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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Netzwerke für Datenkommunikationen bzw.
Datennachrichtenübermittlungen.
Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf die Zuordnung bzw. Zuweisung
von Übertragungsraten
zwischen den Erzeugern in einem Datenkommunikationsnetzwerk. Spezieller
bezieht sich diese Erfindung auf die Zuweisung bzw. auf das Verteilen
von Übertragungsraten
auf der Rückwärtsverbindung
von einem drahtlosen Datenkommunikationsnetzwerk.
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Beschreibung der verwandten
Technik und allgemeiner Hintergrund
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Kanalkapazität, eine
grundlegende Beschränkung
von jedem System für
Datenkommunikationen, kann als die Rate definiert werden, mit der
Information von einem Ende von einem Übertragungskanal an das andere
geleitet werden kann und zwar unter der Vorraussetzung irgendeiner Übertragungsart
und irgendwelcher Performance- bzw. Leistungsfähigkeitskriterien (z.B. binäre Phasenumtastungsmodulation
eines 1,9 GHz HF Trägers
unter Verwendung von polarer NRZ Signalisierung, mit einer Bit-Fehlerrate
von 10–5).
Die Raten bzw. Geschwindigkeit mit der Information von einem Punkt
zu einem anderen transferiert werden kann, darf die Fähigkeit des
bestimmten Verfahrens und Übertragungsmediums
zum verständlichen Übertragen
jener Information nicht übersteigen.
Es folgt daraus, dass die Rate mit der ein Datenerzeuger Daten in
einen Übertragungskanal
ausgibt, die Kanalkapazität
nicht übersteigen
kann, wobei die Kanalkapazität
für gewöhnlich in
Einheiten von Information pro Zeiteinheiten (z.B. kBits/s) gemessen
wird.
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Digitale
Daten werden für
gewöhnlich
in Rahmen einer vorherbestimmten Länge gesendet bzw. übertragen.
Um eine Fehlerdetektion zu ermöglichen,
ist es auch üblich
eine Prüfsumme
zusammen mit jedem Rahmen zu berechnen und zu übertragen, so dass die Daten
durch den Empfänger
verifiziert werden können.
Diese Prüfsumme
ist typischerweise in der Form eines zyklischen Redundanzprüf-(cyclic redundancy
check, CRC)-Wertes, der mit einem polynomialen Algorithmus, der
sowohl dem Empfänger als
auch dem Sender bekannt ist, berechnet wird. Falls die Daten in
dem empfangenen Rahmen nicht mit der empfangenen Prüfsumme übereinstimmen, wird
der Rahmen zurückgewiesen
und muss erneut gesendet oder auf eine andere Art und Weise kompensiert
werden.
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Zwei
oder mehr Erzeuger können
den Wunsch haben, Information über
den gleichen Kanal zu senden. Falls, z.B., die Erzeuger auch physikalisch
getrennt sind, könnten
ihre Übertragungen
nicht miteinander koordiniert sein. Eine Datenkollision tritt auf,
wenn die mehreren Übertragungen,
die bei dem Verbraucher ankommen, zusammen die verfügbare Kanalkapazität überschritten
haben. (Man beachte, dass bei einem drahtlosen System mit Zeit-Multiplex-Vielfach-Zugriff
(time division multiple access) oder TDMA, sich die Kanalkapazität, die für jeden
Erzeuger verfügbar
ist, als eine Funktion der Anzahl von Erzeugern, die den gleichen
Frequenzkanal nutzen, ändern
kann, und zwar derart, dass die verfügbare Kapazität Null sein
wird, und zwar während
jeder Periode, wenn ein anderer Erzeuger den Kanal nutzt.) Eine
derartige Kollision verursacht, dass alle von den Rahmen, die gerade übertragen
werden unwiederbringlich korrumpiert werden, und zwar unabhängig davon
wie vollständig
ihre Übertragungen
bis zu jener Stelle waren. Falls eine erneute Übertragung erforderlich ist
(d.h. falls das System den Verlust an Daten nicht anderweitig kompensieren
kann) dann müssen
die Erzeuger diese Rahmen vollständig
erneut senden. Deshalb kann man deutlich sehen, dass Datenkollisionen
die effektive Kanalkapazität
direkt und dramatisch reduzieren.
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Wenn
die Summe der von den Erzeugern ausgegebenen Raten, die Kanalkapazität übersteigen
kann, dann stehen die Erzeuger zueinander im Wettbewerb für die gleiche
beschränkte
Ressource und irgendein Verfahren zum Zuweisen der Kanalkapazität zwischen
ihnen wird notwendig. Derartige Zuweisungsverfahren können statisch,
dynamisch oder eine Kombination der beiden sein.
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Statische
Zuweisungsschemata sind am besten geeignet für Situationen bei denen die
Datenausgaben der Erzeuger über
die Zeit hinweg relativ konstant bleiben: beispielsweise in Systemen
für Sprachübertragung.
(Wir werden hier annehmen, dass die Kapazität des Kanals selbst relativ
konstant bleibt). Eine Charakteristika von statischen Zuweisungsschemata
ist, dass sie auf eine ähnliche
Art und Weise sowohl auf drahtgestützte als auch drahtlose Netzwerke
angewendet werden können.
Z.B. können
mehrere digitalisierte Sprachsignale über eine einzelne Kupfer- oder
Glasfaserleitung im Zeit-Multiplex
sein, oder eine Anzahl von analogen Sprachsignalen können im
Zeit-Multiplex und/oder Frequenz-Multiplex über das gleiche Hochfrequenzband
sein oder mehrere digitalisierte Sprachsignale können das gleiche Hochfrequenzband
zur gleichen Zeit teilen bzw. gemeinsam nutzen und zwar durch Nutzen
von Code-Multiplex-Vielfach-Zugriffs-Techniken.
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Alternativ
können
sich die Raten der Datenproduktion signifikant von einem Augenblick
zu dem nächsten ändern; d.h.
der Datenverkehr kann bündelartig
(bursty) sein. Der Verkehr auf Hochgeschwindigkeitsnetzwerken für Datenkommunikationen,
z.B. tendiert dazu bündelartig
zu sein. Statische Zuweisungstechniken sind für derartige Umgebungen nicht
gut geeignet. Andererseits sind Datenübertragungsanwendungen für gewöhnlich toleranter
gegenüber
Verzögerungen
als Sprachübertragungsanwendungen,
so dass ein Erzeuger für
gewöhnlich nicht
das regulierte Zugangsniveau für
den Kanal erfordern wird, welches ein statisches Schema vorsieht.
Andererseits während
rückständige (backlogged)
und deshalb veraltete Sprachinformation durch den Erzeuger vor der Übertragung
einfach verworfen werden kann, ist das Verwerfen von Dateninformation
deren Übertragung
verzögert
worden ist, für
gewöhnlich
nicht eine praktikable Option. Falls ein Speicher eines Erzeugers
für Dateninformation
beginnen sollte, schneller zu akkumulieren, als seine Pufferkapazität handhaben
kann, muss der Erzeuger deshalb temporär mehr von der Kanalkapazität nutzen,
als ihm zugewiesen worden ist. Selbst, falls andere Erzeuger gerade
im Leerlauf bzw. Ruhezustand (idle) sind, und viel Kanalkapazität gegenwärtig verfügbar ist,
wird ein statisches Schema jedoch die temporäre erneute Verteilung bzw.
Neuverteilung der Kapazität,
die in dieser Situation notwendig ist, nicht bieten.
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Es
wird angenommen, dass ein Kanal eine Kapazität von 200 kBits/s besitzt;
es vier Erzeuger A, B, C und D gibt, die jeweils eine maximale Ausgaberate
von 200 kBit/s besitzen; und 50 kBit/s von der Kapazität an jeden
Erzeuger statisch zugewiesen sind. Falls jeder Erzeuger einen stetigen
Strom an Daten mit der zugewiesenen Rate von 50 kBit/s erzeugt,
dann kann das Zuweisungsschema als optimal bezeichnet werden. Falls
stattdessen jedoch der Verkehr bündelartig
ist, wobei A ein Paket von 50 kBit zur Zeit 0,25 s auszugeben hat,
B und C jeweils ein Paket von 50 kBit zur Zeit 0,5 s auszugeben
haben und D ein Paket von 50 kBit zur Zeit 0,75 s auszugeben hat.
Wie in 1 gezeigt, ist 1 Sekunde für jeden Erzeuger erforderlich,
um seine Übertragung
unter dem oben beschriebenen statischen Schema zu vollenden, obgleich
es nur 0,25 s dauern würde,
falls es dem Erzeuger erlaubt, wäre
mit seiner maximalen Ausgaberate betrieben zu werden. Es ist zu
bemerken, dass die Nutzung eines statischen Zuweisungsschemas in
dieser bündelartigen
Umgebung auch dazu führt,
dass viel der Kanalkapazität
ungenutzt verbleibt.
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Jetzt
wird 2 betrachtet, bei der die Kanalkapazität gemäß der Fähigkeit
jedes Erzeugers zum Nutzen des Kanals während irgendeiner bestimmten
Viertelsekunde dynamisch zugewiesen wird. Zur Zeit 0 besitzt nur
der Erzeuger A zu übertragende
Daten. Deshalb weisen wir die gesamte Kanalkapazität von 200
kBit/s an den Erzeuger A zu, und er vollendet seine Aufgabe in 0,25
s, entsprechend einer Einsparung von 75 % gegenüber dem statischen Zuweisungsschema.
Zur Zeit 0,5 s besitzen die Erzeuger B und C jeweils zu übertragende Daten,
so dass wir 50 % der Kanalkapazität an jeden einzelnen zuweisen
und sie ihre Aufgaben in 0,5 s vollenden, entsprechend einer Einsparung
von 50 % (man beachte dass ein optimaleres Schema es entweder B
oder C erlauben würde
den gesamten Kanal zu nutzen, die Übertragung in 0,25 s vollendend.
Der andere Erzeuger würde
noch in 0,5 s vollenden unter Verwendung des gesamten Kanals zwischen
den Zeiten 0,75 und 1,0 s). Zur Zeit 0,75 s besitzt auch der Erzeuger
D zu übertragende
Daten. Wir werden annehmen, dass das Schema erfordert, dass D wartet
bis die Erzeuger B und C geendet haben, so dass D mit der Übertragung
bei 200 kBit/s zur Zeit 1,0 s beginnt und bei 1,25 s endet, einer
Einsparung von 50 % entsprechend. Deshalb ist es klar, dass in dieser bündelartigen
Umgebung die dynamische Zuweisung eine durchschnittliche zeitliche
Einsparung mit Bezug auf jeden Erzeuger von mehr als 50 % erreichen
kann.
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Wie
oben bemerkt, haben wir angenommen, dass die Kapazität des Kanals
relativ konstant bleibt. Diese Annahme wird in der realen Welt nicht
immer gültig
sein, speziell in Fällen,
in denen der Kanal drahtlos ist. Wenn die Gesamtkapazität fällt bzw.
abnimmt wird ein System, das die volle Kapazität von dem Kanal bei einem rein
statischen Schema nutzt, versagen. Ein dynamisches Schema, andererseits, kann
für gewöhnlich angepasst
werden, um sein Zuweisungen auf einen aktualisierten Bericht von
der Gesamtkapazität
statt auf irgendeinen festen Wert zu basieren.
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Für alle ihre
Vorteile können
dynamische Zuweisungsschemata jedoch viel komplizierter als statische
zu implementieren sein. Bei statischer Zuweisung, wird ein fester
Satz an Regeln entwickelt und angewendet und die einzige Aufgabe
während
des Betriebs ist die Einhaltung dieser Regeln sicherzustellen. Bei
dynamischer Zuweisung andererseits müssen die Regeln kontinuierlich
angepasst werden, um einer sich ändernden
Umgebung zu entsprechen. Eine implizite Anforderung an ein dynamisches Schema
ist deshalb ein Weg für
den Zuweisungsmechanismus Kenntnis über die Umgebung zu akquirieren:
d.h. welcher von den Erzeugern zu übertragende Daten besitzt und
wie viele davon.
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Man
beachte, dass oben in der Erörterung der 2 wir
angenommen haben, dass der Zuweisungsmechanismus eine perfekte Kenntnis
darüber besitzt,
wenn jeder Erzeuger zu übertragende
Daten besitzt und wie viele zu übertragende
Daten er besitzt. Bei vielen Anwendungen könnte es jedoch für den Zuweisungsmechanismus
nicht möglich
sein, jegliche dieser Information direkt zu erlangen oder anderweitig
zu bestimmen. Wir haben auch angenommen, dass die Menge an Daten,
die jeder Erzeuger zu übertragen
bzw. zu senden hat, sich nicht ändert
und dass jeder Erzeuger genügend
Leistung besitzt, um mit der zugewiesenen Rate zu senden. In vielen
Situationen könnten
jedoch eine oder beide dieser Annahmen nicht gültig sein.
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Man
beachte auch, dass bei einem statischen Zuweisungsschema Datenkollisionen
nicht auftreten können
unter der Annahme, dass die tatsächliche
Kanalkapazität
nicht abnimmt und dass die Regeln so gewählt werden, dass die Summe
von allen zugewiesenen Raten jene Kapazität nicht übersteigt. Bei dynamischen
Schemata basieren die Regeln jedoch auf einem notwendigerweise unvollständigen Modell
des zukünftigen
Verhaltens der Erzeuger. Kollisionen werden möglich und diese Möglichkeit
muss bei jeder Evaluierung von dynamischen Zuweisungsschemata berücksichtigt
werden.
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Hauptsächlich wegen
der Anforderung nach der Kenntnis der Umgebung unterscheiden sich
Implementierungen von dynamischen Zuweisungsschemata auf verdrahteten
Verbindungen signifikant von Implementierungen auf drahtlosen Verbindungen.
In einem verdrahteten Dienst wie z.B. dem Ethernet können die
Erzeuger beispielsweise den Kanal zur gleichen Zeit überwachen,
zu der sie über
den Kanal senden; kein spezielles Problem wird verursacht durch
Erzeugen von Spannungsfluktuationen auf einem Draht einerseits und Überwachen
der Spannungsfluktuationen auf jenem Draht andererseits. Diese unmittelbare
Verfügbarkeit
von Feedback bzw. Rückmeldungsinformation
an alle Nutzer von einem Drahtkanal erlaubt eine geteilte Kontrolle
bzw. Steuerung des Kanals. Nicht nur ist es für jeden Erzeuger möglich, den
Kanal vor der Übertragung
abzuhören, um
sicherzustellen, dass er frei ist, sondern der Erzeuger kann auch
seine eigene andauernde Übertragung überwachen,
um sicherzustellen, dass sie nicht mit einer gleichzeitigen Übertragung
durch einen anderen Nutzer kollidiert. Wenn eine Kollision stattfindet,
haben die relevanten Erzeuger Kenntnis darüber und können ohne Verzögerung reagieren.
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Bei
drahtlosen Systemen jedoch ist gleichzeitige Übertragung und Empfang über den
gleichen Kanal üblicherweise
nicht implementiert. Ein Grund dafür ist, dass signifikante Problem
des Überwachens
des Kanals nach ferner Aktivität,
die durch ein gleichzeitiges und viel stärkeres lokales Signal maskiert
wird. Selbst wenn diese Schwierigkeit überwunden wird, kann es jedoch
immer noch für
einen Erzeuger unmöglich
sein, zu bestimmen, wenn eine Kollision bei dem Verbraucher stattgefunden
hat.
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Bei
einem einfacheren Beispiel können
die Signale von zwei Erzeugern bei dem Verbraucher kollidieren,
werden aber daran gehindert, einander zu erreichen. Da kein Konflikt
detektiert wird, wird jeder Erzeuger glauben, dass eine Übertragung
erfolgreich war, wobei in Wirklichkeit keine Daten tatsächlich durch
den Verbraucher empfangen worden sind. Dieses Beispiel illustriert
das Problem, das in einem drahtlosen System die Erzeuger typischerweise
keinen direkten Weg haben, um aussagekräftige Feedback-Informationen
bezüglich
der aktuellen Kanalnutzung zu erlangen. Derartige Information kann
typischerweise nur indirekt von einer Einheit an dem anderen Ende
des Kanals erlangt werden. Konsequenterweise werden durch eine Überausnutzung
des Kanals verursachte Datenkollisionen in einem drahtlosen Netzwerk
teurerer werden und zwar wegen der Rückkopplungsverzögerung.
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Ein
herkömmlicher
Ansatz für
dynamische Zuweisung in drahtlosen Netzwerken ist das wohlbekannte
ALOHA Schema. Bei ALOHA werden Übertragungen
in Rahmen unterteilt und jeder Erzeuger kann einen Datenrahmen jederzeit
senden. Falls der Rahmen durch die Kanalsteuereinheit bestätigt wird, nimmt
dann der Erzeuger an, dass er erfolgreich transferiert worden ist.
Falls der Rahmen nicht bestätigt
wird, nimmt dann der Erzeuger an, dass er mit einer Übertragung
durch einen anderen Erzeuger kollidiert ist, und er sendet den Rahmen
erneut zu einer zukünftigen
Zeit gemäß irgendeinem
Verzögerungsprotokoll.
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Leider
ist ALOHA extrem anfänglich
für Datenkollisionen
und es kann demonstriert werden, dass die maximale Kanalverwendung
für ein
reines AL HOA Schema nur 18 % ist. Eine verbesserte Version, als
geschlitztes bzw. slotted ALOHA bezeichnet, erfordert, dass Übertragungen
nur an Schlitzgrenzen initiiert werden, wobei die Zeit zwischen
benachbarten Schlitzgrenzen der Zeit entspricht, die zum Senden
eines Rahmens erforderlich ist. Slotted ALOHA verdoppelt somit die
maximale Nutzung auf 37 % durch Reduzieren des Kollisionsintervalls
von zwei Schlitzen auf nur einen. Über 60 % der Kanalkapazität ist jedoch
immer noch verloren aufgrund von Kollision oder Inaktivität (In diesem
Fall werden 37 % von den Schlitzen für erfolgreiche Übertragungen
genutzt, 37 % verbleiben im Leerlauf bzw. leer und 26 % werden aufgrund
von Kollisionen verloren. Versucht man die Anzahl von Leerlaufschlitzen
zu reduzieren, erhöht
dies die Kollisionsrate und reduziert somit die Anzahl von erfolgreichen Übertragungen.)
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Eine
andere Art von dynamischem Zuweisungsschema ist das Anforderungs-Gewährungs-Verfahren
bzw. Request-Grant-Verfahren von dem in der Praxis mehrere Variationen
existieren. Bei einem Request-Grant-System sendet jeder Erzeuger eine
Anfrage nach einem bestimmten Teil der Kanalkapazität und eine
Steuereinheit berücksichtigt
die verschiedenen Anfragen und sendet Zuweisungsbewilligungen bzw.
-gewährungen
zurück
an die Erzeuger.
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Ein
Problem beim Nutzen eines Request-Grant-Systems ist, dass ein Erzeuger
vorher nicht wissen könnte,
wie viel von der Kanalkapazität er
benötigen
wird.
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Man
betrachte einen Erzeuger der aus einer Puffer-Speichereinheit, die
mit einem drahtlosen Telefon über
beispielsweise ein PCMCIA Interface verbunden ist, besteht. Idealerweise
würde das
Telefon weg von der Luft (off-the-air) verbleiben, bis der Puffer
voll ist, wobei es dann um Erlaubnis anfragen wird, zum Senden der
Inhalte des Puffers mit einer maximalen Rate in einem einzelnen
Bündel.
Außer die
Puffereinheit und das Telefon werden als eine einzelne Einrichtung
gekauft, wird die Kapazität
des Puffers für
gewöhnlich
dem Telefon leider nicht bekannt sein. Auch könnte es einen zusätzlichen
Speicher von Daten geben, die zur Übertragung bereit sind und
auf der anderen Seite des Puffers warten. Deshalb wird das Telefon
typischerweise nicht wissen, wie viel Daten tatsächlich zur Übertragung verfügbar sind,
und konsequenterweise wird es nicht wissen, welche Rate anzufragen
ist.
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US 5,625,628 offenbart ein
Verfahren zur Optimierung bei dem ein erster Teil eines Inroute-Rahmens
als ein Transaktionsreservierungsteil bezeichnet wird, und ein zweiter
Teil als ein ALHOA Teil bezeichnet wird. Eine Anfrage wird von einem ersten
fernen Terminal bzw. Endgerät
an ein Host-Terminal bzw. zentrales Endgerät gesendet, so dass das Host-Terminal
eine oder mehrere unzugewiesene Schlitze von dem Transaktionsreservierungsteil
als extra ALHOA-Schlitze zuweist.
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US 5,583,869 beschreibt
ein Verfahren, wobei ein zentraler Controller den Transfer von einer Nachricht überwacht,
um einen Systemdienstgrad bzw. eine Systemdienstgüteklasse
zu bestimmen. Basierend auf der Güteklasse weist der zentrale
Controller dynamisch eine geringere oder größere Anzahl von drahtlosen
Kommunikationsressourcen zu. Alternativ kann eine Kommunikationseinheit
direkt zusätzliche
drahtlose Kommunikationsressourcen anfordern.
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WO 97/46044 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen eines hochratigen Datenpakets
in einem CDMA Kommunikationssystem. Das Übertragungssystem sendet eine
erste Kanalzuweisungsnachricht die wenigstens einen zusätzlichen
Kanal anzeigt, der zum Unterstützen
des hochratigen Datenpakets genutzt wird.
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EP 0,844,800 offenbart eine
Vielzahl von Übertragungskanälen die
innerhalb eines Übertragungsfrequenzbandes
das für
jede Basisstation vorbereitet ist, gesetzt werden. Wenn eine Kommunikation
zwischen der Terminalausrüstung
und der Basisstation über
die Übertragungskanäle durchgeführt wird,
können
wenigstens ein erster Übertragungskanal
der eingestellt ist, so dass er eine feste Übertragungskapazität besitzt,
und ein zweiter Übertragungskanal
der eingestellt ist so dass die minimale Übertragungskapazität definiert
werden kann, als der Übertragungskanal
eingestellt bzw. festgelegt werden. Nachdem die Übertragung von anderen Daten als
Audio-Daten gestartet worden ist, kann die zu verwendende Anzahl
von Schlitzen geändert
werden und zwar abhängig
von der Schätzung
der vakanten Kanäle
durch die Steuereinheit der Basisstation.
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WO 97/00565 offenbart ein
CDMA Kommunikationssystem, in dem Bit-Raten dynamisch durch eine
einzelne CDMA Empfangsstation an eine Vielzahl von CDMA Sendestationen
zugewiesen werden. Jede CDMA Sendestation sendet Steuersignale auf dem
CDMA Kanal, welcher entsprechende Bit-Raten auf dem CDMA anfordern
und die CDMA Empfangsstation empfängt und spricht an auf die
Steuersignale durch Senden von Rückkopplungsnachrichten über den
Rückkopplungskanal,
die an die individuellen CDMA Sendestationen gerichtet sind, und
entsprechende Bit-Raten der adressierten Station gewähren.
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Probleme,
die mit Request-Grant-Systemen assoziiert sind, sind der Extraverkehr
der notwendig ist zum Senden der Anfragen bzw. Anforderungen (was
notwendigerweise die verfügbare
Kanalkapazität
reduziert) und die Verzögerungen
die anfallen beim Warten darauf, dass Anforderungen empfangen, verarbeitet
und bestätigt
werden. Die Übertragung über einen
gemeinsamen Kanal ist auch anfällig
für die
abrupten Änderungen
bei der Kanalqualität, die
Auftreten können,
wenn ein anderer Erzeuger plötzlich
beginnt eine große
gewährte
Zuweisung zu nutzen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Zuweisen bzw.
Verteilen einer Kapazität
von einem gemeinsamen Kanal zwischen einer Vielzahl von Erzeugern
in Übereinstimmung
mit Anspruch 1 vorgesehen. In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum
Zuweisen einer Kapazität
von einem gemeinsamen Kanal zwischen einer Vielzahl von Erzeugern
in Übereinstimmung
mit Anspruch 15 vorgesehen.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt
eine Steuereinheit eine Zuweisungsgewährung (d.h. eine maximal zulässige Übertragungsrate
bzw. Sendegeschwindigkeit) an jeden Erzeuger heraus, die basiert
auf dem Umfang bis zu dem jene Erzeuger eine vorhergehende Zuweisungsgewährung genutzt
hat.
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Das
Verfahren ist auf jedes System anwendbar, bei dem die gleichzeitige
Nutzung von einem gemeinsamen Kanal durch mehr als einen Erzeuger eine
Datenkollision verursachen kann. Mehrere Variationen von dem Verfahren
unter Verwendung alternativer Verfahren der Kapazitätsschätzung und
-verteilung, sind auch offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine statische Zuweisung darstellt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das eine dynamische Zuweisung darstellt.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das ein System zeigt, das eine Anzahl von Datenerzeugern
besitzt, die einen gemeinsamen Übertragungskanal
sich teilen bzw. gemeinsam nutzen.
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4 ist
eine grafische Darstellung eines limitbasierten Kapazitätsschätzungsschemas.
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5 ist
eine grafische Darstellung eines auf der aktuellen Nutzung basierten
Kapazitätsschätzungsschemas.
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6.
ist eine grafische Darstellung eines anderen auf der aktuellen Nutzung
basierten Kapazitätsschätzungsschemas.
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7 ist
eine grafische Darstellung eines Kapazitätsschätzungsschemas für ein System
das unterschiedliche Basisraten für unterschiedliche Erzeuger
besitzt.
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8 ist
eine grafische Darstellung von Parametern von denen eine Berechtigungsliste
konstruiert werden kann.
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9 ist
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Erzeugen einer Berechtigungsliste.
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10 ist
ein Flussdiagramm für
ein gleichberechtigtes Teilungsverfahren.
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11 ist
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Handhaben einer möglichen Überlastsituation.
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12 ist
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Empfangen einer neuen Zuweisungsgewährung.
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13 ist
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Empfangen einer neuen Zuweisungsgewährung, wobei
die Erzeuger in zwei Gruppen unterteilt sind.
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14 ist
eine Darstellung der Zeit, die in Rahmen unterteilt ist, wobei jeder
Rahmen 16 Schlitze besitzt.
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15A ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Beschränken von
Ratenänderungen.
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15B ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Beschränken von
Kanalkapazitätsnutzung.
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16 ist
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Empfangen einer neuen Zuweisungsgewährung die
eine Beschränkung
auf Ratenänderungen beinhaltet.
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17 ist
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Empfangen einer neuen Zuweisungsgewährung, die
eine Beschränkung
auf Kanalkapazitätsnutzung
beinhaltet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
hierin offenbarte neuartige Verfahren setzt ein System voraus, das
eine Anzahl von Datenerzeugern, einen gemeinsamen Übertragungskanal und
eine Steuereinheit besitzt, die Zuweisungsgewährungen an die Datenerzeuger
herausgibt, wobei ein Beispiel in 3 gezeigt
ist. Um entsprechend Zuweisungsgewährung herauszugeben muss die Steuereinheit
Folgendes wissen: 1) die Gesamtkapazität von dem Kanal, 2) die ungefähre Anzahl
von Erzeugern und 3) etwas von der Geschichte der Nutzungen von
vorhergehenden Zuweisungsgewährungen
durch die individuellen Erzeuger. Das Verfahren nimmt an, dass ein
geeigneter Wert oder eine geeignete Schätzung für die vorliegende Kapazität des Kanals
bereits verfügbar
ist.
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Obwohl
dieses Verfahren in jedem System implementiert werden kann, dass
zu dem Modell der 3 passt, ist eine exemplarische
Anwendung auf die Rückwärtsverbindung
von einem CDMA Telekommunikationssystem. Jeder Erzeuger in einem derartigen
System kann Folgendes aufweisen: 1) einen Sender wie zum Beispiel
ein Mobiltelefon oder eine WLL(wireless local loop)-Station, die verbunden ist
mit 2) einer datenerzeugenden Einrichtung wie z.B. einem Laptop-Computer
oder einem Point-of-Sale- bzw. Verkaufsstellen-Terminal und zwar über eine PCMCIA Karte oder
eine ähnliche Schnittstelle
und Daten herausgebend die eingekapselt sind in Pakete unter dem
TCP oder irgendeinem anderen geeigneten Protokoll. Mehrere Generationen
und Versionen von CDMA Telekommunikationssystemen sind bereits implementiert
worden und sind in der Technik bekannt. Während die meisten dieser CDMA
Systeme entworfen worden sind zum Befördern von digitalisierten Sprachkommunikationen
ist das hierin beschriebene Verfahren jedoch besser geeignet für ein Netzwerk,
das Erzeuger mit weithin variierenden Sende- bzw. Übertragungsraten
versorgt bzw. bedient, wie z.B. einem ausschließlichem Datennetzwerk oder
einem gemischten Sprach-Daten-Netzwerk.
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Schätzung der zur Zuweisung verfügbaren Kapazität
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Um
die Verzögerungen
zu vermeiden, die z.B. mit einem Request-Grant-System bzw. Anforderungs-Gewährungssystem
assoziiert sind, erlauben wir normalerweise jedem der bekannten
Erzeuger mit wenigstens einer Basisrate zu senden bzw. zu übertragen
selbst, falls keine explizite Zuweisungsgewährung an jenen Erzeuger ausgegeben
worden ist, und ob oder ob nicht er vorher aktiv gewesen ist. Damit
Datenkollisionen vermieden werden können, würde diese Basisrate für gewöhnlich so
gewählt werden,
dass sie nicht mehr als die gesamte Kanalkapazität geteilt durch die Anzahl
von Erzeugern ist (man beachte wiederum das wir annehmen, dass die tatsächliche
Kanalkapazität
nicht unter einen vorbestimmten Pegel fällt).
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Der
erste Schritt bei dem Zuweisungsprozess ist es für die Steuereinheit einen minimalen
Teil- bzw. Anteil der Kanalkapazität für jeden Erzeuger zu reservieren.
Bei einem „limit-based" bzw. „limit-basierten" Schema wird die
Basisrate für
jeden Erzeuger reserviert, unabhängig
von dem letzten Aktivitätspegel
jenes Erzeugers. Jener Teil der Kanalkapazität welcher verbleibt wird dann
in Zuweisungsgewährungen
verteilt und zwar gemäß den letzten
Aktivitätspegeln
der Erzeuger wie unten beschrieben. Ein Beispiel eines limitbasierten
Schemas, welches den Vorteil des Vermeidens der Möglichkeit
von Datenkollisionen hat, ist in 4 dargestellt.
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Alternativ
kann die verbleibende Kanalkapazität stattdessen unter Verwendung
eines „current-use-based" bzw. „auf aktueller
Nutzung basierenden" Schemas
geschätzt
werden, wie z.B. in 5 dargestellt. Bei diesem Schema
wird die Basisrate nur für
jene Erzeuger reserviert, die aktuell wenigstens jene Rate nutzen.
Für andere
Erzeuger, wird eine Rate, die weniger als die Basisrate ist, reserviert.
Eine in 5 gezeigte Möglichkeit ist, dass für jeden
Erzeuger der nicht aktuell aktiv ist oder aktuell weniger als die
Basisrate nutzt, nur eine Sub- bzw. Unterbasisrate reserviert wird.
Bei einer anderen Variation, dargestellt in 6, wird
nur die aktuelle Rate, die genutzt wird, für jeden Erzeuger reserviert,
der aktiv ist, aber aktuell weniger als die Basisrate nutzt. Man
beachte, dass sowohl die für
einige Erzeuger reservierte Kapazität niedriger als die Basisrate
ist, es allen Erzeugern erlaubt wird mit der Basisrate zu senden.
Während
ein auf aktueller Nutzung basierendes Schema zu einer höheren Schätzung der
verbleibenden Kapazität
führt,
führt es
deshalb auch die Möglichkeit
von Datenkollisionen ein.
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Jedes
dieser Schemata kann ferner modifiziert werden durch Einbeziehen
von Unterscheidungen zwischen verschiedenen Gruppen an Erzeugern. Z.B.
kann von einer identifizierbaren Gruppe an Erzeugern erwartet werden,
dass sie im Durchschnitt eine niedrigere Rate als andere Erzeuger
nutzen, entweder weil diese Erzeuger unfähig sind, Daten oberhalb einer
bestimmten Rate zu erzeugen und/oder zu senden, oder weil die bestimmte
Anwendung bei der sie verwendet werden im Allgemeinen weniger übertragungs-
bzw. sendeintensiv ist (z.B. POS Terminals). In derartigen Fällen, wie
in 7 dargestellt, können unterschiedliche Basisraten
beim Reservieren von Kanalkapazität für unterschiedliche Erzeuger
genutzt werden.
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In
einigen Situationen könnte
es für
neue Erzeuger möglich
sein, anzukommen, nachdem die Zuweisungsgewährungen bereits verteilt worden
sind. Das Kapazitätsschätzungsschema
kann deshalb auch modifiziert werden um Kanalkapazität für derartige
neue Ankünfte
zu reservieren. Ohne eine derartige Erlaubnis müsste ein neuer Erzeuger entweder unter
einer Verzögerung
leiden beim Warten auf den Empfang einer expliziten Zuweisung oder
könnte
damit beginnen in einem voll zugewiesenen Kanal zu senden und dadurch
die Wahrscheinlichkeit einer Datenkollision zu erhöhen.
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Zuweisung verfügbarer Kapazität
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Falls
es bestimmt worden ist, dass ein Erzeuger nicht alles von seiner
Zuweisungsgewährung nutzt,
dann können
wir annehmen, dass dem Erzeuger für den Moment die Daten ausgegangen
sind, und es deshalb weniger wahrscheinlich ist, dass er eine Zuweisungsgewährung oberhalb
der Basisrate zu dieser Zeit erfordert. Nach dem Schätzen wie
viel Kanalkapazität
für die
Verteilung verfügbar
ist, erzeugt die Steuereinheit eine „Eligibility List" bzw. „Berechtigungsliste" die jene Erzeuger
identifiziert die alle von ihren vorhergehenden Zuweisungsgewährungen
genutzt haben und deshalb berechtigt sind, Zuweisungsgewährungen über die
Basisrate hinaus zu empfangen. Beim Bestimmen der Nutzungshistorie
ist es vorzuziehen nur die letzten Übertragungen zu berücksichtigen;
es ist auch vorzuziehen, die höchste Übertragungsrate
unter ihnen auszuwählen, um
die Möglichkeit
von verlorenen oder korrumpierten Übertragungen zu berücksichtigen.
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8 zeigt
ein Beispiel von den Daten von denen eine Berechtigungsliste erzeugt
werden kann. In diesem Beispiel würde die Berechtigungsliste
die Erzeuger mit den Nummer 3, 4, 8, 11 und 16 beinhalten. 9 zeigt
ein Verfahren durch das eine Berechtigungsliste erzeugt werden kann.
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Sobald
die Steuereinheit die Berechtigungsliste erzeugt hat, verteilt sie
die verbleibende Kanalkapazität
durch Erhöhen
der Zuweisungsgewährungen,
die an wenigstens die berechtigten Erzeuger gesendet werden. Die
Verteilung kann gemäß einer
Anzahl von unterschiedlichen Variationen durchgeführt werden,
wie z.B. den Folgenden:
- • Bei einer „equitable sharing" bzw. „Gleichberichtigen-Teilen"-Verfahren wird die
Zuweisungsgewährung
für jeden
berechtigen Erzeuger auf die nächste
Rate erhöht
und zwar mit dem ersten Erzeuger auf der Liste beginnend. Dieser
Prozess geht weiter auf eine Round-Robin Art und Weise bzw. im Rundlaufverfahren
bis alles von der verfügbaren
Kapazität
verteilt worden ist. Beim nächsten
Zuweisungszyklus beginnt der Prozess mit dem Erzeuger der als nächstes an
der Reihe war als der vorhergehende Zyklus geendet hat. 10 zeigt
einen Weg um ein Verfahren mit gleichberechtigten Teilen zu implementieren.
- • Bei
einem Verfahren mit „Modified
Equitable sharing" bzw. „modifiziertem
gleichberechtigten Teilen" ist
jeder Erzeuger in der Berechtigungsliste enthalten. Jene Erzeuger,
die aktiv waren, aber weniger als ihre zugewiesenen Raten verwendet haben,
werden jedoch Raten zugewiesen, die nicht höher sind als die Raten die
sie tatsächlich genutzt
haben.
- • Bei
einem „winner-takes-all" bzw. „der Gewinner bekommt
alles"-Verfahren wird jedem
berechtigtem Erzeuger der an der Reihe ist, die höchste mögliche Rate
zugewiesen ohne die verfügbare Kapazität zu erschöpfen. Bei
dem nächsten
Zuweisungszyklus wird der Erzeuger, der in dem vorhergehenden Zyklus
der erste war, an das Ende der Liste bewegt.
-
Jedes
derartige Verfahren kann ferner modifiziert werden durch gewähren einer
Priorität
an bestimmte Erzeuger und zwar durch Modifizieren der Listenreihenfolge
oder des Erhöhungsbetrags
oder durch irgendeine andere Präferenz.
Eine derartige Priorität
kann gewährt
werden, basierend auf der Art des Erzeugers oder seiner Anwendung
oder alternativ auf einer Differenz bei Verbraucherabrechungsschemata.
-
Es
ist möglich,
das verfügbare
Kanalkapazität
verbleiben kann, selbst nachdem die Berechtigungsliste verarbeitet
worden ist. In diesem Fall kann die verbleibende Kapazität verteilt
werden, beispielsweise unter den unberechtigten Erzeugern oder alternativ
unter dem gesamten Satz von jenen Erzeugern, von denen noch nicht
die maximal mögliche Rate
zugewiesen worden ist. Bei einer anderen Alternative, wird die verbleibende
Kapazität
unter den Erzeugern verteilt, denen andernfalls nur die Basisrate zugewiesen
werden würde.
Dieses letztere Schema behindert das Erzeuger mit höherer Rate
bestraft werden, in dem sie zurück
auf die Basisrate gesetzt werden und zwar als Folge davon, dass
sie eine höhere
Zuweisungsgewährung
empfangen als sie nutzen können.
-
Die
Einstellung von der Basisrate kann jedes Mal stattfinden, wenn die
Zuweisungsgewährungen durchgeführt werden
oder sie kann weniger häufig stattfinden
(z.B. jedes Mal wenn sich die Anzahl der Erzeuger ändert) oder
sogar gar nicht stattfinden (z.B. ein konstanter Wert kann als Teil
des Systemdesigns festgesetzt werden). Falls die Basisrateneinstellung
unregelmäßig oder
gar nicht stattfindet, dann ist es möglich, dass eine „Potential
Overload"- bzw. „mögliche Überlast"-Situation eintritt.
Eine mögliche Überlastsituation
ist eine, bei der die Kanalkapazität überschritten werden würde, falls
alle Erzeuger mit der Basisrate senden würden. In Fällen, bei denen die Steuereinheit
die Anzahl von Erzeugern kennt, ist es möglich eine derartige Situation
vorherzusehen. Ein Weg für
die Steuereinheit eine mögliche Überlastsituation
zu handhaben wäre
es, temporär
eine Sub- bzw. Unterbasisrate oder sogar eine Nullrate an irgendeine
vorherbestimmte Gruppe an Erzeugern zuzuweisen, oder an alle oder
einen Anteil von den unberechtigten Erzeugern oder Erzeugern mit
niedriger Priorität
zuzuweisen. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens ist in 11 dargestellt.
Eine derartige Aktion würde
Kapazität
für die
anderen Erzeuger freimachen durch effektives Beruhigen oder sogar Ruhigstellen
dieser Gruppe für
irgendeine Zeitperiode.
-
Erteilung von Zuweisungsgewährung
-
Wenn
die Steuereinheit die neuen Zuweisungsgewährungen komplettiert hat, ist
sie bereit, diese an die entsprechenden Erzeuger zu senden. Zuweisungsgewährungen
müssen
nur an jene Erzeuger gesendet werden, deren neue Gewährungen von
der Basisrate verschieden sind. Es ist zu bevorzugen, alle der Zuweisungsgewährungen
periodisch und gleichzeitig über
ein Aktualisierungssignal zu senden, dessen Timing- bzw. Zeitsteuerung
den Erzeugern bekannt ist. Die Zeit zwischen Aktualisierungen sollte
kurz genug sein, um sich ändernde
Bedingungen bzw. Zustände
zu reflektieren aber nicht so häufig
sein, um die Kanalaktivität
zu unterbrechen. In einer exemplarischen Anwendung werden Aktualisierungen
alle 400 oder 800 ms herausgegeben. Falls ein Erzeuger eine neue
Zuweisungsgewährung
nicht zu der Zeit empfängt,
wenn das Aktualisierungssignal fällig
ist, dann weiß er,
dass er nicht mit einer Rate oberhalb der Basisrate senden kann,
und zwar wenigstens bis das nächste
Aktualisierungssignal fällig ist.
Ein Verfahren des Zuweisungsgewährungsempfangs
ist in 12 dargestellt und eine Variation
die zwei unterschiedliche Gruppen an Erzeugern berücksichtigt
ist in 13 gezeigt.
-
Nutzung von Zuweisungsgewährungen
-
Sobald
die Zuweisungsgewährungen
durch die Steuereinheit herausgegeben werden, geht die Steuerung über auf
die individuellen Erzeuger. Um Variationen in der Kanalqualität zu minimieren
und somit die Möglichkeit
von Datenkollisionen zu reduzieren ist es für jeden Erzeuger wünschenswert
mit dem Erhöhen
seiner Rate zu warten bis alle herausgegebenen Verringerungen implementiert
worden sind, und es ist auch wünschenswert,
dass unterschiedliche Erzeuger ihre Ratenerhöhungen zu unterschiedlichen
Zeiten implementieren. Diese Bedingungen werden in einer exemplarischen
Anwendung wie folgt implementiert:
die Erzeuger sind mit einem
Systemtakt bzw. einer Systemuhr synchronisiert, die Systemzeit ist
in Rahmen unterteilt, die weiter in Schlitze unterteilt sind und
ein Schlitzversatz ist an jedem Erzeuger zugewiesen. Zum Beispiel
ist jeder Rahmen in 16 Schlitze unterteilt, wie in 14 dargestellt,
die Schlitzversätze
1–16 sind
gleichmäßig zwischen
den verschiedenen Erzeugern verteilt und nicht mehr als 32 Erzeuger
können
in einem Kanal aktiv sein. Die maximale Länge eines Übertragungs- bzw. Sendebündels ist zwei
Rahmendauern oder 32 Schlitze. Ein Erzeuger kann seine Rate reduzieren,
um unmittelbar nachdem seine aktuelle Übertragung geendet hat mit
einer neuen Zuweisungsgewährung
in Übereinstimmung
zu sein, er kann seine Rate jedoch erhöhen: 1) nur bei einem Schlitz
dessen Nummer dem Schlitzversatz entspricht der dem Erzeuger zugewiesen
ist, und 2) nur wenn zwei derartige Schlitze vergangen sind, nachdem
die neue Zuweisungsgewährung empfangen
wurde. Auf diese Art und Weise ist sichergestellt, dass keine Erhöhungen durchgeführt werden
bis alle andauernden Übertragungen
geendet haben, somit gegen Datenkollisionen schützend. In dieser exemplarischen
Anwendung ist es deshalb den Erzeugern verboten ihre Rate zu erhöhen und zwar
bis wenigstens 32 Schlitzdauern nach dem Aktualisierungssignal.
-
Aus ähnlichen
Gründen
kann eine „Slow-Start"- bzw. „Langsam-Start"-Einschränkung den Erzeugern auferlegt
sein. Diese Einschränkung erfordert,
dass jeder Erzeuger der aktiv wird, mit einer niedrigen Rate zu übertragen
beginnt und zwar unabhängig
von seiner Zuweisungsgewährung.
Die Startrate kann sogar niedriger als die Basisrate eingestellt
sein. Eine ähnliche
Beschränkung
kann genutzt werden um den Umfang zu beschränken, bis zu dem ein Erzeuger
seine Rate auf einmal erhöhen kann
und zwar unabhängig
davon wie hoch seine aktuelle Zuweisungsgewährung ist. Bei CDMA Anwendungen
ist typischerweise ein Leistungssteuermechanismus implementiert,
wobei Leistung in den Kanal andauernd angepasst wird, um Kollisionen
zu vermeiden. Außer
wenn „Slow-Start"- und Ratenänderungsrestriktionen
bzw. -einschränkungen
auch auferlegt sind, kann jedoch ein Erzeuger, der eine signifikante
Erhöhung
der Übertragungsrate
initiiert, den Kanal korrumpieren, bevor der Leistungssteuermechanismus
diese Last kompensieren kann, somit eine Kollision verursachen,
und es erzwingen, dass eine große
Menge an Verkehr erneut gesendet werden muss. In einer exemplarischen
Implementie rung kann ein Erzeuger seine Rate um nicht mehr als zweimal
von einem Bündel
bzw. Burst zu dem nächsten
erhöhen. 15A zeigt ein allgemeineres Beispiel, bei dem
die aktuelle Rate auf nicht mehr als die vorhergehende Rate multipliziert
mit einem vorher bestimmten zulässigen
Ratenerhöhungsfaktor,
beschränkt
ist und 16 zeigt wie dieses Beispiel
in das Verfahren zum Empfangen einer neuen Zuweisungsgewährung, das
in 12 dargestellt ist, kombiniert werden kann.
-
Um
die Steuereinheit mit einer genauen Anzeige der Anforderungen von
jedem Erzeuger zu versehen, kann ein Erzeuger eingeschränkt werden,
um mit einer Rate zu übertragen,
die nicht höher
ist, als jene die durch die Daten die unmittelbar verfügbar sind,
gerechtfertigt ist, und zwar unabhängig von der aktuellen Zuweisungsgewährung jenes
Erzeugers. 15B zeigt ein Beispiel einer
derartigen Einschränkung
und 17 zeigt wie dieses Beispiel in das Verfahren
zum Empfangen einer neuen Zuweisungsgewährung, in 12 dargestellt,
kombiniert werden kann.
-
Zur
einfacheren Implementierung kann die Struktur von verfügbaren Raten
ausgelegt sein, um in Zweierpotenzen zuzunehmen. Weil ein Verdoppeln der
Rate eine Verdoppelung der Leistung erfordert, um das gleiche Verhältnis von
Energie-pro-Bit-zu-Rauschleistungsspektraldichte (Eb/N0) beizubehalten, entspricht jeder derartige
Ratenschritt einem Leistungsschritt von 3 dB. In einer exemplarischen
Anwendung ist die Startrate auf 9600 Bit/s festgelegt, die Basisrate
ist 19200 Bit/s und die höheren
Raten sind 38400, 76800, 153600 und 307200 Bit/s.
-
Die
vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele ist vorgesehen,
um es jedem Fachmann zu ermöglichen
die vorliegende Erfindung nachzuvollziehen oder anzuwenden. Verschiedene
Modifikationen an diesen Ausführungsbeispielen
werden Fachleuten unmittelbar klar sein, und die hierin präsentierten
generischen Prinzipien können
auf andere Ausführungsbeispiele
ohne die Nutzung erfinderischer Fähigkeiten angewendet werden. Deshalb
soll die vorliegende Erfindung nicht auf die oben gezeigten Aus führungsbeispiele
beschränkt sein,
sondern soll im weitesten Umfang, der durch die Ansprüche definiert
ist, gewürdigt
werden.