DE19536379C2 - Verfahren für die völlig dezentrale Verbindungssteuerung in kanal- oder paketvermittelnden Mobilfunknetzen, insbesondere ATM basierter Zugangsnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die völlig dezentrale Verbindungssteuerung in kanal- oder paketvermittelnden Mobilfunknetzen mit teilweiser oder vollständiger Funkvernetzung der kommunizierenden Stationen.

Praktische Einsatzfelder solcher Netze können u. a. sein:

• - lokale Netze für die Daten- und Multimediakommunikation,
• - Zugangsnetze zu Telekommunikationsnetzen,
• - stadtweite Netze zur Verbindung von ortsfesten und mobilen Teilnehmern.

Als Basissysteme für den Einsatz der unten beschriebenen Verfahren und Protokolle werden völlig dezentral organisierte Mobilfunknetze angenommen, wie sie z. B. aus den Patentschriften DE 33 37 648 C2, DE 33 37 643 C2, DE 41 06 974 A1 bekannt sind. Derartige Funknetze werden auch Multi-Hop Netze genannt und weisen folgende grundlegenden Merkmale auf:

• - Betrieb im freien Gelände oder Wald, auf dem Wasser, in der Nähe oder innerhalb von Gebäuden,
• - Gesamtausdehnung des durch Funkstationen aufgespannten Netzes von typischerweise wenigen hundert Metern bis 10 km, evtl. mehr,
• - Anordnung von vielen (z. B. 50-100) Funkstationen,
• - keine für die Organisation und Kommunikation des Netzes verantwortliche zentralisierte Funktion.

Derartige (dezentral organisierten) Multi-Hop Mobilfunknetze weisen u. a. folgende relevante Merkmale teilweise oder gesamt auf:

• - Einsatz mobiler Funkstationen für die digitale Nachrichtenübertragung im GHz Frequenzbereich, z. B. 2.5, 6, 10, 20, 40, 60 GHz oder mehr, die FDM/FDMA, TDM/TDMA/TDD, CDM/CDMA, SDM/SDMA Multiplex- und Kanalzugriffsverfahren oder Kombinationen verwenden,
• - Übertragungsraten pro (FDM) Kanal von einigen Mbit/s bis 155 Mbit/s, oder mehr,
• - Automatischer Betrieb jeder Mobilstation, ohne Notwendigkeit der Bedienung durch einen Menschen,
• - Verfügbarkeit aller Dienste wie z. B. Telefon, Fax, Daten, Grafik, Video mit ihren Leistungsmerkmalen wie sie in drahtgebundenen Netzen angeboten werden,
• - Unterstützung automatischer Managementdienste wie Kontaktaufnahme, Einbindung in das Netz, Netz­ rekonfiguration, Mobilitätsmanagement, Sicherheitsmanagement durch Verschlüsselung usw.,
• - Verwendung von rundstrahlenden oder gerichteten Sende-/Empfangsantennen, oder Kombinationen,
• - Einsatz von Funkstationen mit Rechnerintelligenz, so daß alle zur An-/Abmeldung der Stationen beim/vom Netz, sowie für Signalisierung benötigten Funktionen völlig dezentral abgewickelt werden können,
• - Schichtung aller für Organisation und Kommunikation benötigten Protokolle entsprechend des ISO/OSI Referenzmodells,
• - Ausstattung jeder Funkstation mit Relais- und Vermittlungsfunktionen, so daß kanalvermittelte, ver­ bindungsorientierte oder verbindungslose Kommunikationsstrecken für Paket-, (ATM) Zellvermittlung, Frame Relay usw. zwischen Endsystemen/Teilnehmern beliebiger Stationen des Mobilfunknetzes und zu Endsystemen/Teilnehmern anderer Fest- und Mobilfunknetze auf-/abgebaut und betrieben werden können.
• - Verfügbarkeit von Relaisstationen für die Anbindung des Funknetzes an Festnetze und andere Funknetze.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren für Mobilfunknetze der oben beschrieben Basisfunktionalität unter Berücksichtigung der besonderen Problemstellungen dezentral organisierter Multi- Hop Funknetze, insbesondere ATM-basierter Zugangsnetze, anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungen bzw. Weiterentwicklungen der Erfindung.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin,

• - eine dem Funknetz gegebene Übertragungskapazität adaptiv für verschiedene Dienstarten (z. B. Sprache, Fax, Daten, Grafik, Video) entsprechend den aktuellen Teilnehmeranforderungen verfügbar zu machen,
• - kanalvermittelte und virtuelle Verbindungen parallel zum verbindungslosen Kommunikationsmodus zu betreiben,
• - Einrichtung, Betrieb und Auslösung kanalvermittelter und virtueller Verbindungen zu realisieren,
• - paketierte Daten, wie z. B. ATM-Zellen, X.25 Pakete, Frame Relay Pakete, über One-Hop Teilstrecken und Multi-Hop Strecken entlang einer Route zwischen Nachrichtenquelle und -senke zu übertragen,
• - basierend auf dienstspezifischen Parametern, wie z. B. max. tolerierbare Verzögerung, Länge der Sender­ warteschlange, Übertragungskapazität adaptiv für paketvermittelten Datenverkehr auf One-Hop Teil­ strecken zu reservieren,
• - Paketdaten dienstspezifisch auf One-Hop Teilstrecken zu übertragen, um teilstreckenspezifsche Über­ tragungsfehler mit Hilfe von Übertragungsprioritäten, Vorwärtsfehlerkorrektur, Interleaving, ARQ-Ver­ fahren basierend auf fehlererkennenden Blockcodes usw. unter Kontrolle des stationslokalen Netz­ managementsystems zu beseitigen, und
• - Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt und Rundsende (Broadcast) Kommunikation zu unterstützen.

Die Erfindung wird im folgenden weiter erläutert.

Logische Kanalstruktur des Multi-Hop Mobilfunknetzes

Physikalische Übertragungskanäle des Mobilfunknetzes werden durch eine Kombination unterschiedlicher Multiplextechniken realisiert. Je Trägerfrequenz eines Frequenzmultiplex- (FDM) Systems werden Kanäle durch ein synchrones Zeitmultiplexverfahren (STDM) erzeugt. Der resultierende Zeitmultiplexrahmen ist durch seine Rahmendauer T_R, Anzahl von Zeitschlitzen A_S sowie Anzahl von Bits je Zeitschlitz B_PZS charak­ terisiert. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Zeitmultiplexrahmens.

Die Gesamtübertragungsrate D pro Trägerfrequenz ist

D = A_S . B_PZS/T_R

Der Durchsatz D_CH eines physikalischen Kanals der durch einen Zeitschlitz realisiert wird, ist

D_CH = B_PZS/T_R (1.1)

Die hohe Ausbreitungsdämpfung bei Trägerfrequenzen im GHz Bereich ermöglicht eine Wiederver­ wendung der Frequenz- und Zeitmultiplexkanäle nach typischerweise einigen hundert Metern (Raummultiplex).

Das erfindungsgemäße Funknetz macht den Teilnehmern alle Dienste, evtl. unter Einschränkung der Dienst­ güte, mobil verfügbar, die von Festnetzen angeboten werden. Darüber hinaus werden mobilfunkspezifische Dienste angeboten wie einheitliche Funkschnittstelle, Aufenthaltsverwaltung, Handover, Roaming, Erreich­ barkeit von Teilnehmern an Festnetzen usw. Diese Dienste erzeugen Verkehre mit z. T. völlig unterschied­ lichen Charakteristika, die sich aus Merkmalen zusammensetzen wie z. B.

• - kontinuierliche oder variable Bitrate,
• - Verkehr mit/ohne Echzeitanforderungen
• - hoher/niedriger Bandbreitenbedarf.

Zur Unterstützung dieser Dienste in dezentral organisierten Multi-Hop Mobilfunknetzen wird auf die physi­ kalische Kanalstruktur ein im Netzbetrieb dynamisch veränderbares, logisches Kanalmuster aufgesetzt, das aus einer Kombination logischer Kanäle besteht.

Die Übertragungskapazität logischer Kanäle entsteht durch:

• 1. Aufteilung eines Zeitschlitzes in mehrere logische Kanäle (Slotsplitting).
• 2. Verwendung eines Zeitschlitzes in jedem n-ten TDM-Rahmen (n ≧ 1).
• 3. Zusammenfassung von m (m ≧ 1) Zeitschlitzen zu einem logischen Kanal.

Durch die Verfahrenspunkte 1. und 2. entstehen logische Kanäle mit einem Durchsatz D_LCH ≦ D_CH, vgl. Gleichung 1.1, durch Verfahrenspunkt 3. logische Kanäle mit einem Durchsatz D_LCH ≧ D_CH. Logische Kanäle können äquivalent auch nach dem FM-Verfahren gebildet werden, wobei (Teil-)Zeitschlitze in einer festgelegten Folge auf verschiedenen Trägerfrequenzen verwendet werden. Logische Kanäle werden für die Übertragung von Daten mit variabler oder kontinuierlicher Bitrate eingesetzt. Logische Kanaltypen die für die weitere Beschreibung der erfindungsgemäßen Verfahren und Protokolle verwendet werden, sind in Tabelle 1 getrennt nach funktionalen Gruppen aufgeführt.

Tabelle 1: Logische Kanäle

Versteckte Stationen

Fig. 2 zeigt eine typische Teiltopologie eines Multi-Hop Mobilfunknetzes. Die Stationen verwenden z. B. rundstrahlende Sende- und Empfangsantennen. Eine Station S_i akzeptiert diejenigen Stationen als Nachbar­ stationen, deren Übertragungen sie mit einem ausreichend hohen Signalpegel (was gleichbedeutend mit Signal zu Rauschleistungsverhältnis S/N ist, das einen festgelegten Schwellwert S/N_Nachbar übersteigt) bei der Festlegung der Netzkonnektivität empfängt. Die Aktualisierung konnektivitätsbezogener Größen und Ver­ zeichnisse, wie Adressen der Nachbarstationen, Teilnehmerverzeichnis, Wegelenkungsinformationen usw., erfolgt periodisch durch das stationsinterne Managementsystem.

Betrachtet man das Netz in der Ebene, so bildet sich (idealisiert) ein kreisförmiges Gebiet um jede Station S_i aus, innerhalb dessen die übrigen Stationen als Nachbarn erkannt werden. In der Praxis ist dieses Gebiet auf­ grund von Störungen der Funkübertragung, z. B. durch Abschattungen, Mehrwegeausbreitung, Gleich- und Nachbarkanalstörer unregelmäßig und nur näherungsweise kreisförmig.

Kreisgebiete werden analog zur Beschreibung des Senderadius R_s und des Detektionsradius R_DET verwendet. Der Senderadius R_s kennzeichnet den maximalen Abstand zu einer sendenden Station bis zu dem eine ge­ sendete Nachricht mit ausreichend kleiner Bitfehlerrate empfangen werden kann. Der Detektionsradius R_DET gibt die max. Entfernung zu einem Sender an, bis zu dem die Übertragung einer Station auf einem Zeit­ schlitz durch andere Stationen detektiert werden kann.

Bedingt durch die dezentrale Kanalverwaltung bzw. das Raummultiplex (SDM) wird in einer Entfernung R < R_DET zu einer sendenden Station derselbe Kanal/Zeitschlitz von sendewilligen Stationen wiederverwendet. Fig. 2 zeigt eine Station S4 die ein Datenpaket zu Station S6 überträgt. Der Sendevorgang kann von allen Stationen innerhalb der Detektionskreisfläche (Radius R_DET) von S4 wahrgenommen werden. Station S8 be­ findet sich außerhalb der Detektionskreisfläche des Senders S4 und kann denselben Kanal/Zeitschlitz für eine gleichzeitige Übertragung, z. B. zu Station S9, benutzen, was zu einem erhöhten Störpegel bzw. Empfangsstörungen bei Station S6 führt.

Stationen wie S8 werden als versteckte Stationen bezeichnet. Senden eine oder mehrere versteckte Stationen in der Umgebung eines Empfängers (hier Station S6) gleichzeitig zur Übertragung von S4 nach S6, so wird das Datenpaket mit hoher Wahrscheinlichkeit von Station S6 nicht empfangen. Dieser Einfluß versteckter Stationen ist um so stärker, je weiter die empfangende Station von der sendenden Station S4 entfernt ist. Die nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren tragen u. a. zur Reduktion des Störeinflusses ver­ steckter Stationen bei.

Kanalbelegungsliste

Jede Netzstation führt pro FDM-Teilband eine Kanalbelegungsliste, die pro logischem Kanal u. a. folgende Einträge enthält:

• - Kanaltyp und zugehörige Merkmale wie Durchsatz, relative Lage innerhalb des TDM-Rahmens, Block­ wiederkehrzeit usw.,
• - Kanalstatus, z. B. belegt, temporär gesperrt, aktueller Signalpegel,
• - Systemzeit des letzten Zugriffs,
• - relevante Parameter des Medienzugriffprotokolls.

Alle zeitlich veränderlichen Größen der Kanalbelegungsliste werden anhand von Meßwertreporten des stationsinternen Managementsystems oder Managementnachrichten anderer Netzstationen periodisch auf den aktuellen Stand gebracht.

Einrichtung und Betrieb kanalvermittelter Verbindungen

Verbindungen zwischen zwei nicht direkt, sondern nur über Relais verbindbaren Stationen, werden schritt­ weise (hopweise) aus Sicht der Quelle zur Senke aufgebaut. Die Verbindungseinrichtung zwischen zwei Teilnehmern umfaßt somit die Einrichtung von N Teilstreckenverbindungen, wobei N gleich der Anzahl der Teilstreckenverbindungen zwischen Quelle und Senke ist (N ≧ 1).

Das hier beschriebene Verfahren und Protokoll verwendet mindestens einen Signalisierkanal (SCH) und Verkehrkanäle (TCH) entsprechend Tabelle 1. Verkehrskanäle werden von beiden an einer Teilstreckenver­ bindung beteiligten Stationen duplex im Zeitgetrenntlageverfahren genutzt, d. h. sie senden abwechselnd auf demselben Verkehrskanal. Dies führt, wie später im Detail beschrieben, in Verbindung mit dem Signali­ sierungs- und Kanalmanagement zur Ausbildung einer Schutzzone um beide kommunizierenden Stationen, wodurch eine deutliche Reduktion des Störeinflusses versteckter Stationen erreicht werden kann. Die Signalisierungsverfahren/-protokolle für die Verbindungseinrichtung werden beispielhaft anhand eines Teilnetzes, vgl. Fig. 3, dargestellt:

Es wird nachfolgend angenommen, daß eine Verbindung zwischen Teilnehmer X (Quelle), der einen draht­ gebundenen Anschluß an Station S1 besitzt, und Teilnehmer Y (Senke), der mit Station S8 verbunden ist, eingerichtet werden soll. Für die Verbindung zwischen den Stationen S1 und S8 ermitteln die beteiligten Stationen anhand ihrer stationslokalen Routingtabelle eine günstige Route, z. B. den kürzesten Weg (minimale Anzahl von One-Hop Teilstrecken), durch das Netz. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel sind sequentiell Teilstreckenverbindungen von S1 nach S2, S2 nach S4, S4 nach S6 und S6 nach S8 einzurichten, wobei die Stationen S2, S4, und S6 als Relaisstationen entlang der Route von S1 zu S8 arbeiten und dabei Informationen kommender Zeitschlitze auf gehende Zeitschlitze im Raum- oder Zeitvielfach vermitteln.

Verfahren und Protokolle für Einrichtung und Betrieb von Teilstreckenverbindungen

In der ersten Signalisierungsphase wird zur Nachrichtenübertragung ein Signalisierungskanal (SCH) ver­ wendet, auf den gemäß S-Aloha Protokoll oder einem äquivalenten, synchronen oder asynchronen Medien­ zugriffsprotokoll zugegriffen wird. Die Station S1 sendet ein Signalisierpaket vom Typ "Verbindungswunsch-Teilstrecke" dessen Elemente mindestens die folgenden Informationen enthalten:

• - Identifikation des Pakets,
• - Adresse der Quell- und Zielstation,
• - Adresse des Senders und Empfängers (für diese Teilstrecke),
• - Liste von Verkehrskanälen, die aus Sicht des Senders (hier S1) für die Teilstreckenverbindung verwendet werden können,
• - geforderter Dienst und Dienstgüteparameter.

Andere Informationselemente werden für die Verfahrensbeschreibung nicht benötigt, weitere optionale oder vorgeschriebene Informationselemente des Datenpakets "Verbindungswunsch-Teilstrecke" sind Gegenstand einer konkreten (formalen) Protokollspezifikation.

Nach der Übertragung des Signalisierpakets markieren alle empfangenden Stationen (im Sendebereich der Station S1) alle für die Teilstreckenverbindung vorgeschlagenen Verkehrskanäle in ihrer stationslokalen Kanalbelegungsliste für ein Zeitintervall T1 als belegt. Die Kanalbelegungsliste wird stationslokal verwaltet und periodisch, z. B. pro TDMA Rahmen, durch das lokale Netzmanagement aktualisiert. S1 hört diese Kanäle während des Zeitintervalls T1 ab, um eine Antwort von S2 zu erhalten. T1 ist als protokoll­ spezifischer Parameter entweder fest vorgegeben oder wird dynamisch von einer sendenden Station unter Kontrolle des stationslokalen Netzmanagementsystems vorgegeben und ist dann im Signalisierpaket "Verbindungswunsch-Teilstrecke" enthalten. T1 wird typischerweise als Protokoll-Timer realisiert.

Die Relaisstation S2 vergleicht die im empfangenen Signalisierpaket enthaltene Liste der Kanalvorschläge mit ihrer lokalen Kanalbelegungsliste und prüft, ob einer oder mehrere der von Station S1 vorgeschlagenen Verkehrskanäle (TCH) für die Teilstreckenverbindung verwendet werden kann.

Im Falle einer positiven Prüfung werden zwei Fälle unterschieden:

• a) der (Teilstrecken-) Verbindungswunsch wird von Station S2 akzeptiert. Sie sendet auf dem ausgewählten Verkehrskanal ein Signalisierpaket mit positiver Bestätigung zurück (Inband Signalisierung).
• b) der (Teilstrecken-) Verbindungswunsch kann von Station S2 nicht akzeptiert werden, z. B. weil die ge­ forderte Dienstgüte aufgrund von Interferenzstörungen nicht garantiert werden kann. Station S2 sendet eine negative Bestätigung auf dem ausgewählten Verkehrskanal.

Bei positiver Bestätigung nach a):

• - markieren alle Stationen im Sendebereich der Station S2, die dieses Bestätigungspaket empfangen haben, den von S1 und S2 benutzten Verkehrskanal in ihrer Kanalbelegungsliste als belegt.
• - beginnt die Station S2 sofort mit der Einrichtung der nächsten Teilstreckenverbindung (hier zu Station S3) entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren.

Nachdem eine Teilstreckenverbindung eingerichtet worden ist, werden, solange die Verbindung zwischen Quell- und Zielstation nicht vollständig eingerichtet ist, ständig Daten (z. B. Konnektivitätsmatrizen, Managementnachrichten) über den Verkehrskanal (TCH) zwischen den an einer Teilstreckenverbindung beteiligten Stationen ausgetauscht. Dieses Verfahren schützt den für eine Teilstreckenverbindung ver­ wendeten Verkehrskanal vor dem Zugriff durch Stationen, die entweder das Signalisierpaket "Verbindungswunsch-Teilstrecke" von Station S1 oder das Bestätigungspaket von Station S2 aufgrund gleichzeitiger Übertragungen nicht empfangen konnten.

Vorteil des Verfahrens ist, daß durch die kontinuierliche und bidirektionale Benutzung des Verkehrskanals eine Schutzzone um die an der Teilstreckenverbindung beteiligten Stationen entsteht, deren Fläche ungefähr durch die Vereinigungsmenge der Kreisflächen mit dem Detektionsradius R_DET um jede der beteiligten Stationen gegeben ist.

Datenübertragungsphase und Verbindungsauslösung

Nach der Einrichtung aller für eine N-Hop Verbindung benötigten Teilstreckenverbindungen können Daten zwischen Quell- und Zielstation ausgetauscht werden. Sofern innerhalb der Datenübertragungsphase Pausen entstehen, werden alle Teilstreckenverbindungen durch Übertragung von Informationsdaten (z. B. Konnek­ tivitätsmatrizen, Managementnachrichten) entsprechend dem oben für die Verbindungseinrichtungsphase angegebenen Verfahren geschützt.

Die Ende-zu-Ende Verbindung über N Teilstrecken kann durch eine der beteiligten Stationen durch Senden eines Signalisierpakets vom Typ "Verbindungsende" vorzugsweise auf dem Verkehrskanal (TCH) oder einem gemeinsam genutzten Signalisierkanal ausgelöst werden. Signalisierungsinformationen und Be­ nutzerdaten können teilweise oder gesamt über dieselbe Verbindung übertragen werden, es wird sowohl Inkanal- als Außerkanal-Signalisierung verwendet. Nach Übertragung des Signalisierpakets "Verbindungsende" werden alle Teilstreckenverbindungen schrittweise ausgelöst, die zugehörigen Ver­ kehrskanäle sind für weitere Belegungen wieder verfügbar.

Ein Kanal, der von einer Station während eines Zeitintervalls T_U als unbenutzt beobachtet wird, in ihrer Kanalbelegungsliste jedoch als belegt markiert ist, wird nach Ablauf des Zeitintervalls T_U in der Kanal­ belegungsliste als frei markiert. Diese Funktion erlaubt eine dezentrale Freigabe von Kanälen bzw. Aus­ lösung einer Teilstreckenverbindung durch Stationen, die an der Verbindung nicht beteiligt sind; es werden Blockierungen von Verkehrskanälen vermieden, die dadurch entstehen, daß zwei an einer Teilstrecken­ verbindungen beteiligte Stationen diese nicht regulär, z. B. durch Verlust des Funkkontakts, auslösen können.

Verfahren und Protokolle zur Übertragung von Datenpaketen, insbesondere ATM- Zellen

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren umfassen Zugriffsprotokolle für die Paketdatenüber­ tragung, insbesondere ATM-Zellen (fester oder variabler Länge) in Multi-Hop Mobilfunknetzen. Der Begriff Paket wird nachfolgend als Oberbegriff für ATM-Zellen, X.25 Pakete, Frame Relay Pakete usw. verwendet.

Die Protokolle zielen auf die Reduktion des Einflusses versteckter Stationen, bei Multi-Hop Netzen ab, was von bisher bekannten Zugriffsprotokollen z. B. S-Aloha, CSMA, EY-NPMA nicht geleistet wird.

Weiterhin werden dienstspezifisch Prioritäten und Fehlerkorrekturverfahren für die Übertragung von Paket­ daten eingeführt, was bezogen auf ATM-Verbindungen über Funk ebenfalls neu ist.

Funkkanal

Die Verfahren werden beispielhaft für einen Funkkanal beschrieben, auf den im Zeitmultiplex (TDM/TDMA) zugegriffen wird. Es wird eine logische Kanalstruktur verwendet, wie sie in Abschn. Logische Kanalstruktur des Multi-Hop Mobilfunknetzes beschrieben ist.

Zur Beschreibung wird ein typisches Teilnetz benutzt, daß Bestandteil eines Multi-Hop Mobilfunknetzes ist, vgl. Fig. 4. Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Übertragung paketvermittelter Daten können in zwei Teilbereiche aufgegliedert werden:

• 1. Verfahren zur Übertragung und Vermittlung von Paketdaten zwischen benachbarten Funkstationen.
• 2. Verfahren für Einrichtung und Betrieb paketvermittelter Verbindungen zwischen beliebigen Teil­ nehmern (virtuelle Ende-zu-Ende Verbindungen) über N-Teilstrecken (N ≧ 1).

Verfahren und Protokolle für Einrichtung und Betrieb von One-Hop Teilstrecken

Die Verfahren/Protokolle verwenden reservierte Übertragungskapazität dedizierter Paketkanäle (DPCH), vgl. Tabelle 1, zur Übertragung von Paketdaten auf One-Hop Teilstrecken.

Empfängt eine Funkstation, z. B. Station S4 (Fig. 4) Datenpakete von anderen Funkstationen z. B. S1, S2, S3 usw., zur Weitervermittlung an die benachbarte Station S6, so wird von Station S4 Übertragungskapazität für die Datenübertragung in Richtung zu Station S6 reserviert.

Dieser Vorgang gliedert sich in drei sequentielle Teilabschnitte:

• 1. Reservierung von Kanalkapazität für die Übertragung.
• 2. Datenübertragungsphase einschließlich Vermittlung durch die beteiligte Station.
• 3. Freigabe der reservierten Kapazität, sofern keine Daten zur Übertragung mehr vorhanden sind.

Zur Durchführung des Verfahrens werden ein von allen Funkstationen gemeinsam genutzter Zugriffskanal (ACH), vgl. Tabelle 1 sowie ein oder mehrere dedizierte Paketkanäle (DPCH) verwendet.

Station S4 beginnt mit der Übertragung eines Reservierungspakets vom Typ "Reservierungswunsch Teilstrecke" auf dem gemeinsam genutzten Zugriffskanal (ACH), dessen Elemente mindestens die folgenden Informa­ tionen beinhalten:

• 1. Priorität des Sendewunsches und Selektionsbitmuster,
• 2. Adresse der sendenden und empfangenden Station (hier S4 und S6),
• 3. Liste möglicher Paketkanäle (DPCHs) für die Paketdatenübertragung,
• 4. Dienstgüteparameter der Verbindung,
• 5. Benutzerdaten, sofern ihre Datenmenge die max. Länge des Reservierungspakets nicht übersteigt.

Der Zufallszugriff auf den von Netzstationen gemeinsam genutzten ACH-Kanal impliziert, daß ein Reser­ vierungspaket (der Station S4) mit zeitgleichen Übertragungen anderer Stationen kollidierenden kann. Aus diesem Grunde wurde in das Reservierungspaket "Reservierungswunsch Teilstrecke" ein Selektionsbit­ muster, vergleichbar mit dem Elemination-Burst des EY-NPMA Protokolls, eingefügt, daß eine dezentrale Zuteilung der (weiteren) Übertragungsberechtigung auf dem ACH-Kanal erlaubt und das Kollisionsrisiko erheblich reduziert. Bei Verwendung gerichteter Sende-/Empfangsantennen wird das Selektionsbitmuster evtl. nicht benötigt.

Das Paket "Reservierungswunsch-Teilstrecke" enthält weiterhin die Adresse der Sender- und Empfänger­ station, eine Liste von dedizierten Paketkanälen, die aus ihrer Sicht der Station S4 für die Datenübertragung verwendet werden können, sowie Informationen über die geforderte Dienstgüte der Verbindung wie z. B. Anzahl benötigter Paketkanäle, Dienstart, Durchsatz, max. Verzögerung. Erhält Station S4 innerhalb eines Zeitintervalls T_A keine Antwort von Station S6, so wird die Übertragung des Reservierungspaketes "Reservierungswunsch Teilstrecke" wiederholt, wobei der nächste Zugriffszeitpunkt auf den ACH-Kanal durch Algorithmen des Netzmanagementsystems gesteuert wird, die eine Kollision mit Reser­ vierungspaketen ebenfalls wiederholender Stationen weitgehend vermeidet.

Für die weitere Betrachtung wird angenommen, daß die Station S4 die Sendeberechtigung für den ACH- Kanal erhalten hat und das Reservierungspaket erfolgreich von Station S6 empfangen worden ist.

Station S6 vergleicht nach Empfang des Reservierungspakets die enthaltene Liste der Kanalvorschläge mit ihrer lokal geführten Kanalbelegungsliste. Ergibt sich aus dem Vergleich eine ausreichende Anzahl von Kanälen mit den geforderten Dienstgütemerkmalen, so sendet S6 auf den entsprechenden dedizierten Paket­ kanälen (DPCHs) je ein Paket des Typs:
"Bestätigung Verbindungswunsch-Teilstrecke",
das mindestens folgende Informationen enthält:

• 1. Priorität des Sendewunsches und Selektionsbitmuster
• 2. Adresse des Empfängers und Senders,

Die Priorität des Sendewunsches/das Selektionsbitmuster wird zur dezentralen Vergabe des Belegungsrechts für dedizierte Paketkanäle (DPCHs) unter konkurrierenden Stationen entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren verwendet, bei Einsatz gerichteter Sende-/Empfangsantennen wird das Selektionsbitmuster evtl. nicht benötigt.

Aktualisieren der Kanalbelegungslisten

Sendet eine Station, z. B. S4, erfolgreich ein Paket "Reservierungswunsch Teilstrecke" auf dem gemein­ samen Zugriffskanal (ACH), so markieren alle übrigen Stationen im Sendebereich von S4 die im Reser­ vierungspaket "Reservierungswunsch Teilstrecke" angegebenen Paketkanäle in ihrer stationslokalen Kanal­ belegungsliste als temporär reserviert. Sofern auf einen oder mehrere dieser Kanäle innerhalb eines Zeit­ intervalls T2 durch Station S4, S6 oder eine andere Station zugegriffen wird, so markieren alle Stationen die entsprechenden Kanäle als belegt, andernfalls werden sie als frei in der Kanalbelegungsliste gekennzeichnet. T2 wird als protokollspezifischer Parameter typischerweise als Timer realisiert und kann dynamisch unter der Kontrolle des stationslokalen Netzmanagementsystems, z. B. in Abhängigkeit der Netzauslastung, modifiziert werden.

Entsprechend kennzeichnen alle Stationen im Sendebereich der Station S6 (adressierte Station) nach Mit­ hören eines Pakets "Bestätigung Verbindungswunsch-Teilstrecke", die zugehörigen Kanäle als belegt. Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß eine Schutzzone, deren Fläche ungefähr durch die Ver­ einigungsmenge der Kreisflächen mit dem Detektionsradius R_DET (Sender) und Senderadius R_S (Empfänger) gegeben ist, für die reservierten Paketkanäle (DPCH) um sendende und empfangende Station (S4 und S6) entsteht. Vorteilhaft ist ebenfalls, daß eine Station (hier S4) eine variable Anzahl von DPCH-Kanälen für die Übertragung von Paketen zu einer benachbarten Station reservieren kann.

Datenübertragungsphase

Nachdem Station S4 ein oder mehrere Pakete vom Typ "Bestätigung Verbindungswunsch-Teilstrecke" empfangen hat, werden Informationspakete auf den ausgewählten dedizierten Paketkanälen von Station S4 zu Station S6 (und zurück) übertragen.

Auslösen einer Verbindung

Eine bestehende One-Hop Teilstreckenverbindung ist aus Sicht der empfangenden Station (hier: S6) auszu­ lösen, sofern sie innerhalb eines Zeitintervalls T3 keine Daten von der sendenden Station (S4) erhält. Allen übrigen Stationen in ihrem Sendebereich teilt Station S6 dies durch Senden eines Paketes vom Typ
"Auslösen Teilstreckenverbindung"
auf allen für die Teilstreckenverbindung zwischen S4 und S6 reservierten Paketkanälen mit. Die Funk­ stationen im Sendebereich der Station S4, die das Paket "Auslösen Teilstreckenverbindung" der Station S6 nicht empfangen, aktualisieren ihre Kanalbelegungslisten nach Ablauf eines Zeitintervalls T4 gemessen vom letzten Zugriff der Station S4 auf den jeweiligen Paketübertragungskanal. T3 und T4 sind protokollspezi­ fische Parameter und werden typischerweise als Timer realisiert, ihre Werte können dynamisch unter Kontrolle des stationslokalen Netzmanagements, z. B. in Abhängigkeit der Netzauslastung, verändert werden.

Verfahren für Einrichtung und Betrieb paketvermittelter Verbindungen zwischen beliebigen Teilnehmern (virtuelle Ende-zu-Ende Verbindungen) über N sequentielle Teilstrecken (N ≧ 1)

Es existieren verschiedene Sicherungs- und Netzschichtprotokolle für den Einsatz in drahtgebundenen und drahtlosen Kommunikationsnetzen, z. B. für DECT, HIPERLAN. Fehler-, Verzögerungs- und Blockierungsraten in drahtlosen Multi-Hop Funknetzen erfordern zusätzliche Protokollfunktionalität für die Sicherungsschicht (OSI-Schicht 2) und Netzschicht (OSI-Schicht 3). Die unten beschriebenen Verfahren sind Bestandteil der Ende-zu-Ende Signalisierungs- und Datenübertragungsprotokolle. Sie werden von Relaisstationen eines Multi-Hop Netzes zur aktiven Steuerung des Netzverkehrs verwendet, und unterscheiden die erfindungsgemäßen Verfahren/Protokolle von bisher bekannten Protokollen.

Eine virtuelle Ende-zu-Ende Verbindung zwischen Quell- und Zielteilnehmer wird über N One-Hop Teil­ streckenverbindungen (N ≧ 1) geführt.

Die beteiligten (Relais-) Stationen ermitteln, während der Einrichtung von One-Hop Teilstrecken, dezentral eine günstige Route, d. h. den virtuellen Pfad, zwischen Quell- und Zielteilnehmer anhand ihrer stations­ lokalen Routingtabelle.

Für den effizienten Betrieb dezentraler Multi-Hop Mobilfunknetze, z. B. eine optimale Ausnutzung der ver­ fügbaren Übertragungskapazität, enthalten die Protokolldateneinheiten der Sicherungs- und Netzschicht­ protokolle neben dem eigentlichen Datenpaket teilweise oder gesamt folgende Informationselemente,

• 1. Angabe des Dienstes, der Dienstcharakteristika (z. B. kontinuierliches oder büschelartiges Verkehrs­ aufkommen) und der geforderten Dienstgüte (typischerweise Durchsatz, max. Verzögerung, Priorität usw.) zur Realisierung einer optimalen Datenflußsteuerung auf One-Hop Teilstrecken z. B. durch Ein­ führung dienstspezifischer Übertragungsprioritäten, intelligenter Verbindungsannahmesteuerung, Ver­ kehrsflußkontrolle usw.
• 2. Ein Informationsfeld "Aktuelle Laufnummer des Pakets", das den Stationen zur Reihenfolgekontrolle empfangener Pakete dient und für (dienstspezifische) Wiederholungsanforderungen, Ausgleich unter­ schiedlicher Paketlaufzeiten bei verkehrsabhängiger alternativer Routenwahl zwischen Sender und Empfänger usw. verwendet wird.
• 3. Ein Informationsfeld "Laufzeit-Kontrolle", das die bisher benötigte Übertragungszeit (in Einheiten von z. B. Hops, TDMA Rahmen usw.) vom Sender in Richtung des Empfängers enthält. Es wird von den an einer Multi-Hop Verbindung beteiligten Stationen aktualisiert und berücksichtigt auch eventuelle Sende­ verzögerungen durch Pufferung, Priorisierung anderer Datenpakte etc. in den Relaisstationen. Die Relaisstationen einer Multi-Hop Verbindung erhalten somit die Möglichkeit, zu lange verzögerte Datenpakete vor der weiteren Übertragung nach folgendem Verfahren zu erkennen und ggf. zu ver­ werfen: Während der Verbindungseinrichtungsphase zwischen Quell- und Zielstation der Multi-Hop Verbindung werden von jeder der beteiligten Relaisstationen verbindungsspezifisch die folgenden Kennwerte gespeichert:
  • 1. benötigte Übertragungszeit TTI für Datenpakete von der Verbindungsquelle bis zur Relais­ station,
  • 2. benötigte Übertragungszeit TTA für Datenpakete von der Relaisstation bis zur Verbindungs­ senke,
  • 3. max. zulässige Verzögerungszeit für Datenpakete zwischen Quelle und Senke TDA_max und umgekehrt TDI_max.
  TTI und TTA sind Mittelwerte von Zufallsvariablen der entsprechenden Dienstarten, deren Varianz und höhere Momente aufgrund periodischer Messungen des Netzmanagementsystems ermittelt werden. Anhand der Momente werden korrespondierende Kenngrößen TTI_% und TTA_% definiert, wobei TTI_% < TTI und TTA_% < TTA Quantile der zugehörigen Verteilungsfunktionen sind.
  Zu stark verzögerte Datenpakete können von einer Relaisstation durch positive Prüfung einer der folgenden Gleichungen erkannt werden: (TRT sei der im Informationsfeld für die Laufzeitmessung eines zu versenden Datenpakets enthaltene Wert).
  In Richtung vom Quell- zum Zielteilnehmer:
  TRT + TTA < TDA_max
  bzw. TRT + TTA_% < TDA_max
  In Richtung vom Ziel- zum Quellteilnehmer:
  TRT + TTI < TDI_max
  bzw. TRT + TTI_% < TDI_max
  Pakete werden solange über One-Hop Teilstrecken übertragen, bis die für die zugehörige virtuelle Ver­ bindung festgelegte max. Verzögerungszeit (TDI_max bzw. TDA_max) überschritten wurde. Ebenso wird be­ züglich der Wiederholung fehlerbehafteter Datenpakete verfahren.
  Pakete, die zu Verlust gegangen sind bzw. deren max. Verzögerungszeit überschritten wurde, werden separat gezählt, die entsprechenden Meßwerte werden periodisch an das Netzmanagementsystem über­ geben.
• 4. Das Informationsfeld "Fehlererkennung", das verwendet wird, um Paketfehler, die aufgrund von Funk­ kanalstörungen entstehen, zu erkennen bzw. korrigieren; es werden Prüfsummen zyklischer Blockcodes, Faltungscodes usw. in Kombination mit ARQ- (Automatic Repeat Request), FEC- (Forward Error Correction) oder Kombinationen beider Verfahren eingesetzt. Zur Realisierung einer hohen Dienstgüte wird die Länge des Informationsfeldes "Fehlererkennung" adaptiv unter Kontrolle des Netzmanagement­ systems, z. B. in Abhängigkeit der Netzauslastung, verändert. Die Messung der Netzauslastung bzw. Bestimmung der Restübertragungskapaziät für die Fehlererkennung/-korrektur wird periodisch von jeder Netzstation durchgeführt. Der adaptiven Codierungstyp für das aktuelle Datenpaket ist im Informations­ feld "Fehlererkennung" angegeben.

Quittierung von Datenpaketen

Der Empfang von Datenpaketen wird auf Ende-zu-Ende Basis und pro Teilstrecke (Hop) bestätigt. Die Ende-zu-Ende Quittierung wird als Funktion der ISO/OSI Transportschicht definiert und ist somit nicht Gegenstand dieser Patentschrift.

Die Quittierung empfangener Datenpakete pro Hop übernimmt die Sequenzkontrolleinheit des Protokolls unter Zuhilfenahme des Informationsfeldes "Aktuelle Laufnummer des Pakets" und der Fehlererkennungs- /Fehlerkorrektur-Funktionen. Zwei Varianten sind vorgesehen:

• 1. Der korrekte Empfang von Datenpaketen durch eine Empfängerstation, z. B. Station S6, wird von der sendenden Station, z. B. S4, vorausgesetzt, solange sie keine explizite Wiederholungsanforderung von Station S6 empfängt: erhält die Empfängerstation (S6) ein fehlerbehaftetes, nicht korrigierbares Daten­ paket oder stellt sie den Verlust eines Datenpaketes fest, so sendet sie ein Wiederholungspaket vom Typ "Wiederholungsanforderung Datenpaket" zur sendenden Station S4. Station S4 wiederholt das Daten­ paket sobald wie möglich unter Berücksichtigung der dienstspezifischen Priorität.
• 2. Ein implizites Quittierungsverfahren, wie in DE 41 06 974 A1 beschrieben, wird eingesetzt.

Claims (11)

1. Verfahren für die völlig dezentrale Verbindungssteuerung in kanal- oder paketvermittelnden Mobilfunknetzen mit teilweiser oder vollständiger Funkvernetzung der kommunizierenden Stationen dadurch gekennzeichnet, daß jede Station zu jeder funkvernetzten Station bei Bedarf eine Teilstreckenverbindung realisieren kann, wobei die einzelnen Verbindungsphasen Einrichten, Betreiben und Auslösen durch stationslokale Timer dezentral überwacht und gesteuert werden und in den jeweiligen Phasen genutzte Kanäle von allen Stationen, die durch Empfang davon Kenntnis bekommen, nicht benutzt werden und nach Ablauf der Timer als unbenutzt verbucht werden, daß für jede der Phasen von der jeweiligen Station angeforderte Kanäle in Kanalbelegungslisten von allen der zur Kenntnis bekommenden Stationen timerüberwacht als reserviert gekennzeichnet werden und daß nach Ablauf der Timer die angeforderten Kanäle in den Kanalbelegungslisten gelöscht und damit stationslokal als frei markiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Einrichtung einer kanalvermittelten Teilstreckenverbindung nach der Übertragung des Signalisierpakets für die Verbindungsanforderung durch eine Station, alle empfangenden Stationen in ihrem Sendebereich alle für die Teilstreckenverbindung vorgeschlagenen Verkehrskanäle in ihrer stationslokalen Kanalbelegungsliste für ein Zeitintervall T1 als belegt markieren, wobei die Kanalbelegungsliste stationslokal verwaltet und periodisch durch das lokale Netzmanagement aktualisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einrichtung einer Teilstreckenverbindung nach Empfang des Signalisierpakets durch die adressierte Station akzeptiert wird, indem sie auf dem ausgewählten Verkehrskanal ein Signalisierpaket mit positiver Bestätigung zurücksendet und alle Stationen in ihrem Sendebereich, die dieses Bestätigungspaket empfangen, den benutzten Verkehrskanal in ihrer Kanalbelegungsliste als belegt markieren und nicht verwenden bis der Verkehrskanal frei­ gegeben wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß, nachdem eine kanalvermittelte Teilstreckenverbindung eingerichtet worden ist und solange die Verbindung nicht vollständig eingerichtet ist, genügend häufig Daten duplex über den Verkehrskanal zwischen den an einer Teilstreckenverbindung beteiligten Stationen ausgetauscht werden, so daß die empfangenden Stationen mit ihren dezentralen Timern den Kanal als genutzt ansehen.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kanal, der von einer Station während eines Zeitintervalls T_U als unbenutzt beobachtet wird, in ihrer Kanalbelegungsliste jedoch als belegt markiert ist, nach Ablauf des Zeitintervalls T_U in der Kanalbelegungsliste als frei markiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß alle Stationen im Sendebereich einer Station, die erfolgreich ein Reservierungspaket für die Teilstreckenverbindung übertragen hat, die im Reservierungspaket angegebenen Kanäle in ihrer stationslokalen Kanalbelegungsliste als temporär reserviert markieren und sofern auf einen oder mehrere dieser Kanäle innerhalb eines Zeitintervalls T2 durch eine Station zugegriffen wird, alle Stationen die entsprechenden Kanäle als belegt markieren, andernfalls sie als frei in der Kanalbelegungsliste kennzeichnen.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß alle Stationen im Sendebereich einer Station, die erfolgreich ein bzw. mehrere Bestätigungspakete für einen Teilstrecken- Reservierungswunsch gesendet hat, Kanäle als belegt markieren auf denen sie ein Bestätigungspaket empfangen.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß eine bestehende Teilstreckenverbindung aus Sicht der zugehörigen empfangenden Station auszulösen ist, sofern sie innerhalb eines Zeitintervalls T3 keine Daten von der Station, die diese Teilstreckenverbindung initiiert hat, empfängt, wobei die empfangende Station dies allen übrigen Stationen in ihrem Sendebereich durch Senden eines Paketes für die Verbindungsauslösung auf allen für die Teilstreckenverbindung reser­ vierten Kanäle mitteilt.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß Stationen im Empfangsbereich der einen Kanal betreibenden Stationen ihre Kanalbelegungslisten nach Ablauf eines Zeitintervalls T4, gemessen seit der letzten für diesen Timer relevanten Übertragung auf dem jeweiligen Kanal, als frei markieren, wobei die relevante Übertragung durch das stationslokale Netzmanagement definiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Pakete eine oder mehrere ATM-Zellen enthalten.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Zeitintervalle T₁, T₂, T₃, T₄, T_U, T_A dynamisch unter der Kontrolle des stationslokalen Netzmanagementsystems modifiziert werden können, wobei netzweit gültige Regeln berücksichtigt werden, die dazu führen, daß jede einzelne Station oder Cluster von Stationen oder alle Stationen des Netzes die Parameterwerte individuell festlegen.