DE60219932T2 - Ssystgem und Verfahren zur Verwendung von Algorithmen und Protokollen zur optimierung von CSMA-Protokollen (Carrier Sense Multiple Access) in drahtlosen Netzwerken - Google Patents

Ssystgem und Verfahren zur Verwendung von Algorithmen und Protokollen zur optimierung von CSMA-Protokollen (Carrier Sense Multiple Access) in drahtlosen Netzwerken Download PDF

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    • H04W74/0816—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access] using carrier sensing, e.g. as in CSMA carrier sensing with collision avoidance
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren, die Algorithmen und Protokolle verwenden, um den Vielfachzugriff mit Trägerüberwachung und Kollisionsvermeidung (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CA) in drahtlosen Kommunikationsnetzen zu optimieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren, um für einen verbesserten CSMA/CA zu sorgen, was die Kanalverfügbarkeit und Dienstgüte (Quality of Service QoS) in einem drahtlosen Kommunikationsnetz, wie einem drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetz verbessert.
  • Beschreibung des Standes der Technik:
  • 1987 wurde Apple das U.S. Patent Nr. 4,661,902 für ein CSMA-Protokoll für verkabelte LANs basierend auf einem Anforderungzu-Senden/Freigabe-zu-Senden(Request To Send RTS/Clear To Send CTS)-Austausch verliehen (als "AppleTalk" bezeichnet). Das CSMA-Schema gestattet es mehreren Geräten, sich eine gemeinsame Ressource (d.h. dasselbe physikalische Kabel) für die Kommunikation zu teilen. Ein solches Schema ist sehr effektiv, wenn die Kommunikation die Form von Blöcken von Paketen statt eines konstanten Datenstroms, wie Zeitmultiplex(TDM)-Sprache, annimmt.
  • 1991 wurde Proxim das U.S. Patent Nr. 5,231,634 mit dem Titel "Medium Access Protocol for Wireless LANs" verliehen, das ein verbessertes Vielfachzugriff-mit-Trägerüberwachung-und-Kollisionsvermeidung(CSMA/CA)-Protokoll für ein drahtloses lokales Netz (LAN) beschreibt. Das Protokoll wendet sich speziell dem Problem verborgener Endgeräte zu, das in drahtlosen Netzen existiert, in denen nicht allen Endgeräten die Existenz von jedem anderen und die Übertragungen, die sie vornehmen, bekannt sind. Das Protokoll schließt auch einen Versuch ein, eine Zugriffsfairness abzuleiten, so dass die am nächsten beieinander liegenden Endgeräte die Funkverbindung nicht monopolisieren.
  • Das im U.S. Patent Nr. 5,943,322 an Mayor beschriebene ITT-HMT-System verwendet ebenfalls eine Form von verbessertem CSMA/CA-Protokoll, welches die RTS/CTS, wie von Apple definiert, einschließt. Jedoch stellt das HMT-System in mehrfacher Weise eine signifikante Verbesserung gegenüber dem im Proxim-Patent beschriebenen Protokoll dar. Speziell ist das HMT-System zur Verwendung durch ein selbstbildendes/selbstheilendes Netz von hochgradig mobilen Geräten bestimmt, in dem eine einfache RTS/CTS unzureichend ist, wie unten beschrieben. Auch führt das HMT-System das Konzept von drei Datenkanälen mit einem gemeinsamen Reservierungskanal ein, um die Nutzung des Funkfrequenz(RF)-Spektrums zu optimieren. Das Proxim-Protokoll tut dies nicht, wahrscheinlich wegen der geringen Mobilität der Endgeräte in einem drahtlosen LAN und der Wahrscheinlichkeit, dass eine große Anzahl von Störern durch das Fehlen einer Freiraumausbreitung beschränkt ist. Das heißt, drahtlose LANs werden typischerweise in Gebäuden eingesetzt, wo Wände natürliche Sperren für die RF-Ausbreitung erzeugen. Jedoch ist diese Annahme in der hochgradig mobilen Freiluftumgebung nicht vernünftig.
  • Das Proxim-Protokoll verwendet ebenfalls einen RTS/CTS- und einen Datenpaket-Austausch in einem gemeinsamen Kanal. Gemäß diesem Verfahren kann kein anderes Endgerät die Funkressource nutzen, während der Austausch stattfindet, oder während der Verzögerungszeit (back off period), die sie definieren, was zu einer sehr geringen Effizienz der Funkressource führt. Wie oben erörtert wurde, verwendet das HMT-System einen Mechanismus mit einem einzigen gemeinsam genutzten Reservierungskanal, auf dem die gesamte RTS/CTS-Kommunikation stattfindet, und für das eigentliche Versenden von Daten werden drei Datenkanäle benutzt. Als Teil des RTS/CTS-Austauschs einigen sich die Endgeräte auf einen zu benutzenden Datenkanal. Dementsprechend können, während ein einzelnes Paar von Endgeräten ein Datenpaket auf einem Datenkanal überträgt, andere Endgeräte über den Reservierungskanal korrespondieren, um einen Paketaustausch auf einem anderen Datenkanal aufzubauen. Das Ergebnis ist, dass die Gesamteffizienz des Netzes im Hinblick auf die pro Sekunde versandten Pakete viel höher ist.
  • Obwohl das HMT-System für den von ihm beabsichtigten Zweck gut funktioniert, wurde das System für eine militärische Anwendung entwickelt, wo sämtliche Endgeräte über alle anderen Bescheid wussten (d.h. ein Netz, in dem alle informiert sind). Jedoch wäre es von Vorteil, diese Techniken in einem Netz zu verwenden, in dem jedes Endgerät nicht notwendigerweise Informationen über jedes andere Endgerät besitzt. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem verbesserten CSMA/CA-Protokoll, das zur Verwendung mit einem solchen Netz geeignet ist.
  • Das Dokument WO0133770 offenbart ein System, in dem ein Zugriff auf die Mehrzahl von Datenkanälen unter den Knoten koordiniert wird, indem RTS/CTS-Mitteilungen auf dem Reservierungskanal übermittelt werden, jedoch ist die Anzahl von Datenkanälen feststehend.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes CSMA/CA-Protokoll bereitzustellen, das zur Verwendung in einem drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetz geeignet ist.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, um einen verbesserten CSMA/CA zu schaffen, der die Kanalverfügbarkeit und Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Kommunikationsnetz, wie einem drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetz verbessert.
  • Diese und andere Ziele werden im Wesentlichen durch ein System und ein Verfahren zum Einrichten von Kanälen gemäß den Ansprüchen 1, 5 und 11 erreicht, um eine Kommunikation zwischen Knoten in einem Kommunikationsnetz, wie einem drahtlosen Adhoc-Kommunikationsnetz zu ermöglichen. Das System und das Verfahren führen die Operationen aus: Bestimmen einer durchschnittlichen Zeitspanne von Mitteilungs-Datenpaketen, die zwischen Knoten im Kommunikationsnetz übermittelt werden, und Bestimmen einer Zeitspanne einer Anforderung-zu-Senden-Mitteilung, die von einem übertragenden Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden eines Mitteilungs-Datenpakets zu einem Bestimmungs-Knoten anzufordern, sowie einer Zeitspanne einer Freigabe-zu-Senden-Mitteilung, die vom Bestimmungs-Knoten zu dem übertragenden Knoten übertragen wird, um die Freigabe zum Senden des Mitteilungs-Datenpakets anzuzeigen. Das System und das Verfahren führen weiter die Operation aus: Einrichten einer Anzahl von Datenkommunikationskanälen basierend auf einer Beziehung zwischen der durchschnittlichen Zeitspanne von Mitteilungs-Datenpaketen sowie der Zeitspannen der Anforderung-zu-Senden- und der Freigabe-zu-Senden-Mitteilungen.
  • Insbesondere richten das System und das Verfahren eine Anzahl von Datenkommunikationskanälen ein, die gleich einem ganzzahligen Wert ist, der basierend auf einem Wert bestimmt wird, welcher die durchschnittliche Zeitspanne von Mitteilungs-Datenpaketen dividiert durch die Summe aus einem die Zeitspanne der Anforderung-zu-Senden-Mitteilung darstellenden Wert und einem die Zeitspanne der Freigabe-zu-Senden-Mitteilung darstellenden Wert darstellt. Das System und das Verfahren verbreiten weiter Daten, die den Knoten die Anzahl von Datenkommunikationskanälen anzeigen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und andere Ziele, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden leichter aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:
  • 1 ein Blockschaubild eines Beispiels eines eine Mehrzahl von Knoten enthaltenden drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetzes ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 2 ein Blockschaubild eines Beispiels eines drahtlosen Knotens ist, wie in 1 dargestellt;
  • 3 ein Zeitsteuerungsdiagramm ist, das ein Beispiel von Übertragungen zeigt, die von einem Knoten in dem in 1 dargestellten Netz gesendet und empfangen werden, wenn der Knoten Datenpakete zu anderen Knoten sendet; und
  • 4 ein Zeitsteuerungsdiagramm ist, das ein Beispiel von Übertragungen zeigt, die auf einem Reservierungskanal und einer Mehrzahl von Datenkanälen zwischen Knoten in dem in 1 dargestellten Netz stattfinden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Das Folgende beschreibt ein Netz, das imstande ist, die HMT-Technologie in sehr großen kommerziellen Anwendungen zu verwenden, die eine sehr große Anzahl von Endgeräten aufweisen und sehr große geografische Gebiete bedienen. Dabei verwendet das Netz eine Anzahl von Architekturänderungen an dem zugrundliegenden HMT-System, wie in der U.S. Patentanmeldung Nr. 20020058502 A1 mit dem Titel "Ad-hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks" beschrieben.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel dieser Art von drahtlosem paketvermitteltem Ad-hoc-Kommunikationsnetz 100 zeigt, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Speziell schließt das Netz 100 eine Mehrzahl von mobilen drahtlosen Benutzer-Endgeräten 102-1 bis 102-n ein (allgemein als Knoten 102 oder mobile Knoten 102 bezeichnet), und kann, muss jedoch nicht, ein Festnetz 104 mit einer Mehrzahl von Zugangspunkten 106-6, 106-2, ... 106-n (allgemein als Knoten 106 oder Zugangspunkte 106 bezeichnet) einschließen, um Knoten 102 mit einem Zugang zum Festnetz 104 zu versehen. Das Festnetz 104 kann zum Beispiel ein lokales Kern-Teilnehmernetz (Local Access Network LAN) und eine Mehrzahl von Servern und Netzübergang-Routern einschließen, um Netzknoten mit einem Zugang zu anderen Netzen, wie anderen Ad-hoc-Netzen, dem öffentlichen Fernsprechwählnetz (PSTN) und dem Internet zu versehen. Das Netz 100 kann weiter eine Mehrzahl von festen Routern 107-1 bis 107-n einschließen (allgemein als Knoten 107 oder feste Router 107 bezeichnet), um Datenpakete zwischen anderen Knoten 102, 106 oder 107 zu routen. Es wird festgestellt, dass zu Zwecken dieser Erörterung die oben erörterten Knoten gemeinsam als "Knoten 102, 106 und 107" oder einfach als "Knoten" bezeichnet werden können.
  • Wie der Fachmann ersehen kann, sind die Knoten 102, 106 und 107 imstande, direkt miteinander zu kommunizieren, oder über einen oder mehrere andere Knoten 102, 106 oder 107, die als ein oder mehrere Router für Pakete fungieren, welche zwischen Knoten gesendet werden, wie in der oben genannten U.S. Patentanmeldung Nr. 20020058502 A1 beschrieben. Jeder in 1 dargestellte Knoten 102, 106 und 107 kann über mehrere Datenkanäle sowie einen Netzreservierungskanal kommunizieren. Diese Kanäle sind nicht auf irgendeine besondere Architektur oder Ausbildung beschränkt, solange jeder Knoten die Fähigkeit hat, auf die Kanäle zuzugreifen. Außerdem können diese Kanäle über ein beliebiges Kommunikationsmedium existieren, wie Kabel, Optikfaser oder drahtlos (durch die Luft) und können ein beliebiges geeignetes Übertragungsprotokoll verwenden.
  • Wie in 2 dargestellt, schließt jeder Knoten 102, 106 und 107 mindestens ein Sende/Empfangsgerät 108 ein, das mit einer Antenne 110 verbunden ist und imstande ist, unter der Steuerung eines Kontrollers 112 Signale, wie paketierte Signale, von und zu den Knoten 102, 106 oder 107 zu empfangen und zu übertragen. Die paketierten Datensignale können zum Beispiel Sprache, Daten oder Multimedia-Informationen einschließen, sowie paketierte Steuersignale, einschließlich Knotenaktualisierungs-Informationen.
  • Jeder Knoten 102, 106 und 107 schließt weiter einen Speicher 114 ein, wie einen Direktzugriffspeicher (RAM), der imstande ist, unter anderem Routing-Informationen zu speichern, die ihn selbst und andere Knoten im Netz 100 betreffen. Die Knoten 102, 106 und 107 tauschen ihre jeweiligen, als Routing-Ankündigungen oder Routing-Tabellen-Informationen bezeichneten Routing-Informationen periodisch über einen Verbreitungsmechanismus miteinander aus, zum Beispiel wenn ein neuer Knoten zum Netz 100 hinzukommt, oder wenn sich vorhandene Knoten im Netz 100 bewegen.
  • Wie weiter in 2 dargestellt, können gewisse Knoten, speziell mobile Knoten 102, einen Host 116 einschließen, der aus einer beliebigen Anzahl von Geräten bestehen kann, wie einem Notebook-Computer-Endgerät, einer mobilen Telefoneinheit, einer mobilen Dateneinheit oder irgendeinem anderen geeigneten Gerät. Der Teilnehmergerät-Host 116 kann optional die passende Hardware und Software einschließen, um ein Übertragungs-Steuer-Protokoll (Transmission Control Protocol TCP) und ein Benutzer-Datengramm-Protokoll (User Datagram Protocol UDP) auszuführen. Außerdem schließt der Teilnehmergerät-Host 116 einen Treiber ein, um eine Schnittstelle zwischen dem Teilnehmergerät-Host 116 und dem Sende/Empfangsgerät 108 bereitzustellen, zusätzlich zu einem Anzeigegerät, um eine Benutzeranzeige bereitzustellen. Jeder Knoten 102, 106 und 107 schließt auch die passende Hardware und Software ein, um ein Internet-Protokoll (Internet Protocol IP) und ein Adressen-Auflösungs-Protokoll (Address Resolution Protocol ARP) auszuführen, deren Zwecke für den Fachmann leicht ersichtlich sind. Die geeignete Hardware und Software, um das Übertragungs-Steuer-Protokoll (TCP) und das Benutzer-Datengramm-Protokoll (UDP) auszuführen, können ebenfalls enthalten sein.
  • Wie nunmehr beschrieben wird, kann jeder Knoten 102, 106 und 107 über mehrere Datenkanäle sowie einen Reservierungskanal kommunizieren. Diese Kanäle sind nicht auf irgendeine besondere Architektur oder Ausbildung beschränkt, solange jeder Knoten 102, 106 und 107 die Fähigkeit besitzt, auf die Kanäle zuzugreifen. Die Kanäle können über ein beliebiges Kommunikationsmedium existieren, wie Kabel, Optikfaser oder drahtlos (durch die Luft), und können ein beliebiges geeignetes Übertragungs-Protokoll verwenden.
  • Wenn ein Knoten, zum Beispiel der Knoten 102-1, eine Mitteilung zu einem anderen Knoten, zum Beispiel dem Knoten 102-2, übertragen möchte, überträgt der Knoten 102-1 eine Anforderung-zu-Senden(Request To Send RTS)-Mitteilung zum Knoten 102-2, um den Knoten 102-2 und anderen Knoten 102 sowie 106 über seine Absicht zu benachrichtigen, einen der verfügbaren Datenkanäle zu reservieren. Der übertragende Knoten 102-1 wird dann vom Bestimmungs-Knoten 102-2 eine Freigabe-zu-Senden(Clear To Send CTS)-Mitteilung erhalten, wenn der Bestimmungs-Knoten 102-2 die RTS-Mitteilung empfängt. Der übertragende Knoten 102-1 überträgt dann die Daten in Form eines Pakets. Der übertragende Knoten 102-1 empfängt dann eine Bestätigungs(ACK)-Mitteilung, die vom empfangenden Knoten 102-2 übertragen wird, wenn der empfangende Knoten das Datenpaket empfängt. 3 zeigt einen Zeitablauf der Mitteilungen, die vom übertragenden Knoten 102-1 übertragen und empfangen werden, wenn er ein Datenpaket überträgt. Mit Bezugnahme auf 4 werden nun weitere Einzelheiten des RTS/CTS-Austauschs und der Datenpaket-Übertragung beschrieben.
  • Wie in 4 dargestellt, wird die RTS-Mitteilung vom Knoten 102-1 auf dem Reservierungskanal übertragen. Wenn ein Knoten 102, 106 oder 107 nicht mit der Übertragung oder dem Empfang von Mitteilungen auf einem der Datenkanäle beschäftigt ist, ist sein Empfänger auf den Reservierungskanal eingestellt. Wenn jedoch ein Knoten 102, 106 oder 107 mit der Übertragung oder dem Empfang von Mitteilungen auf einem der Datenkanäle beschäftigt ist, ist der Empfänger auf diesen Datenkanal statt auf den Reservierungskanal eingestellt. Folglich überwacht jeder Knoten 102. 106 und 107 mit seinem Empfänger ständig den Reservierungskanal, wenn er nicht auf einem der Datenkanäle eine Mitteilung überträgt oder empfängt.
  • Nach dem Empfang der RTS vom Knoten 102-1 auf dem Reservierungskanal antwortet der Knoten 102-2, unter der Annahme, dass ein Datenkanal verfügbar ist, dem Knoten 102-1 mit einer CTS-Mitteilung auf dem Reservierungskanal. Nach dem Empfang der CTS-Mitteilung überträgt dann der Knoten 102-1 die Informations-Mitteilung auf dem verfügbaren Datenkanal, zum Beispiel dem Datenkanal 1, zum Knoten 102-2. Da Kanalzugriffs-Anforderungen auf dem getrennten Reservierungskanal übertragen werden, kann ein anderer Knoten 102, 106 oder 107 eine RTS-Mitteilung übertragen, kurz nachdem ein vorangehender RTS/CTS-Austausch abgeschlossen ist, ohne darauf zu warten, dass die nachfolgende Informations-Mitteilung abgeschlossen ist.
  • Wenn zum Beispiel, wie in 4 weiter dargestellt, der Knoten 102-3 eine Mitteilung zum Knoten 102-4 senden möchte, kann der Knoten 102-3 nach der CTS-Mitteilung vom Knoten 102-2 zum Knoten 102-1 eine RTS-Mitteilung auf dem Reservierungskanal übermitteln, ungeachtet dessen, ob die vom Knoten 102-1 zum Knoten 102-2 übertragene Informations-Mitteilung noch immer auf dem Datenkanal 1 übertragen wird. Der Knoten 102-4 antwortet dann dem Knoten 102-3 mit einer CTS-Mitteilung, und danach überträgt der Knoten 102-3 eine Informations-Mitteilung auf einem anderen verfügbaren Datenkanal, wie dem Datenkanal 2. Wie man in 4 sieht, kann die auf dem Datenkanal 2 vom Knoten 102-3 zum Knoten 102-4 gesendete Informations-Mitteilung gleichzeitig mit der auf dem Datenkanal 1 vom Knoten 102-1 zum Knoten 102-2 gesendeten Informations-Mitteilung übertragen werden. Die Mitteilung vom Knoten 102-3 zum Knoten 102-4 wird im Wesentlichen ohne eine Verzögerung übertragen, die aus der Übertragung der vom Knoten 102-1 zum Knoten 102-2 übertragenen langen Mitteilung (das heißt lang im Hinblick auf die Zeitdauer) resultiert. Weitere Einzelheiten des RTS/CTS-Austauschs und der Kanal-Zuweisung sind im U.S. Patent Nr. 6,404,756 von Eric A. Whitehill at al. mit dem Titel "Methods and Apparatus for Coordinating Channel Access to Shared Parallel Data Channels" angegeben.
  • Wie nunmehr beschrieben werden wird, verwendet das Netz 100 eine Methode, die eine direkte Korrelation zwischen der Anzahl von Datenkanälen und der durchschnittlichen Größe der Datenpakete erkennt. Speziell nimmt die Anzahl von Datenkanälen, die der Reservierungskanal wirkungsvoll unterstützen kann, ab, wenn die durchschnittliche Größe (was durchschnittliche Länge der Übertragungszeit bedeutet) des Datenpakets kleiner wird und sich an die Größe einer RTS/CTS-Kombination (was kombinierter Zeitdauer für den RTS/CTS-Austausch bedeutet) annähert. Umgekehrt nimmt die Anzahl von Datenkanälen, die unterstützt werden können, zu, wenn die durchschnittliche Größe des Datenpakets im Verhältnis zur RTS/CTS-Kombination zunimmt. Wie oben angegeben, sind die 3 und 4 Diagramme, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Größe (Dauer der Übertragungszeit) der RTS- und CTS-Mitteilungen und von Datenpaketen mit durchschnittlicher Größe darstellen, sowie ein Beispiel der Anzahl von RTS/CTS, die während der Zeit stattfinden, die es braucht, um ein Paket mit durchschnittlicher Größe zu senden. Wie man aus diesen Figuren ersehen kann, neigt das Netz zu einer Paketverstopfung, wenn sämtliche Mitteilungsdatenpakete klein sind, und zu einer Daten- oder Nutzlast-Verstopfung, wenn sämtliche Datenpakete groß sind.
  • Bei den Systemen von Apple, Proxim und HMT war die Anzahl von Datenkanälen feststehend. Für das Apple- und Proxim-System beträgt die Anzahl eins. Für das HMT-System beträgt die Anzahl von Datenkanälen drei.
  • Im Gegensatz dazu hat das vorliegende Netz 100 die Fähigkeit, dass die Anzahl von Datenkanälen zwischen 1 und n beträgt (wobei n einen ganzzahligen Wert darstellt, und zwar der Zeitspanne zum Übertragen eines Mitteilungs-Datenpakets mit durchschnittlicher Größe dividiert durch die Zeitspanne zum Durchführen eines RTS+CTS-Mitteilungs-Austauschs). Zu Zwecken dieser Erläuterung wird die Zeitspanne zum Übertragen eines Mitteilungs-Datenpakets mit durchschnittlicher Größe in Bytes dargestellt, und die Zeitspanne zum Durchführen eines RTS+CTS-Austauschs wird ebenfalls in Bytes dargestellt. Es sollte festgestellt werden, dass die Übertragungsgeschwindigkeit auf dem Reservierungskanal, über den der RTS/CTS-Mitteilungs-Austausch stattfindet, typischerweise geringer ist als die Übertragungsgeschwindigkeit auf einem Datenkanal, über den das Datenpaket übertragen wird. Jedoch wird dies zu Zwecken dieses Beispiels berücksichtigt, wenn die Zeitspannen der Mitteilungen als Anzahl von Bytes dargestellt werden. Wenn zum Beispiel die durchschnittliche Größe eines Mitteilungs-Datenpakets 1200 Bytes beträgt (was bedeutet, dass die Übertragungszeitdauer gleich der Zeitspanne ist, die notwendig ist, um 1200 Bytes über einen Datenkanal zu senden, was in verkürzter Form "Zeitspanne" des Mitteilungs-Datenpakets genannt werden wird), und die Länge eines RTS+CTS-Mitteilungs-Austauschs 200 Bytes beträgt (was bedeutet, dass die Übertragungszeitdauer zum Durchführen des RTS/CTS-Austauschs auf dem Reservierungskanal, wenn sie zum Berücksichtigen der geringeren Übertragungsgeschwindigkeit auf dem Reservierungskanal modifiziert worden ist, zu der Zeitspanne äquivalent ist, die notwendig ist, um 200 Bytes über einen Datenkanal zu senden, was Zeitspanne der RTS- und CTS-Mitteilungen genannt werden wird), dann wäre n gleich sechs. Wenn die durchschnittliche Größe (Zeitspanne) eines Mitteilungs-Datenpakets 1500 Bytes beträgt, und die Zeitspanne eines RTS+CTS-Austauschs 200 Bytes beträgt, dann wäre n gleich sieben. Die tatsächliche Anzahl von im Gebrauch befindlichen Datenkanälen wird ein Systemparameter sein, der unter den Knoten 102, 106 und 107 verbreitet wird. Jedoch wird auch festgestellt, dass das Ausmaß des verfügbaren Funkfrequenz-Spektrums die Optionen auf etwas weniger als die ideale Anzahl beschränken kann. Wie in der oben genannten U.S. Patentanmeldung Nr. 20020058502 A1 beschrieben ist, kann eine mobile Internet-Vermittlungsstelle (Mobile Internet Switching Center MiSC) sowie IAPs 106 im Netz 100 Software einschließen, die es ihnen ermöglicht, die Pakete, welche von den Knoten 102, 106 und 107 übertragen werden, zu analysieren und eine durchschnittliche Paketgröße zu bestimmen. Dies gestattet es dem Netz 100, die Anzahl von Kanälen, die sich im Gebrauch befinden, nahezu in Echtzeit dynamisch zu verändern.
  • Systembewusstsein in den RTS/CTS
  • Im Netz 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestattet es ein gemeinsamer Reservierungskanal, den sich sämtliche Knoten 102, 106 und 107 teilen, dass das Netz 100 Systemstand-Konfiguration, Koordination und Bereitstellung vornimmt. Wenn sie untätig sind, hören alle Knoten 102, 106 und 107 auf dem Reservierungskanal zu. Der hauptsächliche Grund dafür besteht darin, imstande zu sein, den Ausnutzungsgrad zu kalibrieren, wenn eine Anwendung ein Paket senden möchte, und bereit zu sein, ein Paket von einem anderen Knoten 102, 106 oder 107 zu empfangen. Indem ein kleiner Betrag der Bandbreite für den Reservierungskanal abgeteilt wird, können sich die Knoten 102, 106 und 107 Informationen teilen, die sie alle betrifft, wie oben beschrieben. Ein Beispiel dieser Informationen ist die Anzahl von Datenkanälen im Gebrauch. Ein anderes ist die Lage der Datenkanäle, wenn das verfügbare Spektrum nicht durchgängig ist. Informationen über die Identität und den Betrieb des Netzes 100 können vom MiSC/IAP verbreitet werden, so dass sämtliche Knoten 102, 106 und 107 in der wirkungsvollsten und effizientesten Weise zusammenarbeiten können. Es wird erwartet, dass diese üblicherweise bekannten Informationen auch auf einer Reihe von zusätzlichen Gebieten zur Gesamteffizienz des Netzes 100 beitragen werden.
  • Intelligente Zufalls-Verzögerung (random back off) und konfigurierbare Zufalls-Verzögerung
  • Das Proxim-System verwendet ein Zufalls-Verzögerungs-Schema, um die Fairness des Zugriffs zu vergrößern, die auf einer zufälligen Zuordnung eines Zeitschlitzes basiert, so dass statistisch gesehen sämtliche Knoten 102, 106 und 107 eine gleiche Chance besitzen, der nächste in der Schlange zu sein. Für ein Paket-Datensystem ist dies eine einfache und elegante Lösung. Jedoch stellt das Netz 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch eine Dienstgüte(QOS)-Fähigkeit bereit, die es dem Netz erlaubt, Echtzeit-Dienste, wie Sprache ebenso wie traditionelle Daten-Dienste zu unterstützen. In einem solchen Netz 100 werden alle Endgeräte (z.B. mobile Knoten 102) als gleich oder im Wesentlichen gleich erschaffen, jedoch nicht alle Pakete. Dementsprechend wird eine andere Art von Zufalls-Verzögerungs(random back off)-System benötigt, so dass die Sprachpakete, die keine Latenz (d.h. Verzögerung) tolerieren können, nicht unzumutbar behindert werden. Daher ist die Realisierung dieses Aspekts des Netzes 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie folgt:
    Wenn die Sicherungsschicht eines Knotens (z.B. eines mobilen Knotens 102) eine Antwort von der Medien-Zugriffs-Steuerung (Media Access Control MAC) empfängt, dass er beim Senden eines Pakets erfolglos war, wird der Kontroller 112 des Knotens, der versucht hat, das Paket zu übertragen, das Paket in einer Übertragungswiederholungsschlange im Speicher 114, zum Beispiel des Knotens platzieren. Es gibt mehrere mögliche Gründe für Erfolglosigkeit, jedoch ist die verbreitetste eine RTS-Kollision.
  • Zwei Ereignisse finden an dem Knoten statt, der versucht, zu übertragen, wenn das Paket in einer Schlage platziert ist. Erstens wird der Bestimmungsort des Pakets blockiert. Daher wird der Kontroller 112 des Knotens auch jegliche anderen Pakete für diesen Bestimmungsort in eine Schlange stellen. Dies gestattet es dem Knoten, damit fortzufahren, Datenpakete auf anderen Datenkanälen an anderen Bestimmungsorte zu senden, während auf die passende Zeit gewartet wird, um eine erneute Übertragung zu dem blockierten Bestimmungsort zu versuchen. Zweitens ist das Zeitmaß, das der Knoten warten wird, von der Art des Pakets abhängig, das übertragen wird. Einfach gesagt, wird der Knoten für ein QOS-Paket mit geringer Latenz (wie ein Sprachpaket) kurze Zeit warten und für ein Bestversuch-Datenpaket längere Zeit. Die Methode im Netz 100 baut auf dem zugrundliegenden Algorithmus auf, indem sie die Leistungs-Messungen, die das Netz vornimmt, für eine Feinabstimmung des Verzögerungs-Algorithmus benutzt, und es auch erlaubt, die Verzögerung manuell oder automatisch durch das Netz 100 zu konfigurieren.
  • Obwohl oben nur einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, wird der Fachmann ohne weiteres erkennen, dass an den beispielhaften Ausführungsformen viele Abwandlungen möglich sind, ohne die neuartigen Lehren und Vorteile der Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Einrichten von Kanälen, um eine Kommunikation zwischen Knoten in einem Kommunikationsnetz zu ermöglichen, bei der eine Anforderung-zu-Senden, RTS-Mitteilung von einem übertragenden Knoten zu einem Bestimmungs-Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden eines Mitteilungs-Datenpakets zum Bestimmungs-Knoten anzufordern; und eine Freigabe-zu-Senden, CTS-Mitteilung von dem Bestimmungs-Knoten zu dem übertragenden Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden des Mitteilungs-Datenpakets anzuzeigen, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Bestimmen einer durchschnittlichen Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen zwischen dem übertragenden und dem Bestimmungs-Knoten in dem Kommunikationsnetz; Bestimmen einer Zeitspanne, um den RTS- und CTS-Mitteilungs-Austausch durchzuführen; Einrichten einer Anzahl von Datenkommunikationskanälen basierend auf einer Beziehung zwischen der durchschnittlichen Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen und der Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs auf einem Reservierungskanal.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: das Einrichten die Anzahl von Datenkommunikationskanälen gleich einem ganzzahligen Wert einrichtet, der basierend auf einem Wert bestimmt wird, welcher die durchschnittliche Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen dividiert durch die Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs darstellt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Verbreiten von Daten, die den Knoten die Anzahl von Datenkommunikationskanälen anzeigen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: das Netz ein drahtloses Ad-hoc-Kommunikationsnetz einschließt; und sowohl die Bestimmungsschritte und der Einrichtungsschritt beide in Beziehung zu dem drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetz durchgeführt werden.
  5. System zum Einrichten von Kanälen, um eine Kommunikation zwischen Knoten in einem Kommunikationsnetz zu ermöglichen, bei der eine Anforderung-zu-Senden, RTS-Mitteilung von einem übertragenden Knoten zu einem Bestimmungs-Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden eines Mitteilungs-Datenpakets zum Bestimmungs-Knoten anzufordern; und eine Freigabe-zu-Senden, CTS-Mitteilung von dem Bestimmungs-Knoten zu dem übertragenden Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden des Mitteilungs-Datenpakets anzuzeigen, wobei das System gekennzeichnet ist durch: eine Komponente, die angepasst ist, um eine durchschnittliche Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen zwischen den Knoten im Kommunikationsnetz zu bestimmen; und die Komponente weiter angepasst ist, um eine Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs zu bestimmen, und um eine Anzahl von Datenkommunikationskanälen basierend auf einer Beziehung zwischen der durchschnittlichen Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen und der Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs auf einem Reservierungskanal einzurichten.
  6. System nach Anspruch 5, bei dem: die Komponente angepasst ist, um die Anzahl von Datenkommunikationskanälen gleich einem ganzzahligen Wert einzurichten, der basierend auf einem Wert bestimmt wird, welcher die durchschnittliche Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen dividiert durch die Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs darstellt.
  7. System nach Anspruch 5, bei dem: die Komponente weiter angepasst ist, um Daten zu verbreiten, die den Knoten die Anzahl von Datenkommunikationskanälen anzeigen.
  8. System nach Anspruch 5, bei dem: das Netz ein drahtloses Ad-hoc-Kommunikationsnetz einschließt; und die Komponente mit dem drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetz in Verbindung steht.
  9. System nach Anspruch 5, bei dem: die Komponente einen Zugriffspunkt des Netzes einschließt, der angepasst ist, um mindestens einige der Knoten mit einem Zugriff auf andere Teile des Netzes oder ein anderes Netz zu versehen.
  10. System nach Anspruch 5, bei dem: die Komponente eine mit dem Netz verbundene mobile Internet-Vermittlungsstelle einschließt.
  11. Computerlesbares Medium mit Anweisungen, das angepasst ist, um eine Komponente zum Einrichten von Kanälen zu steuern, um eine Kommunikation zwischen Knoten in einem Kommunikationsnetz zu ermöglichen, bei der eine Anforderung-zu- Senden, RTS-Mitteilung von einem übertragenden Knoten zu einem Bestimmungs-Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden eines Mitteilungs-Datenpakets zum Bestimmungs-Knoten anzufordern; und eine Freigabe-zu-Senden, CTS-Mitteilung von dem Bestimmungs-Knoten zu dem übertragenden Knoten übertragen wird, um eine Freigabe zum Senden des Mitteilungs-Datenpakets anzuzeigen, wobei das computerlesbare Medium mit Anweisungen dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: eine erste Gruppe von Anweisungen, die angepasst ist, um die Komponente zu steuern, um eine durchschnittliche Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen zwischen den Knoten im Kommunikationsnetz zu bestimmen; eine zweite Gruppe von Anweisungen, die angepasst ist, um die Komponente zu steuern, um eine Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs zu bestimmen; und eine dritte Gruppe von Anweisungen, die angepasst ist, um die Komponente zu steuern, um eine Anzahl von Datenkommunikationskanälen basierend auf einer Beziehung zwischen der durchschnittlichen Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen und der Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs auf einem Reservierungskanal einzurichten.
  12. Computerlesbares Medium mit Anweisungen nach Anspruch 11, bei dem: die dritte Gruppe von Anweisungen angepasst ist, um die Komponente zu steuern, um die Anzahl von Datenkommunikationskanälen gleich einem ganzzahligen Wert einzurichten, der basierend auf einem Wert bestimmt wird, welcher die durchschnittliche Zeitspanne zum Übertragen von Mitteilungs-Datenpaketen dividiert durch die Zeitspanne zum Durchführen des RTS- und CTS-Mitteilungs-Austauschs darstellt.
  13. Computerlesbares Medium mit Anweisungen nach Anspruch 11, weiter umfassend: eine vierte Gruppe von Anweisungen, die angepasst ist, um die Komponente zu steuern, um Daten zu verbreiten, die den Knoten die Anzahl von Datenkommunikationskanälen anzeigen.
  14. Computerlesbares Medium mit Anweisungen nach Anspruch 11, bei dem: das Netz ein drahtloses Ad-hoc-Kommunikationsnetz einschließt; und die erste, zweite und dritte Gruppe von Anweisungen angepasst sind, um die Komponente zu steuern, die mit dem drahtlosen Adhoc-Kommunikationsnetz verbunden ist.
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