CN1151094A - 能够在宽频带通信网络上以同步传送模式和分组模式访问多种业务的方法和设备 - Google Patents

能够在宽频带通信网络上以同步传送模式和分组模式访问多种业务的方法和设备 Download PDF

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Abstract

通过多址联接宽频带光纤/同轴电缆网络传输STM业务，例如话音和电视电话(VT)，以及分组模式(例如ATM)业务，即广播数字视频、交互电视，和数据。在站内的用户室内设备(CPE)，和可以位于一个与所有站通信的总端站或中心局的带宽控制器一起工作以适应业务量混合的变化要求，并有效地向各种猝发和等时业务源分配带宽。带宽分配定义两种时隙类型，STM和ATM，并将每个帧分成两个对应STM和ATM区域。

Description

宽带网络上同步传送和分组模式 访问多业务的方法和设备
本发明一般地讲涉及经双向高带宽(例如，光纤和同轴电缆)通信媒介进行数字通信，特别是允许通过树型和分局通信网络连到公共总端站(head end)的争用站使用上游和下游信道向总端站传输和从总端站接收各种类型的信息，例如可以是同步、异步或离散的话音、电视电话、数据或控制信息的接入规约和方案。本发明还涉及与光纤/同轴网络类似的无线网络，在这类网络中，移动站通常不是直接互相倾听，而是依赖于基站的反馈。
近来，大量活动指向了增加例如电缆电视和电话公司使用的光纤同轴电缆网络的基础结构。这一推动是两方面的：增加网络的下游容量支持新业务，并为新的交互服务提供足够的上游容量，包括电话和数据网络。这里“上游”是指从一个站向一个总端站(或中心局)传输，“下游”是指从一个总端站向站传输。
许多目前提供上游能力的方案是采用已知的向已经请求信令方式的站分配带宽，以指示它们所希望传送到的总端站的时分多址(TDMA)方法。然而，现存的TDMA方案在使用可利用带宽方面不能提供所需灵活性。另外，TDMA为整个呼叫期间分配峰值带宽，因此不能利用业务量的统计特性。
现有的分组数据解决方案也不能很好地扩充到宽频带电缆环境。例如，如电气和电子工程师学会在美国国家标准ANSI/IEEE标准802，3-1985发表的“带有冲突检测的载波检测多址访问(CSMA/CD)的访问方法和物理层规范”一文中所描述，在传输前安排载波检测多址访问/冲突检测(CSMA/CD)以便由站倾听信道一个周期以确定其IDLE(闲置)。由于涉及到距离问题，这种方案在电缆环境中效率很低。电缆网络中传播延迟，和信道对应的空载时间比标准CSMA/CD环境的局域网大得多。
作为另一个例子，是Roberts在1975年四月的计算机通信世界上发表的题为“带有或不带有时隙和捕捉的ALOHA分组系统”一文中描述的时隙Aloha方法规定了一种时间被分成一串精确的时隙周期的系统。任何具有数据的站可在任何时间进行传输。出现冲突时，这些站根据某些随机算法进行补偿和重发。该方法已经增加了预约方案，即一旦一个站获得一个时间段，可通过设定标题字段保持连续的时隙，该站也可以通过改变该字段发出其传输已经完成的信号。例如，见Lam，S.S在1980年7月7日的IEEE计算机论文集第C-29卷，第7号，第596-603页发表的“分组广播网络-A的R-ALORA规约的性能分析”一文。同样，所考虑的问题是同轴电缆/光纤基础机构，很难允许站之间直接互相倾听。并且，电缆网络独特的树型和分局结构需要使用一种新方法。
同样重要的是适用于同步传输模式(STM)和异步传输模式(ATM)这两种应用的能力的接入规约。很多新的应用很可能是用ATM技术从家庭或办公室传送的，例如高速数据和MPEG-2视频。与此同时，由于延迟、误差敏感性等原因，象话音和电视电话这类应用很可能继续使用STM传送。
IEEE802.6发表的“分配排队双总线接入方法和物理层规范”一文描述了一种被称为DQDB的技术，该技术用于跨接都市区域的网络。但是，DQDB采用双总线机构并需要很好地确定相邻站之间的上游-下游关系。虽然能够设计出满足树型和分局结构要求的系统，但该方案会非常复杂并且成本很高。
最近，由C.Wu和G.Gampbell在1994年7月13-14日的旧金山第一届国际公用网络讨论会会刊的第191-198页发表的题为“扩充DQRAP：起分配转换作用的电缆电视规约”一文中提出了一种被称为扩充分配排队随机接入规约(XDQRAP)的改进DQDB。该提议的缺点之一是不能同时支持STM和ATM这两种技术。在其表现形式中不适应STM连接所需的长度变化的短脉冲群。另外，由于多重请求与每个数据时隙有关的微小时隙的需求，造成物理层整理操作(即防护频带和前言)非常高。
由Edmon、Li和Sriram(Li和Sriram也是本发明的共同发明人)在1994年6月25日提交的题为“能够在宽频带通信网络多址联接的方法和设备”的专利申请中提出了一种支持某些ATM应用的接入方案，该专利申请与本申请转让给了同一受让人。然而，该发明未考虑STM业务量的出现，也没规定包括各种各样STM和ATM应用的动态带宽分配。
因此，非常需要一种宽频带树型和分局网络的接入规约，该规约应适应改变STM和ATM应用混合的需求，并有效地向各种各样的猝发(bursty)和等时业务源分配带宽。
根据本发明，提供在宽频带光纤/同轴电缆网络的多址联接的范围内支持STM应用，例如话音和电视电话(VT)，以及分组模式(例如ATM)应用，例如广播数字视频、交互电视、和数据的系统和技术。另外，本发明适应改变STM和分组模式应用(例如ATM)混合的需求，并有效地向各种各样的猝发和等时业务源分配带宽。由于近来趋向于支持使用ATM规约的分组模式应用，因此下文一般将参考ATM描述。但是，应该理解，本发明也可用于其它分组模式。如果宽带网络和终端发展成支持所有服务的完全端对端ATM，本发明将支持所有ATM格式的话音、VT、和其它服务。
在同轴电缆或光纤树型和分局通信网络的情况下，本发明可在站内的用户室内设备(CPE)和一个可以位于与所有站通信的总端站中的公共控制器中实现。每一个站和公共控制器或总端站中设置的媒介访问控制(MAC)处理器将给出的数字比特流信道的时域分成一串连续帧，每帧有多个时隙。时隙分为两种类型，STM和ATM。根据本发明，将帧分成两个区；区和区之间的边界可以动态变化。在STM区，可以将长度可变的时隙分配给要求不同数量带宽的呼叫，例如话音和电视电话。该区中还设置一个争用访问信令信道，用于STM呼叫控制和建立请求。在ATM区，时隙长度固定，每个时隙能容纳一个ATM单元。另外，长度固定的ATM时隙可以专供一个特定的用户在呼叫期间使用，或通过一个争用过程共享。至少有一个争用ATM时隙总是供与ATM呼叫控制和建立请求有关的信令消息使用。
下游时间帧按与上游方向所使用的相同方式构成，但包括一个附加MAP字段。该字段用于与站通信，ATM时隙分配在上游信道中。并且向站指明下一个上游帧中哪个时隙开放或适合于争用，哪个时隙供选定站专用。由于上和下通信信道的单向性构造，各个站不直接相互通信，但能接收指示每个上游时隙状态的下游广播消息(即STM消息和ATM MAP消息)。这些状态消息在公共控制器或总端站中产生，并在一个广播下游信道中发送以便所有站能接收它们。
对于考虑STM业务量的系统，总是将上游帧STM区中一个固定长度的时隙作为共享(即争用基)STM信令信道。同样，总是在ATM区中设置至少一个时隙，该时隙中ATM应用能传送与信令消息相关的呼叫建立。当STM/ATM呼叫到达一个站时，一个信令消息从该站送到总端站以请求呼叫建立和带宽分配。本发明的一个实施例中，最靠近帧的始端分配STM时隙，并且最靠近帧的尾端分配ATM时隙。这种安排将未分配的带宽留在该帧的中部，即STM和ATM区之间。
当一个STM呼叫终止时，STM区中暂时产生一个“无信号区”。“无信号区”表示目前未分配的被释放带宽。这是通过“重组合”考虑到的，“重组合”是指对现有STM呼叫进行时隙重分配，以使所有用于STM呼叫的时隙互相相邻排列并靠近该帧始端。在一个实施中，重组合是在一个STM呼叫终止后立即完成的，释放带宽被用来产生附加ATM时隙。在另一个实施例中，释放带宽被加到帧的未分配区，并在出现新呼叫到达时使用。在再一个实施例中，重组合被推迟直到确定由数个“无信号区”生成的释放带宽足够接纳一个新呼叫，但这些无信号区不互相连接。随着控制器中的重组合操作，每一个装置中，通过在STM信令和下一个下游帧中传送消息将新的STM和/或ATM时隙分配通知所有站。
在一上游帧的ATM部分，使用一个争用/预定过程。通过在一帧结构中交错该ATM时隙使带分局和树型网络布局的多址网络中的通过量和延迟性能被明显改善，从而克服传播延迟约束，以及由总端站以足够满足站规定的延迟要求的速率向站分配时隙的预定过程。下文将详细描述如何向不同类型的ATM呼叫分配时隙。
ATM呼叫可以分为几种：(a)恒定比特率(ATM/CBR)，(b)延迟敏感可变比特率(ATM/VBR)，(c)延迟容许(ATM/VBR)，和(d)ATM/争用。例如ATM形式的话音或电视电话应用可以被归入ATM/CBR；延迟敏感(ATM/VBR)的例子包括交互数据应用；延迟容许(ATM/VBR)的例子包括文件传送；ATM/争用的例子包括VOD和视频游戏上游消息。
当ATM呼叫到达一个站时，该站使用可用于争用的上游ATM时隙向总端站发送一个信令以确定呼叫种类。该总端站对各种呼叫用不同过程处理。
根据ATM/CBR呼叫的带宽需求由总端站向它们分配ATM时隙。总端站根据考虑到现有ATM/VBR业务量和新呼叫请求的统计特性的统计加权递增频带(SWIB)确定向延迟敏感ATM/VBR分配ATM时隙。相对于延迟容许ATM/VBR，该总端站能从站接收与短脉冲串长度和延迟容许有关的信息。然后该总端站以满足这些要求的速率分配ATM时隙。例如，一个站可能不会在每帧被分配一个时隙，而是每隔n帧可以允许其传输“m”个ATM单元(m和“n”是整数)。
用于争用的ATM时隙中，采用与上面引述的Edmon，Li和Sriram的专利申请中相同的方式处理ATM/争用呼叫。因此可以从公共控制器或总端站在广播下游信道中传送确认或状态消息，并指出具体的时隙状态，该时隙状态可以是例如(a)IDLE，(b)BUSY/CONTINUATION，表示站需要继续使用一个时隙，(c)BUSY/FINAL，表示一个时隙的连续使用已经结束，或(d)COLLSION，表示出现了相对于该时隙的冲突。该站响应状态消息确定何时从ATM/争用型呼叫中发送下一个ATM单元。
本发明带宽分配方法的一个附加特性是ATM业务量被分配了满足服务质量(QOS)要求的最小确保带宽，例如，可以是最大数量与被允许的单元延迟或丢失比率相适合的带宽。另外，如果信道上的备用带宽可使用，可以将附加“额外”带宽分配给尽可能多的ATM呼叫，以提供比规定QOS更好的QOS。换句话说，假定某些ATM业务量猝发，除允许该业务量使用其确保带宽外，还可使用任何备用带宽。然而，本发明的方法允许将分配给ATM争用的“额外”带宽从ATM争用中消除，并被用来代替接受新的STM和ATM呼叫。消除“额外”ATM带宽使新呼叫有可能被接纳，但不会将正在进行的ATM呼叫的QOS降低到所要求的QOS以下。QOS的一个例子是由可改变比特率(VBR)的ATM呼叫，例如文件传送，规定的延迟要求。如果“额外”带宽分配给该呼叫，文件传送可能比规定期限完成的快，如果在进行中将该“额外”带宽再分配给另一个呼叫，文件传送仍会在规定期限内完成。
至此为止，我们所描述的带宽分配和管理仅集中在上游业务量。总端站根据每个呼叫所需的带宽分配下游STM和ATM时隙。上游和下游业务量的特性有许多相似之处。因此，本发明规定的一些方法可适用于处理上游和下游业务量。然而，由于上游方向中存在某些争用访问业务量部分，而下游带宽仅由TDMA和统计分组多路复用的组合共享，因此这些方法中存在着某些差异。
应该指出，在话音和电视电话业务量以ATM形式在每个站和总端站之间传送的应用中，电缆分布网络中传送的所有业务量可以是ATM业务量。这种情况下，不存在STM时隙，尽管如此，本发明在处理各种ATM业务量中使用最佳。
本发明主要是在以光纤/同轴电缆为传输基础结构的范围内进行描述。可以理解，本发明还可用于无线通信环境。后一种情况下，用名词“移动站”、“基站”和“无线媒介”代替名词“站”、“总端站”和“光纤/同轴电缆”。
图1示出可使用本发明的宽频带网络的总体布局，其中多个站通过树型和分局传输网络与被称为总端站的公共控制器互连；
图2示出可被用于图1所示的互连站和总端站的传输媒介中的上游/下游频谱分配的例子；
图3示出图1的站中的各种通信设备被连到传输网络的布局，以及根据本发明的媒介访问控制(MAC)处理器的配置；
图4示出与图3所示MAC处理器相同的MAC处理器的布局，该MAC处理器设置在图1的总端站中，并在有关的服务平台和站之间控制通信信号；
图5示出被包括在一个ATM时隙中的上游消息中的数据字段的排列；
图6示出被包括在一个ATM时隙中的下游消息中的数据字段的排列；
图7示出上游时间帧中不同业务量类型的典型排列；
图8和9分别更详细地示出上游和下游时间帧的典型排列，特别是示出标题和其它帧信令消息部分；
图10详细示出图9所示MAP字段；
图11从概念上示出位于总端站中的带宽控制器为进行带宽分配和管理而保持的信息；
图12和图7相同，示出每个时间帧中各个区域的标志并指出对这些区域的特定约束；
图13是总端站中如何处理STM呼叫到达的程序图；
图14是如何识别和预处理不同种类ATM呼叫的程序图；该图应与图15至21结合阅读；
图15是如何进行ATM/CBR或ATM/VBR呼叫带宽分配的程序图；
图16是如何重分配ATM额外带宽的程序图；
图17是如何确定延迟敏感ATM/VBR呼叫带宽的程序图；
图18是用于延迟敏感ATM/VBR呼叫的统计加权递增带宽(SWIB)概念的程序图；
图19是一串在其中做出带宽分配决定的时间帧中各个字段或区域标志的程序图；
图20是如何在图19所示多帧周期的带宽分配循环上进行ATM/CBR或ATM/VBR呼叫的带宽分配的程序图；
图21是总端站中如何处理ATM/争用呼叫的程序图；
图22是考虑当前分配给ATM/争用业务量的带宽如何做出决定的程序图；
图23是当呼叫终止时总端站中接下来进行的处理的示意图；应结合图24阅读该图；
图24是当一个ATM/争用呼叫被终止时总端站中接下来进行的处理的示意图；和
图25是当终端或设备变为有效时站中接下来进行的处理的示意图。
图1示出可以使用本发明的宽频带网络类型。树型和分局传输网络将多个站107-1至107-8连到一个公共总端站109。该传输网络包括一条带有多个分接头104-1至104-4的主同轴电缆102，每个分接头供给对应的馈电电缆103-1至103-4使用。每条馈电电缆通过分接头114和一个引入线(drop)(例如引入线105)依次供一个或多个站107使用。图1的网络中，每个服务区包括一个允许主同轴电缆102和光纤108之间转换的单个光纤节点101。然而，应该指出，在某些实施情况下，整个网络可以由同轴电缆构成，其它实施情况下，可以在网络中采用多于一个这种光纤节点，这取决于哪部分网络是光纤和哪部分网络是同轴电缆。
通过图1所示的树型和分局布局中经常是定向的分接头104，各个站不能直接相互通信或“听”，因此不能有效地使用常规接入规约。更确切地说，每个站在上游方向与位于总端站或中心局109中的公共控制器通信，而总端站能在下游方向(在同轴102和光纤108)向所有站广播或用已知的寻址技术有选择地向某个站传送。在接下来的描述中，随着理解公共控制器位于总端站中，名词“公共控制器”或“总端站”可以互换。另外，可以指出，本发明包括可以用中心局代替总端站的一些实施情况。还假定图1的布局中包括防止所有站收听所有其它站的单向上游和下游放大器(未示出)。图1所示类型的典型网络从最远的站到总端站109的距离范围可以是100英里。
图1所示的同轴光纤网络中预期的业务量大致分为模拟业务量、同步传递模式(STM)业务量、和异步传递模式(ATM)业务量。模拟业务量的例子包括常规模拟CATV。STM业务量应用的例子包括要求不同长度短脉冲串和通常使用时分多址(TDMA)技术多路复用的话音、窄带ISDN、和电视电话。ATM业务量可以进一步分成(a)恒定比特率(ATM/CBR)，(b)延迟敏感可变比特率(ATM/VBR)，(c)延迟容许ATM/VBR，和(d)ATM/争用。ATM形式的话音或电视电话应用可以被归入ATM/CBR；延迟敏感ATM/VBR的例子包括交互数据应用；延迟容许ATM/VBR的例子包括文件传送；ATM/争用的例子包括上游信令和用于VOD的VCR遥控消息和用于视频游戏的按键按动消息。ATM/争用业务量的性质基本上是离散的，由一个或多个分组或单元的临时脉冲串组成。
应注意，有时象由文件传送产生的延迟不敏感业务量也可以使用ATM/CBR连接。还应注意，可以将VBR视频作为ATM/VBR业务量通过网络传送，但在视频监视器显示之前要在接收站对其进行再同步。由于有效/无效周期中的变化和有效周期中可能的可变比特率造成异步或VBR业务量猝发。离散业务量也是猝发的，但其特征在于由一个或几个分组短脉冲串跟随的相对长的无效周期。
如图1所示，总端站109覆盖区域外的呼叫请求服务由总端站109传送到各个服务提供者。这些提供者包括公共交换电话网(PSTN)111、ATM网络112、以及其它类似设备、例如其它广域网。位于总端站109的CATV天线110用于接收电缆TV节目，该节目可以通过光纤/同轴电缆传输媒介的下游模拟广播信道201传输到站107。
图2示出将站107互连到总端站109的传输网络中可以使用的上游/下游频谱分配。假设在网络的所有部分中至少有750MHz的总带宽可以使用，从50MHz到450MHz的400MHz带宽201可以用于传送常规下游模拟信息，例如常规电缆TV节目。可以将5和45MHz之间的40MHz频带分成多个上游数字信道202-1至202-n，每个信道的带宽可以是1MHz至6MHz宽，当使用适当的调制方案时能传送1.6Mb/s至10Mb/s数字带宽。这些上游数字信道中的每一个可以用于在上游方向传送控制、信令、话音、电视电话和其它消息。一个较大数量的下游数字信道203-1至203-m，该数量通常是50，可以被包括在450MHz至750MHz之间的300MHz带宽内。这些信道可以用于话音、电视电话、按所要求附费的电视节目(VOD)、和其它交互(ITV)服务的下游部分。通过适当的调制方案，由于下游信道中的低噪声(与上游信道相比)使得下游信道203-1至203-n中每一个传送量能够高达28(或甚至40)Mb/s。上游信道202由站107使用多址方法(例如本发明描述的)共享。因为所有站107能接收这些信道中传输的消息，故此下游信道201和203是“广播”信道。应该指出，本发明能在包括图2所讨论的内容和其它任何频谱分配和比特率的情况下操作。
在说明站107(图3)和总端站109(图4)的具体配置，以及站和总端站之间交换的上游和下游消息(图5-10)中的具体分量之前，将介绍性地给出与本发明有关的这些元件的操作的总体概念。根据本发明的原理，配置在图3中的站107中的MAC处理器330中的带宽控制器335，和图4中的总端站109中的MAC处理器430中的类似带宽控制器435实现关于在互连树型和分局网络中信息传输的规约，因此只要时隙是(a)被分配给该站、或(b)一个争用时隙，就能使站107向一个上游信道中的特定时隙中插入信息。当一个站出现STM呼叫到达时，该站经争用过程最初访问该STM信令时隙(见图7)。然后，总端站为该站在上游和下游帧中分配STM时隙(见图8和9)。当一个站出现ATM呼叫到达时，该站使用争用ATM时隙传送其呼叫建立消息(见图7)。对于一个ATM/CBR或ATM/VBR呼叫，总端站根据该站的带宽请求为其分配一些确保并且可能还有一些“额定”ATM时隙(见图12)。确保和额外ATM时隙“预定”给ATM呼叫，直到呼叫结束或总端站介入进行某些重分配。当一个站被认为有“预定”时隙时，从一个带宽分配循环中相同数量的时隙被周期地分配的意义上来说，使用名词“被预定”并不严格，然而，这并不一定是指在每个循环中的固定位置分配规定的时隙。一个带宽分配循环是指在其间周期地产生带宽分配的一个帧或多个连续帧。由于链路上某些未分配或闲置带宽的使用价值，“额外”ATM时隙是指暂时分配给一个ATM/VBR呼叫的额外带宽。无论何时一个新STM或ATM呼叫建立请求一些确保带宽时，则从当前具有额外带宽的呼叫消除一些或所有额外带宽。
经过呼叫受理过程之后，该ATM/争用业务量不逐一地得到任何确保带宽分配。而是，该呼叫使用被总端站指定为“争用”的ATM时隙传送其消息(见图7)。该争用过程使用的方法以前面引述的Edmon，Li和Sriram的专利申请中的描述为基础(包括本发明下文描述的一些改变)。包括预定和ATM时隙争用状态的下游STM消息和ATM MAP分别在下游帧的STM信令字段902和ATM MAP字段920中传送(见图9)。
在争用过程中，任何试图在ATM/争用时隙中进行传送的站读取被包括在广播下游信道中的与该时隙有关的状态信息。如果一个时隙未被预定，一个站则可以插入信息。如果一个时隙被另一个站预定，该站则不在此时隙中传送。如果该站检测到其自身的传输在前一帧受到冲突，则该站尝试使其传输执行一个退出(backoff)和重发过程。
下文更详细讨论的四种争用时隙状态可以在下游状态或作为MAP920一部分的确认消息中表示(见图9和10)。第一，一个时隙可以是IDLE，表示该时隙在最后一帧中未被使用并且可用于任何站的传输。第二，该时隙可以被标明为BUSY/CONTINUATION，表示最后帧中的时隙被占用并且下一帧预定给同一个站。第三，该时隙可以被标明为BUSY/FINAL，表示时隙的最后帧中的时隙被占用，但下一帧可以由任何站争用。最后，该时隙可以被标明为COLLSION，指出由于冲突或噪声造成该时隙没有有意义的数据，该时隙不可靠。
另外，根据本发明，已经在时隙中传送的站可以在图5中的一上游标题的带宽请求字段(BRF)509中设定一连续指示，以表明下一帧中预定同一时隙。这样就为站获得以初始争用为基础的访问提供了机理，然后预定同一ATM争用时隙在多帧期间传送多ATM单元长的消息。然而，如果需要，总端站109能对使用连续指示的站实行超越控制。
本发明方法中的许多细节将通过图11-25的流程图和示意图描述。这些细节包括为STM和ATM呼叫、在STM和ATM区域中跨越多业务量等级的动态带宽分配、ATM/争用业务量管理、呼叫终止时带宽释放和再分配等等进行时隙分配的具体方法。
现在参考图3，其中示出了图1中连接传送网络、并且根据本发明能访问上游信道202中的传输容量以便与总端站109通信的站107中各种通信设备的配置。一个站中的通信设备可以包括一部电话301、一台电视302、一台计算机303、和许多其它设备。例如，每台设备经一个相关设备的专用处理器311-313连到一公共总线320。例如，经将PCM话音转换成模拟信号的处理器311将电话301连接到总线320；例如，经将MPEG-2数字TV信号转换成模拟信号的处理器312将电视302连接到总线320；例如，经在用户和网络之间提供转换的处理器313将计算机303连接到总线320。
对于上游信息，每一个设备专用应用处理器311-313处理与其相关的通信设备中产生的数据，并以适当的应用数据形式提供给一个能够经一个分离器/合并器360连到电缆102的数字发射机350。对于下游信息，每一个设备专用处理器311-313处理指定给相关通信设备(电话301、电视302、计算机303等)显示/演完数据。例如，连到电视302的处理器312可以通过MPEG-2解码视频信息。
在总线控制器322的控制下进行总线320和一般称为媒体访问控制(MAC)处理器330(下文详细描述)之间，以及设备专用处理器311-313和总线320之间的数据传输。可以安排总线320和总线控制器322使用标准时隙交换(TSI)或以太网规约，或对本领域技术人员显而易见的其它适合方案。
每个站中有数字发射机350和数字接收机340，以分别调制上游信息和解调下游信息。例如，数字接收机340和数字发射机350使用任何象QPSK，QAM等这类熟知的技术将一模拟信号转换成数字比特流(反之亦然)。分离器/合并器360双向操作；在同轴电缆102上提取从总端站109接收的信号，并将其送给数字接收机340，将从数字发射机350和CATV天线110收到的信息插入到同轴电缆频谱传输到总端站109。这里应该指出，接收机340、发射机350和分离器/合并器360、以及可能还有MAC处理器330所执行的功能可以被包括或概括在一个有时被称为“网络接口装置”的信号装置中，
根据本发明，在实施本发明的MAC层规约的MAC处理器330的控制下，将连到总线320并指定给图1的总端站109的任何通信设备301-303中产生的信息加到电缆102和传输网络的其它部分。同样，也是在MAC处理器330的控制下，从传输网络和电缆102接收来自总端站109指定给设备301-303的下游信息。MAC处理器330的元件是一个帧多路分解器333和一个对应的帧多路复用器338，两者在一个带宽控制器335、ATM和STM缓冲器331和334、ATM和STM MAC处理器332和336、和一个包含控制带宽控制器335操作的程序或软件码的程序存储器337的控制下操作。
帧多路分解器333读取下游帧中适当的ATM和STM时隙(见图9)，并将其送到ATM和STM MAC处理器332和336。ATM MAC处理器332从接收其它业务分出指定给站107的ATM单元，然后分离来自总端站109的有效负载数据和MAP消息(图9中920)，并将它们分别送到ATM缓冲器331和带宽控制器335。依据该消息中所包含的指定给通信设备301-313的指定地址，从ATM缓冲器331将有效负载数据经总线320送到适当的设备专用处理器311-313。对于上游业务量，ATMMAC处理器332处理来自设备301-303的信息，并通过适当的MAC层整理操作将其放入一个ATM格式中(见图5)，并将同一内容送到帧多路复用器338。帧多路复用器338进行相对于帧多路分解器333的相反操作，使用从带宽控制器335接收的信息分别将ATM和STM消息写入上游帧中适当的ATM和STM时隙。控制/状态消息在下文结合附图5-10描述。
帧多路复用器333和多路分解器338与带宽控制器335共同操作，所进行的处理包括(a)排定从缓冲器331和334经ATM和STM MAC处理器332和336向帧多路复用器338以及从帧多路复用器338向数字发射机350传输ATM单元或STM短脉冲串，(b)协调STM和ATM MAC处理器。ATM MAC处理器332执行例如(a)当设备301-303产生呼叫时，产生呼叫建立请求，(b)控制争用访问过程，(c)根据带宽控制器的指令排定ATM业务，从而将ATM单元从缓冲器331送到帧多路复用器338，(d)将下游ATM单元中的数据接收和发送到设备专用处理器311-313，和(e)分别产生和检验上游和下游ATM业务量的循环冗余码(CRC′s)。虽然本发明总的MAC规约对STM业务量的要求有某些区别，STM MAC处理器336进行与ATM MAC处理器332类似的处理。在程序存储器337中存储的软件程序的控制下进行如前所述的这些过程的细节将在下文结合图12至25描述。带宽控制器335中的动作与总端站109的带宽控制器435协调动作以执行图12至25所述的过程。缓冲器331和334临时存储ATM和STM有效负载数据，并存储构成MAC规约一部分的用于带宽分配和管理过程的参数信息。
图4示出MAC处理器430的配置，该MAC处理器与图3所示的MAC处理器330相似。MAC处理器430配置在图1的总端站109中，并将来自站107的通信信号引导到适当的服务平台490。如图4所示，经同轴电缆102从站107接收的信号被加到与装置360相同的分离器/合并器472，分离器/合并器472从同轴电缆102提取上游信号并将这些信号提供给数字接收机470。分离器/合并器472还将从数字发射机474接收的信号插入到同轴电缆102，传送到站107。数字接收机470还可以通过使用(a)功率电平分析，和/或(b)数字误差检测，和/或(c)其它技术，提供COLLISION或IDLE状态检测。如果在数字接收机470中执行这些功能，得到的控制信号传送给ATM和STMMAC处理器432和436。
帧多路分解器433读取下游帧中适当的ATM和STM时隙(见图7、8)，并将其送到ATM和STMMAC处理器432和436。ATM MAC处理器432分离站107送来的有效负载数据和信令消息，并将它们分别送到ATM缓冲器431和带宽控制器435。根据图12至25规定的方法，ATMMAC处理器432区分预定和争用单元，并对它们进行不同处理。通过在MAC处理器430、服务网间连接器486、和服务平台490之间协商处理一个呼叫建立请求，从而在一个站和一个服务平台之间建立连接。呼叫建立后，来自ATM缓冲器431的有效负载数据经服务网间连接器486送到适当的服务平台490。
对于下游业务量，ATM MAC处理器432处理与ATM呼叫有关并且是从一个服务平台490接收的信息，并通过适当的MAC层整理操作将其放入一个ATM格式(如果未在该格式)中(见图6)，并将同一内容送到帧多路复用器438。帧多路复用器438进行相对于帧多路分解器433的相反操作，在分配给ATM和STM呼叫的适当时隙中写入ATM和STM信息，并将控制/状态消息写入下游帧中的MAP字段(见图9)。在下游帧的规定时隙中插入信息消息是根据带宽控制器435做出的时隙分配进行的，并传送给STM和ATM处理器436和432。控制/状态消息将在下文结合图5-10描述。
帧多路复用器438和帧多路分解器433与带宽控制器435以及ATM&STM MAC处理器432和436共同操作。带宽控制器435完成的任务包括(a)在上游和下游方向的光纤/同轴电缆上进行呼叫受理控制和带宽分配，(b)安排从缓冲器431和434经ATM和STM MAC处理器432和436向帧多路复用器438以及从帧多路复用器438向数字发射机474传输ATM单元或STM短脉冲串，(c)协调STM和ATM MAC处理器436和432。ATM MAC处理器432执行例如(a)当网络(图1中的111，112)经服务平台490产生呼叫时，产生ATM呼叫建立请求，(b)控制ATM争用访问过程并对下游MAP920中产生确认，(c)根据带宽控制器435的指令排定ATM业务量，从而将ATM单元从ATM缓冲器431送到帧多路复用器438，(d)将上游ATM单元中的数据经ATM缓冲器431接收和发送到服务网间连接器486，和(e)分别产生和检验下游和上游ATM业务量循环冗余码(CRC′s)。虽然本发明总的MAC规约对STM业务量的要求有某些区别，STM MAC处理器436进行与ATM MAC处理器432类似的处理。在程序存储器437中存储的软件程序的控制下进行如前所述的这些过程的细节将在下文结合图12至25描述。缓冲器431和434临时存储ATM和STM有效负载数据，并存储构成MAC规约一部分用于带宽分配和管理过程的参数信息。
图4所示服务网间连接器486为它们的服务平台保持有关用户、服务提供者、和服务平台路由选择信息，并提供MAC处理器430和服务平台490之间的接口。这些服务平台可以位于与总端站109分开的地点，因此，例如可经公共交换电信网(PSTN)111或ATM网络112(见图1)与网间连接器486互连。网间连接器486与MAC处理器共同操作以识别站107产生的不同应用需求，并将与这些不同应用相对应的通信信号路由选定到服务平台490中合适的一个。例如，站107中产生的按所要求附费的电视节目(VOD)请求应通过服务网间连接器486路由选定到一个VOD服务平台，而话音呼叫会通过网间连接器486被路由选定到作为话音呼叫的不同类型服务平台的LEC开关。
参考图5，示出一个时隙中包含的数据的基本排列。一个前言501允许总端站109中的接收机与时隙同步。源地址(SA)505允许总端站109识别具体的站、通信设备301-303或始发传输的设备专用处理器311-313。一个带宽请求字段(BRF)509通常包括关于由呼叫请求的带宽的信息。BRF字段509可以是实际带宽请求值，或可以根据总端站考虑为该呼叫的带宽分配做出的决定来规定呼叫的类型。传输争用业务量的站可以在BRF字段509中设定一个被称为连续比特的子字段，该值为“1”，以表示下一帧使用同一时隙的请求。当该站在下一帧中不需要该争用时隙时，则将连续比特的值设定为“0”。
虽然未限定任何特定的规约，时隙中的有效负载515能容纳53个八位字节长的异步传送模式(ATM)单元。一个循环冗余码(CRC)517用作误差检测和校正，并以本领域技术人员熟知的方式覆盖所有时隙用户数据。CRC517的使用是随机的，即在本发明的执行中并不总是需要。
最后，在图5中，每个时隙的始端和尾端包括防护时间500，以容许发射机开/关时间、和消息由传输媒介从站107传送到总端站109时传输延迟造成的时差。同轴电缆102上的所有站107最初要经历总端站109的粗测距过程，以使它们相对于由同轴电缆102和光纤108提供的传输媒介上出现的时隙具有相同的定时图。借助每个时隙中的防护时间500和前言501对按照本领域技术人员熟知的技术执行的定时同步进行微调。前言501是一个容许总端站的数字接收机470迅速获得时钟和同步信息的预调数字序列。所有这些容许站107与传输媒介中时隙边界保持同步，同时计算相互之间以及与总端站109之间的距离，和对应的传播延迟。
参考图6，示出一个下游帧的ATM时隙908中包含的下游消息中的数据字段的排列(见图9)。字段603包括该时隙中的有效负载的目的地址，字段604包含该有效负载。最后，字段605包含用于误差检测(或校正)的循环冗余码。CRC605的使用是随机的，即在本发明的执行中并不总是需要。
图7示出上游帧700中典型时刻的时隙分配。该图还说明了本发明的访问方法支持的不同种类的STM和ATM服务。在STM区702，STM信令被包含在由用于STM呼叫信令的所有站107通过争用访问共享的时隙706中。一旦总端站109分配带宽，STM呼叫利用每帧中的周期性时隙分配。例如，在图7中，需要384Kbps带宽的电视电话(VT)呼叫，使用相对长的时隙708，同时每一个需要64Kb/s的三个分开的话音呼叫，使用略窄的时隙711、712和713。
图7中，帧700的ATM区704被分成几个ATM时隙，每个时隙能容纳一个ATM单元。这些单元与它们在该帧中被使用的并由总端站带宽控制器435指示的模式相对应，被标为“R”(预定)或“C”(争用)。需要一确保固定带宽的ATM/CBR呼叫使用一预定时隙718。该时隙适用于以周期方式在ATM/CBR数据呼叫期间为其提供固定带宽，ATM/VBR延迟敏感呼叫也使用预定时隙720。然而，该时隙不能在整个呼叫期间被预定。而只可以被由ATM/VBR源目前产生的数据短脉冲串(即，ATM单元组)预定。在一个上游ATM/争用时隙，例如信令时隙722，请求为该短脉冲串分配时隙，并在下一个下游ATM MAP920中接收分配确认(见图9)。当该短脉冲串传输完毕时，为该ATM/VBR呼叫进行的周期时隙分配结束，当稍后时间同一ATM/VBR源产生数据的另一个短脉冲串时，该源会寻找新预定ATM时隙(周期超过一个或更多帧)的分配。 ATM/VBR延迟不敏感呼叫，例如文件传送也使用预定时隙714。由于其延迟不敏感特性使得文件传送呼叫每隔n个帧只被分配一个ATM时隙，其中“n”可以较大。
图7中，交互TV(ITV)和ATM信令业务使用争用时隙716和722。ATM信令业务与ATM呼叫建立有关的消息对应。ITV例子有来自按所要求附费的电视节目(VOD)或视频游戏中按动按键信号的上游遥控信号。虽然图7未示出，如果一个争用时隙中同时有多于一个站在进行传输，将会造成冲突，该站会应用争用解决方案。
现在参考图8和9，可以注意到在上游方向，站107以“突发”传输模式传输，在下游方向，总端站109以“连续”传输模式传输。这些站经过测距过程并根据从总端站接收的定时信息传输或“突发”。每个站使用防护时间和前言(见图5)以避免干扰可以用于传输另一个站的相邻时隙。然而，在下游方向，只有总端站109控制和使用传输信道。因此，不需要防护时间和前言，并且传输以连续方式发生。
图8中示出与图7中类似的上游帧，该图示出与STM和ATM时隙相关的整理操作。与每个ATM和STM时隙有关的是一个包括图5所示防护时间500和前言501的短脉冲串标题812。短脉冲串812一般大小相同，它或是一个信令消息802、或是一个DS0804、或是一个NXDS0806呼叫的STM短脉冲串，或是一个对应于一个ATM单元传输808的短脉冲串。图5的源地址505和图5的BRF509构成ATM短脉冲串(图8)中的MAC消息814。ATM短脉冲串中的有效负载是一个包括一个ATM标题816和一个ATM有效负载818的ATM单元。STM和ATM区之间的边界依据STM和ATM呼叫的到达和离去是可移动或动态的。在下文图12至25的内容中将说明该边界的具体移动规则。
图9示出下游帧。STM区(至边界901左侧)包括对应于信令902、DS0904(例如话音)和NxDS0906(电视电话)的时隙，ATM区(至边界901右侧)包括一个或多个包括标题916的ATM单元908。MAP字段920将控制和状态信息从总端站109传送到站107。指示前一帧中争用时隙的状态并将下一上游帧中的带宽(或时隙)分配通知站。
图9所示帧的STM和ATM区之间的边界以与图8中所述的上游帧的边界变化方式类似的方式变化。上游和下游帧每个边界的位置由总端站109中做出的带宽分配决定独立地确定。
现在参考图10示出的MAP字段920的内容。如果一帧的ATM区中有“m”个ATM时隙，则在MAP字段中会有“m”个分段1012，每一个分段对应下游帧中的一个ATM时隙。如前所述，ATM时隙被尽可能地靠近一帧的尾端设置。因此，第m个ATM时隙最靠近一帧的尾端，第(m－1)个时隙是第二靠近一帧的尾端，等等。数字“m”可以在帧与帧之间变化，但MAP字段的长度将该信息提供给站。图10中还示出MAP的分段1012总的区域。
第i个分段1012中的SID字段1014提供或是在前一对应时隙中成功传输(经争用访问)，或是由总端站109经预定过程分配给下一帧中时隙的站的站ID(标识)。预定/争用指示器(RCI)字段1016指出该时隙是否被预定(“R”)或为争用(“C”)开放。上游时隙占用状态指示器(USOSI)字段1018的不同含义取决于同一分段1012中RCI字段1016的值。总端站能将RCI字段的值从一帧中的C变为下一帧中的R，反之亦然。在争用时隙情况下(RCI＝C)，USOSI1018指示下列状态之一：(a)IDLE，(b)COLLISION(或等同的噪声)，(c)BUSY/RESERVED，(d)BUSY/FINAL。这些状态的定义与前面引述的参考(Edmon等人)中所阐述的定义相同。当RCI值是R时，即该时隙被预定，于是USOSI字段可以在某些实施情况下保持不用。然而，在本发明另一种实施情况中，可以用USOSI1018将任何与带宽分配和控制有关的附加参数通知该站。例如，总端站可以向该站指出被分配的实际带宽，即随后的下一帧中将被分配的ATM单元的周期和数量。
上面的描述中，阐述了ATM MAP920信息可依据一上游帧中ATM时隙的数量改变长度。在本发明的另一种实施中，可以使用固定长度MAP920(图9和10中)。该实施中，MAP920总是具有对应于最大预期值“m”(见图10)的固定数量的分段。在一个或多个分段1012表示不包含有效MAP信息(即当“m”小于其最大预期值时)的情况下，SID字段中的一个特定值将指示所述分段1012无效并被忽略(即无ATM时隙与该分段对应)。以这种方式设计和使用的固定长度MAP可能是本发明中使用的某些系统所需要的。
图11中示出为进行带宽分配和呼叫受理决定而在总端站109的带宽控制器435中保持的示意图。带宽控制器435(a)接收包括ATM和STM呼叫建立信令消息、每一个呼叫的带宽要求、以及每一个站107的缓冲区填入值的上游消息，例如图7的字段706和722、以及图8的字段814中包含的消息，和(b)产生下游信令消息，例如图9的STM信令字段902和ATM MAP920中包含的这些消息。带宽控制器435根据上游消息中的信息保持与不同类型呼叫有关的状态。STM和ATM/CBR呼叫在呼叫期间需要不同数量的固定带宽，并因此将这些呼叫的带宽分配保持在寄存器1112中。寄存器1101-1至1101n中，保持有效ATM/VBR延迟敏感呼叫的缓冲区填入状态。同样，在寄存器1102-1至1102m中，保持ATM/VBR延迟容许呼叫的缓冲区填入状态。使用ATM争用时隙的站的数量和状态保持在寄存器1114中。图11所示寄存器可以是带宽控制器的一部分，或驻留在ATM和STM缓冲器431，434(见图4)中。
根据保持在不同寄存器中的不同类型呼叫的总图，带宽控制器435为下一帧或下几个帧制定时隙分配决定。这些时隙分配决定在下游信道中经下游帧(见图9)中的下游信令902和MAP920字段传输给每一个站。带宽控制器435中使用的时隙分配决定过程在图13至25的流程图中描述。
图12示出一帧中与STM和ATM连接处对应的各种区和边界。该图中，不同符号表示带宽分配参数。参数C表示信道中的总带宽，并与一帧的持续时间成正比。参数BS和BA分别表示STM和ATM区域的带宽分配。参数U表示未分配带宽。参数QS和QA分别表示BS和BA的最大限度。参数GA和XA表示ATM呼叫的确保和额外带宽分配。由于带宽分配与一帧(以时间表示)中区域对应的长度成正比，图12示出一帧所对应的所有这些参数。图13-25的程序流程图利用图12的标志来描述每个步骤执行的动作。应该理解，虽然每幅图中未明确表示，图13-25的流程图中总是满足下列条件。
BS≤QS
BA＝GA＋XA≤QA
BA＋BS＋U＝C                              (1)
图13示出总端站109中的带宽控制器435和STM MAC处理器436(见图4)中所遵循的与STM呼叫的受理和带宽分配相关的过程。随着STM呼叫在步骤1301的到达，总端站109在步骤1302接收有关呼叫种类的信号并确定其所需带宽Ri。在步骤1303，做出确定该呼叫是能被接受使用当前未被分配带宽的决定。如果结果为肯定，则在步骤1304做出检测接受该呼叫后是否仍然满足总STM带宽限定的决定。如果步骤1304的结果为肯定，则在步骤1310，将STM时隙分配给该呼叫，并将一个对应的STM消息传送给发出或接收该呼叫的站。如果步骤1303的结果为否定，则在步骤1305做出检测是否能通过向未分配带宽增加当前额外ATM带宽来接受该呼叫的决定。如果步骤1305的结果为肯定，则在步骤1306检测最大STM带宽的条件，如果结果仍为肯定，则做出接受该STM呼叫的决定并且该程序进行到步骤1307。如果步骤1306或1305或1304的结果为否定，则拒绝该呼叫。
在步骤1307，该序程以下列方式继续：(a)首先，从该帧的XA区减去正好足够的ATM时隙为STM呼叫产生所需带宽(即利用U和所需的最大XA)，(b)修改XA的值，(c)修改STM、ATM、和未分配区(即BS、BA、和U)的值，(d)应用图16的程序将被更改的ATM额外带宽重分配给当前的ATM/VBR呼叫。该程序从步骤1307进入步骤1310，分配给该呼叫一个STM时隙，并产生STM消息和ATM MAP以向所有站通知新的时隙分配。
图14示出总端站109中的带宽控制器435和ATM MAC处理器432(见图4)中所遵循的与ATM呼叫受理和带宽分配有关的过程。随着ATM呼叫在步骤1401到达，总端站109在步骤1402接收有关呼叫种类的信号。根据步骤1402接收的信令信息，总端站在步骤1403识别ATM呼叫的类型。有四种可能的结果与步骤1403有关。如果在步骤1403识别的呼叫类型为ATM/CBR，该程序则进入步骤1404，根据步骤1402接收的信令信息确定支持该呼叫所需要的带宽Ri。ATM/CBR呼叫不需要额外带宽，因此对于该呼叫，额外带宽分配参数Rx设定为0。如果在步骤1403识别的呼叫为ATM/VBR延迟敏感类型，则在步骤1405确定称为统计加权递增带宽(SWIB)的带宽参数，设定Ri等于SWIB的值。不为ATM/VBR延迟敏感呼叫分配额外带宽，因此对于该呼叫，额外带宽分配参数Rx设定为0(仍在步骤1405中)。图17的内容描述了确定SWIB过程的实例，下面的图18的描述中将说明SWIB的概念。
如果在步骤1403识别的呼叫为ATM/VBR延迟容许类型，该程序进入步骤1406。在步骤1406，带宽控制器435获取该呼叫可考虑的延迟容许极限，并确定支持该呼叫所需的确保带宽Ri。确定确保带宽Ri以便正好足以满足ATM/VBR延迟容许呼叫规定的延迟要求的上边界。仍在步骤1406，带宽控制器435确定能够分配给该连接的额外带宽Rx，以满足延迟要求规定的下边界。程序从步骤1404、1405、或1406进入步骤1408，即用图15的程序根据步骤1404、1405、或1406确定的带宽请求参数确定呼叫受理和带宽分配。如果在步骤1403识别的呼叫为ATM/争用类型，该程序则进入步骤1407，即用图21的程序确定呼叫受理。
图14中的带宽分配参数(Ri，Rx)确定之后，图15的程序确定是否能接受该呼叫。在步骤1501中，参数Ri和Rx以及未分配带宽U被量化为最近似的Δ的倍数，Δ表示与每带宽分配循环一个ATM时隙分配对应的带宽量(quanta)。带宽分配循环的长度可以是一帧(如图12)，或“n”帧长(如后面的图19)。在步骤1501中量化的U值用U′表示。在步骤1502，确定U′是否足够向该呼叫分配Ri。如果步骤1502的结果为肯定，该程序则进入步骤1503。在步骤1503，确定剩余未分配带宽(U′-Ri)是否足够向该呼叫分配额外带宽Rx。如果步骤1503结果为肯定，则决定将Rx分配给该呼叫，并且该程序进入步骤1507。如果步骤1503结果为否定，则在步骤1504确定(U′-Ri)是否大于或等于Δ。如果步骤1504结果为否定，则在步骤1505将Rx赋值为0，并做出不向该呼叫分配任何额外带宽的决定。然而，如果步骤1504结果为肯定，由于它是当前可用的最大未分配带宽，因此步骤1506决定分配等于(U′-Ri)的额外带宽。
该程序从步骤1505或1506进入步骤1507。在步骤1507根据受理的ATM呼叫修改GA、XA和U的值，并且该过程进入步骤1512。该呼叫在步骤1512接受并产生STM消息和ATM MAP，将新的时隙分配通知所有站。
如果步骤1502结果为否定，则表示未分配带宽本身不够分配确保带宽Ri。在步骤1508做出未分配带宽U′加额外带宽XA是否足够适合分配给该呼叫的带宽Ri。如果步骤1508结果为否定，则该呼叫在步骤1509被拒绝。如果步骤1508结果为肯定，则做出接受该呼叫的决定。这种情况下，接受该呼叫所需的一部分带宽来自额外ATM带宽区XA。然后，在步骤1510修改参数GA、U和XA。现在，由于XA改变，在步骤1511中使用图16的ATM额外带宽重分配过程。然后，该程序进入前述的步骤1512。
在ATM区中的呼叫受理和带宽分配过程中，无论何时XA的值发生变化，用于现有ATM/VBR连接的额外带宽分配必须被修正。图16所示程序中，在步骤(A)，用一个适当标准确定现有ATM/VBR呼叫期间XA的重分配。该标准的一个例子是根据由每一个现确ATM/VBR呼叫最初做出的额外带宽请求按比例地重分配额外带宽。在图16的步骤(B)，用步骤(A)做出的决定为每个受影响的连接计算新的RX值。然后在步骤(C)，产生新ATM MAP信息将该ATM时隙重分配通知所有站。
图17的程序应用于图14程序中的步骤1405中。它说明如何确定统计加权递增带宽(SWIB)。首先，在步骤1702，ATM/VBR呼叫被分成1、2、…、J等级之一。假设步骤1702的结论为该呼叫是值为J的等级j。在进一步继续图17的流程之前，我们暂时转到图18描述SWIB的概念。
图18示出接受具体等级的新呼叫所需的SWIB值，假定系统中已经接受了“n”个这类呼叫。SWIB的值由垂直条表示，“n”值在水平轴上表示。当“n”小时，例如1、2或3，SWIB1801的值等于信号源峰值速率1804。当一起被多种复用的呼叫数量小时，统计的求平均值跨接复用ATM/VBR呼叫不产生统计多路复用增益(SMG)，因此该呼叫只能被等于峰值速率带宽1804的SWIB值1801接受。当进程中呼叫数量为中间值，例如12时，能产生一些SMG，该呼叫可以被小于峰值速率1804但大于平均速率1805的带宽分配1802接受。当进程中呼叫数量为高值，例如27时，能产生明显高的SMG，该呼叫可以被大大小于峰值速率1804基本接近平均速率1805的带宽分配1803接受。由于它是在进程中由呼叫数量统计地加权，并表示在考虑满足呼叫等级规定的性能要求的同时接受新呼叫所需的递增带宽，因此图18确定的带宽被称为SWIB。性能要求可以通过ATM单元和丢失比率来规定。当系统中拥挤状态严重时，可能出现更高的单元延迟和丢失比率。还应指出，与图18中“n”个呼叫对应的SWIB值还表示当目前接受的(n＋1)个呼叫中一个呼叫终止时总体呼叫等级的带宽分配中的下降。
现在回到图17，在步骤1704，带宽控制器435从ATM缓冲器431(见图4)读取一组分别表示目前被接受的1、2、…、j类ATM/VBR呼叫数量的值n＝(n1、n2、…、nj)。另外，在步骤1704，带宽控制器435检查ATM缓冲器431中存储的话务量表，以确定接收j类新ATM/VBR呼叫所需的SWIB。这里为确定SWIB而参考的话务量表是图18所示SWIB的广义概念，而对ATM/VBR呼叫的复用(即一个或多个)等级一起统计多路复用的。接下来，在步骤1706，Ri等于步骤1704中确定的SWIB值并将Rx赋值为0。然后在步骤1708，该程序返回到图14的步骤1405。
图19示出表示一个带宽分配循环1901的“n”个连续帧。图19与表示n＝1情况的图12类似。当带宽分配循环1901跨过多个帧时，ATM区(BA1、BA2、…、BAn)和未分配区(U1、U2、…、Un)的长度可以在该循环的“n”个帧中从一个帧到另一个帧改变。确保ATM区(GA1、GA2、…、GAn)和额外ATM区(XA1、XA2、…、XAn)的长度也可以在该循环的“n”个帧中从一个帧到另一个帧改变。然而，由于STM时隙被与周期性的一帧同步分配，STM区BS的长度不随帧的变化而改变。STM时隙的周期性为一帧的原因是由于STM呼叫更精确的延迟限制造成的。ATM业务量允许多帧带宽分配循环的原因是允许特定类型的ATM业务量延迟容许造成的。例如，一个ATM/VBR文件传送可以通过每隔5帧分配一个ATM时隙来完成，而且仍满足其延迟要求。如果第二个ATM呼叫每隔2帧被分配一次ATM时隙，则前面提到的文件传送和第二个ATM呼叫的组合带宽分配循环长度为10(即，图19中的n＝10)。现在前面图15的带宽分配程序中称为Δ的ATM带宽量表示“n”帧中分配一个ATM时隙。通过定义Δ，可以适当地修改图15的程序，以反应“n”帧的带宽分配循环(n＞1)。
图20示出在不重复图15所示所有细节的情况下修改的ATM呼叫的带宽分配程序。本领域技术人员根据图15可以很容易得出这些细节完善图20的过程。
图20示出当带宽分配循环如图19所示以及前文所述跨过“n”帧时，呼叫受理确保ATM时隙和额外ATM时隙的分配程序流程图。如果带宽分配在“n”帧一循环内进行(n＞1)，则图14的程序在步骤1408将进入图20而不是图15。在图20的步骤2001，带宽控制器用最优化(例如，整体编程)程序在“n”帧内(周期地)确定确保ATM时隙数量(g1、g2、…、gn)和额外ATM时隙数量(X1、X2、…、Xn)分配该呼叫所需带宽(Ri、Rx)。如果步骤2001中的最优化程序确定不存在一组可以被分配以满足确保带宽分配Ri要求的值(g1、g2、…、gn)，该呼叫则在步骤2003被拒绝。否则，做出以步骤2001的最优化程序所确定的值(g1、g2、…、gn)和(X1、X2、…、Xn)接受该呼叫。程序进入步骤2005修改GAi、XAi的值，i＝1、2、…、n。然后，在步骤2010，接受该呼叫，并产生STM消息和ATM MAP，将新时隙分配通知所有站。
描述图21和22之前，做出几个关于ATM/争用业务量的带宽分配的一般性观测是有用的。应该指出，除非已分配给现有ATM/CBR或ATM/VBR呼叫，一般将每个ATM时隙处理成为争用开放。根据正在进行的ATM/争用业务量，为ATM/争用业务量确保具体数量为KG的ATM时隙。所有剩余的未分配ATM时隙为争用保持“开放”，该时隙可被认为是适用于争用业务量的额外ATM带宽。该“开放”的争用时隙可以在新ATM/CBR或ATM/VBR呼叫请求时分配。也可以通过如下所述的图21和22中的程序，将开放时隙作为确保时隙分配给ATM/争用业务量。当通过图21或22的程序使ATM/争用时隙递增或递减时，KG值得到递增或递减。
图21示出当接到建立ATM/争用呼叫请求时带宽控制器435中遵循的程序。ATM/争用呼叫的例子确VOD和视频游戏(上游消息)。在步骤2101中，总端站109接收表示应用/会话类型的信号。在步骤2102中，总端站109首先确定由于该呼叫造成的平均负载中的增加。然后，根据保持在ATM缓冲器431中的争用定向呼叫话务量表，总端站109确定在将冲突可能性和期望延迟保持在规定限度内的同时是否能接受该呼叫。如果步骤2102的结果为肯定，则在步骤2105接受该呼叫。然而，如果步骤2102的决定为否定，则在步骤2103，带宽控制器435确定ATM区中是否能使用备用带宽以向争用业务量分配附加带宽。如果步骤2103的结果为否定，则在步骤2106拒绝该呼叫；否则，程序进入步骤2104。在步骤2104，将更多争用时隙加到ATM区，修改表示争用ATM业务量可用带宽的KG值，即增加“1”。然后程序返回步骤2102。该循环经步骤2102、2103、和2104，当用加入的额外带宽在步骤2105接受该呼叫，或由于缺乏备用带宽加到ATM区而在步骤2106拒绝该呼叫时停止。
图22示出依据ATM/争用时隙中冲突频率的测量结果，在带宽控制器435中实施递增或递减确保ATM/争用时隙数量KG的程序流程图。每隔TC时间间隔进行冲突测量，并存储在ATM缓冲器431。MC和NC分别表示TC间隔内分配争用业务量的ATM时隙总数和测量的冲突总数。KU和KL表示KG中的上和下边界，fU和fL表示预定的上和下冲突门限。在步骤2201中，程序等待并仅当出现下一个冲突测量时钟信号时进入下一步骤。在步骤2202，从ATM缓冲器431读出MC、NC、KU、KL、fU和fL，计算冲突频率y。然后该过程进入步骤2204，确定测量的冲突频率y是否超过fU。如果步骤2204的结果为否定，该过程则进入步骤2206，确定y是否低于fL。如果步骤2206的结果为否定，如步骤2208所示，争用时隙的数量保持不变，程序返回步骤2201。如果步骤2204的结果为肯定，则在步骤2210中检测是否可用任何备用带宽向争用业务量分配附加带宽。如果步骤2210的结果为否定，该过程进入步骤2208。另一方面，如果步骤2210的结果为肯定，则在步骤2211检测KG是否大于或等于KU。如果步骤2211的结果为否定，则将KG加1，因此更多的争用时隙被确保给ATM/争用业务量。该程序进入步骤2214，更新相关ATM带宽分配参数。该程序从步骤2214返回步骤2201。如果步骤2211的结果为肯定。该程序进入步骤2208并在步骤2208中保持同一争用时隙数量，然后返回步骤2201。如果步骤2206的结果为肯定，则在步骤2216中，比较确保给ATM/争用业务量的时隙数量KG，以检测其是否等于或低于预定下边界KL。如果步骤2216的结果为肯定，该程序则进入步骤2208并保持同一争用时隙数量，并返回步骤2201。如果步骤2216的结果为否定，则KG在步骤2208中减1。该程序从步骤2218进入步骤2214，ATM带宽分配参数被修改，然后该程序返回步骤2201。
图23示出当出现呼叫终止时，带宽控制器435中进行的程序流程图。图23的程序完成由于呼叫离开而释放的带宽和修改与ATM和STM带宽区有关的所有被影响的参数值的工作。在步骤2301，总端站的109从站107或服务平台490接收呼叫终止信号。在步骤2302，带宽控制器435识别被终止呼叫的类型。如果呼叫类型是STM或ATM/CBR，则在步骤2303设定变量B为Ri，其中Ri是分配给呼叫的带宽，程序进入步骤2308。在步骤2308，STM带宽减去释放带宽B的数量，未分配带宽U增加同一数量，然后将未分配带宽量化并转换成额外ATM时隙分配XA。应指出，步骤2308中参数TEMP的计算包括考虑图12规定的限制(BA≤QA)。该程序从步骤2308进入步骤2309。如果在步骤2302识别呼叫为ATM/VBR延迟敏感，程序则进入步骤2304。在步骤2304，带宽控制器检查话务量表以确定呼叫释放的统计加权递增带宽(SWIB)。呼叫到达或离开时确定SWIB的方法在上面相关的图18中已描述。还是在步骤2304，将SWIB的值赋值给B，Rx赋值为0，程序进入步骤2307。如果在步骤2302识别呼叫为ATM/VBR延迟容许，则在步骤2305将B赋值为(Ri＋Rx)，其中Ri和Rx是呼叫释放的确保和额外带宽分配，程序进入步骤2307。在步骤2307，修改与ATM区有关的带宽参数值，释放带宽被加到额外ATM区XA，程序进入步骤2309，如果在步骤2302识别呼叫为ATM/争用，则在步骤2306应用图24的程序，该程序进入步骤2309。在步骤2309，用图16的程序再分配额外ATM带宽XA，然后在步骤2310，产生STM消息和ATM MAP，将新时隙分配通知所有站。可以注意到，在步骤2306，XA有时可以不改变(特别是在图24中)，这种情况且不需要步骤2309和2310。
图24示出当出现ATM/争用呼叫终止时，带宽控制器435中遵循的程序。在步骤2401，确定呼叫释放的平均带宽，在步骤2402将同一数值加到由于争用型呼叫离开造成的当前累积平均释放带宽。然后，在步骤2403，检测当前累积平均值(在步骤2402计算)看其是否超过规定门限值。由于由各个ATM/争用呼叫释放的平均带宽通常非常小，一般在连续离开几个这种呼叫以后做出释放带宽的决定。如果步骤2403的结果为否定，则如步骤2405所示，在ATM区保持相同数量的ATM/争用时隙。如果步骤2403的结果为肯定，则在步骤2404，将目前分配给争用业务量的ATM时隙数量KG减1，将累积的平均释放带宽的当前值赋值为0。同样，在步骤2404，额外ATM带宽XA的值递增Δ，Δ表示每带宽分配循环中与一个ATM时隙分配相关的增加带宽。现在该程序返回图23的步骤2309。
图25示出站107中的带宽控制器335中程序实施流程图，无论应用设备何时活动都遵循该程序。在步骤2501识别活动类型。如果识别该活动为一个新呼叫到达，程序进入步骤2502，识别呼叫类型。程序从步骤2502进入步骤2504。如果在步骤2501识别的活动类型为来自现有ATM/VBR延迟容许呼叫的ATM单元短脉冲串到达，程序也进入步骤2504。在步骤2504，带宽控制器335和总端站109协商，与支持该呼叫或ATM单元的短脉冲串所需的带宽建立联系。在步骤2504，如果与总端站109的协商为适用，可以规定ATM单元短脉冲串的最小和最大延迟容许。程序从步骤2504进入步骤2506。在步骤2506，站107中的带宽控制器335接收来自总端站109的STM消息和ATM MAP，并根据总端站109的分配传送。在步骤2506，在STM消息或ATM MAP中出现误差的情况下，站107执行规定的误差校正/恢复技术。不需使用特定的误差校正/恢复技术，而可以采用任何目前可使用的技术。程序从步骤2506进入步骤2510。当一个呼叫终止或ATM单元的短脉冲串传输完毕时，站107将该情况通知总端站109。在步骤2501，如果被识别的活动是产生ATM/争用消息，站107中的带宽控制器335则使用上面引述的Edmon、Li和Sriram的专利申请中详细描述的争用技术传送该ATM/争用消息。本发明使用的ATM/争用技术与上面引述的Edmon、Li和Sriram的专利申请中的技术在一些方面有区别。特别是，未使用“超时隙”概念。另外，如本发明前面部分所述，总端站109以几种明显不同于上面引述的Edmon、Li和Sriram的专利申请中的方法对ATM/争用时隙的分配或去分配进行控制。例如，见图21和22所述过程。
至此已经详细描述了本发明，现在可以指出，本发明提供了重要和明显的优越性，超过了已知的MAC规约。对于STM业务量，它至少提供了与常规TDMA规约相同的容量。然而，对于ATM业务量等级，将支持宽频带树型和分局网络(以光纤/同轴电缆或无线媒介为基础)，本发明的MAC规约提供了明显高的容量。本发明提供的容量方面的优势至少部分是由于提到的几种著名的技术刊物提出的方法的结果。具体来说，对于传播延迟，本发明对上至150km距离的传播延迟不敏感。因此一帧长度为2ms最好，并足以解决150km距离的往返路程确认延迟。本发明一般与帧长度无关。如果在具体网络中距离较短，可以选择长度较短的帧。
另外，不希望由于往返路程的传播延迟造成比分组传输时间长得多的等待接收总端站的确认时间内站处于闲置。通过将与不同的站有关的业务量交织到一帧中的多个时隙中，并确保对于特定的站，使该站使用的的连续时隙至少相互隔开(时间上)往返路程传播延迟的预期数量可以避免该问题。因此，通过本发明的技术，帧由许多交织的ATM时隙构成；时隙的实际数量取决于比特率。由于一帧由交织时隙构成，其中一个站能在该帧的一个时隙中传送，并等待预定时间(例如2ms)接收确认。与此同时，因为其它站可在该帧的其它时隙中传送，信道不经历任何空载时间。由于BUSY/CONTINUATION，BUSY/EINAL，COLLISION和IDLE这类与一个上游帧中ATM时隙有关的消息在下一个下游帧的MAP字段中送出，状态确认也被交织在交替的帧上。
本发明还提供了在管理ATM/CBR和ATM/VBR业务量中特别有利的总端站或中央控制器仲裁。总端站能从始发该业务的站接收任何有关带宽要求、短脉冲串长度和延迟容许的信息。然后能以满足带宽和延迟要求的速率分配时隙。这是本发明MAC规约的“预定”部分。通过这一机理，一个具有延迟敏感的ATM/CBR业务的站在每帧中可以被分配一个或多个时隙，以使该站ATM单元的产生速率与分配给该站时隙的速率匹配。另一方面，具有延迟容许ATM/VBR业务的站在每帧中可能分配不到一个时隙；而是，例如，如果满足该站规定的延迟要求每隔5帧可以得到在一个时隙中传送的许可(来自控制器)。
虽然前面描述了几种确定何时应该出现“重组合”(如前面所定义)的途径，如下所述，有几个具体细节和安排可以考虑并用于该功能。因此，在本发明的具体实施中，必须考虑权衡用户人数的成本利益确定哪种重组合选择方案最好。
第一种方案被称为“快速重组合和附加ATM时隙产生”。通过该方案，现有ATM业务利用STM呼叫释放的带宽。可以安排如下。一个STM呼叫离开以后，剩余的STM连接可以被重组合在下一个或两个帧中。然后可以用释放(即未分配)带宽产生尽可能多的ATM时隙。将新产生的ATM时隙加到现有的ATM时隙，从而使该ATM区扩充到未分配区(见图12)。STM业务量根据需要，即新STM呼叫需要，可以从该帧的ATM部分重新使用某些释放带宽。
第二种方案被称为“快速重组合和向公共备用区(pool)增加带宽”。该方案以下列事实为依据：当STM呼叫离开并释放一些带宽时，事前不知道下一个连接请求是STM还是ATM。因此，将被释放的带宽加到一个备用区。这可以通过(1)重组合有效STM呼叫，和(2)将被释放的带宽加到STM和ATM区之间的帧的未分配区来安排。该帧的这一未分配或闲置区构成备用区带宽，通过控制器中做出的决定根据需要可以产生新STM/ATM时隙。当控制器决定接受新STM呼叫时，通过加入STM时隙并将帧的STM部分扩展到未分配区来接受新STM呼叫。当控制器产生一个或多个新ATM时隙时，通过将帧的ATM部分扩展到未分配区来产生这些时隙。通过这种方式，备用带宽总是驻留在一帧中的STM和ATM区之间。
第三种方案被称为“STM需要驱动重组合”。借助这一方案，将该帧中STM部分中的“无信号区”保持原样，即，不需要接纳新STM或ATM呼叫时不进行重组合。当以非连续方式产生“无信号区”时，以及当有足够的集合带宽接受新呼叫时，但没有足够大的单个时隙或几个时隙间距(STM区中)时出现这种情况。当该情况被识别时，控制器在此时进行重组合，以便接受新呼叫。
第四种方案与第三种方案相似，其区别在于重组合是以周期或固定间隔进行的，而不是有新STM或ATM呼叫到达时触发。不管哪种重组合选择方案被使用，随着控制器的重组合动作，通过送出STM信令和下一个下游帧MPA部分中的消息可以将新STM和/或ATM时隙通知所有站。
本领域的技术人员会认识到本发明可以有各种改进。因此，本发明应该仅由后面的权利要求限定。例如，为了带宽分配和呼叫受理决定，通过考虑将多个上游和下游信道集中为一“组”的另一种改进可以使带宽到达更高效率。如前面图2中讨论的，上游带宽总是以多信道202-1至202-n的形式编制。同样，下游带宽(见图2)也总是以多信道203-1至203-m的形式编制。这些上游和下游信道中每一个的时间被分为一串时帧，如图7、8、和9所示。图12至25描述了用于STM和ATM呼叫的带宽分配程序，考虑一个上游信道中的一串帧，和一个相关的下游信道中对应的一串帧。然而，应该指出，通过将多个上游信道202-1至202-n和多个下游信道203-1至203-m看成为一“组”，则可以将带宽分配和STM区(BS)、ATM区(BA、GA、XA)、和边界区(U)(见图12)的动态调整在多个信道，或甚至在所有信道上“整体地”进行。这种安排下，可以用归纳方式解释图12所示的帧，其中STM区BS代表若干“n”个上游信道一组中的帧中各个STM区当前累加的总数。同样，ATM区(BA、GA、XA)和边界限区U代表若干“n”个上游信道的同一组中的帧中各个对应区当前累加的总数。通过在总端站109中的STM和ATM缓冲器(见图4)中保持一些附加状态信息，图13至25的程序可以跨过多个信道实施带宽分配。根据本发明的基本原理，可以对图13至25的流程做一些适当修改。这些修改可以根据具体实施情况变化，但是尽管如此，根据本发明的原理可以有效使用跨过多个信道的集合带宽。所述修改的一个例子如下。当进程中已有第一呼叫，而来自站107的第二呼叫到达时，总端站109可以确定站107当前正在使用的同一上游信道(假定是信道202-1)不适合新的呼叫。那么，总端站109可以决定在不同的、目前有可用带宽的上游信道202-n为新的呼叫分配带宽，然后通知站107转换到所述不同的信道202-n建立新呼叫并使前面正在进行的第一呼叫继续。借助目前可使用的被称作频率灵活的调制解调器特性，可以实现该功能。然后总端站带宽控制器435同时并以协调方式对两个信道202-1和202-n的帧中的STM/ATM区和边界(未分配)区的位置和大小进行调节。如果在站107中使用多个调制解调器，总端站带宽控制器435可以在允许现有的在站107的第一呼叫保持在第一信道中的同时，在不同的呼叫，例如202-n为第二呼叫分配带宽。
另外，本发明包括通常被称为(a)第二级OSI(开放系统互连)功能，包括与在MAC层共享媒介中的多址联接有关的功能，和(b)第三级OSI功能，包括与呼叫受理和带宽分配有关的功能，可以理解，某些除第三级OSI功能的其它功能，例如带宽监视和管辖，以及流通量和拥塞控制也可以被提供使用目前可利用的技术，这些其它功能可以与本发明提供的功能综合在一起。
另外，如前所述，本发明是在以光纤/同轴电缆为基础的传输基础结构的范围内描述的，应该理解本发明还可用于无线通信环境。在后一种情况下，用名词“移动站”、“基站”和“无线媒介”代替名词“站”、“总端站”和“光纤/同轴电缆媒介”。

Claims (6)

1.在多个通过具有多址联接上游信道的传输媒介与一个公共控制器互连的站中分配传输带宽的方法，其特征在于包括步骤：
将所述传输媒介的所述上游信道中的时间分成一串连续的时间帧；
用一个边界区将所述时间帧的每一个，分隔成第一和第二区，所述第一和第二区的第一个，包含一个或多个时隙；
所述第一区包括一个或多个长度可变的时隙，和所述第二区包括一个或多个固定长度的时隙；和
动态地调节每一个所述帧中所述边界区的位置和大小，作为所述站的带宽要求功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述动态边界区调节包括步骤：
将每个要求不同长度时隙的STM呼叫，分配给可利用的时间帧未分配部分，最靠近所述帧的始端；和
将每个要求固定长度时隙的ATM呼叫，分配给可利用的时间帧未分配部分，最靠近所述帧的尾端。
3.在多个通过具有多址联接上游信道的传输媒介与一个公共控制器互连的站中分配传输带宽的方法，其特征在于包括步骤：
将所述传输媒介的所述上游信道中的时间分成一串连续的时间帧；
用一个边界区将所述时间帧的每一个，分隔成第一和第二区，所述第一和第二区的每一个，包含一个或多个时隙；
所述第一区包括一个或多个长度可变的时隙，和所述第二区包括一个或多个固定长度的时隙；
按预定顺序将来自所述站的呼叫分配给可利用的所述时隙，使离所述边界区最远的可利用时隙最先被分配；
一个特定的时隙空出后，重分配被选择的正在进行的呼叫，以使所述边界区的大小最大。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于如果一个时隙在前面的间隔中已经空出，所述重分配是在固定间隔中进行的。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述重分配是在所述特定时隙被空出后立即进行的。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述重分配是在请求一个时隙的呼叫到达后立即进行的。
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PB01 Publication
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Correction item: Denomination of Invention

Correct: Method and apparatus for synchronous transfer and packet mode access to multiple services over a broadband network

False: Method and apparatus capable of accessing multiple services in synchronous transfer mode and packet mode on broadband communication network

Number: 23

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Volume: 13

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