CN1197300C - 利用各种传输方案在多种网络上有效传递数据的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种连网系统和方法，所述连网系统组合各种子网，以便提高诸如自动请求重发(ARQ)和分层源编码系统等各种数据传输方案的吞吐量和效率。连网系统包括一种网络体系结构，它将各种子网集成到可连接不同数据装置的重叠基干网络中。通过始终使用数据传输方案中诸如ARQ反馈信道或基层信道等最重要信道可用的最可靠子网、即传输媒体来实现吞吐量和效率改善。

Description

利用各种传输方案在多种网络上有效传递数据的系统和方法

发明领域

本发明涉及一种在网络上发送数据的系统和方法；更具体地说，本发明涉及一种改善家庭/商用数据网络中各种子网上数据的传输可靠性的连网体系结构。

发明背景

随着具有多数字家用电子(CE)设备的家庭和企业的数量增加，更加需要将两个或更多PC和/或CE装置链接在一起的数据网络。在其最简单的形式中，数据通信发生在通过某种形式的传输媒体所连接的任何两个装置之间。然而，这些装置要进行点对点连接一般是不可行的。要将所有装置彼此之间直接连接，对于家庭和企业来说是既昂贵又庞大的(从所需连接的数量方面来看)。因此，多个PC和/或CE装置一般经网络进行连接。

传统的通信网络通常包括工作站、通信节点以及通信网络。工作站可以是计算机、终端、电话以及其它通信装置。各工作站均连接到相应的通信节点，这些通信节点能够经通信网络在工作站之间传送数据。通信网络可以是任何传统类型的网络，例如交换(电路或分组交换)和宽带(分组无线电、卫星、总线本地以及环状本地)网络。

通信节点采用各种通信协议，以便允许工作站之间经通信网络进行适当的通信。这些协议主要定义一组管理两个工作站之间数据交换的规则。协议的主要功能涉及到语法、语义以及定时。通信可以是直接的(点对点)或间接的(经诸如因特网的介入有效代理)。

家庭/商务网络的主要功能之一是在整个建筑物或区域分配数据。这种类型的数据连网概念允许多个用户执行各种有用任务。这类家庭/商务网络的另一功能涉及智能系统(例如家庭自动化)，它提供了对各种家庭/商务功能的控制。智能能源模块(用于控制建筑物环境)和智能安全系统正日益普及。

家庭/商务连网的传统市场主要是以PC为中心的，例如经局域网(LAN)连接的PC。采用现有的基础结构和技术，能够通过例如同轴电缆、塑料光纤(pof)、电源线、电话线、综合业务数字网(ISDN)以及无线(IR和RF)等各种方式来连接装置。同轴电缆和塑料光纤能够提供可靠的10/100Mbps以太网和100Mbps的1394b连接。诸如电话线、电源线以及无线之类的其它媒体通常提供低到中等的数据速率连接。

与上述传统家庭网络有关的一个主要缺陷在于：它们依赖于用于通信和互连的单一媒体或技术。此外，在某些情况下，在单个建筑物或住宅中可能有多个网络。这多个网络可能主要竞争同样的带宽，如射频。即使在多个网络没有争夺同样带宽的情况下，亦没有用于有效地管理和控制(如带宽的需求和分配)这类家庭/商务网络媒体的集成系统。

通过引用结合于本文中的2000年7月20日提交的美国专利申请09/630349公开了一种网络体系结构，将各种子网集成到重叠基干网络(overlaid backbone network)中，该基干网络可以连接电话线网络装置、电力线网络装置、射频(RF)无线装置以及围绕着因特网协议(IP)、通用串行总线(USB)以及P1394而群集的装置，并通过子网可靠有效地分配数据。所述申请已经发现，这种网络体系结构提供了许多优点，可用来解决传统数据传输策略和编码方案中的各种缺陷。

例如，自动请求重发(ARQ)策略已经用于通过双向无线通信链路上的重传来控制差错。这种ARQ系统可以分为三类：停止并等待、退N步以及选择性重发。然而，所有这些ARQ系统存在各种效率低下的问题。

在停止并等待ARQ中，当发射机发送数据分组时，它将停止并等待来自接收机的ACK/NACK。这种ARQ策略效率低下，因为信道在整个周期期间都是空闲的。当发射机和接收机之间的往返行程时延与消息的传输时间相比较长时，这种低效率情况就尤为严重。

在退N步ARQ系统中，当接收机检测到数据分组中存在差错时，否定确认(NACK)将被回送给发射机。发射机则停止发送新的数据分组，退回到被否定确认的数据分组，并重发该数据分组以及在往返行程时延期间发送的N-1个随后的数据分组。

在选择性重发ARQ系统中，仅重发丢失或受到破坏的数据分组，因此，在这三种系统中，这种选择性重发提供吞吐量方面的最佳性能，但对接收机的缓冲器有增加的需求。需要缓冲器来储存失序接收的那些数据分组。在误码率高以及往返行程时延长的环境中，所需这些重新排序缓冲器的数量可能相当大。

另一可能改进了的编码方案是分层源编码。虽然分层源编码是在视频传输系统中提供差错复原的最有效方案之一，但它仍然存在所用传输优先顺序方法所导致的某些传输效率低的问题。例如，在这种方案中，视频数据信息被分解为多层，每层表示视频源不同的感性上相关的成分。基层包含该源的基本信息，并可以用来产生具有可接受质量的输出视频信号。采用增强层能够获得较高质量的视频信号。

有不同的方式可实现分层编码。例如，在时间域分层编码中，基层包含具有较低帧速的比特流，而增强层则包含增量信息以获得具有较高帧速的输出。在空间域分层编码中，基层对原始视频序列的二次抽样形式进行编码，增强层则包含附加信息，用于在解码器获得较高空间分辨率。

一般来说，不同的层采用不同的数据流，对信道差错具有截然不同的容限。要解决信道差错，分层编码通常与传输优先顺序相结合，从而以较高程度的差错保护来传输基层。如果基层丢失，则包含在增强层中的数据可能是无用的。

图1说明采用分层编码和传输优先顺序的典型视频系统10。分层源编码器11对输入视频数据进行编码。多个信道12传送编码数据。分层源解码器13对编码数据进行解码。

根据网络的不同，可以实现不同的传输优先顺序。例如，在某些无线网络中采用了不等功率控制，使各层编码子流传输采用不同的发射功率电平进行发送。然而，这种传输优先顺序方法并不总是可行的或最有效的。

因此，本领域需要改进的方法和系统来改善家庭/商务网络中数据传输的效率。

发明概述

本发明提供一种网络体系结构，该网络体系结构将不同的子网集成到重叠基干网络中，该基干网络可以连接电话线网络装置、电力线网络装置、射频(RF)无线装置以及围绕着因特网协议(IP)和通用串行群集的装置，并通过子网可靠有效地分配数据。这种网络体系结构用来改善诸如ARQ和分层源编码方案等各种数据传输方案的吞吐量和效率。这些改进基于可用的最可靠传输媒体、即子网的选择，并将该子网用于特定数据传输方案中的最重要信道。

本发明的一个方面针对一种用于分配数据网络中通信信道的方法。该方法包括以下步骤：接收来自数据装置的连接请求；确定该连接请求是否将使用预定的传输方案；以及从多个子网中选择一个具有大于另外子网的预定可靠性值的子网。该方法还包括以下步骤：指配由预定传输方案使用所选子网，以便改善网络上数据分配的效率或可靠性。

本发明的一个实施例涉及指配所选子网用作分层编码方案的基层信道。

本发明的另一实施例涉及指配所选子网用作ARQ方案的反馈信道。

本发明的另一方面针对数据连网系统，其中包括至少两个控制器和至少一个连接到各控制器的数据装置。该系统还包括连接到控制器的多个子网，所述多个子网中的每一子网具有预定的可靠性值。控制器被配置为选择多个子网中具有大于所述多个子网中另外子网的预定可靠性值的一个子网，以及指配由预定传输方案使用多个子网中的所选子网，以改善数据连网系统上数据分配的效率或可靠性。

在以下详细公开中，举例说明本发明的这些及其它实施例和方面。

附图描述

通过参照以下结合附图对最佳实施例进行的详细描述，可以了解本发明的特性和优点。

图1是传统的视频传输系统；

图2是最佳网络体系结构的示意方框图；

图3是子网间路由器的方框图；

图4是流程图，说明根据最佳实施例的ARQ方法中的各步骤；以及

图5是流程图，说明根据最佳实施例的分层编码方法中的各步骤。

详细说明

图2说明用来实现本发明的最佳网络体系结构。图2中给出了家庭数据网络100。当然应当明白，本发明并不限于家庭网络。本发明还可用于诸如商务和教育机构等受益于数据连网的任何环境。

在本例示中，显示了住宅200，它包括卧室201、起居室202以及书房203。每个房间都有各自的子网间路由器101，将房间内的各种装置连接到多个子网中至少一个子网。本实施例包括电话线子网102、电力线子网103、无线子网104、同轴电缆子网105、光纤子网106以及外部网络107。每个房间还包括各种终端用户装置(如TV110、录像机111、膝上型电脑112、电话113、VCR 114、传真机115、打印机116以及个人计算机117)，这些设备可以通过各种子网发送和(或)接收数据。

或者，该位置的所有终端用户装置可以连接到单个路由器101。单个路由器101则管理终端用户装置和外部装置之间的通信，其中，外部装置位于也有权经子网间路由器对各种子网进行访问的不同建筑物中或位置上。

每个路由器101维护与多个子网可靠性有关的数据。还可以维护附加信息和数据以分配子网资源并便于连接接纳控制。

如下表1所示，每个子网均具有不同的可靠性指标或评分。根据所接受的性能准则或标准对这些子网中的每个子网进行评定。某些子网天生比其它子网的使用更为可靠。

表1：子网可靠性

子网	可靠性指标
		电话线子网	高
电力线子网	高
		无线子网	低
同轴电缆子网	极高
		光纤子网	极高

当然，本领域的技术人员将会知道，可以定义其它数据结构来储存和管理连接数据。本发明并不限于这种矩阵表。此外，不需要每个路由器101维护这种可靠性数据。路由器101之一可以储存这种信息。其它路由器101根据需要存取该信息。这种信息还可以储存在外部装置(如本地或远程PC)中。然后，路由器101再根据需要从外部装置中存取该信息。

本发明的一个实施例是以如下实现为基础的：ARQ策略的效率在很大程度上取决于反馈信道的质量。因此，在可能的情况下，最可靠的链路应当用于这个反馈信道。在本实施例中，各种子网有选择地用来为ARQ方案提供可靠的反馈链路。

在一个最佳实施例中，该方法被用来改善无线子网104上反馈信道的可靠性以及ARQ策略的效率。在可用的情况下，总是选择更为可靠的子网用作反馈信道。可以在路由连接建立阶段，通过子网间路由器来进行。例如，前向路由通过无线子网，反向(或反馈)路由则被设置为通过电话线子网或电力线子网(其中的每一个均具有如表1所定义的可靠性值)。这将改善反馈信道的可靠性，从而改善无线通信的ARQ机制的效率。

在另一个实施例中，采用了根据上述家庭网络体系结构的传输优先顺序。如下表2所示，每个子网均具有不同的可靠性指标或可靠性值。通过将不同的差错复原能力与分层源编码配合使用，提供了一种在家庭网络上进行视频传输的有效方法。

在本实施例中，传输优先顺序是采用由子网间路由器所支持的不同子网来执行的。基层是通过当时可用的最可靠子网传输的，增强层则是通过其它具有降序可靠性的子网来传输的。优先选择可用的较高可靠性子网。

表2说明了将分层编码映射到PRY模式的一个实施例。当然，应当知道，可以使用将编码层映射到子网的其它方法。例如，所述的其它方法可能取决于编码层的数量以及不同路由器的子网可用性。

表2：

编码层	子网类型	可靠性指标
			基层	同轴电缆子网	极高
增强层1	电话线子网	高
			增强层2	电话线子网	高
增强层3	电力线子网	高
			增强层4	电力线子网	高
增强层5、6、7...	无线子网	低

本实施例的一个重要功能在于传输优先顺序方法的实现，这种方法是以家庭网络中子网间路由器所提供的不同子网为基础的。通过将基层映射到最可靠子网以及将增强层映射到其它具有降序可靠性的子网，无线视频系统可以利用家庭网络所支持的分层编码和不同子网。

图3说明路由器101的内部体系结构。路由器101包括一个或多个数据连接322、一个或多个输入/输出连接324、处理器325、存储器326以及内部时钟328。数据连接322表示用于各种子网102-106的接口。如上所述，数据连接322也可以表示从子网102-106和/或外部网络107的一个或多个数据连接，其中，外部网络107的例子有诸如因特网的全球计算机通信网络、广域网、城域网、局域网、陆地广播系统、电缆网络、卫星网络、无线网络或电话网络，以及这些类型和其它类型网络的部分或组合。输入/输出连接324表示用于各种终端用户装置(如图2所示的项110到117)的接口(如硬连线、无线、红外线、视频、模拟或数字)。

数据连接322、输入/输出连接324、处理器325、存储器326以及时钟328通过通信媒体327进行通信。通信媒体327可表示例如总线、通信网络、一个或多个电路的内部连接、电路板或其它装置，以及这些和其它通信媒体的部分和组合。

应当理解，图3所示路由器101的特定配置只作为实施例。本领域的技术人员将知道，本发明可以采用其它多种系统配置来实现。图4是一个流程图，说明终端用户装置之间经各种子网的ARQ连接的选择和控制。在步骤S10中，终端用户装置请求到一个或多个其它终端用户装置的连接。然后，特定终端用户装置所连接的路由器101处理该请求。该请求包括由路由器101进行解释的命令和接口协议例程。以下是可能请求的连接类型的两个实施例：

TV 101向VCR 114或视频111请求视频数据；

膝上型电脑112请求访问电话113(如无线)或外部网络107(如获得对因特网的访问权限)。

在步骤S11中，路由器101确定是否使用ARQ连接。然后在S12中，再根据例如表1中的数据确定最可靠的子网。然后在S13中，动态指配该子网为ARQ或反馈信道。一个或多个预定子网也可以在系统设置阶段被预先指配为ARQ或反馈信道。如果某个预定子网在特定时间不可用，则还可以区分这些预定子网的优先次序以确定其使用顺序。

图5是一个流程图，说明经各种子网在终端用户装置之间采用分层编码时的传输优先顺序控制。步骤S10与以上所述相同。在步骤S14中，路由器101确定是否使用分层编码类型连接。然后在S15中，再根据例如表1中的数据确定最可靠的子网。然后在S16中，动态地指配该子网为基层。再根据降序可靠性的可用子网，为各种增强层指配子网。

或者，也可以在系统设置阶段为基层和增强层预先指配一个或多个预定子网，如上述表2所示。如果某个预定子网在特定时间不可用，则还可以区分这些预定子网的优先次序以确定其使用顺序。

如图4和5所示，如果没有采用ARQ或分层编码，则可以在S17中执行其它类型的处理。

应当知道，本发明还适用于其它数据传输方案和应用。具体地说，它适用于通过为较关键的功能指配较高可靠性信道来进行改进的任何方案。

在最佳实施例中，这些步骤通过由处理器325所执行的计算机可读代码(如软件程序)来实现。代码可以储存在存储器326或者从诸如CD-ROM或软盘的存储媒体中读取/下载。在另一些实施例中，硬件电路可以用来代替软件指令或者与软件指令相结合，以实现本发明。

尽管以上针对特定实施例对本发明进行了描述，但应当知道，并无意将本发明限于本文所公开的实施例。相反，本发明计划涵盖包括在所附权利要求的精神和范围中的各种结构和修改。

Claims (13)

1.一种用于指配数据网络(10)中通信信道(12)的方法，所述方法包括以下步骤：

接收(S10)来自数据装置的连接请求；

确定(S11，S14)所述连接请求是否采用预定传输方案，该预定传输方案利用高优先级的通信信道和至少一个较低优先级的通信信道；

选择多个子网(102-106)中最可靠的一个子网，所述选择是基于每一个所述子网的相应的预定可靠性值而作出的；以及

指配(S13，S16)所述多个子网中所达所选的一个子网用于发送高优先级的通信信道的数据，以便改善网络上数据分配的效率或可靠性。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：使用所述多个子网中的另一子网来传输至少一个较低优先级的通信信道的数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：选择所述多个子网中的所述一个子网的步骤是根据所述多个子网中每个子网的预定可靠性数据而动态进行的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：选择所述多个子网中的所述一个子网的步骤是根据预定子网优先顺序设置来进行的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预定传输方案为ARQ方案，ARQ方案的反馈信道(S13)是所述高优先级的通信信道。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预定传输方案为分层编码方案(11)，用作所述分层编码方案(11)的基层信道是所述高优先级的通信信道。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于用作所述分层编码方案(11)的增强层信道是所述较低优先级的通信信道。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述多个子网(102-106)包括下述子网中的一个或多个：电话线子网(106)、电力线子网(103)、无线子网(104)、同轴子网(105)以及光纤子网(106)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述多个子网中的所述另一子网为所述无线子网(114)。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数据装置包括计算机(117)、显示装置(110)、视频装置(111)、家用电子装置(114)或语音通信装置(113)。

11.一种数据连网系统(100)，它包括：

至少两个路由器(101)，每一个路由器包括多个数据连接(322)和多个输入/输出连接(324)；

至少一个数据装置(110)，连接到相应一个所述路由器的相应一个所述输入/输出连接(324)；

多个子网(102-166)，连接到所述路由器(101)的相应一个数据连接，所述多个子网中的每一个具有预定可靠性值，

其中，所述路由器(101)被配置为选择多个子网(102-106)中最可靠的一个子网，所述选择是基于每一个所述子网的相应的预定可靠性值而作出的，并且所述路由器(101)被配置为指配所述多个子网中所述所选的一个子网用于预定传输方案的高优先级的通信信道，以提高所述数据连网系统中数据分配的效率或可靠性，其中所述传输方案利用所述高优先级的通信信道和至少一个较低优先级的通信信道以提高所述数据连网系统中数据分配的效率或可靠性。

12.如权利要求11所述的系统(100)，其特征在于：所述多个子网中的所述所选子网被指配用作ARQ方案的反馈信道。

13.如权利要求11所述的系统(100)，其特征在于：所述多个子网中的所述所选子网被指配用作分层编码方案(11)的基层信道。

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