在宽带线缆系统中动态地且公平地分配RF信道带宽

摘要

在一个示例中，线缆调制解调器端接系统(CMTS)根据线缆系统数据接口规范(DOCSIS)绑定组内的活动流的DOCSIS优先级，来确定这些绑定组的目标射频(RF)带宽量。CMTS然后根据目标带宽量在DOCSIS绑定组之间调整带宽分配。目标带宽量可以间隔地被重复计算，并且带宽分配可以间隔地被重新调整，以顾及流活动或DOCSIS优先级指派的改变。

说明书

技术领域

本公开一般地涉及连网的领域。

背景技术

线缆运营商已在有线电视系统上广泛部署了高速数据业务。这些数据 业务使得诸如个人计算机之类的订户侧设备能够通过普通有线TV网络混 合光纤同轴电缆(HFC)线缆进行通信。线缆调制解调器端接系统(Cable  Modem Termination System)(CMTS)将有线TV网络连接到诸如因特网 之类的数据网络。线缆数据业务接口规范(Data Over Cable Service  Interface Specification)(DOCSIS)是用于在有线TV网络上传送数据的 线缆调制解调器标准之一。

在DOCSIS网络中，数据流量通过数据分组头部中的指定字段而被分 类成业务流(在非DOCSIS网络中也被称为流、会话等)。每个业务流在 它被CMTS接收时被缓冲，然后CMTS在缓冲器之间对分组的释放进行仲 裁以用于下行的传输。在下行方向上，分组的物理传输通过物理射频 (RF)信道而去往线缆调制解调器。

在最新的DOCSIS版本——版本3.0中，每个业务流可通过RF信道中 的单个RF信道(非绑定的(non-bonded)，也称作窄带)来传输，或者 通过多个RF信道(绑定的，也称作宽带)来分发。因此，一条RF信道可 用来承载多个窄带传输和/或多个宽带传输的部分。

虽然DOCSIS 3.0中描述的宽带传输方案提供了许多益处，但是此宽 带传输方案结合现有仲裁方案的使用可能导致异常。具体地，窄带和宽带 传输在同一RF信道上的混合可导致RF信道带宽以由DOCSIS优先级值或 与业务流相关联的其他QoS度量来看表现得任意的方式在业务流之中被分 配。下面的公开解决此问题及其他问题。

附图说明

图1示出用于在宽带线缆系统中动态地且公平地分配射频(RF)信道 带宽的系统的一个示例。

图2示出图1所示的CMTS的一个示例。

图3示出由图2所示的CMTS确定的带宽比率分配的公平性的图。

图4示出用于描述图2所示的CMTS可如何处理该拓扑中的带宽分配 的特定绑定组拓扑。

图5示出图2所示的示例CMTS如何动态地且公平地分配RF信道带 宽。

具体实施方式

<概要>

在一个示例中，线缆调制解调器端接系统(CMTS)根据线缆系统数 据接口规范(Data Over Cable System Interface Specification)(DOCSIS) 绑定组(bonding group)内的活动流的DOCSIS优先级来确定用于这些绑 定组的目标射频(RF)带宽量。CMTS然后根据目标带宽量来调整 (tune)DOCSIS绑定组之中的带宽分配。可以每隔一段时间就重新计算 目标带宽量并且重新调整带宽分配，以顾及流活动或DOCSIS优先级指派 的改变。

<描述>

现在将参考附图来描述本申请的若干优选示例。本发明的各种其他示 例也是可以的且实际的。本申请可以以很多不同的形式来例示，并且不应 被理解为限于这里陈述的示例。

图1示出用于在宽带线缆系统中动态地且公平地分布射频(RF)信道 带宽的系统的一个示例。

示例系统100包括配置有软件11的线缆调制解调器端接系统 (CMTS)12。软件11被配置为在多个DOCSIS绑定组之间动态地重新分 配射频(RF)信道(例如，RF信道1-3)的带宽。

软件11使用公平性方案来确定如何在DOCSIS绑定组之间分布RF信 道带宽。公平性方案考虑DOCSIS绑定组内的业务流是否是活动的，以使 得可朝当前活动的订户动态地分配RF信道带宽。虽然活动是一个因素， 但是公平性方案独特地兼顾(balance)了此因素和基础业务流的被指派的 DOCSIS优先级。这种独特的兼顾将在稍后参考图2来更详细地描述，但 是目前应当理解，这种兼顾的益处是活动的订户被尽量提供了与他们的 DOCSIS优先级成比例的带宽。

由软件11使用的公平性方案的鲁棒性在于不管DOCSIS绑定组的基 础拓扑中的不平衡如何，它都可提供基于DOCSIS优先级的成比例带宽 (或者至少接近基于DOCSIS优先级的成比例带宽)。基础拓扑中的不平 衡可例如包括一个窄带订户不得不与宽带订户共享RF信道，而具有相同 DOCSIS优先级的另一个窄带订户则不用。

下面参考图1的示例有助于理解软件11如何分配与DOCSIS优先级 成比例的带宽。此外，该示例将帮助读者认识到此公平性方案可如何应对 基础绑定组拓扑中的不平衡。

在该示例中，CMTS 12利用RF信道1-3向三个线缆调制解调器 (CM)A-C发送下行数据。窄带CM A和B都具有相同的DOCSIS优先 级N；然而，针对CM B的流与宽带流共享RF信道2，同时针对CM A的 流排他地使用RF信道1。传统地，此拓扑不平衡本可导致CM B比CM A 接收显著地更少的带宽(通过与CM A的椭圆形相比的CM B流的更小的 实线椭圆形来表示)。

为了确保分配给CM A和B的带宽接近基于DOCSIS优先级的比例， 软件11动态地分配RF信道2带宽，使之离开CM_C流并去向CM_B流。因 此，被指派了相同DOCSIS优先级N的两个订户接收基本上相同的RF信 道带宽。应当注意，因为基础拓扑并不总是允许完美的公平性，所以动态 分配的带宽接近比例(这通过比流CM_A的椭圆形稍微小些的流CM_B的虚 线椭圆形来表示)。

为了维持基于DOCSIS优先级的比例，软件11还向流CM_C动态地分 配更多的RF信道3带宽，以使得CM C继续基于它被指派的DOCSIS优 先级X来接收RF信道带宽中它的比例部分。这通过流CM_C的虚线形状来 示出，该虚线形状例示了用于流CM_C的RF信道带宽的大半是从RF信道 3分配的。

在转到图2之前，应当理解，可利用集成CMTS(I-CMTS)或模块化 CMTS(M-CMTS)来使用系统100。在后一情况下，软件11可在M- CMTS核心或边缘正交幅度调制(EQAM)上进行操作，或者甚至可以跨 越两个设备而分布。

此外，还应当显而易见的是，公平性方案可应用于如下的任何类型的 网络中：在该网络中，流或会话被分配了固定带宽信道的带宽并且被指派 了服务质量(QoS)度量。换言之，公平性方案不限于DOCSIS网络甚或 线缆网络。

应当注意，可利用题为“Dynamically Allocating Channel Bandwidth  Between Interfaces”的美国专利申请12/353,946中所描述的原理，而快速 (on the fly)实现RF信道带宽的分派，该美国专利申请出于所有的目的 通过引用而被全部结合于此。

现在将参考图2描述可在系统100中使用的公平性方案的示例。此示 例不打算是限制性的。软件11可使用兼顾业务流活动和所指派的DOCSIS 优先级的任何其他类型的公平性方案来接近或达到基于DOCSIS优先级的 成比例的带宽分配。

图2示出图1所示的CMTS的一个示例。

CMTS 22包括公平性计算设备21，该公平性计算设备21被配置为确 定用于一组RF信道的RF信道带宽如何分布在利用这些RF信道的绑定组 之中，然后因此而设置带宽分配。公平性计算设备21可以是运行产生下 述功能的指令的处理器或者任何其他类型的电路。

在讨论具体示例之前，将在接下来的四段中描述公平性计算设备21 的操作的概要。它可有助于读者在随后阅读此后提供的具体示例时往回参 考这四个概要段。

公平性计算设备21选择多个绑定组然后计算每个绑定组的“需求 (demand)”。通过对绑定组内的活动流的DOCSIS优先级进行求和来计 算该绑定组的需求(可以对DOCSIS优先级值自身或者基于活动流的 DOCSIS优先级的任何其他值进行求和)。

利用这些计算出的需求，连同与每个RF信道可用的带宽的有限恒定 量的量有关的信息(在一个示例中，每RF信道40Mb/s)，公平性计算设 备21计算每个绑定组的目标带宽量。所计算的目标带宽量表示基于每个 绑定组的被确定的需求以及与被考虑的绑定组相关联的RF信道的总RF信 道带宽而提供所述每个绑定组的带宽的“公平”量。

公平性计算设备21然后识别要由利用每个RF信道的绑定组假设的该 RF信道的有限带宽的初始百分比(或比率)，以使得所有可用的RF信道 带宽都被分配。例如，宽带绑定组可被给予与三个其他绑定组共享的一条 RF信道的25％，以及被仅仅一个其他绑定组共享的另一条RF信道的 50％。初始百分比(或比率)然后可用来确定每个绑定组将基于初始百分 比所表示的可能分布(potential distribution)来接收多少RF信道带宽。

公平性计算设备21然后针对由目标带宽量表示的“公平”量、基于 可能分布来检查RF信道带宽量。如果存在差值，则初始百分比基于所计 算的需求是“不公平”的，并且因此被调节以创建新的百分比。然后针对 公平量来检查将会从新的百分比产生的带宽分配，以检查公平性。继续此 调整直到没有做出显著的改进为止(或者到了所设置数目的迭代)，然后 最后的百分比被用来在绑定组之中分配RF信道带宽。

为了理解的方便，现在将参考图2描述具体示例。绑定组A-D使用了 如图2所示的RF信道1-3。CMTS 22内的箭头PA1、PB2、PC3、PD1、 PD2和PD3指示哪些RF信道1-3被哪些绑定组A-D所使用。如通过箭头 PD1、PD2和PD3所示出的，绑定组D跨越所有三条RF信道1-3而分 布。

在第一示例中，公平性计算设备21为所有绑定组A-D计算相同的需 求。例如，如果每个绑定组A-D在其中仅有一个活动流并且每个活动流具 有相同的DOCSIS优先级，则这种情况可发生。DOCSIS优先级范围为0- 7，所以在此示例中，假设每个绑定组A-D的单个流具有DOCSIS优先级 值1。

这些需求值31然后被公平性计算设备21用来计算目标带宽量。用于 每个绑定组的目标带宽量是该绑定组的需求与所有绑定组需求的和之(在 此具体示例中每个绑定组为四分之一)比乘以总可用RF带宽(为 120Mb/s，三条RF信道每条为40Mb/s)。因此，绑定组A的“公平”量 是30Mb/s。对所有绑定组A-D示出了目标带宽量34。

初始百分比然后被公平性计算设备21选择，或者被馈送进公平性计 算设备中。在此示例中，读者可容易地推出，为了保持与DOCSIS优先级 成比例的带宽分配，初始百分比应为如下：75％的RF信道1给绑定组 A，25％的RF信道1给绑定组D，75％的RF信道2给绑定组B，25％的 RF信道2给绑定组D，等等。然而，因为实际情况可能复杂得多，所以公 平性计算设备21可为每个绑定组的所有初始比率简单地选择1/N，其中N 是共享信道的绑定组的量，例如在此示例中为1/2或50％，因为有两个绑 定组共享RF信道1。初始比率可如所描述的由公平性计算设备21选择， 或者被输入以供第一调整，但是随后的调整可使用来自先前的调整的最终 结果作为初始比率。

公平性计算设备21然后基于初始百分比来计算每个绑定组的带宽。 在此情况下，随着50％的初始比率，计算将会产生用于绑定组A-C中的每 一个的20Mb/s以及用于绑定组D的60Mb/s。

这些带宽量基于目标量34是不公平的，所以初始比率被调整以创建 新的比率。新的比率将会包括对绑定组A-C的增加和对绑定组D的减少， 因为绑定组A-C基于目标34接收了太少的带宽而绑定组D接收得太多。

虽然任何方法都可用来调整初始比率以创建新的比率，但是公平性计 算设备21使用的方案如下。公平性计算设备21根据比较找到具有最多盈 余(surplus)的第一个绑定组。公平性计算设备21然后根据比较找到具有 最多亏空(deficit)的它的“邻近”绑定组之一。邻近绑定组是与具有最 多盈余的绑定组共享至少一条RF信道的绑定组。然后，带宽从第一绑定 组移到此第二邻近绑定组。所转移的量可以是盈余量和亏空量(负数)的 和。

调整继续利用设备21检查转移之后的绑定组，以识别哪个绑定组具 有带宽的最多亏空。然后设备21选择具有最大盈余的邻居，并且因此在 这些组之间转移盈余带宽。

在这两个带宽如前两段中所讨论的进行转移之后，新的比率可就绪。 然而，应当显而易见的是，先前的段中所讨论的处理可在新的比率就绪之 前被重复任何次数。一旦新的比率就绪，调整就利用新的比率继续进行， 直到处理最终以被调整的比率37而结束(因为阈值公平性被达到或者因 为预定数目的迭代被完成)，这产生了基于目标带宽的完全公平的带宽分 配。

另一组需求值32、连同它们的目标带宽量35和它们的最终调整比率 38也被示出。对于需求值32，如最终调整比率38所示，绑定组A-C得到 了它们相关联的RF信道的50％，并且绑定组D得到了每个RF信道1-3 的50％.

最后一组需求值33示出了由于基础拓扑而不能总是达到完美的公平 性。对绑定组C的目标36是24Mb/s；然而，由于拓扑的约束，对绑定组 C的最公平带宽分配是20.1Mb/s。图3示出图95，图95针对需求值33例 示了不公平性如何随着每个额外的迭代而下降，直到不公平性在第四与第 五迭代之间收敛。在第五迭代时获得了最终比率39(图2)。如前所述， 此公平性计算设备21可在预定数目的迭代的较早时结束算法，或者在迭 代不进一步产生公平性上的改进时结束算法。图3示出了例示伴随着对需 求值93的不同设置的公平性收敛的第二图96。

再次参考图2，一旦最终比率被确定，公平性计算设备21就根据最终 比率来控制绑定组A-D从CMTS 22到线缆网络的下行部分的传输。美国 专利申请12/353,946描述了一种用于在绑定组之中分配RF带宽的技术， 虽然任何方法都可用在实现最终比率上以使得带宽因此被分配。

应当理解，由公平性计算设备21确定的最终比率对应于所确定的需 求。然而，因为所确定的需求是基于流活动的并且流活动随着时间而改 变，所以公平性计算设备21应当以规则的间隔重新计算需求并且重复上 述的处理。例如，公平性计算设备21可每五秒就重新计算需求。如果存 在随着时间的所指派的DOCSIS优先级的任何改变，则所重新计算的需求 也将呈现(address)这些改变。

可以变化具体需求计算。在优选示例中，只有流是活动的，该流的 DOCSIS优先级才被包括在该绑定组的总需求(aggregate demand)中。因 为每个流都有相关联的分组队列，所以可通过判断相关联的分组队列是否 为空来裁决活动。相关联的分组队列可在时间段期间被检查可配置的X 次，并且如果队列在阈值数目的检查中包含数据，则相关联的流会被视为 在该监控时段中活动的。取决于相关联的队列在监控时段期间是如何活动 的，其他具体需求计算可使用流的DOCSIS优先级的分数。其他具体需求 计算可使用基于具有任何活动的流的DOCSIS优先级的任何值。在这些具 体计算的任一个中，绑定组的需求基于其活动流的DOCSIS优先级。

在上述示例中，可通过调节对跨越不同RF信道扩展的宽带信道的带 宽分配，而在这两个RF信道上的两个窄带绑定组之间调节带宽分配。在 一些实例中，将没有单个宽带信道扩展跨越需要调节的窄带绑定组的两个 RF信道。在这些实例中，可能有两条宽带信道，它们每个都使用了RF信 道中的不同一条但是具有一些其他的共同RF信道。如果是这样，这些宽 带信道可被调节以在两个窄带绑定组之间“转移”带宽。如图4所示，可 进一步扩展此概念，其中通过上述处理，对宽带绑定组88中的每一个的 带宽分配可被调节，以允许增加/减少RF信道85的窄带绑定组83的带宽 分配以及减少/增加RF信道86的窄带绑定组84的带宽分配。

图5示出图2所示的示例CMTS如何动态地且公平地分配RF信道带 宽。

在块501中，或者根据预先配置的方案或者经由用户输入，CMTS 22 选择多个DOCSIS绑定组和相关联的RF信道。然后在块502中，CMTS 22通过对与为每个DOCSIS绑定组内的活动业务流指派的DOCSIS优先级 相对应的值求和，来确定该DOCSIS绑定组的总需求值。

在块503中，CMTS 22识别所选择的RF信道的总带宽。然后在块 504中，CMTS 22通过将每个绑定组的总需求乘以所识别的总带宽与所有 被确定的总需求值的和的比率，来确定用于该绑定组的目标带宽量。

在块505中，CMTS 22将每个绑定组的目标带宽与该绑定组会根据可 能的带宽分配而接收的实际带宽相比较。如果在菱形506中带宽匹配(或 者小于阈值差)，则在块507A中，CMTS 22根据比较中所使用的可能的 带宽分配来动态地分配RF信道带宽。否则，在块507B中，CMTS 22判 断此调整是否因为下述因素而完成：可能的带宽分配已被调节了X次、或 者因为被比较的可能的带宽分配与先前被比较的可能的带宽分配相比没有 提高(或者小于阈值提高)。

如果在菱形508中调整完成，则在块507A中，CMTS 22根据比较中 所使用的可能的带宽分配来动态地分配RF信道带宽。否则，如果在块 508中调整未完成，则在返回到块505之前，在块509中，CMTS 22对可 能的带宽分配进行调节以改进公平性。

以上已参考附图描述了若干优选示例。本发明的各种其他示例也是可 以的且实际的。系统可以以很多不同的形式来例示，并且不应被理解为限 于这里陈述的示例。

以上列出的图示出了本申请的优选示例以及这样的示例的操作。在图 中，框的尺寸不打算表示各种物理组件的尺寸。在相同要素出现在多幅图 中的情况下，相同的标号被用来在要素出现的所有图中标识它。

仅仅那些对向本领域的技术人员传达示例的理解而言必要的各种单元 的部分被示出和描述。未示出的那些部分和要素可以是本领域中已知的且 传统的。

上述系统可使用执行一些或全部操作的专用处理器系统、微控制器、 可编程逻辑器件或微处理器，它们在这里都可被称为电路。上述操作中的 一些可被实现在软件中，并且其他操作可被实现在硬件中。

为了方便，操作被描述为各种互连的功能块或不同的软件模块。然 而，这是不一定的，并且可能存在如下情况：这些功能块或模块被等同地 聚集在具有不清晰的边界的单个逻辑装置、程序或操作中。无论如何，功 能块和软件模块或特征可由它们自身实现，或者与硬件或软件中的其他操 作组合地来实现。

已经在本发明的优选实施例中描述并例示了本发明的原理，应当显而 易见的是，在不脱离这样的原理的情况下，可以在布置和细节中修改本发 明。发明人要求保护所附权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。