DE60302160T2

DE60302160T2 - Verfahren und vorrichtung zur anpassung eines verbindungsparameters anhand der kanalqualität

Info

Publication number: DE60302160T2
Application number: DE60302160T
Authority: DE
Inventors: Jens Jelitto; Andre Noll Barreto; Linh Hong TRUONG
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: JP3962405B2; EP1518344B1; EP1518344A2; WO2004004194A3; WO2004004194A2; CN1692594A; KR20050016440A; CN100353697C; WO2004004194A8; DE60302160D1; US8102939B2; AU2003244918A1; US20080259785A1; JP2005531968A; US20050286410A1; KR100702505B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anpassung von Übertragungsparametern an die aktuelle Qualität eines Übertragungskanals. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Anpassung einer veränderlichen Übertragungsgeschwindigkeit oder einer Paketlänge oder von beidem an die Kanalbedingungen in einem drahtlosen lokalen Netz.
GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG
Drahtlose lokale Netze (WLANs) wurden zur Datenübertragung entwickelt und sind in der Industrie gut aufgenommen worden und mittlerweile weit verbreitet. Zwei drahtlose Breitband-LANs (WLANs) sind im 5-GHz-Band standardisiert worden, nämlich IEEE 802.11a und ETSI HIPERLAN/2. Die Bitübertragungsschichten beider Standards sind sehr ähnlich: beide verwenden ein als "Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren" (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) bezeichnetes Modulationsverfahren und können bis zu 8 verschiedene Übertragungsmodi mit Übertragungsgeschwindigkeiten im Bereich von 6 MBit/s bis zu 54 MBit/s bereitstellen. Diese Fähigkeit zu mehreren Geschwindigkeiten ermöglicht einer WLAN-Station die Auswahl eines Übertragungsmodus, der am besten an die aktuelle Funkkanalqualität angepasst ist, um die bestmögliche Leistung zu erreichen.
Im Allgemeinen wird die anpassungsfähige Einstellung der Übertragungsgeschwindigkeiten ausgeführt, indem ein Empfänger die Kanalverbindungsqualität ermittelt, wobei aus dieser Ermittlung die bei künftigen Übertragungen zu verwendende Geschwindigkeit abgeleitet wird und diese Daten zurück zum Sender übertragen werden. Die Hauptprobleme bei einem leistungsfähigen Verbindungsanpassungsmechanismus sind die Festlegung der bei der Ermittlung der Verbindungsqualität zu verwendenden Parameter, z.B. die Paketfehlerrate, das Signal-Rausch-Verhältnis, die empfangene Signalstärke, das Träger-Störungs-Verhältnis (carrier to interference ratio) usw., die Art und Weise der Messung derselben und die Art und Weise der Auswahl der geeigneten Geschwindigkeit aus den Messergebnissen.
Bei HIPERLRN/2 ist ein Zugriffspunkt (Access Point, AP) dafür zuständig, irgendeinen der verfügbaren Modi der Bitübertragungsschicht (PHY) für die Übertragungen in Abwärts- und Aufwärtsrichtung auszuwählen. Ein mobiles Endgerät (Mobile Terminal, MT) misst fortlaufend die Qualität der Abwärtsverbindung und schlägt dem AP eine geeignete Übertragungsgeschwindigkeit in Abwärtsrichtung vor. Für die Aufwärtsverbindung führt der AP selbst die Ermittlung der Verbindungsqualität aus. Der Standard gibt jedoch nicht an, wie die Ermittlung der Verbindungsqualität und die entsprechende Auswahl des Übertragungsmodus ausgeführt werden. S. Simoens und D. Bartolomé beschreiben in ihrem Artikel "Optimum performance of link adaptation in HIPERLAN/2 networks", VTC 2001, ein Verfahren zum Ermitteln des SNIR (Signal-Rausch- plus Störungsverhältnis)(Signal to Noise plus interference Ratio) und zum Festlegen der Übertragungsgeschwindigkeit auf der Grundlage dieser Ermittlung, die den Durchsatz eines HIPERLAN/2-Netzes maximieren würde. Ähnlich untersuchten Z. Lin, G. Malmgren und J. Torsner in ihrem Artikel "System Performance Analysis of Link Adaptation in HiperLAN Type 2", VTC Fall 2000, die Leistungsfähigkeit der Verbindungsanpassung von HIPERLAN/2, wenn ein C/I (Träger-Störungs-Verhältnis) als Verbindungsqualitätsparameter verwendet wird.
Der Standard IEEE 802.11 gibt lediglich an, welche Übertragungsgeschwindigkeiten für welche Typen von MAC-(Medium Access Control Layer-)Rahmen gestattet sind, jedoch nicht, wie und wann zwischen den zulässigen Geschwindigkeiten hin- und hergeschaltet werden muss. Außerdem wird kein Signalübertragungsmechanismus angegeben, der es einem Empfänger ermöglichen würde, den Sender über die Qualität des Übertragungskanals oder die zu verwendende Geschwindigkeit zu informieren. Der Sender kann die Geschwindigkeit zu jedem beliebigen Zeitpunkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Paketen ändern, jedoch nicht mitten in einer Folge von MAC-Rahmen, die zu demselben Paket gehören. Die Geschwindigkeit, mit der ein MAC-Rahmen übertragen wird, wird im Vorsatz der Bitübertragungsschicht (dem sogenannten PLCP-Vorsatz) codiert, der mit einer feststehenden Geschwindigkeit (6 MBit/s im Falle von IEEE 802.11a) übertragen wird, die von allen Stationen unterstützt wird. Nach der erfolgreichen Decodierung des PLCP-Vorsatzes schaltet der Empfänger folglich auf die angezeigte Geschwindigkeit, um den MAC-Rahmen zu empfangen.
Obwohl WLANs gemäß IEEE 802.11 immer beliebter werden, wurde wenig über die Geschwindigkeitsanpassungsverfahren veröffentlicht, die auf diese Netze angewandt werden könnten. A. Kamerman und L. Montean beschreiben in "WaveLAN-II: A High-Performance Wireless LAN for the Unlicensed Band", Bell Labs Technical Journal, Sommer 1997, Seiten 118 bis 133, ein in WaveLAN-II-Einheiten von Lucent verwendetes Verfahren. Im Grunde genommen handelt es sich dabei um ein automatisches Verfahren zum Umschalten zwischen zwei Übertragungsgeschwindigkeiten, wobei die hohe die Standardbetriebsgeschwindigkeit ist. Die Einheit schaltet nach zwei aufeinanderfolgenden Übertragungsfehlern automatisch auf die geringe Geschwindigkeit und nach zehn erfolgreichen Übertragungen oder nach einer Zeitlimitüberschreitung zurück zur hohen Geschwindigkeit.
Wie oben erwähnt wurde, gibt der IEEE-Standard 802.11 nicht an, wie die Umschaltung der Geschwindigkeit im Falle von PHY-Schichten mit mehreren Geschwindigkeiten ausgeführt werden soll. Er gibt lediglich an, welche Geschwindigkeiten zur Übertragung welcher MAC-Rahmen verwendet werden müssen. Er stellt auch kein Protokollmittel für einen Empfänger bereit, um den Sender über die tatsächliche Verbindungsqualität oder die zu verwendende Übertragungsgeschwindigkeit zu informieren. Aus diesem Grund kann das von G. Holland et al. in "A Rate-Adaptive MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Networks", ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MOBICOM'01), Rom, Italien, Juni 2001, beschriebene Verbindungsanpassungsverfahren nicht auf aktuelle WLANs gemäß dem IEEE-Standard 802.11 angewandt werden, da es auf dem Prinzip beruht, dass der Empfänger die Verbindungsqualität ermittelt und vom Sender fordert, auf eine geeignetere Übertragungsgeschwindigkeit umzuschalten.
Der Artikel von Yo-Dong Yao "An Effective Go-Back-N ARQ Scheme for Variable-Error-Rate Channels", in IEEE Transactions and Communications, Band 43, Nr. 1, 1995, Seiten 20 bis 23, ISBN: 0090-6678, betrifft ein Go-back-N-ARQ-(Automatic-Repeat-Request-)Schema, das den Kanalzustand auf der Grundlage von empfangenen Bestätigungsnachrichten (acknowledge messages) schätzt und seinen ARQ-Betriebsmodus anpassungsfähig umschaltet.
Die internationale Veröffentlichung WO 02/25856 betrifft ein System, das drahtlose Verbindungsparameter für eine drahtlose Kommunikationsverbindung anpasst. Es wird eine Messung von Fehlern ausgeführt, die in Datenaustauschvorgängen über eine drahtlose Verbindung auftreten. Falls die Messung von Fehlern mehr Fehler als ein erster festgelegter Schwellenwert ergibt, wird der Datenaustausch von einem ersten Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen zu einem zweiten Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen geändert. Der zweite Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen entspricht einer höheren Fehlertoleranz als der erste Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen. Falls die Fehlermessung weniger Fehlern als ein zweiter festgelegter Schwellenwert entspricht, wird der Datenaustausch vom ersten Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen zu einem dritten Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen geändert. Der dritte Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen entspricht einer geringeren Fehlertoleranz als der erste Satz von Parametern für drahtlose Verbindungen. Die Fehlermessung wird durch Überwachen einer Anzahl von auftretenden NACK-Nachrichten und einer Anzahl von auftretenden ACK-Nachrichten ausgeführt. Es wird festgestellt, dass die Fehlermessung mehr Fehlern als der erste festgelegte Schwellenwert entspricht, wenn mehr als eine festgelegte Anzahl von NACK-Nachrichten in Folge auftreten. Es wird festgestellt, dass die Fehlermessung weniger Fehlern als der zweite festgelegte Schwellenwert entspricht, wenn mehr als eine festgelegte Anzahl von ACK-Nachrichten in Folge auftreten.
Aus dem Obigen folgt, dass nach dem Stand der Technik noch immer ein Bedarf an einem verbesserten und leistungsfähigen Verbindungsanpassungsverfahren besteht. Außerdem müssen die lediglich auf der Senderseite verfügbaren Daten ausreichen, um zu ermitteln, ob die tatsächliche Verbindungsqualität besser oder schlechter wird.
ZUSAMMENFASSUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Anpassen eines Übertragungsparameters in einem Sendeknoten eines Datenübertragungssystems an die aktuelle Verbindungsqualität eines Datenübertragungskanals bereitgestellt. Der angepasste Übertragungsparameter wird in Abhängigkeit von einer Anzahl von erfolgreichen Übertragungen s vom Sendeknoten aus einem Satz von Übertragungsparametern ausgewählt. Die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s wird im Sendeknoten mit einem aus einem ersten Wert s1, der einem ersten Zustand des Sendeknotens entspricht, und einem zweiten Wert s2 verglichen, der einem zweiten Zustand des Sendeknotens entspricht. Das Verfahren umfasst im Sendeknoten die Schritte (a) des Zählens der Anzahl erfolgreicher Übertragungen s; (b) des Auswählens des angepassten Übertragungsparameters (b1) in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s gleich dem ersten Wert s1 ist oder diesen überschreitet, wenn der Sendeknoten sich im ersten Zustand befindet, und (b2) in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s gleich dem zweiten Wert s2 ist oder diesen überschreitet, wenn der Sendeknoten sich im zweiten Zustand befindet; und in Abhängigkeit vom Ergebnis einer folgenden Übertragung Betreiben des Sendeknotens in einem aus dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand. Der erste Wert s1 wird im Folgenden auch als erster Schwellenwert s1 und der zweite Wert s2 auch als zweiter Schwellenwert s2 bezeichnet.
Vorzugsweise ist der zweite Schwellenwert s2 größer als der erste Schwellenwert s1, da der erste Zustand sodann einer Verbindung mit einer sich schnell ändernden Qualität und der zweite Zustand einer Verbindung mit einer sich langsam ändernden Qualität entsprechen kann.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren zum Anpassen einer veränderlichen Übertragungsgeschwindigkeit an die Verbindungsqualität verwendet werden, wobei mehrere Übertragungsgeschwindigkeiten unterstützt werden. Das Auswählen des angepassten Übertragungsparameters im Schritt (b), der auch als ein Umschalten auf den angepassten Übertragungsparameter angesehen wird, umfasst sodann das Umschalten auf eine andere Übertragungsgeschwindigkeit. Dies ermöglicht die Anpassung der veränderlichen Übertragungsgeschwindigkeit an gegebene Kanalbedingungen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des Auswählens des angepassten Übertragungsparameters außerdem das Auswählen einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit aus mehreren Übertragungsgeschwindigkeiten umfassen. Außerdem kann eine andere als die zuvor verwendete Paketlänge verwendet werden. Außerdem können die veränderliche Übertragungsgeschwindigkeit, die verschiedenen Paketlängen oder andere Parameter kombiniert werden. Dies zeigt den Vorteil, dass mehrere Übertragungsparameter an die jeweiligen Kanalbedingungen angepasst werden können.
Der Schritt des Betreibens des Sendeknotens im zweiten Zustand umfasst den Übergang in den ersten Zustand im Falle einer fehlerhaften Übertragung. Dies hat den Vorteil, dass er direkt aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand geschaltet werden kann, wodurch sich schnell ändernde Kanalbedingungen bewältigt werden können.
Das Setzen des ersten Schwellenwertes s1 auf 3 und des zweiten Schwellenwertes s2 auf 10 führt zu einer hervorragenden Leistung bei zeitveränderlichen Kanälen.
Das Verfahren kann außerdem das Zählen einer Anzahl von fehlerhaften Übertragungen f und das Auswählen der angepassten Übertragungsparameter bei einem Schwellenwert der Anzahl fehlerhafter Übertragungen f_T umfassen. Dies hat den Vorteil, dass auch fehlerhafte Übertragungen berücksichtigt werden und eine geeignete Reaktion, z.B. das Verringern der Übertragungsgeschwindigkeit, entsprechend angewandt werden kann. Mit anderen Worten, dies kann beispielsweise das Umschalten auf eine niedrigere Übertragungsgeschwindigkeit unmittelbar nach einer fehlerhaften Übertragung bedeuten.
Das Setzen des Schwellenwertes der Anzahl fehlerhafter Übertragungen f_T auf 1 führt zu wünschenswerten Ergebnissen.
Das Verfahren kann außerdem das Auswählen der Übertragungsparameter umfassen, die von einem antwortenden Knoten verwendet werden, der auch als Empfänger oder Station bezeichnet wird. Beispielsweise wird die von dieser Station verwendete Übertragungsgeschwindigkeit berücksichtigt. Dies ermöglicht die sofortige Verwendung dieser Geschwindigkeit bei weiteren Datenübertragungsvorgängen und kann folgendermaßen ausgeführt werden. Wenn der Sendeknoten oder die Sendestation, der bzw. die auch als Sender bezeichnet wird, einen Rahmen von einer Partnerstation (peer station), d.h. dem Empfänger, korrekt empfängt, überprüft sie, ob dieser Rahmen mit einer anderen Übertragungsgeschwindigkeit als der aktuell für das Senden von Rahmen an diese Station verwendeten Geschwindigkeit übertragen wurde. Ist dies der Fall, kann der Sender seine Übertragungsgeschwindigkeit mit der vom Partner verwendeten Geschwindigkeit aktualisieren. In einer bevorzugten Ausführungsform aktualisiert der Sender nur, falls die vom Partner verwendete Übertragungsgeschwindigkeit höher ist.
Das Verfahren stellt im Grunde genommen einen dynamischen Verbindungsanpassungsmechanismus bereit, der auf eine mit der aktuellen MAC-Spezifikation IEEE 802.11 kompatible Weise ausgeführt werden kann. Unter Verwendung des Mechanismus kann ein mit IEEE 802.11 konformer Sender erkennen, ob die Qualität einer Verbindung mit einem bestimmten Ziel zu- oder abnimmt, und aufgrund dieser Daten die angepassten Übertragungsparameter auswählen bzw. auf diese umschalten.
Im Allgemeinen nutzt der Verbindungsanpassungsmechanismus die Tatsache, dass der Sender keine ACK (Bestätigung) für einen an einen bestimmten Empfänger gesendeten Datenrahmen als Anzeige dafür empfängt, dass die Qualität der Verbindung mit diesem Empfänger sich verschlechtert hat und daher bei künftigen Übertragungen an diesen Empfänger z.B. eine niedrigere Übertragungsgeschwindigkeit verwendet werden muss. Falls der Sender andererseits erfolgreich mehrere Datenrahmen an einen bestimmten Empfänger gesendet hat, geht er davon aus, dass die Qualität der Verbindung sich verbessert hat und daher bei künftigen Übertragungen z.B. eine höhere Geschwindigkeit verwendet werden muss.
Es ist vorteilhaft, dass der Mechanismus nur Daten verwendet, die auf der Senderseite verfügbar sind, um festzustellen, ob die tatsächliche Verbindungsqualität sich verbessert oder verschlechtert, und daher erstens keinen verfügbaren Rückführungskanal benötigt und zweitens konform mit den Standards bleibt. Dies kann durch die sogenannte Fehlerbehebungsprozedur (error recovery procedure) ausgeführt werden, die in der MAC-(Medium Access Control-)Schicht des IEEE-Standards 802.11 definiert wird.
Das oben beschriebene Verbindungsanpassungsverfahren kann ausgeführt werden, indem der Sender für eine bestimmte MAC-Zieladresse zwei Zähler verwaltet, einen für erfolgreiche Übertragungen und einen für fehlgeschlagene Übertragungen. Falls ein Rahmen erfolgreich übertragen wird, wird der Erfolgszähler um eins erhöht und der Fehlerzähler auf null zurückgesetzt; auf ähnliche Weise wird, falls eine Übertragung fehlschlägt, der Fehlerzähler um eins erhöht und der Erfolgszähler auf null zurückgesetzt. Falls der Fehlerzähler einen bestimmten Schwellenwert f_T erreicht, wird die Übertragungsgeschwindigkeit für das entsprechende Ziel verringert und der Fehlerzähler auf null zurückgesetzt. Auf ähnliche Weise wird, falls der Erfolgszähler einen bestimmten Schwellenwert s_T erreicht, d.h. den ersten Schwellenwert s1 oder den zweiten Schwellenwert s2, zum Beispiel die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht und der Erfolgszähler auf null zurückgesetzt.
Unter einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Anpassen eines Übertragungsparameters an die aktuelle Verbindungsqualität eines Datenübertragungskanals bereitgestellt. Der angepasste Übertragungsparameter wird in Abhängigkeit von einer Anzahl erfolgreicher Übertragungen s aus einem Satz von Übertragungsparametern ausgewählt. Die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s wird mit einem ersten Schwellenwert s1, der einem ersten Zustand der Vorrichtung entspricht, oder mit einem zweiten Schwellenwert s2 verglichen, der einem zweiten Zustand der Vorrichtung entspricht. Die Vorrichtung umfasst einen Erfolgszähler zum Zählen der Anzahl erfolgreicher Übertragungen. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Auswahleinheit zum Auswählen des angepassten Verbindungsparameters in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s gleich dem ersten Schwellenwert s1 ist oder diesen überschreitet, wenn die Vorrichtung sich im ersten Zustand befindet, und in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s gleich dem zweiten Schwellenwert s2 ist oder diesen überschreitet, wenn die Vorrichtung sich im zweiten Zustand befindet. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Entscheidungseinheit 14, die in Abhängigkeit vom Ergebnis einer folgenden Übertragung die Auswahleinheit 12 darüber benachrichtigt, im ersten oder zweiten zustand zu arbeiten.
Außerdem kann die Vorrichtung einen Fehlerzähler zum Zählen der Anzahl fehlerhafter Übertragungen umfassen, wodurch es möglich wird, unmittelbar auf Übertragungsfehler zu reagieren.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezugnahme die folgenden schematischen Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Datenaustauschumgebung mit einer Sende- und einer Empfangsstation.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zustandsübergangsdiagramms, wie es von der Sendestation angewandt werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Leistung gemäß IEEE 802.11a in einem zeitveränderlichen Kanal.
Die Zeichnungen werden lediglich zur Veranschaulichung bereitgestellt und stellen nicht unbedingt praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung in einer breiten Vielfalt von Übertragungsanwendungen angewandt werden kann, wird sie mit Schwerpunkt auf einer Anwendung in drahtlosen Systemen, d.h. drahtlosen lokalen Netzen (WLANs) beschrieben, wobei ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) verwendet wird, wie es in den WLAN-Standards IEEE 802.11a und HIPERLAN/2 verwendet wird. Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, werden einige Grundlagen gemäß der vorliegenden Erfindung angegangen.
Da die Erfindung Nutzen aus der so genannten Fehlerbehebungsprozedur zieht, die in der MAC-(Medium Access Control-)Schicht des IEEE-Standards 802.11 definiert wird, wird diese Fehlerbehebungsprozedur im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Die grundlegende Zugriffsprozedur gemäß IEEE 802.11 ist eine verteilte Prozedur, die auf dem bekannten in Ethernet-LANs (lokalen Netzen) verwendeten Verfahren des Mehrfachzugriffs durch Trägerprüfung (Carrier Sense Multiple Access, CSMA) beruht. Eine Station mit einem anstehenden Datenpaket muss den Zustand des drahtlosen Mediums prüfen, bevor sie senden kann. Falls das Medium länger als eine festgelegte Zeitspanne frei ist, kann sie mit der Übertragung fortfahren. Andernfalls wartet sie zunächst, bis das Medium frei wird, erzeugt sodann eine zufällige Wartezeit (backoff time), bevor sie zu senden versucht, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit anderen Stationen auf ein Minimum herabzusetzen. MAC-(Medium Access Control-)Rahmen werden mittels eines Rahmenprüffolgen-(FCS-)Feldes (frame check sequence (FCS) field), das eine zyklische 32-Bit-Blockprüfungssumme (CRC) enthält, und mittels eines einfachen automatischen Wiederholungsanforderungs-(ARQ-)Mechanismus vor Fehlern (aufgrund von Übertragungsfehlern oder Kollisionen) geschützt. Falls der Empfänger eines MAC-Rahmens einen CRC-Fehler erkennt, wird der Rahmen gelöscht. Falls ein MAC-(Medium Access Control-)Rahmen andererseits keinen CRC-Fehler enthält, wartet der Empfänger eine kurze, vordefinierte SISF-(Short Inter-Frame Space)Zeit ab und sendet einen ACK-(Bestätigungs-)Rahmen zurück an den Sender. Falls der Sender innerhalb einer angegebenen Zeit keinen ACK-Rahmen empfängt, nimmt er an, dass der gesendete Rahmen gestört ist, und sendet den Rahmen nach einer zufälligen Wartezeit erneut. Die Prozedur wird wiederholt, bis der Sender einen ACK-Rahmen vom Empfänger empfängt oder eine maximale Anzahl von Wiederholungen erreicht worden ist.
Im Allgemeinen hängt die Leistungsfähigkeit des gezeigten Verbindungsanpassungsmechanismus von den Schwellenwerten für die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s und fehlerhafter Übertragungen f ab. Eine erfolgreiche Übertragung wird als Empfang eines ACK-Rahmens angesehen. Falls innerhalb einer bestimmten Zeit kein ACK-Rahmen empfangen wird, wird eine fehlerhafte Übertragung angenommen. Insbesondere wird ein Erfolgsschwellenwert s_T durch einen ersten Schwellenwert s1, der einem ersten Zustand H entspricht, oder einen zweiten Schwellenwert s2, der einem zweiten Zustand L entspricht, für die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s dargestellt. Ein Fehlerschwellenwert f_T wird für die Anzahl fehlerhafter Übertragungen f eingestellt. Im Folgenden wird die Auswirkung dieser Werte betrachtet.
Mit dem Fehlerschwellenwert f_T der Anzahl fehlerhafter Übertragungen f kann gesteuert werden, wie lange ein Sender z.B. bei einer bestimmten Geschwindigkeit bleiben muss, bevor er annehmen kann, dass die Verbindungsqualität sich verschlechtert, so dass er auf eine niedrigere Geschwindigkeit schalten muss. Ein hoher Wert des Fehlerschwellenwertes f_T kann die Leistungsfähigkeit negativ beeinflussen, insbesondere wenn die Verbindungsqualität sich rasch verschlechtert.
Verschiedene Simulationsläufe haben gezeigt, dass ein guter Wert für den Fehlerschwellenwert f_T eins ist, d.h. der Sender muss unmittelbar nach einer fehlerhaften Übertragung auf eine niedrigere Geschwindigkeit schalten, unabhängig davon, wie schnell sich die Qualität der Verbindung ändert. Die Leistungsfähigkeit einer solch konservativen Reaktion, auch wenn die Qualität sich sehr langsam oder überhaupt nicht ändert, wird durch die Tatsache erklärt, dass Übertragungen mit einer niedrigeren Geschwindigkeit stets eine größere Erfolgschance haben, insbesondere wenn die Qualität des Kanals wirklich schlechter geworden ist.
Der Erfolgsschwellenwert s_T, der gleich dem ersten Schwellenwert s1 oder dem zweiten Schwellenwert s2 sein kann, definiert die maximale Anzahl erfolgreicher Übertragungen s, die der Sender erreichen muss, bevor er annehmen kann, dass die Verbindungsqualität sich verbessert hat, so dass er z.B. auf die nächsthöhere Übertragungsgeschwindigkeit schalten muss. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Leistungsfähigkeit des verbindungsanpassungsmechanismus empfindlich für den Wert des Erfolgsschwellenwertes s_T und daher für seinen ersten Schwellenwert s1 und seinen zweiten Schwellenwert s2 ist. Mit Bezugnahme auf 3 kann der Durchsatz einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung als eine Funktion der sogenannten Dopplerstreuung (Doppler spread) dargestellt werden, die als die maximale Frequenz definiert ist, mit der die Kanalbedingungen sich ändern. Geringe Dopplerstreuungswerte entsprechen Verbindungen mit einer sich langsam ändernden Qualität, und hohe Dopplerstreuungswerte entsprechen Verbindungen mit einer sich schnell ändernden Qualität. Wenn die Verbindungsqualität sich langsam ändert, führt ein hoher Wert für den Erfolgsschwellenwert s_T zu einer besseren Durchsatzleistung. Es wurde jedoch erkannt, dass der Sender bei einem hohen Wert für den Erfolgsschwellenwert s_T nicht rasch genug auf eine schnelle Verbesserung der Verbindungsqualität reagiert. Der Sender verwendet noch immer eine niedrige Übertragungsgeschwindigkeit, obwohl die Qualität der Verbindung bereits die Verwendung einer höheren Geschwindigkeit ermöglicht.
Mit Bezugnahme auf 1 wird der allgemeine Aufbau eines Datenübertragungssystems 8 beschrieben, in dem die Anpassung eines Übertragungsparameters in einem Sendeknoten 1 an die aktuelle Verbindungsqualität eines Datenübertragungskanals 7 verwendet werden kann. Wie in 1 gezeigt wird, kann ein Signal über den Kanal 7 übertragen werden. Normalerweise umfasst das Signal einen oder mehrere Rahmen. Die dargestellte Ausführungsform betrifft den IEEE-Standard 802.11a, der ein Übertragungsschema des orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens (OFDM) im 5-GHz-Band mit veränderlichen Übertragungsgeschwindigkeiten, d.h. von 6 MBit/s bis zu 54 MBit/s, unterstützt. 1 zeigt den Sendeknoten 1, der im Folgenden als Sender 1 bezeichnet wird, und einen empfangenden oder antwortenden Knoten 2, der im Folgenden als Empfänger 2 bezeichnet wird. Der Sender 1 befindet sich an einer ersten Position, während der Empfänger 2 sich an einer zweiten Position befindet. Mehrere Empfänger 2 können innerhalb eines WLAN angeordnet werden (nicht gezeigt). Der Sender 1 umfasst eine erste Sendeantenne 3, über die ein im Folgenden als gesendetes Signal bezeichnetes Signal gesendet wird, und eine erste Empfangsantenne 4, mit der ein ACK-(Bestätigungs-)Signal, aber auch weitere Daten empfangen werden können. Beide Antennen 3, 4 können außerdem eine Einheit bilden. Der Sender 1 umfasst einen Erfolgszähler 10, der mit einer Auswahleinheit 12 verbunden ist, die außerdem mit einer Entscheidungseinheit 14 verbunden ist. Der Sender 1 umfasst außerdem einen Fehlerzähler (nicht dargestellt), der mit dem Erfolgszähler 10 kombiniert werden kann. Der Erfolgszähler 10 zählt jedes Mal die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s, wenn ein ACK-(Bestätigungs-)Signal über die erste Empfangsantenne 4 empfangen wird, da das gesendete Signal in diesem Fall vom Empfänger 2 empfangen und bestätigt wurde. Die Auswahleinheit 12 ruft die Anzahl erfolgreicher Übertragungen vom Erfolgszähler 10 ab und schaltet dementsprechend auf einen angepassten Übertragungsparameter, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Der angepasste Übertragungsparameter kann eine andere Übertragungsgeschwindigkeit, eine andere Paketlänge oder eine Kombination aus beiden sein. Ein Satz von Übertragungsparametern oder mehrere verschiedene davon können bereitgestellt und verwendet werden. Die Entscheidungseinheit 14 benachrichtigt die Auswahleinheit 12 in Abhängigkeit vom Ergebnis einer nachfolgenden Übertragung, welchen Zustand die Auswahleinheit 12 für ihre weitere Verarbeitung verwenden muss. Die Auswahleinheit 12 und die Entscheidungseinheit 14 können eine Einheit bilden. Das Verfahren der Verarbeitung in der Auswahleinheit 12 wird mit Bezugnahme auf 2 ausführlich beschrieben.
Der Empfänger 2 umfasst eine zweite Empfangsantenne 5, mit der das erwähnte gesendete Signal oder Daten empfangen werden. Eine zweite Sendeantenne 6 wird zum Aussenden des ACK-(Bestätigungs-)Signals verwendet, falls gültige Daten empfangen wurden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zustandsübergangsdiagramms, das den Mechanismus zeigt, wie er vom Sender 1 in der Auswahleinheit 12 angewandt werden kann. Der Mechanismus ermöglicht es, die Änderungsgeschwindigkeit der Verbindungsqualität qualitativ zu ermitteln und dynamisch zwischen einem ersten Wert s1, der auch als erster Schwellenwert s1 bezeichnet wird, der einem ersten mit H bezeichneten Zustand entspricht, und einem zweiten Wert s2, der auch als zweiter Schwellenwert s2 bezeichnet wird, der einem zweiten mit L bezeichneten Zustand entspricht, hin- und herzuschalten, wobei s1 < s2, je nachdem, ob man sich im Bereich von hohen Dopplerstreuungswerten, d.h. im ersten Zustand H, wobei s1 auf der linken Seite dargestellt ist, oder im Bereich niedriger Streuungswerte befindet, d.h. im zweiten Zustand L, wobei s2 auf der rechten Seite dargestellt ist. Das Zustandsübergangsdiagramm in 2 zeigt drei Zustände, den ersten Zustand H, den zweiten Zustand L und einen Zwischenzustand, der als "ACK ?" bezeichnet wird und über dem ersten und zweiten Zustand H bzw. L in der Mitte dargestellt ist. Die Zustände sind durch Pfeile miteinander verbunden, die den Übergang von einem in einen anderen zustand oder das Verbleiben in einem Zustand darstellen. Die Übergangsbedingungen werden dementsprechend bezeichnet und folgendermaßen ausgedrückt:
fehlgeschlagen: s: = 0, f+, und
falls f ≥ f_T, dann Geschwindigkeit senken und
f: = 0
Dies bedeutet im Falle einer fehlgeschlagenen Übertragung Setzen des Erfolgszählers 10 auf null, Erhöhen des Fehlerzählers, und wenn die Anzahl fehlerhafter Übertragungen f mindestens gleich dem Schwellenwert der Anzahl fehlerhafter Übertragungen f_T ist, Verringern der Übertragungsgeschwindigkeit und Setzen des Fehlerzählers auf null, oder
Erfolg: s+, f: = 0, und
falls im Zustand H: s ≥ s1 oder im Zustand L: s ≥ s2, Geschwindigkeit erhöhen und s: = 0
Dies bedeutet im Falle einer erfolgreichen Übertragung Erhöhen des Erfolgszählers 10, und wenn im ersten Zustand H die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s gleich dem ersten Schwellenwert s1 oder größer als dieser ist oder wenn im zweiten Zustand L die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s gleich dem zweiten Schwellenwert s2 oder größer als dieser ist, Erhöhen der Übertragungsgeschwindigkeit und Setzen des Erfolgszählers auf null.
Die dicken Pfeillinien zeigen das Umschalten auf einen angepassten Übertragungsparameter an, z.B. auf eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schwellenwert s1 gleich 3, der zweite Schwellenwert s2 gleich 10 und der Schwellenwert der Anzahl fehlerhafter Übertragungen f_T gleich 1.
Der Mechanismus funktioniert folgendermaßen. Falls die Anzahl erfolgreicher Übertragungen s mindestens gleich dem ersten Schwellenwert s1 oder dem zweiten Schwellenwert s2 ist, werden eine Auswahl eines angepassten Übertragungsparameters und ein Umschaltvorgang auf diesen, z.B. auf eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit, und ein Übergang in den Zwischenzustand "ACK ?" ausgeführt. Im Zwischenzustand "ACK ?" wird das Ergebnis der nächsten Übertragung abgewartet. In Abhängigkeit vom Ergebnis der nächsten Übertragung wird der erste Zustand H oder der zweite Zustand L verwendet.
Falls die nächste Übertragung erfolgreich ist, kann eine schnelle Verbesserung der Verbindungsqualität des Kanals 7 angenommen werden, d.h. eine hohe Dopplerstreuung. Daher wird in den ersten Zustand H geschaltet, und der Erfolgsschwellenwert s_T wird gleich dem niedrigen ersten Schwellenwert s1 gesetzt, um schnell auf die sich ändernde Verbindungsqualität zu reagieren.
Falls die nächste Übertragung jedoch fehlschlägt, wird angenommen, dass die Verbindungsqualität des Kanals 7 sich entweder langsam oder überhaupt nicht ändert, d.h. eine niedrige Dopplerstreuung, und dass die frühere Entscheidung zum Umschalten auf eine höhere Geschwindigkeit vorschnell war. Infolgedessen wird in den zweiten Zustand L geschaltet, und der Erfolgsschwellenwert s_T wird gleich dem höheren zweiten Schwellenwert s2 gesetzt.
Falls im ersten Zustand H eine fehlerhafte Übertragung stattfindet, wird der erste Zustand H beibehalten, und der Erfolgsschwellenwert s_T bleibt gleich s1, wie in der Figur angezeigt wird. Falls jedoch im zweiten Zustand L eine fehlerhafte Übertragung stattfindet, wird in den ersten Zustand H geschaltet und der Erfolgsschwellenwert s_T auf den ersten Schwellenwert s1 geändert.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Durchsatzleistung eines WLAN gemäß IEEE 802.11a in einem zeitveränderlichen Kanal. Im Einzelnen zeigt die Darstellung den Durchsatz einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung als Funktion der Dopplerstreuung bei verschiedenen Werten von s_T, dem Schwellenwert der Anzahl erfolgreicher Übertragungen. Die beiden Übertragungsknoten befinden sich 25 m voneinander entfernt und haben beide dieselbe Übertragungsleistung von 10 dBm. Es wird ein Kanal mit linearem Frequenzgang (frequency-flat channel) mit Rayleigh-Schwund betrachtet. Eine optimale Kurve, die einem idealisierten System entspricht, in dem die Sender perfekte Kanalkenntnisse aufweisen, wird als dicke schwarze Linie gezeigt und verläuft bei etwa 22 MBit/s. Eine andere fast gerade Kurve bei etwa 17 MBit/s zeigt eine feststehende Übertragungsgeschwindigkeit von 36 MBit/s, mit der die besten Ergebnisse ohne Geschwindigkeitsanpassung erzielt werden. Die gestrichelte Linie mit s_T = 10, f_T = 1 für einen ersten einfachen Anpassungsmechanismus zeigt eine schnelle Durchsatzverschlechterung bei höheren Dopplerstreuungswerten. Die gestrichelte Linie mit s1, s2, f_T = 1 für den anpassungsfähigen Verbindungsmechanismus, der sowohl höhere als auch niedrigere Dopplerstreuungswerte berücksichtigt, zeigt eine bessere Leistung als die gestrichelte Linie mit s_T = 3, f_T = 1, was einen zweiten einfachen Anpassungsmechanismus anzeigt, der eher höhere Dopplerstreuungswerte berücksichtigt. Die gepunkteten Linien zeigen den Durchsatz an, der erreicht werden kann, wenn die Anpassungsmechanismen zusätzlich die Übertragungsgeschwindigkeit eines von der fernen Station oder dem fernen Empfänger empfangenen Paketes verwenden. Niedrige Dopplerstreuungswerte entsprechen Verbindungen mit einer sich langsam ändernden Qualität, und hohe Dopplerstreuungswerte entsprechen Verbindungen mit einer sich schnell ändernden Qualität. Der Schwellenwert der Anzahl fehlerhafter Übertragungen f_T wird für alle betrachteten Leistungskurven auf 1 gesetzt. Wenn die Verbindungsqualität sich langsam ändert, führt ein hoher Wert von s_T zu einer besseren Durchsatzleistung, siehe beispielsweise die Kurve für s_T = 10; die Leistung nimmt mit einer steigenden Dopplerstreuung jedoch rapide ab. Bei einem hohen Wert für s_T reagiert der Mechanismus nicht schnell genug auf eine schnelle Verbesserung der Verbindungsqualität. Der Sender verwendet noch immer eine geringe Übertragungsgeschwindigkeit, obwohl die Verbindungsqualität bereits die Verwendung einer höheren Geschwindigkeit ermöglicht.
Ein geringer Wert für den Erfolgsschwellenwert s_T verbessert den Durchsatz bei höheren Dopplerstreuungswerten, führt jedoch zu einer Leistungsverschlechterung bei niedrigen Dopplerstreuungswerten, siehe beispielsweise die Kurve für s_T = 3. Da die Qualität des Kanals sich mit s_T = 3 sehr langsam oder überhaupt nicht ändert, schaltet der Sender zu früh auf höhere Geschwindigkeiten, und erzeugt daher zu oft Fehler. Im Allgemeinen ist der Dopplerstreuungswert eines Kanals nicht von vornherein bekannt; außerdem ändert er sich dynamisch. Eine mögliche Lösung ist die Messung des Streuungswertes in der PHY-(physischen)Schicht, was jedoch in der Praxis sehr komplex wird. Daher ermöglicht der dargestellte Verbindungsanpassungsmechanismus auf einfachere Weise ein qualitatives Ermitteln der Änderungsgeschwindigkeit der Verbindungsqualität und ein dynamisches Umschalten zwischen beiden Werten des Erfolgsschwellenwertes s_T, nämlich dem ersten Schwellenwert s1 und dem zweiten Schwellenwert s2, wobei s1 < s2, je nachdem, ob der Sendeknoten sich im Bereich hoher Dopplerstreuungswerte, d.h. im ersten Zustand H, oder im Bereich niedriger Dopplerstreuungswert, d.h. im zweiten Zustand L, befindet.
Die vorliegende Erfindung kann in Form von Hardware, Software oder als eine Kombination von Hardware und Software ausgeführt werden. Jede Art vom Computersystem – oder einer anderen Vorrichtung, die zum Ausführen der hierin beschrieben Verfahren geeignet ist – ist geeignet. Eine typische Kombination von Hardware und Software könnte ein Universalcomputersystem mit einem Computerprogramm sein, das, wenn es geladen und ausgeführt wird, das Computersystem steuert, so dass es die hierin beschriebenen Verfahren ausführt. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in ein Computerprogrammprodukt eingebettet werden, das alle Merkmale umfasst, die die Ausführung der hierin beschriebenen Verfahren ermöglichen, und das – wenn es in ein Computersystem geladen wird – diese Verfahren ausführen kann.

Claims

Verfahren zum Anpassen eines Übertragungsparameters in einem Sendeknoten (1) eines Datenübertragungssystems (8) an die aktuelle Verbindungsqualität eines Datenübertragungskanals (7), wobei der angepasste Übertragungsparameter vom Sendeknoten (1) in Abhängigkeit von einer Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) aus einem Satz von Übertragungsparametern ausgewählt wird, wobei die Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) im Sendeknoten (1) mit einem aus einem ersten Wert (s1), der einem ersten Zustand (H) des Sendeknotens (1) entspricht, und einem zweiten Wert (s2) verglichen wird, der einem zweiten Zustand (L) des Sendeknotens (1) entspricht, wobei das Verfahren im Sendeknoten (1) die folgenden Schritte umfasst: Zählen der Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s); Auswählen des angepassten Übertragungsparameters in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) gleich dem ersten Wert (s1) ist oder diesen überschreitet, wenn der Sendeknoten (1) sich im ersten Zustand (H) befindet, und in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) gleich dem zweiten Wert (s2) ist oder diesen überschreitet, wenn der Sendeknoten (1) sich im zweiten Zustand (L) befindet; und in Abhängigkeit vom Erfolg oder vom Fehlschlag einer nachfolgenden Übertragung Betreiben des Sendeknotens (1) in dem ersten Zustand (H) bzw. dem zweiten Zustand (L).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens des Sendeknotens (1) im zweiten Zustand (L) außerdem im Falle einer fehlerhaften Übertragung den Übergang in den ersten Zustand (H) umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das außerdem das Setzen des ersten Wertes (s1) auf 3 und des zweiten Wertes (s2) auf 10 umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das außerdem das Zählen einer Anzahl fehlerhafter Übertragungen (f) und das Auswählen des angepassten Übertragungsparameters in Abhängigkeit von einem Schwellenwert der Anzahl fehlerhafter Übertragungen (f_T) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, das außerdem das Setzen des Schwellenwertes der Anzahl fehlerhafter Übertragungen (f_T) auf 1 umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das außerdem das Auswählen des von einem antwortenden Empfänger (2) verwendeten Übertragungsparameters umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schritt des Auswählens des angepassten Übertragungsparameters außerdem das Auswählen einer anderen Übertragungsgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schritt des Auswählens des angepassten Übertragungsparameters außerdem das Auswählen einer Paketlänge umfasst, die sich von der zuvor verwendeten Länge unterscheidet.
Computerprogramm, das ein Programmcodemittel zum Ausführen der Schritte des Verfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Auf einem im Computer verwendbaren Datenträger gespeichertes Computerprogrammprodukt, das ein computerlesbares Programmmittel umfasst, um einen Computer zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Vorrichtung (1) zum Anpassen eines Übertragungsparameters an die aktuelle Verbindungsqualität eines Datenübertragungskanals (7), wobei der angepasste Übertragungsparameter in Abhängigkeit von einer Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) aus einem Satz von Übertragungsparametern ausgewählt wird, wobei die Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) mit einem von einem ersten Wert (s1), der einem ersten Zustand (H) der Vorrichtung entspricht, und einem zweiten Wert (s2), der einem zweiten Zustand (L) der Vorrichtung entspricht, verglichen wird, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Erfolgszähler (10) zum Zählen der Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s); eine Auswahleinheit (12) zum Auswählen des angepassten Übertragungsparameters in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) gleich dem ersten Wert (s1) ist oder diesen überschreitet, wenn die Vorrichtung sich im ersten Zustand (H) befindet, und in Abhängigkeit davon, ob die Anzahl erfolgreicher Übertragungen (s) gleich dem zweiten Wert (s2) ist oder diesen überschreitet, wenn die Vorrichtung sich im zweiten Zustand (L) befindet; und eine Entscheidungseinheit (14), die in Abhängigkeit vom Erfolg oder vom Fehlschlag einer nachfolgenden Übertragung die Auswahleinheit (12) benachrichtigt, in dem ersten Zustand (H) bzw. dem zweiten Zustand (L) zu arbeiten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die außerdem einen Fehlerzähler zum Zählen einer Anzahl fehlerhafter Übertragungen (f) umfasst.