NIU分配到一个小组中去。
如上所述，当报文冲突的发生率变得太大时，可以采用本发明的各种后退方案。本发明的各种后退方案也可以应用于其他情形，例如当该基站太忙，以致于无法处理更多的上行报文时，就在它成为一个报文链路容量问题之前，在源头处对上行通信量进行控制。
在某些远程通信系统中，示于图1的诸NIU104对应于一个单独的信道小组，并且，在图1的信道小组之外，基站102与诸NIU的一个或更多的附加信道组通信。在这样一个系统中，为了控制带宽的目的，可以用一个针对每一个信道小组的独特的下行代码字的对子，独立地对每一个NIU的信道小组进行处理。
还应当这样来理解，在不背离下列权利要求书所表达的本发明的原理和范围的前提下，专业人士可以对为了说明本发明的特性而叙述和图解的各种细节、器材以及零件的排列作出各种更改。
权利要求
1．一种在一个含有一个基站以及多个网络接口单元(诸NIU)的基于分组的数据系统中控制带宽的方法，包括下列诸步骤(a)从该基站向诸NIU发送特定数据，其中诸NIU被编为两个或多个小组，并且该特定数据标识哪些NIU小组被授权向该基站发送诸上行报文；以及(b)仅从已被授权的诸NIU向该基站发送诸上行报文。
2．如权利要求1所述的发明，其中该特定数据对不同的诸NIU小组进行授权，以便在不同的时间内发送诸上行报文。
3．如权利要求2所述的发明，其中该特定数据循环地对不同的诸NIU小组进行授权，以便发送诸上行报文。
4．如权利要求1所述的发明，其中每一个NIU都被分配一个或多个小组字，用以标识它所在的小组；以及该特定数据含有授权信息，用以标识哪些NIU小组已被授权向该基站发送诸上行报文。
5．如权利要求4所述的发明，其中该授权信息被包含于与一个2维(2D)图形相对应的一个水平代码字和一个垂直代码字之中；被分配到一个NIU的一个或多个小组字的每一个集合都包括一个水平小组字和一个垂直小组字；以及每一对水平和垂直小组字都对应于在该2D图形中的一个单独的位置，因此，在该2D图形中，若对应于一个特定的小组的位置被置1，则被分配到该特定小组的诸NIU均被授权向该基站发送诸上行报文。
6．如权利要求5所述的发明。其中该特定数据含有不同的水平和垂直代码字，用以在不同时间定义不同的2D图形。
7．如权利要求6所述的发明，其中该特定数据循环地重复一系列的不同的2D图形。
8．如权利要求4所述的发明，其中该授权信息被包含于与一个多维图形相对应的两个或多个代码字之中；以及被分配到每一个NIU的诸小组字的每一个集合都对应于在该多维图形中的一个单独的位置，使得在该多维图形中，若对应于一个特定小组的位置被置1，则被分配到该特定小组的诸NIU均被授权向该基站发送诸上行报文。
9．如权利要求1所述的发明，其中该数据系统是一个远程通信系统，并且每一组上行报文都是来自一个NIU的为了建立一次电话呼叫的带宽请求。
10．一个用于一个基于分组的数据系统的基站还包括多个网络接口单元(诸NIU)，其中该基站被这样配置，使之向诸NIU发送特定数据，其中诸NIU被编为两个或多个小组，并且该特定数据标识哪些NIU小组已被授权向该基站发送诸上行报文；以及只有已被授权的诸NIU被这样配置，使之能向该基站发送诸上行报文。
11．如权利要求10所述的发明，其中该特定数据在不同时间向不同的诸NIU小组进行授权，以便发送诸上行报文。
12．如权利要求11所述的发明，其中该特定数据循环地向不同的诸NIU小组进行授权，以便发送诸上行报文。
13．如权利要求10所述的发明，其中每一个NIU都被分配一个或多个小组字，用以标识它所在的小组；以及该特定数据含有授权信息，用以标识哪些NIU小组已被授权向该基站发送诸上行报文。
14．如权利要求13所述的发明，其中该授权信息被包含于与一个2维(2D)图形相对应的一个水平代码字和一个垂直代码字之中；被分配到一个NIU的一个或多个小组字的每一个集合都包括一个水平小组字和一个垂直小组字；以及每一对水平和垂直小组字都对应于在该2D图形中的一个单独的位置，因此，在该2D图形中，若对应于一个特定的小组的位置被置1，则被分配到该特定小组的诸NIU均被授权向该基站发送诸上行报文。
15．如权利要求14所述的发明，其中该特定数据含有不同的水平和垂直代码字，用以在不同时间定义不同的2D图形。
16．如权利要求15所述的发明，其中该特定数据循环地重复一系列的不同的2D图形。
17．如权利要求13所述的发明，其中该授权信息被包含于与一个多维图形相对应的两个或多个代码字之中；以及被分配到每一个NIU的诸小组字的每一个集合都对应于在该多维图形中的一个单独的位置，使得在该多维图形中，若对应于一个特定小组的位置被置1，则被分配到该特定小组的诸NIU均被授权向该基站发送诸上行报文。
18．如权利要求10所述的发明，其中该数据系统是一个远程通信系统，并且每一组上行报文都是来自一个NIU的为了建立一次电话呼叫的带宽请求。
19．一个用于一个基于分组的数据系统的网络接口单元(NIU)，还包括基站以及一个或多个附加的NIU，其中该基站被这样配置，使之向诸NIU发送特定数据，其中诸NIU被编为两个或多个小组，并且该特定数据标识哪些NIU小组已被授权向该基站发送诸上行报文；以及只有已被授权的诸NIU被这样配置，使之能向该基站发送诸上行报文。
20．如权利要求19所述的发明，其中该特定数据在不同时间向不同的诸NIU小组进行授权，以便发送诸上行报文。
21．如权利要求20所述的发明，其中该特定数据循环地向不同的诸NIU小组进行授权，以便发送诸上行报文。
22．如权利要求19所述的发明，其中每一个NIU都被分配一个或多个小组字，用以标识它所在的小组；以及该特定数据含有授权信息，用以标识哪些NIU小组被授权向该基站发送诸上行报文。
23．如权利要求22所述的发明，其中该授权信息被包含于与一个2维(2D)图形相对应的一个水平代码字和一个垂直代码字之中；被分配到一个NIU的一个或多个小组字的每一个集合都包括一个水平小组字和一个垂直小组字；以及每一对水平和垂直小组字都对应于在该2D图形中的一个单独的位置，使得在该2D图形中，若对应于一个特定的小组的位置被置1，则被分配到该特定小组的诸NIU均被授权向该基站发送诸上行报文。
24．如权利要求23所述的发明。其中该特定数据含有不同的水平和垂直代码字，用以在不同时间定义不同的2D图形。
25．如权利要求24所述的发明，其中该特定数据循环地重复一系列的不同的2D图形。
26．如权利要求22所述的发明，其中该授权信息被包含于与一个多维图形相对应的两个或多个代码字之中；以及被分配到每一个NIU的诸小组字的每一个集合都对应于在该多维图形中的一个单独的位置，使得在该多维图形中，若对应于一个特定小组的位置被置1，则被分配到该特定小组的诸NIU均被授权向该基站发送诸上行报文。
27．如权利要求19所述的发明，其中该数据系统是一个远程通信系统，并且每一组上行报文都是来自一个NIU的为了建立一次电话呼叫的带宽请求。
全文摘要
一个数据系统，含有一个基站以及多个被称为网络接口单元(诸NIU)的节点。每一个NIU都被分配到一个或多个NIU小组之中。该基站向诸NIU发送特定数据，用以指明哪些NIU小组当前已被授权向该基站发送诸上行报文，只有已被授权的诸NIU才被允许发送诸上行报文。当在该上行方向的报文冲突成为一个问题时，为试图降低报文冲突的发生率，该基站可减少那些在任何给定时间内被授权发送诸上行报文的NIU小组的数目。
文档编号H04L12/56GK1238626SQ99102598
公开日1999年12月15日 申请日期1999年3月3日 优先权日1998年3月3日
发明者彼特·A·德泊西, 乔·J·李, 斯托特·沃敏克 申请人:朗迅科技公司