DE69636788T2 - Mediumzugriffssteuerung und Luftschnittstellen-Subsystem für ein drahtloses Inhaus-ATM-Netz - Google Patents

Mediumzugriffssteuerung und Luftschnittstellen-Subsystem für ein drahtloses Inhaus-ATM-Netz Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Verteilen digitaler Pakete
  • Kontinuierlicher Fortschritt in der drahtlosen Technologie und drahtgebundener Hochgeschwindigkeitsnetzwerke mit integriertem Dienst versprechen, dem Mobilnutzer in naher Zukunft allgegenwärtigen Multimedia-Informationszugriff bereitzustellen. Obwohl drahtloser Zugriff bereits verwendet wurde, um Mobilnutzern ungebundenen Zugriff bereitzustellen, erfolgte dies hauptsächlich, um die Anforderungen zweier spezifischer und getrennter Bereiche zu erfüllen: Sprachtelefonie und Innenraum-Daten-LANs. Mobiltelefonnetzwerke haben den Bereich der Telefondienste auf einen drahtlosen letzten Hop ausgedehnt, während für Innenraum-Nutzer von TCP/IP-Datennetzwerken dasselbe mittels mobiler IP-LANs erfolgt, wie beispielsweise WaveLANTM von AT&T und RangeLANTM von Proxim.
  • Bei Netzwerken, die in der Lage sind, ungebundene Multimediaberechnung und Informationszugriff bereitzustellen, erscheint es zunehmend wahrscheinlich, dass der Kern solcher Netzwerke auf die sich verbreitenden Zellenvermittlungsnetzwerke mit Asynchronem Transfermodus (ATM) basieren werden, welche integrierte Unterstützung für Sprache, Video, Daten und anderen Multimediatraffic bereitstellen. Die Verwendung des ATM-Virtuellen-Kanal-Verbindungsmodells macht es möglich, einer bestimmten Verbindung Dienstgütegarantien bereitzustellen. Dies legt nahe, dass eine Notwendigkeit besteht, auch die Architektur des drahtlosen letzten Hops neu zu überdenken. Insbesondere scheint es sinnvoll zu sein, auch über den drahtlosen letzten Hop dem Virtuellen-Kanal-Verbindungsmodell in ATM zu folgen, wodurch ermöglicht wird, dass die in dem drahtgebundenen Netzwerk gemachten Dienstgütegarantien auf eine Ende-zu-Ende- Basis ausgedehnt werden, welche auch den drahtlosen Hop mit einschließen. Es ist eine offene, gegenwärtig Gegenstand der Forschung darstellende Frage, ob der drahtlose letzte Hop das Virtuelle-Kanal-Verbindungsmodell in ATM oder das verbindungslose Verteilungsmodell verwenden sollte, wie dies in den heutigen drahtlosen IP-LANs geschieht.
  • Von der Annahme ausgehend, dass es logisch ist, das ATM-Virtuelle-Kanal-Verbindungsmodell auf den drahtlosen Hop auszudehnen, wurde in den AT&T Bell Laboratories ein drahtloses Multimedianetzwerk für Innenräume entwickelt. Das Netzwerk, das Seamless Wireless ATM Networking (SWAN) genannt wird, versucht, mobilen heterogenen ATM-Endpunkten in einer Innenraum-Büroumgebung kontinuierliche Netzwerkverbindung bereitzustellen. Eine solche ATM-Verbindungsfähigkeit von Ende zu Ende erfordert die Fähigkeit, virtuelle Kanalverbindungen zu und von mobilen Hosts herzustellen, nachzuverfolgen und abzubrechen, sowie die Fähigkeit, Dienstgütegarantien für diese virtuellen Kanalverbindungen bei Vorliegen von Mobilität bereitzustellen.
  • Während drahtlose Netzwerke mit ATM von Ende zu Ende sich immer noch im Entwicklungsstadium befinden, sind Mobiltelfonnetzwerke, die drahtlosen Innenraum-Daten-LANs und die zellulären Stadtgebiet-Datennetzwerk für den Außenraum, wie RichochetTM von Metrocom, drei große Kategorien drahtloser Netzwerke, die im Handel sind. Mobiltelefonnetzwerke sind verbindungsorientiert und wenden entweder den älteren analogen Frequenz-Division-Multiple-Access oder das neuere digitale Zeit- oder Code-Division-Multiplexing an. Für SWAN sind möglicherweise die Techniken von größerer Bedeutung, die zum Verfolgen von Verbindungen verwendet werden, wenn die mobilen Nutzer von Zelle zu Zelle roamen, insbesondere im Fall der neueren mikrozellulären Netzwerke.
  • Näher am SWAN-Bereich befinden sich die drahtlosen Daten-LANs für den Innenraum, wie WaveLAN von AT&T und RangeLAN von Proxim. Bei den in diesen Netzwerken verwendeten Funkeinrichtungen handelt es sich in der Regel um Funkeinrichtungen vom ISM-Band, wie die SWAN-Funkeinrichtungen, und sie können entweder auf dem Frequenzhopping-Verteilungsspektrum basieren oder auf dem direkten Sequenzverteilungsspektrum. Auf Frequenzhopping basierende Funkeinrichtungen sind eine verhältnismäßig neue Entwicklung und intelligente Algorithmen für die Steuerung des Frequenzhoppens sind immer noch urheberrechtlich geschützt. In jedem Fall sind diese drahtlosen LANs für mobilen IP- oder mobilen IPX-Traffic, im Gegensatz zu dem mobilen ATM-Traffic, optimiert. Die Mediumzugriffsteuerung (Medium Access Control, MAC) und die physischen Steuerschichten in diesen drahtlosen LANs sind Gegenstand des vorgeschlagenen IEEE-Standards 802.11. In einem weiten Sinne werden all diese Netzwerke auf eine Peer-to-Peer-Weise betrieben, wobei die mobilen Zugriffspunkte und die drahtgebundenen Netzwerkzugriffspunkte als Peers in einem gemeinsam benutzten Rundsendekanal agieren. Dieses Konzept ist dem des Ethernets recht ähnlich und tatsächlich handelt es sich bei den Mediumzugriffssteuerschichten in diesen drahtlosen LANs auch insofern um Ethernetvarianten, als der Mehrfachzugriff auf Carrier Sense Multiple Access (CSMA), verstärkt mit Kollisionsvermeidung und Quittungsüberwachung basiert. Auf Abfragen basierende Mediumzugriffsteuerung wurde zur Verwendung in drahtlosen Daten-LANs ebenfalls vorgeschlagen.
  • Obwohl durch den Einsatz drahtloser Technologie und Breitbandnetzwerke beträchtlicher Fortschritt erzielt worden ist, müssen viele technischen Probleme noch gelöst werden, bevor eine Vision allgegenwärtigen ungebundenen Zugriffs auf Multimediainformationen realisiert werden kann. Dementsprechend besteht ein Bedarf an der Bereitstellung eines verlässlichen Systems zum Steuern der Verbindung der Basisstation und der Mobileinheit zum Transportieren von Datenpaketen.
  • SERVING HUMANITY THROUGH COMMUNICATIONS. SUPERCOMM/ICC, NEW ORLEANS, 1. -5. MAI 1994, Bd. 1, Nr. -, 1. Mai 1994, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, Seiten 559-565, XP000438976, RAYCHAUDHURI D: 'ATM BASED TRANSPORT ARCHITECTURE FOR MULTISERVICES WIRELESS PERSONAL COMMUNICATION NETWORKS' offenbart eine ATM-basierte Transportarchitektur für Mehrfachdienste-Personal-Kommunikationsnetzwerke (PCN) der nächsten Generation, die in der Lage sind, eine Mischung aus Breitband-ISDN-Diensten, die Transport bei konstanter Bitrate (CBR), variabler Bitrate (VBR) und in Paketform enthalten, zu unterstützen. Die Schrift lehrt auch die Verwendung eines hierarchischen ATM-Vermittlungsnetzwerks für die Verbindung von PCN-Mikrozellen untereinander, von denen jede durch Hochgeschwindigkeitsfunkstrecken mit gemeinsamem Zugriff auf der Basis von ATM-kompatiblen Zell-Relay-Prinzipien bedient wird. Das drahtlose Medium erfordert ein spezifisches Datenstreckenschichtprotokoll, das die Schnittstelle zu einer ATM-Transportschicht bildet. Ein Grundansatz ist die Definition eines PCS-Datenstreckenpakets als 53-Byte-ATM-Zelle, die durch einen zusätzlichen PCS-Kopf eingekapselt ist. Außerdem sollte die spezifische PCS-Datenstreckenschicht einen Fehlersteuermechanismus unter Verwendung eines PCS-Paketsequenznummernfelds in dem Kopf zusammen mit einem Standard-CRC-Rahmenprüfsequenztrailer verwenden. Für verbindungslose Datenklassen sollte ein herkömmliches Fehlerwiederherstellungsprotokoll vom HDLC-Typ durch VC ausgeführt werden, vorzugsweise auf der Basis des gezielten Verwerfens. Bei verbindungsorientierter CBR und VBR besteht der Nominalfehlersteuermodus darin, fehlerhaft empfangene ATM-Zellen zu detektieren und auszufiltern, bevor sie in das Netzwerk eintreten können.
  • EP-A-0587980 offenbart ein zelluläres Mobilfunksystem, das zum Betrieb nach einem Paketreservierungs-Mehrfachzugriffprotokoll ausgelegt ist, wobei in jedem Rahmen mindestens ein Zeitschlitz für die Sendung von Zugriffseinschränkungsdaten bestimmt ist. Das System enthält eine Basisstation, die angeordnet ist, auf den Datenempfang in dem reservierten Feld durch Zuweisen verfügbarer Schlitze zum Erfüllen der Anforderungen der Mobileinheit zu reagieren. Das System enthält ferner eine automatische Anfragewiederholungseinrichtung, in der Sendewiederholungsanfragen bezüglich jener Zellen einer Gruppe gestellt werden, die fehlerhaft waren, wie durch einen Fehlerdetektor angezeigt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 6 bereitgestellt.
  • Es wird ein System zum Verteilen von Daten in Paketform in einem Netzwerk bereitgestellt, wobei das System eine einzigartige Adresse der Mobileinheit dynamisch zuordnet, Bandbreite in der drahtlosen Strecke durch ein Zeichenschema zuweist und Vorwärtsfehlerkorrektur für das Paket bereitstellt.
  • Das System weist Mittel auf zum drahtlosen Transportieren der Pakete zwischen einer Basisstation und einem Endpunkt, der auf eine Verbindungszelle zum Verbinden der Basisstation und des Endpunkts reagiert. Die Verbindungszelle enthält einen Kopf und einen Körper. Der Körper enthält wiederum einen Vorwärtsfehlerkorrekturcode, eine Funkportkennung und Zeichen. Der Vorwärtsfehlerkorrekturcode stellt Fehlerdetektion und Fehlerkorrektur bereit, die einzig auf einer Ein-Weg-Kommunikation von Datenbits von einem Sender zu einem Empfänger beruht. Die Funkportkennung ist eine logische Kennung, die so zugeordnet ist, dass jeder Funkport in einer Umgebung eine einzigartige Kennung aufweist. Das Zeichen ermöglicht den drahtlosen Transport über einen ausgewählten Kanal der Pakete zwischen der Basisstation und dem Endpunkt. Das Zeichen wird verwendet, um den aus einer Vielzahl von Kanälen ausgewählten Kanal zuzuweisen.
  • Es wird ein Verfahren zum Verteilen von Daten in Paketform zwischen einem Endpunkt und einer Basisstation beschrieben. Das Verfahren enthält den Schritt des Bereitstellens eines Mittels zum Verbinden einer Basisstation und eines Endpunkts. Danach wird die Basisstation und der Endpunkt verbunden, dann werden die Pakete zwischen der Basisstation und dem Endpunkt drahtlos transportiert.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung kann aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erhalten werden, in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Netzwerkkommunikationsmodells eines drahtlosen SWAN ATM-Netzwerks ist;
  • 2 ein Blockdiagramm eines letzten Hops in einem drahtlosen ATM-Netzwerk ist;
  • 3 ein Blockdiagramm einer wiederverwendbaren Schablone einer drahtlosen ATM-Adapterarchitektur ist;
  • 4 ein Blockdiagramm einer FAWN-Adapterarchitektur ist;
  • 5 ein Blockdiagramm einer Basisstation und Mobileinheiten in SWAN ist;
  • 6 eine Darstellung eines Formats von Verbindungszellen für Luftschnittstellenpakete; und
  • 7 ein Blockdiagramm eingebetteter Software auf einem drahtlosen Adapter ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Obwohl sich die vorliegende Erfindung besonders gut für ein Paketkommunikationssystem eignet, bei dem eine virtuelle ATM-Kanalverbindung auf einen drahtlosen Endpunkt ausgedehnt wird, und mit Bezug auf diese Anwendung beschrieben werden wird, können die hier offenbarten Verfahren und Vorrichtungen auf andere Paketkommunikationssysteme mit einem drahtlosen Endpunkt angewendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Ansicht von erhöhtem Niveau des Netzwerkkommunikationsmodells gezeigt, das von der mobil vernetzten SWAN-Berechnungsumgebung bei AT&T Bell Laboratories verwendet wird. Eine Hierarchie eines breiten Gebiets 10 und eines lokalen Gebiets 12 drahtgebundener ATM-Netzwerke wird als das Rückgratnetzwerk verwendet, während drahtloser Zugriff in dem letzten Hop zu mobilen Hosts verwendet wird. Neben dem Verbinden herkömmlicher drahtgebundener Serverhosts 14 und Client-Endpunkte 16 verbindet das drahtgebundene Rückgrat auch an spezielle Vermittlungsknoten, die Basisstationen 18 genannt werden. Die Basisstationen 18 sind mit drahtlosen Adapterkarten ausgestattet und fungieren als Gateway für Kommunikation zwischen nahegelegenen mobilen Hosts 20, welche ebenfalls mit drahtlosen Adaptern ausgestattet sind, und dem drahtgebundenen Netzwerk. Das geographische Gebiet, für das eine Basisstation als Gateway fungiert, wird seine Zelle 22 genannt, und vor dem Hintergrund der beabsichtigten Verwendung von SWAN in einer Büroumgebung sind die verschiedenen Basisstation-Knoten 18 in Picozellen von Zimmergröße verteilt. Netzwerkverbindungsfähigkeit wird kontinuierlich aufrechterhalten, wenn Nutzer, die eine Vielfalt mobiler Hosts 20 tragen, von einer Zelle 22 zu einer anderen roamen. Zu den mobilen Hosts 20 selbst gehören Einrichtungen, wie beispielsweise tragbare Computer, die mit einem geeigneten drahtlosen Adapter ausgestattet sind, bis hin zu einfachen drahtlosen Endgeräten, die keine oder wenig lokale allgemein Computerressourcen aufweisen. Alle mobilen Hosts 20 in SWAN müssen jedoch die Fähigkeit aufweisen, an Netzwerksignalgebungs- und Datentransferprotokollen teilzunehmen. Letztlich sendet und empfängt eine Mobilstation 20 in SWAN all ihren Traffic durch die Basisstation 18 in ihrer aktuellen Zelle 22.
  • Ein Kennzeichen des SWAN-Systems ist die Verwendung von Ende-zu-Ende-ATM sowohl über das drahtgebundene Netzwerk als auch über die drahtlosen letzten Hops 24. Dies steht im Gegensatz zu der Verwendung verbindungsloser mobiler IP in heutigen drahtlosen Daten-LANs. Diese Designwahl in SWAN war durch die Erkenntnis motiviert, dass Fortschritte in Komprimierungsalgorithmen zusammen mit erhöhter Bandbreite, welche durch räumliches Multiplexing aufgrund der Verwendung von Picozellen und nun verfügbarer Hochfrequenz-Sender/Empfänger höherer Bandbreiten, die Übertragung von Video in Paketform an eine Mobileinheit 20 ermöglichen kann. Unterstützung für Multimediatraffic über das drahtlose Segment wurde somit in SWAN zu einer treibenden Kraft. Die Annahme des verbindungsorientierten Modells einer ATM-Virtuellen-Kanalverbindung über den drahtlosen Hop ermöglicht außerdem die Ausdehnung von Dienstgütegarantien, die den virtuellen, Audio- oder Video-Traffic tragenden Kanalverbindungen zugeordnet sind, auf eine Ende-zu-Ende-Basis. Im Wesentlichen gestattet die Verwendung von Ende-zu-Ende-ATM, dass die drahtlose Ressource unter den verschiedenen Verbindungen, die einen drahtlosen Hop überbrücken, sinnvoll zugeordnet wird.
  • Die Verwendung des ATM-Virtuellen-Kanalverbindungs-Modells über den gesamten weg zu einem mobilen Host 20, führt jedoch zu der Notwendigkeit, die ATM-Virtuellen-Kanalverbindungen, wenn sich der mobile Host 20 bewegt, kontinuierlich nachzuverfolgen. Die geringen Zellgrößen und das Vorliegen von gegenüber Dienstgüte empfindlichem Multimediatraffic machen dieses Problem in SWAN besonders bedeutsam. Virtuelle Kanalverbindungen, die Audio oder Video tragen, müssen so weit wie möglich gegenüber Störungen immun sein, wenn ein mobiler Host 20 von einer Basisstation 18 zu einer benachbarten übergeht. Natürlich muss das ATM-Signalgebungsprotokoll die Ausgabe des Nachverfolgens der Virtuellen-Kanalverbindung mit minimaler Latenz ausführen, und der Problemansatz von SWAN basiert auf der Ausweitung der virtuellen Kanalverbindung gekoppelt mit Schleifenentfernung und mobil initiierten partiellen Neuaufbauten. Von besonderem Interesse ist der Umstand, dass die niedrigeren Protokollschichten, die den drahtlosen Medienzugriff handhaben, auch die Aufgabe des Transfers einer Mobileinheit 20 von einer Basisstation 18 zu einer anderen mit minimaler Latenz erfüllen müssen. Übergang mit geringer Latenz und Zuweisung von drahtlosen Ressourcen unter zahlreichen virtuellen Verbindungen sind somit Aufgaben, die in dem drahtlosen Hop 24 in SWAN erfüllt werden müssen zusätzlich zu der üblichen Funktionalität der Medienzugriffsteuerung und der Luftschnittstellenfunktion.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm des drahtlosen letzten Hops 24 eines SWAN-artigen drahtlosen ATM-Netzwerks. Die Hauptfunktion der Basisstation 18 ist die Vermittlung von Zellen unter zahlreichen drahtgebundenen 26 und drahtlosen ATM-Adaptern 28, die an der Basisstation 18 angebracht sind, wobei die Basisstation 18 als ATM-Schaltung angesehen werden kann, die über drahtlose ATM-Hochfrequenzadapter an einigen ihrer Ports verfügt. In SWAN werden jedoch generische PCs und Sun Workstation als Basisstation 18 verwendet, indem eine drahtgebundene ATM-Adapterkarte 26 und eine oder mehrere drahtlose ATM-Hochfrequenzadapter 28 eingesteckt werden. Die Zellenvermittlungsfunktionalität wird durch Software unter Verwendung eines im Kernelraum angeordneten Cellroutens, eines Adapterschnittstellenmoduls 30 und eines im Nutzerraum angeordneten Verbindungsverwaltersignalgebeungsmoduls 32 realisiert. Die Verwendung von PCs und Workstations für Basisstationen 18 ermöglicht ihnen, auch als drahtgebundene Hosts zu agieren und Anwendungsprozesse 34 auszuführen. Im Wesentlichen sind die Basisstationen 18 in SWAN nichts Anderes als Computer mit zwischengeschalteten Funkbanken.
  • Auf der anderen Seite des drahtlosen letzten Hops 24 befindet sich die Mobileinheit 20, die ebenfalls über einen drahtlosen Hochfrequenzadapter 28, ein Verbindungssignalgebungsverwaltermodul 36 und ein Modul 38 verfügt, das Zellen unter verschiedenen Agenten innerhalb der Mobileinheit weiterleitet. Obwohl die Mobileinheit 20 im Bild wie eine Basisstation 18 ohne drahtgebundene Adapter und nur mit einem drahtlosen Adapter 28 aussehen kann, ist das nicht die ganze Wahrheit. Der Verbindungsverwalter 36 an der Mobileinheit 20 ist anders – beispielsweise muss er nicht eine vermittlungsähnliche Funktion bereitstellen. Außerdem können Mobileinheiten 20, wie einfache Endgeräte, nur Hardwareagenten aufweisen, die als Quellen von ATM-Zellen fungieren, im Gegensatz zu Softwareprozessen. Mobileinheiten 20, die mehr als einfache Endgeräte sind, können jedoch auch Anwendungen 40 ausführen.
  • Von besonderem Interesse ist der ATM-Hochfrequenzadapter 28 der Basisstation 18, der ATM-Hochfrequenzadapter der Mobileinheit 20 und ihre Verbindungen zwischen ihnen durch ein Luftschnittstellenpaket (Verbindungszelle) über den drahtlosen letzten Hop 24. Ein Strom von ATM-Zellen von den höheren ATM-Schichten muss über die drahtlose Verbindung 24 zwischen einer Mobileinheit 20 und ihrer Basisstation 18 transportiert werden. Die zur Durchführung des Transports von ATM-Zellen über die Luft anzugehenden Probleme können in zwei Kategorien klassifiziert werden: generische Probleme und ATM-spezifsche Probleme.
  • Im Folgenden werden einige Probleme aufgeführt, die unter die generische Kategorie: (1) Verteilung verfügbarer Bandbreite in Kanäle, (2) Verteilung von Kanälen unter Basisstationen, (3) Regulierung von Zugriff auf gemeinsam benutzte Kanäle, (4) Übergabe von Mobileinheiten von einer Basisstation 18 zu einer anderen.
  • Andererseits werden die folgenden Probleme des drahtlosen Hops grundsätzlich durch die Anforderungen von ATM beeinflusst: (1) Abbilden von ATM-Zellen auf Verbindungszellen oder Luftschnittstellenpakete, (2) Format von Luftschnittstellenpaketen, (3) Auswirkung von ATM-Zellenverlust aufgrund von Rauschen und für drahtlose Umgebungen einzigartige Störquellen, wie beispielsweise Zwischensymbolstörung, Störung durch angrenzende Kanäle, Frequenzkollision usw., und (4) Multiplexen und Planen verschiedener ATM-Virtueller-Kanalverbindungen in demselben Kanal.
  • Die Antworten auf diese Probleme hängen teilweise von den durch die Hardware auferlegten Einschränkungen ab und insbesondere von den Merkmalen des Funk-Sender/Empfängers.
  • Der drahtlose Hop in SWAN basiert auf der Idee einer einzigen wiederverwendbaren Architektur eines drahtlosen ATM-Adapters, in 3 gezeigt, der Schnittstellen zu einem oder mehreren Digital-in/Digital-out-Funk-Sender/Empfängern 42 auf einer Seite durch eine Funkportschnittstelle 44 bildet, auf der anderen Seite zu einer Standardbusschnittstelle 46, die an einen Standarddatenbus 48 gekoppelt ist, und ein dazwischen angeordnetes Standardkernmodul 50, das feldprogrammierbare Hardwareressourcen 52 bereitstellt, und eine softwareprogrammierbare eingebettete Berechnungsmaschine 54 aufweist, um die notwendige Datenverarbeitung zu realisieren. Mehrere Implementation dieser grundsätzlichen Architektur könnten ausgeführt werden, mit abweichendem Formfaktor, verschiedenen Busschnittstellen und verschiedenen Funkreinrichtungen, aber alle mit demselben Datenverarbeitungsmodul. Dies stellt einen gleichförmigen Mechanismus bereit, um Einrichtungen SWAN-fähig zu machen. Implementierungen könnten von PCMCIA-Adapterkarten, die zu Laptopcomputern gehören, über klein Formfaktorkarten zum Einbetten in einem drahtlosen Endgerät bis zu Adaptern mit mehrfachen Funkreinrichtungen höherer Geschwindigkeiten zur Verwendung in Basisstationen reichen. Der Adapter könnte durch Reprogrammieren der eingebetteten Software durch Rekonfigurieren der feldprogrammierbaren Hardware für Algorithmen konfiguriert sein. Boardsynthesewerkzeuge auf Systemniveau mit Schnittstellensynthese und Bibliothekkapazitäten nach Parametern, wie beispielsweise das SIERA-System von Berkeley, können verwendet werden, um Variationen dieser grundlegenden Adapterarchitektur für verschiedene Busse und Funkeinrichtungen zu erzeugen. Gegenwärtig existiert eine Implementation unserer Standardarchitektur in Form einer Karte, die Flexibler Adapter für Drahtloses Netzwerk (FAWN) genannt wird.
  • Ein Artikel mit dem Titel „A Testbed For Mobile Network Computing" von P. Agrawal et al., veröffentlicht in Proc. IEEE Intl. Conference on Communications, ICC 1995, stellt Details der Architektur von SWAN und des FAWN-Adapters bereit.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Blockdiagramm einer FAWN-Adapterarchitektur gezeigt. Die FAWN-Karte 56 verwendet einen PCMCIA-Bus 58, um eine Schnittstelle zu dem Hostcomputer 60 zu bilden. Ein Laptopcomputer mit einem PCMCIA-Schlitz kann zu einem mobilen Host werden, indem eine FAWN-Karte 56 eingesteckt wird.
  • Die FAWN-Karte 56 weist einen RISC-Prozessor 62, wie beispielsweise eine ARM 610 CPU auf, die für die Steuerung des Hochfrequenzmodems 64 und anderer Peripheriegeräte über eine Peripherieschnittstelle 66 zuständig ist. Die FAWN-Karte 56 ist zur Verwendung in Sendern/Empfängern konfiguriert, die bei dem 2,4 GHz Industrial Scientific and Medical (ISM) Bandfrequenzhoppingspreizspektrum verwendet werden, obwohl die Sender/Empfänger-Schnittstelle durch Reprogrammieren einiger Komponenten einfach modifiziert werden kann, was einem Fachmann wohlbekannt ist. Der RISC-Prozessor 62 wird bei 20 MHz betrieben und stellt ausreichend Verarbeitungskapazität zur Ausführung der Kernel-, Signalgebungs- und Transportprotokollfunktionen bereit.
  • Die Kommunikation zwischen dem RISC-Prozessor 62 und dem Hostcomputer 60, in einer Basisstation 18 oder Mobileinheit 20, verwendet einen Dualportspeicher basierend auf der Schnittstelle 68 über die Schnittstelle PCMCIA-Schnittstelle 70. Die Schnittstelle wird mit einem feldprogrammierbaren Gatearray (FPGA) implementiert. Es gibt zwei Zugriffsmodi, ein Modus greift auf jedes der CPU-Peripheriegeräte zu, braucht aber länger, da die Schnittstelle für den interne Bus der FAWN-CPU vermitteln muss. Da auf jede Seite des Dualport-RAM 68 durch die Host-CPU und die FAWN-CPU 62 bei voller Geschwindigkeit zugegriffen werden kann können die Datentransfers bei Maximalgeschwindigkeit erfolgen.
  • Eine Modemsteuerung 72 ist unter Verwendung eines weiteren FPGA implementiert und implementiert viele der Funktionen niedrigen Niveau, die notwendig sind, um drahtlose Zugriffsprotokolle zu unterstützen. Ein Hochfrequenzmodem 64, wie ein 2,4 GHz FHSS-Modem stelle eine Schnittstelle auf logischem Niveau für Daten und Steuerung sowie eine analoge Anzeige der Stärke des empfangenen Signals bereit. Dieses Band ermöglicht 83 Kanäle von 1 MHz zum Frequenzhoppen. Gegenwärtig kann ein GEC-Plesseymodem 83 Kanäle bei einer Rohbandbreite von 625 Kbit/Sek. unterstützen und wird in einer weiteren Version eine 1,2 Mbit/Sek. Bandbreite unterstützen. Die Schnittstelle des Modems gestattet die Auswahl von 1 der 83 Kanäle, das Leistungsniveau und 1 von 2 Antennen. Das Modem 64 liefert einen Bitstrom zu einem UART 74 während des Empfangs und nimmt einen Bitstrom während des Sendens an. Der UART 74 konvertiert den Bitstrom von dem Modem 64 beim Empfang in Bytes, wobei die relevanten Synchronisierungsbits gestrippt werden und Bytes zu dem steuernden FPGA (Modemsteuerung) 72 bereitgestellt werden. Während des Sendens addiert der UART 74 Synchronisierungsbits und führt den Bitstrom dem Modem 64 zu. Der FPGA (Modemsteuerung) 72 enthält vier 64-Byte-Puffer, welche Datenpakete zu und von dem UART 74 speichern. Dies ermöglicht es dem UART 74, Daten asynchron zu senden und zu empfangen, ohne die FAWN-CPU 62 unterbrechen zu müssen. Der FPGA 72 (Modemsteuerung) enthält einen wiedereinstellbaren Takt, der bei 1 MHz betrieben wird und als Echtzeit-Timer zu Protokoll- und Aufgabenplanung verwendet werden kann. Ein Analog-Digital-Konverter (ADC) 76 und ein Niedrigpassfilter ermöglichen das Lesen der empfangenen Signalstärke durch die FAWN CPU 62. Ein Steuer-PAL 78 ist in dem FAWN-Adapter 56 enthalten. Die FAWN-Karte 56 enthält 4 Mbytes von SRAM 80 zum Programm- und Datenspeichern.
  • Aus praktischen Gründen hängt die Natur des drahtlosen Hops in dem SWAN von den Merkmalen des bestimmten Funksendeempfängers, der durch den FAWN-Adapter 56 unterstützt wird, ab. Hinsichtlich des Niedrigfrequenzhoppens handelt es sich bei dem ersten Funk-Sender/Empfänger, der in SWAN verwendet wird, um die DE6003-Funkeinrichtung von GEC Plessey. DE6003 ist eine Halbduplex-Niedrigfrequenzhopping-Funkeinrichtung, die in dem 2,4 GHz ISM Band betrieben wird und weist eine Datenrate von 625 Kbps auf. Außerdem weist die Funkeinrichtung zwei Leistungniveaus auf und zwei auswählbare Funkantennen 82. Gesetzliche Anforderungen schreiben vor, dass die Funkeinrichtung auf solche Weise betrieben werden muss, dass sie pseudozufällig unter mindestens 75 der 83 verfügbaren 1 MHz breiten Frequenzschlitze in dem 2,400 bis 2,4835 MHz-Bereich hoppt, so dass nicht mehr als 0,4 Sekunden in einem Schlitz alle 30 Sekunden verbraucht werden.
  • Kommunizierende Sender/Empfänger hoppen entsprechend einer vorbestimmten pseudozufälligen Hopsequenz, die allen von ihnen bekannt ist.
  • Der Niedrigfrequenzhopmechanismus legt nahe, dass ein Kanal in dem drahtlosen Hop von SWAN natürlich einer Hopsequenz entspricht oder eine spezifischen Permutation von 75 bis 83 Frequenzschlitzen. Kanäle, die in demselben geographischen Gebiet mit angeordnet sind, sollten Hopsequenzen verwenden, so dass die Gefahr, dass zwei verschiedene Kanäle sich in demselben Frequenzsschlitz zur selben Zeit befinden, minimiert wird, wobei solche Hopsequenzen schwach orthogonal sind. In SWAN sind 20 bis 25 getrennte Kanäle mit ihrer eigenen Hopsequenz definiert und diese Kanäle werden dann unter den Basisstationen 18 in verschiedene Picozellen verteilt. Mehr als ein Kanal kann einer Basisstation 18 zugewiesen sein und eine Basisstation 18 muss eine getrennte Funkeinrichtung für jeden ihr zugewiesenen Kanal aufweisen. Derselbe Kanal kann nicht zwei Basisstationen 18 in Zellen 22, die sich gegenseitig stören können, zugewiesen sein. Die Mobileinheiten 20 haben nur eine Funkeinrichtung und werden zu jeder gegebenen Zeit in einem spezifischen Kanal betrieben.
  • Für das drahtlose Hopdesign sind auch einige der Timingparameter, die dem DE6003 Funk-Sender/Empfänger, der in SWAN verwendet wird, zugeordnet sind, von Bedeutung. Die Funkeinrichtung weist eine Maximalgrenze von 10 ms der Dauer einer kontinuierlichen Sendung auf, und zwei Perioden einer solchen kontinuierlichen Sendung müssen durch mindestens 88 μs getrennt sein. Dies legt nahe, dass bei der Datenrate von 625 kbps ein Maximum von 6250 Bits (oder 781,25 Bytes) in einem Burst übertragen werden kann. Daher beträgt die Maximalgröße eines Luftschnittstellenpakets 6250 Bits. Außerdem beträgt die Overheadzeit, um vom Empfangs- zum Sendemodus zu schalten, maximal 5,8 μs, und für das Schalten vom Sende- zum Empfangsmodus 30 μs. Verglichen mit der 88 μs-Trennung zwischen zwei kontinuierlichen Sendungen legen diese beiden Zahlen nahe, dass von dem Standpunkt der Effizienz es besser ist, dass ein Sender/Empfänger seine Richtung nach maximal 10 ms Sendeburst schaltet. Ein weiterer resultierender Timingparameter im Overhead ist die 80 μs-Zeit, die von der Funkeinrichtung verwendet wird, um von einem Frequenzschlitz zum anderen zu hoppen.
  • Die Funkeinrichtung stellt eine Bitfehlerrate (BER) von maximal 1E-5 für den Betrieb in SWAN-Umgebung bereit. Dies drückt sich in einer Wahrscheinlichkeit von weniger als 0,5 % aus, dass eine ATM-Zelle aufgrund von Rauschen verloren geht. Während dies eine viel größere Verlustwahrscheinlichkeit verglichen zu dem, was an dem verdrahteten Rückgrat leicht erhältlich ist, ist diese Zellverlustwahrscheinlichkeit aufgrund von Frequenzschlitzkollision in zwei miteinander angeordneten Kanälen überschattet. Wenn beispielsweise zwei Kanäle, die 75 lange Frequenzhoppingsequenzen verwenden, nur einmal jede Sequenz kollidieren, führt dies zu einem Verlust von 4 %. Techniken, wie die Informationsverteilung über Frequenzschlitze und intelligente Hoppingalgorithmen sind in SWAN drahtlosem Hop in erster Linie entscheidender, als Techniken, die nur auf Grund von Rauschen auf Fehler abzielen.
  • 5 zeigt die abstrakte Architektur einer typischen Basisstation in SWAN. Eine Basisstation 18 besteht aus mehreren drahtlosen ATM-Adapterkarten 28, die in ihre Rückplatte gesteckt sind, wobei jede Karte 28 mehrere Funk-Sender/Empfänger 42 handhabt. Jeder Funk-Sender/Empfänger 42 ist ein Kanal 90 (Frequenzhoppingsequenz) zugeordnet, der sich von den Kanälen 90 unterscheidet, die einer Funkeinrichtung 42 in dem aktuellen oder einer benachbarten Basisstation 18 zugeordnet sind. In der Regel weist in SWAN eine Basisstation 18 weniger als 3-5 Funkeinrichtungen 42 pro Basisstation 18 auf. Die vorhergehende Basisstationorganisation führt zu einer zellulären Struktur, in der jede Zelle durch mehrere miteinander angeordnete Kanäle abgedeckt wird. Eine Mobileinheit 20 in einer Zelle 22 ist einem der Funkports an der Basisstation 18 zugeordnet und führt Frequenzhoppen synchron zu ihr aus.
  • Da das Tragen von Multimediatraffic zu den Mobileinheiten 20 ein Hauptziel in SWAN ist, sind die zwei wichtigen Treiber für die Mediumzugriffskontrolle und das physische Schichtsteueruntersystem Übergaben mit geringer Latenz und Unterstützung für mehrfache simultane Kanäle 90 in einer gegebenen Zelle 22. Außerdem ist die ausdrückliche Zuweisung drahtloser Ressourcen unter ATM-Virtuellen Kanalverbindungen entscheidend. Schließlich wird mindestens in der Anfangsimplementation die Einfachheit der Implementation als wünschenswert erachtet. In jedem Fall wäre die Implementierung algorithmischer Verstärkungen einfach, das die drahtlose Adapterarchitektur auf Software und rekonfigurierbarer Hardware basiert.
  • Vor dem Hintergrund dieser Überlegungen ist die grundlegende physische Schichtstrategie, die gegenwärtig in SWAN verwendet wird; jeder Mobileinheit 20 in einer Zelle 22 ihren eigenen Funkport oder Kanal auf der Basisstation 18 zuzuweisen. Die verfügbaren 20-25 Kanäle werden in einem Drei-Wege-Raum-Multiplexing verteilt, so dass 7-8 Kanäle pro Zelle 22 verfügbar sind, und jede Basisstation 18 ist entsprechend mit mehreren Funkports ausgestattet. Davon ausgehend, dass eine Zelle 22 die Größe eines Zimmers hat, ist dies für das anfänglich beabsichtigte Nutzungsmuster mehr als genug. Anspruchsvollerer Nutzungsmuster, wie beispielsweise das Handhaben von Konferenzräumen, werden die Fähigkeit erfordern, mehrere Mobileinheiten 20 pro Kanal zu unterstützen. Die Zeit zwischen zwei Frequenzhops auf einem Kanal wird der Hopframe genannt, der in Verbindungszellen oder Luftschnittstellenpaketen von fester Länge unterteilt wird. Der Zugriff auf den Kanal 90 wird durch ein Zeichendurchgangsmechanismus reguliert, wobei die Basisstation 18 als Master für die Ausgabe des Zeichens fungiert. Die Übergabe wird von der Mobileinheit initiiert, welche die Hand-off Request Link Cell (HRLC) basierend auf den Messungen der Leistung der aktuellen Station überträgt. Andererseits sucht die Basisstation auf ihren freien Funkports nach Mobileinheiten 20, die eine Basisstation 18 suchen. Dieses grundlegende Schema wird in den folgenden Unterabschnitten eingehender dargestellt.
  • Die Definition der Luftschnittstellenpakete und die Abbildung von ATM-Zellen auf die Luftschnittstellenpakete hängt von den Hardwarebeschränkungen ab. In SWAN wird ein Standard Serienkommunikationssteuerchip im Synchronmodus verwendet, was zu der Verwendung des wohlbekannten Synchrondatenstreckensteuer-(SDLC)-Protokolls über die Luft führt. Ein SWAN-Sender sendet SDLC-Rahmen, die durch die SDLC-SYNC-Bytes getrennt sind. Um den Unterbrechungsoverhead zu der Software zu reduzieren, treibt eine physische Schichtsteuerung die serielle Kommunikationssteuerung an. Die physische Schichtsteuerung nimmt Dateneinheiten, die Verbindungszellen oder Luftschnittstellenpakete genannt werden, von der Mediumzugriffsteuerschicht an und packt sie in den SDLC-Rahmen, der durch den Serienkommunikationssteuerchip gesendet wird. Das Umgekehrte gilt für das Empfangsende. Die physische Schichtsteuerung muss in Hardware ausgeführt sein und ihre gegenwärtige Implementation in dem rekonfigurierbaren Hardwareteil des drahtlosen FAWN-Adapters in SWAN basiert auf einem Design, das feste 64 Byte große Verbindungszellen verwendet. Die höhere Mediumzugriffssteuerschicht kommuniziert mit der physischen Schicht aufgrund dieser 64-Byte-Verbindungszellen.
  • Bei den Beschränkungen fester 64-Byte-großer Verbindungszellen verwendet das aktuelle Schema die einfache suboptimale Strategie, eine 53-Byte-ATM-Zelle in eine Verbindungszelle einzukapseln, wobei die verbleibenden 11 Byte für den Mediumzugriffsteuerkopf und für die Fehlersteuerung verwendet werden. Zusätzlich zu der Verbindungszelle, die eine ATM-Zelle einkapselt, sind für Signalgebungszwecke auch andere Verbindungszellen definiert.
  • 6 zeigt das Format einer generischen Verbindungszelle 84. Es gibt einen 4-Byte-Kopf 86 und ein 53-Byte-Körper 88 und die verbleibenden 7 Byte sind gegenwärtig undefiniert. Der Kopf 86 weist Felder für den Zelltyp 92 auf, der 3 Bits umfasst, die Funkportkennung 94, die 8 Bits umfasst, und drei andere Felder für Mediumzugriffsteuerung. Die Mediumzugriffssteuerungsfelder bestehen aus einem Zeichen G-Feld 96 von 1 Bit, einem Zeichen R-Feld 98 von 3 Bits und einem BSReq-Feld 100 von 1 Bit. Zusätzlich verwendet der Kopf 16 Bits für die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) 102 der obigen Informationen. Vorwärtsfehlerkorrektur stellt die Verbindungszellenintegrität sicher, wobei der Transfer von Daten in Paketform Mittel für Fehlerdetektion und Fehlerkorrektur aufweist, die einzig auf einer Ein-Weg-Kommunikation von Datenbits von einem Sender zu einem Empfänger beruhen. Die Funkportkennung 94 ist eine logische Kennung, die durch die Signalgebung des Rückgrats so zugewiesen ist, dass zwei Funkports in einer Funkumgebung nicht dieselbe Kennung aufweisen. Diese logische Funkportkennung 94 wird durch die Basisstation 18 auf die drahtgebundene Netzwerkadresse der Basisstation 18 und die Funkportkennung 94 in der Basisstation 18 abgebildet.
  • Sieben Arten von Verbindungszellen sind definiert: ATMLC zum Einkapseln von ATM-Datenzellen, CRLC zur Verbindungsanfrage durch eine hochfahrende Mobileinheit, HRLC für eine Übergabeanfrage durch eine Mobileinheit, SYNCLC für den freien Kanal, und CHRLCACK1, CHRLCACK2 und CHRLCACK3 für die Bestätigung während der Registrierung einer Mobileinheit an einer Basisstation.
  • Das Grundprotokoll für die Zugriffsregelung auf einem Kanal ist das einer Zeichenübergabe, wobei die Basisstation 18 als der zentrale Vermittler fungiert, der entscheidet, wer das Zeichen und somit das Übertragungsprivileg bekommt. In einer Mobileinheit 20 pro Funkportszenario, was gegenwärtig der Fall ist, reduziert dies einen Austausch von Zeichen zwischen der Mobileinheit 20 und der Basiseinheit 18, um volle Duplexkommunikationen herzustellen. Das Zeichen kann ein Feld von höchstens N = 8 Verbindungszellendauer sein, was etwas weniger als 10 ms ist, die Länge des maximal zulässigen kontinuierlichen Sendungsbursts. Dieses Maximaliintervall wird verwendet, um verlorene Zeichen in rauschigen Kanälen zu detektieren. Die Zeicheninformation ist ein Teil des Verbindungszellenkopfs 86 in der Form zweier Felder: TOKEN_G 96, das 1 Bit beträgt, und TOKEN_R 98, das 3 Bit beträgt. Das G-Feld mit dem Wert 1 wird verwendet, um anzugeben, dass ein Zeichen dem Empfänger gewährt wurde (für <= N Verbindungszellendauer). Das R-Feld gibt die Anzahl von ATM-Zellen an, die an dem Sender warten, Information wird durch die Basisstation 18 beim Planen des Zeichens verwendet. Im Fall eines freien Kanals wird die Steuerung nur mit G = 1 und R = 0 vor- und zurückgehen. Wenn das Zeichen aufgrund von Rauschen verloren geht, unternehmen die Mobileinheiten 20 nichts und Time-out, während die Basisstation 18 die Steuerung übernimmt und das Zeichenübergabeprotokoll wiederherstellt.
  • In engem Zusammenhang mit der Mediumzugriffsteuerung steht die Steuerung des Frequenzhoppens. Obwohl es zwei logische orthogonale Ausgaben gibt, können sie nicht in einer Implementation getrennt werden. Statt der Verwendung eines Hoppingschemas, das auf die Messung des Hoppingintervals in Echtzeit basiert, wird die Anzahl von Zeichenübergaben gezählt, um die Länge des Hopframes zu messen. Insbesondere erfolgt Hoppen nach jeder M = 8 Zeichengewährungen von einer Mobileinheit 20 zu einer Basisstation 18. Natürlich sind Zeichenverluste in diesem Schema ein Problem und das einfache Zählen der Zeichen wird nicht funktionieren. Daher wird die effektive Anzahl von Zeichenübergaben gezählt, um zu entscheiden, wann Hoppen erfolgen soll. Die effektive Anzahl von Zeichenübergaben ist die tatsächliche Anzahl von Zeichenübergaben und die Anzahl von Time-Outs während des Wartens auf Zeichen.
  • Es ist von besonderem Interesse, die verschiedenen drahtlosen Hopszenarios zu betrachten. Nach dem Hochfahren beginnt eine Mobileinheit 20 mit dem Senden einer „Verbindungsanfrage"-Verbindungszelle (CRLC). Diese Übertragung erfolgt mittels einer zufälligen Anfangsfrequenzhoppingsequenz und erfolgt bei hoher Geschwindigkeit, wodurch die Mobileinheit 20 zu dem nächsten Frequenzschlitz in der Sequenz hoppt, wenn keine Basisstation 18 auf die Verbindungsanfrageverbindungszelle reagiert. Der Körper des CRLC besteht aus der global einzigartigen Mobileinheitkennung und einer Hoppingsequenzkennung. Diese Information wird durch ein Vorwärtsfehlerkorrekturschema geschützt, das auf einem (8, 4)-Linearcode beruht. Auf das CRLC folgt ein reserviertes Zeitintervall (der Länge 2 × Verbindungszellendauer) für eine interessierte Basisstation 18 zum Bestätigen über eine CHRLCACK1-Zelle. In der CHRLCACK1 ist eine logische Kennung von 8 Bits enthalten, die die Basisstation 18 der Mobileinheit 20 für die Dauer einer Verbindung der Mobileinheit zu dem Funkport zuordnet. Nach erfolgreichem Empfang von CHRLCACK1 durch die Mobilstation 20 erfolgt ein Austausch von CHRLCACK2 und CHRLCACK3, um die dreiphasige Bestätigung abzuschließen, die den Registrierungsprozess der Mobileinheit darstellt.
  • Eine Mobileinheit 20 in SWAN misst kontinuierlich die Hochfrequenzleistung Paktuell von Paketen, die sie von ihrer Basisstation 18 empfängt. Zwei Leistungsschwellwert sind definiert: Pmin und PSchwell, wobei Letztere größer als Erstere ist . Wenn Paktuell unter PSchwell fällt, aber immer noch über Pmin liegt, initiiert die Mobileinheit 20 den Prozess der weichen Bestätigung durch Beginnen des periodischen Sendens einer „Übergabeanfrage"-Verbindungszelle (HRLC) mit einer Periodizität, die proportional zu PSchwell-Paktuell ist. Außerdem stellt die Mobileinheit 20 das „Basisstationanfrage"-Bit (BSReq) 100 in dem Kopf 86 aller Verbindungszellen 84, die es sendet, ein. Dies gibt den freien Basisstationen 18 sowie den aktuellen Basisstationen 18 an, dass eine Übergabe erforderlich ist. Der Körper 88 des HRLC besteht aus der global einzigartigen Mobileinheitkennung, einer Hopsequenzkennung und der Kennung der aktuellen Basistation 18. Wie in CRLC ist auch der Körper von HRLC durch eine (8, 4) Vorwärtsfehlerkorrekturlinearcode 102 geschützt. Die Bestätigung, die einem HRLC folgt, ist eine dreiphasige Bestätigung ähnlich der in dem Fall einer CRLC wie oben beschrieben. Wenn die Leistung Paktuell unter Pmin nimmt die Mobilstation 20 an, dass ihre Verbindung zu der aktuellen Mobilstation 18 verloren gegangen ist und beginnt kontinuierlich HRLC zu senden und schaltet zu der schnellen Hoprate. Die schnelle Hoprate reduziert nicht nur den Effekt der Frequenzkollision mit anderen Kanälen sondern reduziert auch die durchschnittliche Zeit, eine neue Basisstation 18 zu finden, was dem Ziel der niedrigen Übergabelatenz dient. Natürlich ist der weiche Übergabemechanismus, der zuvor beschrieben wurde, der hauptsächliche Mechanismus für Übergaben niedriger Latenz, da er die Registrierung an einer neuen Basisstation 18 gestattet, während die Kommunikation mit der aktuellen Basisstation 18 nicht unterbrochen ist. Die Basisstation 18 mit einem oder mehreren freien Ports jagt aktiv nach Mobileinheiten 20, die möglicherweise verbinden wollen. Dies erfolgt gemäß dem folgenden Prozess: zuerst wird unter Verwendung von Hinweisen von dem Rückgrat ein Frequenzschlitz für den freien Funkport ausgewählt, so dass keiner der Funkports in der Elternbasisstation 18 oder einer benachbarten Basisstation 18 diesen Frequenzschlitz verwendet. Der freie Funkport hopt zu dem so gewählten Frequenzschlitz. Als nächstes misst er die Leistung an dieser Frequenz und sucht nach Verbindungszellenköpfen 84. Wenn an diesem Frequenzschlitz keine Aktivität detektiert wird, wird eine neue Frequenz ausgewählt und die Jagd startet neu. Wenn Aktivität detektiert wird, wobei die Verbindungszellenköpfe 84 zeigen, dass das BSReq 100 Bit nicht gesehen wird, nimmt die Basisstation 18 an, dass die Mobileinheit 20 an einer Übergabe nicht interessiert ist, und beginnt die Jagd wiederum bei einer neuen Frequenz. Andernfalls wartet die Basisstation 18 auf eine CRLC oder eine HRLC-Verbindungszelle oder darauf, dass der Kanal frei wird. Wenn CRCL oder HRCL empfangen wird, initiiert die Basisstation 18 den Registrierungsprozess für die hochfahrende Mobileinheit 20 oder für die übergebende Mobileinheit 20, je nach Fall. Eine dreiphasige Übergabe, die CHRLCACK1, CHRLCACK2 und CHRLCACK3 wird dafür wie vorher beschrieben verwendet.
  • Nun wird die Schnittstelle zwischen ATM-Verbindungsverwalter und dem Mediumzugriffsteuermodul betrachtet. Um die drahtlosen Ressourcen unter den mehreren ATM-Virtuellen Kanalverbindungen zu planen, die über einen drahtlosen Kanal gehen, führt das Mediumzugriffsteuermodil eine Tabelle von Virtuellen-Kanalverbindungsinformationen. Wenn eine neue virtuelle Kanalverbindung – geöffnet werden muss, sendet das Verbindungsverwaltermodul eine Anfrage an das Mediumzugriffsteuermodul, die die Bandbreitenanforderung als die von dieser Virtuellen-Kanalverbindung über eine Zeitperiode von T2 benötigte Kanalzeit T1 angibt. Das Mediumzugriffssteuermodul verwendet diese Information, um die Zulassung zu dieser neuen Virtuellen-Kanalverbindung entweder anzunehmen oder zu verweigern. Diese Bandbreitenspezifikation wird ferner durch das Medienzugriffsmodul verwendet, um die Sendung von Zellen, die zu verschiedenen Virtuellen-Kanalverbindungen angehören, zu planen.
  • Die Implementierung der Mediumzugriffssteuerung und des physischen Schichtsteuerungsubsystem für SWAN kann als 3-Wege-Hardware/Software-Codesignaufgabe gesehen werden, in der die Funktionalität an einer von drei Stellen implementiert sein kann: als Software auf der Basisstation-CPU oder der Mobileinheit-CPU, als eingebettete Software auf dem drahtlosen Adapter und als feldprogrammierbarer drahtloser Adapter. Im Fall eines einfachen Endgeräts mit einem eingebetteten drahtlosen Adapter gibt es keine CPU in dem Endgerät, so dass die Gesamtfunktionalität auf dem drahtlosen Adapter selbst liegt. In der gegenwärtigen Implementation ist die physische Schichtsteuerung auf der feldprogrammierbaren Hardware auf dem drahtlosen Adapter implementiert, die Mediumzugriffsteuerung ist als Software auf dem drahtlosen Adapter implementiert und der ATM-Verbindungsverwalter, zu dem die Mediumzugriffsteuerung spricht, ist als Software entweder auf der Basisstation- oder Mobilstation-CPU oder auf dem drahtlosen Adapter selbst im Falle eines einfachen Endgeräts implementiert.
  • Die Organisation der Software, die auf dem drahtlosen Adapter eingebettet ist, wird in 7 gezeigt. Die Software ist als Multi-Threadad-System organisiert. Die Endzustandsmaschinen entsprechend des Mediumzugriffsteuerprotokolls an jedem Funkport sind als FSMs 104 implementiert, die in dem Unterbrechungsmodus laufen. Es gibt einen derartigen FSM 104 für jeden Funkport. Diese können als Threads sehr hoher Priorität gesehen werden. Die Mediumzugriffsteuer-FSMs 104 kommunizieren mit einem Hauptthread 106, der in dem Nutzermodus läuft und Warteschlangenverwaltung und Senden von ATM-Zellen an die Mediumzugriffsteuer-FSMs 104 auf einer Seite und an andere Threads oder die Basisstations-/Mobilstations-CPU auf der anderen Seite handhabt. Die Interthreadkommunikation erfolgt unter Verwendung von Anzeigerschlangen 108, wobei die ATM-Zellen selbst in einem gemeinsam genutzten Speichergebiet gespeichert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass im Falle einfacher Endgeräte ohne eigene CPU, der ATM- Verbindungsverwalter 110 und die Threads, die als Quelle für ATM-Zellen dienen, auch auf der eingebetteten CPU (einem ARM610-Prozessor) auf dem drahtlosen Adapter laufen. Ein IRQ-Handler 112 verarbeitet Unterbrechungsanfragen als Reaktion auf eine Warteschlagenstatusänderung.
  • Weiterführende Arbeit erweitert die einfache Mediumzugriffsteuerung zum Übergeben von Zeichen, um ad-hoc-Netzwerke zu handhaben, in denen keine a-priori-Basisstation vorliegt und um zwischen Vorwärtsfehlerkorrektur und Neusendungen auf dem Niveau drahtloser Verbindungen auf einer Basis pro virtueller Kanalverbindung zu vermitteln.
    • 10
    WAN
    12
    LAN/SWAN
    14
    Server
    16
    Drahtgebundener Endpunkt
    18
    Basisstation
    20
    Mobilhosts/-einheiten
    22
    Zelle
    24
    Letzter Hop
    26
    Drahtgebundener ATM-Adapter
    28
    Drahtloser ATM-Adapter
    30
    Zellenrouter & Adapterschnittstellen
    32
    Verbindungsverwalter
    34
    Anwendungen
    36
    Mobilverbindungsverwalter
    38
    Mobilzellenrouter & Adapterschnittstellen
    40
    Anwendungen
    42
    Digitaler Sender/Empfänger
    44
    Funkportschnittstelle
    46
    Standardbusschnittstelle
    48
    Standardbus
    50
    Standardkernmodul
    52
    Feldprogrammierbare Hardwareressourcen
    54
    Berechnungsmaschine
    56
    FWAN
    58
    PCMCIA
    60
    an Hostprozessor (PCMCIA-Bus)
    62
    RISC-Prozessor/ARM-CPU/FAWN-CPU
    64
    HF-Modem
    66
    Peripherieschnittstelle
    68
    Dualport-RAM
    70
    PCMCIA-Schnittstelle
    72
    Modemsteuerung
    74
    UART
    76
    ADC
    78
    Steuer-PAL
    80
    SRAM
    82
    Antenne
    84
    Generische Verbindungszelle
    86
    Kopf
    88
    Körper
    90
    Kanal
    92
    Zellentyp
    94
    Funkportkennung
    96
    Zeichen G
    98
    Zeichen-R
    100
    BSReq
    102
    FEC
    104
    Mediumzugriffsteuer-FSM
    106
    Hauptthread
    108
    Warteschlangenstatuszeiger
    110
    Anwendungsthread
    112
    IRQ-Handler

Claims (10)

  1. In einem mindestens eine Basisstation (18) und mindestens einen Endpunkt (20) umfassenden digitalen Kommunikationsnetzwerk ein System zum Verteilen digitaler Pakete zwischen dem mindestens einen Endpunkt (20) und der mindestens einen Basisstation (18), wobei das System Folgendes umfasst: Transportmittel zum drahtlosen Senden und Empfangen der digitalen Pakete zwischen der mindestens einen Basisstation (18) und dem mindestens einen Endpunkt (20); und Verbindungszelle (84) zum Verbinden der mindestens einen Basisstation (18) und des mindestens einen Endpunkts (20), wobei die Verbindungszelle (84) einen Kopfabschnitt (86), einen Körperabschnitt (88) und ein Zeichen (96) enthält, wobei der Kopfabschnitt (86) eine Funkportkennung (94) enthält, bei der es sich um eine logische Kennung handelt, die so zugeordnet ist, dass jeder Funkport in einer Umgebung eine einzigartige Kennung aufweist, wobei das Transportmittel zum Koordinieren des Transfers der digitalen Pakete zwischen der mindestens einen Basisstation (18) und dem mindestens einen Endpunkt (20) auf die Verbindungszelle (84) reagiert und das Zeichen (96) verwendet wird, um einen aus einer Vielzahl von Kanälen (90) ausgewählten Kanal (90) zuzuweisen.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der Kopfabschnitt (86) einen Vorwärtsfehlerkorrekturcode enthält, der Fehlerdetektion und Fehlerkorrektur bereitstellt, die ausschließlich auf einer Einwegekommunikation von Datenbits von einem Sender zu einem Empfänger beruht.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Kopfabschnitt (86) ein zweites Zeichen (98) enthält, wobei das zweite Zeichen (98) eine Anzahl von paketierten Datenzellen, die auf Transport warten, angibt.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der Körperabschnitt (88) ein ATM-Paket enthält.
  5. System nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Vorwärtsfehlerkorrekturcode um einen (8, 4) linearen Code handelt.
  6. Verfahren zum Verteilen digitaler Pakete zwischen mindestens einem Endpunkt (20) und mindestens einer Basisstation (18) in einem digitalen Kommunikationsnetzwerk, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verbinden der mindestens einen Basisstation (18) und des mindestens einen Endpunkts (20) durch Bereitstellen einer Verbindungszelle (84), wobei die Verbindungszelle (84) einen Kopfabschnitt (86), einen Körperabschnitt (88) und ein Zeichen (96) enthält; Bereitstellen einer Funkportkennung (94) in dem Kopfabschnitt (86), wobei es sich bei der Funkportkennung (94) um eine logische Kennung handelt, die so zugeordnet ist, dass jeder Funkport in einer Umgebung eine einzigartige Kennung aufweist; Zuweisung eines aus einer Vielzahl von Kanälen (90) ausgewählten Kanals (90) durch Verwenden des Zeichens (96); und drahtloses Transportieren der digitalen Pakete zwischen der mindestens einen Basisstation (18) und dem mindestens einen Endpunkt (20), wobei das Transportieren in Reaktion auf die Verbindungszelle (84) zum Koordinieren des Transfers der digitalen Pakete erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend das Bereitstellen eines zweiten Zeichens (98) in dem Kopfabschnitt (86), wobei das zweite Zeichen (98) eine Anzahl von paketierten Datenzellen, die auf den Transport warten, angibt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend das Bereitstellen eines Vorwärtsfehlerkorrekturcodes in dem Kopfabschnitt (86), wobei der Vorwärtsfehlerkorrekturcode eine Fehlerdetektion und eine Fehlerkorrektur bereitstellt, die ausschließlich auf einer Einwegekommunikation von Datenbits von einem Sender zu einem Empfänger beruht.
  9. System nach Anspruch 2, wobei der Vorwärtsfehlerkorrekturcode mindestens 16 Bits umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem Vorwärtsfehlerkorrekturcode um einen (8, 4) linearen Code handelt.
DE69636788T 1995-09-27 1996-09-17 Mediumzugriffssteuerung und Luftschnittstellen-Subsystem für ein drahtloses Inhaus-ATM-Netz Expired - Lifetime DE69636788T2 (de)

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