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Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Zuweisung
von Kanalkapazität
an Kommunikationsverbindungen in einem zellularen Kommunikationssystem
und spezieller, aber ohne Einschränkung auf Abfrageverfahren.
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Hintergrund
und bisheriger Stand der Technik
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Eine
Möglichkeit,
Ordnung in ein System mit mehreren Teilnehmern zu bringen, die beliebig
zugreifen wollen, ist die Verwendung einer Steuerung, die alle Teilnehmer
regelmäßig abfragt,
um ihre Dienstanforderungen festzustellen. Wenn die Anzahl der Teilnehmer
groß und
der Verkehr impulsartig ist, kann die zur Abfrage aller Teilnehmer
benötigte
Zeit eine zu große
Zusatzbelastung darstellen.
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Ein
Verfahren zur schnellen Abfrage von Teilnehmern wird Suche mit binären Bäumen genannt, wie
in Hayes, J.F. "Local
Distribution in Computer Communications", IEEE Commun. Mag., März 1981, Seite
6–14 und
Capetanakis, J., "Tree
Algorithms for Packet Broadcast Channels", IEEE Trans. Inf. Theory, Band IT25,
Sept. 1979, Seite 505–515
offen gelegt.
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US-Patent
5,818,845 zeigt ein asymmetrisches Netzwerk-Kommunikationssystem für den Einsatz
in einer Client-Server-Umgebung,
das unabhängige
Vorwärts-
und Rückkanäle hat,
die mit unterschiedlichen Datenraten und/oder mit verschiedenen Protokollen
auf demselben oder unterschiedlichen Kommunikationsmedien arbeiten,
um eine effiziente Nutzung gemeinsamer Ressourcen bereitzustellen. Ein
Netzwerkmanager, wie z. B. ein hybrides Zugangssystem, bewirkt die Übertragung
von Paketdaten auf einem Vorwärtskanal
(in Abwärtsrichtung) vom
Host-Server an mehrere Client-Geräte, die an ein gemeinsames
Medium in Abwärtsrichtung
mit 10 oder mehr Megabit pro Sekunde angeschlossen sind, während gleichzeitig
mehrere wählbare
kleinere Betriebs-Datenraten auf gemeinsamen oder gesonderten Rückkanälen (in
Aufwärtsrichtung)
von den Client-Geräten zum
Host-Server bereitgestellt werden, was abhängig von der Bandbreiten-Verfügbarkeit,
dem Bandbreitenbedarf, der Dienstebenen-Berechtigung, usw. für den Rückkanal
erfolgt.
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Im
Dokument WO 00/62491 wird ein Verfahren zur Medien-Zugangs-Steuerung in einem
zellularen Paket-System beschrieben. Es stellt ein Paket-Funknetz
bereit, das eine Kommunikation über Kanäle auf Verbindungen
in Aufwärts-
und Abwärtsrichtung
zwischen einer Basisstation und Teilnehmer-Endgeräten ermöglicht,
wobei die Basisstation so angeordnet ist, dass in Zeiten, die auf
eine Zeit folgen, in denen das Teilnehmer-Endgerät keine auf der Verbindung
in Aufwärtsrichtung
(UL) zu sendenden Teilnehmerdaten hat, die Basisstation den Kanal
in Aufwärtsrichtung
für die
Datenkommunikation mit einem anderen Teilnehmer-Endgerät nutzt
und das Teilnehmer-Endgerät
wiederholt abfragt, um festzustellen, ob es zu sendende Teilnehmerdaten
hat.
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In
US-Patent 6,223,041 B1 werden ein drahtloses Kommunikationssystem
und ein damit verbundenes Betriebsverfahren offen gelegt, in dem Funk-Ressourcen
dynamisch zugewiesen werden, um System-Störungen mit dem drahtlosen Kommunikationssystem
zu verringern. Hier werden Funk-Ressourcen (Kanäle) dynamisch zugeordnet und
neu zugeordnet, um eine ausreichende Kapazität zur Verarbeitung der erwarteten
Last bereitzustellen. Das Verfahren nutzt Last-Intervalle, die einer Zeitspanne entsprechen,
während
der eine bestimmte Kanalzuordnung bestimmt wird. Auf der Grundlage
einer geschätzten
Last für
das Last-Intervall wird eine Anzahl von Kanälen bestimmt, die für die Bearbeitung
der Last des Last-Intervalls erforlderich sind, um eine Midest-Dienstqualität einzuhalten.
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Weiterhin
bezieht sich das Dokument WO 00/60811 auf ein drahtloses lokales
Netz (WLAN) gemäß dem Standard
HIPERLAN Typ 2, in dem ein Zugangspunkt (AP) und ein mobiles Endgerät (MT) zur Kommunikation
untereinander eine Duplex-Funkverbindung benutzen, die eine MAC-Funkverbindungs-Struktur
hat, wobei der AP an verschiedenen Stellen in einem MAC-Rahmen Aufweck-PDUs
platziert, um es den MTs zu ermöglichen,
durch Maximierung der Ausschaltzeit Energie zu sparen. Wenn ein MT
authentifiziert wurde und eine Verbindung zwischen MT und AP aufgebaut
wurde, überwacht
das MT einen Rundsende-Steuerkanal (Broadcast Control Channel, BCCH)
und einen Rahmen-Steuerkanal (Frame Control Channel, FCCH) auf das
Auftreten von Gelegenheiten zum wahlfreien Zugriff, um Daten in
Aufwärtsrichtung
(UL) über
den AP zu senden. Das MT kann dann Ressourcen in Aufwärtsrichtung
anfordern, und der AP quittiert die Anforderung in einer Antwort.
Wenn ein MT Ressourcen in Aufwärtsrichtung
anfordert, beginnt ein auf einer Reservierung basierender Zugriff.
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Keines
der oben beschriebenen Dokumente konzentriert sich auf die Verringerung
der Zusatzbelastung durch den Abfragebetrieb im Rahmen der dynamischen
Zuordnung von Kanalkapazität
zu Kommunikationsverbindungen in zellularen Kommunikationssystemen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
für die
Zuordnung von Kanalkapazität
und eine verbesserte Zugangssteuerung bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung wird im Wesentlichen durch Anwendung
der in den unabhängigen
Ansprüchen
angegebenen Eigenschaften erreicht. Bevorzugte Ausführungen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur dynamischen Zuordnung
von Kanalkapazität zu
Kommunikationsverbindungen abhängig
von dem tatsächlichen
Verkehr. Im Wesentlichen wird mindestens ein Verkehrsparameter für jede aktive
logische Kommunikationsverbindung bestimmt. Diese Bestimmung bildet
die Grundlage für
die Vorhersage der Anforderungen der Kommunikationsverbindungen
an die Kanalkapazität.
Die verfügbare
Kanalkapazität des
physikalischen Kommunikationskanals wird dann den logischen Verbindungen
gemäß den vorhergesagten
Anforderungen zugeordnet.
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Alternativ
dazu wird die Zuordnung der Kanalkapazität nicht direkt auf der Grundlage
der vorhergesagten Anforderungen durchgeführt. Vielmehr wird die Abfragefrequenz
der beteiligten Endgeräte nach
ihren Anforderungen auf der Grundlage der vorhergesagten Anforderungen
an die Kanalkapazität bestimmt.
Mit anderen Worten wird die Vorhersage der Anforderungen an Kanalkapazität der Kommunikationsverbindungen
dazu benutzt festzustellen, wann eine Kommunikationsverbindung abgefragt werden
muss, um ihre Anforderung an Kanalkapazität präzise mitzuteilen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der Datendurchsatz als charakteristischer Verkehrsparameter
für jede
der Kommunikationsverbindungen bestimmt. Alternativ oder zusätzlich zu
einem oder mehreren der folgenden charakteristischen Verkehrsparameter
werden z. B. bestimmt:
- – Die Verzögerung zwischen zwei aueinander
folgenden Anforderungen nach Kanalkapazität oder die Verzögerung zwischen
zwei aufeinander folgenden Abfrage-Operationen bezüglich einer
gegebenen Kommunikationsverbindung,
- – Varianz
der Verzögerung
zwischen zwei aufeinander folgenden Anforderungen, oder
- – Anzahl
von in Aufwärtsrichtung
auf einer Kommunikationsverbindung zu übertragenen Bytes.
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In
manchen Kommunikationssystemen reicht es aus, einen oder mehrere
der charakteristischen Verkehrsparameter nur bezüglich Verbindungen in Aufwärtsrichtung
zu bestimmen, weil der Verkehr in Abwärtsrichtung der Zugangssteuerung
bekannt ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden die Anforderungen an die Kanalkapazität der individuellen
Kommunikationsverbindungen auf der Grundlage der charakteristischen Verkehrsparameter
vorhergesagt. Alternativ oder zusätzlich dazu werden Verkehrsparameter-Profile
für die
Vorhersage benutzt.
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In
diesem Fall hat die Zugangssteuerung ein oder mehrere Verkehrsparameter-Profile,
die zu bekannten Protokollen und/oder Anwendungen gehören. Zum
Beispiel hat die Zugangssteuerung ein Verkehrsparameter-Profil,
das die typischen charakteristischen Verkehrsparameter für eine Voice-Over-IP-Kommunikation
beschreibt. Ein anderes Verkehrsparameter-Profil beschreibt die
typischen charakteristischen Verkehrsparameter für Web-Browsing. Jedem der Verkehrsparameter-Profile
ist die typische Anforderung an Kanalkapazität für dieses Protokoll und/oder
diese Anwendung und/oder eine typische Abfragefrequenz zugeordnet.
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Die
charakteristischen Verkehrsparameter, die für eine spezielle Kommunikation
bestimmt wurden, werden mit den Verkehrsparameter-Profilen verglichen.
Wenn ein am besten passendes Verkehrsparameter-Profil gefunden werden
kann, wird die typische Anforderung an die Kanalkapazität für dieses Verkehrsparameter-Profil
verwendet, um die Anforderung an Kanalkapazität der entsprechenden Kommunikationsverbindung
vorherzusagen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist das zellulare Kommunikationssystem, in dem das
Verfahren der Erfindung implementiert ist, z. B. ein Kommunikationssystem
mit Zeitduplex (TDD) / Frequenzduplex (FDD) / Zeitmultiplex mit
Vielfachzugriff (TDMA) / Frequenzmultiplex mit Vielfachzugriff (FDMA)
oder mit Codemultiplex mit Vielfachzugriff (CDMA).
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TDD
definiert die Aufteilung eines Zeitrahmens in Unterrahmen für die Aufwärts- und
die Abwärts-Verbindungen.
Beim Frequenzduplex (FDD) erfolgt diese Aufteilung mittels verschiedener
Frequenzen in den Aufwärts-
und den Abwärts-Verbindungen.
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Ein
Beispiel für
ein TDD/TDMA-Kommunikationssystem ist das System Hiperlan 2.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist die Zugangssteuerung in einen Zugangspunkt des
zellularen Kommunikationssystems integriert. Jede der Zellen des
Kommunikationssystems hat einen Zugangspunkt, der den Endgeräten innerhalb
der Zelle des Zugangspunktes Dienste bereitstellt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden die Verkehrsparameter im mobilen Endgerät bestimmt
und nicht in der Zugangssteuerung Vorzugsweise werden die Verkehrsparameter
von den mobilen Endgeräten
als Protokoll-Dateneinheit
(Protocol Data Unit, PDU) zur Zugangssteuerung übertragen, zum Beispiel über einen Steuer-
oder Signalisierungskanal.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, um mobilen Endgeräten und
ihren Kommunikationsverbindungen mit dem Zugangspunkt Funk-Ressourcen,
d. h. Kanalkapazität
effizient zuzuweisen. Die Zusatzbelastung zur Durchführung von
Abfrage-Operationen wird minimiert, da die Abfragefrequenz dynamisch
geändert
und an die aktuellen Verkehrscharakteristiken jeder Kommunikationsverbindung
angepasst wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm einer Zelle eines
zellularen Kommunikationssystems mit einer Zugangssteuerung gemäß der Erfindung,
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2 zeigt eine erste Ausführung eines
Verfahrens der Erfindung,
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3 zeigt eine zweite Ausführung eines Verfahrens
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 zeigt eine Zelle eines zellularen Kommunikationssystems,
wie z. B. eines zellularen Mobilkommunikationssystems, vorzugsweise
eines Kommunikationssystems Hiperlan/2 AP. Jede der Zellen des Kommunikationssystems
hat einen Zugangspunkt (AP) 1. Dieser Zugangspunkt 1 dient zum Aufbau
von drahtlosen Kommunikationsverbindungen mit einer Anzahl von Endgeräten 2 in
den Zellen des Zugangspunkres 1. Zum Beispiel gibt es Verbindungen
in Aufwärtsrichtung
3 und Verbindungen in Abwärtsrichtung
4 zwischen dem Zugangspunkt 1 und den Endgeräten 2.
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Die
Endgeräte
2 können
jede Art elektronisches Gerät
sein, wie z. B. Mobiltelefone, mobile Computer, mobile Personal
Digital Assistance (PDA) oder Bürogeräte mit einer
drahtlosen Schnittstelle.
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Ohne
Einschränkung
der Allgemeinheit wird angenommen, dass in dem hier betrachteten
Kommunikationssystem das Zeitmultiplex verwendet wird, d. h. es
gibt einen physikalischen Kanal in jeder der Zellen, der im Zeitmultiplex
betrieben wird. Im Fall eines Hiperlan-Kommunikationssystems bedeutet dies,
dass jeder Zeitrahmen des physikalischen Kanals in Zeitschlitze
für die
Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 und die Verbindungen in Abwärtsrichtung 4
unterteilt ist. Zu Beginn jedes Zeitrahmens werden Informationen über die
Zuordnung der Zeitschlitze von Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 und Verbindungen in Abwärtsrichtung
4 zu Zeitschlitzen innerhalb des Zeitrahmens an die beteiligten
Endgeräte
2 gesendet.
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Für die Zuordnung
von Kanalkapazität
zu Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 und Verbindungen in Abwärtsrichtung
4 wird eine Zugangssteuerung 5 innerhalb des Zugangspunktes 1 bereitgestellt.
Der Zweck der Zugangssteuerung 5 ist es, zu bestimmen, welche der
Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 welchen der verfügbaren
Zeitschlitze innerhalb eines Zeitrahmens zugeordnet ist, falls vorhanden.
Auf gleiche Weise wird diese Bestimmung auch für die Verbindungen in Abwärtsrichtung
4 von der Zugangssteuerung 5 durchgeführt.
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Der
Unterschied zwischen den Verbindungen in Aufwärtsrichtung 3 und den Verbindungen
in Abwärtsrichtung
4 ist, dass die Planung für
die Verbindungen in Abwärtsrichtung
4 dahingehend deterministisch ist, dass es der Zugangssteuerung
5 bekannt ist, welche Daten im folgenden Zeitrahmen übertragen
werden müssen.
Die Zuordnung von Ressourcen für
die Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 ist nicht deterministisch, da dies von den tatsächlichen
Anforderungen der Endgeräte
2 abhängt.
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Zu
diesem Zweck enthält
die Zugangssteuerung 5 ein Modul 6, was dazu dient, die Kommunikationsparameter
für jede
der Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 zu bestimmen. Zum Beispiel werden charakteristische Verkehrsparameter,
wie der Datendurchsatz auf den Verbindungen in Aufwärtsrichtung 3
für jede
einzelne Verbindung in Aufwärtsrichtung
3 bestimmt. Alternativ werden charakteristische Verkehrsparameter,
wie die Impulsförmigkeit,
d. h. die Zwischenzeit zwischen zwei Impulsbündeln und ihre Varianz, Datenrate
und/oder Anzahl von in Aufwärtsrichtung
zu übertragenen
Bytes vom Modul 6 bestimmt.
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Die
Messung solcher charakteristischer Verkehrsparameter für jede der
Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 bildet die Grundlage zur Vorhersage der Anforderungen an die Kanalkapazität für jede der Verbindungen
in Aufwärtsrichtung
3 durch das Modul 7 der Zugangssteuerung 5. Die Zuordnung von Ressourcen,
d. h. die Zuordnung von Verbindungen in Aufwärtsrichtung 3 zu Zeitschlitzen
im folgenden Zeitrahmen, erfolgt auf der Grundlage dieser Vorhersage,
um alle vorhergesagten Anforderungen an Kanalkapazität im größtmöglichen
Umfang zu erfüllen.
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Alternativ
oder zusätzlich
enthält
das Modul 7 ein oder mehrere Verkehrsparameter-Profile, die typische
charakteristische Verkehrsparameter bestimmter Protokolle und/oder
Anwendungen beschreiben, wie z. B. Voice-Over-IP oder Web-Browsing.
Jedes dieser Verkehrsparameter-Profile hat eine zugeordnete typische
Anforderung an die Kanalkapazität
und/oder Abfragefrequenz.
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Zum
Beispiel werden im Fall von Voice-over-IP Datenpakete alle 50 bis
100 ms in Paketen von 300 Bytes übertragen.
Wenn die charakteristischen Verkehrsparameter einer der Verbindungen
in Aufwärtsrichtung
3 mit dem Verkehrsparameter-Profil für Voice-Over-IP übereinstimmen, wird diese typische
Anforderung an die Kanalkapazität,
die dem Verkehrsparameter-Profil für Voice-Over-IP zugeordnet ist, für die Zuordnung
von Ressourcen benutzt.
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Alternativ
oder zusätzlich
wird ein Abfrage-Verfahren benutzt. In diesem Fall kann die Zugangssteuerung
5 die Endgeräte
2 nach Ressourcen abfragen, und die Endgeräte 2 antworten mit Nachrichten,
welche die benötigten
Ressourcen, d. h. die Kanalkapazität, anzeigen. Für die Abfrage
kann ein Steuerkanal benutzt werden, wie z. B. im Fall von Hiperlan
der Kanal für
den wahlfreien Zugriff.
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Der
Zusatzaufwand, der für
die Abfrage erforderlich ist, wird minimiert, indem die Ergebnisse der
von Modul 7 durchgeführten
Vorhersage benutzt werden. Wenn die Vorhersage einer bestimmten
der Verbindungen in Aufwärtsrichtung
3 anzeigt, dass diese spezielle Verbindung in Aufwärtsrichtung
3 wahrscheinlich Kanalkapazität
benötigt,
wird von der Zugangssteuerung 5 eine entsprechende Abfrage-Anforderung
an das entsprechende Endgerät
2 gesendet. Das Endgerät
2 antwortet mittels einer Protokoll-Dateneinheit (PDU), welche die
präzisen Anforderungen
an die Kanalkapazität
anzeigt. In diesem Fall wird die Zuordnung von Kanalkapazität auf der
Grundlage der Ergebnisse der durchgeführten Abfrage-Operationen durchgeführt.
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Diese
beiden alternativen Lösungen
werden detaillierter in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf 2 und 3 erläutert.
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2 zeigt eine Ausführung, bei der die Zuordnung
von Ressourcen direkt auf der Grundlage der Vorhersage durchgeführt wird.
In Schritt 20 werden für
jede der Verbindungen in Aufwärtsrichtung die
charakteristischen Verkehrsparameter bestimmt. In Schritt 21 werden
auf der Grundlage der beobachteten Verkehrsparameter für jede der
Verbindungen in Aufwärtsrichtung
die benötigten
Funk-Ressourcen vorhergesagt.
Dies kann durch eine Extrapolation des bisherigen Verkehrs durchgeführt werden,
oder es können
anspruchsvollere Verfahren eingesetzt werden. Eine Möglichkeit,
die Vorhersage durchzuführen,
ist die Nutzung von Verkehrsparameter-Profilen, die bekannte Protokolle
und/oder Anwendungen beschreiben, wie mit Bezug auf 1 detaillierter
beschrieben wurde.
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In
Schritt 22 werden Zeitschlitze im folgenden Zeitrahmen einzelnen
der Verbindungen in Aufwärtsrichtung
zugewiesen, um Kanalkapazität
zuzuordnen. Diese Zuordnungen werden in Schritt 23 den Endgeräten in derselben
Zelle mitgeteilt.
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3 zeigt eine Ausführung, bei der die Zuordnung
von Kanalkapazität
nicht direkt auf der Grundlage der vorhergesagten Anforderungen durchgeführt wird,
sondern auf den konkreten Ergebnissen der durchgeführten Abfrage-Operationen basiert.
Die Schritte 30 und 31 sind analog zu den Schritten 20 und 21 von 2.
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In
Schritt 32 werden auf der Grundlage der vorhergesagten Anforderungen
an Ressourcen die Zeitpunkte bestimmt, die zur Durchführung der nächsten Abfrage-Operation
bezüglich
einzelner Endgeräte
in der betreffenden Zelle erforderlich sind. Alternativ dazu wird
in Schritt 32 eine Abfragefrequenz für alle beteiligten Endgeräte bestimmt.
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In
Schritt 33 werden die erforderlichen Abfrage-Operationen durchgeführt. Der
Schritt 34 ist analog zu Schritt 22 in 2,
die Zuordnung von Zeitschlitzen zu Verbindungen in Aufwärtsrichtung
beruht jedoch auf den Ergebnissen der Abfrage statt auf den Ergebnissen
der Vorhersage, wie es bei der Ausführung von 2 der
Fall ist.
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Schritt
35 ist äquivalent
zu Schritt 23 in 2.
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- 1
- Zugangspunkt
- 2
- Endgerät
- 3
- Verbindung
in Aufwärtsrichtung
- 4
- Verbindung
in Aufwärtsrichtung
- 5
- Zugangssteuerung
- 6
- Modul
- 7
- Modul