DE60112178T2

DE60112178T2 - Verfahren und Gerät zur Ablaufsteuerung in Echtzeit in Satelliten Kommunikationsnetzen

Info

Publication number: DE60112178T2
Application number: DE60112178T
Authority: DE
Inventors: Jr. Jaime L. Prieto; Stuart T. Linsky
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: CA2348134A1; JP2002016646A; EP1158699B1; EP1158699A3; US7002918B1; EP1158699A2; DE60112178D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Satellitenkommunikationsnetzwerk und insbesondere ein Satellitenkommunikationsnetzwerk zur Abwärtsverbindungsplanung statistischer Bandbreiten von Datenströmen in Echtzeit, die durch ein Modul für ausgehende Übertragung eines Kommunikationssatelliten zwischengespeichert werden.
Satellitenkommunikationssysteme sind zum Weiterschalten von Kommunikationssignalen zwischen einem oder mehreren Benutzerendgeräten und einer Bodenstation vorgeschlagen worden. Die Benutzerendgeräte können sich an verschiedenen Orten weltweit befinden, wobei sich mehrere Endgeräte in einem gemeinsamen Blickfeld eines einzigen Satelliten befinden. Die Satelliten enthalten typischerweise Antennenanordnungen, die Richtstrahlen oder Ausleuchtzonen auf der Erdoberfläche definieren. Die Satelliten empfangen im Allgemeinen Kommunikationsdatenströme von mehreren in jedem Richtstrahl befindlichen Endgeräten. Die Datenströme werden über getrennte aufwärts gerichtete Verbindungen oder virtuelle Übertragungskanalverbindungen empfangen. Der Satellit kombiniert die eingehenden Datenströme für Endgeräte in gemeinsamen Richtstrahlen und gibt ein kombiniertes abwärts gerichtetes Signal, das mehrere Datenströme enthält, an eine Bodenstation oder ein anderes Benutzerendgerät weiter. Das empfangende Endgerät oder die empfangende Bodenstation kann sich in einem gleichen Richtstrahl wie das sendende Endgerät oder in einem anderen Richtstrahl befinden.
Satellitenkommunikationsnetzwerke sind zur Unterstützung von Kommunikationskanälen, die verschiedene Datentypen wie z. B. Audiodaten, Videodaten, Videokonferenzdaten, Rundsendevideodaten, Web-Surf-Daten und dgl. führen, vorhanden und in der Entwicklung. Bestehende Satellitenkommunikationsnetzwerke unterstützen mehrere verbindungsorientierte Protokolle wie z. B. das ATM- (asynchronous transfer mode = asynchroner Datenübertragungsmodus) Protokoll zum Befördern der verschiedenen Datentypen. Als ein verbindungsorientiertes Protokoll arbeitet ein ATM-Netzwerk so, dass ein Netzwerkanbieter garantiert, dass bestehende Rufe nicht unangemessen nachteilig beeinträchtigt werden, bevor ein Ruf durch das Netzwerk stattfinden darf. Der Netzwerkanbieter garantiert z. B., dass bestehende Verbindungen eine bestimmte Mindestdienstgüte aufrechterhalten. Außerdem muss der Netzwerkanbieter vor dem Aufbau eines neuen Rufs innerhalb eines ATM-Netzwerks sicherstellen, dass das Netzwerk eine gewünschte Mindestdienstgüte für den neuen Ruf bereitstellen wird.
Die Dienstgüte definiert eine ATM-Anforderung für eine bestimmte Verbindung wie z. B. ein Datenstrompaket-/Verlust-Verhältnis, eine Verzögerung oder Verzögerungsschwankung zwischen Datenstrompaketübertragungen und Ähnliches. Zwei beispielhafte ATM-Netzwerksteuertechniken sind garantierte Mindestdienstgüte und bestmögliche Mindestdienstgüte. In einem ATM-Netzwerk kann die Dienstgüte für neue Rufe und bestehende Rufe für mehrere Funktionen verwendet werden wie z. B. zum Bestimmen der Anrufzugangskontrolle für neue Rufe und Planen bezüglich der Übertragungszeit für mit bestehenden Rufen verbundene Pakete.
Die Anrufzugangskontrolle ist der Prozess, durch den ein ATM-Netzwerk bestimmt, ob es einen neuen Ruf oder Benutzer annimmt, der einen Dienst vom Netzwerk anfordert. Die innerhalb der Anrufzugangskontrolle und Planung bereitgestellte Freiheit und Flexibilität sind von einer einem ATM-Netzwerk bereitgestellten Bandbreitenmenge und den Bandbreitenanforderungen einzelner vom Netzwerk angeforderter Rufe abhängig. Bandbreite bezieht sich in diesem Kontext auf eine statistische Menge Bandbreite, die eine bestimmte Verbindung benötigt, um eine von der Verbindung benötigte Mindestdienstgüte zu erfüllen.
Planen ist der Prozess, durch den das Netzwerk die Reihenfolge bestimmt, in der Datenpakete oder Zellen über eine abwärts gerichtete Verbindung an eine Boden- oder Erdstation gesendet werden. Genauer gesagt werden Datenpakete oder Zellen im Satelliten ständig zwischen aufwärts gerichteten Übertragungskanälen auf verbundene Module für die ausgehende Übertragung geschaltet. Ein Modul für ausgehende Übertragung ist mit jeder abwärts gerichteten Verbindung zu einer Bodenstation oder Erdstation verbunden. Ein Modul für ausgehende Übertragung stellt einen Punkt im Satelliten dar, an dem mehrere Verkehrsströme zu einem gemeinsamen einzigen Übertragungsstrom kombiniert werden. Das Modul für ausgehende Übertragung kann z. B. ein Modul im Satelliten sein, in dem mehrere aufwärts gerichtete Verkehrsströme kombiniert und einem einzigen abwärts gerichteten Verkehrsstrom übergeben werden. Die aufwärts gerichteten Verkehrsströme können für mehrere Benutzer vorgesehen sein, die sich in gleichen oder verschiedenen Ausleuchtzonen der vom Satelliten erzeugten Richtstrahlen befinden. Im Satelliten ist ein Routen (Verteiler) oder Schalter zum Empfangen eingehender Datenpakete von den verschiedenen Datenströmen vorgesehen. Der Router oder Schalter identifiziert für jedes Datenpaket einen abwärts gerichteten Zielstrahl. Auf dem Ziel für jedes Datenpaket basierend richtet der Routen oder Schalter jedes Datenpaket an ein entsprechendes Modul für ausgehende Übertragung.
Jedes Modul für ausgehende Übertragung enthält eine oder mehrere Warteschlangen oder Zwischenspeicher, die mit einer bestimmten Dienstgüte verbundene Datenpakete empfangen. Die in jedem Zwischenspeicher gespeicherten Datenpakete werden auf eine FIFO-Weise (first in, first out) oder FIFS-Weise (first in, first served) ausgegeben. Die Reihenfolge zwischen Zwischenspeichern wird vom Planer bestimmt.
Die Kapazität der gegenwärtigen Mikroprozessortechnologie hat die Menge der Verarbeitung beeinflusst, die auf einem Satelliten in einem digitalen Kommunikationsnetzwerk ausgeführt werden kann. Herkömmliche ATM-Netzwerkschaltelemente erfordern die Verarbeitung komplexer Planungsalgorithmen für Dienstgüte- und Fairnessgarantien. Die Grenzen gegenwärtiger Verarbeitungsgeschwindigkeiten machen es in Anbetracht dessen, dass das typische Netzwerk Planungsberechnungen für Echtzeitplanung in einem Takt von wenigen Sekunden ausführen soll, schwierig, mit Dienstgüte- und Fairnessgarantien verbundene Echtzeitverarbeitung zuzulassen. Gegenwärtige Planungssysteme arbeiten mittels einer statischen Planungstabelle, die auf Basis einer apriorischen Kenntnis und historischer Datenverkehrsparameter definiert ist. Die Verwendung statischer Planungstabellen führt jedoch zur Verschwendung von Bandbreitenressourcen, unfairer Bandbreitenzuweisung und letztlich zu Verlust von Durchsatz und Einnahmen.
In der Vergangenheit sind Planer vorgeschlagen worden, die eine Verweistabelle verwenden, die eine Paketverarbeitungsplanung speichert, die die Reihenfolge der Ausgabe von Datenpaketen oder Zellen durch die Zwischenspeicher oder Warteschlangen über die abwärts gerichtete Verbindung bestimmt. Die Paketverarbeitungsplanung definiert einen Hauptrahmen aus in aufeinander folgenden Zeitschlitzen angeordneten Datenpaketen, die über die abwärts gerichtete Verbindung weitergegeben werden. Die Paketverarbeitungsplanung weist mehrere Einträge auf, die alle mit einem Zeitschlitz im Hauptrahmen verbunden sind. Jeder Zeitschlitz in der Verweistabelle speichert einen Warteschlangenindex, der eine Warteschlange identifiziert, auf die im entsprechenden Zeitschlitz zugegriffen werden soll. Vordem sind Planer mit Paketverarbeitungsplanungen vorprogrammiert worden, die auf Modellen prognostizierter oder geschätzter Verkehrsaufkommen basierende statische Datenübertragungsreihenfolgen speicherten. Herkömmliche Verweistabellen werden regelmäßig neu programmiert. Bei der Neuprogrammierung basieren die zum Definieren der Verweistabellen verwendeten Modelle jedoch auf einer apriorischen Kenntnis hinsichtlich historischen und prognostizierten Verkehrsmustern und Bandbreitenanforderungen.
Planen auf Basis einer apriorischen Kenntnis kann jedoch eine Verschwendung bedeuten. Erstens kann ein Benutzer weniger Bandbreite nutzen als geschätzt. Folglich kann ein Modell in der Verweistabelle eine übermäßige Anzahl Zeitschlitze einer eine bestimmte Dienstgüte aufweisenden Warteschlange zuweisen, obwohl der die spezielle Dienstgüte benötigende Übertragungskanal die geschätzte Menge Bandbreite nicht benötigt. Auf diese Weise ist in der abwärts gerichteten Verbindung Bandbreite zugewiesen, sie bleibt aber ungenutzt. Alternativ kann ein Übertragungskanal mehr Bandbreite nutzen als geschätzt. Übermäßige Bandbreitenverwendung erfordert die Inanspruchnahme zusätzlicher Ressourcen, um den speziellen Benutzer zu bedienen (z. B. kann ein zusätzlicher Zwischenspeicher mit der gleichen oder einer besseren Dienstgüte als der überlastete Zwischenspeicher verwendet werden).
Das US Patent Nr. 5,982,748, Yin et al., beschreibt ein System, das den Zugang einer Verbindungsanforderung auf Basis verfügbarer Ressourcen kontrolliert. Die empfangene Verbindungsanforderung spezifiziert eine bestimmte Dienstklasse. Das System bestimmt dann die zugewiesene Bandbreite für die spezifizierte Dienstklasse. Verfügbare Ressourcen für die spezifizierte Dienstklasse werden auf Basis des gemessenen Verkehrsflusses und der mit der spezifizierten Dienstklasse verbundenen zugewiesenen Bandbreite bestimmt. Die Verbindungsanforderung wird angenommen, falls die verfügbaren Ressourcen die angeforderte Verbindung unterstützen können. Zum Zuweisen von Bandbreite kann das System einen Zuweisungsfaktor verwenden. Der Zuweisungsfaktor kann auf Basis von Änderungen des gemessenen Verkehrsflusses aktualisiert werden. Zusätzlich können abonnierte Datenverkehrsparameter zur Bestimmung verfügbarer Ressourcen für die spezifizierte Dienstklasse verwendet werden.
In Pancha et al. "A Delay-Minimizing Service Policy with Guaranteed Bandwidth for Real-Time Traffic", 23. August 1995, Seiten 47–51, XP010269600, ist eine Technik zur Planung einer garantierten Bandbreiten-Minimumverzögerung (Guaranteed-Bandwidth Minimum-Delay, GBMD) beschrieben. Beim GBMD-Dienst werden Zellen aus jedem Fluss in getrennten Zwischenspeichern in eine Warteschlange eingereiht, während sie auf den Dienst warten. In jedem Zeitschlitz hat eine Zelle am Anfang des Zwischenspeichers eines Flusses Anspruch auf den Dienst. Die Dienstrichtlinie wirkt in zwei Phasen, um die Reihenfolge des Diensts für Zellen zu bestimmen. In der ersten Phase werden die Zellen identifiziert, die bedient werden müssen, um sicherzustellen, dass jeder Fluss mit der angeforderten Bandbreite beliefert wird. Diese Zellen werden in eine Warteschlange mit garantiertem Dienst (Guaranteed Service Queue, GSQ) eingereiht. Immer wenn die GSQ in einem Zeitschlitz leer ist, tritt der Bediener in die zweite Phase ein. In der zweiten Phase wird die älteste Zelle unter allen Flüssen bedient. Diese Bedienung erfolgt durch Vergleichen der Ankunftszeit der Linienanfangszellen in jedem Fluss beim System.
Es besteht weiterhin ein Bedarf an einem verbesserten Planer für abwärts gerichtete Verbindungen. Es ist eine Aufgabe der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, diesen Bedarf zu erfüllen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein Verfahren zum Planen in Echtzeit einer Reihenfolge, in der Datenpakete aus einer Mehrzahl von aufwärts gerichteten Übertragungskanälen in einer abwärts gerichteten Verbindung eines Satellitenkommunikationsnetzwerks organisiert werden. Das Verfahren beinhaltet Befördern von Datenpaketen über eine abwärts gerichtete Verbindung in einer durch eine Paketverarbeitungsplanung bestimmten Reihenfolge. Das Verfahren überwacht mindestens einen Datenverkehrsparameter, der mit jedem aufwärts gerichteten, einen Datenstrom befördernden Übertragungskanal verbunden ist. Der Datenverkehrsparameter repräsentiert eine tatsächliche Bandbreitenverwendung des entsprechenden aufwärts gerichteten Übertragungskanals. Während des Beförderns von Datenpaketen über die abwärts gerichtete Verbindung ändert das Verfahren die Paketverarbeitungsplanung auf Basis der überwachten Datenverkehrsparameter. Die von jedem aufwärts gerichteten Übertragungskanal verwendete tatsächliche Bandbreite wird überwacht, um eine genaue Aufzeichnung des Verkehrsaufkommens in jedem Übertragungskanal zu behalten. Datenpakete werden vorübergehend in entsprechenden Warteschlangen in einem Modul für ausgehende Übertragung des Satelliten gespeichert. Die Datenpakete werden von einem Schalter auf Basis von Dienstanforderungen, die mit dem solche Datenpakete transportierenden Übertragungskanal verbunden sind, an eine entsprechende Warteschlange geleitet.
Phaseninformationen können für jeden Übertragungskanal gemessen werden. Die Phaseninformationen geben eine Zeitdauer an, die abgelaufen ist, seit ein Datenpaket von einem bestimmten Übertragungskanal zuletzt von einer Warteschlange an die abwärts gerichtete Verbindung ausgegeben wurde. Die Phaseninformationen werden anschließend verwendet, wenn die aktualisierte Paketverarbeitungsplanung berechnet wird. Neue Datenverkehrsparameter werden für jeden Übertragungskanal ständig erhalten, indem die Datenpakete überwacht werden, wenn sie bei den mit jedem Übertragungskanal verbundenen Warteschlangen ankommen. Die Datenpakete werden von jedem Übertragungskanal auf eine eindeutige Warteschlange oder einen Satz Warteschlangen geschaltet, wo die Datenpakete vor der Ausgabe an die abwärts gerichtete Verbindung vorübergehend gespeichert werden.
Die Paketverarbeitungsplanung kann optional in einer Verweistabelle gespeichert werden. Die mit dem Befördern von Datenpaketen, Überwachen von Datenverkehrsparametern und Ändern der Paketverarbeitungsplanung auf Basis der Datenverkehrsparameter verbundene Verarbeitung kann gänzlich an Bord des Satelliten durchgeführt werden. Alternativ kann ein Teil der Berechnungen an der Bodenstation oder dgl. ausgeführt werden.
Eine neue Paketverarbeitungsplanung wird basierend auf den Datenverkehrsparametern entsprechend eines von verschiedenen hinreichend bekannten Fair Queuing-Algorithmen berechnet, wie z. B. des Starting Potential Fair Queuing-Algorithmus, eines Frame Based (rahmenbasierten) Fair Queuing-Algorithmus und dgl. Eine dynamische Bandbreitenmenge wird für jeden Übertragungskanal in der Paketverarbeitungsplanung zugewiesen. Die zugewiesene Bandbreite für mindestens einen Übertragungskanal wird zur effizienteren Nutzung der verfügbaren Bandbreite angepasst, während der Übertragungskanal Datenpakete befördert. Die zugewiesene Bandbreite wird durch Ändern der Paketverarbeitungsplanung angepasst, um die Anzahl der einer bestimmten Warteschlange zugewiesenen Zeitschlitze zu erhöhen oder zu verringern.
Eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Kommunikationssatelliten mit mindestens einer aufwärts gerichteten Verbindung und einer abwärts gerichteten Verbindung zum Befördern von Datenpaketen über Übertragungskanäle zwischen Endgeräten und Bodenstationen. Ein Schalter leitet die Datenpakete von jedem aufwärts gerichteten Übertragungskanal an eine eindeutige Warteschlange. Der Satellit enthält eine Mehrzahl Warteschlangen zum Sammeln von Datenpaketen von den aufwärts gerichteten Verbindungen und Ausgeben der Datenpakete an die abwärts gerichteten Verbindung, wobei die mit jeder Warteschlange verbundene Bandbreitenmenge dynamisch angepasst wird. Zum Zuweisen von Bandbreite ist im Satelliten ein Planer vorgesehen. Der Planer ändert die den Warteschlangen zugewiesene Bandbreitenmenge, während die Warteschlan gen Datenpakete zwischen den aufwärts gerichteten Verbindungen und der abwärts gerichteten Verbindung zwischenspeichern.
Ein Bandbreitenmessmodul misst eine statistische Bandbreite, die tatsächlich von jeder Warteschlange verwendet wird. Der Planer aktualisiert die jeder Warteschlange zugeordnete Bandbreite auf Basis der gemessenen statistischen Bandbreite. Eine Verweistabelle kann zum Speicher einer Paketverarbeitungsplanung verwendet werden, die einen jeder aktiven Warteschlange Bandbreite zuweisenden Hauptrahmen definiert. Der Hauptrahmen weist eine Mehrzahl aufeinander folgender Zeitschlitze auf. Der Planer weist jedem Zeitschlitz einen Prioritätswarteschlangenindex zu, der eine Warteschlange identifiziert, von der ein Datenpaket während des zugewiesenen Zeitschlitzes im Hauptrahmen ausgegeben werden soll.
Optional kann der Satellit ein Modul zum Messen der Datenpaketrate für jede Warteschlange enthalten. Ein Prozessor im Planer berechnet die statistische Bandbreitenzuweisung für jede Warteschlange auf Basis der gemessenen Datenpaketrate. Der Planer enthält ferner einen Speicher, der die Paketverarbeitungsplanung speichert. Der Prozessor berechnet eine neue Bandbreitenzuweisung für jede Warteschlange basierend auf einer der mehreren bekannten Fair Queuing-Algorithmen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein ein ATM-Netzwerk unterstützendes Satellitenkommunikationssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein in einem Kommunikationssatelliten untergebrachtes Modul für die ausgehende Übertragung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
. 3 zeigt einen Abschnitt einer beispielhaften Paketverarbeitungsplanung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Verarbeitungsfolge, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
5 zeigt eine Folge Hauptrahmen, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Echtzeit auf Basis von während der aktiven Verwendung der Warteschlangen gemessenen Datenverkehrsparametern zugewiesenen werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein Satellitenkommunikationssystem 5, das ein ATM-Netzwerk zum Transportieren von Kommunikationsdaten wie z. B. Sprach-, Audio-, Video-, Videokonferenz-, Rundsendevideo-, Internet-Informationsdaten u. Ä. unterstützt. Das Satellitenkommunikationssystem 5 enthält einen Satelliten 10, der über bidirektionale Kommunikationsverbindungen 40–55 mit einem oder mehreren Benutzerendgeräten 15, 20, 25 und 30 kommuniziert. Die bidirektionalen Kommunikationsverbindungen 40–55 enthalten jeweils eine aufwärts gerichtete Verbindung und eine abwärts gerichtete Verbindung (nicht separat dargestellt) zum Weitergeben von Kommunikationsdaten an den Satelliten 10 und von ihm. Der Satellit 10 kommuniziert auch mit einer Erdstation oder einem Gateway (Überleitungseinrichtung) 35 und anderen Benutzerendgeräten (von denen einige auch auf der aufwärts gerichteten Verbindung übertragen) über eine bidirektionale Kommunikationsverbindung 60, die eine aufwärts gerichtete Verbindung und eine abwärts gerichtete Verbindung zum Weitergeben von Kommunikationsdaten zum Satelliten 10 und von ihm enthält. Die Benutzerendgeräte 15–30 können sich in einer gemeinsamen Ausleuchtzone 65 eines einzigen Richtstrahls oder vieler Ausleuchtzonen befinden, die durch eine Antenne des Satelliten 10 definiert sind. Die Bodenstation 35 oder andere empfangende Benutzerendgeräte könne sich in derselben oder einer anderen Ausleuchtzone eines gemeinsamen oder anderen Richtstrahls befinden.
Die bidirektionalen Kommunikationsverbindungen 40–55 können einen oder mehr Datenströme zum und vom Satelliten 10 transportieren. Jeder von den bidirektionalen Kommunikationsverbindungen 40–55 unterstützte Datenstrom entspricht einem einzigen Ruf oder einer einzigen Verbindung, der bzw. die vom ATM-Netzwerk vorher aufgebaut wurde oder aufzubauen ist. Nur beispielhaft kann das Benutzerendgerät 15 ein mobiler Zellular-Handfernsprecher sein, der eine Verbindung mit dem ATM-Netzwerk aufbaut, indem er eine aufwärts gerichtete Verbindung und eine abwärts gerichtete Verbindung über die bidirektionale Kommunikationsverbindung 40 mit dem Satelliten 10 unterhält. Die aufwärts gerichtete Verbindung vom Benutzerendgerät 15 zum Satelliten 10 würde vom Benutzerendgerät 15 gesendete Daten wie z. B. Sprachdaten enthalten. Der Satellit 10 sammelt über die aufwärts gerichteten Verbindungen in bidirektionalen Kommunikationsverbindungen 40–55 alle von den Benutzerendgeräten 15–30 gesendeten Daten. Beim Empfangen der aufwärts gerichteten Informationen von bidirektionalen Kommunikationsverbindungen 40–55 kombiniert der Satellit 10 die empfangenen Daten basierend auf ATM-Netzwerk-Protokollen und sendet die kombinierten Daten über eine abwärts gerichtete Verbindung in der bidirektionalen Kommunikationsverbindung 60 zur Bodenstation 35. Die abwärts gerichtete Verbindung weist einen Datenstrom auf, der als aufeinander folgende ähnlich strukturierte Hauptrahmen organisiert ist, von denen jeder in Zeitschlitze aufgeteilt ist. In der umgekehrten Richtung empfängt der Satellit 10 aufwärts gerichtete Daten von der Bodenstation 35 und verbreitet die aufwärts gerichteten Daten an entsprechende Benutzerendgeräte 15–30.
2 zeigt ein Satellitenmodul 100 für ausgehende Übertragung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Modul 100 für ausgehende Übertragung stellt einen Punkt im Satelliten 10 dar, an dem mehrere aufwärts gerichtete Verkehrsströme zu einem einzigen Übertragungsstrom kombiniert werden, der über eine abwärts gerichtete Verbindung weiterzuleiten ist. Das Modul für ausgehende Übertragung kann z. B. ein Modul im Satelliten sein, in dem mehrere aufwärts gerichtete Verkehrsströme kombiniert und an einen einzigen abwärts gerichteten Verkehrsstrom übergeben werden. Die aufwärts gerichteten Verkehrsströme können für mehrere Benutzer sein, die sich in gleichen oder verschiedenen Ausleuchtzonen der vom Satelliten 10 erzeugten Richtstrahlen befinden. Im Satelliten ist ein Router oder Schalter zum Empfangen eingehender Datenpakete von den Verkehrsströmen vorgesehen. Der Router/Schalter identifiziert für jedes Datenpaket einen abwärts gerichteten Zielstrahl. Auf dem Ziel für jedes Paket basierend richtet der Router/Schalter jedes Datenpaket an ein entsprechendes Modul 100 für ausgehende Übertragung.
Das Modul 100 für ausgehende Übertragung ist im Satelliten 10 untergebracht und wirkt, um Kommunikationsdaten über die aufwärts gerichteten Verbindungen in den bidirektionalen Kommunikationsverbindungen 40–55 zu empfangen. Die vom Modul 100 für ausgehende Übertragung empfangenen Kommunikationsdaten werden in Pakete segmentiert wie z. B. gemäß dem ATM-Protokoll. Das Modul 100 für ausgehende Übertragung befördert die Kommunikationsdatenpakete über Warteschlangen oder Zwischenspeicher an eine gemeinsame abwärts gerichtete Verbindung wie z. B. in der bidirektionalen Kommunikationsverbindung 60. Die aggregierten in Warteschlangen eingereihten Kommunikationsdaten werden anschließend an die Bodenstation 35 weitergeleitet. Das Modul 100 für ausgehende Übertragung enthält einen Schalter 102 zum Empfangen von Kommunikationsdaten von einer Mehrzahl einzelner Verbindungen oder Anrufer. Jede Verbindung oder jeder Anrufer ist mit einer einzigen aufwärts gerichteten Verbindung von den Benutzerendgeräten 15–30 und einer einzigen Warteschlange für das Abwärtsverbinden verbunden.
2 zeigt beispielhaft drei eingehende Kommunikationssignale 130–132, die anschließend vom Schalter 102 zu entsprechenden Zwischenspeichern 104–110 umgeleitet werden. Die Zwischenspeicher 104–110 können zahlenmäßig und kriterienmäßig zum Empfangen von Kommunikationsdatenpaketen variieren. Beim Beispiel von 2 sind n Zwischenspeicher veranschaulicht, von denen jeder eine andere mit ihm verbundene Prioritätsklasse oder Dienstgüte (Quality of Service, QoS) hat. Zwischenspeicher 104 kann z. B. Kommunikationsdatenpakete von einem Datenstrom empfangen, der eine bestimmte als QoS1 bezeichnete Dienstgüte erfordert. Ähnlich können die Zwischenspeicher 106 und 108 Kommunikationsdatenpakete von entsprechenden Datenströmen empfangen, die mit zweiten bis fünften Dienstgüten QoS2–QoS5 verbunden sind.
Der Schalter 102 leitet entsprechende Kommunikationsdatenpakete auf Basis der von der Verbindung verlangten Dienstgüte von Verbindungen 130–132 zu einem entsprechenden Zwischenspeicher 104–110 um.
Die Zwischenspeicher 104–110 stellen FIFO- (first in first out) oder FCFS- (first come first served) Warteschlangen dar, wobei ein eingehender Datenstrom von Paketen vorübergehend in einem der Zwischenspeicher 104–110 gespeichert oder in eine Warteschlange eingereiht wird, bevor er zum Senden an die abwärts gerichtete Verbindung innerhalb der bidirektionalen Kommunikationsverbindung 60 ausgewählt wird. Ein Planer 152 bestimmt die Reihenfolge, in der die Zwischenspeicher 104–110 Datenpakete an die abwärts gerichtete Verbindung verteilen.
Das Modul 100 für ausgehende Übertragung enthält weiter ein Bandbreitenmessmodul 114, das mit einem Paketüberwacher 116 kommuniziert, um die über Leitungen 120–126 durch die Zwischenspeicher 104–110 strömenden Datenströme aufzuzeichnen und zu verfolgen. Der Paketüberwacher 116 misst mindestens einen Datenverkehrsparameter, der mit jedem über die Leitungen 120–126 transportierten und in den Zwischenspeichern 104–110 in eine Warteschlange eingereihten Datenstrom verbunden ist. Die Datenverkehrsparameter können z. B. einen oder mehrere Zählwerte der Anzahl pro Sekunde von jedem Zwischenspeicher empfangener Pakete, einen Zählwert der Anzahl pro Sekunde von jedem Zwischenspeicher empfangener Bits, einen Zählwert der Gesamtzahl von einem bestimmten Zwischenspeicher innerhalb eines Zeitraums empfangener Pakete und/oder einen Zählwert der Gesamtzahl von durch einen bestimmten Zwischenspeicher innerhalb eines Zeitraums empfangener Bits enthalten.
Die vom Paketüberwacher 116 gesammelten Datenverkehrsparameter werden einem Bandbreitenmessmodul 114 übergeben, das eine von den über die Pfade 120–126 und durch die Zwischenspeicher 104–110 transportierten Datenströmen tatsächlich verwendete statistische Bandbreite berechnet. Das Bandbreitenmessmodul 114 berechnet eine statistische Bandbreite für jeden Datenstrom auf Basis der vom Paketüberwacher 116 gesammelten Datenverkehrsparameter. Das Bandbreitenmessmodul 114 kann statistische Bandbreiten für einzelne Zwischenspeicher 104–110, für mit einer gemeinsamen Prioritätsklasse verbundene Gruppen von Zwischenspeichern, für ein gesamtes Modul 100 für ausgehende Übertragung u. dgl. berechnen. Das Bandbreitenmessmodul 114 kann z. B. die aggregierte Ankunftsrate pro Modul 100 für ausgehende Übertragung (z. B. Mittel, Standardabweichung und dgl.) berechnen. Die aggregierte Ankunftsrate pro Modul für ausgehende Übertragung entspricht der Rate (Pakete oder Bits pro Sekunde), mit der die Datenströme empfangen werden. Außerdem kann das Bandbreitenmessmodul 114 die gesamte Zwischenankunftszeit (inter arrival rate, IAT) pro Modul für ausgehende Übertragung (z. B. Mittel, Standardabweichung und dgl.) berechnen. Die gesamte Zwischenankunftszeit stellt die Zeit zwischen der Ankunft von Paketen dar. Das Bandbreitenmessmodul 114 kann die gesamte Zwischenankunftszeit für das Modul 100 für ausgehende Übertragung berechnen, um die Bündelung der vom Modul 100 für ausgehende Übertragung empfangenen Datenströme als Ganzes zu bestimmen.
Außerdem oder alternativ kann das Bandbreitenmessmodul 114 die statistische Bandbreite pro Zwischenspeicher oder Prioritätsklasse berechnen. Das Bandbreitenmessmodul 114 kann z. B. die aggregierte Ankunftsrate pro Modul 104–110 und/oder die Zwischenankunftszeit pro Zwischenspeicher 104–110 berechnen. Die Ankunftsrate und die Zwischenankunftszeit pro Prioritätsklasse können auf jede statistische Weise gekennzeichnet werden, wie z. B. durch den Durchschnitt, das Mittel, die Mediane, die Standardabweichung und dgl. Ähnlich kann die statistische Bandbreite für das Modul 100 für ausgehende Übertragung durch Verwendung einer statistischen Messung gekennzeichnet werden, wie z. B. des Durchschnitts, des Mittels, der Mediane, der Standardabweichung und dgl.
Sobald die Datenverkehrsparameter erhalten worden sind, kann die statistische Berechnung für jede gewünschte zufällige Variable ausgeführt werden, um die äquivalente Bandbreite für einen oder mehrere Datenströme zu berechnen. Die Parameter für Berechnung der statistischen Echtzeitbandbreite pro Prioritätsklasse und pro Modul für die ausgehende Über tragung sind lediglich beispielhaft die Schätzung des gleitenden Durchschnitts, die Schätzung der Standardabweichung und der Informationsvektor (I = [λ, σ², α]). Zu den Variablen, die zum Berechnen der statistischen Echtzeitbandbreite verwendet werden können, gehören u, das den Prioritätsklassen-Zwischenspeicherindex darstellt, λμ, das die mittlere Durchschnittsankunftsrate (Pakete/Sekunde) darstellt, σμ², das die Varianz der Ankunftsrate (Pakete/Sekunde)²) darstellt, αμ, das die momentane Varianz (pro Zeiteinheit) des Zwischenankunftszeit-Paketankunftsprozesses (Zellen/Sekunde) darstellt, IATμ, das die mittlere Zwischenankunftszeit darstellt, und IATμ², das den zweiten Moment der Zwischenankunftszeit darstellt.
Der Planer 152 enthält eine CPU (Zentraleinheit) 154 und einen Speicher 156. Die CPU 154 berechnet in Echtzeit die Bandbreitenzuweisung für jede der Warteschlangen 104–110. Die CPU 154 kann zum Berechnen der Bandbreitenzuweisung einen beliebigen von mehreren hinreichend bekannten Algorithmen verwenden wie z. B. Starting Potential Fair Queuing, Frame Based Fair Queuing und Ähnliches. Beispielhafte Fair Queuing-Algorithmen sind in den folgenden Artikeln beschrieben:

1) IEEE Communications Magazine, "Hardware Implementation of Fair Queuing Algorithms for Asynchronous Transfer Mode Networks", Varma und Stiliadis, S. 54 ff. (Dezember 1999).
2) Proceedings of the IEEE, "Service Disciplines for Guaranteed Performance Service in Packet-Switching Networks", Zang, Bd. 83, Nr. 10, S. 1374 ff. (Oktober 1999).
3) Proceedings of the 1997 International Conference on Networking Protocols, "High Speed, Scalable, and Accurate Implementation of Packet Fair Queuing Algorithms in ATM Networks", Bennett, Stephens und Zhang, S. 7–14 (Oktober 1997).

Die CPU 154 erzeugt eine Paketverarbeitungsplanung basierend auf den Berechnungen des Fair Queuing-Algorithmus. Die Paketverarbeitungsplanung wird im Speicher 156 gespeichert. Optional kann die Paketverarbeitungsplanung als eine Verweistabelle gespeichert werden, die einen Zeitschlitze umfassenden Hauptrahmen definiert, die eine Reihenfolge festlegen, in der die Warteschlangen 104–110 Datenpakete ausgeben.
3 zeigt eine beispielhafte Paketverarbeitungsplanung 200, die aus mehreren Spalten besteht, zu denen eine Zeitindexspalte 202, eine relative Zeitspalte 204 und eine Prioritätsindexspalte 206 gehören. Die Paketverarbeitungsplanung 200 ist in Zeilen eingeteilt. Jede Zeile entspricht einem Zeitschlitz 208 im Hauptrahmen. Im Beispiel von 3 entspricht der Zeitindex 0 einer relativen Zeit 0 und einem Zeitschlitz 1. Der Zeitschlitz 1 ist der Warteschlange Q1 zugewiesen worden. Entsprechend geben die Zeitindizes 1, 2 und 3 an, dass die Warteschlangen Q2, Q3 und Qn den zweiten, dritten und vierten Zeitschlitzen 210, 212 und 214 zugewiesen worden sind. Im Beispiel von 3 entspricht jeder Zeitschlitz 208 einer diskreten Zeitperiode wie z. B. 2,88 Mikrosekunden. Nur als Beispiel kann ein Hauptrahmen 30 Millisekunden lang sein. Im Beispiel wäre der Hauptrahmen in 10.418 Zeitschlitze geteilt, von denen jeder 2,88 Mikrosekunden lang ist. Jeder Zeitschlitz 208 wird einer der Warteschlangen Q1–Qn zugewiesen. Der Hauptrahmen stellt 100% der statistischen Bandbreite dar, die über eine bestimmte abwärts gerichtete Verbindung zur Verfügung steht. Der Planer steuert den Prozentsatz der jeder der Warteschlangen Q1–Qn zuzuweisenden Bandbreite. Auf diesen Bandbreitenprozentsatz-Zuweisungen basierend weist der Planer jeden Zeitschlitz einer bestimmten Warteschlange Q1–Qn zu. Sind z. B. der Warteschlange Q1 25% der gesamten Bandbreite zugewiesen, weist die CPU 154 der Warteschlange Q1 25% der Zeitschlitze 208 zu. Die der Warteschlange Q1 zugewiesenen Zeitschlitze werden im gesamten Hauptrahmen und in der gesamten Paketverarbeitungsplanung 200 vorzugsweise gleichmäßig verteilt.
Während des Betriebs erhält der Planer 152 kontinuierlich Datenverkehrsparameter-Informationen vom Bandbreiten-/Phasenmessmodul 114 und berechnet darauf basierend kontinuierlich die Bandbreitenzuweisung für jede der Warteschlangen Q1–Qn neu. Wenn die Datenverkehrsparameter angeben, dass eine bestimmte Warteschlange ein höheres Verkehrsaufkommen erfährt als vorher gemessen wurde, kann der Planer 152 die der speziellen Warteschlange zugewiesene Bandbreite erhöhen, während er eine von allen Verbindungen, die durch die Warteschlange geleitet werden, und von allen anderen Verbindungen in der abwärts gerichteten Verbindungen benötigte Dienstgüte sicherstellt. Bei der Erhöhung der einer bestimmten Warteschlange zugewiesenen Bandbreite zur Aufrechterhaltung der Dienstgüte dieser Warteschlange kann der Planer 152 die einer anderen Warteschlange, die weniger Bandbreite verwendet als vorher zur Aufrechterhaltung ihrer Dienstgüte erforderlich war, zugewiesene Bandbreite verringern.
4 zeigt eine beispielhafte Verarbeitungsfolge, die vom Planer 152 ausgeführt wird, um dynamisch und in Echtzeit allen durch die Warteschlangen Q1–Qn gehenden aktiven Übertragungskanälen Bandbreite zuzuweisen. Zuerst lädt der Planer 152 eine erste Paketverarbeitungsplanung in die Verweistabelle 156 (Schritt 300). Danach erhält der Prozessor 154 mit jeder der Warteschlangen Q1–Qn verbundene neue Zellenzählwerte und Phaseninformationen vom Bandbreiten-/Phasenmessmodul 114 (Schritt 302). Dann beginnt der Planer 152 mit der Bedienung der in aktiven Warteschlangen Q1–Qn gespeicherten Datenpakete gemäß der ersten Paketverarbeitungsplanung (Schritt 304).
Während der Planer 152 die Warteschlangen Q1–Qn gemäß der ersten Paketverarbeitungsplanung bedient, berechnet die CPU 154 eine neue Paketverarbeitungsplanung basierend auf den vom Modul 114 erhaltenen neuen Zellenzählwerten und Phaseninformationen (Schritt 306). Schließlich schreibt die CPU 154 die neue Paketverarbeitungsplanung in die Verweistabelle 156 (Schritt 308). Der Prozess der Schritte 302–308 wird während des gesamten Betriebs des Kommunikationssatellitennetzwerks wiederholt, um das tatsächliche Verkehrsaufkommen in durch die Warteschlangen Q1–Qn gehenden Datenkanälen fortwährend zu überwachen. Auf dem tatsächlichen Verkehrsaufkommen basierend vermag der Planer 152 die Bandbreitenzuweisung in Echtzeit effizienter und wirksamer zu aktualisieren.
5 zeigt eine beispielhafte Implementierung mindestens einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 zeigt drei Hauptrahmen 500–504, die mit drei getrennten zu verschiedenen Zeitpunkten in der Verweistabelle 156 gespeicherten Paketverarbeitungsplanungen verbunden sind. Jeder der Hauptrahmen 500–504 wird von der CPU 154 während des Betriebs des Moduls 100 für ausgehende Übertragung auf Basis der Echtzeit-Verkehrsaufkommen in den Warteschlangen Q1–Qn erzeugt. Jeder Hauptrahmen 500–502 weist eine Mehrzahl Zeitschlitze 506 auf. Jeder Zeitschlitz 506 bestimmt eine bestimmte Warteschlange Q1–Qn zum Ausgeben eines Datenpakets während des entsprechenden Zeitschlitzes in der abwärts gerichteten Verbindung. Beim Beispiel von 5 kann ein Hauptrahmen 500 ein erste Verkehrsaufkommen im Modul 100 für ausgehende Übertragung darstellen. Während des ersten mit dem Hauptrahmen 500 verbundenen Verkehrsaufkommens transportieren nur die Warteschlangen Q1 und Q2 Datenverkehr, während die übrigen Warteschlangen Q3–Qn ungenutzt (inaktiv) bleiben.
Nunmehr sei erneut auf 4 verwiesen ist, wonach die CPU 154 in Schritt 300 die mit dem Hauptrahmen 500 verbundene erste Paketverarbeitungsplanung in die Verweistabelle 156 lädt. Die erste Paketverarbeitungsplanung kann durch die CPU 154 erzeugt werden. Alternativ kann die erste Paketverarbeitungsplanung von einer Bodenstation hochgeladen werden. Während bei der ersten Bedienung die Warteschlangen Q1 und Q2 die einzigen aktiven Warteschlangen sind, kann der Planer 152 die gesamte durch das Modul 100 für ausgehende Übertragung verfügbare Bandbreite den Warteschlangen Q1 und Q2 zuzuweisen. Wenn es wünschenswert ist, die gesamte Bandbreite nur den aktiven Warteschlangen Q1 und Q2 zuzuweisen, wird der Hauptrahmen 500 geladen, so dass alle Zeitschlitze 506 einer der Warteschlangen Q1 und Q2 zugewiesen werden.
Beim Beispiel von 5 wird angenommen, dass die von Q1 benötigte Mindestdienstgüte mindestens 10% der gesamten dem Modul 100 für ausgehende Übertragung zur Verfügung stehenden Bandbreite beträgt, wogegen die von dem mit Warteschlange Q2 verbundenen Übertragungskanal benötigte Mindestdienstgüte mindestens 20% der gesamten verfügbaren Bandbreite über das Modul 100 für ausgehende Übertragung beträgt. Da die übrigen Warteschlangen Q3–Qn ungenutzt sind, ist den Warteschlangen Q1 und Q2 im Hauptrahmen 500 zusätzliche Bandbreite über den Mindestbedarf hinaus bereitgestellt worden. Die gesamte den Warteschlangen Q1 und Q2 zugewiesene Bandbreite kann zum Verhältnis der Mindestdienstgüten für jede Warteschlange proportional sein. Weil die Warteschlange Q2 eine Dienstgüte mit etwa der doppelten Bandbreite im Vergleich zur der Warteschlange Q1 zugehörigen Dienstgüte benötigt, können folglich der Warteschlange Q2 im Hauptrahmen 500 doppelt so viele Zeitschlitze 506 zugewiesen werden. Beim Beispiel von 5 werden die Zeitschlitze so zugewiesen, dass der Warteschlange Q2 für jeden der Warteschlange Q1 zugewiesenen Zeitschlitz zwei Zeitschlitze zugewiesen werden.
Nachdem die erste Paketverarbeitungsplanung entsprechend dem Hauptrahmen 500 in Schritt 300 geladen und vom Planer 152 verwendet worden ist, geht die Verarbeitung zu Schritt 302 (4) weiter, in dem der Planer 152 neue Zellenzählwerte und Phasen von den Warteschlangen Q1–Qn erhält. Die Steuerung geht zu Schritt 304 weiter, wo der Planer 152 die mit der Bedienung der Zellen Q1 und Q2 gemäß der im Hauptrahmen 500 bestimmten Paketverarbeitungsplanung beginnt.
Als Nächstes berechnet der Planer 152 eine neue Paketverarbeitungsplanung auf Basis der in Schritt 302 erhaltenen neuen Zellenzählwerte und Phasen. In Schritt 306 des Beispiels von 5 wird angenommen, dass die Warteschlange Q3 aktiv wird und folglich einen Anteil der Bandbreitenzuweisung benötigt. Beim Beispiel von 5 misst das Bandbreiten- /Phasenmessmodul 114 die mit der Warteschlange Q3 verbundenen Datenverkehrsparameter und gibt diese Datenverkehrsparameter an den Planer 152 weiter. Der Prozessor 154 berechnet anhand der Datenverkehrsparameter für die Warteschlange Q3, dass die durch das tatsächliche Verkehrsaufkommen in der Warteschlange Q3 erforderliche Mindestdienstgüte ungefähr 10% der gesamten im Modul 100 für ausgehende Übertragung verfügbaren Bandbreite erforderlich macht. Folglich weist der Prozessor 154 die Zeitschlitze 506 im Hauptrahmen 502 neu zu, um der Warteschlange Q3 wenigstens eine Mindestbandbreite bereitzustellen.
Wahlweise kann der Prozessor 154 der Warteschlange Q3 die Mindestzahl Zeitschlitze 506 zuweisen, um der Warteschlange Q3 10% der gesamten verfügbaren Bandbreite bereitzustellen. Alternativ kann der Warteschlange Q3 mehr Bandbreite als ihr Mindestbedarf bereitgestellt werden. Beim Beispiel von 5 hat der Prozessor 154 anhand der Datenverkehrsparameter für die Warteschlangen Q1–Q3 bestimmt, dass der Mindestbandbreitenbedarf für jede Warteschlange 10%, 20% bzw. 10% der gesamten verfügbaren Bandbreite beträgt. Der Prozessor 154 teilt die gesamte Bandbreite des Moduls für ausgehende Übertragung zwischen den Warteschlangen Q1–Q3 proportional auf. Mit anderen Worten, der Prozessor 154 weist der Warteschlange Q1 25% der gesamten Bandbreite, der Warteschlange Q2 50% der gesamten Bandbreite und der Warteschlange Q3 25% der Bandbreite zu. Diese Zuweisungen sind im Hauptrahmen 502 durch fortlaufendes Zuweisen von Zeitschlitzen 506 wie folgt dargestellt: Q1, Q2, Q2, Q3.
Wie ebenfalls aus 4 ersichtlich ist, schreibt der Planer 152 die neue mit dem Hauptrahmen 502 verbundene Paketverarbeitungsplanung in die Verweistabelle 156 und der Planer 152 beginnt entsprechend mit dem Steuern der Warteschlangen Q1–Q3. Die Verarbeitung kehrt zu Schritt 302 zurück, bei dem der Planer 152 neue Datenverkehrsparameter für die Warteschlangen Q1–Qn erhielt. Beim Beispiel von 5 wird angenommen, dass Warteschlangen Q4, Q7 und Q16 aktiv werden, und die verbundenen Datenverkehrsparameter zeigen an, dass der gegenwärtige Bandbreitenbedarf der Warteschlangen Q4, Q7 und Q16 jeweils ungefähr 20% der gesamten verfügbaren Bandbreite vom Modul 100 für die ausgehende Übertragung erforderlich macht.
In Schritt 304 beginnt der Planer 152 mit der Bedienung der Zellen in den Warteschlangen Q1–Q3 gemäß dem als Paketverarbeitungsplanung gespeicherten Hauptrahmen 502. In Schritt 306 erzeugt der Prozessor 154 den Hauptrahmen 504 auf Basis der neuen Datenver kehrsparameter, die anzeigen, dass die Warteschlangen Q1, Q2, Q3, Q4, Q7, Q16 10%, 20%, 10%, 20%, 20% bzw. 20% der gesamten im Anschluss 100 für ausgehende Übertragung verfügbaren Bandbreite erforderlich machen. Der Prozessor 154 weist die Zeitschlitze 506 im Hauptrahmen 504 wie in 5 angegeben wie folgt zu: Q1, Q2, Q2, Q3, Q4, Q4, Q7, Q7, Q16 und Q16. Die oben stehende Folge von Warteschlangenzuweisungen wird über die gesamte Länge des Hauptrahmens 504 kontinuierlich wiederholt. Der Hauptrahmen 504 wird in Schritt 308 in die Verweistabelle geschrieben und der obige Prozess wird wiederholt. Auf die obige Weise vermag der Planer 154 die Nutzung der im Modul 100 für ausgehende Übertragung verfügbaren Bandbreite zu maximieren.
Ein Fair Queuing Scheduling-Algorithmus kann unter Nutzung bodengestützter Verarbeitung je nach Komplexität des Algorithmus, dessen Verwendung gewünscht ist, implementiert werden. Vorzugsweise wird die bodengestützte Verarbeitung minimiert oder eliminiert, da eine bodengestützte Verarbeitung aufwärts gerichtete und abwärtsgerichtete Datenressourcen benötigt, um Planungsinformationen zum und vom Satelliten zu befördern. Tabelleneinträge bodengestützter Verarbeitung können aufgrund der Ausbreitungsverzögerung und von Eingangs-/Ausgangsengpässen um mehrere Hundert Millisekunden verspätet beim Kommunikationssatelliten ankommen. Folglich ist es vorzuziehen, dass Planungsoperationen an Bord des Satelliten ausgeführt werden.
Verschiedene Planungsalgorithmen unterscheiden sich in der Komplexität, im Bedarf von Verarbeitungsressourcen und in der Verarbeitungszeit. Eine optimale Fair Queuing-Technik kann mehr Verarbeitungsressourcen (z. B. Speicher, Geschwindigkeit, Zeit) erfordern als bei bestimmten Kommunikationssatelliten zur Verfügung stehen. Folglich kann es besser sein, mehrere Fair Queuing-Algorithmen einschließlich mindestens eines optimalen Algorithmus und mindestens eines suboptimalen Algorithmus in einen an Bord befindlichen Planer zu laden. Zusätzliche Fair Queuing-Algorithmen können auf dem Satelliten geladen werden und bieten eine Palette von Genauigkeit und Präzision. Ein suboptimaler Algorithmus kann sich bestimmten Fair Queuing-Eigenschaften nähern. Dem Satelliten kann dann die Option einer automatischen (oder auf bodengestützter Steuerung beruhenden) Auswahl eines die Implementierungskriterien einer bestimmten Anwendung am besten erfüllenden Fair Queuing-Algorithmus aus mehreren Algorithmen bereitgestellt werden.
Optional kann die Häufigkeit der Überwachung der Datenverkehrsparameter für die Warteschlangen Q1–Qn variiert werden (automatisch oder durch Steuerung vom Boden aus). Die Datenverkehrsparameter-Überwachungsrate kann minimiert werden, sofern der CPU 154 ausreichende Informationen zur Erzeugung einer Paketverarbeitungsplanung 200 verfügbar gemacht werden, die Zeitschlitzeinträge enthält, die sich einem Fair Queuing-Algorithmus wesentlich nähern. Zur weiteren Verbesserung der Verarbeitungsgeschwindigkeit kann der Planer 152 auf einen einzigen Zeitstempel pro Warteschlange (über die Zeit hinweg behalten), eine einzige Zwischenspeicherbelegungsstatistik pro Warteschlange, eine einzige feste durchschnittliche Bedienungsrate pro Warteschlange und dgl. beschränkt werden.
Wird die E-/A-Übertragungsgeschwindigkeit zum und vom Planer 152 unangemessen beschränkt, kann die Rate, mit der Tabelleneinträge in der Paketverarbeitungsplanung 200 programmiert werden können, langsamer werden als die abwärts gerichtete Übertragungsgeschwindigkeit. Zwischen der abwärts gerichteten Übertragungsgeschwindigkeit und der durchschnittlichen Aktualisierungsrate von Zeitschlitzen in der Verweistabelle kann ein Verhältnis definiert werden. Dieses Verhältnis kann als der abwärts gerichtete Planungsprozentsatz definiert werden. Ist der abwärts gerichtete Planungsprozentsatz unangemessen klein, werden die Tabelleneinträge ungenau. Der Planer 152 wird unfähig, die Tabelle schnell genug zu aktualisieren, um die Präzision aufrechtzuerhalten, und muss sich folglich auf den ungefähren Bedienungsbedarf stützen. Eine Paketverarbeitungsplanung, die nicht vollständig aktualisiert worden ist, bevor alle Zeitschlitze den Zyklus durchlaufen haben, wird durchgeschleift, und einigen Warteschlangen wird unnötige Bandbreite gegeben, weil mit den Warteschlangen verbundene Zeitschlitze noch nicht aktualisiert worden sein werden, um die aktuellen Datenverkehrsparametermessungen widerzuspiegeln.
Außerdem werden die Zeitstempel für Warteschlangen ungenau, wenn der abwärts gerichtete Planungsprozentsatz unangemessen klein wird. Werden die Zeitstempel ungenau, erhält der Planer 152 ein beschränktes Wissen über den Zustand des Ausgangsmoduls 100 und kann außer Stande sein, warteschlangenspezifische Zustandsinformationen auf rufweiser Basis zu unterhalten. Wird der abwärts gerichtete Planungsprozentsatz unangemessen klein, ist es folglich vorzuziehen, dass der Planer 152 die Zeitstempel auf Basis der Annahme, dass die Mehrheit der Warteschlangen beschäftigt ist, annähert. In diesem Fall können Fair Queuing-Garantien nicht sichergestellt werden.
Während des angenäherten Fair Queuing ist jedoch die Genauigkeit wichtiger als die Präzision. Die an den Planer 152 gelieferte Zwischenspeicherbelegungsstatistik (Datenverkehrsparameter) ermöglicht Schätzungen der gesamten Warteschlangenbelegung. Während des angenäherten Fair Queuing kann folglich vom Planer 152 eine statische Priorität zusätzlich zur Rufverarbeitungsplanung 200 verwendet werden, um die Warteschlangen 104–110 zu bedienen, wenn ungenutzte Warteschlangen von der Paketverarbeitungsplanung 200 indiziert werden. In diesem Fall werden aus der Netzmanagementstation (network operations centre, NOC) gelesene Abbildungen nicht mehr benötigt.
Wenn die Verarbeitungsfähigkeiten bei wahrem Fair Queuing das Verkehrsaufkommen übertreffen oder erfüllen, kann wahres (nicht Pseudo-) Fair Queuing mit nur einer geringfügigen Zunahme von Verzögerungsgrenzen erreicht werden. In diesem System stimmen durch Fair Queuing berechnete Statistiken (Zeitstempel) ziemlich genau mit laufenden Sende- und Ankunftsereignissen überein. Ein unangemessen späte Ankunft von Datenverkehrsparametern beim Planer 152 schafft die Möglichkeit, dass von speziellen Zeitschlitzen 208 erzeugte Tabelleneinträge möglicherweise nicht zur Bedienung für das vorgesehene Datenpaket führen. Obwohl jedoch einige Warteschlangen 104–110 eventuell Bandbreitenergreifen durchführen, wird im ungünstigsten Fall die Verzögerung, mit der als Konsequenz eine der Warteschlangen 104–110 beaufschlagt wird, bei der Verzögerungsgrenzenzunahme berücksichtigt. Folglich ist angenähertes Fair Queuing an Bord den am Boden verarbeiteten Tabellenaktualisierungen vorzuziehen.
Ist die durchschnittliche Tabellenschreibrate größer als die Übertragungsgeschwindigkeit der abwärts gerichteten Verbindung, werden für wahres Fair Queuing vorzugsweise nur so viele Einträge geschrieben, wie bedient werden können. Dieser Umstand tritt ein, wenn der abwärts gerichtete Planungsprozentsatz weniger als eins beträgt. Der Grund für diese Anforderung besteht in der Vermeidung von Verwechslungen. Der Planer 152 hakt die für alle Einträge, die er programmiert, durchgeführte Bedienung ab. Werden Einträge nicht erreicht, können ihre Warteschlangen die Bedienung verlieren. Für wahres Fair Queuing ist es auch wichtig, dass abwärts gerichtete Planungsprozentsätze größer sind als die durchschnittliche Nutzung der abwärts gerichteten Verbindung der Anrufzugangskontrolle (call admission control, CAC). Der Planer kann Fairness nur über den von ihm kontrollierten Abschnitt der abwärts gerichteten Verbindung garantieren.
Für wahres Fair Queuing ist Präzision wichtiger als die Genauigkeit in Warteschlangenbelegungszählern. An die Steuerung gesendete Warteschlangenbelegungszähler können deutlich weniger Bits haben als die vollständigen verfügbaren 16 Bits. In diesem Fall erfordert wahres Fair Queuing bei niedrigen Werten eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen Zählern und Warteschlangenbelegungen. Zwischenspeicherbelegungen, die größer sind als das für die gegebenen Anzahl Bits ausdrückbare Maximum, werden auf das Maximum abgerundet.
Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, weil der Fachmann Modifikationen insbesondere angesichts der obigen Lehren vornehmen kann. Die beigefügten Ansprüche sollen deshalb solche Modifikationen abdecken, die die in den Anwendungsbereich der Erfindung fallenden Merkmale enthalten.

Claims

Ein Verfahren zum Planen, in Echtzeit, einer Reihenfolge, in der Datenpakete aus einer Mehrzahl von aufwärts gerichteten Übertragungskanälen, die in Prioritätsklassenwarteschlangen (104–110) gespeichert sind, in einem abwärts gerichteten Übertragungskanal eines Satellitenkommunikationsnetzwerkes organisiert werden, wobei das Verfahren enthält: Befördern von Datenpaketen über einen abwärts gerichteten Übertragungskanal in einer durch eine Paketverarbeitungsplanung bestimmten Reihenfolge, Überwachen (116, 114) mindestens eines Datenverkehrsparameters, der mit mindestens einer Datenstromausgabe einer der Prioritätsklassenwarteschlangen verbunden ist, wobei der Datenverkehrsparameter für eine tatsächliche Bandbreitennutzung der entsprechenden Prioritätsklassenwarteschlange repräsentativ ist, und während des Beförderns von Datenpaketen über den abwärts gerichteten Übertragungskanal, die Paketverarbeitungsplanung, basierend auf dem mindestens einen Datenverkehrsparameter, geändert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend: Überwachen einer tatsächlichen Bandbreite, die von jeder Prioritätsklassenwarteschlange genutzt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Überwachungsschritt eine Phase jedes in einer Prioritätsklassenwarteschlange gespeicherten Datenstroms misst, wobei die Phase eine Zeitdauer angibt die abgelaufen ist, seit ein Datenpaket von einer bestimmten Prioritätsklassenwarteschlange an den abwärts gerichteten Übertragungskanal ausgegeben wurde.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend: Berechnen einer neuen Paketverarbeitungsplanung, basierend auf den Verkehrsparametern entsprechend eines Packet Fair Queuing (PFQ) Algorithmus.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend: Dynamisches Zuweisen einer Bandbreitenmenge zu jeder Prioritätsklassenwarteschlange in der Paketverarbeitungsplanung.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Paketverarbeitungsplanung durch Anpassen einer Bandbreitenmenge abgeändert wird, die mindestens einer Prioritätsklassenwarteschlange zugewiesen ist, während die Prioritätswarteschlange die Datenpakete speichert.
Ein Kommunikationssatellit, enthaltend: mindestens eine aufwärts gerichtete Verbindung und eine abwärts gerichtete Verbindung zum Befördern von Datenpaketen über Kommunikationskanäle, Prioritätsklassenwarteschlangen (104–110) zum Sammeln von Datenpaketen von mindestens einer aufwärts gerichteten Verbindung und zum Ausgeben der Datenpakete an eine abwärts gerichtete Verbindung, unter Verwendung einer dynamisch anpassbaren Bandbreitenmenge, und einen Planer (152) zum Zuweisen von Bandbreite an mindestens eine Prioritätsklassenwarteschlange, wobei der Planer eine Bandbreitenmenge ändert, die mindestens einer Prioritätsklassenwarteschlange zugewiesen ist, während die Prioritätsklassenwarteschlange Datenpakete zwischen einer aufwärts gerichteten Verbindung und einer abwärts gerichteten Verbindung zwischenspeichert, und eine Verkehrsüberwachungseinheit (116, 114) zum Überwachen mindestens eines Verkehrsparameters, der mit jedem abwärts gerichteten Übertragungsstrom verbunden ist, wobei der Verkehrsparameter für eine Datenstromausgabe von einer der Prioritätsklassenwarteschlangen repräsentativ ist, wobei der Planer eine Bandbreitenzuweisung basierend auf dem Verkehrsparameter ändert.
Der Kommunikationssatellit nach Anspruch 7, ferner enthaltend: ein Bandbreitenmessmodul zum Messen einer statistischen Bandbreite, die tatsächlich von mindestens einer Warteschlange verwendet wird, wobei der Planer die Bandbreitenzuweisung der mindestens einen Warteschlange basierend auf der gemessenen statistischen Bandbreite aktualisiert.
Der Kommunikationssatellit nach Anspruch 7, ferner enthaltend: eine Einrichtung zum Messen einer Datenpaketrate jeder Warteschlange, wobei der Planer die Bandbreitenzuweisung basierend auf der gemessenen Datenpaketrate abändert.