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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Übertragung
digitaler Datenpakete von einer Station in einem drahtlosen Datenkommunikationssystem
mit mehreren Stationen.
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Die
Erfindung betrifft auch eine drahtlose Datenkommunikationsstation,
die so ausgebildet ist, dass sie digitale Datenpakete in einem drahtlosen
Kommunikationssystem mit mehreren Stationen überträgt.
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Wenn
digitale Information in einem drahtlosen Kommunikationssystem übertragen
wird, entsteht das Erfordernis, die Wechselwirkung zu minimieren,
wie sie in anderen Systemen durch derartige Übertragungsvorgänge verursacht
werden kann. In einigen Ländern
haben Regierungsbehörden,
wie die Federal Communications Commission (FCC) in den Vereinigten
Staaten, derartigen drahtlosen Kommunikationssystemen Leistungsgrenzbedingungen
auferlegt.
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Das
US-Patent Nr. 4,905,235 offenbart ein im Zeitmultiplex arbeitendes
drahtloses Übertragungssystem,
bei dem mehrere Erdestationen über
einen Transponder in einem Satelliten miteinander kommunizieren. Übertragungsinhalte
werden entsprechend einem Burstzeitplan an jede Erdestation übertragen
und in dieser abgespeichert, so dass im Transponder ein vorbestimmter
elektrischer Gesamtleistungspegel nicht überschritten wird. Dieses bekannte
System betrifft Satellitenkommunikationsvorgänge, und es ist komplex und
teuer, was sich aus dem Erfordernis ergibt, einen Burstzeitplan
an alle Erdestationen im System zu übertragen und in diesen abzuspeichern.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Übertragung
digitaler Datenpakete von einem drahtlosen Kommunikationssystem
mit mehreren Stationen zu schaffen, das für eine einfache und effektive
Steuerung der Sendeleistungspegel sorgt.
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Daher
ist, gemäß einer
Erscheinungsform der Erfindung, Folgendes geschaffen: ein Verfahren
zum Steuern des Sendens digitaler Datenpakete von einer Station
in einem drahtlosen Datenkommunikationssystem mit mehreren Stationen,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Definieren aufeinander
folgender Zeitintervalle für
jedes zu sendende Paket; Bestimmen, ob ein vorbestimmter mittlerer
Leistungspegel für
das aktuelle Zeitintervall beim Senden des Pakets überschritten
wird; und Senden des Pakets während
des Zeitintervalls nur dann, wenn der vorbestimmte mittlere Leistungspegel
nicht überschritten
wird.
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Gemäß einer
anderen Erscheinungsform der Erfindung ist Folgendes geschaffen:
eine Station für drahtlose
Datenkommunikation, die so ausgebildet ist, dass sie digitale Datenpakete
in einem drahtlosen Datenkommunikationssystem mit mehreren Stationen
sendet, gekennzeichnet durch eine Zeitintervall-Bestimmungseinrichtung,
die so ausgebildet ist, dass sie aufeinander folgende Zeitintervalle
definiert; eine Steuereinrichtung, die so ausgebildet ist, dass
sie bestimmt, ob ein vorbestimmter mittlerer Leistungspegel für das aktuelle
Zeitintervall durch das Senden des Pakets überschritten wird; und eine
Sendeeinrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie das Paket während des
Zeitintervalls nur dann sendet, wenn der vorbestimmte mittlere Leistungspegel
nicht überschritten
wird.
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Nun
wird eine Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
ein Diagramm eines drahtlosen Peer-to-Peer-LAN (local area network);
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2 ist
ein Diagramm zum veranschaulichen von Paketleistungspegeln, wie
sie im in der 1 dargestellten Netzwerk verwendet
werden;
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3 ist
ein Diagramm eines drahtlosen Zentralstern-LAN;
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4A und 4B sind
Diagramme zum Veranschaulichen von Paketleistungspegeln, wie sie
beim in der 3 dargestellten Netzwerk verwendet
werden.
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5 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen von Sendepaket-Leistungspegeln in aufeinander folgenden
Zeitintervallen.
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6 ist
ein Blockdiagramm eines Teils einer Station zum Steuern von Sendeleistungspegeln;
und
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7 ist
ein Zustandsdiagramm zum Veranschaulichen des Betriebs der in der 6 dargestellten Schaltungsanordnung.
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Es
wird als Erstes auf die 6 Bezug genommen, in der ein
drahtloses Peer-to-Peer-LAN (local area network) 10 mit
mehreren Stationen 12, die einzeln als Stationen 12-1 bis 12-4 gekennzeichnet
sind und als Stationen A, B, C bzw. D bezeichnet werden, dargestellt.
Die Stationen verfügen über jeweilige
Antennen 14, die einzeln als Antennen 14-1 bis 14-4 bezeichnet
werden, und eine Übertragung
zwischen den Stationen 12 erfolgt durch Übertragen
von Informationspaketen direkt über
einen drahtlosen Kommunikationskanal von einer Quellstation an eine
Zielstation. Selbstverständlich
können
mehr als vier oder weniger als vier Stationen 12, abhängig von
der Implementierung vorhanden sein.
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Um
Pakete wirkungsvoll zu übertragen,
um korrekten Empfang bei der gewünschten
Empfangsstation zu gewährleisten,
werden verschiedene Paketleistungspegel verwendet. Die jeweils geeigneten Leistungspegelwerte
hängen
von Faktoren wie dem Abstand zwischen Stationen, Signalfading über mehrere
Pfade und elektromagnetischen Absorptionshindernissen wie dem schematisch
als Wellenlinie dargestellten Hindernis 16 ab.
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Es
wird auf die 2 Bezug genommen, in der die
Leistungspegel typischer Informationspakete dargestellt sind, wie
sie von der Station A an die Stationen B, C und D übertragen
werden. Diese Übertragung
von der Station A zur Station B erfordert aufgrund des elektromagnetischen
Absorptionshindernisses 16 einen relativ hohen Leistungspegel,
die Übertragung
von der Station A zur relativ dicht benachbarten Station C benötigt nur
einen relativ niedrigen Leistungspegel, und die Übertragung von der Station
A zur Station D benötigt
einen mittleren Leistungspegel. In diesem Zusammenhang ist es zu
beachten, dass das Verwenden der minimalen Leistung, die zum Erzielen
eines effektiven Paketempfangs erforderlich ist, den Vorteil zeigt,
dass im Mittel weniger Wechselwirkung erzeugt wird als dann, wenn
ein fester Leistungspegel verwendet wird, der für den "schlechtesten Fall" des maximalen Abstands dimensioniert
ist. Es ist auch zu beachten, dass für durch Batterien betriebene
Stationen eine Einsparung an Batterieenergie erzielt wird.
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Es
wird auf die 3 Bezug genommen, in der ein
drahtloses Zentralstern-LAN 20 mit mehreren Stationen 22 dargestellt
ist, die einzeln als Stationen 22-1 bis 22-4 gekennzeichnet
sind, und als Stationen E, F, G bzw. H bezeichnet werden. Im LAN 20 erfolgen
alle Kommunikationsvorgänge über die
Station H, die als Hubstation bezeichnet wird. Die Stationen verfügen über jeweilige
Antennen 24, die einzeln als Antennen 24-1 bis 24-4 bezeichnet
werden. Wie in der 1 ist ein elektromagnetisches
Absorptionshindernis 26 durch eine Wellenlinie dargestellt.
Die Stationen E, F, G kommunizieren über die Hubstation H miteinander.
Wie beim in der 1 dargestellten drahtlosen Peer-to-Peer-LAN 10 überträgt die Hubstation
H Informationspakete mit Leistungspe geln, die vom Abstand zur Zielstation
und von der Qualität
des Übertragungspfads
abhängen,
an die Zielstationen E, F und G, wie es in der 4A dargestellt
ist. Da jedoch für
jede Station E, F, G nur ein einzelner Pfad zur Hubstation H existiert,
verwendet jede der Stationen E, F, G individuell nur einen Leistungspegel,
wie es beispielhaft für
die Station G in der 4B dargestellt ist, um Übertragungsvorgänge von
der Station G zur Hubstation H auszuführen, unabhängig davon, welche Station
die schließliche
Zielstation ist, wobei jedoch der Leistungspegel für verschiedene
Stationen verschieden sein kann.
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Als
Hilfe für
ein Verständnis
der theoretischen Grundlage der Erfindung wird nun auf die 5 Bezug genommen,
die ein Diagramm zu Leistungspegeln von Paketen P1 bis P6 zeigt,
die durch eine typische Station in einem drahtlosen LAN gesendet
werden, wobei angenommen wird, dass es sich um die Station A im
LAN 10, 1, handelt. Im Hinblick auf
eine Vermeidung von Wechselwirkungsproblemen mit anderen Einrichtungen
ist es allgemein erwünscht,
dass Übertragungsvorgänge von
einer Station einen vorbestimmten Leistungspegel nicht überschreiten
sollten, der beispielsweise durch Regierungs-Regulierbehören vorgegeben werden
kann. Die Erfindung nutzt die "Burst"natur von Paketübertragungsvorgängen, d.h.,
dass eine Station das drahtlose Übertragungsmedium
sporadisch nutzt, mit erheblichen Leerlaufperioden zwischen übertragenen
Paketen. Als Grundlage wird ein fester mittlerer Leistungswert P0 angenommen. An der Station entsteht eine
Abfolge von Zeitintervallen T gleicher Länge mit Dauern, die wesentlich
größer als
eine typische Paketdauer sind. Zwei derartige Zeitintervalle T sind
in der 5 dargestellt. Dann gilt: P0 = I0/T (1)wobei I0 die maximal übertragene Energie in einem
Intervall T ist, was gewährleistet,
dass der Leistungspegel P0 nicht überschritten
wird, wenn er über
das Intervall gemittelt wird.
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Es
sei: IX =
PX·dX (2)wobei
PX der Leistungspegel ist, mit dem ein typisches
Paket X übertragen
wird, dX die Dauer des Pakets X ist und
IX die im Paket X enthaltene Energie ist.
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Dann
muss die folgende Beziehung erfüllt
sein:
wobei
N die Anzahl der während
des Zeitintervalls T übertragenen
Pakete ist (N = 3 für
die in der
5 veranschaulichte beispielhafte Übertragung).
Anders gesagt, werden Paketübertragungsvorgänge in der
Station so gesteuert, dass der mittlere Leistungspegel für übertragene
Pakete P
0, gemittelt über jedes Intervall T, nicht überschreitet.
Selbstverständlich
kann der Leistungspegel eines einzelnen Pakets möglicherweise P
0 überschreiten,
vorausgesetzt, dass der mittlere Leistungspegel über das Intervall T den Wert
P
0 nicht überschreitet. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
können
die Zeitintervalle T eine Dauer von ungefähr 100 Millisekunden aufweisen,
wobei typische Informationspakete eine Dauer im Bereich von ungefähr 1 Millisekunde
bis ungefähr 3
Millisekunden aufweisen.
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Es
wird nun auf die 6 Bezug genommen, in der ein
Blockdiagramm eines Teils einer Station dargestellt ist, wie der
Station A im LAN 10, 1. Eine
Paketquelle-Schnittstelle 50 speichert zu übertragende Pakete.
Jedem Paket ist eine Priorität
zugeordnet, und eine Paketprioritäts-Steuerschaltung 54 bestimmt,
welches Paket an einen Paketpuffer 56 übertragen wird. Der Paketpuffer 56 ist
mit einem Zieladresspuffer 58 und einem Paketlängepuffer 60 verbunden.
Der Zieladresspuffer 58 ist mit einer Paketleistungs-Datenbank 62 verbunden,
die mit einer Paketenergie-Berechnungseinrichtung 64 verbunden
ist, die auch ein Eingangssignal vom Paketlängepuffer 60 empfängt. Der
Ausgang der Paket energie-Berechnungseinrichtung 64 ist
mit einer Pegelsteuerschaltung 66 verbunden.
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Ein
Ausgang des Paketpuffers 56 ist mit einem Modulator 68 verbunden,
der auch ein Eingangssignal von einem Oszillator 70 empfängt. Der
Ausgang des Modulators 68 ist mit einer Abschwächungseinrichtung 72 verbunden,
die durch die Pegelsteuerschaltung 66 gesteuert wird. Der
Ausgang der Abschwächungseinrichtung 72 ist
mit einem Sender 74 zur Übertragung über die Stationsantenne 76 verbunden,
wie die Antenne 14-1 der Station A, 1. Die in
der 5 dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet unter
Steuerung durch eine Zustandssteuerungseinheit 80 auf eine
Weise, die nun beschrieben wird.
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Es
wird auf die 7 Bezug genommen, in der ein
Zustandsmaschinendiagramm dargestellt ist, das den Betrieb der in
der 6 dargestellten Zustandssteuerungseinheit 80 repräsentiert.
Wie bereits angegeben, werden aufeinander folgende Zeitintervalle
T definiert. Es wird keine Information aus vorigen Übertragungsvorgängen (vorigen
Intervallen T) verwendet, und daher wird der Betrieb als speicherfrei
bezeichnet. Ein Zustand 1 definiert den Anfangspunkt des Zeitintervalls
T durch Starten des Betriebs eines Timers. In diesem Zustand steht
die volle Übertragungsenergie
I0 zur Verfügung, da noch keine Pakete übertragen
wurden. Wenn angenommen wird, dass die Station in der Paketquelle-Schnittstelle 50, 6,
mindestens ein zu übertragendes
Paket speichert, wird über
eine Linie 90 in einen Zustand 2 eingetreten. Im Zustand
2 wird ein solches zu übertragendes
Paket, oder das zu übertragende
Paket mit der höchsten
Priorität,
das unter der Steuerung durch die Paketpriorität-Steuerungsschaltung 54 ausgewählt wird,
an den Paketpuffer 56 gesendet. Andernfalls wartet die
Zustandsmaschine, bis ein Paket eintrifft oder das Zeitintervall
T abgelaufen ist und ein neues Intervall beginnt (Zustand 1), wie
es durch Linien 92, 94 dargestellt ist.
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Wenn
ein neues Paket im Paketpuffer 56 abgespeichert ist, geht
die Zustandsmaschine über
eine Linie 96 zu einem Zustand 3 weiter. Im Zustand 3 wird
die zum Erreichen der Zielstation benötigte Leistung dadurch ermittelt,
dass die Zieladresse im Zieladresspuffer 58 abgespeichert
wird und auf die Paketleistungs-Datenbank 62 zugegriffen
wird, die den Leistungspegel PX liefert,
der von der Übertragungsstation
benötigt
wird, damit das Paket X seine Zielstation erreicht. Die benötigte Paketenergie
IX wird in der Paketenergie-Berechnungseinrichtung 64 unter
Verwendung des Leistungspegelwerts PX und
der aus dem Paketlängepuffer 60 hergeleiteten
Paketlänge
dX unter Verwendung der obigen Gleichung
(2) berechnet. Wenn die Paketenergie IX kleiner
als die verfügbare
Energiemenge IT ist, wird das Paket mit
dem benötigten
Leistungspegel, wie durch die Abschwächungseinrichtung 72 (6)
bestimmt, unter Steuerung durch die Pegelsteuerschaltung 66 übertragen,
und über
die Linie 98 wird in einen Zustand 4 eingetreten. Wenn
die benötigte
Sendeenergie größer als
die für
das Intervall verbliebene Energie ist, wird über eine Linie 100 in
den Zustand 2 eingetreten, und es wird ein neues Paket in den Paketpuffer 56 geladen.
Es ist zu beachten, dass die Paketprioritäten dabei nicht verändert werden
und dass nur ein neues Paket, falls verfügbar, das nicht zuvor in den
Paketpuffer 56 geladen wurde, nun in diesen geladen wird.
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Im
Zustand 4 wird die verfügbare
Energie, die im Zeitintervall T verblieb, dadurch berechnet, dass
die bereits übertragene
Paketenergie von der zuvor verfügbaren
Zeitintervallenergie abgezogen wird. Wenn das Zeitintervall T abgelaufen
ist (t = T), geht die Zustandsmaschine über eine Linie 102 zum
Zustand 6 weiter, in dem die Station Paketprioritäten neu
einstellt und über
die Linie 104 in den Zustand 1 eintritt. Es sei darauf hingewiesen,
dass nun alle Pakete als neu angesehen werden, einschließlich der
Pakete, die im vorigen Zeitintervall T nicht gesendet werden konnten.
Es ist zu beachten, dass diesen Paketen durch die Prio ritätssteuerungsschaltung 54 eine
höhere
Priorität
zugewiesen werden kann.
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Wenn
im Zustand 4 das Zeitintervall T nicht abgelaufen ist, kann die
Zustandsmaschine über
eine Linie 106 weiter laufen, um in den Zustand 2 einzutreten,
damit ein anderes Paket in den Puffer 56 geladen werden kann.
Jedoch erfasst, bei der bevorzugten Ausführungsform, die sendende Station
Information hinsichtlich des Empfangserfolgs ihrer übertragenen
Pakete. Die Erfassung derartiger Rückkopplungsinformation ist
dem Datenkommunikations-Fachmann
gut bekannt. Diese Information wird an die Zustandssteuerungsschaltung 80, 6,
geliefert und in dieser zeitweilig abgespeichert. Wenn diese Information
verfügbar
ist und es sich zeigt, dass das übertragene
Paket von seiner Zielstation nicht korrekt empfangen wurde, tritt
die Zustandsmaschine über
eine Linie 108 in einen Zustand 5 ein. Im Zustand 5 ist
es bekannt, dass der in der Datenbank 62 (6) abgespeicherte
Paketleistungswert PX nicht mehr gültig ist.
Daher wird der Paketleistungswert um einen vorbestimmten Inkrementwert
Q erhöht.
Der neue Paketleistungswert wird dazu verwendet, die Datenbank 62 zu aktualisieren
und den neuen Paketenergiewert unter Verwendung der Gleichung (2)
zu berechnen. Wenn dieser neue Energiewert kleiner als die zur Übertragung
im restlichen Teil des aktuellen Intervalls T verfügbare Energie
ist, wird das Paket übertragen,
und es wird über
eine Linie 110 in den Zustand 4 eingetreten. Wenn das Zeitintervall
T nicht abgelaufen ist und im aktuellen Zeitintervall unzureichend
Energie verblieben ist, wird über
eine Leitung 112 in den Zustand 2 eingetreten, und es kann
ein neues Paket in den Paketpuffer 56 geladen werden. Wenn
einmal das Zeitintervall abgelaufen ist, t = T, wird über eine
Leitung 114 in den Zustand 6 eingetreten, um neue Paketprioritäten einzustellen,
und die Zustandsmaschine kehrt zum Zustand 1 zurück, um den Betriebsablauf im
nächsten
Zeitintervall T zu starten.
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Das
Zustandsmaschinendiagramm der 7 beinhaltet
einen Betriebsablauf, bei dem die Übertragung eines Pakets zum
Ende eines Intervalls T hin starten kann und in das nächste Intervall
T andauern kann, so dass die während
dieses letzteren Intervalls T übertragene
Gesamtenergie höher
als I0 sein könnte. In ähnlicher Weise könnte die
während
einer Periode mit der Dauer T, die jedoch gegenüber dem Timing des ursprünglichen
Intervalls T versetzt ist, übertragene
Energie höher
als I0, sein. wenn jedoch eine Mittelung über N Intervalle
von T erfolgt, ergibt sich ein Ergebnis, das eine Energie unter ((N + 1)/N)*I0 gewährleistet.
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Anders
gesagt, ist, mit einer Messausrüstung
mit einer Integrationszeit, die viel länger als T ist, der gemittelte
Leistungspegel kleiner als I0/T. Demgemäß sollte,
um zu gewährleisten,
dass durch Regierungsbehörden
auferlegte Leistungsgrenzbedingungen erfüllt sind, der in der Praxis
verwendete Wert von I0 geringfügig niedriger
als der benötigte
Wert, abhängig
von Messintegrationszeit, sein.
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Es
ist zu beachten, dass die Zustandssteuerungseinheit 80 vorzugsweise
so ausgebildet ist, dass sie für
jedes Paket einen Zählwert
der Anzahl der Übertragungsversuche
aufrechterhält,
wobei dieser Zählwert
zur Verwendung beim Bestimmen von Paketprioritäten an die Paketpriorität-Steuerungseinheit 54 weitergeleitet wird.
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So
wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Übertragung
digitaler Datenpakete von einer Station in einem drahtlosen Kommunikationssystem
beschrieben, die es ermöglichen,
die Sendeleistung auf einem mittleren niedrigen Pegel zu halten,
ohne dass es erforderlich wäre,
die Datenübertragungsrate zu
verringern.
