CN1086085C - 数字数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字数据传输系统，此系统拥有在传输方(A)和接收方(B)之间的电路交换数据连接(V.110)，该连接的额定数据传输速率可在呼叫中改变。滑动窗口数据流量控制协议被用在该数据连接上，该连接里发送方(A)已经发送但还未接收到接收方(B)发的确认信息的数据帧的数目不允许超过滑动窗口的大小。根据本发明，在数据传输系统中的改变非透明数据连接的额定数据传输容量(数据传输速率)的单元(MSC)通知该改变给发送方(A)和接收方(B)。这个信息使接收和发送方能以可控制的方式来改变滑动窗口的大小。

Description

数字数据传输系统

本发明涉及在非透明的数据连接上利用可调整窗口的滑动窗口流量控制，其中非透明的数据连接其额定数据传输速率在连接期时可以改变。

在电路交换连接上的非透明异步数据传输里，数据是按帧或“包”的形式从发送方A传送到接收方B的。除实际的用户数据以外，这些帧还包含了检错和纠错比特以使接收方能检测和有可能纠正传输错误。另外每个帧还被编号，或被用另外某种标识符标记帧的次序。在接收端检测每个接收到的帧的正确性。如果发现该帧正确，接收方就发送帧的编号以确认已经收到。如果发现某帧错误(例如因为传输错误)，则不会对该帧做进一步处理(而是“丢弃”)。例如出现帧编号不连续时，送否定确认(例如一个重传请求)。我们假设一个正确的帧编号顺序是1，2，3，4，5。于是，如果帧5跟在帧3后，则帧4丢失了，将为帧4送出一个否定确认。一旦接收端收到一个否定确认或根本无确认，它就会以预定次数重传该帧。重传的总数是有限的，使得在一个非常坏的连接中不会出现传输死循环。

在这样的连接上，用户数据的吞吐量和连接的质量有关。连接质量的恶化将导致不正确帧和丢失帧数目增加，从而也导致重传次数的增加。

而且，这些帧必须在发送端存储(缓冲)到被确认之后，使得在需要重传时这些帧仍在。为了减少必需的缓冲容量，对于确认可以使用一种基于滑动窗口的流量控制协议。依照该流量控制协议，发送方A可以在要求接收方确认之前发送多个数据帧。一个窗口表示已经送出但未被确认的连续帧的滑动序列(发送窗口)。未确认帧的最大数值等于窗口大小WS。接收方B也准备通过一个接收窗口接收WS帧数据，该窗口是可以被符合要求地接收的连续帧的滑动序列。符合所述窗口但没有按正确次序到达的帧将被收集进该接收窗口。我们假设接收到了帧1，2，5，6，7。窗口滑过帧1和2，而帧5，6和7被存储在接收窗口里等待丢失帧3和4。一旦帧3和4到达，接收窗口滑过3，4，5，6和7。当接收端确认了一个或多个帧，接收和发送窗口就滑过相应数目的帧。与发送端A必须接收到接收端发出的前一帧确认之后才发送新一帧的情况相比，通过利用滑动窗口，可以更好地利用传输信道的额定传输容量，得到更高的吞吐量。

根据上述模型的一个数据传输的一个例子是欧洲数字移动通信系统GSM里电路交换连接上的非透明异步数据传输。依照GSM规范04.22，这里的滑动窗口流量控制是无线链接协议RLP。窗口最大为61帧，这也是连接开始时的缺省值。在连接开始时，为了避免发送或接收缓冲发生溢出，通过发送方和接收方之间的联络协商，窗口大小可降低到1和61之间的某个较低的值。

当额定数据传输容量改变时，通常将导致吞吐量的变化，有时最好改变窗口大小WS，使得帧传送规则能适应新情况。通常没有办法提前知道什么时候数据传输容量会发生这样的变化。一旦未预期的变化发生，发送和接收方可以根据那些在新情况下会出现的不同信息，例如对时间监视的解释以及请求的重传和接收未准备好(RNR)消息，来对新情况下决定，这种方法中，响应在变化发生后才出现，这可能导致暂时性数据流通拥挤或传输容量未有效利用；这些问题在窗口大小WS被重新调整到适合新情况之前不大可能被解决。

在移动通信系统中限制传输容量的最重要的因素是在无线接口部分的业务信道。例如GSM系统目前不能支持高于9.6kbits/s的用户数据传输速率，这个速率是一个全速GSM业务信道的最大用户数据传输速率。

一个能在移动通信系统中实现更高的用户数据传输速率的解决方案在申请人共同未决的芬兰专利申请942190和945817(在本申请的优先权日期中没有公开)中有描述。在该方案中，在无线电波传播路径上，两个或两个以上的并行业务信道(子信道)被配置成一个高速数据连接。为了通过无线电波传播路径传输，高速数据信号在传送端被分成并行子信道，然后在接收端重新组合起来。同常规的(单信道)传输速率相比，根据配置的业务信道的数目，它允许提供传输速率甚至高达八倍的数据传输服务。在GSM系统中，例如，一个总速率为19.2kbits/s的用户数据传输速率可以通过两个分别支持速率自适应的9.6kbits/s并行子信道实现，就象现有GSM系统中的非透明9.6kbits/s承载业务里一样。

结果，在无线接口部分，一个非透明电路交换数据连接可以包含多个并行业务信道，并且在连接中业务信道的数目也可能变化。随着额定数据传输容量变化调整窗口大小的上述问题在这种通信容量可能在甚至一瞬间翻倍或增加数倍的多信道系统中特别明显。即，除非窗口大小能立即相应增大，否则虽然额定传输容量增加了，也不能有效利用所增加的额定传输容量，至少是必须经过一个较大的时延以后才能。

本发明的目的是缓和或彻底解决上述问题。

这可通过一个数字数据传输系统来实现。该系统包括一个发送方、一个接收方、一个发送和接收方之间的非透明电路交换数据连接、用于改变数据连接的数据传输容量的控制装置和一个滑动窗口数据流量控制协议。此系统中，发送端尚未从接收方接收到确认的已发送数据帧的数目不允许超过所述的滑动窗口的大小。

在一个数据传输系统中，一个用根据本发明的可调窗口实现滑动窗口数据流量控制并改变非透明数据连接的额定数据传输容量(数据传输速率)的单元，把该改变通知给发送方A或接收方B或两者。根据这信息，接收和发送方能以一种可控的方式改变滑动窗口的大小。双方A和B可以依照预先确定的规则相互独立地调整窗口大小，或开始协商窗口的大小。本发明使得在额定数据传输容量发生改变的同时作出响应成为可能，从而那些同现有技术解决方案关联的问题，如暂时性数据流通拥挤或未有效地利用传输容量，可以被彻底解决或缓和。这对单向和双向的数据传输(即双方都能发送和接收数据)都有效。

本发明将在以下参考附图进行说明，这些附图是：

图1图示一移动通信系统的一部分，本发明能应用在其中的单信道非透明连接上。

图2图示一移动通信系统的一部分，本发明能应用在其中的多信道非透明连接上。

图3是一个状态图，图解说明了当一个多信道数据连接的业务信道数增加或减少时改变窗口大小的行为。

本发明可应用在所有的其额定数据传输速率可能在连接中改变的非透明数据连接上使用可调窗口大小的滑动窗口流量控制的数字数据传输系统上。

本发明尤其适合于TDMA或CDMA类型的数字移动通信系统中的数据传输应用，如欧洲数字移动通信系统GSM、DCS1800(数字通信系统)、根据EIA/TIA暂定标准IS/41.3的移动通信系统等。

本发明将使用GSM移动通信系统作为例子在后面进行说明，但不局限于它。图1图示了构成GSM系统的基本结构的各部分，但在本应用中无需很详细地描述它们的性质或系统的其它方面。对GSM系统的更详细的描述，参照GSM规范和“The GSM System for Mobile Communications”，M.Mouly & M.Pautet，Palaiseau，France，1992，ISBN：2-9507190-0-7.

移动业务交换中心MSC建立来话的和去话的呼叫。MSC执行和公共电话交换网中的交换机相似的任务。此外，MSC还执行移动电话独有的典型功能，如用户位置管理，同网络用户登记合作(没有画出)。移动站MS同MSC通过基站系统(BSS)通信。基站系统BSS由一个基站控制器BSC和收发基站BTS组成。

GSM系统是一个时分多址(TDMA)系统。该系统中，在无线电波传播路径上的通信是时分的且存在于连续重复的TDMA帧里，每个帧由多个时隙构成。在每个时隙中传送短信息包，作为由一组调制比特组成的有限期间的射频突发一样。时隙主要用来传送控制信道和业务信道。语音和数据在业务信道传送。基站和移动站之间的信号传递在控制信道中进行。应用于GSM系统的无线接口部分的信道结构在GSM规范05.02中有更详细的说明。根据该说明书，在呼叫的开始阶段，某个载波上的一个时隙被指定给一个移动站MS作为一个业务信道(单时隙通道)。移动站MS与这个时隙同步以传送和接收射频突发。

在GSM系统中，数据连接是建立在移动站MS的终端适应功能TAF31和固定网络里的互通功能IWF41(通常和移动业务交换中心MSC有关联)之间的。数据连接是电路交换连接，它在连接的整个期间保留无线接口上的一个(或多个)业务信道。在GSM网络中，数据连接是V.110速率适应的、对V.24接口自适应的数字连接。这里所述的V.110连接是最初为ISDN技术设计的数字传输信道，它适应V.24接口并且提供传送V.24状态(控制信号)的可能。在CCITT蓝皮书V.110中描述了CCITT对V.110速率适应的连接的推荐。CCITT对V.24接口的推荐在CCITT蓝皮书V.24中提出。终端适应功能TAF使连接到移动站MS的数据终端(没有画出)适应于V.110连接，在图1中该连接通过一个业务信道chl建立在电路交换连接上。互通功能IWF使该V.110连接适应于另一个v.110网络，如ISDN或另一个GSM网络，或另一个转换网络，如公共电话交换网PSTN。

基于帧或“包”的数据在终端适应功能TAF和互通功能IWF之间传送，使用具有可调窗口大小功能的滑动窗口流量控制。该滑动窗口流量控制是根据于GSM规范04.22的无线链接协议(RLP)。在互通功能IWF之间的根据该协议的数据传送将在后面进行说明，假定，互通功能IWF是发送方A，终端适应功能TAF是接收方B。然而，应注意到即使在反方向上，即TAF-IWF，数据传送也相似地发生。

在电路交换连接上的非透明并步数据传输里，数据被按帧或“包”从发送方A传送到接收方B。除真正的用户数据以外，这些帧还包含检错比特，使得接收方能检测传输错误。每个帧还被编号或被用另外某种标识符标记帧的次序。A方存储，也即缓冲，已发送的帧，直到接收到接收方B送出的成功接收到该帧的确认。B方测试每个接收到的帧的正确性。如果某帧被确认正确，接收方就通过发送帧编号来确认接收。如果该帧没被确认正确(如因为传输错误)，则不会对该帧做进一步处理(而是“丢弃”)。例如出现帧编号不连续时，送否定的确认(例如一个重传的请求)。我们假设一个正确的帧编号循序是1，2，3，4，5。于是，如果帧5跟在帧3后，则帧4丢失了，一个否定的确认将为帧4送出。一旦接收端收到一个否定的确认或根本无确认，它就会重传该帧直到接收到确认或已经达到了最大的重传次数。重传的总数是有限的，使得在一个非常坏的连接中不会出现传输死循环。

发送方A可传送多个数据帧并且在要求接收方B的确认之前缓冲它们。这些已经发送但还未确认的连续帧的滑动序列被称作滑动发送窗口。未被确认帧的最大数目等于窗口的大小WS。同样，接收方B也准备通过一个接收窗口接收WS帧数据，该窗口是可被符合要求地接收的连续帧的滑动序列。适合所述窗口但没有按正确的次序到达的帧将被收集入该接收窗口。让我们假设帧1，2，5，6，7被接收到了。窗口滑过帧1和2，而帧5，6和7被存储在接收窗口里等待丢失的帧3和4。一旦帧3和4到达，接收窗口滑过3，4，5，6和7。当接收端确认一个或多个帧，接收和发送窗口就滑过相应数目的帧。和发送端A必须接收到接收端发出的对前一帧的确认之后才发送新的一帧的情况相比，通过利用滑动窗口，传输信道的额定传输容量可以被更好的利用，得到更高的吞吐量。

根据本发明，当在IWF-TAF之间的电路交换连接上的数据传输容量改变时，发送方(IWF或TAF)改变发送窗口大小WS，接收方B(TAF或IWF)改变接收窗口大小WS。在如图1所示的一个业务信道的情况下，传送信道的改变表示了额定传输速率在2400bits/s、4800bits/s和9600bits/s乏间的改变。改变连接的额定数据传输容量的方法不是本发明的重要部分。它可以是，比如根据GSM规范04.08(53-54，181-182页)的信道模式修改(Channel Mode Modify)方法。典型地，移动业务交换中心MSC的呼叫控制单元42参与数据连接的传输容量的改变，并且发送新的额定传输容量的有关信息给移动站MS的呼叫控制单元32。甚至移动站MS或移动业务交换中心MSC的其它功能单元也可引起或参与传输容量的改变。对本发明来说，具体是移动站MS或移动业务交换中心MSC的哪个单元或功能实现额定传输容量的改变或参与其中并不是本质的。对本发明来说，只要求这些单元或功能把新的额定数据传输容量通知给A、B或这两者，也即给IWF、TAF或它们两者。在图1的例子中假设呼叫控制单元42将额定数据传输容量的变化通知给互通功能IWF并且呼叫控制单元32提供同样的信息给终端适应功能TAF。这信息可以是实际的额定数据传输速率、它的变化、或一个简单的告警。

接收到数据传输容量改变了的信息后，A和B可以独立地根据预定的规则来调整它们的窗口大小WS以符合新的传输容量，或它们可为改变窗口大小WS开始协商。例如，假定一个非透明数据连接具有2400bits/s的额定传输容量，并且IWF和TAF在某个确定时间点接收到额定传输容量改变到4800bits/s的信息，这允许A和B在移动通信系统设置的限度内相应地改变窗口大小WS。这些限度是，举例来说，B的缓冲容量、帧编号的限制等。窗口大小可以是，举例说，在数据传输速率是9600bits/s时为61帧，在数据传输速率是4800bits/s时为32帧，在数据传输速率是2400bits/s时为16帧。这些数值可以是缺省值。根据GSM规范04.22，IWF和TAF可以通过，举例说，协商来改变它们。

在图1的例子中，描述了在一个业务信道上的数据传输，并且因此最大的可能的用户数据传输速率被这个业务信道的容量所限制，例如在GSM系统中是9600bits/s。

申请人的共同未决的芬兰专利申请942190和945817公开了一种方法。在该方法中，需要比一个业务信道能提供的数据传输速率更高速率的移动站MS在同一TDMA帧里被分配有两个或两个以上的时隙。一个多信道数据连接的最大用户数据传输速率是并行业务信道数x一个业务信道的用户数据传输速率9600bits/s。举例来说，以这种方式，用户速率19200bits/s最少地可以通过两个业务信道来提供。这个方法在本申请中被按一个在无线系统中基于多个并行业务信道实现高速数据传输的方法的例子的方式提出。关于这个方法的详细内容，请参考所述专利申请。然而，必须注意的是，对于本发明，唯一本质的要求是建立一个多业务传输连接是可能的，并且本发明只针对于当这样的一个多信道连接的传输容量因增加或减少传输信道的数目而改变时对窗口大小的调整。

图2图解说明了GSM网络的结构，这个网络实现使用多个并行业务信道的这样的一个组的电传业务。除了在图2中一个包含N个并行业务信道chl-chn(这里N＝1，2，...)的电路交换非透明连接存在于终端适应功能TAF和互通功能IWF之间以外，图2和图1是完全一样的。在一个移动站中，网络终端装置31象一个分频器(divider)一样运转，把接收自数据终端设备的高速数据信号DATA IN分割成并行业务信道chl-chn，并且象一个合并器一样把接收自并行业务信道chl-chn的低速的部分信号组合成一个高速数据信号DATA OUT。相当地，在多信道数据连接的另一端，互通功能IWF象一个分频器一样作用，把进来的高速数据信号DATA IN分割成并行业务信道chl-chn，并且象一个合并器一样把接收自并行业务信道chl-chn的低速的部分信号组合成一个高速的数据信号DATA OUT。

对于一个多数据连接，为了能尽可能有效地利用可能的传输容量和避免拥挤，在额定传输容量改变的同时能改变窗口大小WS是特别有利的。改变额定传输容量可包括改变分配给这个连接的无线信道的数目或改变一个或多个业务信道的额定传输速率。改变单个业务信道的额定传输速率就象在上述的图1中的一个业务信道的情况一样发生。

图3中的图示说明了在一个多信道数据连接的业务信道数目被增加或减少时改变窗口大小的一个方式。图2中的互通功能IWF里的窗口大小的调整方法将在下面说明。调整过程和在终端适应功能TAF中的一样。

在连接的开始阶段，当网络适配器处于初始状态300时，初始化，窗口大小的初始值WS₀被赋予一个初始值为WS_dcfault。该缺省值WS_dcfault依赖于业务信道的数目，例如当N＝1时WS_dcfault＝61。

在状态301，运行，IWF使用给定窗口大小执行一个数据传输例程。

当收到为数据连接在无线电波传播路径上分配一个新的业务信道的信息时，IWF迁移到状态302，提议新的WS。在状态302，IWF提议一个新的窗口大小WS_{proposcd，i+1}，窗口大小增加了WS_alloc，这个增加值依赖于新的业务信道数N和当前的窗口大小WS_i两者。然后IWF返回状态301。

当收到在无线电波传播路径上该数据连接所使用的一个业务信道被去分配的信息时，IWF迁移到状态303，提议新的WS。在状态303，IWF提议一个新的窗口大小WS_{proposcd，i+1}，窗口大小增加了W_Sdcalloc，这个值依赖于新的业务信道数N和当前的窗口大小WS_i两者。然后IWF返回到状态301。

从状态302或303返回到状态301后，IWF或者不同终端适应功能TAF协商就把WS_i+1＝WS_{proposcd，i+1}设置成新的窗口大小，或者开始同终端适应功能TAF协商。当连接的双方被假设几乎同时都得到了信道数改变的信息时，协商是自愿的或不必须的，这种情况下，它们可独立地将窗口大小设置成同样的值。

在无协商的情况下，IWF在状态302用新的窗口大小WS_i+1＝WS_{proposcd，i+1}来继续数据发送。

在协商发生的情况下，IWF迁移到状态304。在状态304，IWF同TAF协商窗口大小，例如遵循GSM规范04.22。作为协商的结果，窗口大小或者保持不变，WS_i+1＝WS_i，或者根据提议设置一个新的窗口大小，WS_i+1＝WS_{proposcd，i+1}或WS_i+1＞相对方的提议。然后IWF返回到状态301。

从状态304返回到状态301后，IWF使用窗口大小WS_i+1继续数据发送。

必须注意到，当一个新业务信道被分配进来时IWF在状态302中选择的窗口大小的增加值不必须同当同样量的业务信道被去分配时IWF在状态303中选择的窗口大小减小值一样大小。

根据图3所示的状态图，多个业务信道可以被同时分配进来或去分配。例如，这可以通过执行状态302或303的改变操作多次，每次一个业务信道来进行；或通过经一次状态302或303的操作来执行对应于信道数总变化的窗口大小的改变来进行。在这种情况下，窗口大小的变化不必须是在单个信道而言的变化的总和。

业务信道是被典型地分配或去分配，也就是说，业务信道被移动业务交换中心MSC，较好的是被它的呼叫控制单元42，加进一个数据连接或从一个数据连接中去掉，然后它把关于分配的业务信道的信息通知给移动站MS，较好的是给它的呼叫控制32。

从本发明的观点来看，把业务信道分配给一个数据连接的方法，或参加分配操作的单元或功能，不是本质的。对于本发明而言，唯一本质的是，参加一个多业务连接中的业务信道的分配操作的或参加额定数据传输速率的改变的单元或功能发送有关变化的信息给互通功能IWF或给终端适应功能TAF或两者。在图2所示的例子中，呼叫控制单元42发送有关改变了的额定传输容量的信息给IWF，而呼叫控制单元32发送该信息给TAF。

即使本发明已经参照几个确定的实施方式予以说明，还应理解这些说明只是倾向于针对于例子而言的，在不偏离本发明在附加的权利要求书中阐明的精神和范围的前提下对现有的实施方式可以改变和修改。

Claims (8)

1.数字数据传输系统，包括发送方、接收方、在发送方与接收方之间的非透明电路交换数据连接、改变数据连接的数据传输容量的控制装置和一个滑动窗口数据流量控制协议，其中，发送方已经发送的但还未从接收方接收确认的数据帧的数目不允许超过所述滑动窗口的大小，其特征在于，发送方和接收方被安排成当它们中某个或两个从所述控制装置接收到数据连接的数据传输容量改变的信息时改变所述滑动窗口的大小。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的发送方和所述的接收方被安排成根据预定规则而不经过共同协商来独立地改变窗口大小。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的发送方和所述的接收方被安排成通过共同协商来改变窗口大小。

4.在权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的数据传输系统是一个其中的数据连接在无线电波传播路径上包含一个业务信道的多址接入移动通信系统；并且在于改变数据连接的数据传输容量涉及改变在业务信道上的数据传输速率；还在于窗口大小的改变依赖于数据传输速率。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该数据传输系统是一个多址接入移动通信系统，该系统中的数据连接在无线电波传播路径上包含了一个业务信道或多个业务信道；并且在于改变数据连接的数据传输容量涉及改变分配给数据连接的业务信道数；并且窗口大小的改变依赖于所述业务信道的数目。

6.如权利要求1到5的任一个所描述的系统，其特征在于，所述的发送方是终端适应功能，所述的接收方是互通功能。

7.如权利要求1到5的任一个所描述的系统，其特征在于，所述的发送方是移动通信网络中的互通功能，所述的接收方是移动站中的终端适应功能。

8.如权利要求1到5的任一个所述的系统，其特征在于，所述的控制装置包含一个移动业务交换中心。

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